退耕還林工程對(duì)河南省森林地上碳儲(chǔ)量的影響

王艷芳，劉 領(lǐng)，悅飛雪，李 冬，上官周平

（1.河南科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,河南 洛陽(yáng)471023；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌712100）

土地利用方式的變化對(duì)全球碳循環(huán)以及耕地資源的數(shù)量和質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響［1-2］。退耕還林工程作為中國(guó)一項(xiàng)重要的土地利用方式改變工程，國(guó)家高度重視，全民參與度高。該工程主要是在坡耕地和荒山荒地上植樹(shù)造林，增加了植被覆蓋率，進(jìn)而控制水土流失［3］。退耕還林工程主要包括退耕地造林、荒山荒地造林和封山育林3種植被恢復(fù)類型。截止2013年，全國(guó)實(shí)施退耕還林面積達(dá)2 981.91×104hm2，其中退耕地造林面積為926.41×104hm2，荒山荒地造林面積為1 745.50×104hm2，封山育林面積為310.00×104hm2［4］。河南省退耕還林工程自2000年開(kāi)始首先在洛陽(yáng)、三門峽、濟(jì)源3個(gè)地區(qū)進(jìn)行試點(diǎn)，2002年全省全面啟動(dòng)退耕還林工程。工程范圍涉及全省18個(gè)省轄市的137個(gè)縣（市、區(qū)），覆蓋了全省85%以上的縣級(jí)單位和90%的國(guó)土面積。其中退耕地造林涉及106個(gè)縣（市、區(qū)），129.1萬(wàn)退耕農(nóng)戶，488.9萬(wàn)農(nóng)民［5］。近年來(lái)，退耕還林工程的實(shí)施已帶來(lái)顯著的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。土地利用方式的變化通過(guò)改變土壤碳和植被生物量對(duì)全球碳循環(huán)產(chǎn)生重要的影響［2,6-8］，通過(guò)植樹(shù)造林來(lái)減少溫室氣體排放已經(jīng)成為當(dāng)前減緩全球氣候變化的主要策略之一［9-11］。一些學(xué)者針對(duì)中國(guó)人工林碳儲(chǔ)量和分配格局進(jìn)行了研究［12-13］，特別是一些學(xué)者在全國(guó)和地區(qū)尺度上針對(duì)退耕還林工程實(shí)施對(duì)地上植被碳匯和土壤碳匯的影響也進(jìn)行了研究。蔡麗莎等［14］研究了貴州省退耕還林工程的碳匯潛力。DENG等［3］利用整合分析方法研究了全國(guó)退耕還林工程實(shí)施對(duì)土壤碳庫(kù)的影響。劉博杰等［15］研究了中國(guó)退耕還林工程凈固碳量。SONG等［16］研究了中國(guó)退耕還林土壤碳儲(chǔ)量變化。CHEN等［17］研究了云南省退耕還林工程碳匯能力。這些研究均表明退耕還林工程的實(shí)施具有較大的碳匯潛力。河南省作為中部退耕還林工程重點(diǎn)實(shí)施地區(qū)，實(shí)施退耕還林工程對(duì)森林植被碳儲(chǔ)量的影響研究較薄弱。本研究對(duì)河南省實(shí)施退耕還林工程后森林碳儲(chǔ)量的影響進(jìn)行了研究，一方面為研究河南省退耕還林地上植被碳儲(chǔ)量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，另一方面為評(píng)估人工林的碳匯效益提供參考。

