湖南省森林植被碳储量、碳密度动态特征

刘兆丹,李 斌,2,方 晰,3,*,项文化,3,田大伦,3,闫文德,3,雷丕锋,3

1 中南林业科技大学生命科学与技术学院, 长沙 410004 2 国家林业局, 北京 100714 3 南方林业生态应用技术国家工程实验室, 长沙 410004

湖南省森林植被碳储量、碳密度动态特征

刘兆丹1,李 斌1,2,方 晰1,3,*,项文化1,3,田大伦1,3,闫文德1,3,雷丕锋1,3

1 中南林业科技大学生命科学与技术学院, 长沙 410004 2 国家林业局, 北京 100714 3 南方林业生态应用技术国家工程实验室, 长沙 410004

利用湖南省4次(1983—1987年、1990—1995年、2003—2004年和2009年)森林资源清查数据,采用材积源-生物量法,结合湖南省现有森林植被主要树种碳含量实测数据,研究近20多年来湖南省森林植被碳储量、碳密度的动态特征。结果表明：从1987年到2009年,湖南省乔木林植被碳汇为66.40×106tC,碳密度提高了5.65 tC/hm2,阔叶林碳汇最大(48.43×106tC),其次是杉木林(9.54×106tC)和松木林(6.68×106tC),各乔木林植被碳密度波动较大；除过熟林外,各龄组乔木林均为碳汇,中龄林碳汇最大,幼龄林、中龄林、近熟林植被碳密度依次提高了4.75、4.09、0.83 tC/hm2,成熟林、过熟林分别下降了6.87、13.88 tC/hm2；天然林、人工林植被碳汇分别为41.01×106tC、25.39×106tC,碳密度分别提高了7.19、4.91 tC/hm2。湖南省森林植被(包括疏林)碳汇为84.87×106tC,乔木林碳汇最大,其次是竹林,分别占湖南省森林植被碳汇的78.24%和33.31%,碳密度提高了6.24 tC/hm2,各森林类型植被碳储量随其面积变化而变化。表明近20多年来,湖南省乔木林植被单位面积储碳能力明显提高,天然林在湖南省乔木林植被碳储量占有重要地位。

湖南省；森林植被；碳储量；碳密度；动态变化

森林植被碳储量占陆地植被碳储量的76%—98%[1],在区域和全球碳循环中起着关键作用[2- 3]。森林植被碳储量动态与森林面积变化、森林演替、年龄组成、人类经营活动以及环境变化等因素密切相关,是衡量森林生态系统可持续发展的重要指标。因此,研究森林植被碳“源”、“汇”变化不仅对估算区域碳收支和制定应对气候变化的森林管理政策有重要意义[4],而且对森林植被恢复与重建以及保护和管理也有现实的指导作用[5]。近20多年来,中国不少学者对森林植被碳储量的估算方法进行了研究,并基于国家尺度或省域尺度对森林植被碳储量、碳密度及其碳汇功能进行了研究,取得了显著的成就,涉及不同地区不同森林类型的碳储量、碳固定及其与森林结构、林龄和生境条件的关系[4- 21]。但中国对森林植被碳储量的研究多为国家尺度森林植被碳储量研究,系统量化研究省域尺度森林植被碳储量的动态仍较少[8,14,17,19- 21]。此外,中国地域幅员辽阔,区域空间差异大,自然环境复杂,森林资源复杂多样,不同学者采用不同估算方法,尽管基于同一清查期的森林资源清查数据,但不同尺度(国家尺度、省域尺度)对同一省区森林植被碳储量的估算结果存在较大差异及不确定性,大多省区在国家尺度下的估算结果明显低于省域尺度,特别是湖南省、山东省、宁夏回族自治区(表1)。因此,为了精确量化中国森林植被碳库储量及其碳汇功能,不仅要建立统一而规范的度量和观测方法,而且需要对各省区森林植被碳储量分别进行详尽估算。

表1 两种尺度下15个省区森林植被碳库储量的估算结果[4,8-19,22-26]

