長白山森林植被碳儲量與碳匯價值評價

顧 麗，鄭小賢，龔直文＊

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵712100；2.北京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境管理國家林業(yè)局重點實驗室，北京100083）

森林是地球上最大的碳庫，森林植被碳儲量是生態(tài)建設(shè)的關(guān)鍵指標(biāo)，并同時受到最直接的森林砍伐和退化的影響［1-2］。大氣中碳濃度的增加導(dǎo)致全球氣候變暖與陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能的失衡，威脅著人類的健康和生存安全。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，儲存著陸地生態(tài)系統(tǒng)幾乎2／3的碳，同時具有最大的碳密度，在全球碳循環(huán)方面與減緩氣候變化中發(fā)揮著重要作用［3］。近年來，森林管理越來越多地考慮到森林作為碳匯的作用［4］，森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量與碳通量已經(jīng)作為研究的重點，展開了大量的工作［5-6］。

許多研究者對全球、國家和地區(qū)尺度上的森林植被碳庫變化都進行了估算。目前，對國內(nèi)碳儲量與碳密度的研究既有國家尺度的［7-9］，也有地區(qū)尺度的報道［10-11］，這些研究有助于對森林植被碳庫的認(rèn)識。但是研究森林碳儲量在時間尺度上的動態(tài)變化卻很少，估計森林植被碳儲量的時空變化對掌握碳儲量與森林動態(tài)演變的關(guān)系是非常重要的。此外，“京都議定書”的全面實施，將導(dǎo)致地區(qū)和國家之間的碳匯額度的交易，準(zhǔn)確估計一個地區(qū)的凈碳匯增量將成為不可或缺的一部分。

長白山林區(qū)作為中國天然林保護工程實施的重點地區(qū)之一，目前分布著目前我國面積最大、保存最完整的紅松闊葉混交林，因經(jīng)營活動和氣候變化的影響，森林生態(tài)系統(tǒng)功能有所削弱，已嚴(yán)重威脅到長白山森林生態(tài)系統(tǒng)的完整性、穩(wěn)定性和整體功能，其森林碳匯功能及時空格局也有所改變。提高森林資源質(zhì)量，維護長白山可持續(xù)發(fā)展成為目前急需解決的問題。本研究對金溝嶺林場森林碳儲量及固碳增量進行了分析，為區(qū)域森林碳儲量及其固碳潛力的估算提供科學(xué)依據(jù)，使之發(fā)揮區(qū)域景觀最大的生態(tài)效益及經(jīng)濟效益。

1 研究區(qū)概況

試驗地區(qū)位于吉林省汪清縣境內(nèi)東北部金溝嶺林場，屬長白山系老爺嶺山脈雪嶺支脈，經(jīng)營面積16 286hm2。場部地理位置：130°10′E，43°22′N。林場地貌為低山丘陵，海拔為300～1 200m，坡度5°～25°，陡坡在35°以上的不足5%。本區(qū)屬季風(fēng)型氣候，全年平均氣溫為3.9℃左右，≥0℃積溫2 144℃；年降水量600～700mm，且多集中在7月份；本區(qū)屬低山灰化土灰棕壤區(qū)，母巖為玄武巖［12］。海拔800～1 000m為針葉林灰棕壤土，平均厚度在40cm左右。地帶性植被為長白山紅松針闊混交林。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

所選用的數(shù)據(jù)源如下：

1）美國陸地資源衛(wèi)星5號（Landsat 5）拍攝的研究區(qū)范圍內(nèi)TM遙感影像數(shù)據(jù)，包括1997-07和2007-10兩個時相的1～7波段；2）吉林省汪清林業(yè)局金溝嶺林場的1997年和2007年1∶10 000的林相圖及二類調(diào)查數(shù)據(jù)；3）研究區(qū)內(nèi)1∶50 000的地形圖；4）地類控制點野外調(diào)查數(shù)據(jù)與主要森林類型的樣地調(diào)查數(shù)據(jù)。

