基于森林資源一類清查數(shù)據(jù)的中國森林碳貯量估算

盧妮妮，王新杰，凌 威，徐雪蕾，張 艷

（北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京 100083）

基于森林資源一類清查數(shù)據(jù)的中國森林碳貯量估算

盧妮妮，王新杰，凌 威，徐雪蕾，張 艷

（北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京 100083）

為了解我國森林資源狀況，以建國以來森林資源一類清查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了建國以來我國森林面積、森林蓄積量和森林碳貯量的變化，并估算2020年時(shí)的森林狀況。結(jié)果顯示：1）自建國以來，我國森林面積共增加8821萬 hm2，森林蓄積量共增加66.21億 m3。但各區(qū)域增量不均衡，西南地區(qū)森林面積和蓄積量增量最大，東北地區(qū)森林面積增量最小，華東地區(qū)森林蓄積量增量最小。我國未來森林面積增長潛力在北方地區(qū)。2）建國以來，我國森林共吸收碳225.32×108t，其中人工林碳貯量比例由調(diào)查初期的5.3%增加到了16.7%，有較大的碳匯潛力。3）2020年時(shí)我國森林面積、蓄積量和碳貯量分別可達(dá)20 667萬 hm2、188.37億 m3和344.766 0億 t，采取科學(xué)合理的經(jīng)營措施可增加我國森林碳貯量。

森林蓄積量估算；森林資源一類清查數(shù)據(jù)；森林面積；森林蓄積量；森林碳貯量

根據(jù)“聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)”（IPCC）預(yù)測(cè)，到2100年全球溫度將上升1.1～6.4 ℃[1]，氣候變化將對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。而21世紀(jì)以后全球氣候變化的主要原因是CO2的排放和累積[2]，森林生態(tài)系統(tǒng)貯藏了陸地生態(tài)系統(tǒng)中60%以上的有機(jī)碳[3]，被認(rèn)為是研究大氣碳交換的關(guān)鍵因子[4]，在緩解全球氣候變化中起著重要作用。森林碳貯量的微小變化能夠影響大氣中的碳元素含量[5]，不同的森林結(jié)構(gòu)直接影響森林的固碳能力[6-7]，實(shí)行人工造林，加強(qiáng)森林后續(xù)撫育，可有效增加森林面積，提高森林碳匯能力。我國學(xué)者從20世紀(jì)90年代開始研究全國森林碳貯量，并取得階段性成果[8-9]。生物量轉(zhuǎn)換因子法[10]和回歸模型估計(jì)法[11]等被利用于山西、浙江、廣東等省的森林碳貯量計(jì)算[12-15]，方精云等[16]對(duì)中國森林在20世紀(jì)后50年代的固碳能力變化進(jìn)行了分析，認(rèn)為中國森林對(duì)吸收工業(yè)社會(huì)排放的CO2起到了很大的作用。

我國在2009年哥本哈根氣候變化大會(huì)前夕承諾“到2020年我國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳比2005年下降40%～50%”。如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)成為我國林業(yè)規(guī)劃和森林經(jīng)營管理的重點(diǎn)[17-18]。森林資源一類清查以其調(diào)查連續(xù)、數(shù)據(jù)面廣的優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是估測(cè)全國碳貯量的較好途徑[19]?；诖?，作者以建國以來森林資源一類清查的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，估算我國2020年時(shí)的森林碳貯量，以期為未來我國森林規(guī)劃和森林經(jīng)營管理提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本次計(jì)算數(shù)據(jù)來源于國家林業(yè)局官方網(wǎng)站公布的全國8次森林資源一類清查數(shù)據(jù)。按照中國森林資源分布情況，將我國分為7個(gè)區(qū)域[20]：東北、華北、西北、西南、華南、華東、華中。針對(duì)各區(qū)域的主要樹種分別計(jì)算區(qū)域碳貯量及其變化特點(diǎn)，采用數(shù)學(xué)分析方法分區(qū)域估算未來森林碳貯量的變化趨勢(shì)，從而提高全國性森林碳貯量估算的精度。

