祁連山國家公園青海片區(qū)森林植被碳儲(chǔ)量與碳匯價(jià)值研究

李娜，李清順，李宏韜

（1.國家林業(yè)和草原局 西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710048；2.旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048）

生態(tài)系統(tǒng)在其生長過程中通過自身儲(chǔ)存碳量，同時(shí)生態(tài)系統(tǒng)也要消耗一定的碳量。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，也是國家和民族賴以生存的重要自然資源。從面積來看，森林僅占陸地面積的27%，卻保存了85%的陸地生物量，儲(chǔ)存著超過80%的全球植被碳儲(chǔ)量和40%的全球土壤碳儲(chǔ)量的碳[1-4]。此外，森林在調(diào)節(jié)氣候變化和減緩溫室效應(yīng)方面也具有不可替代的作用[5-6]。作為森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，森林生物碳儲(chǔ)量在森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。森林生態(tài)系統(tǒng)的碳庫量是巨大的，該碳庫的微小變化也足以對(duì)全球的氣候系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響。森林生物量不僅是森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)來源和森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)，同時(shí)也是森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的重要指標(biāo)，在碳匯中起著重要的作用。目前，森林碳匯量計(jì)量方法主要有蓄積量法、生物量法和生物清單法。實(shí)質(zhì)上，準(zhǔn)確估算森林植被的生物量是準(zhǔn)確估算森林植被碳儲(chǔ)量的前提和基礎(chǔ)。

祁連山作為我國西部非常重要的生態(tài)安全屏障，在生態(tài)功能上是冰川與水源涵養(yǎng)保護(hù)的重點(diǎn)地區(qū)。祁連山不僅維護(hù)著青藏高原的生態(tài)平衡，而且保障了黃河和內(nèi)陸河徑流補(bǔ)給，阻止了騰格里、巴丹吉林、庫木塔格三大沙漠南侵，維持了河西走廊的生態(tài)穩(wěn)定。祁連山是絲綢之路的咽喉，孕育了璀璨的敦煌文化，是漢、藏、蒙、回、哈薩克等多民族經(jīng)濟(jì)、文化、商業(yè)交流的重要聚集地。祁連山國家公園總面積5.02萬km2，其中青海片區(qū)面積1.58萬km2，占31.5%。青海片區(qū)涉及德令哈、天峻、祁連和門源4縣（市）12鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）48個(gè)村（牧委會(huì)）共計(jì)4.1萬人。該地區(qū)生活著以放牧為生的藏族和回族原住民，生態(tài)十分脆弱。對(duì)祁連山國家公園青海片區(qū)碳儲(chǔ)量和碳匯價(jià)值進(jìn)行研究，旨在對(duì)該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能有一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)，為祁連山國家公園青海片區(qū)的生態(tài)建設(shè)、生態(tài)補(bǔ)償、資產(chǎn)評(píng)估提供基礎(chǔ)信息，同時(shí)為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建立“天地空一體化”的生態(tài)氣象監(jiān)管體系奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

祁連山國家公園青海片區(qū)位于96°49′～102°41′ E，37°03′～39°12′ N，平均海拔在4 000 m以上，主要保護(hù)對(duì)象為濕地、冰川、珍稀瀕危野生動(dòng)植物及其森林生態(tài)系統(tǒng)。祁連山國家公園青海片區(qū)地處高寒地帶，為高原大陸性氣候，太陽輻射強(qiáng)，日溫差較大，冷季長熱季短，干濕分明，氣溫和降水垂直變化明顯，雨熱同季。年平均氣溫為－1.4～9.6℃，極端最高氣溫為37.6℃，極端最低氣溫為－35.8℃；日照時(shí)數(shù)為3 270.9 h；太陽總輻射量為5 916～15 000 MJ；年平均降水量在84.6～515.8 mm；年蒸發(fā)量為1 137.4～2 581.3 mm；平均風(fēng)速為1.3～3.8 m·s-1；無霜期為23.6～193 d。

森林植被類型中天然林植被主要包括青海云杉Picea c rassifolia林、祁連圓柏Sabina pr zewalskii林、山楊Populus d avidiana林、樺木Betulaspp.林等，人工林植被主要為楊樹Populusspp.林。灌叢植被主要有金露梅Potentilla fruticosa、銀露梅P.glabra、杯腺柳Salix cupularis、鬼箭錦雞兒Caragana jubata、杜鵑Rhododendron simsii、檉柳Tamarix chinensis、白刺N(yùn)itraria tangutorum、沙棘Hippophae rhamnoides、膜果麻黃Ephedra przewalskii、小葉錦雞兒Caragana microphylla等。

