河南省喬木林碳儲量和碳密度研究

陳 晨,時軍霞,劉光武

(河南林業(yè)職業(yè)學(xué)院,河南洛陽 471002)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,是地球生物圈的重要組成部分[1],它不僅在維護區(qū)域生態(tài)環(huán)境上起著重要作用,而且在全球碳平衡中有著巨大貢獻[2]。20世紀(jì)80年代以來,我國先后實施重點林業(yè)生態(tài)工程、退耕還林工程、天然林保護工程、自然保護區(qū)建設(shè)與管理等,這些措施使我國森林覆蓋率和森林質(zhì)量都得到大幅提升,進一步增強了森林碳匯能力。森林生物量是森林植物群落在其生命過程中所產(chǎn)生的干物質(zhì)累積量[3],是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和健康程度的重要指標(biāo)[4],也是計算森林碳儲量、碳密度的基礎(chǔ)。目前,學(xué)者采用不同方法對森林生態(tài)系統(tǒng)生物量、碳儲量進行了大量研究[5-11]。但由于我國森林的復(fù)雜性、多樣性,以及調(diào)查數(shù)據(jù)的不完整性和研究方法的差異性,導(dǎo)致在估測大尺度森林生物量和碳儲量方面存在較大差異。為了能獲取更準(zhǔn)確的森林碳儲量數(shù)據(jù),提高森林生產(chǎn)力,需要在不同區(qū)域開展森林生物量及碳儲量研究。筆者以第九次森林資源清查資料為依據(jù),估算河南省喬木林碳儲量和碳密度,探究河南省森林資源現(xiàn)狀,以期為河南省乃至全國森林碳儲量及森林價值估算提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況河南省(110°21′～116°39′E,31°23′～36°22′N)地處我國中東部、黃河中下游,總面積約16.7萬km2,山地和丘陵占全省面積的44.3%。河南省處于暖溫帶和亞熱帶氣候交錯的邊緣地區(qū),氣候具有明顯的過渡性特征。全省年平均溫度穩(wěn)定在14 ℃左右,年平均降水量在600～1 200 mm,受地理位置及氣候類型影響,河南省森林植被地帶性明顯,以伏牛山主脊和淮河干流一線為界,北部為南暖溫帶落葉闊葉林地帶,南部為北亞熱帶常綠闊葉林地帶。

1.2 數(shù)據(jù)來源所用數(shù)據(jù)為河南省2014—2018年全國森林資源清查資料,全省共設(shè)置10 355個固定標(biāo)準(zhǔn)地,標(biāo)準(zhǔn)地面積0.067 hm2,調(diào)查內(nèi)容包括標(biāo)準(zhǔn)地面積、地類、優(yōu)勢樹種、齡組、林分起源、林分蓄積等。依據(jù)森林資源清查要求,森林包括喬木林、灌木林、竹林,研究對象為喬木林。在森林資源清查數(shù)據(jù)中喬木林不含下層木、地被層和土壤層信息,因此研究中喬木林碳儲量不含上述碳儲量。

所用喬木林按起源分為人工林和天然林,包含針葉林、闊葉林、混交林、經(jīng)濟林4種類型,齡組包括幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林,主要樹種(組)有31個,分別為落葉松(LarixgmeliniiKuzen.)、黑松(PinusthunbergiiParl.)、油松(PinustabuliformisCarriere)、馬尾松(Pinusmassoniana)、國外松、其他松類、杉木(Cunninghamialanceolata)、池杉(Taxodiumascendens)、柏木(Cupressusfunebris)、櫟類、樺木(Betula)、樟木(Cinnamomumcamphora)、榆樹(Ulmuspumila)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、楓香(Liquidambarformosana)、其他硬闊類、楊樹(Populusspp.)、柳樹(Salixbabylonica)、泡桐(Paulowniafortunei)、楝樹(Meliaazedarach)、白蠟樹(FraxinuschinensisRoxb)、其他軟闊類、針葉混、闊葉混、針闊混、核桃(JuglansregiaL.)、板栗(Castaneamollissima)、杜仲(Eucommiaulmoides)、銀杏(GinkgobilobaL.)、油桐(Verniciafordii)、其他經(jīng)濟類。

1.3 研究方法

1.3.1生物量計算。研究表明,森林生長量與林分蓄積量之間存在相關(guān)關(guān)系, IPCC法依據(jù)林分類型的材積與生物量擴展因子及相關(guān)參數(shù)的乘積求出某林分類型的生物量,公式如下:

Btotal=Vtotal·D·BEF2·(1+R)

(1)

