辽宁省森林植被碳储量及其动态变化

刘艳，孙向阳*，范俊岗，张骏达

1. 北京林业大学林学院，北京100083；2. 辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032

辽宁省森林植被碳储量及其动态变化

刘艳1，孙向阳1*，范俊岗2，张骏达1

1. 北京林业大学林学院，北京100083；2. 辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032

森林是陆地生态系统的主要组成部分，在全球碳循环中起着十分重要的作用。利用1990─2010年间5期的森林资源清查资料，采用森林植被生物量换算因子连续法，估算了辽宁省森林植被碳储量和碳密度，并分析其动态变化。结果表明：在1990─2010年间，辽宁省森林面积增加了17.05×105hm2，年均增长率为1.70%。辽宁省5次（1989─1993、1994─1998、1999─2003、2004─2008、2009─2013年）森林资源清查期的植被碳储量分别是87.10、100.78、108.04、122.06、141.80 Tg，年均增长率为2.47%，这说明辽宁省森林起着碳汇作用。乔木林、疏林和灌木林、经济林碳储量分别增加50.90、2.97、0.83 Tg，碳储量平均年增加量分别为2.55、0.15、0.04 Tg·a-1。在不同植被类型中，阔叶林的碳储量和碳密度均大于针叶林，其中，栎类、杨树及阔叶混交林是阔叶林碳储量的主要贡献者，而在针叶林中，落叶松、油松占主导地位。在不同龄级的乔木林中，幼、中龄林碳储量所占比重大。在现阶段（2010年），辽宁省乔木林碳储量分别为121.49 Tg，碳密度为31.12 Mg·hm-2。幼龄林和中龄林的面积占总面积的73.38%，碳储量占总碳储量的60.12%，其碳密度仅为19.52和36.18 Mg·hm-2，远低于成熟林的碳密度(54.32 Mg·hm-2)。可知现阶段辽宁省森林具有幼龄林和中龄林面积大、林龄小和平均碳密度低的特点，因此随着幼龄林和中龄林的碳密度和碳储量的不断增长，未来辽宁省森林植被的碳汇功能将进一步增强。

碳储量；森林植被；碳分配；碳密度；辽宁省

森林是陆地生态系统的重要组成部分，也是陆地生态系统中最大的碳储库（Dixon等，1994；Scurlock等，1999）。森林碳库在调节全球碳平衡、减缓大气中CO2等温室气体浓度上升以及维护全球气候平衡等方面具有重要作用（Houghton，2007；刘国华等，2007；Fang等，1998）。森林碳储量是研究森林生态系统与大气间碳交换的基本参数，也是估算森林生态系统从大气吸收或向大气排放含碳气体的关键因子（Dixon等，1994）。

目前，我们学者利用全国历次森林资源清查统计资料和野外调查资料，运用不同方法和手段，研究了我国森林生态系统以及各省份森林植被的碳储量和碳密度，及其动态变化（刘国华等，2007；方精云等，1996；焦秀梅等，2005；焦燕等，2005；曹军等，2002）。辽宁省森林是我国森林碳库的重要组成，根据第八次森林资源清查结果，辽宁省森林面积为557.31万公顷，森林覆盖率为38.24%，处于全国中上等水平。准确评估辽宁省森林植被碳储量的变化，对揭示辽宁省森林在全国森林碳循环中的作用以及和制定应对气候变化的森林管理政策有重要意义。因此，本研究以辽宁省森林为研究对象，将森林按其用途和形态特征，分为乔木林、疏林和灌木林、经济林3大类别，利用辽宁省第四次至第八次森林资源调查资料，对森林植被碳储量进行估算，分析近 20年来辽宁省森林植被碳储量和碳密度的动态变化，以及不同植被类型、不同龄级的乔木林碳储量的大小及其变化，并探讨乔木林不同龄级与碳密度的关系。以期为评估辽宁省森林生态系统碳收支，评测辽宁省森林植被碳在区域碳循环中的作用和功能提供有价值的参考数据，同时为我国植被碳库和碳平衡的研究提供一定的基础数据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究地区概况

