林业活动碳库监测方法

刘金山，杨传金，张万林，杨 帆，洪加凤

(国家林业局中南林业调查规划设计院，长沙 410014)

林业活动碳库监测方法

刘金山，杨传金，张万林，杨 帆，洪加凤

(国家林业局中南林业调查规划设计院，长沙 410014)

对林业活动项目进行碳库计量监测，了解项目固碳释氧价值是评估森林碳汇功能的重要组成部分，也是提高森林碳汇功能的基础。介绍林业活动的相关概念和碳库监测内容、因子与方法，并根据森林碳库监测现状，提出构建森林碳库监测体系尚需深入研究的问题。

森林碳库；碳汇；林业活动；监测

森林生态系统是陆地生态系统的主体，拥有最大比例的碳库，在应对与减缓气候变化过程中发挥着重要的作用。但森林生态系统的碳库不是静态的，林业活动对森林碳库变化有着较大的影响，通过了解森林的碳汇率及其机理，掌握森林的固碳率及各种影响因素，在宏观上把握不同气候带、不同地理条件、不同树种、不同林龄大小等要素对森林碳汇的影响，将可以更好地通过造林、再造林、减少毁林和森林管理等林业活动增加森林碳储量，提升林业应对气候变化能力。按照《京都议定书》规定，自1990年以来，直接由人为活动引起的土地利用变化和林业活动——造林、再造林和砍伐森林需要进行碳汇计量，才能评估相关林业活动对于抵消工业温室气体排放所做的贡献。森林管理虽然不在《京都议定书》所规定的监测范围内，但由于近年来国家致力于中幼林抚育等林业管理措施，森林资源量得到较大提升，监测和评估该类活动的固碳量也就变得十分有意义。因此，对受林业活动影响的碳库进行监测十分必要。

1 碳计量所涉及的相关概念

1.1 林业活动相关概念

碳计量工作中所指的林业活动是引起碳变化的活动，包括造林、再造林、毁林和森林管理。其相关概念引用《京都协定书》范畴内《马拉喀什协定》的规定。

1) 造林。通过种植、播种和(或)人工促进天然下种，直接人为地将至少50 年内未成为森林的土地转变为有林地的活动[1-2]。

2) 再造林。在曾为森林但已变为无林地土地上，通过直接的人为种植、播种和(或)人工促进天然下种，将无林地变为有林地。就第一承诺期(2008—2012)而言，再造林活动限于在1989 年12 月31日处于无林状态的土地上进行的再造林[1-2]。

3) 毁林。引起森林覆盖率下降的活动，包括从有林地和国家特别规定灌木林地转变为其他任何地类[1-2]。部分国家所认可的另一种毁林定义是人为活动引起的林地直接转化为非林地，涉及土地利用方式的转变，即从原来的计入森林覆盖率的地类转变为非林地。

4) 森林管理。是一个林地利用和作业系统，其目的是可持续地实现森林相关的生态(包括生物多样性)、经济和社会功能[3]。任何在林地上的作业活动或人为改造活动，都属于森林管理范畴。

1.2 造林项目碳计量与监测的相关概念[4]

1) 项目边界。指开展碳汇造林项目活动的地理范围。如果一个碳汇造林项目涉及若干个不同的造林地块，则每个造林地块都应有明确的地理边界，该碳汇造林项目的边界不包括各个造林地块之间的土地。

2) 项目碳泄露。指由项目本身引起的、发生在项目活动边界之外的、可测定的和可核查的温室气体源排放的增加量或减少量。

3) 项目边界内碳排放量。指由项目活动本身引起的、发生在项目活动边界之内的、可测定的和可核查的碳储量的净变化量。

4) 基线情景。指在项目所在地区的技术、融资能力、资源条件和政策法规情况下，能合理地代表没有拟议的造林项目活动时的土地利用方式。通俗地讲即指项目实施地在项目活动前的情况。

2 林业活动监测内容

1) 造林、再造林活动。项目规划设计、育苗、林地清理、整地、栽植、补植、造林成活率调查、株树保存率调查、成林率调查、除草和施肥等管理措施所引起的温室气体排放(项目边界内碳排放)；植被生长和消耗、土地扰动等引起的植被、枯落物、土壤碳库变化；苗木运输机械及其他机械使用过程中消耗燃料引起的温室气体排放(碳泄露)。

