井岡山中亞熱帶森林植被碳儲量及固碳潛力估算

張繼平，張林波，劉春蘭*，郝海廣，喬青，孫莉，王輝，寧楊翠.北京市環(huán)境保護科學研究院，北京 00037；.中國環(huán)境科學研究院，北京 000

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井岡山中亞熱帶森林植被碳儲量及固碳潛力估算

張繼平1，張林波2，劉春蘭1*，郝海廣2，喬青1，孫莉1，王輝1，寧楊翠1
1.北京市環(huán)境保護科學研究院，北京 100037；2.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012

摘要：國內外關于森林碳匯功能的研究集中于熱帶和溫帶森林，就中國東部亞熱帶森林，尤其是中亞熱帶常綠闊葉林的碳匯功能的研究較為薄弱。該研究選取井岡山國家級自然保護區(qū)作為中國中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的典型代表，針對不同森林類型分別設置樣地，采用材積源生物量法估算該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲量，并以老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為參考標準，通過計算參考碳儲量與基準碳儲量之差，估算研究區(qū)森林植被的固碳潛力，旨在明確中國中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中的作用及貢獻。研究發(fā)現(xiàn)，（1）井岡山自然保護區(qū)森林植被總碳儲量為1 589 531 t，平均碳密度為7.29 kg·m-2，高于中國及全球中高緯度森林植被平均碳密度。常綠闊葉林植被碳密度最高，為9.25 kg·m-2，其次是針闊葉混交林和常綠落葉闊葉混交林，其植被碳密度分別為8.12和7.83 kg·m-2。（2）各林型老齡林的植被碳密度均高于平均植被碳密度，常綠闊葉林的老齡林植被碳密度最大，達10.53 kg·m-2。（3）研究區(qū)森林植被的固碳潛力為182 868 t，常綠闊葉林的植被固碳潛力最大，達74 086 t，其次為常綠落葉闊葉林混交林、暖性針葉林和針闊葉混交林。研究結果表明中國中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)具有較高的固碳能力。

關鍵詞：中亞熱帶；森林植被；碳儲量；固碳潛力；井岡山；自然保護區(qū)

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森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，具有最廣泛的分布面積、最高的生物生產力和最大的生物量積累能力，是維持生物圈和地圈動態(tài)平衡的重要陸地生態(tài)系統(tǒng)，在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起著舉足輕重的作用（Murillo，1997；趙敏等，2004）。森林與大氣碳交換量占陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣碳總交換量的90%以上，森林植被和森林土壤的碳儲量占全球每年固碳總量的68%（于貴瑞，2003）。研究森林生態(tài)系統(tǒng)確切的碳儲量及其固碳能力已成為當前生態(tài)學及相關學科的研究熱點之一（吳慶標等，2008；Bruckman et al.，2011；Andrew，2015；Wen et al.，2016)。過去的20年，全球范圍內進行了一系列區(qū)域性碳儲量估算和國家級森林預算研究（Elias et al.，2003；Bradford et al.，2010）。中國的森林主要分布于寒溫帶與熱帶之間，并且森林類型多樣，在全球碳循環(huán)中的作用不容忽視。學者們分別采用樣地調查、模型反演等方法對中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量進行相關研究（王效科等，2001，唐旭利等，2003；陶波等，2006；魏亞偉等，2014）?？傮w而言，國內外關于森林植被碳儲量的研究基本上集中于熱帶和溫帶森林，而對中國東部亞熱帶森林，尤其是中亞熱帶森林的相關研究較少（Cao et al.，2003；孫曉敏等，2006），導致該地區(qū)對全球碳循環(huán)的貢獻不明（Yu et al.，2014），并且以往對該地區(qū)生物量及碳儲量的估算多是基于全國尺度的計算分析，或是通過樣地實測進行尺度轉換進而實現(xiàn)區(qū)域推算，得到的結果比較粗略且存在偏差（方精云等，200l；張茂震等，2008；Huang et al.，2012），其估算精度有待提高（彭舜磊等，2014）。