近20多年来,随着天然林资源保护工程、退耕还林(草)工程、长江中上游防护林建设等系列林业生态功程的实施,湖南省森林恢复迅速,森林类型丰富多样,森林覆盖率由2003年的53.67%增加到2011年的57.13%[27],在水源涵养,维系洞庭湖乃至长江流域生态平衡以及区域碳平衡中起着极其重要的作用。此外,其森林碳源汇功能及其时空格局也因经营活动而发生变化。目前,系统量化研究湖南省近20a森林植被碳储量的动态未见报道。本研究利用湖南省4次(1983—1987年、1990—1995年、2003—2004年和2009年)森林资源清查数据,采用材积源-生物量法,结合湖南省现有森林植被主要树种碳含量的实测数据,估算湖南省不同清查期森林植被碳储量、碳密度,并探讨其动态变化趋势,对提高国家尺度的森林碳汇估算精度和当地森林固碳增汇经营管理具有一定的现实科学意义。

1 研究区概况

湖南省地处中国中南部(108°47′—114°15′E,24°38′—30°08′N),位于长江中游,东西宽667 km,南北长774 km,境内地貌复杂,东、南、西三面山岭环峙,丘陵盆地内嵌,向北平原敞开,大体呈“凹”状的地表起伏态势。土地总面积21.18万 km2,约占国土总面积2.21%。属于大陆性中亚热带季风湿润气候,四季分明,春温多变,阴湿多雨,夏热期长,温高湿重,秋季多旱,冬寒期短。地带性土壤主要为红壤、黄壤,武陵源雪峰山东麓一线以东红壤为主,以西黄壤为主。原生植被为亚热带常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林、山顶苔藓矮林,植物区系成分复杂,据2011年统计,湖南省林业用地面积1292.32×104hm2,有林地面积1018.59×104hm2,森林覆盖率达57.13%,居于全国第5位,活立木总蓄积4161.19万m3,活立木总生长量300.43万m3。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究采用的基础数据来源于湖南省森林资源二类清查数据：《湖南省森林资源主要数据汇编(1983—1987年)》、《湖南省森林资源主要数据汇编(1990—1995年)》、《湖南省森林资源主要数据汇编(2003—2004年)》和国家林业局中南森林资源监测中心、湖南省林业厅《第八次全国森林资源清查湖南省森林资源清查成果(2009)》。

2.2 研究方法

2.2.1 森林类型确定

依据“中国森林资源资料的划分”和“湖南省4次森林资源清查主要数据汇编”,森林包括乔木林(不包括乔木经济林)、经济林和竹林三部分。为能准确地反映湖南省森林植被碳储量、碳密度的动态特征,本研究也将灌木林、疏林列入估算范畴,其中乔木林主要有：杉木林、松木林、国外松林、柏木林、阔叶林、杨树林、其它杉类林、桉树林。

2.2.2 各森林类型生物量的计算方法

(1)乔木林生物量的计算方法

目前普遍认为材积源-生物量法是估测森林生物量较好方法。近年来,以建立生物量与蓄积量关系为基础的森林植被碳储量估算方法已得到广泛应用[4,28-29]。由于湖南省松木林以马尾松林为主,国外松林以湿地松林为主,阔叶林以樟、楠、槠、栲、青冈、石栎等常绿阔叶树种为主,其它杉类林以柳杉、落羽杉、水杉为主,因此,本研究利用刘国华等[5]建立的杉木林,马尾松林,樟、楠、槠、栲、青冈林,湿地松林,柏木林,杨树林,柳杉、落羽杉、水杉林,桉树林的生物量与蓄积量之间的关系式(表2)估算湖南省不同清查期乔木林的生物量。

(2)经济林生物量的计算方法

由于森林资源清查数据仅提供了经济林的面积数据,方精云等[29]采用经济林平均生物量法估算经济林生物量。本研究也沿用此方法估算湖南省经济林生物量。湖南省经济林主要包括油茶林、油桐林、杜仲林、厚朴林、果树林、茶叶林等,其中油茶林面积占全省经济林面积的60%以上,因此,本研究根据湖南省油茶林生物量的研究结果[30- 32],取其算术平均值23.52 t/hm2,估算湖南省经济林生物量,计算公式如(1)式：

W经=A经×S经

(1)

式中,W经为经济林总生物量(t),A经为单位面积经济林生物量(t/hm2),S经为经济林面积(hm2)。

表2 各乔木林类型生物量与蓄积量回归方程[5,29]