2.2 林分生物量的估算方法

喬木層植被作為森林生態(tài)系統(tǒng)最大的碳儲量來源，是迄今為止規(guī)模最大，最具活力的碳庫，包含干、枝、葉、根的總重量［13］。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，Singh and Singh認(rèn)為地上活植被物的碳儲量與地下根系碳儲量存在相關(guān)性［14］。因此利用地上植被的碳密度與碳累積率量化森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量與碳通量是可行的［15］。研究證明不同的森林類型中，其喬木層實測生物量與蓄積量二者之間存在良好的回歸關(guān)系。利用材積源生物量法估算植被碳貯量估算方法已得到廣泛應(yīng)用。本文利用Y.D.Pan［16］等利用5 415塊樣地建立的我國不同森林類型各齡組森林蓄積量-生物量的轉(zhuǎn)換參數(shù)，來估算研究區(qū)11種林型喬木層的生物量，其中，針葉混交林使用云冷杉林參數(shù)；針闊混交林使用紅松林參數(shù)；白樺林和楊樹林使用楊樺林參數(shù)；榆樹林、雜木林和闊葉混交林使用落葉櫟林參數(shù)，其不同森林類型、林齡的蓄積量-生物量轉(zhuǎn)換參數(shù)詳見文獻［18］中的數(shù)據(jù)。

2.3 碳儲量與碳密度的計算

國內(nèi)與國外的研究者普遍采用的是直接或間接測定森林生物量來估算森林植被碳儲量方法［17］。采用國際上常用的轉(zhuǎn)換率0.5進行計算。同時，本研究計算的森林植被碳儲量為喬木層碳儲量。

所用的年平均固碳增量與碳儲量的平均年增長率計算公式如下［30］：

式中：ΔWC為森林植被的年平均固碳增量，Δ為森林喬木層碳儲量的年平均增長率。

2.4 固碳釋氧價值評價

固碳效益估算時，采用國際上常用的轉(zhuǎn)換率0.5；釋放氧氣效益估算時，根據(jù)光合作用的機理與植物代謝規(guī)律來推算，每制造1t植物生物量，可放出氧氣1.19t［18］。

式中，Vq是固碳釋氧總的價值量；Bn為估算的第n年森林植被的生物量；Pc為市場固定CO2的價格，單位：元·t-1；Po為市場制造O2價格單位：元·t-1。

3 結(jié)果與分析

3.1 碳儲量、碳密度及其變化

3.1.1 不同森林類型的碳儲量、碳密度及其變化我愛你1997年至2007年的10a間，長白山金溝嶺林場森林面積沒有變化；森林植被碳儲量總量呈現(xiàn)持續(xù)增長的特征，該林場森林植被喬木層碳儲量由7 621.842 2t增長到8 018.125 9t，凈增加了466.283 7t，這表明了1997年至2007年，金溝嶺林場森林植被是CO2的一個“匯”。從表1可以看出，長白山金溝嶺林場森林植被碳儲量主要集中在針闊混交林、闊葉混交林與針葉混交林，3種林分類型碳儲量所占比例達(dá)到該區(qū)的70%以上；其次是人工落葉松林與白樺林。顯然，這與該地區(qū)不同類型森林的面積是有明顯關(guān)系的。但是，云杉林的面積明顯大于楊樹林與榆樹林，但是其碳儲量卻相對較低，這主要是由于云杉林大多處于中、幼齡林階段，導(dǎo)致其生物量積累相對較慢所致，這表明森林植被的生長階段類碳儲量的動態(tài)變化影響了該林場的碳匯功能。

10a間，長白山金溝嶺林場森林植被的平均碳密度呈現(xiàn)增長的趨勢，由1997年的47.541 7mg·hm-2增長到2007年的50.186 6mg·hm-2，平均碳密度凈增長了2.957 9mg·hm-2。碳密度的動態(tài)變化在不同森林類型中存在一定差別，其中，森林植被碳密度最大的林分類型為闊葉混交林72.950 8 mg·hm-2，是平均值的1.5倍以上；其次為落葉松林與楊樹林，其碳密度值均大于平均碳密度；碳密度最小的林分為樟子松林，還不到10mg·hm-2。1997年到2007年，碳密度變化較大的林分是雜木林，由3.550 2mg·hm-2增加到40.718 4mg·hm-2，可以說明森林植被碳密度與森林類型有關(guān)。

表1 森林植被的面積、蓄積與碳儲量及其變化Table 1 Forest area，accumulation and the total carbon storage in recent ten years

3.1.2 不同齡級森林植被的碳儲量、碳密度及其變化 對比分析森林植被碳儲量隨各林齡組的變化看（圖1），近熟林所占的植被碳儲量比例1997年與2007年分別為60%與46%，可見金溝嶺林場森林植被碳儲量以近熟林占優(yōu)勢。該林場的近熟林碳儲量由4 581.324 4t下降到3 791.743 3t，凈減少了789.743 3t。近熟林碳儲量呈現(xiàn)下降趨勢而幼、中齡林碳儲量比例呈增長趨勢，主要是由于森林生長和培育增強了其碳匯功能，同時，樹木生長導(dǎo)致近熟林發(fā)展為一部分的成熟林，成熟林碳儲功能增強。