2) 森林管理活动。森林抚育、主伐、间伐、修枝、割灌、除草、松土、施肥、灌溉、排水、森林更新、病虫害防治、防火措施和病虫鼠害、火灾控制、林地清理等过程所消耗的燃料都要进行登记；监测森林管理所额外增加的生物量和碳储量；监测采伐剩余物、抚育材、枯死木、枯落物等运出项目边界的数量及用途。需注意的是，如果一个项目属于造林、再造林，即使有森林管理，也不能纳入森林管理活动进行监测，以避免重复计量。

3) 毁林活动。在毁林项目中监测基线情景显得尤为必要。监测毁林引起的森林生物量减少量，及地表扰动导致的土壤碳释放。

4) 项目边界内自然原因引起的森林病虫鼠害和森林火灾发生情况(面积、破坏程度、灾害边界等)。

3 碳库监测因子

包括植被、森林土壤、枯落物以及移出项目区的生物量，见图1。

图1 森林碳库监测因子构成图

4 监测方法

为了减少监测工作量，需要通过样地布设法，调查样地内植被碳库、土壤碳库和枯落物碳库，估算单位面积碳储量，进而估算林业活动项目区域内的碳储量。

4.1 植被碳库监测

植被碳库包括乔木、灌木和草本的地上和地下生物量碳库。此处的灌木包括所有的灌木树种和胸径小于5cm、树高低于1.3m的幼龄林木。监测生物量碳库的林业活动包括天然林或人工林退化活动、退化土地造林再造林、避免毁林项目、速生丰产林等木材生产项目、森林抚育项目、土地改良项目等。

4.1.1 样地布设及监测参数

设置矩形样地，大小为20m×30m。

1) 对样地内乔木进行每木检尺，获取树种(组)信息、胸径和样地平均树高数据。利用国家森林资源连续清查工作即将建立的分区域分树种的乔木生物量模型推算生物量和碳储量。

2) 对于主干明显，且相对高大的灌木，采用样木抽样调查法，记录灌木地径和灌木高度。第一次进行监测时，整株收获，分干、枝(含叶)、根称其鲜重，分别取1～2kg的鲜样，烘干计算各部分含水率，进而计算整株生物量，根据含碳率计算整株含碳量。将灌木地径和灌木高度数据代入即将建立的分区域分树种灌木生物量模型中，计算单株含碳量。用收获法计算的含碳量对模型进行校正，即为项目区灌木生物量模型，可用于项目区第二次及以后的生物量监测中。对于无明显主干、丛生的灌木群落，设置边长2m×2m的样方，调查记录样方灌木优势种名、株数、平均高、平均地径和平均盖度，利用模型法计算样地生物量。第一次监测时，采用全部收获法收集样方内所有灌木，分别地上部分和地下部分称其鲜重，利用四分法取鲜样1～2kg，烘干计算含水率，进而计算样地生物量。用样方收获法计算的生物量对模型进行校正，用于以后的生物量监测。

3) 对于林下草本，选取典型地段，设置边长1m×1m的样方，调查记录草本优势种名、平均高和覆盖度，代入模型计算样方生物量。采用全部收获法收集样方内所有草本，分别各草类的地上部分和地下部分称其鲜重。取1kg左右的鲜样，烘干计算植株含水率，进而计算样方生物量，同样对已建模型进行修正，用于以后的监测。

4.1.2 监测频率

林业活动类型与生物量的生长率决定了监测频率。对于生物质能源林等生长速度快的树种，需要加大监测频率。一般来说，造林、再造林、避免毁林、森林管理监测频率以2～3年一次为宜，生物质能源林等商品林监测频率以1～2年为宜。

4.2 森林土壤碳库监测

土壤碳库监测对碳减缓项目(造林、再造林)及土地利用方式转变等开发项目十分重要。

4.2.1 样地布设方法

在样地内选择能代表该样地生长状况和立地条件的地方，按照“米”字形五点取样法，在对应样地下的土壤剖面分上、中、下三层分层取样，分别编号记录三层的厚度。每层使用环刀采样获取容重数据。另外需分层采样1～2kg风干，测定土壤有机碳含量和石砾含量。通过测定土壤容重和有机碳含量，分析和计算土壤有机碳密度。