(3)竹林生物量的计算方法：在森林资源清查数据中,竹林主要有毛竹和杂竹两类,仅有面积和株数。以往研究中,竹林生物量主要是由竹林总株数和平均单株生物量推算[16,29]。本研究也采用此方法,取竹林单株平均生物量22.5 kg/株[29],估算湖南省竹林生物量,计算公式如(2)式：

W竹=(A竹×N竹)/1000

(2)

式中,W竹为竹林生物量(t),A竹为竹林单株平均生物量(kg/株),N竹为竹林株数。

(4)灌木林生物量的计算方法：国内有关灌木林生物量或蓄积量的数据极少[29]。在森林资源资源清查数据中,仅提供了灌木林的面积数据。以往研究中,灌木林生物量主要根据灌木林面积和灌木林单位面积平均生物量进行估算[28]。本研究也沿用此方法估算湖南省灌木林生物量,采用我国秦岭淮河以南地区灌木林单位面积平均生物量19.76 t/hm2[29]估算湖南省灌木林生物量,计算公式如(3)式[16,29]：

W灌=A灌×S灌

(3)

式中,W灌为灌木林生物量(t),A灌为单位面积灌木林生物量(t/hm2),S灌为灌木林面积(hm2)。

2.2.3 森林植被碳贮量、碳密度估算

森林植被碳储量由乔木层、林下灌木层、草本层和死地被物层碳储量组成。本研究中,森林植被碳储量仅指林木的活生物量,未包括林下灌木层、草本层、死地被物层碳储量。森林植被碳储量(tC)为森林生物量(t)乘以其碳含量(gC/g)。森林植被碳密度(tC/hm2)为森林碳储量(tC)除以森林面积(S)。湖南省各森林类型的碳含量算术平均值如表3所示[33]。对于桉树林、其它杉类林、经济林的碳含量分别采用杨树林、杉木林和灌木林的碳含量来估算其碳储量和碳密度。

表3 湖南省现有森林植被的算术平均碳含量

括号内的数据为标准差

3 结果与分析

3.1 湖南省乔木林植被碳储量、碳密度的动态

从表4可以看出,从1983—1987年到2009年,湖南省乔木林面积增加了250.69×104hm2,其植被碳储量净增加了66.40×106tC,年均递增(22a)3.02×106tC/a,年均增长率6.27%。不同清查期乔木林植被碳汇介于2.13×106—4.21×106tC/a之间,最大出现在2003—2004年,从2003—2004年到2009年,从4.21×106tC/a下降为2.23×106tC/a。碳密度增加了5.65 tC/hm2,提高了56.44%,年均增加0.26 tC hm-2a-1。表明近22a来,湖南省乔木林植被碳汇功能逐渐提高过程中呈现一定的波动,单位面积的储碳能力也明显提高。

3.1.1 不同乔木林类型植被碳储量、碳密度的变化趋势

如表4所示,从1983—1987年到2009年,各乔木林植被碳储量均表现为净增加,阔叶林净增加量最大(48.43×106tC),其次是杉木林(9.54×106tC)和松木林(6.68×106tC),柏木林、国外松林、杨树林、其它杉类林、桉树林净增加量较低,分别为0.10×106tC、0.81×106tC、0.48×106tC、0.34×106tC、0.03×106tC。表明近22a来,湖南省各乔木林植被均表现为碳汇,阔叶林碳汇最大,其次是杉木林、松木林。不同清查期,各乔木林植被碳储量的变化趋势有所不同,从1983—1987年到2003—2004年,各乔木林植被碳储量明显增加,其中杉木林、松木林、阔叶林最明显,分别净增加了18.10×106tC、14.10×106tC、18.95×106tC,从2003—2004年到2009年,除阔叶林、杨树林、三杉林、桉树林外,其它乔木林碳储量呈下降趋势,其中杉木林、松木林减少最明显,分别净减少了8.56×106tC、7.42×106tC,下降了38.66%和33.79%。

表4 湖南省不同时期各乔木林类型植被碳储量、碳密度和面积

从1983—1987年到2009年,杉木林、松木林植被碳密度均呈现出先上升再下降,阔叶林持续提高,柏木林则呈现出下降—增高—下降,国外松林、其它杉类林从1990—1995年到2009年,先增高,再下降,国外松林下降幅度明显,杨树林先下降再增高。表明各乔木林植被单位面积储碳能力变化趋势差异较明显(表4)。

