毛竹林固碳增匯價(jià)值的動(dòng)態(tài)變化: 以福建省為例*

武金翠 周 軍 張 宇 余曉燕 石 雷,4 漆良華

(1.蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林工程學(xué)院 蘇州 215008；2.國(guó)家林業(yè)和草原局竹藤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國(guó)際竹藤中心 北京 100102；3.北京水務(wù)咨詢公司 北京 100048；4.滇南竹林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站 滄源 677400)

森林覆蓋地球陸地表面的30.6%，儲(chǔ)存著約2 960億t碳，人類釋放到大氣中的碳，約1/3被森林吸收，森林在固碳增匯、穩(wěn)定大氣CO2濃度方面發(fā)揮著極其重要的作用。不少學(xué)者對(duì)森林的固碳增匯服務(wù)價(jià)值進(jìn)行了探討(Akujarvietal., 2016; Kuittinenetal., 2016; 師賀雄等, 2016; 王慧等, 2017; Osborneetal., 2018)；然而，關(guān)于區(qū)域尺度上森林生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯價(jià)值估算及其動(dòng)態(tài)變化研究尚不多見(jiàn)。

作為一種特殊的森林資源，竹林具有重要的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)價(jià)值。竹子是世界公認(rèn)的生長(zhǎng)最快的植物之一，在生長(zhǎng)季毛竹(Phyllostachysedulis)每天的高生長(zhǎng)最多可達(dá)1 m(Lieseetal., 2015)。快速的增長(zhǎng)速率，暗含著較高的固碳速率，研究表明，毛竹年固碳量為5.09 t·hm-2，是杉木林(Cunninghamialanceolata)的1.46倍，是熱帶雨林的1.33倍(Yenetal., 2011)。在全國(guó)林分優(yōu)勢(shì)種中，毛竹林的碳儲(chǔ)量緊隨櫟樹(shù)(Quercusspp.)、落葉松(Larixspp.)、落葉闊葉混交林、云杉(Piceaspp.)、冷杉(Abiesspp.)和樺樹(shù)(Betulaspp.)，位列第7位(Wangetal., 2013)，被認(rèn)為是降低大氣CO2濃度、減緩氣候變化最適宜的造林候選樹(shù)種之一。

當(dāng)前，很多國(guó)家的森林面積不斷減小，而中國(guó)竹林面積正以每年3%的速率增加，這意味著中國(guó)竹林很可能是一個(gè)不斷增加的碳匯。武夷山山脈對(duì)北方冷空氣南下和東南海洋性暖流北上的阻隔，使得閩西北成為中國(guó)毛竹最適宜生長(zhǎng)區(qū)；根據(jù)第八次全中國(guó)森林資源清查結(jié)果(國(guó)家林業(yè)局, 2014)，福建省竹林面積107萬(wàn)hm2，其中毛竹林100.3萬(wàn) hm2，竹林和毛竹林面積均居全國(guó)首位。然而，目前關(guān)于福建省竹林固碳增匯生態(tài)服務(wù)功能的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，尤其在生態(tài)服務(wù)價(jià)值核算及其動(dòng)態(tài)變化方面。鑒于此，本研究選擇福建省毛竹林為研究對(duì)象，核算受人為干擾強(qiáng)度較大的毛竹林生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯價(jià)值并探討其動(dòng)態(tài)變化，以期掌握毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳匯價(jià)值、科學(xué)評(píng)價(jià)竹林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，為碳計(jì)量和碳貿(mào)易提供理論與技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

福建省位于中國(guó)東南沿海(115°50′—120°40′E,23°33′—28°20′N)，山地、丘陵占全省總面積的80%以上，素有“八山一水一分田”之稱，地勢(shì)西北高東南低。屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫19 ℃，從內(nèi)陸到沿海氣溫逐漸增加，沿海全年氣溫>10 ℃；年均降雨量1 700 mm，從沿海到內(nèi)陸逐漸減少。土壤多以黃壤或紅壤為主。地帶性植被為常綠闊葉林，闊葉樹(shù)以殼斗科(Fagaceae)和樟科(Lauraceae)植物物種為主要建群種。全省森林覆蓋率居全國(guó)之首，森林固碳量超過(guò)全省工業(yè)排放量的一半以上?，F(xiàn)有竹類19屬近200種，主要分布在閩西北(即武夷山北段南坡)。福建省竹林多以毛竹純林為主，少與常綠闊葉樹(shù)混交或?yàn)榱窒聝?yōu)勢(shì)灌木層，毛竹林面積約占全省竹林面積的85%。