1.2 蓄積量年均增長率確定

以數(shù)理統(tǒng)計(jì)和森林蓄積量分析公式為基礎(chǔ)[21-22]，收集建國以來7次森林資源清查數(shù)據(jù)，以5年為1個(gè)單位，計(jì)算相鄰2個(gè)單位森林蓄積量的增長率，并求平均值，以此作為次均森林蓄積量增長率。

式中：i表示7個(gè)區(qū)域；Ri表示第i個(gè)區(qū)域的平均森林蓄積增長率（%）；N表示清查次數(shù)；VN表示第2～7次全國森林資源一類調(diào)查時(shí)的蓄積量（m3）。

分別對(duì)7個(gè)區(qū)域進(jìn)行森林蓄積量變化曲線擬合，得出擬合方程及R2。與線性方程做比較，選擇R2大，擬合效果好的方程作為基礎(chǔ)方程。

1.3 碳貯量預(yù)測(cè)

本次分析主要采用以下兩種途徑估算碳貯量：

（1）以年均森林蓄積量增長率為基準(zhǔn)，擬合我國森林蓄積量增長方程，根據(jù)森林蓄積量每增加1 m3可以吸收1.83 t CO2[23]，計(jì)算森林碳貯量。

式中：F為森林碳貯量；V為森林蓄積量。

（2）以歷次調(diào)查中各區(qū)域的森林碳貯量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，擬合碳貯量增長方程，并預(yù)測(cè)未來森林的碳貯量。

分別用以上2種方法估算第8次調(diào)查時(shí)森林的碳貯量，與實(shí)際清查數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，比較誤差值，選用誤差較小的方法對(duì)2020年森林碳貯量進(jìn)行估算。

2 結(jié)果與分析

2.1 我國森林面積和蓄積量變化特征

根據(jù)全國森林資源一類清查數(shù)據(jù)，將建國以來7次森林清查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見表1和表2）。由表1和統(tǒng)計(jì)資料可知，從1973年到2013年，我國森林面積共增加8 821×104hm2，但各區(qū)域發(fā)展不均衡。森林面積增加量西南地區(qū)最大，東北地區(qū)最小，極大值較極小值大3 711×104hm2；西南和華北地區(qū)的森林面積增量占全國森林面積增量的62%。東北地區(qū)在20世紀(jì)70年代的建設(shè)中供給了大量的森林資源，森林面積在一定階段內(nèi)有所減少，截至2008年仍未恢復(fù)到1973年時(shí)的水平，故東北地區(qū)具有一定面積的可利用或者可造林土地，我國未來一定時(shí)期內(nèi)森林面積的增長潛力將在北方地區(qū)。西南地區(qū)森林蓄積量增加幅度最大，華東地區(qū)最小，西南地區(qū)森林蓄積量增量占全國增量的44%，比華東地區(qū)多增加18.78×108m3，表明我國森林碳貯量主要集中在西南地區(qū)。

表1 全國各區(qū)域森林面積情況Table 1 Forest area general situations all over China

表2 全國各區(qū)域森林蓄積量情況Table 2 Forest volume general situations all over China

總體上，華北和西北區(qū)域的森林面積增加率大于森林蓄積量增加率，這是由于西北地區(qū)地勢(shì)遼闊，造林空間大，但受干旱和土地貧瘠的限制，林木生長較慢。華南、華東和華中地區(qū)森林蓄積量增長率高于面積增長率，這與東南地區(qū)多雨溫暖，適宜多種樹種生長有關(guān)。為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展對(duì)木材的需求，應(yīng)充分利用東南地區(qū)的地理氣候條件，培育大徑材木。

對(duì)我國各區(qū)域森林碳貯量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見表3）。結(jié)果表明：中國森林碳貯量由改革開放前的157.32 t減少到70年代末的133.47 t，之后逐漸增加到2008年的244.55 t。其中，西南地區(qū)碳貯量增加量最大，占全國碳貯量增量的43%；華東地區(qū)碳貯量增量最小，占全國碳貯量增量的4%。這種變化與經(jīng)濟(jì)政策、土地利用及人口數(shù)量等因素密切相關(guān)。我國森林資源在1977～2013年間共吸收碳225.32×108t，年均碳匯總量6.0×108t/a。從整體上看，中國森林的吸存的CO2量仍在增加。這與方精云等[24]的研究結(jié)果相同。