3.1.2 不同龄组乔木林植被碳储量、碳密度的变化趋势

从图1可以看出,4次清查期,中龄林植被碳储量均为最高,且总体上呈上升趋势,占全省同期乔木林植被碳储量的比例(分别为38.24%、39.20%、49.28%和41.31%)也呈上升趋势；幼龄林植被碳储量呈升高—下降—升高趋势,除在2003—2004年低于近熟林、成熟林外,其它调查期仅次于中龄林,占全省同期乔木林植被碳储量的比例分别为27.79%、33.52%、8.65%、28.78%；近熟林植被碳储量的变化趋势与中龄林相似,占全省同期乔木林植被碳储量的比例分别为8.31%、9.47%、21.78%和16.77%；尽管成熟林植被碳储量的变化趋势与中龄林、近熟林相似,但占全省同期乔木林碳储量的比例呈下降趋势,从19.51%下降为11.27%,过熟林植被碳储量逐渐下降,占全省同期乔木林植被碳储量的比例从6.17%下降为1.87%。除过熟林碳储量为净减少外,幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林均表现为净增加,中龄林最高(28.91×106tC),年均增加1.31×106tC,对乔木林植被碳汇贡献为43.55%；其次是幼龄林(19.58×106tC)和近熟林(15.21×106tC),年均增加分别为0.89×106tC和0.69×106tC,对乔木林植被碳汇贡献分别为29.49%和22.91%；成熟林净增加量较低(3.52×106tC),年均增加仅为0.16×106tC,对乔木林植被碳汇贡献仅为5.30%(图1)。表明幼、中龄林植被碳汇功能正在逐步发挥主导作用。究其原因是：(1)各龄组乔木林面积增加是其植被碳储量增加的重要原因之一。中龄林、近熟林、幼龄林、成熟林、过熟林面积分别净增加了117.95×104hm2、60.04×104hm2、50.46×104hm2、21.26×104hm2、0.96×104hm2；(2)乔木林生长也是各龄组植被碳储量增加的另一个重要原因,1983—1987年到2009年,幼龄林、中龄林、近熟林植被碳密度依次提高了4.75、4.09、0.83 tC/hm2,相反,成熟林、过熟林碳密度分别下降了6.87和13.88 tC/hm2,过熟林碳密度甚至低于近成熟林。表明近年来,成熟林、过熟林受到了严重的破坏,林分质量明显下降,导致单位面积的蓄积量大幅度下降,使得乔木林植被碳密度随林龄而增加的规律有些间断。值得注意的是,尽管2009年过熟林植被碳密度明显下降,但仍然高于幼龄林、中龄林。表明未达到成熟的乔木林,碳密度尚未达到最大,即随着乔木林生长还能固定一定的碳(图1)。

图1 不同时期各龄组乔木林植被碳储量、碳密度和面积Fig.1 Carbon storage, carbon density and area of different age-class forests in different period

3.1.3 不同起源乔木林(人工林、天然林)植被碳储量、碳密度的动态变化

从图2可以看出,4次森林清查期,天然林植被碳储量呈持续增加趋势,净增加了41.01×106tC,占湖南省同期乔木林植被碳储量净增加量的61.76%,年均增加1.86×106tC/a。人工林植被碳储量从1987年到2004年保持净增加趋势,到2009年净减少了15.02×106tC,在整个研究期,人工林植被碳储量净增加了25.39×106tC,占湖南省同期乔木林植被碳储量净增加量的38.24%,年均增加1.15×106tC/a。从1983—1987年到2009年,天然林植被碳储量占湖南省同期乔木林植被碳储量的比例(分别为79.12%、70.73%、51.19%和69.06%)呈下降趋势,而人工林(20.88%、29.27%、48.81%和30.94%)总体上呈上升趋势,与两者面积的动态变化基本一致,在4次森林清查期中,天然林面积占湖南省同期乔木林面积的比例(分别为66.99%、61.85%、46.40%和56.87%)呈下降趋势,而人工林面积占湖南省同期乔木林面积的比例(分别为33.01%、38.15%、53.60%和43.13%)总体呈上升趋势(图3)。表明目前天然林在湖南省乔木林碳储量占有重要的地位,人工林碳汇功能正在逐步提高。