1 研究地區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)概況

河南?。?1°23′～36°22′N， 110°21′～116°39′E）位于中國(guó)中東部， 黃河中下游、 黃淮海大平原的西南部。河南省土地總面積為16.70×104km2，約占全國(guó)土地總面積的1.74%。全省年平均氣溫約14.0℃，具有由東向西遞減、由北向南遞增的趨勢(shì)。全省年平均降水量為600.0～1 200.0 mm，淮河以南降水達(dá)1 000.0～1 200.0 mm，黃河淮河之間為700.0～900.0 mm，豫北和豫西丘陵區(qū)為600.0～700.0 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 河南省退耕還林工程主要造林樹(shù)種和造林面積 河南省退耕還林工程主要包括退耕地造林、荒山荒地造林和封山育林3種植被恢復(fù)類型［3］，主要造林樹(shù)種有楊樹(shù)Populus，刺槐Robinia pseudoacacia，泡桐Paulownia，楸樹(shù)Catalpa bungei，櫟類Quercusspp.，柏木Cupressus funebris，馬尾松Pinus massoniana和杉木Cunninghamia lanceolata等生態(tài)樹(shù)種；柿樹(shù)Diospyros kaki，棗樹(shù)Ziziphus jujuba，核桃Juglans regia和板栗Castanea mollissima等干果類生態(tài)經(jīng)濟(jì)兼用樹(shù)種；蘋果Malus pumila，梨Pyrus，杏Armeniaca vulgaris，桃Amygdalus persica等水果類經(jīng)濟(jì)樹(shù)種。通過(guò)河南省林業(yè)廳歷年安排退耕還林任務(wù)和復(fù)查結(jié)果，得到2000-2012年河南省退耕還林工程實(shí)施期不同樹(shù)種逐年有效造林面積（表1），河南省不同地區(qū)的造林總面積和不同植被恢復(fù)類型下的造林面積。

1.2.2 河南省森林清查資料 本研究采用河南省6～8期（1998-2003年，2003-2008年，2008-2013年）森林清查資料數(shù)據(jù)，根據(jù)國(guó)家林業(yè)局的安排，河南省隔5 a進(jìn)行1次森林資源復(fù)查，森林清查資料提供了主要森林類型不同林齡、林分起源、林種的面積和蓄積量信息。本研究主要采用不同林分起源（人工林和天然林）的面積和蓄積信息。

1.2.3 地理區(qū)域劃分 根據(jù)地理因素和行政劃分將河南省18個(gè)地區(qū)分為5個(gè)地理綜合區(qū)：豫中（鄭州、許昌、漯河），豫南（南陽(yáng)、信陽(yáng)、駐馬店），豫東（開(kāi)封、商丘、周口），豫西（平頂山、洛陽(yáng)、三門峽），豫北（安陽(yáng)、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作、濮陽(yáng)、濟(jì)源）。

表1 河南省退耕還林工程不同樹(shù)種/森林類型有效造林面積Table 1 Effective planted area for each tree species/forest types under the GGP in Henan Province

1.3 研究方法

1.3.1 林木碳儲(chǔ)量的估算 利用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法［7］計(jì)算林木生物量：B＝aV+b。其中：B為某樹(shù)種（組）的單位面積生物量（Mg·hm-2）；V為某一樹(shù)種（組）的單位面積蓄積量（m3·hm-2）；a和b為將不同樹(shù)種（組）的蓄積量轉(zhuǎn)換為生物量的參數(shù)。河南省林木資源主要包括12種優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，其中落葉松Larix gmelinii，杉木，楊樹(shù)和泡桐這4種樹(shù)木在河南省已有學(xué)者進(jìn)行了研究［18-21］，所以，采用文獻(xiàn)已有的參數(shù)對(duì)這4類樹(shù)種進(jìn)行生物量的研究。FANG等［7］構(gòu)建了中國(guó)21種樹(shù)木蓄積量轉(zhuǎn)換生物量的參數(shù)，其中有5類樹(shù)種：櫟類，側(cè)柏Platycladus orientalis，油松Pinus tabulaeformis，馬尾松和硬闊類的轉(zhuǎn)換參數(shù)應(yīng)用于河南省較合適，另外3類樹(shù)木針葉混、闊葉混和針闊混的轉(zhuǎn)換參數(shù)可以采用曾偉生［22］的研究結(jié)果，其轉(zhuǎn)換參數(shù)適合在河南省應(yīng)用。林木碳儲(chǔ)量通過(guò)林木生物量乘以其含碳系數(shù)（CF）獲得，不同樹(shù)種的含碳系數(shù)來(lái)自文獻(xiàn)［23］。表2為本研究采用的蓄積量與生物量的轉(zhuǎn)換參數(shù)及不同樹(shù)種的含碳系數(shù)。

