華南地區(qū)不同類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳現(xiàn)狀研究*

白昆立 陳蕾伊 鄧洪濤 李益民 何金全

（1.廣東省嶺南院勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510599；2.廣東生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510520）

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，貯存了80%以上的陸地植被碳儲(chǔ)量[1]，年固碳量約占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的2/3[2]，森林在調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩大氣中CO2等溫室氣體濃度上升以及應(yīng)對(duì)氣候變化等方面具有不可替代的作用[3]。森林碳儲(chǔ)量在區(qū)域尺度上的時(shí)空分布可以揭示碳匯的變化，為合理的碳減排目標(biāo)和森林資源的經(jīng)營(yíng)管理提供依據(jù)[4]。區(qū)域森林碳儲(chǔ)量估測(cè)方法目前主要有3類(lèi)：樣地清查法、通量觀測(cè)法和基于遙感技術(shù)的模型法[5-6]。近30 年來(lái)，許多學(xué)者以森林資源清查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對(duì)區(qū)域或國(guó)家尺度的森林碳儲(chǔ)量、碳密度及碳匯功能開(kāi)展了大量研究[7-11]，分析森林碳匯功能變化情況，區(qū)域尺度森林碳儲(chǔ)量的精確性仍然有待于研究。

研究區(qū)（韶關(guān)市）屬于粵北生態(tài)特別保護(hù)區(qū)范圍，地處南嶺山脈南部，是南方重點(diǎn)集體林區(qū)，擁有豐富的森林資源和獨(dú)特的森林生態(tài)系統(tǒng)，素有“南嶺生物基因庫(kù)”和“珠江三角洲生態(tài)屏障”之稱(chēng)。目前關(guān)于韶關(guān)市生態(tài)保護(hù)區(qū)森林植被研究相對(duì)較少，例如萬(wàn)雁華等[12]利用2018 年韶關(guān)市森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)評(píng)估了不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種（組）的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值，余斐等[13]以韶關(guān)市花崗巖區(qū)森林土壤作為研究對(duì)象，研究了其森林土壤重金屬含量分布特征并做了污染評(píng)價(jià)，而對(duì)森林碳儲(chǔ)量和碳密度變化的研究鮮有報(bào)道。準(zhǔn)確地估測(cè)該地區(qū)森林的碳儲(chǔ)量變化、固碳能力對(duì)全國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳匯潛力研究具有重要意義[14]。因此，本研究以韶關(guān)市467 個(gè)樣點(diǎn)的森林植被數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)森林碳儲(chǔ)量和固碳潛力進(jìn)行評(píng)估，分析不同植被類(lèi)型、不同齡組森林植被層的碳儲(chǔ)量和碳密度的差異性，旨在揭示韶關(guān)市不同類(lèi)型森林植被的固碳現(xiàn)狀，為提高森林碳匯功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為區(qū)域尺度的林業(yè)碳匯的綜合管理與決策提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣東省北部的韶關(guān)市，北接湖南，東鄰江西，東南面、南面和西面分別于廣東省河源市、惠州市、廣州市及清遠(yuǎn)等市接壤，介于北緯23°53′～25°31′，東經(jīng)112°53′～114°45′之間，屬中亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，氣候宜人，年平均氣溫為18.8～216℃，年降雨量為1 400～2 400 mm，全年無(wú)霜凍期為310 天左右，冬季北部有雪。研究區(qū)地處南嶺山脈南部，地勢(shì)北高南低，地形以山地丘陵為主，河谷盆地分布其中。研究區(qū)內(nèi)主要森林植被類(lèi)型有常綠闊葉林、針葉林、針闊混交林、闊葉混交林和竹林。