有机碳密度的转换公式如下：

式中：SOC为土壤剖面有机碳密度(kg/m2)，θi为第i层>2mm砾石含量(体积%)，pi为第i层土壤容重(g/cm3)，Ci为第i层土壤有机碳含量(g/kg1)，Ti为第i层土层厚度(cm),i为参与计算的土壤层次总数。有机质和有机碳换算系数，采用Blemmeln系数(0.58)。

4.2.2 监测频率

监测土壤碳储量的频率随着土地利用方式、项目活动(造林、避免毁林和森林抚育)和管理系统(造林密度、轮伐期、施肥和灌溉)的变化而变化。在未受到干扰的土壤内，土壤有机碳含量是相对稳定的。而土地利用方式变化或对土壤表层的扰动将引起碳密度的变化，进而影响碳储量。土壤的监测频率一般宜3～5年一次，当土壤因造林项目的整地、毁林的植物根系清除及森林管理的施肥活动时，在活动发生前和活动后一年内，均应进行土壤碳储量监测。

4.3 森林枯落物碳库监测

4.3.1 样地布设方法

在样地内选取代表性的样方，其边长为1m×1m，调查样方内的乔木优势树种和枯落物平均厚度，利用模型法计算样地枯落物生物量和碳储量。第一次监测时，调查每个样方枯落物厚度，收集枯落物并称其重量，均匀混合后取1kg左右样品称湿重，实验室烘干称干重，计算单位面积枯落物干重。用样方收获法计算枯落物生物量与厚度的比例，来校正所在区域的枯落物生物量—厚度模型，用于以后的生物量监测中。

4.3.2 监测频率

枯落物的监测频率以2～3年一次为宜。在森林抚育、为防火需要及造林再造林项目进行地表枯枝落叶清理时，监测频率应随之增加。

4.4 移出项目区的生物量碳库监测

林业活动可能涉及把林木资源或枯落物等移出项目区，以往的研究与实践往往忽视了对这部分生物量和碳储量的监测。实际上，这部分碳库虽然最后被消耗掉，但也是减缓温室气体排放很重要的一部分。加工林木变成木制品，其中的有机碳会保存在木材中一段时间才释放到大气中，延缓了温室气体增加的速度。而生物质能源林、薪炭林和林木边角料做工业或家庭燃料，更是直接减少了煤、石油等化石燃料的开采和使用。对于该部分碳库的监测，应调查各部分的利用方式及每种利用方式的生物量。

4.5 监测样地大小及数量

监测样地的数量是估算土地利用类型或项目碳储量变化重要的一步。样地的设置数量需要考虑项目面积大小、要求的精度、植被分布变异性大小，并兼顾监测成本。样地数量计算步骤包括：确定期望精度，估算方差，估算项目规划和监测成本，确定允许误差，确定置信区间，决定层级数，估算样本数量。

鉴于林业碳汇计量监测是一项较新的工作，现有研究中少有涉及样地数量的报道。张小全等[5]针对国内许多研究者通常采用空间替代时间的办法，来研究不同植被类型和人类活动对碳贮量影响的方法，以及设定样地数量时随意设置重复样地数量的问题，提出了根据监测或研究对象碳贮量的异质性和所要求的精度确定样地数量的方法。该方法需要事先进行多个代表性林分样地实地测定确定变异度，因而增加了监测工作量。样地大小和设置数量的确定要在保证精度和允许误差的基础上，尽量地减少监测工作量和成本。笔者在长期森林资源监测工作实践的基础上，基于森林资源异质性经验判断，给出了样地面积及数量(见表1)，以供林业工作者在林业碳库和碳汇监测项目中参考、商榷。在某些情况下，样地大小及样地数量可以进行适当调整。如在进行中幼林碳汇监测时，样地大小和样地数量可以适当减少，在进行修枝和病虫害防治等活动时，土壤部分碳库监测可适当减少样地数量。

表1 不同土地利用方式下样地大小及数量设置土地利用方式乔木灌木草本植物土壤枯落物样地大小/m样地数量/个样地大小/m样地数量/个样地大小/m样地数量/个样地大小/m样地数量/个样地大小/m样地数量/个天然林或混交林20×3052×2151×1305×5101×130人工纯林20×3032×261×1185×561×130 注:样地数量指每6km2内的数量。