1.3.2 退耕還林所種樹(shù)木碳儲(chǔ)量的估算 依據(jù) “人工林生長(zhǎng)曲線法”估算退耕還林工程林木生物質(zhì)碳儲(chǔ)量的變化，林木生物質(zhì)碳儲(chǔ)量的計(jì)算通常是通過(guò)樹(shù)木的生物量乘以含碳系數(shù)（CF）獲得，估算樹(shù)木生物質(zhì)碳儲(chǔ)量公式為其中：CBi代表第i目標(biāo)年林木生物質(zhì)碳儲(chǔ)量（Mg）；i代表研究目標(biāo)年；j代表造林樹(shù)種；n和m分別代表目標(biāo)年和造林樹(shù)種的數(shù)量；Aijk代表j樹(shù)種在第k年的造林面積（hm2）；CFj表示j樹(shù)種的含碳系數(shù)；Bijk表示第k年造林的j樹(shù)種到第i目標(biāo)年時(shí)的生物量（Mg·hm-2）。

人工林生物量生長(zhǎng)方程采用XU等［24］利用Logistic生長(zhǎng)方程擬合的各森林類型生物量密度與林齡的關(guān)系（表3）。河南省退耕還林工程中栽植一定面積的經(jīng)濟(jì)樹(shù)木，大多屬于闊葉類樹(shù)種。因此，經(jīng)濟(jì)樹(shù)種的蓄積量采用闊葉類樹(shù)種生物量生長(zhǎng)方程進(jìn)行估算。本研究中，假設(shè)造林當(dāng)年的林齡為1 a。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省不同地區(qū)退耕還林生態(tài)工程實(shí)施動(dòng)態(tài)

河南省退耕還林工程自2000年實(shí)施以來(lái)，不同地區(qū)造林面積差異較大。西南部地區(qū)的洛陽(yáng)、三門峽、南陽(yáng)和信陽(yáng)地區(qū)造林面積最大，造林面積在60.01×103～180.00×103hm2，中東部地區(qū)造林面積較小，其中商丘和漯河造林面積最小，造林面積在9.00×103～18.00×103hm2（圖1）。

表2 不同樹(shù)種生物量轉(zhuǎn)換參數(shù)和含碳系數(shù)Table 2 Parameters used to calculate biomass of forest stands and carbon fraction for different dominant tree species

表3 人工林生物量生長(zhǎng)方程Table 3 Empirical growth equations of plantations biomass

由圖2可知：2000-2012年，河南省5個(gè)地區(qū)中豫東沒(méi)有安排封山育林任務(wù)，且造林面積在5個(gè)地區(qū)中是最少的，僅占全省造林面積的6.27%，其中退耕地造林為 10.40×103hm2， 荒山造林為 57.21×103hm2。豫南地區(qū)造林面積最大，占全省造林面積的30.96%，其中退耕地造林為87.99×103hm2，荒山造林為 234.21×103hm2， 封山育林為 53.83×103hm2。 另外，豫西地區(qū)退耕地造林為87.45×103hm2，荒山造林為 198.30×103hm2，封山育林為48.35×103hm2；豫北地區(qū)退耕地造林為44.55×103hm2，荒山造林為 161.66×103hm2，封山育林為 20.40×103hm2； 豫中地區(qū)退耕地造林為20.74×103hm2，荒山造林為 48.35×103hm2， 封山育林為 5.71×103hm2。2000-2012年河南省退耕還林工程共完成造林面積為1 079.15×103hm2，其中退耕地造林為251.13×103hm2，荒山造林為699.72×103hm2，封山育林為 128.30×103hm2。

圖1 河南省退耕還林工程各地區(qū)造林面積示意圖Figure 1 Afforestation area in different regions of Grain for Green Program（GGP） in Henan Province

