云南省森林資源預(yù)測(cè)及其碳匯潛力研究

楊 英,黃國(guó)勝,王雪軍,蘇浩然,智長(zhǎng)貴

(1.國(guó)家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,北京 100714；2.國(guó)際竹藤中心,北京 100102)

云南省森林資源預(yù)測(cè)及其碳匯潛力研究

楊 英1,黃國(guó)勝1,王雪軍1,蘇浩然2,智長(zhǎng)貴1

(1.國(guó)家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,北京 100714；2.國(guó)際竹藤中心,北京 100102)

基于2002年、2007年和2012年3期森林資源清查資料,采用馬爾科夫模型和復(fù)利公式,分別對(duì)2012—2027年16年間云南省森林資源面積結(jié)構(gòu)和蓄積量變化進(jìn)行預(yù)測(cè),并應(yīng)用生物量經(jīng)驗(yàn)(回歸)模型估計(jì)法和植被含碳率,對(duì)云南省森林植被的生物量、碳儲(chǔ)量和碳密度進(jìn)行預(yù)估。結(jié)果表明:16年間云南省森林植被面積和蓄積量將呈現(xiàn)雙增長(zhǎng)趨勢(shì),面積和蓄積量年均增長(zhǎng)率分別為0.50%和2.94%,森林植被碳儲(chǔ)量和平均碳密度均呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì),分別由890.40Tg和41.89Mg/hm2提高到1265.34Tg和55.41Mg/hm2,年均增長(zhǎng)率分別為2.81%和2.15%。隨著幼、中齡林的發(fā)展成熟,以及撫育經(jīng)營(yíng)使森林質(zhì)量提高,云南省森林碳匯潛力巨大。

森林資源；碳儲(chǔ)量；碳密度；云南省

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量約占陸地生物量的90%,森林植被儲(chǔ)存的碳約占陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的76%～98%[1-2]。森林碳匯是目前應(yīng)對(duì)氣候變化最經(jīng)濟(jì)、最現(xiàn)實(shí)的手段。因此森林的固碳作用已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)?；谏智宀橘Y料,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在不同尺度上對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳特征和機(jī)制進(jìn)行了大量研究[3-6],但對(duì)未來森林資源的發(fā)展預(yù)測(cè)及其碳匯潛力預(yù)估研究相對(duì)較少。由于森林資源的數(shù)量和質(zhì)量變化直接影響到生態(tài)環(huán)境的變化,因此,研究森林資源的發(fā)展趨勢(shì)及其碳匯潛力,是制定森林經(jīng)營(yíng)策略和林業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化政策與行動(dòng)的科學(xué)依據(jù)。

本研究基于2002年、2007年和2012年3期森林資源清查數(shù)據(jù),采用馬爾科夫模型和復(fù)利公式,分別對(duì)云南省2012—2027年16年間森林資源面積結(jié)構(gòu)和蓄積量變化進(jìn)行預(yù)測(cè),在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用生物量經(jīng)驗(yàn)(回歸)模型估計(jì)法[5]和植被含碳率,預(yù)估分析森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度變化趨勢(shì),以期為云南省加強(qiáng)森林資源經(jīng)營(yíng)管理、有效提高森林質(zhì)量和碳匯能力提供參考,并為研究我國(guó)區(qū)域尺度的森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能提供科學(xué)方法。

1 研究區(qū)概況

云南省位于東經(jīng)97°31′～106°11′,北緯21°8′ ～29°15′。土地總面積3 826.44萬hm2,其中山地面積占84%,高原占10%,山間盆地占6%。氣候?qū)賮啛釒А釒Ц咴?山地)季風(fēng)氣候,具有四季溫差小、干濕季分明、垂直變異顯著的低緯山原季風(fēng)氣候的特點(diǎn)。降水豐沛,年降水量在1 000～1 500mm之間。境內(nèi)植被具有明顯的地帶性特征,從南到北依次出現(xiàn)熱帶北緣雨林、季節(jié)雨林帶,南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林、思茅松(Pinuskesiya)林帶,中亞熱帶和北亞熱帶半溫性常綠闊葉林、云南松(Pinusyunnanensis)林帶,寒溫性針葉林帶[7]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于國(guó)家林業(yè)局云南省第六次(2002年)、第七次(2007年)、第八次(2012年)森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)和成果資料,記錄了云南省喬木林分樹種的面積和蓄積量、經(jīng)濟(jì)林、竹林、灌木林面積等,以及樣地庫(kù)和樣木庫(kù)實(shí)測(cè)(調(diào)查)數(shù)據(jù)。