分析林木年齡組成結(jié)構(gòu)對森林植被碳密度的影響，即平均碳密度隨林齡起伏變化明顯。從圖2可以看出，幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林的森林植被碳密度有依次增加的趨勢，碳密度以幼齡林最低，以過熟林碳密度最大。其中幼齡林與中齡林增加較快，近熟林、成熟林與過熟林增加不是很明顯，過熟林的碳密度是幼齡林的5倍多，表明未到達(dá)成、過熟林的森林，其碳密度尚未達(dá)到最大值，隨著時間的推移與森林植被的生長，其碳匯能力將會進一步提高。1997-2007年，成熟林與過熟林林的碳密度均有一定幅度的降低，這主要是因為生長衰退。

圖1 不同林齡組的森林植被碳儲量及其變化Fig.1 Changes of total carbon storage in different age groups

圖2 不同年齡林分碳密度變化Fig.2 Mean carbon density in different age group

3.1.3 不同林種森林植被的碳儲量、碳密度及其變化 長白山金溝嶺林場森林主要有護路林、母樹林、水土保持林與一般用材林4種功能類型，各林種所占有的面積比例與碳儲量變化如圖3和圖4?？梢钥闯?，用材林所占的碳儲量比例最大，達(dá)到93%以上，其他3種類型所占的碳儲量比例合計不到7%。從森林植被碳密度隨不同經(jīng)營功能類型的變化看（圖5），護路林的森林植被碳密度最低，1997年與2007年分別為28.028 8mg·hm-2與36.264 7mg·hm-2。1997年至2007年，水土保持林的植被碳密度增長最大，凈增長了18.615 9mg·hm-2，說明森林在保持可持續(xù)發(fā)展的情況下朝著多功能方向發(fā)展。

圖3 不同林種的分布面積比例及其變化Fig.3 Changes of area in different forest function types

圖4 不同林種的森林植被碳儲量及其變化Fig.4 Changes of total carbon storage in different forest function types

3.2 森林植被的固碳增量

長白山金溝嶺林場森林植被的固碳增量與平均年增長率分別是39.63t·hm-2·a-1與0.51%（表2），固碳增量隨著時間與林分類型的變化而變化，1997年至2007年，針闊混交林，針葉林與闊葉的分別是20.60t·hm-2·a-1，6.25t·hm-2·a-1與12.78t·hm-2·a-1，3種林分類型的固碳增量均為正值，大小關(guān)系為針闊混交林＞針葉林＞闊葉林，同時，針闊混交林、針葉林與闊葉林的喬木層碳儲量的平均年增長率分別為0.76%、0.30%和0.43%。

表2 各種林分類型固碳增量Table 2 Carbon sequestration incremental in different forest types

圖5 不同功能類型林分碳密度變化Fig.5 Mean carbon density in different forest function types

3.3 森林植被碳匯效益計量

本研究采用瑞典的碳稅率150美元·t-1（折合人民幣1 200元·t-1）與中華人民共和國衛(wèi)生部網(wǎng)站中2007年春季氧氣的平均價格（1 000元·t-1）［18］，來估算各種森林類型固碳和釋氧價值。結(jié)果如表3所示，1997年長白山金溝嶺林場森林植被的固碳釋氧總價值分別為2 728.130 8萬元，其中固碳與釋氧的價值分別為914.457 3萬元與1 813.673 6萬元；與之對比，2007年，該地區(qū)森林植被固碳釋氧總價值凈增長了16.824 0萬元，為2 744.954 8萬元。該區(qū)以針葉混交林的固碳釋氧價值最高，明顯地高于闊葉林所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

通過對比不同林齡的森林植被產(chǎn)生固碳釋氧價值可以看出（表4），長白山金溝嶺林場以近熟林的固碳釋氧價值最高，1997年與2007年分別占總價值的60.11%與51.41%；其次是中齡林，所占的比例分別為27.20%與34.16%，二者分別占了總量的87.31%與85.57%，說明了該林場有著較大分布面積的中齡林與近熟林在碳儲量中起到了主導(dǎo)性作用。對比研究2個時期的固碳釋氧效益發(fā)現(xiàn)近熟林的總價值有所下降，主要是因為近熟齡林木競爭加劇，導(dǎo)致枯損，生產(chǎn)力處于低緩水平，對此林分需加強撫育，生產(chǎn)力會逐步回升。