表3 全國各區(qū)域森林碳貯量情況Table 3 Forest carbon storage general situations all over China

將我國森林劃分為天然林和人工林，并統(tǒng)計(jì)其面積和碳貯量（見表4）。20世紀(jì)70年代至今，天然林對(duì)增加碳匯起到明顯作用，天然林共積累180.32×108t碳，占森林總碳匯的80%，年均碳匯量4.87×108t，占森林年均碳匯的80.9%。李默然等[25]對(duì)貴州黔東南地區(qū)不同森林類型碳貯量的研究也證明人工林在碳匯積累方面的重要作用。人工林面積凈增80.05×106hm2，占全國森林面積增量的84.7%，這與國家鼓勵(lì)造林和再造林及退耕還林政策相關(guān)。與此同時(shí)，人工林碳貯量也由調(diào)查初期的2.5×108t增加到2013年的45×108t，凈增20多倍，占森林碳貯量的比例也由5.3%增加到了16.7%。人工林面積增長迅速，然而提供的碳匯較少，這主要是由于人工林采伐周期短，且中幼齡林較多[26]。制定合理的林業(yè)規(guī)劃和采取合理的森林經(jīng)營管理措施能夠協(xié)調(diào)人工林木材供應(yīng)和碳匯之間的矛盾，如湖南省杉木林碳貯量可通過提高林分單位面積生產(chǎn)力和調(diào)整齡組結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)[27]。因此，我國人工林碳匯存在巨大潛力。

表4 我國天然林和人工林碳貯量變化Table 4 Forest carbon storage changes of natural and artificial forests in China

2.2 森林面積和蓄積量變化擬合

根據(jù)前7次森林資源一類清查數(shù)據(jù)中森林面積和森林蓄積量，分別通過線性方程、二項(xiàng)式、三項(xiàng)式、四項(xiàng)式、五項(xiàng)式、六項(xiàng)式和區(qū)域擬合7種方法建立森林面積和森林蓄積量之間的變化關(guān)系，并估算2013年（第8次森林清查）時(shí)全國森林面積和森林蓄積量（見表5）。通過比較估算值與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差，選用誤差較小的擬合方程估算2020年的森林資源情況。第8次森林資源清查實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，全國森林面積為20 800×104hm2，森林蓄積量為151.37×108m3。

表5 森林面積擬合值與實(shí)測(cè)值Table 5 Fitting and measured values forest areas in China

通過比較擬合值與實(shí)測(cè)值之差、R2和方程標(biāo)準(zhǔn)差，得出森林面積的擬合方程以四項(xiàng)式最佳，森林蓄積量的擬合方程以二項(xiàng)式最佳。擬合方程如下。

森林面積擬合方程：

式中：y為森林面積，x為森林生長時(shí)間。

森林蓄積量擬合方程：

式中：v為森林蓄積量，x為森林生長時(shí)間。

其中森林面積的擬合值與實(shí)測(cè)值相差為1.82%。森林蓄積量的擬合值與實(shí)測(cè)值相差為0.05%。以擬合值與實(shí)測(cè)值之差和方程標(biāo)準(zhǔn)差為衡量標(biāo)準(zhǔn)，得出森林蓄積量的擬合效果較森林面積擬合效果好。這是因?yàn)樯置娣e受人為干擾較大，為不確定變量；而森林蓄積量的變化取決于林木單株的生長，一定程度上存在規(guī)律性變化。通過擬合方程可在一定時(shí)間段內(nèi)較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)森林面積和森林蓄積量的變化。

據(jù)此估算2020年時(shí)我國森林面積為20 667×104hm2，森林蓄積量為188.27×108m3。

2.3 建國以來森林碳貯量變化及估算

根據(jù)前七次森林資源一類清查時(shí)的森林蓄積量，建立線性方程，估算得第8次全國森林資源清查時(shí)森林蓄積量為151.26×108m3，按（2）式計(jì)算第8次全國森林資源清查時(shí)森林碳貯量為276.805 8×108t。