2 研究方法

2.1 毛竹林地上活立竹生物量異速生長(zhǎng)關(guān)系的建立和基于葉面積的生物量密度柵格數(shù)據(jù)的生成 利用福建省境內(nèi)設(shè)置的209塊毛竹林樣地(10 m×10 m)，結(jié)合每竹檢尺、毛竹活立竹不同器官的生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立立竹水平毛竹地上部分生物量(W, kg)與胸徑(D, cm)之間的異速生長(zhǎng)關(guān)系模型(W=0.71D1.48,R2=0.59,n=103,P<0.01)；結(jié)合魚眼攝像機(jī)(HemiView，英國(guó)Delta-T公司)獲取的毛竹林林分葉面積，建立林分水平毛竹林葉面積(LAI)與地上部分生物量密度(BD, t·hm-2)的估算模型(BD=2.83LAI1.73,R2=0.53,n=57,P<0.01)；基于毛竹林生物量空間變異函數(shù)的塊金、基臺(tái)和變程等參數(shù)的地統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，將估算的毛竹林生物量數(shù)據(jù)重采樣到250 m。在生物量模型建立時(shí)，一部分樣本用于建立模型，另一部分用于驗(yàn)證模型。更多關(guān)于生物量數(shù)據(jù)的介紹，參見(jiàn)文獻(xiàn)(張宇等，2016)。

2.2 遙感數(shù)據(jù)的處理、反演模型的構(gòu)建及林分活立竹地上生物量的估算 反演不同時(shí)期毛竹林生物量的遙感數(shù)據(jù)為MODIS增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率16天，空間分辨率250 m(Didanetal., 2015)。時(shí)間跨度為2001—2014年。

鑒于毛竹林具有大小年的生長(zhǎng)周期特點(diǎn)，再加上單年極端氣候?qū)χ脖恢笖?shù)的影響(Tuckeretal., 1985)，本研究設(shè)定2年為一期，即2001—2002年為第1期，2003—2004年為第2期，其他依此類推，14年(2001—2014提)共分為7個(gè)時(shí)期。

借助ArcGIS軟件生成每個(gè)時(shí)期的最大值、最小值和平均值3個(gè)EVI柵格數(shù)據(jù)層，并分別與基于葉面積生成的地上部分生物量柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立地上部分生物量密度反演模型，再利用該模型反演7個(gè)時(shí)期福建省的毛竹林地上部分生物量。

2.3 土壤碳儲(chǔ)量、擇伐竹和已收獲竹筍生物量的估算 毛竹林擇伐遵循“存三去四不留七”原則，每次伐除毛竹的生物量可近似認(rèn)為現(xiàn)存生物量的1/3(郭起榮等, 2005)。對(duì)福建省各區(qū)擇伐量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，福建省每2年1次的毛竹擇伐量確實(shí)近似于現(xiàn)存地上生物量的1/3，因此，每年擇伐竹的生物量采用林分地上部分生物量的1/6近似估算。

為估算毛竹林每年收獲竹筍的生物量(t·hm-2)，在設(shè)立的生物量測(cè)定樣地中選取竹農(nóng)產(chǎn)權(quán)明確的樣地，通過(guò)連續(xù)的挖筍記錄結(jié)合發(fā)放的竹筍產(chǎn)量調(diào)查問(wèn)卷，估算不同時(shí)期收獲竹筍的生物量。

研究期內(nèi)竹林土壤碳儲(chǔ)量的變化，利用實(shí)測(cè)獲得的0～60 cm土層土壤碳儲(chǔ)量密度(SOCD, t ·hm-2)與其對(duì)應(yīng)的MODIS EVI數(shù)據(jù)，首先建立土壤碳儲(chǔ)量密度估算模型(SOCD=a×EVI-b)(a和b為模型參數(shù))，然后按照式(2)計(jì)算不同時(shí)期土壤碳儲(chǔ)量(SOC, t)的變化量：

SOCnet=(SOCt-SOC0)/t=a×(EVIt-EVI0)/t×A。

(1)

式中：SOCnet為福建省竹林土壤碳儲(chǔ)量年變化量(t ·a-1)，SOCt和SOC0及EVIt和EVI0分別為研究期末、期始的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(t)和增強(qiáng)植被指數(shù)；A為竹林面積(hm2)。