1.2 樣地設(shè)置、調(diào)查與樣品采集

本研究基于2018 年韶關(guān)市森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)森林植被、地形、氣候等特征，采用典型抽樣法布設(shè)樣點(diǎn)，共計(jì)467 個(gè)樣點(diǎn)，樣點(diǎn)分布及樣本統(tǒng)計(jì)表如圖1 及表1 所示。每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)置3 個(gè)25 m×25 m 的喬木樣方，調(diào)查樣方內(nèi)喬木種類(lèi)、胸徑、樹(shù)高等信息。齡組的劃分依據(jù)《廣東省森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[15]進(jìn)行，分為幼齡林、中齡林、近熟林和成、過(guò)熟林。在樣方內(nèi)沿對(duì)角線設(shè)置3 個(gè)2 m×2 m 的灌木樣方，采用收獲法按枝、葉、根分別稱(chēng)其鮮重，將3個(gè)樣方內(nèi)各器官分別混合均勻后取樣（不少于300 g）。在每個(gè)灌木樣方內(nèi)各取1 個(gè)1 m×1 m 的草本樣方，分地上、地下部分收獲后稱(chēng)重并取樣。將草本樣方內(nèi)的枯落物全部收集并稱(chēng)重，取樣。所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，采用重鉻酸鉀-硫酸氧化外加熱法測(cè)定植被碳含量[16]。

圖1 研究區(qū)樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sample points in the study area

表1 研究區(qū)不同森林類(lèi)型樣本統(tǒng)計(jì)Tab.1 Sample statistics of different forest types in the study area

1.3 森林植被碳儲(chǔ)量估算

1.3.1 生物量估算 本文依據(jù)李?？萚17]的森林植被生物量評(píng)估模型，利用研究區(qū)域調(diào)查數(shù)據(jù)中的胸徑和樹(shù)高等數(shù)據(jù)計(jì)算得到樣點(diǎn)內(nèi)樹(shù)木的干、枝、葉和根部的生物量，如表2。竹林生物量的計(jì)算方法采用周?chē)?guó)模等[18]關(guān)于毛竹林生物量的評(píng)估模型： 。

表2 中國(guó)森林植被生物量評(píng)估模型Table 2 Forest vegetation biomass assessment model in China

取樣所得的灌木、草本和枯落物樣品經(jīng)烘干處理后稱(chēng)重，計(jì)算出樣品的含水率，進(jìn)而推算出單位面積生物量。

1.3.2 碳密度計(jì)算 采用國(guó)家林業(yè)局發(fā)布的《造林項(xiàng)目碳匯計(jì)量檢測(cè)指南》[19]中各樹(shù)種的含碳率計(jì)算森林碳密度，公式如下：

1.3.3 碳儲(chǔ)量計(jì)算 不同植被類(lèi)型植被層總碳儲(chǔ)量計(jì)算公式為：

式中：C為碳儲(chǔ)量，t；A為不同森林類(lèi)型面積（來(lái)源于2018 年韶關(guān)市森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)），hm2。

1.4 固碳潛力計(jì)算

根據(jù)生物群落演替的頂級(jí)理論和空間代替時(shí)間法，以成熟林的碳密度作為相近區(qū)域林分的最大碳密度，與此對(duì)應(yīng)的最大碳儲(chǔ)量稱(chēng)為森林碳容量[20]，將森林碳容量與當(dāng)前階段（或某一年）森林碳儲(chǔ)量的差值稱(chēng)為森林固碳潛力[21-22]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和作圖，應(yīng)用SPSS 26.0 軟做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用單因素方差分析法分析不同植被類(lèi)型和不同齡組間的碳密度和碳儲(chǔ)量的差異， LSD 法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)植被層碳密度

由表3 可知，研究區(qū)不同類(lèi)型森林植被層的平均碳密度為65.20 t·hm-2，各森林類(lèi)型中總碳密度最高的是常綠闊葉林和闊葉混交林，分別為87.02 t·hm-2、87.03 t·hm-2，兩者幾乎相同；針葉林的總碳密度次之，為60.71 t·hm-2；針闊混交林和竹林的總碳密度相對(duì)較低，其大小分別為46.40 t·hm-2、44.85 t·hm-2。在各類(lèi)型森林中，喬木層的碳密度在整個(gè)植被層的占比較大，在69.67%～80.96%的范圍；灌木層的碳密度占比達(dá)到了12.30%～21.54%；草本層和枯落物層的碳密度較低，僅占整個(gè)植被層的4.42%～10.63%。