根據(jù)歷次森林資源清查時(shí)的森林碳貯量（見表6）擬合變化方程為：

式中：s為全國森林碳貯量，x為森林生長時(shí)間。

據(jù)此方程估算第8次全國森林資源清查時(shí)我國森林碳貯量為276.960 8×108t。

將兩種方法估算的森林碳貯量與第8次森林資源清查時(shí)的實(shí)測(cè)值277.007 1×108t比較，發(fā)現(xiàn)以方法二估測(cè)森林碳貯量更為準(zhǔn)確，誤差更小。以此方法估算2020年時(shí)我國森林碳貯量為344.766 0×108t，較2005年增加了39%。

表6 歷次森林資源清查時(shí)全國森林碳貯量Table 6 Whole China forest carbon storage of all previous national forest inventory

3 結(jié)論與討論

自建國以來，森林面積共增加8 821×104hm2，森林蓄積量共增加66.21×108m3。但各區(qū)域增量不均衡，西南地區(qū)森林面積和蓄積量增量最大，東北地區(qū)森林面積增量最小，華東地區(qū)的蓄積量增量最小，我國未來森林面積的增長潛力在北方地區(qū)。中國森林整體起著碳匯作用，建國以來森林共吸收碳225.32×108t，其中人工林的碳貯量比例由調(diào)查初期的5.3%增加到了16.7%，人工林具有較大的碳匯潛力。

通過擬合方程試驗(yàn)，估算出2020年時(shí)我國森林面積為20 667×104hm2，森林蓄積量為188.37×108m3，森林碳貯量將達(dá)到344.766 0×108t。若要達(dá)到碳貯量比2005年增加40%～50%的目標(biāo)，尚需采取科學(xué)合理的經(jīng)營措施以增加我國森林的碳貯量。

作者以全國森林資源一類清查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了建國以來我國森林面積、森林蓄積量和森林碳貯量的變化，并對(duì)2020年時(shí)的森林狀況作了估算。然而僅以森林生態(tài)系統(tǒng)的地上部分為基礎(chǔ)，并未計(jì)算森林土壤碳貯量，因此筆者建議在未來的全國森林資源清查公報(bào)中增加林下土壤理化性質(zhì)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，完善我國森林碳貯量資源庫。

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Estimation of forest carbon storage in China based on data of National Inventory of Forest Resources

LU Ni-ni, WANG Xin-jie, LING Wei, XU Xue-lei, ZHANG Yan
(College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

In order to understand forest resources situation in our country, based on the data of 1-class National Inventory of Forest Resources, the changes of forest area, volume and forest carbon capacity in China since the founding of the People’s Republic of China were analyzed, and the state of forests in 2020 was pre-estimated. The results show that (1) Forest areas increased 88 210 thousand hm2, and forest reserves raised 6.621 billion m3; But the increments in different regions were imbalance, the forest area and reserves increments were the largest in southwest, in northeast area, forest area increment had minimum value, while the forest reserves increment had minimum value in east China; The increasing potential of forest areas will be in the northern China. (2) Since 1973, China forests absorbed carbon 22.532 billion tons, of that, the artificial forest’s absorbed carbon raised to 16.7% from 5.3% and had a major potential.(3) By 2020, all of forest areas, forest reverses and forest carbon storage will reach 206.67 million hm2, 18.837 billion m3and 37.476 6 billion tons respectively. Scientific and reasonable management measures could increase forest carbon capacity in China.

forest volume estimation; forest resources1-class inventory data; forest area; forest reserves, forest carbon storage; China

S717

A

1673-923X(2015)11-0110-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.11.020

2015-01-10

國家“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域科技計(jì)劃課題（2012BAD22B05）

盧妮妮，碩士研究生

王新杰，副教授；E-mail：xinjiew@bjfu.edu.cn

盧妮妮，王新杰，凌 威，等. 基于森林資源一類清查數(shù)據(jù)的中國森林碳貯量估算[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2015,35(11): 110-114.

[本文編校：吳 毅]