辽宁省位于我国东北地区南部，北纬38°43′～43°26′，东经 118°53′～125°46′，陆地面积14.59×104km2，占中国陆地面积的1.5%。地势由东西两侧向中部倾斜，山地丘陵大致分列于东西两侧，约占全省总面积的 2/3，中部为辽河平原，约占全省面积的 1/3。全省属温带大陆性季风气候，夏季较炎热，冬季寒冷，春秋多风。年均气温5～11 ℃，年降水量400～1150 mm，降水量由东向西递减。土壤主要跨两个地带性土壤分布区，分别为东部的棕壤区和西部的褐土区（王文权，2007）。辽宁省植被主要有长白、蒙古和华北3个植物区系。在辽东中低山地区，海拔600 m以下为低平河岸杨柳林区，海拔600～900 m段为落叶阔叶林带，其阳坡为蒙古栎林，阴坡为杂木林。沟谷地带为水曲柳（Fraxinus mandschurica Rupr.）、核桃楸（Juglans mandshurica Maxim）等，海拔900～1200 m为针阔混交林，阳坡林木常以桦木属为优势，针叶树有鱼鳞松（Picea jezoen, s-sCalx.）、臭松（Abies nephrolepis）及少量红松（Pinus koraiensis Sieb. et Zucc.）、紫杉（Taxus chinensis (Pilger) Rehd.）等。阴坡针叶树比重大，以鱼鳞松、臭松为优势，海拔1200 m以上出现山顶草地灌丛。在辽西低山丘陵地区，油松（Pinus tabulaeformis Carr.）、栎类、元宝槭（Acer truncatum Bunge）是主要建群种，地带性植被为落叶阔叶林，其代表种有白桦（Betula platyphylla Suk.）、辽东栎（Quercus liaotungensis）、蒙古栎（Quercusmongolica）、槲栎（Quercus aliena Bl.）、糠椴（Tilia mandschurica Rupr.er Maxim.）、小叶白蜡（Fraxinus sogdiana Bunge）等。

1.2 研究方法

1.2.1 森林植被生物量计算

（1）乔木林生物量的计算

目前推算区域尺度的森林生物量方法有3类：平均生物量法、平均换算因子法和换算因子连续函数法（方精云等，2002）。其中，换算因子连续函数法是一种适用于我国且能很好地利用我国森林资源清查资料，更准确地估算生物量的方法。本研究采用方精云等（1996）建立的回归方程对森林生物量进行估计，其回归方程为：

式中，Bt为乔木林生物量（Mg），V为森林蓄积量（m3），a和b为参数。各优势树种的计算参数见表1（方精云等，1996）。

（2）疏林、灌木林生物量的计算

疏林、灌木林生物量的估算依据公式：

式中，Bw为疏林、灌木林总生物量（Mg），ρw单位面积疏林、灌木林生物量（Mg·hm-2），Sw为疏林、灌木林面积（hm2）。灌木林的生物量利用我国秦岭淮河以北的东部地区灌木林平均生物量值13.14 Mg·hm-2（方精云等，1996）。

表1 各优势树种生物量与蓄积量回归方程参数Table 1 The parameters of regression equation between and volume with different species biomass

（3）经济林生物量的计算。

由于森林资源清查数据仅提供了经济林的面积数据，因此，通常采用公式：

式中：Be为经济林总生物量（Mg），ρe单位面积疏林、灌木林生物量（Mg·hm-2），Se为经济林面积（hm2）。单位面积经济林平均生物量采用我国经济林的平均生物量23.7 Mg·hm-2（方精云等，1996）。

1.2.2 森林碳储量和碳密度计算

根据全国森林资源清查资料，利用式（1）计算生物量，进而对森林碳储量进行计算。

碳储量：C=BCC （2）

式中，C为碳储量（Mg），CC为含碳率。

碳密度：Cd=C/S （3）

式中，Cd为碳密度（Mg·hm-2），C为碳储量（Mg），S为森林面积（hm2）。

通常植物生物量转化为碳量是按照植物干有机物中碳所占的比重。不同植被树种组成、林龄和种群结构不同，含碳率也不同，国际上常用的含碳率为0.45（Olson等，1983）和0.5（Levine等，1995）。马钦彦等（2002）的研究结果表明，我国乔木树种平均含碳率值均大于0.45，所以用0.5作为含碳率要优于0.45。因此，在用生物量计算碳储量时采用含碳率 0.5。本文中森林的碳储量仅指林木的活生物量，并未包括森林生态系统中的枯死木、下木层、草本层、枯枝落叶层以及森林土壤层等的碳库。