式中:Btotal為某一樹種(組)的生物量(t);Vtotal為某一樹種(組)的蓄積量(m3);D為某一樹種(組)的木材密度(t/m3);BEF2為某一樹種(組)的生物量擴展因子;R為某一樹種(組)的地下部分/地上部分根冠比。

該研究中木材密度、根冠比、含碳率采用IPCC推薦使用的不同樹種參數(shù),相關(guān)參數(shù)值見表1。李海奎等[12-13]將BEF2分成5個區(qū)間,取每個區(qū)間的中值作為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林的生物量轉(zhuǎn)換因子,相關(guān)參數(shù)值見表2。根冠比需要依據(jù)樹種蓄積、面積、木材密度、生物量擴展因子等數(shù)據(jù)計算得到。

表1 各樹種生物量轉(zhuǎn)換參數(shù)和含碳系數(shù)Table 1 Biomass conversion parameters and carbon coefficients of different tree species

1.3.2碳儲量計算。喬木林某一樹種(組)碳儲量評估采用國際通用的做法,用測算的某一樹種(組)生物量與該樹種含碳系數(shù)相乘得到。不同齡組碳儲量相加可得樹種(組)碳儲量,不同樹種(組)的碳儲量相加可得河南省喬木林碳儲量。

2 結(jié)果與分析

2.1 喬木林不同樹種(組)的生物量由表3可知,河南省喬木林主要樹種有31個,林分總面積34 844.38×102hm2,總碳儲量160.37×106t。碳儲量比率在2%以上林分從大到小為闊葉混>櫟類>楊樹>針闊混>馬尾松。這5個樹種(組)碳儲量比率和為85.99%,林分面積和占77.41%, 5個樹種(組)碳儲量高與林分面積大和碳密度高有關(guān)。這5個樹種(組)在河南省森林植被中地位重要,它們的碳儲量動態(tài)變化將影響整個區(qū)域的碳匯變化。

表2 不同林分類型生物量擴展因子Table 2 Biomass expansion factors of different stand types

表3 河南省喬木林不同樹種碳儲量和碳密度統(tǒng)計Table 3 Statistics of arbor forest carbon storage and carbon density by different tree species in Henan Province

在不同樹種(組)中,闊葉林面積為29 837.44×102hm2,占喬木林總面積的85.63%,碳儲量為141.27×106t,占喬木林總碳儲量的88.09%;針葉林面積為5 006.94×102hm2,占喬木林面積的14.37%,碳儲量為19.10 t,占總碳儲量的11.91%?？梢?河南省喬木林以闊葉林為主,闊葉林是喬木林碳儲量主要貢獻者。

河南省喬木林平均碳密度為46.02 t/hm2,高于平均碳密度的林分類型從大到小為池杉>櫟類>杉木>針闊混>楊樹>闊葉混>楓香。櫟類和楊樹是河南省主要的喬木樹種。櫟類的碳密度為57.27 t/hm2,是長壽樹種之一,森林生態(tài)系統(tǒng)以櫟類為支撐可以長久穩(wěn)定[14]。楊樹碳密度為49.35 t/hm2,其面積占河南省人工林面積的32.56%,因生長快、產(chǎn)量高、成才早、材質(zhì)優(yōu)良等特點在河南省廣泛種植[15]。

2.2 喬木林不同齡組的碳儲量由表4可知,河南省喬木林各齡組碳儲量表現(xiàn)為幼齡林>中齡林>近熟林>成熟林>過熟林。幼齡林面積占喬木林總面積的54.08%,幼齡林碳儲量占喬木林總碳儲量的45.02%;近、成、過熟林占喬木林總面積的22.42%,碳儲量占喬木林總碳儲量的25.13%,河南省喬木林以幼齡林為主,各齡組碳儲量的大小關(guān)系與其面積及碳密度大小有關(guān)。

幼齡林碳密度僅為38.32 t/hm2,碳儲量達72.20×106t,主要由于幼齡林面積大。不同齡組碳密度表現(xiàn)為中齡林>近熟林>成熟林>過熟林>幼齡林,隨著林分年齡的增加,碳密度呈先增后減趨勢。河南省喬木林中齡林碳密度最大值,達58.46 t/hm2。同時期,全國喬木林面積中,幼齡林占32.67%。河南省喬木林面積中,幼齡林占54.08%。隨著幼齡林不斷成熟,碳密度逐漸增大,河南省喬木林固碳潛力巨大。

表4 河南省喬木林不同齡組碳儲量和碳密度統(tǒng)計Table 4 Carbon storage and carbon density of arbor forest by different age group in Henan Province