表3 不同植被類(lèi)型森林碳密度Tab.3 The carbon density of forests in different vegetation types

不同齡組森林植被層碳密度如表4 所示。各齡組森林植被層的總碳密度大小在49.27～111.96 t·hm-2的范圍，喬木層森林植被的碳密度大小為32.60～92.94 t·hm-2之間。在不同齡組森林中，喬木層的碳密度在整個(gè)植被層的占比較大，在66.16%～83.01%的范圍；灌木層的碳密度占比達(dá)到了12.70%～22.96%；草本層和枯落物層的碳密度較低，僅占整個(gè)植被層的3.11%～10.88%。隨著齡組的增大，從幼齡林、中齡林、近熟林到成、過(guò)熟林，森林植被總碳密度和喬木層碳密度均表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

表4 不同齡組森林植被碳密度Tab.4 The carbon density of forest vegetation in different age groups

2.2 不同類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)植被層碳儲(chǔ)量

不同植被類(lèi)型森林面積和碳儲(chǔ)量差異比較大（圖2）。研究區(qū)不同類(lèi)型森林植被總面積約為133.90×104hm2，其中針葉林和常綠闊葉林的森林面積較大，分別占總森林面積的30.73%、37.36%，竹林、闊葉混交林和針闊混交林的森林面積相對(duì)較低，分別占總森林面積的13.54%、10.78%和7.59%。各類(lèi)型森林生態(tài)系統(tǒng)植被層總碳儲(chǔ)量為3 047.71×104t，其中常綠闊葉林碳儲(chǔ)量最高，達(dá)到1 379.79×104t，其次是針葉林，碳儲(chǔ)量達(dá)到了720.68×104t，竹林、闊葉混交林和針闊混交林的碳儲(chǔ)量相對(duì)較低，這三類(lèi)森林的碳儲(chǔ)量分別占總碳儲(chǔ)量的16.00%、10.62%和4.46%。

圖2 不同植被類(lèi)型森林碳儲(chǔ)量Fig.2 The carbon storage of forest in different age groups

由圖3 可知，各齡組中以幼齡林、中齡林的森林面積較高，分別占總森林面積的33.83%、38.24%，近熟林和成、過(guò)熟林的面積較低，分別占總森林面積的12.46%、15.48%。中齡林碳儲(chǔ)量最大，占森林總碳儲(chǔ)量的41.10%，其次是幼齡林，占森林總碳儲(chǔ)量的26.80%，近熟林和成、過(guò)熟林碳儲(chǔ)量較小，分別占森林總碳儲(chǔ)量的17.12%、14.98%。

圖3 不同齡組森林植被碳儲(chǔ)量Fig.3 The carbon storage of forest vegetation in different age groups

2.3 不同植被類(lèi)型固碳潛力

不同植被類(lèi)型的森林固碳潛力差距較大（圖4）。各類(lèi)型森林植被總固碳潛力約為3 955.65×104t，其中針葉林的固碳潛力約為1 059.15×104t，約占總固碳潛力的26.78%，常綠闊葉林的固碳潛力約為2 602.65×104t，約占總固碳潛力的65.80%，針闊混交林的固碳潛力約為123.72×104t，約占總固碳潛力的3.13%，闊葉混交林的固碳潛力約為68.35×104t，約占總固碳潛力的1.73%，竹林的固碳潛力約為101.79×104t，約占總固碳潛力的2.57%。不同齡組森林固碳潛力大小順序依次為幼齡林（60.45%）＞中林齡（33.39%）＞近熟林（6.17%）。

圖4 不同植被類(lèi)型森林固碳潛力Fig.4 Carbon sequestration potential of forests in different vegetation types