1.2 森林資源概況

本次研究以該區(qū)域2017年林地變更調(diào)查數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)截止時(shí)間為2017年12月31日）為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，祁連山國家公園青海片區(qū)總面積為158.32萬hm2，其中林地面積為21.11萬hm2，占總面積的13.34%；森林面積為16.36萬hm2，森林覆蓋率為10.33%，其中喬木林面積為2.94萬hm2，占土地總面積的1.86%，疏林地面積為0.29萬hm2，占土地面積的0.18%，灌木林地面積為13.99萬hm2，占土地總面積的8.83%?；盍⒛究傂罘e量為25.09萬m3。喬木林按齡組分：幼齡林面積為1.5萬hm2，活力木蓄積量為9.41萬m3，占喬木林總面積的48.7%，占活力木總蓄積量的40.78%；中齡林面積為0.71萬hm2，活力木蓄積量為6.54萬m3，占喬木林總面積的22.88%，占活力木總蓄積量的28.33%；近熟林面積為0.4萬hm2，活力木蓄積量為2.65萬m3，占喬木林總面積的13.09%，占活力木總蓄積量的11.5%；成熟林面積為0.18 hm2，活力木蓄積量為1.32萬m3，占喬木林總面積的5.71%，占活力木總蓄積量的5.73%；過熟林面積為0.3萬hm2，活力木蓄積量為3.15萬m3，占喬木林總面積的9.62%，占活力木總蓄積量的13.66%。祁連山國家公園青海片區(qū)大部分地區(qū)位于海拔3 500 m以上，林分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基本為單層結(jié)構(gòu)，因此，本次研究僅考慮喬、灌單層結(jié)構(gòu)而不考慮林下生物量。

1.3 生物量研究方法

1.3.1 喬木林 由2017年林地變更數(shù)據(jù)顯示，區(qū)內(nèi)喬木林包括青海云杉、祁連圓柏、白樺B.platyphylla、紅樺B.albosinensis、糙皮樺B.utilis、山楊、青楊P.cathayana和其它楊樹。喬木林生物量的估算采用IPCC法[7]。IPCC法屬于材積源生物量法，也叫生物量轉(zhuǎn)換因子法。該方法先求出林分生物量與木材材積比值的平均值，然后用該比值與不同森林類型的總蓄積量相乘得到該類型森林總生物量[8]。其基本公式為：

式中，Btotal為某一樹種組的總生物量；Vtotal為某一樹種組的總蓄積量；BEF為某一樹種組的生物量轉(zhuǎn)換因子。

IPCC法生物量估算公式為：

式中，Vtotal為某一樹種組的總蓄積量，D為某一樹種的木材密度，BED1為生物量擴(kuò)展因子，R為根莖比。

生物量轉(zhuǎn)換因子為：

各優(yōu)勢(shì)樹種生物量參數(shù)見表1。由于客觀條件限制，LULUCF森林碳匯參數(shù)并不能涵蓋所有的優(yōu)勢(shì)樹種。因此，區(qū)內(nèi)喬木林生物量估算時(shí)，對(duì)于LULUCF森林碳匯中計(jì)算參數(shù)不存在的可根據(jù)優(yōu)勢(shì)樹種與全國已知樹種之間的相似性取相同值。

表1 喬木優(yōu)勢(shì)樹種生物量估算參數(shù)Table 1 Biomass estimation parameters of dominant tree species

1.3.2 灌木林 灌木林生物量采用收獲法無疑是最為準(zhǔn)確的，但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)也會(huì)干擾森林碳正常排放水平甚至造成碳釋放和泄露[9]。缺省值法屬于非破壞性生物量估測(cè)方法的一種，該方法適用于大范圍估測(cè)，是基于大量經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的方法，該方法優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但精度較低[10]；該方法也是《碳匯造林項(xiàng)目方法學(xué)》[11]中推薦的一種對(duì)灌木進(jìn)行生物量測(cè)定的方法。加之祁連山國家公園生態(tài)極度脆弱，采用收獲法在現(xiàn)實(shí)上是不可行的。因此，灌木林生物量估算統(tǒng)一采用缺省值法完成，即根據(jù)全國經(jīng)濟(jì)林單位面積生物量計(jì)算參數(shù)及相應(yīng)氣候區(qū)灌木林/灌叢地單位面積生物量密度參數(shù)[12]的規(guī)定，采用高原山地氣候區(qū)灌木單位面積生物量密度缺省值，結(jié)合灌木林地面積計(jì)算獲得。其基本公式為：