森林固碳潛力是指森林在當前環(huán)境條件和自然干擾的情況下可能達到的碳儲量與現(xiàn)實碳儲量之差（Roxburgh et al.，2006；Keith et al.，2009）。森林固碳潛力采用的參考標準有老齡林（或成熟林）碳儲量（王春梅等，2010；Jennifer et al.，2015）、森林采伐之前碳儲量（Hudiburg et al.，2009）、區(qū)域平均固碳速率（吳慶標等，2009）等指標。目前國內外已有預測生態(tài)系統(tǒng)潛在固碳量或固碳潛力的方法有：連續(xù)清查（調查）法（Fang et al.，2001）、空間代替時間法（Shi et al.，2009）、限制因子法（Lieth，1973；Zhou et al.，2002）、情景分析或工程規(guī)劃法等（Eggers et al.，2008；呂勁文等，2010）。國內關于森林生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力的相關研究基本上集中于熱帶、南亞熱帶和溫帶森林，地區(qū)上多集中在東北林區(qū)（王春梅等，2010）和西南林區(qū)（宋青海等，2010），而就中國中亞熱帶森林的相關研究較少（聶昊等，2011）。

中國江西省井岡山地區(qū)物種多樣性豐富，保存有同緯度最完整的中亞熱帶天然常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)，在全國乃至全球森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中，都具有重要的地位和科學價值，其主要森林植被類型的碳儲量及固碳潛力都有待深入研究和分析（Huang et al.，2012）。本文以井岡山國家級自然保護區(qū)為典型案例，依托3S技術手段，基于地面調查數(shù)據(jù)，估算典型中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及固碳潛力，旨在明確該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力及其在全球碳循環(huán)中的貢獻，為區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)保護與管理提供支撐。

1　研究區(qū)域與方法

1.1研究區(qū)概況

井岡山國家級自然保護區(qū)位于江西省西南部（114°04'～114°16'E，26°38'～26°40'N），總面積約228 km2（含茨坪鎮(zhèn)），屬森林生態(tài)系統(tǒng)類型自然保護區(qū)，是目前世界上同緯度保存最完整的中亞熱帶天然常綠闊葉林保護區(qū)（圖1）。區(qū)域內地形復雜，山體巍峨，溝壑縱橫，地勢西南高，東北低。氣候溫暖濕潤，年均溫為14～17 ℃，年降水量為1865.5 mm，無霜期為250 d，屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)。保護區(qū)地處中亞熱帶的典型地帶，區(qū)域內森林植被以常綠闊葉林為主，主要植被類型有常綠闊葉林、針闊葉混交林、溫性針葉林、暖性針葉林、常綠落葉闊葉混交林、竹林、落葉闊葉林、灌木林和山頂矮林等9類。井岡山自然保護區(qū)內的土壤具有中亞熱帶山地森林土壤的一切典型特征，土壤的成土母巖主要有石英巖、石英質砂巖、板巖、花崗巖（張繼平等，2014）。

圖1　研究區(qū)地理位置及樣地分布圖Fig.1　Location of study area and sample sites

1.2樣地選擇及樣方布設

野外調查工作分別于2011年6─9月和2012 年7─10月在井岡山國家級自然保護區(qū)內進行。通過對1∶25000井岡山自然保護區(qū)林相圖進行數(shù)字化，確定研究區(qū)各森林類型的空間分布及面積，綜合考慮樣地的代表性、重復性及實地可達性，同時盡量避開受人為干擾強烈區(qū)域，針對常綠闊葉林、針闊葉混交林、溫性針葉林、暖性針葉林、常綠落葉闊葉混交林、竹林、落葉闊葉林、灌木林和山頂矮林等9種森林類型，每種森林類型布設5個樣地，共布設45個樣地（見圖1）。每個樣地布設3個20 m×20 m的喬木調查樣方，共布設135個樣方。每個喬木樣方內沿對角線布設2個5 m×5 m灌木樣方，每個灌木樣方內沿對角線布設2個1 m×1 m草本樣方。

1.3植被生物量測定及植被碳儲量估算

本研究采取材積源生物量法估算保護區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲量，即首先基于野外樣方調查數(shù)據(jù)，估算森林植被生物量，然后乘以碳轉化系數(shù)，得到植被碳儲量。森林植被生物量采用分層統(tǒng)計的方法計算得到，各層生物量計算方法如下：

（1）喬木生物量測定方法：對樣方內所有胸徑＞5 cm的喬木進行每木檢尺，使用胸徑尺測樹木的胸徑，測定每棵樹的樹高、東西及南北兩個方向冠幅及枝下高。參考已有研究結果，篩選出主要樹種生物量相對生長方程（石玉麟，1989；林開敏等，1993；胡理樂等，2011），進而計算出樣方內所有喬木的單株生物量，加和后得到各樣方的喬木總生物量，除以樣方面積，得到喬木層單位面積上的生物量。