2.4 毛竹林固碳增匯量的估算 毛竹林固碳增匯量采用差值法(即研究期末與期始二者碳儲(chǔ)量的差值)進(jìn)行估算。鑒于竹林生長(zhǎng)和經(jīng)營(yíng)特點(diǎn)，毛竹林固碳增匯量包括4部分：活立竹、土壤、采伐竹和已收獲竹筍，其計(jì)算公式為:

CS=[(Bt-B0+BC+BS)×E+(SOCt-SOC0)]/t。

(2)

式中：CS為毛竹林生態(tài)系統(tǒng)每年固碳增匯量(t ·hm-2a-1)；B0和Bt分別為每期期始、期末毛竹林地上部分生物量(t·hm-2)；BC為每期擇伐竹生物量(t·hm-2)；BS為研究期已收獲竹筍的生物量(t·hm-2)；E為毛竹碳含量，本研究取0.5(Shietal., 2011；2017)；SOCt和SOC0分別為每期期末、期始毛竹林土壤的碳儲(chǔ)量(t)；t為研究期(年)。

2.5 固碳增匯價(jià)值的量化 關(guān)于森林固碳增匯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值核算，目前還存在較大爭(zhēng)議(Toman, 1998; 張華, 2013; Blattertetal., 2017)。量化價(jià)值主要有損失法(用溫室效應(yīng)造成的可能損失來(lái)評(píng)價(jià)其固碳價(jià)值)(Klimasetal., 2016)、造林成本法(通過(guò)固碳量折算需造林面積，再通過(guò)中國(guó)造林成本折算其固碳增匯值)、碳稅法(國(guó)家針對(duì)排放的碳量征收碳稅，通過(guò)碳稅核算生態(tài)系統(tǒng)固碳價(jià)值，主要應(yīng)用于西方國(guó)家)(Kibriaetal., 2017)等(謝高地等, 2011)。Tol(2005)利用搜集的103個(gè)碳價(jià)格構(gòu)建了“概率密度函數(shù)”，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，碳價(jià)格的中位數(shù)為14 $·t-1，平均值為93 $·t-1，并認(rèn)為CO2的邊際損害成本不可能超過(guò)50 $·t-1。在量化福建省竹林固碳增匯價(jià)值時(shí)，本研究取碳價(jià)格中位數(shù)14 $·t-1，折合人民幣約88.62元·t-1。

3 結(jié)果與分析

3.1 毛竹林生物量密度反演及林分固碳增匯價(jià)值 利用生物量密度柵格數(shù)據(jù)與MODIS EVI數(shù)據(jù)擬合毛竹林生物量密度(BD, t·hm-2)反演模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者呈很好的冪函數(shù)關(guān)系：

(R2=0.67，P<0.001)。

(3)

式中：EVIm為各時(shí)段(各期)的EVI均值。

利用土壤碳儲(chǔ)量密度(SOCD, t ·hm-2)與其對(duì)應(yīng)的MODIS EVI數(shù)據(jù)擬合毛竹林土壤碳儲(chǔ)量反演模型，二者具有很好的線性關(guān)系：

SOCD=39.36×EVIm-0.61

(R2=0.74，P<0.001)。

(4)

利用建立的反演模型[式(3)和(4)]、生物量碳儲(chǔ)量轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.5)和固碳價(jià)值量(88.62元·t-1)核算出每連續(xù)兩個(gè)時(shí)期林分地上活立竹、擇伐竹、已收獲竹筍、土壤和竹林系統(tǒng)的固碳增匯生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值，見(jiàn)表 1。福建省毛竹林生態(tài)系統(tǒng)每2期的固碳價(jià)值為550.63元·hm-2，然而竹林系統(tǒng)及其不同組分的固碳價(jià)值具有較大變異性，如土壤固碳價(jià)值從研究期始(即一、二期)的-62.16元·hm-2增加到期末(即六、七期)的132.74元·hm-2，固碳價(jià)值變幅為195.90元·hm-2。從竹林不同組分固碳增匯的貢獻(xiàn)比來(lái)看(圖1)，研究期內(nèi)擇伐竹固碳增匯價(jià)值平均貢獻(xiàn)比最大(占73.78%)，其次是地上活立竹(占16.11%)，土壤固碳增匯價(jià)值貢獻(xiàn)最小，僅占3.65%。

表1 近14年福建省毛竹林每連續(xù)2個(gè)時(shí)期竹林組分及其生態(tài)系統(tǒng)的固碳增匯價(jià)值

根據(jù)第八次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)(2009—2013)，福建省毛竹林面積為100.3萬(wàn)hm2，因此全省毛竹林每期(2年)平均固碳增匯價(jià)值為5.53億元。