式中，Bio為灌木總生物量；Bh為灌木林單位面積生物量；A為灌木林總面積，灌木林的生物量密度采用缺省值6.2 t·hm-2。

1.3.3 疏林地 疏林地同樣采用IPCC法，具體算法同喬木林。

1.4 碳儲(chǔ)量研究方法

政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）以及其他國際組織對(duì)森林碳儲(chǔ)量的計(jì)算，普遍是先測(cè)定森林生物量，然后將測(cè)量的生物量乘以生物量中碳元素含量（含碳系數(shù)）的方法得出。其計(jì)算公式為：

式中，Ci為某一樹種的碳儲(chǔ)量；Wi為某一樹種的生物量；CFi為某樹種的含碳系數(shù)。

造成森林碳儲(chǔ)量結(jié)果差異的另一重要因素是含碳系數(shù)的大小。我國學(xué)者曾對(duì)部分森林群落組成樹種含碳系數(shù)進(jìn)行了研究測(cè)定，得出結(jié)論：?jiǎn)棠緲浞N平均含碳系數(shù)一般大于0.45，闊葉樹平均含碳系數(shù)大多小于0.5，而針葉樹的平均含碳系數(shù)大多大于0.5[13]。江澤慧、姜笑梅對(duì)于各樹種中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的含量及其碳元素所占質(zhì)量比例采用化學(xué)分析法、熱分析法、元素分析儀等方法進(jìn)行了測(cè)定[14]，得到不同樹種的含碳系數(shù)：青海云杉為0.520 8，祁連圓柏為0.503 4，樺類（白樺、紅樺、糙皮樺）為0.491 4，楊樹（山楊、青楊、其它楊樹）為0.495 6；灌木林含碳系數(shù)采用統(tǒng)一值0.47。

1.5 碳匯價(jià)格

從目前國際和國內(nèi)的局勢(shì)來看，各國對(duì)于碳交易市場(chǎng)均存在觀望態(tài)度，碳交易市場(chǎng)也基本處于停滯階段。未來國際和中國碳交易市場(chǎng)將何去何從還是個(gè)未知，但是，氣候變化對(duì)于全球的影響卻是必須面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。因此，對(duì)于碳價(jià)格的選擇，仍然采用《京都協(xié)議》確定的聯(lián)合履約（JI）和清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）價(jià)格。按照J(rèn)I格，平均為16美元·t-1CO2，而按照CDM價(jià)格，平均為24.2美元·t-1CO2[16-17]。

2 結(jié)果和分析

2.1 森林植被生物量

經(jīng)計(jì)算得到，2017年祁連山國家公園青海片區(qū)森林植被的總生物量為339.71萬t，單位面積生物量為19.73 t·hm-2。其中，喬木林的生物量為235.93萬t，占總生物量的69.5%，其單位面積生物量為80.28 t·hm-2，低于全國平均水平（全國第七次森林資源清查估測(cè)喬木林生物量平均值為86.07 t·hm-2）；疏林地的生物量為17.04萬t，占總生物量的5.0%，所占比重較小，其單位面積生物量為59.45 t·hm-2；灌木林的生物量為86.74萬t，占25.5%。

2.1.1 喬木林各齡組生物量分布格局 根據(jù)《國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)程》[15]，喬木林齡組按優(yōu)勢(shì)樹種的年齡劃分為幼齡林（Ⅰ）、中齡林（Ⅱ）、近熟林（Ⅲ）、成熟林（Ⅳ）和過熟林（Ⅴ），祁連山國家公園青海片區(qū)喬木林生物量按齡組估算統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 喬木林分齡組生物量、單位面積生物量、碳儲(chǔ)量和碳密度Table 2 Total biomass,unit area biomass,carbon reserve and carbon density of arbors by age groups

從表2可知，喬木林總生物量為235.93萬t，單位面積生物量為80.28 t·hm-2，其各齡組生物量大小為幼齡林＞中齡林＞近熟林＞過熟林＞成熟林，單位面積生物量大小為過熟林＞成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林。

2.1.2 不同樹種組生物量分布格局 不同樹種組的生物量和單位面積生物量見表3。從表3可以看出，喬木林生物量以青海云杉和祁連圓柏為主，兩者的總生物量為211.49萬t，占了喬木林總生物量的89.64%，其它依次為糙皮樺、白樺、紅樺和楊樹（山楊、青楊、其它楊樹），分別占總生物量的5.02%，4.26%、1.04%和0.10%。不同林分類型生物量按大小依次為：青海云杉＞祁連圓柏＞糙皮樺＞白樺＞紅樺＞楊類。就單位面積生物量而言，以青海云杉最大，為107.04 t·hm-2，楊樹最小，為10.33 t·hm-2。不同樹種組單位面積生物量從大到小依次為：青海云杉＞紅樺＞白樺＞糙皮樺＞祁連圓柏＞楊樹。