2.2 實(shí)施退耕還林后森林碳儲(chǔ)量

2.2.1 退耕還林后不同時(shí)期森林碳儲(chǔ)量和碳密度 由表4可知：實(shí)施退耕還林后，1998-2013年河南省森林面積、蓄積、碳儲(chǔ)量和碳密度均呈增加趨勢(shì)，其中森林面積從1998年149.77×104hm2增加到2013年的305.36×104hm2，增加了103.89%；森林蓄積由1998年5 258.50×104m3提高到2013年的17 094.56 104m3，提高比例為225.10%；碳儲(chǔ)量由1998年30.49 Tg提高到2013年的91.02 Tg，提高比例為198.52%；碳密度由1998年20.36 Mg·hm-2提高到2013年的29.81 Mg·hm-2，提高比例為46.41%。特別是2008-2013年森林碳密度提高較多，提高了22.12%，主要是由于退耕還林工程所種植的主要樹(shù)種楊樹(shù)等軟闊類樹(shù)木達(dá)到中齡林階段，中齡林較幼齡林具有較高的碳密度。2003，2008和2013年退耕還林造林面積分別占森林總面積的22.53%，31.77%和32.53%；退耕還林工程碳儲(chǔ)量占森林總碳儲(chǔ)量的1.58%，15.40%和30.95%。造林面積和碳儲(chǔ)量均呈增加趨勢(shì)，碳儲(chǔ)量增加幅度要高于造林面積，因?yàn)殡S著樹(shù)齡的增加林木碳匯能力逐漸增強(qiáng)。

2.2.2 退耕還林后不同林分起源碳儲(chǔ)量和碳密度 根據(jù)林分起源的不同，將森林分為天然林和人工林。由表5可知：1998-2013年，天然林和人工林的面積、蓄積、碳儲(chǔ)量和碳密度均有不同程度增加，尤其是人工林增加顯著，人工林面積由1998年的53.85×104hm2增加到2013年的173.89×104hm2，增加了222.92%。在此期間河南省退耕還林工程造林107.92×104hm2，對(duì)人工林面積的增加起主要作用。人工林蓄積增加了533.47%，碳儲(chǔ)量增加了496.52%，人工林碳密度由1998年的16.56 Mg·hm-2增加到2013年的30.60 Mg·hm-2，增幅較大。隨著時(shí)間的推移，人工林在河南省森林碳匯中將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越顯著的作用。人工林占林分總碳儲(chǔ)量的比例由1998年的29.26%提高到2013年的58.46%。人工林在河南省森林碳匯中起著重要的作用，是河南省森林碳匯的主要貢獻(xiàn)者，這主要?dú)w因于退耕還林工程的實(shí)施，大面積人工造林引起碳儲(chǔ)量的增加。截止2013年，退耕還林工程造林面積占人工林面積的57.13%，碳儲(chǔ)量占人工林碳儲(chǔ)量的52.94%。

圖2 河南省5個(gè)地區(qū)不同退耕還林方式造林面積Figure 2 Area of different afforestation types under Grain for Green Program （GGP）in five regions of Henan Province

表4 河南省退耕還林實(shí)施期間森林面積、蓄積及碳儲(chǔ)量Table 4 Area,volume,carbon storage and density of forest stand during implementing GGP in Henan Province

表5 1998－2013年不同林分起源森林面積、蓄積及碳儲(chǔ)量Table 5 Area,volume,carbon storage and density under different forest origins from 1998 to 2013 in Henan Province

2.2.3 退耕還林后不同時(shí)期、不同林分起源森林年碳匯量 由圖3可知：1998-2013年，河南省森林年碳匯量為0.63 Mg·hm-2·a-1，其中1998-2003，2003-2008和 2008-2013年碳匯量分別為0.61，0.20和1.08 Mg·hm-2·a-1。 1998-2013 年， 天然林和人工林的年碳匯量分別為 0.42 和 0.94 Mg·hm-2·a-1， 其中1998-2003，2003-2008和2008-2013年天然林的年碳匯量分別為0.41，0.37和0.48 Mg·hm-2·a-1，而人工林的年碳匯量分別為1.11，0.27和1.41 Mg·hm-2·a-1。2003-2008年人工林和天然林年碳匯量均低于1998-2003和2008-2013年。人工林年碳匯量顯著高于天然林年碳匯量，主要是由于退耕還林工程的大面積實(shí)施以及樹(shù)木的生長(zhǎng)引起人工林碳匯能力的快速增長(zhǎng)。

圖3 河南省不同時(shí)期森林年碳匯Figure 3 Carbon accumulation rate of the forests in different periods in Henan Province

