井冈山中亚热带森林植被碳储量及固碳潜力估算

张继平，张林波，刘春兰*，郝海广，乔青，孙莉，王辉，宁杨翠.北京市环境保护科学研究院，北京 00037；.中国环境科学研究院，北京 000



井冈山中亚热带森林植被碳储量及固碳潜力估算

张继平1，张林波2，刘春兰1*，郝海广2，乔青1，孙莉1，王辉1，宁杨翠1
1.北京市环境保护科学研究院，北京 100037；2.中国环境科学研究院，北京 100012

摘要：国内外关于森林碳汇功能的研究集中于热带和温带森林，就中国东部亚热带森林，尤其是中亚热带常绿阔叶林的碳汇功能的研究较为薄弱。该研究选取井冈山国家级自然保护区作为中国中亚热带森林生态系统的典型代表，针对不同森林类型分别设置样地，采用材积源生物量法估算该地区森林生态系统植被碳储量，并以老龄林生态系统碳储量为参考标准，通过计算参考碳储量与基准碳储量之差，估算研究区森林植被的固碳潜力，旨在明确中国中亚热带森林生态系统在全球碳循环中的作用及贡献。研究发现，（1）井冈山自然保护区森林植被总碳储量为1 589 531 t，平均碳密度为7.29 kg·m-2，高于中国及全球中高纬度森林植被平均碳密度。常绿阔叶林植被碳密度最高，为9.25 kg·m-2，其次是针阔叶混交林和常绿落叶阔叶混交林，其植被碳密度分别为8.12和7.83 kg·m-2。（2）各林型老龄林的植被碳密度均高于平均植被碳密度，常绿阔叶林的老龄林植被碳密度最大，达10.53 kg·m-2。（3）研究区森林植被的固碳潜力为182 868 t，常绿阔叶林的植被固碳潜力最大，达74 086 t，其次为常绿落叶阔叶林混交林、暖性针叶林和针阔叶混交林。研究结果表明中国中亚热带森林生态系统具有较高的固碳能力。

关键词：中亚热带；森林植被；碳储量；固碳潜力；井冈山；自然保护区

ZHANG Jiping,ZHANG Linbo,LIU Chunlan,HAO Haiguang,QIAO Qing,SUN Li,WANG Hui,NING Yangcui.Estimation of Carbon Stock and Carbon Sequestration Potential of Mid-subtropical Forest in Jinggang Mountain National Nature Reserve [J].Ecology and Environmental Sciences,2016,25(1):9-14.

森林是陆地生态系统的主体，具有最广泛的分布面积、最高的生物生产力和最大的生物量积累能力，是维持生物圈和地圈动态平衡的重要陆地生态系统，在全球陆地生态系统碳循环中起着举足轻重的作用（Murillo，1997；赵敏等，2004）。森林与大气碳交换量占陆地生态系统与大气碳总交换量的90%以上，森林植被和森林土壤的碳储量占全球每年固碳总量的68%（于贵瑞，2003）。研究森林生态系统确切的碳储量及其固碳能力已成为当前生态学及相关学科的研究热点之一（吴庆标等，2008；Bruckman et al.，2011；Andrew，2015；Wen et al.，2016)。过去的20年，全球范围内进行了一系列区域性碳储量估算和国家级森林预算研究（Elias et al.，2003；Bradford et al.，2010）。中国的森林主要分布于寒温带与热带之间，并且森林类型多样，在全球碳循环中的作用不容忽视。学者们分别采用样地调查、模型反演等方法对中国森林生态系统碳储量进行相关研究（王效科等，2001，唐旭利等，2003；陶波等，2006；魏亚伟等，2014）。总体而言，国内外关于森林植被碳储量的研究基本上集中于热带和温带森林，而对中国东部亚热带森林，尤其是中亚热带森林的相关研究较少（Cao et al.，2003；孙晓敏等，2006），导致该地区对全球碳循环的贡献不明（Yu et al.，2014），并且以往对该地区生物量及碳储量的估算多是基于全国尺度的计算分析，或是通过样地实测进行尺度转换进而实现区域推算，得到的结果比较粗略且存在偏差（方精云等，200l；张茂震等，2008；Huang et al.，2012），其估算精度有待提高（彭舜磊等，2014）。