表3 不同林分類型生物量、單位面積生物量、碳儲(chǔ)量和碳密度Table 3 Total biomass,unit area biomass,carbon reserve and carbon density of arbor by tree species

2.2 森林植被碳儲(chǔ)量與碳密度

經(jīng)計(jì)算得到，2017年祁連山國家公園青海片區(qū)森林植被總碳儲(chǔ)量為170.23萬t，碳密度為9.89 t·hm-2。其中，喬木林碳儲(chǔ)量為120.81萬t，占總碳儲(chǔ)量的71.0%，其碳密度為41.11 t·hm-2；疏林碳儲(chǔ)量為8.65萬t，占總碳儲(chǔ)量的5.1%，所占比重較小，其碳密度為30.17 t·hm-2；灌木林碳儲(chǔ)量為40.77萬t，占總碳儲(chǔ)量的23.9%。

2.2.1 喬木林分齡組碳儲(chǔ)量和碳密度分布格局 由表2可知，喬木林的碳儲(chǔ)量為120.81萬t，碳密度為41.11 t·hm-2，其中各齡組的碳儲(chǔ)量大小為幼齡林＞中齡林＞近熟林＞過熟林＞成熟林，碳密度大小為過熟林＞成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林。其結(jié)果與喬木林生物量和單位面積生物量的結(jié)果相同。

2.2.2 不同樹種組碳儲(chǔ)量與碳密度分布格局 不同樹種組的碳儲(chǔ)量和碳密度見表3。從表3可以看出，喬木林的碳儲(chǔ)量以青海云杉和祁連圓柏為主，兩者的總碳儲(chǔ)量為108.80萬t，占了喬木林總碳儲(chǔ)量的90.06%，其它依次為糙皮樺、白樺、紅樺和楊樹，分別占總碳儲(chǔ)量的4.82%、4.09%、1.0%和0.04%。不同樹種組碳儲(chǔ)量按大小依次為：青海云杉＞祁連圓柏＞糙皮樺＞白樺＞紅樺＞楊樹。

就碳密度而言，以青海云杉最大，為55.75 t·hm-2，楊類最小，為5.12 t·hm-2。不同樹種組碳密度從大到小依次為青海云杉＞紅樺＞白樺＞糙皮樺＞祁連圓柏＞楊樹。

2.3 森林植被碳匯交易潛在價(jià)值

森林碳匯是森林十分重要的一種生態(tài)功能。將森林生態(tài)功能推向市場(chǎng)，以價(jià)格的形式實(shí)現(xiàn)碳匯交易，是估算森林植被碳匯價(jià)值的常用方法。森林固碳的市場(chǎng)交易為森林生態(tài)服務(wù)功能提供了一種市場(chǎng)交換的方式，實(shí)現(xiàn)了森林生態(tài)價(jià)值的市場(chǎng)補(bǔ)償，對(duì)融資發(fā)展林業(yè)、保護(hù)和發(fā)展生態(tài)環(huán)境具有重要意義[14]。JI和CDM兩種價(jià)格，對(duì)2017年祁連山國家公園青海片區(qū)森林植被的碳匯價(jià)值進(jìn)行估算，結(jié)果見表4。由表4表明，祁連山國家公園青海片區(qū)森林植被碳交易的潛在價(jià)值為2 723.61萬美元（JI）或4 119.46萬美元（CDM），潛在價(jià)值最大的是青海云杉，達(dá)到了1 118.99萬美元（JI）或1 692.47萬美元（CDM），占總碳交易潛在價(jià)值的41.08%；其次是灌木林，達(dá)到了625.64萬美元（JI）或946.28萬美元（CDM），占總碳交易潛在價(jià)值的22.971%；最小的是楊樹（山楊、青楊、其它楊樹），僅有0.82萬美元（JI）或1.25萬美元（CDM），占總碳交易潛在價(jià)值的0.003%。其排序依次為青海云杉＞國家規(guī)定特別灌木林地＞祁連圓柏＞疏林地＞糙皮樺＞白樺＞一般灌木林＞白樺＞楊樹。

表4 不同樹種組碳交易價(jià)值Table 4 Carbon trading price of different tree species

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

2017年，祁連山國家公園青海片區(qū)森林植被的總生物量為339.71萬t，總碳儲(chǔ)量為170.23萬t，單位面積生物量為19.73 t·hm-2，碳密度為9.89 t·hm-2，其中喬木林的單位面積生物量與碳密度分別為80.28 t·hm-2、41.11 t·hm-2，低于全國平均水平（86.07 t·hm-2和42.82 t·hm-2）[18]。