3 結(jié)論與討論

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要碳庫(kù)，森林碳儲(chǔ)量的變化是判定森林碳匯能力的重要依據(jù)[23]。本研究基于研究區(qū)467 個(gè)樣點(diǎn)的森林調(diào)查數(shù)據(jù)，估算了區(qū)域內(nèi)森林植被層的碳密度、碳儲(chǔ)量和固碳潛力。研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)各類(lèi)型森林植被層的平均碳密度為65.20 t·hm-2，是廣東省[24]森林植被碳密度的2.83 倍，主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)位于粵北生態(tài)特別保護(hù)區(qū)，保存有較為完整的生態(tài)系統(tǒng)，自然資源優(yōu)厚[25]，更有利于碳的積累，同時(shí)廣東省是經(jīng)濟(jì)大省，人口密集，森林資源分布不均勻，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)人為破壞和經(jīng)營(yíng)利用干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致林分質(zhì)量不高，使得全省的平均碳密度較低。研究表明，碳密度與齡組密切相關(guān)，齡組越高，森林植被總碳密度和喬木層碳密度越大，這與王會(huì)榮等[26]、李奇等[27]和關(guān)晉宏等[28]的研究結(jié)果相一致。隨著林木自然生長(zhǎng)，低齡林分必然向著成熟林分發(fā)展，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)森林植被碳儲(chǔ)量依舊具有較大的增長(zhǎng)潛力[29]。因此，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)華南地區(qū)幼、中齡林的撫育管理，改善林分質(zhì)量，以提高華南地區(qū)內(nèi)森林碳匯能力。

研究區(qū)內(nèi)不同類(lèi)型森林植被總碳儲(chǔ)量約為3 047.71×104t，各植被類(lèi)型的碳儲(chǔ)量大小排序?yàn)槌＞G闊葉林＞針葉林＞竹林＞闊葉混交林＞針闊混交林，其中常綠闊葉林和針葉林的碳儲(chǔ)量比重較大，達(dá)到68.92%。研究發(fā)現(xiàn)，常綠闊葉林、闊葉混交林相比針葉林、針闊混交林和竹林具有較高的碳密度，這與胡建全等[30]、邱鳳英等[31]、肖君等[32]的研究結(jié)果相似，胡中宇等[33]研究云南省天然林碳儲(chǔ)量的結(jié)果也表明闊葉林的碳匯能力較高。研究區(qū)常綠闊葉林和針葉林占比面積比例遠(yuǎn)高于針葉林、針闊混交林和竹林，這也是闊葉林和針葉林碳儲(chǔ)量較高的一個(gè)原因。森林碳儲(chǔ)量與其林齡結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，森林碳動(dòng)態(tài)在很大程度上取決于其齡級(jí)的變化[34]。本研究中，不同齡組的森林碳儲(chǔ)量大小依次為中齡林＞幼齡林＞近熟林＞成、過(guò)熟林，中齡林和幼齡林的碳儲(chǔ)量分別占森林總碳儲(chǔ)量的41.10%、26.80%。

研究發(fā)現(xiàn)，各類(lèi)型森林植被總固碳潛力約為3 955.65×104t，其中針葉林和常綠闊葉林的固碳潛力較高，占比達(dá)到92.57%，是未來(lái)森林碳儲(chǔ)量增加的主體。不同齡組森林固碳潛力大小順序依次為幼齡林＞中林齡＞近熟林，隨著各類(lèi)型森林從幼齡林逐漸成長(zhǎng)為成熟林，森林碳儲(chǔ)量將明顯增大。因此，為了穩(wěn)定發(fā)揮森林的固碳能力，應(yīng)該繼續(xù)推進(jìn)重點(diǎn)林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)，提升森林經(jīng)營(yíng)管理水平，因地制宜開(kāi)展造林和育林，提高森林資源質(zhì)量，以保證森林的碳匯潛力。