圖1 福建省毛竹林不同組分固碳增匯價(jià)值貢獻(xiàn)

3.2 固碳增匯價(jià)值的時(shí)間變化 2001—2014年，福建省毛竹林固碳功能價(jià)值在波動(dòng)中呈上升趨勢(shì)(圖2)。研究期內(nèi)，毛竹林固碳增匯價(jià)值以每期每公頃157.69元的速率增加，相當(dāng)于每年每公頃平均增加78.85元。從7期的時(shí)間序列變化來(lái)看，固碳增匯價(jià)值表現(xiàn)為緩慢增加—小幅回落—快速增加。

圖2 福建省毛竹林每連續(xù)2個(gè)時(shí)期固碳增匯價(jià)值的變化

3.3 固碳增匯價(jià)值的空間分布 除去已收獲竹筍和擇伐竹固碳增匯價(jià)值(二者缺少空間分布信息)，計(jì)算第7期(2013—2014)福建省毛竹林地上活立竹和土壤的固碳增匯價(jià)值(RMB·hm-2)與第1期(2001—2002)之差，得出2001—2014年毛竹林固碳增匯價(jià)值變化及其空間分布。相比于研究初期(第1期)(表 2)，研究末期面積占比31.26%的毛竹林固碳增匯價(jià)值降低，每公頃平均降幅256.76元，最大降幅1 473.08元；面積占比68.74%竹林固碳增匯價(jià)值增加，每公頃平均增幅640.80元，最大增幅2 658.95元。

表2 福建省毛竹林末期較初期固碳增匯價(jià)值變幅的頻度分布

4 討論

差值法估算竹林碳儲(chǔ)量服務(wù)功能價(jià)值應(yīng)用最多(王兵等, 2009; 武江民等, 2016; 張銳等, 2016)。該方法公認(rèn)度較高，誤差相對(duì)較小。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)生態(tài)站建設(shè)力度不斷加大，通量塔數(shù)量不斷增加，采用凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量(NEE)觀測(cè)法估算碳儲(chǔ)量服務(wù)功能價(jià)值也逐漸增多。該方法通過(guò)測(cè)量近地表的湍流狀況和CO2濃度變化計(jì)算碳交換通量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)固碳增匯量的連續(xù)直接測(cè)定，是計(jì)算固碳增匯量較為準(zhǔn)確可靠的方法。Li等(2016)基于NEE和凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，分別評(píng)價(jià)了千煙洲、長(zhǎng)白山森林的固碳釋氧及凈生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧服務(wù)流量過(guò)程。與NEE觀測(cè)法相比，差值法固碳釋氧估算方法僅考慮植被的固碳釋氧功能，未考慮土壤呼吸，因此固碳釋氧服務(wù)的評(píng)估結(jié)果可能會(huì)偏大。在小尺度或林分水平上，固碳釋氧生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評(píng)價(jià)，可通過(guò)測(cè)定各樹(shù)種的光合速率來(lái)實(shí)現(xiàn)(王麗勉等, 2007)。

曹先磊等(2015)研究福建、浙江和江西3個(gè)竹產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)省份不施肥條件下毛竹林的固碳效果，結(jié)果顯示福建省毛竹林固碳水平高于竹產(chǎn)業(yè)最發(fā)達(dá)的浙江和江西省，暗示著福建省毛竹林固碳增匯潛力較大。本研究結(jié)果表明，2001—2014年福建省毛竹林是一個(gè)不斷增加的碳匯，每年每公頃固碳增匯價(jià)值平均增加78.85元(圖2)。然而，作為一種特殊的森林類型，竹林擇伐周期短，不實(shí)施集約經(jīng)營(yíng)就會(huì)面臨退化、成為碳源的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)本研究結(jié)果，擇伐竹的固碳增匯價(jià)值貢獻(xiàn)最大(73.78%)，超過(guò)地上活立竹、已收獲竹筍和土壤的總和(圖 1)。因此，為充分發(fā)揮竹林固碳增匯效益，擇伐在毛竹林經(jīng)營(yíng)過(guò)程中是不可或缺的經(jīng)營(yíng)管理措施。此外，擇伐后，竹子很快被加工成竹制品，延緩竹制品衰解或分解的速度，有助于減緩碳重新釋放的速率，延緩釋放速率也是充分發(fā)揮竹林固碳增匯潛力的重要舉措。