5 展望

要科学监测和估算林业活动碳库，首要任务是确立好适宜的计量方法和相应的模型。据此，本文提出了几个尚需研究的问题，以期抛砖引玉，促进林业碳库和碳汇监测体系的发展和完善。

5.1 关于枯落物碳库监测

国家林业局在第八次全国森林资源清查中增加了森林枯落物储量调查建模工作，按森林的优势树种(组)确定建模单元，按样方建立回归模型，通过采集枯落物建模样本，确立枯落物碳储量——枯落物厚度模型。枯枝落叶层包括未分解层和分解层，分解层又分为半分解层和已分解层。相同厚度下单位面积碳储量分解层要大于未分解层，而分解层和未分解层各自的比例因地理条件和气候条件而异。因此，根据枯枝落叶厚度估算其碳储量时，如果能区分未分解层和分解层分别建模，则估计精度也会相应提高。研究枯落物碳储量，应建立不同地区、不同树种碳储量——枯落物厚度模型，根据分解层和未分解层厚度，分别进行模型拟合，并通过混合模型探讨碳储量与枯落物厚度、气候条件、地理条件的关系。

5.2 关于土壤碳库监测

林业活动土壤碳库监测时，要获知项目区森林土壤碳库大小，需设置多个样地并开挖土壤剖面，由于森林土壤厚度往往达到1m左右，开挖如此厚度的土壤剖面费时费力。分析有机碳含量随土壤厚度变化规律可知，土壤深层有机碳含量较低且变化极慢，植被覆盖增加或地表扰动对深层有机碳的影响较小。因此，测定土壤碳库碳储量变化时，可以只取土壤厚度0～30cm的样品进行分析，以减少工作量。通过对不同地区、不同土壤类型、不同植被类型土壤厚度0～30cm的碳储量和整个剖面碳储量进行计量监测，建立二者之间的回归方程，就可以由0～30cm土壤碳库变化推算出整个土壤剖面的碳库碳储量变化。

5.3 关于林产品固碳监测

在林业碳汇监测工作中，林产品固碳尚未受到足够的重视。使用林产品尤其是耐久、耐用的木材产品可以延缓碳素释放，延长碳周转周期；用林产品替代建筑和化工材料，可以减少工业排放温室气体，从而缓解大气二氧化碳浓度升高；通过大力发展生物质能源林，减少或替代化石燃料，从而减少能源消耗引起的温室气体排放。森林生态系统中林产品的使用寿命决定了其固碳时间，因此采伐木材碳的释放速率取决于其最终用途。纸浆用材碳素一般几年内释放，而胶合板、建筑用材则可长达几十年甚至上百年。林产品使用量的多少和使用寿命长短在很大程度上影响了森林生态系统的碳汇功能。因此，在林业碳汇监测时，应增加对移出项目区的生物量及利用方式进行调查，从而计算该部分碳汇的大小。

[1] UNFCCC.FCCC/CP/2001/L.11,2001.

[2] IPCC. 2006 IPCC Puidelines for National Greenhouse Gas Inventories[M]. UK : Cambridge University Press, 2006.

[3] UNFCCC.UNFCCC/SBSTA/2001/L.12, 2001.

[4] 国家林业局气候办.造林项目碳汇计量与监测指南[R].2010.

[5] 张小全，陈先刚，武曙红. 土地利用变化和林业活动碳贮量变化测定与监测中的方法学问题[J].生态学报，2004,24(9)：2068-2073.

CarbonPoolMonitoringMethodofForestryActivities

LIU Jinshan，YANG Chuanjin，ZHANG Wanlin，YANG Fan，HONG Jiafeng

(Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration， Changsha 410014，Hunan，China)

forest carbon pool；carbon sequestration；forestry activities；monitoring

2012-03-30

刘金山(1986-)，男，山东烟台人，硕士，从事森林资源监测、林业碳汇计量监测等工作。

S718.55

C

1003-6075(2012)02-0060-05

Abstyact： Measurement and monitoring carbon pools in forestry activities, understanding of project carbon sequestration and oxygen release value is an important part of the assessment of forest carbon sequestration function, but also on the basis of improving the function of forest carbon sequestration. This article introduced related concepts and carbon pool monitoring contents, factors and methods of forestry activities, and proposed to needs in-depth study of the problem to build the monitoring system of forest carbon pools, in accordance with status quo of forest carbon pools monitoring.