2.2 森林植被面積估算方法

馬爾科夫過程通過對(duì)系統(tǒng)不同狀態(tài)的初始概率及狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移概率的研究確定系統(tǒng)各狀態(tài)變化趨勢(shì),達(dá)到對(duì)未來狀態(tài)預(yù)測(cè)的目的,是無后效性的隨機(jī)過程,其性質(zhì)是某一隨機(jī)過程第(n+1)步的狀態(tài),X(n+1)的條件概率與X(0),X(1),…,X(n-1)等狀態(tài)無關(guān),僅與X(n)狀態(tài)有關(guān)。

馬爾科夫模型在研究地類林種動(dòng)態(tài)方面取得了較滿意的結(jié)果。森林系統(tǒng)各地類、林種的面積或蓄積等結(jié)構(gòu)經(jīng)常互相轉(zhuǎn)化,在無特殊人為干預(yù)條件下,省級(jí)尺度上不同狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移概率可近似看作無后效性的隨機(jī)過程[8]。本文應(yīng)用馬爾科夫模型,利用第七、八次清查固定樣地?cái)?shù)據(jù),對(duì)云南省森林資源面積結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

根據(jù)研究對(duì)象,劃分為喬木林、經(jīng)濟(jì)林、竹林、疏林、灌木林地、未成林地、跡地、宜林地、苗圃地、非林地等10種狀態(tài),統(tǒng)計(jì)第七次清查各地類面積占有率(即初始面積占有率)矩陣:

A(0)=[0.3849,0.0435,0.0024,0.0135,0.0986,0.0139,0.0128,0.077,0.0005,0.3529]=[喬木林,經(jīng)濟(jì)林,竹林,疏林,灌木林,未成林地,跡地,宜林地,苗圃地,非林地]

統(tǒng)計(jì)第七、八次清查各狀態(tài)面積分布,建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣(表1)。

根據(jù)馬爾科夫理論,第n期轉(zhuǎn)移概率為[8]:

(1)

式中:m表示轉(zhuǎn)移概率矩陣的行、列數(shù),任意第n分期的轉(zhuǎn)移概率矩陣等于第1分期轉(zhuǎn)移概率矩陣的n次方。

第n分期末的占有率矩陣公式為:

(2)

將占有率乘以土地總面積,即得各分期狀態(tài)面積。利用初始面積占有率、狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣和馬爾科夫模型,能預(yù)測(cè)出第n分期各狀態(tài)面積。

表1 云南省近兩次森林資源清查的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣

2.3 森林植被蓄積量估算方法

復(fù)利公式是定期進(jìn)行森林生長(zhǎng)預(yù)測(cè)的主要方法之一。最近一次清查后第n年的森林蓄積量Mn計(jì)算公式為[9]:

(3)

式中:M為森林蓄積量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),p為年均毛生長(zhǎng)率,q為年均枯損率,V采為年均采伐量。

利用第六、八次清查固定樣地調(diào)查數(shù)據(jù),分別計(jì)算這兩次清查期間的年均毛生長(zhǎng)率、年均枯損率、年均采伐量*國(guó)家林業(yè)局.國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定(2014).2014.。

年均毛生長(zhǎng)率計(jì)算公式為:

(4)

式中:gj為第j個(gè)樣地的生長(zhǎng)量,n為樣地?cái)?shù),V1和V2分別為兩次清查總蓄積量,A為總體面積,a為樣地面積,t為清查間隔期。

年均枯損率計(jì)算公式為:

(5)

式中:mj為第j個(gè)樣地的枯損量,n為樣地?cái)?shù),V1和V2分別為兩次清查總蓄積量,A為總體面積,a為樣地面積,t為清查間隔期。

年均采伐量計(jì)算公式為:

(6)