（2）灌木地上生物量測定，主要根據(jù)灌木植株大小和群落特征分別采用相對生長法、平均木法和收獲法（劉迎春等，2011）。

（3）草本生物量的測定采用全部收獲法，將樣方內的全部樣品帶回實驗室，在65 ℃下烘干，稱量得干重，得到樣方內草本生物量。

植被總碳儲量的計算方法：碳儲量由生物量乘以含碳系數(shù)得到，國際上常用的含碳系數(shù)為0.45～0.5，本研究選取0.5作為喬木、灌木及竹林的含碳系數(shù)，0.45作為草本植物的含碳系數(shù)。

1.4森林植被固碳潛力估算

1.4.1森林植被固碳潛力估算方法

本研究主要關注研究區(qū)自然環(huán)境變化情境下的固碳潛力，不考慮人類活動的影響。固碳潛力是相對于某個基準水平而言的，選擇不同的基準年或基準水平來分析固碳潛力的結果可能是完全不同的，其結果的實際意義、生態(tài)學涵義以及經濟和技術可行性也具有巨大的差異。因此在固碳潛力分析研究中，必須明確定義基準水平（或參考水平）和潛力水平等問題。在森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)研究中，經常將老齡林看作為氣候頂級生態(tài)系統(tǒng)，并認為其基本處于碳蓄積的飽和狀態(tài)，因此可假定老齡林的碳儲量為氣候頂級的碳儲量，或稱為碳蓄積潛在容量。本研究固碳潛力計算公式為：

公式（1）中，CSP（Carbon Sequestration Potential）為固碳潛力；CSr（Carbon Stock of Referred Ecosystem）為參考碳儲量，本研究中CSr即為各森林類型的老齡林的植被碳儲量。CS（Carbon Stock）為基準碳儲量，本研究中CS即為2012年各森林類型的植被碳儲量。

1.4.2老齡林植被碳儲量估算

在對井岡山保護區(qū)相關文獻及圖件等資料進行大量調研的基礎上，通過部門走訪、專家訪談及當?shù)鼐用褡稍?，確定每種森林類型老齡林的分布范圍及基本情況。在各林型老齡林的分布范圍內，選擇2～3個典型樣地，共布設21個老齡林樣地（見圖1）。在樣地內選取多株標準木，在其胸高處鉆取樹芯2～3個，將樹芯帶回實驗室，經打磨交叉定年后得到樹木年輪數(shù)，以樹芯的年輪數(shù)作為此森林類型的林齡，并將得到的林齡與林業(yè)部門的造林年限等數(shù)據(jù)進行對比，結果表明，所選擇的各林型的老齡林樣地具有較高的代表性。在每個老齡林樣地內布設3個20 m×20 m的喬木調查樣方，共布設63個樣方。灌木及草本樣方的設置及植被碳儲量估算過程同前。

2　結果與分析

2.1森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳密度

井岡山自然保護區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)植被總碳儲量為1589531 t，平均碳密度為7.29 kg·m-2，高于中國及全球中高緯度森林植被平均碳密度。常綠闊葉林植被碳密度最高，為9.25 kg·m-2，其次是針闊葉混交林和常綠落葉闊葉混交林，其植被碳密度分別為8.12和7.83 kg·m-2，灌木林、竹林及落葉闊葉林的植被碳密度較低（表1），不同森林類型間的差異不顯著（P＞0.05）。從喬灌草各層來看，研究區(qū)9種亞熱帶森林植被類型的碳密度排序總體表現(xiàn)為喬木層＞灌木層＞草本層，3個林層的平均碳密度分別為6.16、0.80和0.02 kg·m-2。從不同森林植被類型來看，山頂矮林的喬木層碳密度占比最大，達97.99%，其次為常綠闊葉林和針闊葉混交林，分別為97.19%和95.54%；落葉闊葉林和溫性針葉林的灌木層碳密度占比較大（灌木林除外），分別為14.37%和9.86%；竹林的草本層碳密度占比最大，達1.49%。

表1　各森林類型植被碳密度Table 1　Vegetation carbon density of each forest type

2.2老齡林植被碳儲量

分別對各林型的老齡林植被碳密度及碳儲量進行計算，研究結果表明，常綠闊葉林的老齡林植被碳密度最大，達10.53 kg·m-2，其次為常綠落葉闊葉混交林和針闊葉混交林，植被碳密度分別為9.63 和8.58 kg·m-2。竹林、落葉闊葉林和灌木林的老齡林植被碳密度較低。與各林型的平均植被碳密度相比（表2），各林型老齡林的植被碳密度均高于平均植被碳密度。研究區(qū)9種老齡林喬、灌、草各層的平均碳密度分別為6.88、0.89、0.09 kg·m-2，均略高于各森林類型的平均植被碳密度，其中草本層的增幅最大，達3.5倍。