表3 各種森林植被類型固碳釋氧價值Table 3 Carbon sequestration and oxygen release value according to different forest types 萬元

表4 不同林齡級森林植被固碳釋氧價值評估Table 4 Carbon sequestration and oxygen release value in different age groups 萬元

4 結(jié)論與討論

森林蓄積量-生物量的轉(zhuǎn)換參數(shù)受森林類型、立地質(zhì)量，林分年齡與人為活動的影響。長白山金溝嶺林場實施的天然林保護和退耕還林等林業(yè)生態(tài)工程，加大了森林經(jīng)營力度，也相應(yīng)增加了森林的碳儲量，其喬木層碳儲量1997年與2007年分別為7 621.842 2t與8 018.125 9t，以中齡林與近熟林為主，隨著林木的生長、成熟和經(jīng)營管理水平的提高，該林區(qū)的固碳能力將處于持續(xù)增長的狀態(tài)，是一個潛在的巨大碳庫。

研究區(qū)碳密度與林分年齡結(jié)構(gòu)近乎成正比，表現(xiàn)出隨著年齡增長碳密度也呈現(xiàn)增長的趨勢，森林植被1997年與2007年的碳密度分別為47.541 7 mg·hm-2與50.186 6mg·hm-2，高于全國2008年森林平均植被碳密度42.82mg·hm-2［19］，但是低于世界的平均水平86.00mg·hm-2［12］。仍要加強對現(xiàn)有森林經(jīng)營，尤其是中幼齡林撫育，提高森林質(zhì)量，從而增加森林碳密度，更好發(fā)揮森林生態(tài)功能。本研究分析森林植被的年固碳增量為39.63 mg·hm-2·a-1，平均年增長率0.51%，低于我國森林的平均年增長率1.6%［20］。而歐洲與北美的一些森林的年固碳增量能達(dá)到2.5～6.6mg·hm-2·a-1［7］，表明該研究區(qū)內(nèi)森林植被具有巨大的碳儲量及固碳空間，增加現(xiàn)存森林的碳密度是一個重要的方法來提高森林固碳增量。

在森林生態(tài)系統(tǒng)的各項服務(wù)功能中，森林的固碳釋氧服務(wù)功能占森林生態(tài)系統(tǒng)公益價值的47.5%［21］，對生態(tài)系統(tǒng)價值的貢獻最大。吉林金溝嶺林場森林植被的固碳釋氧1997年與2007年分別為2 728.130 8萬元與2 744.954 8萬元，凈增長了16.824 0萬元，為建立森林生態(tài)效益補償機制或者直接投入市場交易提供了科學(xué)依據(jù)。長白山金溝嶺林場土地肥沃，雨量充沛，森林植被年齡結(jié)構(gòu)合理，有較高且持續(xù)時間長的生產(chǎn)力，碳庫將越來越大，所創(chuàng)造的碳匯經(jīng)濟價值也會隨之增加。

［1］ GIBBS H K，BROWN S，NILES J O，et al.Monitoring and estimating tropical forest carbon stocks：making REDD a reality［J］.Environmental Research Letters，2007，2（4）：1-13.

［2］ BUNKER D E，DECLERCK F，BRADFORD J C，et al.Species loss and aboveground carbon storage in a tropical forest［J］.Science，2005，310（5750）：1029-1031.

［3］ CHARLES P A，BOURQUE E T，NEILSON C G，et al.Optimizing carbon sequestration in commercial forests by integrating carbon management objectives in wood supply modeling［J］.Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change，2007，12（7）：1253-1275.

［4］ KIRBY K R，POTVIN C.Variation in carbon storage among tree species：Implications for the management of a small-scale carbon sink project［J］.Forest Ecology and Management，2007，246（2／3）：208-221.

［5］ FAHEY T J，WOODBURY P B，BATTLES J J，et al.Forest carbon storage：ecology，management，and policy［J］.Frontiers in Ecology and the Environment，2009，8（5）：245-252.

［6］ CHATURVEDI R K，RAGHUBANSHI A S，SINGH J S.Carbon density and accumulation in woody species of tropical dry forest in India［J］.Forest Ecology Management，2011，262（8）：1576-1588.