2 结果与分析

2.1 森林植被碳储量变化

在近 20年内，辽宁省森林植被面积和碳储量均呈增加趋势（表 2），森林面积增加了 17.05×105hm2，年均增长率为 1.70%；森林总碳储量由第四次清查时的87.10 Tg增加到第8次清查时的141.80 Tg，森林植被碳储量净增加54.70 Tg，年均增长率为2.47%，平均每年增加量为2.74 Tg，由于受森林资源生长与资源消耗的交互影响，辽宁省森林植被碳汇能力在各个时期表现不均匀，1990─1995、1995─2000、2000─2005、2005─2010年的平均年增加量分别是2.74、1.45、2.80、3.95 Tg·a-1。可见，2005─2010年的碳汇作用最强，1995─2000年的碳汇作用最弱，但从2000年以后碳汇作用逐渐增强。

表2 辽宁省森林植被碳储量变化Table 2 The carbon storage changes of forest vegetation in Liaoning

在 20年间，辽宁省乔木林面积占森林总面积的63.73%～66.20%，乔木林碳储量占森林总碳储量的 81.04%～85.68%，其碳储量从 70.59 Tg增加到121.49 Tg，增长率为72.11%，平均年增长2.55 Tg，且呈不断增加的趋势。经济林面积在1990年至2000年呈不断增长的趋势，而在2000年到2005年间面积减少，且幅度较大，这主要是因为经济林受人为因素较大，但随着辽宁省千万亩经济林工程建设的实施，在2005年到2010年间，呈现增长。经济林碳储量在20年间占总碳储量的1.55%～3.66%。从1990年到2010年间，疏林、灌木林的面积占森林总面积的 4.99%～13.25%，碳储量占总碳储量的1.55%～3.66%，总体上呈现增长的趋势。

2.2 针叶林和阔叶林植被碳储量变化

表 3列出了辽宁省针叶林和阔叶林在 1990─2010年间生物量碳储量及其变化。阔叶林包括杨树、栎树、硬阔等优势树种，针叶林包括落叶松、油松、红松等优势树种和针阔混林。在 20年里，辽宁省针叶林面积小于阔叶林面积，且针叶林面积净增加量（3.50×105hm2）远小于阔叶林（8.34×105hm2）。辽宁省乔木林碳储量主要集中在阔叶林中，其碳储量从51.02 Tg增加到84.79 Tg，占乔木林总碳储量的比例从67.89%增加到72.28%。在过去的20年里，针叶林碳储量年平均增加0.84 Tg，阔叶林碳储量年平均增加1.69 Tg。乔木林碳密度不断增加，碳密度从26.02 Mg·hm-2增加到31.18 Mg·hm-2，阔叶林碳密度高于针叶林碳密度，但针叶林碳密度的增加率（31.58%）高于阔叶林（15.30%）。

表3 针叶林和阔叶林森林面积、森林植被碳储量和碳密度动态变化Table 3 Forest carbon storage and forest area of coniferous and broad-leaved forests

2.3 不同林分类型碳储量、碳密度及其动态变化

由表4可以看出，在20年间，除针叶混、阔叶混、其他松类和桦木外，其他林分面积均有不同比例的增加，其中樟子松林面积的增长幅度最大，达250%，最小为硬阔林，为14.81%。各类乔木林面积占历次清查森林总面积的比例均有相应的变化，但落叶松、油松、栎类、杨树及阔叶混交林的面积始终占绝对优势，它们面积之和占同期总乔木林面积的比例依次为：74.02%（1990年）、77.59%（1995年）、76.26%（2000年）、79.15%（2005年）、80.66%（2010年）。在第八次清查中，它们分别占总面积的10.48%、12.33%、21.11%、9.99%、26.76%。

在各调查期内，落叶松、油松、栎类、杨树及阔叶混交林的碳储量较高，其碳储量之和占总碳储量的比例依次为：76.53%（1990年）、80.27%（1995年）、78.72%（2000年）、80.77%（2005年）、84.41%（2010年），是辽宁省森林碳储量的主要贡献者。在第八次森林资源清查中，它们的碳储量分别占总碳储量的13.96%、7.73%、24.97%、8.95%、28.81%。

表4 不同时期不同林分类型碳储量及其碳密度Table 4 Carbon storage and carbon density of main forest stands in different period

在不同调查期，各林分类型植被碳密度变化较大。在 20年间，除樟子松和其他硬阔类林外，其他类型乔木林植被碳密度总体上均变现为增加。乔木林碳密度直接受其面积和蓄积量的影响，乔木林碳密度的变化与林龄呈正相关，林龄越大，碳密度越高，这是辽宁省大多数林分类型的植被碳密度呈增加趋势的主要原因；但随着辽宁省不断进行造林绿化和“青山工程”的实施，乔木林中幼龄林所占的比重增加，樟子松和其他硬阔类林面积增长增幅较大，且樟子松的增幅最大，因此它们的碳密度在短时间内呈现减少的趋势。