式中:cj為第j個(gè)樣地的采伐量,n為樣地?cái)?shù),A為總體面積,a為樣地面積,t為清查間隔期。

把年均毛生長(zhǎng)率、年均枯損率和年均采伐量的計(jì)算結(jié)果和要預(yù)測(cè)的年份傳入復(fù)利公式,即得第n年的蓄積量。

2.4 生物量估算方法

2.4.1 喬木林生物量估算

生物量經(jīng)驗(yàn)(回歸)模型估計(jì)是利用某一樹種野外生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),建立生物量與樹高、胸徑等統(tǒng)計(jì)回歸模型[10-13]。本文采用生物量經(jīng)驗(yàn)(回歸)模型法估計(jì)喬木林生物量。在省級(jí)尺度上估算生物量,某一優(yōu)勢(shì)樹種的生物量轉(zhuǎn)換因子BEFk的計(jì)算公式為[14]:

(7)

式中:vi為該優(yōu)勢(shì)樹種第i個(gè)樣地的調(diào)查材積；bij和vij分別為第i個(gè)樣地第j個(gè)徑階的模型生物量和模型材積；模型材積利用二元材積公式v=a+b(D2H)計(jì)算(D為胸徑,H為樹高,a和b為參數(shù))；mi為該優(yōu)勢(shì)樹種第i個(gè)樣地內(nèi)徑階數(shù)；n為計(jì)算生物量的樣地個(gè)數(shù)。

本文測(cè)算云南省喬木林各優(yōu)勢(shì)樹種生物量的參數(shù)和模型來源有:

云南松、杉木:采用立木生物量模型及碳計(jì)量參數(shù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(一元模型)[15-16]。其他優(yōu)勢(shì)樹種采用馮宗煒和張小全等[17-18]研究結(jié)果,具體模型和參數(shù)見參考文獻(xiàn)[14]。

計(jì)算樣地模型材積和模型生物量,需要各徑階林木樹高值,其精度對(duì)生物量計(jì)算結(jié)果影響很大。本文采用第七次清查分樹種建立的樹高曲線模型,表達(dá)式為Richard方程:

利用云南省第八次清查樣地和樣木的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),根據(jù)公式7計(jì)算各優(yōu)勢(shì)樹種的生物量轉(zhuǎn)換因子；結(jié)合第八次清查分優(yōu)勢(shì)樹種面積和蓄積量統(tǒng)計(jì)表,計(jì)算云南省平均的生物量轉(zhuǎn)換因子,表達(dá)式為*國(guó)家發(fā)展改革委應(yīng)對(duì)氣候變化司.省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行).2011.:

(8)

式中:Vk為第k個(gè)優(yōu)勢(shì)樹種的蓄積量；V喬為喬木林總蓄積量；BEFk為喬木林第k樹種的生物量轉(zhuǎn)換因子；n為優(yōu)勢(shì)樹種的個(gè)數(shù)。

利用森林蓄積量預(yù)測(cè)結(jié)果(式3)和平均的生物量轉(zhuǎn)換因子計(jì)算結(jié)果(式8),實(shí)現(xiàn)喬木林生物量預(yù)估,表達(dá)式為:

(9)

2.4.2 經(jīng)濟(jì)林 竹林 灌木林和疏林生物量估算

經(jīng)濟(jì)林、竹林、灌木林和疏林生物量采用單位面積生物量和面積法估算。經(jīng)濟(jì)林、竹林、灌木林平均單位面積生物量分別取35.21,68.48,17.99Mg/hm2*國(guó)家發(fā)展改革委應(yīng)對(duì)氣候變化司.省級(jí)溫室氣體清單編制指南(試行).2011.；疏林平均單位面積生物量19.76Mg/hm2[7]。

2.5 碳儲(chǔ)量估算方法

目前,IPCC等國(guó)際組織及世界各國(guó)普遍采用直接或間接測(cè)定森林生物量,乘以生物量中碳元素含量(含碳率)的方法估算碳儲(chǔ)量。植被含碳率研究中,國(guó)內(nèi)外研究者大多采用0.5[7],本文含碳率也取0.5。

3 結(jié)果與分析

3.1 森林植被面積變化

由表2來看,云南省林地和森林植被面積均呈緩慢增加趨勢(shì),2012年分別占云南省土地總面積的65.36%和55.54%,2027年將分別占67.11%和59.67%,分別增加1.75%和4.13%,年均增長(zhǎng)率分別為0.18%和0.50%；非林地面積有所減少,部分非林地轉(zhuǎn)為有林地。