在研究初期(2001—2002年)，福建省2/3面積的竹林生長(zhǎng)在沒(méi)有公路、交通偏僻的貧困山區(qū)，集約經(jīng)營(yíng)程度不高，該期竹林固碳增匯價(jià)值僅為153.31元·hm2(表1)。2003—2004年(第2期)，福建省著手竹山道路建設(shè)，毛竹林由原來(lái)的粗放式經(jīng)營(yíng)向集約式經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)變，固碳增匯能力不斷增強(qiáng)。2008年百年一遇的冰雪災(zāi)害，給福建省毛竹林造成了巨大損失，毛竹斷梢現(xiàn)象極其嚴(yán)重，因此，三四期和四五期間的固碳增匯潛力不斷減弱(圖2)。隨后，福建省專門出臺(tái)了“十五”、“十一五”竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，2010年實(shí)施了《福建省林地保護(hù)利用規(guī)劃(2010-2020年)》等涉竹政策，促進(jìn)了竹農(nóng)經(jīng)營(yíng)的積極性，在研究末期，竹林固碳增匯價(jià)值每期每公頃超過(guò)千元(1 148.52元)，顯著提高了毛竹林固碳增匯生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。福建省毛竹林所有權(quán)主體多樣，集體所有和個(gè)人承包毛竹林無(wú)序分布，毛竹林固碳增匯價(jià)值空間變異程度大。竹林較其他類型森林受人為經(jīng)營(yíng)干擾強(qiáng)度較大，固碳增匯價(jià)值的空間變異很可能與竹林所有者的經(jīng)營(yíng)程度有密切關(guān)系。

整個(gè)研究期間(2001—2014年)全省毛竹林總固碳增匯價(jià)值約38.71億元，每期(2年為1期)福建省毛竹林增匯價(jià)值約5.53億元，明顯低于章朝聰?shù)?2010)關(guān)于福建省毛竹林每年固碳增匯價(jià)值為89億元的報(bào)道結(jié)果。與其他森林類型一樣，毛竹林固碳增匯價(jià)值的估算也具有較大不確定性。首先，竹筍產(chǎn)量受林分結(jié)構(gòu)、溫度和降水影響具有一定區(qū)域差異，再加上竹筍產(chǎn)量調(diào)查問(wèn)卷的誤差，竹筍碳儲(chǔ)量估算會(huì)產(chǎn)生不確定性。其次，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為林木干物質(zhì)(生物量)含碳率為常數(shù)(多采用0.5)(Birdsey, 1992, Shietal., 2011；2017)，本研究以竹林生物量計(jì)量碳儲(chǔ)量時(shí)采用轉(zhuǎn)化系數(shù)0.5，生物量碳含率的選擇可能會(huì)增加估算的不確定性。碳匯價(jià)格也是影響不確定性的一個(gè)因素，即使使用差異較小的碳匯價(jià)格，由于誤差傳遞的作用，也會(huì)產(chǎn)生明顯的不確定性。盡管遙感在土壤碳儲(chǔ)量估算及其動(dòng)態(tài)變化研究中的應(yīng)用日益增多(Raseletal., 2017; Schillacietal., 2017)，但是本研究通過(guò)擬合土壤碳儲(chǔ)量反演模型來(lái)估算毛竹林土壤碳儲(chǔ)量及其變化也可能帶來(lái)模型誤差。此外，在竹林固碳增匯價(jià)值評(píng)估中，本研究未考慮林下植被和枯落物碳庫(kù)，隨著經(jīng)營(yíng)時(shí)間增長(zhǎng)，林下植被碳庫(kù)可能也是一個(gè)不可忽視的重要碳庫(kù)。因此，在今后竹林固碳增匯研究中，要建立不同地區(qū)和林分結(jié)構(gòu)的竹筍產(chǎn)量、林下植被的固碳增匯潛力數(shù)據(jù)庫(kù)，加強(qiáng)遙感在土壤碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化研究中的應(yīng)用，以提高固碳增匯價(jià)值的計(jì)量精度，為科學(xué)評(píng)價(jià)竹林的碳匯功能和竹林碳交易提供方法學(xué)參考。

5 結(jié)論

2001—2014年間，福建省毛竹林表現(xiàn)為一個(gè)不斷增加的碳匯，固碳增匯價(jià)值每年每公頃增加78.85元，研究期間總固碳價(jià)值約38.71億元。與地上活立竹、已收獲竹筍和土壤的固碳增匯潛力相比，擇伐竹的固碳增匯價(jià)值最大，擇伐是充分發(fā)揮毛竹林固碳增匯潛力不可或缺的經(jīng)營(yíng)管理手段。