图2 不同时期人工林和天然林植被碳储量Fig.2 Carbon storage of artificial forests and natural forests in different period

图3 不同时期人工林和天然林植被碳密度、面积Fig.3 Carbon density and area of artificial forests and natural forests in different period

4次森林清查期,无论是人工林还是天然林,其植被碳储量均主要由幼龄林、中龄林、近熟林所贡献(图2)。人工林、天然林植被碳密度逐渐提高,分别提高了4.91 tC/hm2和7.19 tC/hm2(图3),表明随着林木的生长,湖南省人工林、天然林的碳汇功能将会有很大的提高。此外,人工林植被碳密度仅相当于同期天然林植被碳密度的53.51%和59.01%,表明未来即使不再增加人工林种植面积,随着人工林的生长,仍然可以固定大量的碳,将在湖南省乔木林碳汇功能中扮演重要的角色。

3.2 湖南省经济林、竹林、灌木林、疏林植被碳储量的动态

从图4可以看出,从1987年至2009年,经济林面积持续下降,净减少了74.62×104hm2,植被碳储量净减少了8.5×106tC,年均递减为0.39×106tC,其中,变化最明显的是1990—1995年到2003—2004年,面积净减少73.48×104hm2,碳储量净减少8.36×106tC,年平均净减少0.93×106tC/a；竹林面积持续增长,净增加了20.87×104hm2,植被碳储量净增加了28.27×106tC,年均递增1.29×106tC,植被碳密度增加了31.69 tC/hm2；灌木林面积先增加后减少,总体净增加了21.24×104hm2,植被碳储量净增加了2.03×106tC,年均净增加0.09×106tC；疏林面积持续减少,净减少了50.69×104hm2,植被碳储量净减少了3.33×106tC,碳密度由6.38 tC/hm2下降到5.56 tC/hm2。

图4 不同时期湖南省各森林类型植被碳储量、碳密度和面积Fig.4 Vegetation carbon storage, density and area of different forests in different period

3.3 湖南省森林植被碳储量、碳密度动态

湖南省森林植被(包括疏林)碳储量由1983—1987年的95.66×106tC增加到2009年的180.53×106tC,净增加了84.87×106tC,年均递增3.86×106tC,年均增长率为4.03%。不同清查期,森林植被的碳汇功能不同,最大碳汇出现在2003—2004年请查期(43.97×106tC),最小碳汇出现在2009年清查期(14.38×106tC),与各清查期的乔木林、竹林植被碳汇功能的动态变化趋势基本一致(图4)。

4次森林清查期,乔木林植被分别贮存了湖南省森林植被碳储量的50.32%、53.35%、62.21%和63.45%,净增加66.40×106tC,占湖南省森林植被碳汇的78.24%；竹林、灌木林植被碳储量分别占湖南省森林植被碳储量的10.28%—21.20%和6.21%—15.96%,为湖南省森林植被碳汇分别贡献了33.31%和2.39%；经济林、疏林分别占湖南省森林植被碳储量的8.64%—25.73%和0.25%—4.08%,呈持续下降趋势,各森林植被碳储量均随着其面积的变化而变化。4次森林调查期,乔木林面积最大,占湖南省同期森林面积的比例(分别为52.78%、57.17%、61.55%、67.83%)呈持续上升趋势,竹林面积占湖南省森林面积的比例(分别为6.25%、5.94%、6.43%、7.22%)呈持续上升趋势；灌木林面积先增加后下降,1983—1987年清查期与2009年清查期没有明显的差异；经济林、疏林面积呈持续下降趋势(图4)。相关性分析结果表明,各森林类型植被碳储量与其面积呈极显著的线性正相关(相关系数为0.9472,样品数n=20,P<0.001)。表明乔木林作为森林的主体,在湖南省森林植被碳汇功能中起着主导作用。

湖南省森林植被碳密度呈上升趋势,从1983—1987年的10.50 tC/hm2增加到2009年的16.74 tC/hm2,提高了6.24 tC/hm2,年均增加0.28 tC/hm2。其中竹林增加量最大,增加了31.69 tC/hm2,年均增加1.44 tC/hm2,其次是乔木林,增加了5.65 tC/hm2,疏林在4.46—6.38 tC/hm2之间波动,由于经济林、灌木林碳储量是根据面积进行估算,因此其碳密度在整个研究期不变(图4)。

