湖南省1999-2013年森林植被碳儲量變化研究

夏 栗，王福生，劉大逵

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要碳庫，其儲存 了陸地生態(tài)系統(tǒng) 65%～98% 的有機(jī)碳［1］，在降低溫室氣體濃度，改善全球變暖中具有極其重要的意義［2-4］。與其他陸地生態(tài)系統(tǒng)相比，森林具有較高的生產(chǎn)力，單位面積森林碳儲量是農(nóng)田的20～100 倍［5］，森林每年固定的碳約占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的 2/3［6-7］。森林植被碳儲量占陸地植被碳儲量的 77%［8-9］，森林植被碳匯在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，森林植被碳儲量變化是評估其碳匯能力的依據(jù)，因此，開展一定時間尺度范圍內(nèi)的森林植被碳儲量變化研究具有重要意義［10］。

森林植被碳儲量的估算主要是通過森林植被生物量的樣地調(diào)查資料和森林占地面積進(jìn)行計(jì)算［11-13］。隨著世界各國對全球變暖問題的不斷關(guān)注，森林碳匯的研究不斷加強(qiáng)，并取得了較大進(jìn)展［14-19］。目前，主要的森林碳儲量估算方法有IPCC 森林生物量估算法［20］、換算因子連續(xù)函數(shù)法［21］、雙曲線模型估算法［22］和生物量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸浪惴ǎ?1,23-24］等。

本次研究依據(jù)湖南省 1999-2003 年、2004-2008 年和 2009-2013 年 3 次森林資源一類清查資料數(shù)據(jù)（以下簡稱“一類清查”），運(yùn)用生物量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸浪惴▽鲜〔煌瑫r期森林碳儲量和碳密度進(jìn)行了科學(xué)估算，并針對天然林分析各齡組碳儲量的動態(tài)變化以預(yù)測湖南省森林植被碳匯能力，研究湖南森林碳儲量的主要貢獻(xiàn)者和固碳潛力，以期為區(qū)域碳循環(huán)研究和湖南省相關(guān)決策的提出提供基礎(chǔ)資料和重要參考。

1 研究區(qū)概況

湖南省地理位置為 108°47′～114°15′ E，24°38′～30°08′ N，屬于長江中游的荊江河南岸。湖南省山地面積較大，氣候條件優(yōu)越，土壤資源豐富，樹種繁多，是我國重點(diǎn)林區(qū)及木材生產(chǎn)的主要基地之一。

全省土地總面積約為 21.184×106hm2，其中山地占 51.2%，盆地占 13.9%，平原占 13.1%，丘陵占 15.4%，水域占 6.4%。大體上東部、南部、西部山地環(huán)繞，中部和北部地勢平緩，呈復(fù)式馬蹄型丘陵性盆地的地貌輪廓格局［25］。全省林業(yè)用地總面積 13.001×106hm2，森林覆蓋率 59.64%，湘西南、湘南、湘西北及湘東地區(qū)森林植被較為集中，而湘中、湘北地區(qū)森林植被相對較少。全省喬木林優(yōu)勢樹種主要有杉木、馬尾松、闊葉樹等樹種；經(jīng)濟(jì)樹種主要為油茶；竹林種類基本為毛竹［26］。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

森林資源數(shù)據(jù)來源于湖南省一類清查成果資料（1999-2003 年、2004-2008 年 和 2009-2013 年 3 次），數(shù)據(jù)包括湖南省不同植被（喬木林、經(jīng)濟(jì)林和灌木林）的面積和蓄積量，以及天然林中不同齡級林木的面積和蓄積量。

2.2 研究方法

2.2.1 森林植被生物量計(jì)算 森林植被生物量是森林植被最基本的數(shù)量特征，其大小與變化不僅是度量森林植被結(jié)構(gòu)的基本指標(biāo)，也是反映森林及其所在環(huán)境物質(zhì)循環(huán)和能量流動關(guān)系的重要參考［27］。因此森林植被生物量數(shù)據(jù)已成為森林植被固碳能力的重要依據(jù)，也是評估森林植被碳儲量的重要因素。

本研究采用方精云等［21,28］建立的回歸方程對湖南省近年來森林植被生物量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法為：

式中：Btotal為某一樹種的總生物量；B 為某一樹種的單位面積生物量；Atotal為某一樹種的總面積，V 為森林蓄積量（m3），a 和 b 為相關(guān)參數(shù)，根據(jù)樹種的不同而不同，具體樹種生物量回歸方程見表 1。