2.3 不同起源喬木林碳儲量由表5可知,河南省天然林碳儲量為88.38×106t,占喬木林碳儲量的55.11%,河南省人工林碳儲量為73.28×106t,占喬木林碳儲量的45.69%。天然林以幼齡林和中齡林為主,其碳儲量占天然林總碳儲量的93.55%,近、成、過熟林碳儲量比率僅占6.46%。人工林幼、中齡林占人工林碳儲量的52.45%,近、成、過熟林占47.55%。河南省天然林碳儲量略占優(yōu)勢,近、成、過熟林主要為人工林。

天然林各齡組碳密度均大于人工林,說明天然林碳匯能力更強。不同起源的喬木林碳密度隨著年齡的增加,均呈先增后減的變化趨勢。天然林碳密度在成熟林階段達到峰值,而人工林碳密度在近熟林階段達到峰值。不論起源,達到過熟林階段時,林分老化,長勢衰退,固碳能力快速下降。在過熟林階段,天然林和人工林碳密度基本持平。

天然林中,櫟類碳密度最大,為63.06 t/hm2,榆樹碳密度最小,僅10.74 t/hm2。人工林中,池杉碳密度最大,達59.13 t/hm2,油桐碳密度最小,僅4.07 t/hm2。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論該研究基于2014—2018年全國森林資源清查資料,采用材積源生物量法估算的河南省喬木林碳儲量和平均碳密度分別為160.37×106t和46.02 t/hm2。同時期,我國喬木林碳儲量和碳密度分別為75.75×108t和43.11 t/hm2[16],河南省碳儲量占全國的2.12%,碳密度略高于全國平均水平,說明河南省喬木林質(zhì)量高于全國平均水平。2004—2008年河南省喬木林碳儲量87.96×106t,碳密度為31.04 t/hm2[17]。10年間,河南省喬木林碳儲量增長了82.32%,碳密度增長了48.26%。河南省采取的天然林保護工程、退耕還林、封山育林等措施極大地促進了森林碳匯能力的增加。

林種類型、林分年齡、林分起源不同,森林碳儲量差別顯著。河南省主要喬木樹種(組)有31個,其中闊葉混、櫟類、楊樹、針闊混、馬尾松5個樹種(組)的林分面積占喬木林總面積的77.41%,碳儲量占喬木林總碳儲量的85.99%,這5個樹種(組)對維護區(qū)域碳平衡起著重要作用。在喬木林中,闊葉林面積占喬木林總面積的85.63%,碳儲量占喬木林碳儲量的88.09%,闊葉林是河南省碳匯的主要貢獻者。闊葉林中,櫟類林的碳密度最大,為57.27 t/hm2,櫟類林碳儲量占喬木林總碳儲量的27.80%。然而,河南省櫟類多為天然次生林,存在林分密度過大、干形彎曲、材質(zhì)差等問題[14],若對現(xiàn)有林分加強撫育管理,將有利于森林碳匯增加。

森林的碳動態(tài)在很大程度上取決于其齡級的變化[13],從不同齡組的碳儲量來看,幼齡林面積為18 843.00×102hm2,占喬木林總面積的54.08%;碳儲量72.20×106t,占喬木林碳儲量的45.02%。幼齡林碳密度只有38.32 t/hm2,低于其他齡組。喬木林齡組碳儲量方面的數(shù)據(jù)顯示,河南省喬木林以中、幼齡林為主,若對這些森林加強撫育管理,隨著年齡的增加,河南省喬木林碳儲量增加趨勢明顯。

河南省喬木林以人工林為主,其面積占喬木林面積54.97%,但人工林碳儲量低于天然林。人工林樹種單一,結(jié)構(gòu)與功能差,病蟲害頻繁發(fā)生,生產(chǎn)力較差[4,13],是導(dǎo)致其固碳能力低的重要原因。若能調(diào)整區(qū)域內(nèi)人工林樹種結(jié)構(gòu),做好低效林分改造修復(fù),將會提高人工林固碳能力。

不同起源的林分,隨著林分年齡的增加,碳密度均呈先增后減的變化趨勢,這符合林分生長的一般規(guī)律。天然林和人工林在過熟林階段,碳密度均低于成熟林,主要由于林分長勢衰退,有機質(zhì)分解等,固碳能力下降。

3.2 討論林分起源不同,碳密度拐點不一致,產(chǎn)生差異的原因可能是不同起源的林分數(shù)據(jù)分布差異造成的,需結(jié)合林業(yè)實際生產(chǎn)經(jīng)驗方能確定。因森林資源清查數(shù)據(jù)缺少喬木林下層木、地被層、枯枝落葉層、土壤層碳儲量信息,因此該研究中喬木林碳儲量只包括喬木地上和地下部分的碳儲量,后期有望進一步研究補充喬木林缺失部分碳儲量信息,提升估算精準(zhǔn)度。