2.4 不同龄级森林的面积、碳储量及碳密度动态变化

从林龄方面来看，5次清查期间，除中龄林面积有减少的趋势外，其他各林龄森林面积均呈不断增加趋势（表5）。森林植被碳储量与其林龄密切相关，而且森林的碳动态在很大程度上取决于其龄级的变化。不同龄级乔木林的碳储量大小依次为：中龄林>幼龄林>近熟林>成熟林>过熟林。碳储量主要集中在中龄林和幼龄林中，其总面积占全省林分面积的73.38%～91.22%，其碳储量占全省总碳储量的60.12%～83.17%。近、成及过熟林在区域内的分布面 积 占 8.78%～26.62%， 其 碳 储 量 却 占16.83%～39.88%。由此可知，辽宁省将是一个潜在的巨大碳库，这主要是因为随着中龄林和幼龄林的不断发育成熟，其碳密度不断增加，使其碳汇功能也逐渐加强。

表5 不同时期各林龄面积、碳储量和碳密度Table 5 Areas, carbon storages and density of each age classes of forest in different periods

3 讨论与结论

3.1 辽宁省森林植碳储量在全国碳储量中的贡献

辽宁省森林植被碳储量由第四次清查时的87.10 Tg增加到第八次清查时的141.80 Tg。在20年间，辽宁省植被碳储量增加了54.70 Tg，平均每年以2.74 Tg的速率增加。在第四次至第七次清查中，辽宁省各期森林植被碳储量占同期全国森林植被碳储量（郭兆迪等，2013）的比例呈增加趋势，所占比例分别为 1.52%、1.74%、1.72%、1.78%。同一时期，辽宁省森林碳密度与全国相比，分别低于方精云（2007）、郭兆迪（2013）等人研究的全国森林的碳密度，分别是 41.0、41.3 Mg·hm-2；而与同处东北地区的黑龙江省（焦燕等，2005）、吉林省（王新闯等，2011）相比，小于黑龙江省（33.44 Mg·hm-2）和吉林省（54.35 Mg·hm-2）同期的森林碳密度。但各时期辽宁省森林植被的碳密度呈不断增加的趋势（分别为26.02、26.47、27.71、28.62、31.18 Mg·hm-2）。这说明辽宁省森林植被碳汇作用不断增强，在全国森林碳储量和提高全国森林碳汇功能方面的贡献逐渐增加。

3.2 森林类型、林龄对森林植被碳密度的影响

辽宁省碳储量主要集中在阔叶林中，因此，阔叶林碳储量的动态变化将极大地影响整个森林的碳汇功能。各林分类型碳储量的变化与相应面积变化呈正相关关系，即面积增加其碳储量也增加，其中落叶松、油松、栎类、杨树及阔叶混交林是辽宁省森林碳储量的主要贡献者。

在第四次清查期间，幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林碳密度分别为13.14、40.02、49.92、50.61、42.65 Mg·hm-2，到第八次清查期，碳密度依次增加到19.52、36.18、41.53、54.32、46.08 Mg·hm-2，表现出随林龄增长碳密度也呈增长的趋势。幼龄林的生物量很小，碳积累速率和碳储量都很低；成熟林和过熟林的碳积累量大，碳储量多，但碳吸收速率逐渐减退；中龄林和近熟林碳吸收率较大，碳储量处于快速上升阶段，这说明如果幼龄林和中龄林继续生长，将会具有很大的碳汇潜力。在辽宁省森林中，幼龄林和中龄林面积和碳储量所占的比重较大，这样的林龄结构必然使森林碳密度偏低。但随着林龄结构的改善，近熟林、成熟林比重的不断增大，在历次调查期它们碳储量和所占比例分别是：15.98%、23.31%、29.47%、33.41%、36.64%，呈现不断增长的趋势，因此辽宁省森林将是一个潜在的巨大碳库。