表2 云南省各類土地面積預(yù)測(cè)結(jié)果表 萬hm2

林地面積中,喬木林、經(jīng)濟(jì)林、竹林、未成林地、跡地的面積逐漸增加,2012年分別占林地面積的61.05%,8.48%,0.44%,2.67%,3.11%,2027年將分別占64.22%,13.33%,0.67%,2.72%,4.02%,其中,經(jīng)濟(jì)林面積上升率最高,增加了4.85%,喬木林次之,增加了3.17%,其他變化較??；灌木林、疏林、宜林地、苗圃地面積逐漸減少,由2012年分別占林地面積的13.62%,1.38%,9.19%,0.06%,將下降到2027年的9.92%,0.78%,4.31%,0.03%,其中,宜林地下降率最高,下降了4.88%,灌木林次之,下降了3.70%,疏林和苗圃地變化較小。隨著多項(xiàng)林業(yè)建設(shè)工程,如長(zhǎng)防工程、珠防工程、天保工程、退耕還林工程等的實(shí)施和推進(jìn),云南省造林綠化成效顯著,近15年(2000—2014年)人工造林、飛播造林和封山育林的總規(guī)模達(dá)到813.07萬hm2[19],使宜林地、疏林、灌木林逐漸轉(zhuǎn)入喬木林、經(jīng)濟(jì)林和未成林地。

3.2 森林植被蓄積量變化

由表3可知,云南省森林蓄積量顯著增加,由2012年的169 309.19萬m3增加到2027年的243 883.02萬m3,提高了44.05%,年均提高2.94%。2012年,喬木林單位面積蓄積量110.9 m3/hm2,比全國(guó)平均蓄積量89.8 m3/hm2高,但低于世界平均水平131m3/hm2[20],森林質(zhì)量較低。從第八次云南省森林資源清查數(shù)據(jù)分析,喬木林各齡組幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林面積比例分別為34.9%,28.3%,16.6%,12.6%,7.6%,單位面積蓄積量分別為52.2,92.2,128.3,182.8,293.3 m3/hm2,可見,面積占比高達(dá)63.2%的幼、中齡林單位面積蓄積量低,是森林質(zhì)量低的主要原因。到2027年,喬木林單位面積蓄積量將達(dá)到148.1 m3/hm2,是2012年的1.3倍,森林質(zhì)量明顯提高。這與幼、中齡林的生長(zhǎng),以及2009年云南省開始實(shí)施國(guó)家森林撫育補(bǔ)貼試點(diǎn),加強(qiáng)森林經(jīng)營(yíng)有關(guān)。

表3 云南省森林蓄積量預(yù)測(cè)結(jié)果表

3.3 森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度的變化

由表4可知,云南省森林植被碳儲(chǔ)量和平均碳密度均呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。碳儲(chǔ)量由2012年的890.40Tg逐漸增加到2027年的1 265.34Tg,年均增長(zhǎng)25.00Tg,年均增長(zhǎng)率2.81%。在森林植被碳儲(chǔ)量的組成中,喬木林、經(jīng)濟(jì)林、竹林的碳儲(chǔ)量比例分別由2012年的91.56%,4.19%,0.42%上升為 2027 年的92.81%,4.76%,0.47%,灌木林、疏林的碳儲(chǔ)量比例分別由3.44%和0.39%下降為1.81%和0.15%?？梢?喬木林在森林碳庫(kù)中長(zhǎng)期發(fā)揮重要的作用,隨著云南省森林植被面積和蓄積量雙增長(zhǎng),全省的森林碳儲(chǔ)量將顯著提高。2012年,云南省森林植被平均碳密度為41.89Mg/hm2,高于全國(guó)平均值40.51 Mg/hm2[20],2027年將提高到55.41Mg/hm2,是2012年的1.3倍,年均增長(zhǎng)率2.15%。表明隨著幼、中齡林成熟度的增加,森林撫育措施加強(qiáng),以及天然林停止商業(yè)性采伐,云南省森林質(zhì)量將顯著提升,森林碳匯的潛力巨大。