在喬木林中以青海云杉的總生物量和總碳儲(chǔ)量最大，祁連圓柏次之，楊樹的總生物量和總碳儲(chǔ)量最小。各樹種組生物總量和碳儲(chǔ)量排序一致，從大到小依次為：青海云杉＞祁連圓柏＞糙皮樺＞白樺＞紅樺＞楊樹。單位面積生物量和碳密度表現(xiàn)一致，以青海云杉的單位面積生物量、碳密度最大，其次為紅樺，楊樹的單位面積生物量、碳密度最小，從大到小排序?yàn)椋呵嗪Ｔ粕迹炯t樺＞白樺＞糙皮樺＞祁連圓柏＞楊樹。

2017年，祁連山國家公園青海片區(qū)森林植被碳交易的潛在價(jià)值為2 723.61萬美元（JI）或4 119.46萬美元（CDM），潛在價(jià)值最大的是青海云杉，達(dá)到了1 118.99萬美元（JI）或1 692.47萬美元（CDM），占總碳交易潛在價(jià)值的41.08%；其次是國家規(guī)定的特別灌木林，達(dá)到了625.64萬美元（JI）或946.28萬美元（CDM），占總碳交易潛在價(jià)值的22.971%；最小的是楊樹，僅有0.82萬美元（JI）或1.25萬美元（CDM），占總碳交易潛在價(jià)值的0.003%。因此，在吸收大氣中的CO2、減緩溫室效應(yīng)、應(yīng)對(duì)氣候變化中，青海云杉都具有極為重要的作用。同時(shí)，祁連山國家公園青海片區(qū)應(yīng)積極準(zhǔn)備進(jìn)入碳匯交易市場(chǎng)，爭(zhēng)取盡快將生態(tài)價(jià)值變?yōu)樨泿朋w現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，更好地投入到生態(tài)環(huán)境的保護(hù)治理與建設(shè)。

3.2 討論

由于祁連山國家公園內(nèi)森林植被中喬木林比例很低（17.01%），導(dǎo)致森林植被單位面積生物量和碳密度極低，同時(shí)，喬木林單位面積的生物量和碳密度也低于全國平均水平，這些都反映了公園內(nèi)的生態(tài)脆弱性和加強(qiáng)保護(hù)的必要性。各齡組生物量大小為幼齡林＞中齡林＞近熟林＞過熟林＞成熟林，單位面積生物量大小為過熟林＞成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林。形成此結(jié)果的原因：一是近十幾年來青海省依托祁連山環(huán)境治理，在祁連山國家公園范圍內(nèi)加大了造林力度，使得幼齡林和中齡林的比例增加；二是樹木在整個(gè)壽命周期內(nèi)，林齡（樹齡）越大，蓄積量越大，相應(yīng)生物量也越大。

祁連山國家公園青海片區(qū)喬木林單位面積生物量和碳密度是隨著齡組而增加的，這是符合植被的生長規(guī)律的：在森林植被生物量和碳儲(chǔ)量的時(shí)間分布序列中，早期生物量和碳儲(chǔ)量是在不斷的積累的，在達(dá)到一個(gè)高峰后，生物量和碳儲(chǔ)量逐漸減少。森林植被從幼齡林到中齡林不斷生長、不斷積累生物量，到成熟林達(dá)到高峰，到過熟林后生物量逐漸衰減。本文研究結(jié)果顯示，祁連山國家公園青海片區(qū)內(nèi)喬木林總生物量和碳儲(chǔ)量中，幼中齡林的所占比重最大（分別為66.2%和66.1%），其原因是近些年青海省依托祁連山環(huán)境治理，在祁連山國家公園范圍內(nèi)加大了造林力度，幼齡林和中齡林比例不斷增加，而成熟林和過熟林則沒有變化，甚至由于自然生長規(guī)律出現(xiàn)少量的減少。

本文所采用的喬木優(yōu)勢(shì)樹種生物量估算參數(shù)、碳密度的測(cè)定結(jié)果、灌木林碳密度統(tǒng)一值（0.47），都不是具體針對(duì)祁連山國家公園青海片區(qū)的測(cè)定結(jié)果，這些參數(shù)的使用都會(huì)對(duì)碳匯價(jià)值的估算產(chǎn)生一定誤差。地區(qū)性的碳密度測(cè)定等基礎(chǔ)研究工作也是后續(xù)碳匯價(jià)值測(cè)定發(fā)展的一個(gè)方向，需要大量科學(xué)工作者做出更多努力。