森林固碳潜力是指森林在当前环境条件和自然干扰的情况下可能达到的碳储量与现实碳储量之差（Roxburgh et al.，2006；Keith et al.，2009）。森林固碳潜力采用的参考标准有老龄林（或成熟林）碳储量（王春梅等，2010；Jennifer et al.，2015）、森林采伐之前碳储量（Hudiburg et al.，2009）、区域平均固碳速率（吴庆标等，2009）等指标。目前国内外已有预测生态系统潜在固碳量或固碳潜力的方法有：连续清查（调查）法（Fang et al.，2001）、空间代替时间法（Shi et al.，2009）、限制因子法（Lieth，1973；Zhou et al.，2002）、情景分析或工程规划法等（Eggers et al.，2008；吕劲文等，2010）。国内关于森林生态系统固碳潜力的相关研究基本上集中于热带、南亚热带和温带森林，地区上多集中在东北林区（王春梅等，2010）和西南林区（宋青海等，2010），而就中国中亚热带森林的相关研究较少（聂昊等，2011）。

中国江西省井冈山地区物种多样性丰富，保存有同纬度最完整的中亚热带天然常绿阔叶林生态系统，在全国乃至全球森林生态系统碳循环研究中，都具有重要的地位和科学价值，其主要森林植被类型的碳储量及固碳潜力都有待深入研究和分析（Huang et al.，2012）。本文以井冈山国家级自然保护区为典型案例，依托3S技术手段，基于地面调查数据，估算典型中亚热带森林生态系统碳储量及固碳潜力，旨在明确该地区森林生态系统固碳能力及其在全球碳循环中的贡献，为区域森林生态系统保护与管理提供支撑。

1　研究区域与方法

1.1研究区概况

井冈山国家级自然保护区位于江西省西南部（114°04'～114°16'E，26°38'～26°40'N），总面积约228 km2（含茨坪镇），属森林生态系统类型自然保护区，是目前世界上同纬度保存最完整的中亚热带天然常绿阔叶林保护区（图1）。区域内地形复杂，山体巍峨，沟壑纵横，地势西南高，东北低。气候温暖湿润，年均温为14～17 ℃，年降水量为1865.5 mm，无霜期为250 d，属亚热带湿润季风气候区。保护区地处中亚热带的典型地带，区域内森林植被以常绿阔叶林为主，主要植被类型有常绿阔叶林、针阔叶混交林、温性针叶林、暖性针叶林、常绿落叶阔叶混交林、竹林、落叶阔叶林、灌木林和山顶矮林等9类。井冈山自然保护区内的土壤具有中亚热带山地森林土壤的一切典型特征，土壤的成土母岩主要有石英岩、石英质砂岩、板岩、花岗岩（张继平等，2014）。

图1　研究区地理位置及样地分布图Fig.1　Location of study area and sample sites

1.2样地选择及样方布设

野外调查工作分别于2011年6─9月和2012 年7─10月在井冈山国家级自然保护区内进行。通过对1∶25000井冈山自然保护区林相图进行数字化，确定研究区各森林类型的空间分布及面积，综合考虑样地的代表性、重复性及实地可达性，同时尽量避开受人为干扰强烈区域，针对常绿阔叶林、针阔叶混交林、温性针叶林、暖性针叶林、常绿落叶阔叶混交林、竹林、落叶阔叶林、灌木林和山顶矮林等9种森林类型，每种森林类型布设5个样地，共布设45个样地（见图1）。每个样地布设3个20 m×20 m的乔木调查样方，共布设135个样方。每个乔木样方内沿对角线布设2个5 m×5 m灌木样方，每个灌木样方内沿对角线布设2个1 m×1 m草本样方。

1.3植被生物量测定及植被碳储量估算

本研究采取材积源生物量法估算保护区森林生态系统植被碳储量，即首先基于野外样方调查数据，估算森林植被生物量，然后乘以碳转化系数，得到植被碳储量。森林植被生物量采用分层统计的方法计算得到，各层生物量计算方法如下：

（1）乔木生物量测定方法：对样方内所有胸径＞5 cm的乔木进行每木检尺，使用胸径尺测树木的胸径，测定每棵树的树高、东西及南北两个方向冠幅及枝下高。参考已有研究结果，筛选出主要树种生物量相对生长方程（石玉麟，1989；林开敏等，1993；胡理乐等，2011），进而计算出样方内所有乔木的单株生物量，加和后得到各样方的乔木总生物量，除以样方面积，得到乔木层单位面积上的生物量。