表4 云南省森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度預(yù)測(cè)結(jié)果表

4 結(jié)論

1) 到2027年,云南省森林植被面積和蓄積量將呈現(xiàn)雙增長(zhǎng)趨勢(shì),面積和蓄積量年均增長(zhǎng)率分別為0.50%和 2.94%。喬木林、經(jīng)濟(jì)林、竹林、未成林地、跡地的面積逐漸增加,灌木林、疏林、宜林地、苗圃地面積逐漸減少,隨著多項(xiàng)林業(yè)建設(shè)工程的實(shí)施和推進(jìn),使宜林地、疏林、灌木林逐漸轉(zhuǎn)入喬木林、經(jīng)濟(jì)林和未成林地。2012年,喬木林單位面積蓄積量比全國(guó)平均值高,但低于世界平均水平,森林質(zhì)量較低,主要原因是面積占比高達(dá)63.2%的幼、中齡林單位面積蓄積量低,到2027年,喬木林單位面積蓄積量將提高到2012年的1.3倍,森林質(zhì)量明顯提高。這與幼、中齡林的生長(zhǎng),以及云南省實(shí)施國(guó)家森林撫育補(bǔ)貼試點(diǎn),加強(qiáng)森林經(jīng)營(yíng)有關(guān)。

2) 云南省森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度均呈持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì),分別由890.40Tg,41.89Mg/hm2提高到1 265.34Tg,55.41Mg/hm2,碳儲(chǔ)量和碳密度年均增長(zhǎng)率分別為2.81%和2.15%。喬木林、經(jīng)濟(jì)林和竹林碳儲(chǔ)量比例逐步提高,灌木林和疏林的碳儲(chǔ)量比例逐步降低。森林植被面積和蓄積量的雙增長(zhǎng),將使全省森林植被碳儲(chǔ)量顯著提高。森林植被碳吸收量的增長(zhǎng)主要通過造林面積的增加和林分質(zhì)量提高實(shí)現(xiàn)的[21],但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人口與土地資源矛盾日益突出,通過擴(kuò)大造林面積增加碳儲(chǔ)量難度較大。隨著云南省森林成熟度的增加,林齡結(jié)構(gòu)改善,在科學(xué)造林的同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)森林經(jīng)營(yíng)管理,著力提升森林質(zhì)量,充分挖掘森林的固碳潛力。

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[17]馮宗煒,王效科,吳剛.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量和生產(chǎn)力[M].北京:科學(xué)出版社,1999.

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Research on Prediction of Forest Resources and the Carbon Sequestration Potential in Yunnan Province

YANG Ying1,HUANG Guosheng1,Wang Xuejun1,Su Haoran2,Zhi Changgui1

(1.AcademyofForestInventoryandPlanning,StateForestryAdministration,Beijing100714,China;2.InternationalCenterforBambooandRattan,Beijing100102,China)

The changes of the structure and volume of forest resources were predicted in Yunnan Province by using the markov chain model and compound interest formula from 2012 to 2027,based on forest resources inventory data in 2002,2007 and 2012.The biomass,carbon storage and carbon density of forest vegetation in Yunnan Province were estimated by applying the biomass regression model and the carbon content of vegetation.The results shows that in the next sixteen years,the area and volume of forest resources in Yunnan Province will show a double growth trend.The annual average growth rate of area and volume are 0.5% and 2.94%.The carbon storage and the average carbon density of forest vegetation will increase continuously.The carbon storage will increase from 890.40Tg to 1265.34Tg,with an annual average growth rate of 2.81%.The carbon density will increase from 41.89 Mg/hm2to 55.41 Mg/hm2,with an annual average growth rate of 2.15%.With the maturity of the young and middle-aged forests,and improvement of forest quality because of forest tending,the forest vegetation has great potential to stock carbon in Yunnan Province.

forest resources,carbon storage,carbon density,Yunnan Province

2017-05-14；

2017-06-01

中國(guó)清潔發(fā)展機(jī)制基金贈(zèng)款項(xiàng)目“2020年后林業(yè)增匯減排的行動(dòng)目標(biāo)研究”(2013014)

楊英(1982-),女,陜西延安人,工程師,主要從事森林資源監(jiān)測(cè)與森林經(jīng)營(yíng)管理研究。 Email:xiaoyang19828@163.com

S757

A

1002-6622(2017)04-0044-06

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.04.008