4 结论与讨论

4.1 湖南省乔木林植被碳储量、碳密度的动态

从1987年到2009年,湖南省乔木林植被碳储量净增加了66.40×106tC,年均递增量(22a)3.02×106tC,年均增长率6.27%,高于四川(2.11%)[8]、广东(3.41%)[12],但低于全国乔木林植被年均递增量(63.3×106tC)[4]。表明20多年来,湖南省乔木林恢复迅速,碳汇作用明显,与中国同期森林植被碳储量的总体变化趋势一致[9],主要得益于20世纪80年代中后期,重视森林保护(如天然林保护工程、退耕还林工程等),采取了人工造林更新、封山育林措施。4次森林资源清查期中,湖南省乔木林植被碳汇在2.13×106—4.21×106tC/a之间变化,表明湖南省乔木林植被碳汇功能提高过程中呈现出一定的波动,可能是由于森林资源生长与资源消耗的交互影响所致。从1987年到2009年,阔叶林植被碳储量最高,其次是杉木林、松木林,表明阔叶林、杉木林、松木林是湖南省乔木林植被碳储量的主体,其碳储量的动态变化将明显影响湖南省乔木林植被碳汇功能,这与阔叶林、杉木林、松木林面积及其林分质量密切相关。阔叶林植被碳储量及其占湖南省同期乔木林植被碳储量的比例(41.34%、37.08%、37.58%、59.66%)呈明显增加趋势,杉木林、松木林从1987年到2004年呈递增态势,但从2004年到2009年分别下降了38.66%和33.79%。根据国家林业局中南森林资源监测中心、湖南省林业厅的《第八次全国森林资源清查湖南省森林资源清查成果(2009)》调查结果可知,主要是由于2008年初遭到了罕见的雨雪冰冻灾害,乔木林采伐消耗量和枯损消耗量均有较大幅度增加,其中雨雪冰冻灾害后清理采伐乔木林采伐消耗量增加3015.85×104m3,占乔木林采伐消耗增量的75.10%,杉木林、马尾松林、针阔混交林等受灾较为严重,导致2009年湖南省活立木总蓄积比前期(2004年)净减了865.75×104m3,由净增加转变为净减少。此外,由于森林经营管理水平较低和雨雪冰冻灾害影响,乔木林生长量有所下降。表明较大的自然灾害和人为经营活动是影响乔木林植被碳储量动态变化的重要因素,随着森林植被恢复,阔叶林植被碳储量的动态变化对湖南省乔木林植被碳储量动态变化的影响日益显著。

从1987年到2009年,湖南省乔木林植被一直处于碳净吸收,碳密度增加了5.65 tC/hm2,提高了56.44%,表明湖南省乔木林林分质量明显提高,可能与湖南省乔木林类型组成及其面积构成比例明显变化有关。1987年,湖南省乔木林主要为4种林分：杉木林、松木林、阔叶林和柏木林,分别占全省同期乔木林面积的36.20%、45.89%、16.71%和1.18%,2009年,湖南省乔木林为8种林分：杉木林、松木林、阔叶林、柏木林、国外松林、杨树林、三杉林、桉树林,分别占全省同期乔木林面积的27.76%、24.30%、42.16%、0.92%、3.24%、0.92%、0.40%和0.31%,阔叶林面积及其占全省乔木林面积比例明显增大(表4)。表明调整乔木林组成、增加阔叶林面积,是提高湖南省乔木林植被碳密度的有效途径。

4次清查期,中龄林植被碳储量最高,其次是幼龄林(除2003—2004年低于近熟林、成熟林外),再次是近成熟林,三者占全省同期乔木林植被碳储量的比例总体上均呈增加趋势,而成熟林、过熟林呈下降趋势。1987—2009年间,幼、中龄林植被碳储量净增加了48.49×106tC,对全省乔木林植被碳汇贡献了73.03%,与各龄组乔木林面积、碳密度变化密切相关。幼龄林、中龄林、近熟林植被碳密度依次提高了4.75、4.09、0.83 tC/hm2,而成熟林、过熟林分别下降了6.87和13.88 tC/hm2。表明近年来,成熟林、过熟林受到了严重的破坏,幼、中龄林碳汇功能正逐步发挥主导作用。