forest type　　　　　　　　　　kg·m-2森林類型 　　喬木層 灌木層 草本層　植被層山頂矮林(n=6) 　7.51±2.31 0.28±0.26 0.03±0.004 7.82±3.11常綠闊葉林(n=9) 　9.56±3.18 0.93±0.22 0.04±0.01 10.53±4.35溫性針葉林(n=6) 　6.52±3.15 0.68±0.29 0.01±0.003 7.21±3.88落葉闊葉林(n=6) 　3.78±1.21 0.65±0.05 0.1±0.014.53±1.79暖性針葉林(n=9) 　6.14±3.01 0.4±0.19 0.09±0.02 6.63±3.63常綠落葉闊葉混交林(n=6)9.1±4.37 0.48±0.21 0.05±0.02 9.63±4.58針闊葉混交林(n=9) 　8.1±3.97 0.41±0.22 0.07±0.01 8.58±4.21灌木林(n=6) 　- 　4.17±2.02 0.11±0.01 4.28±2.13竹林(n=6) 　4.38±1.97 0.02±0.01 0.31±0.09 4.71±2.02

2.3森林植被固碳潛力

將各林型的老齡林植被碳儲量（即參考碳儲量，為1772399 t）與2012年各森林類型的碳儲量（即基準碳儲量，為1589531 t）進行比較發(fā)現(xiàn)（表3），研究區(qū)森林植被的固碳潛力為182868 t。就各森林類型而言，常綠闊葉林的植被固碳潛力最大，達74086 t，占植被總固碳潛力的40.51%；其次為常綠落葉闊葉林混交林、暖性針葉林和針闊葉混交林，占比分別為15.57%、15.15%和13.22%。山頂矮林植被固碳潛力最小，僅為912 t；落葉闊葉林、灌木林及竹林的固碳潛力相對較小，均低于104t，占比均低于5%。

從喬灌草各層來看，喬木層固碳潛力最大，達121425 t，占植被總固碳潛力的66.40%；灌木層和草本層的固碳潛力占比分別為27.51%和6.09%。就各類型而言，常綠闊葉林的喬木層和灌木層固碳潛力均為最高，占比分別為27.17%和79.37%；針闊葉混交林的草木層固碳潛力最大，占比達28.45%。

表3　各森林類型植被固碳潛力Table 3　Carbon sequestration potential of each forest type　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 t

3　結論與討論

3.1討論

森林植被碳密度與演替階段、年齡組成和人為干擾等因素有關。Myneni et al.（2001）估算出全球中高緯度森林植被平均碳密度為4.3 kg·m-2；Heath et al.（1993）估算全球森林碳儲量時，得出中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度為5.8 kg·m-2；汪業(yè)勖（1999）估算中國森林的植被碳密度平均4.19 kg·m-2，亞熱帶常綠闊葉林區(qū)域的植被碳密度為2.63 kg·m-2；根據(jù)Fang et al.（2001）的估算，中國森林的植被碳儲量為4.75 Pg，碳密度為4.49 kg·m-2；周玉榮等（2000）估算出中國森林植被的平均碳密度為5.71 kg·m-2。本文對中國中東部地區(qū)的中亞熱帶森林樣帶的碳密度調查結果為7.29 kg·m-2，高于中國及全球中高緯度森林植被平均碳密度，這主要與該區(qū)域內人為干擾較少有關。研究區(qū)自1981年起，就建立了以山地森林混合生態(tài)系統(tǒng)及珍稀野生動物資源為主要保護對象的自然保護區(qū)，2000年4月批準為國家級自然保護區(qū)，由于長期對森林砍伐的嚴格限制，保護區(qū)內的森林多為天然林，林齡較高，其森林覆蓋率、郁閉度以及植被生物量水平均高于同緯度的森林，因此該區(qū)域內的森林植被碳密度較高。可見，保護區(qū)建設可以有效增加區(qū)域森林植被碳儲量，提高森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力，增強其碳匯功能。同時，通過對研究區(qū)內各主要森林類型植被碳密度及固碳潛力的比較分析，可以明確增匯潛力較大的森林類型，進一步優(yōu)化現(xiàn)有的保護區(qū)管理模式，調整森林保護與撫育的具體措施，使得區(qū)域內的森林植被能夠最大限度地發(fā)揮其固碳功能。