3 結(jié)論與討論

1998-2013年河南省退耕還林工程實(shí)施期，森林面積和碳儲(chǔ)量逐漸增加，特別是人工林面積和碳儲(chǔ)量增加幅度較天然林要大很多。主要是由于在此期間河南省實(shí)施了退耕還林工程，人工林面積增加較多，從而引起碳儲(chǔ)量增加。2013年森林碳儲(chǔ)量和碳密度較1998年分別提高193.01%和22.15%。研究進(jìn)一步證實(shí)了實(shí)施造林工程是提高森林碳儲(chǔ)量的根本途徑［25-27］。

經(jīng)過(guò)1998-2013年15 a的森林恢復(fù)，森林碳儲(chǔ)量持續(xù)升高。1998-2013年，林分年碳匯量為0.63 Mg·hm-2·a-1，其中人工林年碳匯量是天然林年碳匯量的2.24倍，人工林碳匯能力要高于天然林，主要是由于退耕還林工程的大面積實(shí)施以及對(duì)造林地加強(qiáng)了撫育和管理。1998-2003年，2008-2013年人工林年碳匯量均高于天然林，只有2003-2008年人工林年碳匯量低于天然林，主要是由于在此階段退耕還林工程造林面積較大，共造林758.00×103hm2（圖 2），所造林木處于幼齡林階段，碳匯能力較成熟林而言較弱。隨著人工林生長(zhǎng)為碳匯能力較強(qiáng)的成熟林河南省森林將具有較大的碳匯潛力。

ZHANG等［26］研究表明：2013年全中國(guó)森林碳儲(chǔ)量和碳密度分別為6 896.3 Tg和41.0 Mg·hm-2?？梢?jiàn)，河南省2013年森林碳儲(chǔ)量占全中國(guó)2013年森林碳儲(chǔ)量的1.32%，河南省森林碳密度低于全國(guó)森林植被碳密度，表明河南省森林質(zhì)量低于全國(guó)森林質(zhì)量平均水平，需要加強(qiáng)撫育和管理，提高森林質(zhì)量和碳匯能力。李世東等［28］研究得出：河南省森林碳儲(chǔ)量和碳密度分別為87.96 Tg和31.04 Mg·hm-2，碳密度高于本研究結(jié)果，主要是由于運(yùn)用不同的估算方法計(jì)算森林碳儲(chǔ)量。河南省2013年森林碳儲(chǔ)量為91.02 Tg， 相當(dāng)于河南省 2010 年碳釋放量的 65.86%［29］，相當(dāng)于中國(guó)年碳釋放量（10 000 Tg）的 0.91%［30］。森林植被在碳匯和減緩全球變化方面發(fā)揮著重要的作用［31］。

人工林在河南省森林碳匯中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，其碳儲(chǔ)量和碳密度在2013年分別為53.21 Tg和30.60 Mg·hm-2。ZHANG等［26］研究的2013年全國(guó)人工林碳儲(chǔ)量和碳密度分別為1 400.0 Tg和29.7Mg·hm-2，河南省人工林碳儲(chǔ)量占全國(guó)的3.80%，河南省人工林碳密度略高于全國(guó)人工林碳密度，表明河南省人工林質(zhì)量較高。主要是由于造林后政府、林業(yè)部門和農(nóng)戶加強(qiáng)對(duì)林木的撫育和管理，林木生長(zhǎng)狀況良好，具有較強(qiáng)的碳匯能力。

運(yùn)用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法計(jì)算林分生物量將會(huì)產(chǎn)生一定誤差。誤差主要來(lái)源于蓄積量轉(zhuǎn)換為生物量的公式中一些相關(guān)參數(shù)（a，b）。本研究采用的一些參數(shù)在河南省進(jìn)行過(guò)研究，但多數(shù)是采用全國(guó)的或相似地區(qū)的參數(shù)進(jìn)行估算，存在一定的誤差。REN等［32］分析了估算廣東省森林植被碳儲(chǔ)量的誤差，認(rèn)為誤差主要來(lái)源于蓄積量轉(zhuǎn)換為生物量公式中所使用的參數(shù)，在1992，1997和2002年森林清查時(shí)所產(chǎn)生的誤差分別占97.26%，96.96%和95.75%。為了提高蓄積量轉(zhuǎn)換為生物量公式參數(shù)使用的可靠性，需要針對(duì)河南省地區(qū)不同樹(shù)種開(kāi)展研究，采用適合當(dāng)?shù)貤l件的生物量轉(zhuǎn)換參數(shù)。