研究表明,乔木林植被碳储量与乔木林年龄组成密切相关,中幼龄林所占面积比例较高是导致中国乔木林现存碳储量较低的主要原因。在不同清查时期,中国成熟林面积仅占同期乔木林面积的19%—33%,但其碳储量占乔木林植被碳储量的40%—60%。而中幼龄林恰好相反[4]。本研究中,4次森林资源清查期,幼、中龄林占湖南省乔木林面积的75.77%—89.61%,可能是导致湖南省乔木林植被碳储量、碳密度较低的主要原因之一。

4.2 人工林经营管理与人工林碳储量

通过植树造林和提高人工林经营管理水平等措施增强陆地生态系统碳汇功能是清洁发展机制中最主要途径之一[8]。Lal将提高人工林经营管理水平,增强人工林土壤碳汇功能称为“双赢策略”和“减缓全球变化的一种可能机制和最有希望的选择”[34]。研究表明,从20世纪70年代后期到2004—2008年,中国乔木林植被碳储量净增加了1710×106tC,年均增加63.3×106tC,约一半来自人工林[4]。《2005年全球森林资源评估报告》指出,2000—2005年期间,世界森林面积在减少,但碳净损失量在下降,与中国大规模的人工造林有关,对减缓全球变化具有积极的贡献[35]。本研究中,从1987—2009年,湖南省人工林面积净增加了156.76×104hm2,占湖南省同期乔木林面积净增量的62.53%,天然林植被碳储量占全省同期乔木林植被碳储量的比例(79.12%、70.73%、51.19%和69.06%)呈下降趋势,而人工林(20.88%、29.27%、48.81%和30.94%)呈增加趋势。但人工林普遍存在树种单一,结构简单,功能脆弱,病虫害频繁发生,是人工林植被碳储量、碳密度较低的一个重要原因。湖南省人工林植被碳储量净增加了25.39×106tC,占湖南省同期乔木林碳储量净增量的38.24%,年均增加1.15×106tC/a,低于天然林(1.86×106tC/a)。2009年,湖南省人工林植被碳密度为11.24 tC/hm2,仅为湖南省同期天然林植被碳密度的59.01%,明显低于中国人工林植被碳密度(26.7 tC/hm2)[4],也低于四川人工林植被碳密度(17.15 tC/hm2)[8]。表明湖南省人工林林分质量较低,可通过提高人工林经营管理水平,提高人工林林分质量,提高湖南省乔木林植被碳汇功能。

4.3 湖南省乔木林植被碳储量在中国乔木林植被碳储量中的贡献

近20多年来,中国森林植被碳汇功能显著增加[4,7,36-37]。本研究中,从1987年到2009年,湖南省乔木林植被碳储量净增加了66.40×106tC,占全国同期乔木林植被碳净增量(1542×106tC)[4]的4.31%,湖南省乔木林植被碳储量占中国同期乔木林生物量碳储量的比例(分别为0.99%,1.21%,1.76%,1.78%)呈上升趋势,乔木林面积所占比例(3.65%,4.48%,5.56%,4.70%)总体也呈上升趋势；湖南省乔木林植被碳储量年均增长率(6.27%)明显高于中国乔木林年均增长率(1.58%)[4],平均碳密度年均增加0.26 tC hm-2a-1,高于全国乔木林(0.21 tC hm-2a-1)(表5)。表明湖南省乔木林植被在中国乔木林植被碳储量和提高中国乔木林碳汇功能中扮演着重要的角色。

研究表明,中国森林生态系统乔木层平均碳密度为38.65—40.12 tC/hm2[21,36],呈现从东南向东北和西增加的趋势,中国森林植物碳密度较高的省区为黑龙江、吉林、西藏和海南,低于53.11 tC/hm2,植物碳密度较小的省区包括广东、广西、湖北、湖南、江西、浙江、江苏、安徽和山东,低于12.4 tC/hm2,森林植物碳密度分布规律与我国人口密度的变化趋势呈显著的对数相关关系,我国实际森林植物碳密度大小首先取决于人类活动干扰的程度[3]。本研究中,各清查期,湖南省乔木林植被平均碳密度为10.01—15.66 tC/hm2之间,显著低于中国同期乔木林平均碳密度,原因在于：①湖南省乔木林主要以幼、中龄林为主,幼、中龄林植被碳密度在15 tC/hm2以下(图1)；②人口密集,人地矛盾尖锐,人类活动干扰程度大,且目前人工林经营水平不高,林分质量较低,直接导致湖南省乔木林植被碳密度低于广西等毗邻省区[13]。