（2）灌木地上生物量测定，主要根据灌木植株大小和群落特征分别采用相对生长法、平均木法和收获法（刘迎春等，2011）。

（3）草本生物量的测定采用全部收获法，将样方内的全部样品带回实验室，在65 ℃下烘干，称量得干重，得到样方内草本生物量。

植被总碳储量的计算方法：碳储量由生物量乘以含碳系数得到，国际上常用的含碳系数为0.45～0.5，本研究选取0.5作为乔木、灌木及竹林的含碳系数，0.45作为草本植物的含碳系数。

1.4森林植被固碳潜力估算

1.4.1森林植被固碳潜力估算方法

本研究主要关注研究区自然环境变化情境下的固碳潜力，不考虑人类活动的影响。固碳潜力是相对于某个基准水平而言的，选择不同的基准年或基准水平来分析固碳潜力的结果可能是完全不同的，其结果的实际意义、生态学涵义以及经济和技术可行性也具有巨大的差异。因此在固碳潜力分析研究中，必须明确定义基准水平（或参考水平）和潜力水平等问题。在森林生态系统的碳循环研究中，经常将老龄林看作为气候顶级生态系统，并认为其基本处于碳蓄积的饱和状态，因此可假定老龄林的碳储量为气候顶级的碳储量，或称为碳蓄积潜在容量。本研究固碳潜力计算公式为：

公式（1）中，CSP（Carbon Sequestration Potential）为固碳潜力；CSr（Carbon Stock of Referred Ecosystem）为参考碳储量，本研究中CSr即为各森林类型的老龄林的植被碳储量。CS（Carbon Stock）为基准碳储量，本研究中CS即为2012年各森林类型的植被碳储量。

1.4.2老龄林植被碳储量估算

在对井冈山保护区相关文献及图件等资料进行大量调研的基础上，通过部门走访、专家访谈及当地居民咨询，确定每种森林类型老龄林的分布范围及基本情况。在各林型老龄林的分布范围内，选择2～3个典型样地，共布设21个老龄林样地（见图1）。在样地内选取多株标准木，在其胸高处钻取树芯2～3个，将树芯带回实验室，经打磨交叉定年后得到树木年轮数，以树芯的年轮数作为此森林类型的林龄，并将得到的林龄与林业部门的造林年限等数据进行对比，结果表明，所选择的各林型的老龄林样地具有较高的代表性。在每个老龄林样地内布设3个20 m×20 m的乔木调查样方，共布设63个样方。灌木及草本样方的设置及植被碳储量估算过程同前。

2　结果与分析

2.1森林生态系统植被碳密度

井冈山自然保护区森林生态系统植被总碳储量为1589531 t，平均碳密度为7.29 kg·m-2，高于中国及全球中高纬度森林植被平均碳密度。常绿阔叶林植被碳密度最高，为9.25 kg·m-2，其次是针阔叶混交林和常绿落叶阔叶混交林，其植被碳密度分别为8.12和7.83 kg·m-2，灌木林、竹林及落叶阔叶林的植被碳密度较低（表1），不同森林类型间的差异不显著（P＞0.05）。从乔灌草各层来看，研究区9种亚热带森林植被类型的碳密度排序总体表现为乔木层＞灌木层＞草本层，3个林层的平均碳密度分别为6.16、0.80和0.02 kg·m-2。从不同森林植被类型来看，山顶矮林的乔木层碳密度占比最大，达97.99%，其次为常绿阔叶林和针阔叶混交林，分别为97.19%和95.54%；落叶阔叶林和温性针叶林的灌木层碳密度占比较大（灌木林除外），分别为14.37%和9.86%；竹林的草本层碳密度占比最大，达1.49%。

表1　各森林类型植被碳密度Table 1　Vegetation carbon density of each forest type

2.2老龄林植被碳储量

分别对各林型的老龄林植被碳密度及碳储量进行计算，研究结果表明，常绿阔叶林的老龄林植被碳密度最大，达10.53 kg·m-2，其次为常绿落叶阔叶混交林和针阔叶混交林，植被碳密度分别为9.63 和8.58 kg·m-2。竹林、落叶阔叶林和灌木林的老龄林植被碳密度较低。与各林型的平均植被碳密度相比（表2），各林型老龄林的植被碳密度均高于平均植被碳密度。研究区9种老龄林乔、灌、草各层的平均碳密度分别为6.88、0.89、0.09 kg·m-2，均略高于各森林类型的平均植被碳密度，其中草本层的增幅最大，达3.5倍。