［7］ KEITH H，MACKY B G，LINDENMAYER D B.Re-evaluation of forest biomass carbon stocks and lessons form the world's most carbon-dense forests［J］.Proceeding of the National Academy of Science of the USA，2009，106（28）：11635-11640.

［8］ FANG J Y，CHEN A P，PENG C H，et al.Changes in forest biomass carbon storage in China between 1949and 1998［J］.Science，2001，292（5525）：2320-2322.

［9］ XU B，GUO Z D，PIAO S L，et al.Biomass carbon stocks in China's forests between 2000and 2050：aprediction based on forest biomass-age relationships［J］.Sci.China Life Sci.，2010，53（7）：776-783.

［10］ 管東生，陳玉娟，黃芬芳.廣州城市綠地系統(tǒng)碳的貯存、分布及其在碳氧平衡中的作用［J］.中國環(huán)境科學(xué)，1998，18（5）：437-441.GUAN D S，CHEN Y J，HUANG F F.The storage and dis-tribution of carbon in urban vegetation and its roles in balance of carbon and oxygen in Guangzhou［J］.China Environmental Science，1998，18（5）：437-441.（in Chinese）

［11］ 張林，王禮茂.三北防護林體系森林碳密度及碳貯量動態(tài)［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2010，24（8）：136-140.ZHANG L，WANG L M.Dynamic forest carbon density and storage in the Three North Protective Forest System［J］.Journal of Arid Land Resources and Environment，2010，24（8）：136-140.（in Chinese）

［12］ 賀燕，張青，張夢弢，等.長白山楊樺次生林不同演替階段林木空間分布格局研究［J］.西北林學(xué)院學(xué)報，2015，30（1）：8-13.HE Y，ZHANG Q，ZHANG M T，et al.Spatial distribution patterns of Polar-birch secindary forestry in different succession process stages in Changbai Mountain［J］.Journal of Northwest Forestry University，2015，30（1）：8-13.（in Chinese）

［13］ GIBBS H K，BROWN S，NILES J O，et al.Monitoring and estimating tropical forest carbon stocks：making REDD a reality［J］.Environmental Research Letters，2007，2（4）：1-13.

［14］ SINGH L，SINGH J S.Importance of short lived components of a dry tropical forest for biomass production and nutrient cycling［J］.Journal of Vegetation Science，1993，4（5）：681-686.

［15］ 吳丹，邵全琴，劉紀(jì)遠(yuǎn)，等.1985—2030年江西泰和縣森林植被碳儲量的時空動態(tài)［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2011，22（1）：41-46.

［16］ PAN Y D，LUO T X，BIRDSEY R，et al.New estimates of carbon storage and sequestration in China's forests：Effects of age-class and method on inventory-based carbon estimation［J］.Climate Change，2004，67（2／3）：211-236.

［17］ 趙林，殷鳴放，陳曉非，等.森林碳匯研究的計量方法及研究現(xiàn)狀綜述［J］.西北林學(xué)院學(xué)報，2008，23（1）：59-63.ZHAO L，YIN M F，CHEN X F，et al.Summary of the research methods of forest carbon sink accounting［J］.Journal of Northwest Forestry University，2008，23（1）：59-63.（in Chinese）

［18］ 顧麗.金溝嶺林場森林多功能效益評價研究［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2012.

［19］ 李海奎，雷淵才，曾偉生.基于森林清查資料的中國森林植被碳儲量［J］.林業(yè)科學(xué)，2011，47（7）：7-12.LI H K，LEI Y C，ZENG W S.Forest carbon storage in China estimated using forestry inventory data［J］.Sientia Silvae Sinicae，2011，47（7）：7-12.（in Chinese）

［20］ 吳慶標(biāo)，王效科，段曉男，等.中國森林生態(tài)系統(tǒng)植被固碳現(xiàn)狀和潛力［J］.生態(tài)學(xué)報，2008，28（2）：517-524.WU Q B，WANG X K，DUAN X N，et al.Carbon sequestration and its potential by forest ecosystems in China［J］.Acta Ecologica Sinica，2008，28（2）：517-524.（in Chinese）

［21］ 余新曉，魯紹偉，靳芳，等.中國森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估［J］.生態(tài)學(xué)報，2005，25（8）：2096-2102.YU X X，LU S W，JIN F，et al.The assessment of the forest ecosystem services evaluation in China［J］.Acta Ecologica Sinica，2005，25（8）：2096-2102.（in Chinese）