从1987年到2009年,湖南省乔木林植被碳密度提高了5.65 tC/hm2,而全省森林植被碳密度呈上升趋势,提高了6.24 tC/hm2,年均增加了0.28 tC/hm2,原因可能是：①乔木林植被碳密度采用蓄积量转换为生物量碳储量估算,而经济林、灌木林则采用平均生物量法估算,导致乔木林植被碳密度随着林分蓄积量的变化而变化,经济林、灌木林在整个研究期不变；②通常选择较好的立地生产竹林,且近年来对竹林(主要毛竹林)多采用集约经营管理措施,林分质量得到明显提高,竹林植被碳密度提高幅度远远超过乔木林,导致全省森林植被碳密度提高幅度高于乔木林。

此外,经济林、竹林、灌木林植被碳储量估算采用平均生物量法,尽管在方法上是可行的。但平均生物量法往往会因野外样地测量选择生长条件较好的森林,而获得较高的生物量,从而高估了区域森林生物量[38-39]；另一方面森林资源清查数据与样地生物量调查数据的时间不一致,以及样地生物量调查数据不足,也是造成本研究估算结果的不确性。森林植被碳库动态研究是森林固碳速率、潜力及机制分析的重要基础,也是正确评价森林在全球碳平衡、碳循环中作用和地位的重要手段。因此,应加强区域样地基础数据测定,估算方法的研究与评价,以减少估算结果的误差。

表5 全国和湖南省乔木林面积、碳储量和碳密度

*全国数据中尚未统计到中国港澳台的数据

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Dynamic characteristics of forest carbon storage and carbon density in the Hunan Province

LIU Zhaodan1,LI Bin1,2,FANG Xi1,3,*,XIANG Wenhua1,3,TIAN Dalun1,3,YAN Wende1,3,LEI Pifeng1,3

1CollegeofLifescienceandtechnology,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China2StateForestryAdministration,Beijing100714,China3NationalEngineeringLaboratoryforAppliedForestEcologicalTechnologyinSouthernChina,Changsha410004,China

Distribution and dynamics of carbon storage and carbon density were examined in forest vegetation in Hunan Province of China, based on four forest inventories during 1983—2009 (1983—1987, 1990—1995, 2003—2004, and 2009). Inventory data consisted of biomass expansion factors and carbon concentration of existing forest types in this region. The results showed that the arboreal forests were carbon sinks with a value of 66.40 × 106t C from 1987 to 2009. The highest carbon sink was in broad-leaved forests (48.43×106t C), followed by Chinese fir plantations (9.54 × 106t C) and pine forests (6.68 × 106t C). All age-group forests exhibited carbon sinks, except mature forests. The middle-aged forests had the highest value for carbon sinks. Carbon density increased 5.65 t C/hm2in arboreal forests during the four forest inventory periods. Carbon density increased by 4.75, 4.09, and 0.83 t C/hm2in young, middle-aged, and near mature arboreal forests, respectively, whereas it declined by 6.87 and 13.88 t C/hm2in mature and over-mature arboreal forests, respectively. Carbon sinks were 41.01 × 106and 25.39 × 106t C in natural forests and man-made plantations, respectively. Carbon density increased 7.19 and 4.91 t C/hm2in natural and plantation forests. The total carbon sink was 84.87 × 106t C in forest vegetation (including open forests). The arboreal and bamboo forests accounted for 78.24% and 33.31% of total carbon sinks, respectively. Carbon density increased 6.24 t C/hm2in forest vegetation. Carbon storage changed in various types of forest vegetation due to change in forested areas. Our results suggested that carbon sequestration ability is considerably high in the arboreal forest vegetation in the Hunan Province. In particular, the natural forests contribute substantially to carbon storage and sequestration in Hunan forests.

Hunan Province; forest vegetation; carbon storage; carbon density; dynamic characteristics

国家林业局林业软科学研究项目(2014-R11)

2015- 04- 23;

日期:2016- 03- 03

10.5846/stxb201504230837

*通讯作者Corresponding author.E-mail: fangxizhang@sina.com

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