表1 不同樹種生物量的計(jì)算方程Tab.1 Equations of different forest species biomass

竹林生物量采用竹林單株模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法為：

式中：B竹為竹林生物量；N毛為毛竹株數(shù)；N散為散竹株數(shù)；CF竹為竹林單株平均生物量，按 22.5 kg/株計(jì)［29］。

經(jīng)濟(jì)林和灌木林生物量采用單位面積平均生物量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法為：

式中：B經(jīng)（灌）為經(jīng)濟(jì)林（灌木林）生物量；A經(jīng)（灌）為經(jīng)濟(jì)林（灌木林）面積；CF經(jīng)（灌）為經(jīng)濟(jì)林（灌木林）的單位面積平均生物量。公式中參數(shù) CF經(jīng)（灌）采用郭兆迪［30］、金小華［31］等推算的中國森林植被生物的單位面積平均生物量，即我國秦嶺淮河以南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)林單位面積平均生物量為 23.7 t/hm2，灌木林單位面積平均生物量為 19.76 t/hm2。2.2.2 森林碳儲量和碳密度計(jì)算 根據(jù)湖南省森林資源一類清查資料，利用上述計(jì)算所得的不同樹種生物量，即可對森林植被碳儲量和碳密度進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ci為某一樹種的碳儲量；Bi為某一樹種的生物量；CFi為生物量的含碳系數(shù)，IPCC 曾在 2004年出版的《土地利用、土地利用變化和林業(yè)優(yōu)良做法指南》中提出全球缺省值為 0.50，而在 2006年又調(diào)整為 0.47［20］，因此以 IPCC 提出的缺省值為依據(jù)，結(jié)合湖南省樹種類型特征，將湖南喬木林的含碳系數(shù)設(shè)置為 0.47，將竹林、經(jīng)濟(jì)林和灌木林的含碳系數(shù)設(shè)置為 0.5。

3 結(jié)果與分析

3.1 湖南省 1999-2013 年森林面積、蓄積量變化特征

湖南省 2003 年森林植被面積為 1 063.5 萬hm2、2008 年為 1 103.2 萬 hm2、2013 年為 1 078.2萬 hm2，同時森林蓄積量分別為 29 598.9 萬 m3、36 751.1 萬 m3、34 587.8 萬 m3。2008-2013 年間，湖南省森林植被面積和蓄積量分別減少了 25萬 hm2和 2 164 萬 m3（見表 2），這與 2008 年冰災(zāi)以及生產(chǎn)需求的增加不無關(guān)系，但縱觀近 15 年來湖南省森林植被面積和蓄積量，總體仍呈增加趨勢，湖南省森林植被的碳匯功能逐漸增強(qiáng)。

1999-2013 年間，不同樹種的面積和蓄積量表現(xiàn)出不同的變化特征（見圖 1），馬尾松、杉木、櫟類、經(jīng)濟(jì)林和灌木林面積所占比重逐漸減少，而針葉樹、闊葉樹、針闊混和竹林的面積增加，其中以馬尾松和杉木的減少程度最突出，分別減少了 9.2% 和 7.9%，針葉樹、闊葉樹和針闊混的增加最明顯，分別增加了 7.8%，10.8% 和7.1%。

表2 1999-2013年間湖南省不同樹種面積、蓄積量、生物量、碳儲量和碳密度變化特征Tab.2 The change characters of area，timber volume，biomass，carbon storage and carbon density for all forest species from 1999 to 2013，Hunan Province

圖1 1999-2013年間不同樹種的面積變化特征Fig.1Change characters of area of different forest species during 1999-2013

3.2 湖南省 1999-2013 年森林資源碳儲量和碳密度變化

1999-2013 年間，湖南省森林植被碳儲量以年均增長率 2.21% 的速度，從 1999 年的 21 651.7萬 t 增加到 2013 年的 30 070.3 萬 t，年均增長了 561.2 萬 t。通過對湖南省 1999-2004 年，2004-2008 年和 2009-2013 年不同樹種碳儲量研究（見表2），闊葉樹的碳儲量在 15 年中均為最高，從 1999年到 2013 年闊葉樹的碳儲量從 6 502.7 萬 t 增加到 12 553 萬 t，共增加了 6 050.3 萬 t，占整個湖南省森林碳儲量的 41.7%，表明闊葉樹在全省森林資源中有著極其重要的地位。與闊葉樹碳儲量比重不斷增加相伴的，是馬尾松、柏木、針闊混、經(jīng)濟(jì)林和灌木林的碳儲量的比重不同程度的減少，以柏木的減少趨勢最明顯（見圖 2）?？傮w來說，湖南省不同樹種的碳儲量表現(xiàn)依次為：闊葉樹＞竹林＞杉木＞針葉樹＞針闊混＞經(jīng)濟(jì)林＞馬尾松＞灌木林＞櫟類＞柏木＞楊樹。