forest type　　　　　　　　　　kg·m-2森林类型 　　乔木层 灌木层 草本层　植被层山顶矮林(n=6) 　7.51±2.31 0.28±0.26 0.03±0.004 7.82±3.11常绿阔叶林(n=9) 　9.56±3.18 0.93±0.22 0.04±0.01 10.53±4.35温性针叶林(n=6) 　6.52±3.15 0.68±0.29 0.01±0.003 7.21±3.88落叶阔叶林(n=6) 　3.78±1.21 0.65±0.05 0.1±0.014.53±1.79暖性针叶林(n=9) 　6.14±3.01 0.4±0.19 0.09±0.02 6.63±3.63常绿落叶阔叶混交林(n=6)9.1±4.37 0.48±0.21 0.05±0.02 9.63±4.58针阔叶混交林(n=9) 　8.1±3.97 0.41±0.22 0.07±0.01 8.58±4.21灌木林(n=6) 　- 　4.17±2.02 0.11±0.01 4.28±2.13竹林(n=6) 　4.38±1.97 0.02±0.01 0.31±0.09 4.71±2.02

2.3森林植被固碳潜力

将各林型的老龄林植被碳储量（即参考碳储量，为1772399 t）与2012年各森林类型的碳储量（即基准碳储量，为1589531 t）进行比较发现（表3），研究区森林植被的固碳潜力为182868 t。就各森林类型而言，常绿阔叶林的植被固碳潜力最大，达74086 t，占植被总固碳潜力的40.51%；其次为常绿落叶阔叶林混交林、暖性针叶林和针阔叶混交林，占比分别为15.57%、15.15%和13.22%。山顶矮林植被固碳潜力最小，仅为912 t；落叶阔叶林、灌木林及竹林的固碳潜力相对较小，均低于104t，占比均低于5%。

从乔灌草各层来看，乔木层固碳潜力最大，达121425 t，占植被总固碳潜力的66.40%；灌木层和草本层的固碳潜力占比分别为27.51%和6.09%。就各类型而言，常绿阔叶林的乔木层和灌木层固碳潜力均为最高，占比分别为27.17%和79.37%；针阔叶混交林的草木层固碳潜力最大，占比达28.45%。

表3　各森林类型植被固碳潜力Table 3　Carbon sequestration potential of each forest type　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 t

3　结论与讨论

3.1讨论

森林植被碳密度与演替阶段、年龄组成和人为干扰等因素有关。Myneni et al.（2001）估算出全球中高纬度森林植被平均碳密度为4.3 kg·m-2；Heath et al.（1993）估算全球森林碳储量时，得出中国森林生态系统碳密度为5.8 kg·m-2；汪业勖（1999）估算中国森林的植被碳密度平均4.19 kg·m-2，亚热带常绿阔叶林区域的植被碳密度为2.63 kg·m-2；根据Fang et al.（2001）的估算，中国森林的植被碳储量为4.75 Pg，碳密度为4.49 kg·m-2；周玉荣等（2000）估算出中国森林植被的平均碳密度为5.71 kg·m-2。本文对中国中东部地区的中亚热带森林样带的碳密度调查结果为7.29 kg·m-2，高于中国及全球中高纬度森林植被平均碳密度，这主要与该区域内人为干扰较少有关。研究区自1981年起，就建立了以山地森林混合生态系统及珍稀野生动物资源为主要保护对象的自然保护区，2000年4月批准为国家级自然保护区，由于长期对森林砍伐的严格限制，保护区内的森林多为天然林，林龄较高，其森林覆盖率、郁闭度以及植被生物量水平均高于同纬度的森林，因此该区域内的森林植被碳密度较高。可见，保护区建设可以有效增加区域森林植被碳储量，提高森林生态系统的固碳能力，增强其碳汇功能。同时，通过对研究区内各主要森林类型植被碳密度及固碳潜力的比较分析，可以明确增汇潜力较大的森林类型，进一步优化现有的保护区管理模式，调整森林保护与抚育的具体措施，使得区域内的森林植被能够最大限度地发挥其固碳功能。