由于中亞熱帶常綠闊葉林在中國分布范圍較為廣泛，在群落物種組成、群落結構等方面均存在一定的差異，因此，在以后的工作中，應進一步加大野外工作的力度，充分考慮各種可能的影響因素，按照區(qū)位、樹種、林齡等方面的差異性，設置大量典型樣地，不斷提高該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量估算的精度。同時，對于絕大多數(shù)森林生態(tài)系統(tǒng)類型來說，碳密度隨林齡級增長而增加。然而具體到不同的樹種，這種規(guī)律并不一定都適用。受野外工作條件所限，本研究僅對各林型的老齡林進行了采樣和分析。未來研究中，應針對每種林型的各林齡組設置樣地，并計算各林齡組的碳儲量，按樹種分別建立生態(tài)系統(tǒng)碳儲量-林齡序列，進一步提高森林生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力估算結果的準確性。

3.2結論

本研究結果表明：井岡山自然保護區(qū)森林植被總碳儲量為1589531 t，平均碳密度為7.29 kg·m-2。常綠闊葉林植被碳密度最高，為9.25 kg·m-2，其次是針闊葉混交林和常綠落葉闊葉混交林，其植被碳密度分別為8.12和7.83 kg·m-2。研究區(qū)森林植被的固碳潛力為182868 t，常綠闊葉林的植被固碳潛力最大，達74086 t，其次為常綠落葉闊葉林混交林、暖性針葉林和針闊葉混交林。研究結果顯示中國中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)具有較高的固碳能力。

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Estimation of Carbon Stock and Carbon Sequestration Potential of Mid-subtropical Forest in Jinggang Mountain National Nature Reserve

ZHANG Jiping1,ZHANG Linbo2,LIU Chunlan1*,HAO Haiguang2,QIAO Qing1,SUN Li1,WANG Hui1,NING Yangcui1
1.Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection,Beijing 100037,China; 2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China

Abstract:Forest plays the key role in the global terrestrial carbon cycling.Therefore,the estimation of carbon storage capacity of forest ecosystem and its influencing factors at different scales is of great importance for the researches of global carbon balance and carbon budget.So far,related studies have mainly focused on forest carbon sink function analysis of tropical and temperate forests,but less research for the carbon sink function of subtropical forest,especially the subtropical evergreen broad-leaved forest in the eastern part of China.Taken Jinggang Mountain National Nature Reserve as the typical representative of subtropical forest ecosystem,the sample plots were set according to different forest types,the carbon storage of forest vegetation in the study area was estimated using the classic method of volume-derived biomass based on field sampling and investigation data,and the carbon sequestration potential was calculated as the discrepancy between the carbon stock of referred ecosystem (carbon storage of old-growth forest) and the carbon stock (carbon storage of forest ecosystem in 2012).This research can help to define the contribution of subtropical forest ecosystems in the global carbon cycle.The results showed:(1) the vegetation carbon storage of forest ecosystem was 1 589 531 t with the carbon density of 7.29 kg·m-2which was higher than the mean value in China and other countries located at similar latitudes.The evergreen broad-leaved forest vegetation had the maximum carbon density of 9.25 kg·m-2,followed by mixed coniferous broad leaved forest and mixed evergreen and deciduous broad leaved forest,with the carbon density of 8.12 and 7.83 kg·m-2,respectively; (2) the vegetation carbon density of old-growth forest was higher than the average vegetation carbon density for all forest types.The old-growth evergreen broad-leaved forest had the maximum vegetation carbon density of 10.53 kg·m-2; (3) the carbon sequestration potential of forest vegetation was 182 868 t.The evergreen broad-leaved forest vegetation had the maximum carbon sequestration potential of 74 086 t,followed by mixed evergreen and deciduous broad leaved forest,warm temperate coniferous forests and mixed coniferous broad leaved forest.The results suggest that the forest system in the study area has great carbon storage capacity.

Key words:mid-subtropical forest; forest vegetation; carbon stock; carbon sequestration potential; Jinggang Mountain; nature reserve

收稿日期：2015-07-02

*通訊作者：劉春蘭，副研究員，研究方向為城市生態(tài)。E-mail:liuchunlan@cee.cn

作者簡介：張繼平（1983年生），女，助理研究員，博士，研究方向為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)。E-mail:jipyzhang407@163.com

基金項目：北京市自然科學基金項目（8154046）；國家自然科學基金項目（41501095）；環(huán)境保護部公益性行業(yè)科研專項（20110930）

中圖分類號：Q14; X171.1

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）01-0009-06

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.01.002

引用格式：張繼平,張林波,劉春蘭,郝海廣,喬青,孫莉,王輝,寧楊翠.井岡山中亞熱帶森林植被碳儲量及固碳潛力估算[J].生態(tài)環(huán)境學報,2016,25(1):9-14.