圖2 不同樹種的碳儲量變化特征Fig.2The change characters of carbon storage of different forest species in Hunan

湖南省各樹種間的碳密度差異較大（8.4～54.9 t/hm2），最大的為闊葉樹，最小的為馬尾松和灌木林（見表 2）。闊葉樹的碳密度最大，面積也逐漸增加，其碳匯能力最強(qiáng)，雖然杉木的面積和蓄積量均較高，但由于其碳密度不及闊葉樹一半，所以其碳儲量也較闊葉樹低。

3.3 不同林齡植被碳儲量和碳密度的變化特征

天然林按樹齡分布來看，中齡林面積最大，除幼齡林面積呈下降趨勢外，其他齡組面積均呈增加趨勢，2013 年，中齡林面積占湖南現(xiàn)有森林植被面積的 35.0%，幼齡林占 24.8%，近熟林占24.0%，成熟林占 12.7%（見表 3）。各林齡面積大小依次為：中齡林＞近熟林＞幼齡林＞成熟林＞過熟林（見圖 3）。

通過不同齡組碳儲量分析可知，幼齡林的碳儲量減少了 210.5 萬 t，而其他各個組分的碳儲量則不斷增加，其中近熟林碳儲量的增加量最大，為 1 460.1 萬 t；其次為成熟林，增加了 947.8 萬t，過熟林增加了 442.6 萬 t，中齡林增加了 429.4萬 t。湖南省森林植被主要分布在中齡林、近熟林和成熟林中，其碳儲量占整個湖南天然林森林植被碳儲量的 88%。通過對不同齡組碳密度的分析可知，碳密度隨齡級的增加而增加（見表 3）。

表3 不同時期湖南省天然林不同齡組的碳儲量和碳密度Tab.3 Carbon storage and carbon density of different age-classes of natural forest in different periods

圖3 1999-2013年天然林中各齡級面積變化特征Fig.3 The change characters of area of different ageclasses in natural forest during 1999-2013

4 結(jié)論與討論

（1）2013 年湖南省森林植被碳儲量為 30 070萬 t，碳密度為 27.9 t/hm2。對于森林生態(tài)系統(tǒng)中的不同樹種而言，植物碳密度隨著其林齡的增加而增加，在過熟林時其碳密度達(dá)到最大［21,32］。經(jīng)上述分析可知，湖南森林植被主要以中齡林、幼齡林和近熟林為主，碳密度提升空間大，碳匯能力尚未達(dá)到最強(qiáng)，隨著植被的不斷生長，其固碳能力將進(jìn)一步增強(qiáng)，碳匯潛力巨大。

（2）從樹種固碳方面來看，湖南省森林植被碳儲量較大的為闊葉樹、竹林、針葉樹和針闊混，表明這些樹種在全省植被固碳中具有重要作用，這些樹種的面積、蓄積量和碳儲量的動態(tài)變化將極大的影響湖南省森林碳儲量的穩(wěn)定發(fā)展。闊葉樹是湖南省森林植被碳儲量的主要貢獻(xiàn)者，且這種貢獻(xiàn)作用在未來很長時間都不會改變。因此，保護(hù)好天然闊葉林、鼓勵闊葉樹造林是提高湖南森林碳匯能力的重中之重。

（3）齡組的劃分對象為公益林和用材林，竹度的劃分對象為竹林［33］，竹林在湖南省森林植被中是碳儲量較大的植被類型，而一類清查數(shù)據(jù)中不包括竹度數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)的有限性，本文將不同齡組碳儲量變化研究的對象縮小為天然林，雖能定性預(yù)測湖南森林植被的碳匯潛力，卻是定量預(yù)估湖南省未來碳匯能力的不確定因素，因此，進(jìn)一步收集數(shù)據(jù)資料定量預(yù)估湖南省未來森林植被碳匯能力是今后研究的重要課題。

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