由于中亚热带常绿阔叶林在中国分布范围较为广泛，在群落物种组成、群落结构等方面均存在一定的差异，因此，在以后的工作中，应进一步加大野外工作的力度，充分考虑各种可能的影响因素，按照区位、树种、林龄等方面的差异性，设置大量典型样地，不断提高该区域森林生态系统碳储量估算的精度。同时，对于绝大多数森林生态系统类型来说，碳密度随林龄级增长而增加。然而具体到不同的树种，这种规律并不一定都适用。受野外工作条件所限，本研究仅对各林型的老龄林进行了采样和分析。未来研究中，应针对每种林型的各林龄组设置样地，并计算各林龄组的碳储量，按树种分别建立生态系统碳储量-林龄序列，进一步提高森林生态系统固碳潜力估算结果的准确性。

3.2结论

本研究结果表明：井冈山自然保护区森林植被总碳储量为1589531 t，平均碳密度为7.29 kg·m-2。常绿阔叶林植被碳密度最高，为9.25 kg·m-2，其次是针阔叶混交林和常绿落叶阔叶混交林，其植被碳密度分别为8.12和7.83 kg·m-2。研究区森林植被的固碳潜力为182868 t，常绿阔叶林的植被固碳潜力最大，达74086 t，其次为常绿落叶阔叶林混交林、暖性针叶林和针阔叶混交林。研究结果显示中国中亚热带森林生态系统具有较高的固碳能力。

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Estimation of Carbon Stock and Carbon Sequestration Potential of Mid-subtropical Forest in Jinggang Mountain National Nature Reserve

ZHANG Jiping1,ZHANG Linbo2,LIU Chunlan1*,HAO Haiguang2,QIAO Qing1,SUN Li1,WANG Hui1,NING Yangcui1
1.Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection,Beijing 100037,China; 2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China

Abstract:Forest plays the key role in the global terrestrial carbon cycling.Therefore,the estimation of carbon storage capacity of forest ecosystem and its influencing factors at different scales is of great importance for the researches of global carbon balance and carbon budget.So far,related studies have mainly focused on forest carbon sink function analysis of tropical and temperate forests,but less research for the carbon sink function of subtropical forest,especially the subtropical evergreen broad-leaved forest in the eastern part of China.Taken Jinggang Mountain National Nature Reserve as the typical representative of subtropical forest ecosystem,the sample plots were set according to different forest types,the carbon storage of forest vegetation in the study area was estimated using the classic method of volume-derived biomass based on field sampling and investigation data,and the carbon sequestration potential was calculated as the discrepancy between the carbon stock of referred ecosystem (carbon storage of old-growth forest) and the carbon stock (carbon storage of forest ecosystem in 2012).This research can help to define the contribution of subtropical forest ecosystems in the global carbon cycle.The results showed:(1) the vegetation carbon storage of forest ecosystem was 1 589 531 t with the carbon density of 7.29 kg·m-2which was higher than the mean value in China and other countries located at similar latitudes.The evergreen broad-leaved forest vegetation had the maximum carbon density of 9.25 kg·m-2,followed by mixed coniferous broad leaved forest and mixed evergreen and deciduous broad leaved forest,with the carbon density of 8.12 and 7.83 kg·m-2,respectively; (2) the vegetation carbon density of old-growth forest was higher than the average vegetation carbon density for all forest types.The old-growth evergreen broad-leaved forest had the maximum vegetation carbon density of 10.53 kg·m-2; (3) the carbon sequestration potential of forest vegetation was 182 868 t.The evergreen broad-leaved forest vegetation had the maximum carbon sequestration potential of 74 086 t,followed by mixed evergreen and deciduous broad leaved forest,warm temperate coniferous forests and mixed coniferous broad leaved forest.The results suggest that the forest system in the study area has great carbon storage capacity.

Key words:mid-subtropical forest; forest vegetation; carbon stock; carbon sequestration potential; Jinggang Mountain; nature reserve

收稿日期：2015-07-02

*通讯作者：刘春兰，副研究员，研究方向为城市生态。E-mail:liuchunlan@cee.cn

作者简介：张继平（1983年生），女，助理研究员，博士，研究方向为区域生态系统碳循环。E-mail:jipyzhang407@163.com

基金项目：北京市自然科学基金项目（8154046）；国家自然科学基金项目（41501095）；环境保护部公益性行业科研专项（20110930）

中图分类号：Q14; X171.1

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2016）01-0009-06

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.01.002

引用格式：张继平,张林波,刘春兰,郝海广,乔青,孙莉,王辉,宁杨翠.井冈山中亚热带森林植被碳储量及固碳潜力估算[J].生态环境学报,2016,25(1):9-14.