3.3 误差估计

森林生态系统中植被碳储量的估计，常通过测定森林植被的生物量再乘以碳含量推算而得。但由于不同的研究者所选的森林类型、研究尺度以及生物量测定方法的不同，碳储量的估算结果有很大差异。我们将本文的研究结果与王雪军等（2011）、甄伟等（2014）、董方晓（2010）的估算结果进行了比较（表6）。从比较结果看，董方晓（2010）的估算也是采用森林植被生物量换算因子连续法，所估算的碳储量和碳密度比本文的研究结果偏低，可能是因为其研究只采用落叶松、油松、杨树、红松和樟子松等优势种推算森林碳储量，使结果偏低。王雪军等（2014）和甄伟等（2014）估算是采用基础地理信息数据建立模型进行估算，其碳储量估算相对本文研究偏高。这主要是由于存在采用的地理信息数据精度不够高，和森林植被生物量与植被指数、气象数据和地形数据之间的相关关系不够明等原因，致使对辽宁省植被碳储量估算的结果偏高。而王雪军等（2011）采用样地测算的碳储量结果于本文研究结果比较一致。甄伟等（2014）研究的森林植被碳密度小于本文研究，主要是因为估算碳储量时只对林分生物量进行计算，而计算碳密度时，使用的森林总面积，包含了经济林和疏林、灌木林面积。通过上面的初步分析说明，对森林植被碳储量进行估算时，应充分考虑林龄、立地条件、林分密度、林分状况等因素，以减少生物量测定误差以及利用换算因子连续函数法估算区域碳库所带来的误差。本文对于森林碳储量的估算分析仅包括乔木林、经济林和疏林、灌木林的碳储量，未包括林下草本层、凋落物层及林木根系等碳储量的计算，影响了碳储量估算的精度，因此要加强对各种森林群落及不同林层生物量的监测，以提高森林碳储量计算的精度。

表6 辽宁森林植被碳储量—不同估算结果的比较Table 6 Estimates of mean carbon density and carbon stock in Liaoning’s forests

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Carbon Storage and Its Dynamics of Forest Vegetations in Liaoning Province

LIU Yan1, SUN Xiangyang1, FAN Jungang2, ZHANG Junda1
1. College of Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 10083, China; 2. Liaoning Academy of Forestry Science, Shenyang 110032, China

Forest is the first major form of terrestrial ecosystem and plays an important role in global carbon cycle. Based on the national forest inventory data from 1990 to 2010, the carbon storage and density of forest vegetation were estimated and their dynamic changes during this period were analyzed in Liaoning province using the variable biomass expansion factor (BEF) method. The results showed that the forest area of Liaoning province increased 17.05×105hm2and an average annual growth rate was 1.70% from 1990 to 2010. The total carbon storage of forest vegetation on Liaoning province in the five periods (1989─1993, 1994─1998, 1999─2003, 2004─2008 and 2009─2013) was 87.10, 100.78, 108.04, 122.06 and 141.80 Tg, respectively, and the average annual growth rate was 2.47%. This indicated that forest ecosystem in Liaoning province played a carbon sink role in that period. During the study period, trees, open forest and shrubwood, and economic forests carbon storage increased 50.90、2.97 and 0.83 Tg, respectively, and their average annual increases of carbon storage were 2.55、0.15 and 0.04 Tg·a-1, respectively. The carbon storage and density of broad-leaved forests were higher than those of conifer forests. The dominant species such as Quercus, Populus spp and mixed broad-leaf forest are the main contributors to carbon storage in broad-leaved forests; Larix and Pinu stabulaeformis have played a dominant role in conifer forests. The young- and middle-aged forests accounted for a large proportion of total carbon in Liaoning province. In 2010, the carbon storage and density of trees were 121.49 Tg and 31.12 Mg·hm-2, respectively. The young- and middle-aged forests accounts of 73.38% of the total trees area, and 60.12% of the total carbon storage. The average carbon density of young- and middle-aged forests were 19.52 and 36.18 Mg·hm-2, respectively, and were smaller than mature forests (54.32 Mg·hm-2). Since the young- and middle-aged forests area is large and their carbon density is low, the carbon storage and carbon density would increase in the future. Therefore, Liaoning province forests would have a huge potential for carbon sink.

carbon storage; forest vegetation; carbon allocation; carbon density

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.02.005

Q948

A

1674-5906（2015）02-0211-06

刘艳，孙向阳，范俊岗，张骏达. 辽宁省森林植被碳储量及其动态变化[J]. 生态环境学报, 2015, 24(2): 211-216. LIU Yan, SUN Xiangyang, FAN Jungang, ZHANG Junda. Carbon Storage and Its Dynamics of Forest Vegetations in Liaoning Province [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(2): 211-216.

科技基础性工作专项（2014FY120700）；辽宁省林业科学研究院科技合作项目（2014HXFWLXY023）

刘艳（1988年生），女，博士生，研究方向为森林土壤生态。E-mail: nyly1988@163.com *通信作者：孙向阳（1965年生），男，教授，博士生导师，E-mail: sunxy@bjfu.edu.cn

2014-11-15