毛竹林固碳增汇价值的动态变化: 以福建省为例*

武金翠 周 军 张 宇 余晓燕 石 雷,4 漆良华

(1.苏州农业职业技术学院园林工程学院 苏州 215008；2.国家林业和草原局竹藤科学与技术重点实验室 国际竹藤中心 北京 100102；3.北京水务咨询公司 北京 100048；4.滇南竹林生态系统国家定位观测研究站 沧源 677400)

森林覆盖地球陆地表面的30.6%，储存着约2 960亿t碳，人类释放到大气中的碳，约1/3被森林吸收，森林在固碳增汇、稳定大气CO2浓度方面发挥着极其重要的作用。不少学者对森林的固碳增汇服务价值进行了探讨(Akujarvietal., 2016; Kuittinenetal., 2016; 师贺雄等, 2016; 王慧等, 2017; Osborneetal., 2018)；然而，关于区域尺度上森林生态系统固碳增汇价值估算及其动态变化研究尚不多见。

作为一种特殊的森林资源，竹林具有重要的经济、生态和社会价值。竹子是世界公认的生长最快的植物之一，在生长季毛竹(Phyllostachysedulis)每天的高生长最多可达1 m(Lieseetal., 2015)。快速的增长速率，暗含着较高的固碳速率，研究表明，毛竹年固碳量为5.09 t·hm-2，是杉木林(Cunninghamialanceolata)的1.46倍，是热带雨林的1.33倍(Yenetal., 2011)。在全国林分优势种中，毛竹林的碳储量紧随栎树(Quercusspp.)、落叶松(Larixspp.)、落叶阔叶混交林、云杉(Piceaspp.)、冷杉(Abiesspp.)和桦树(Betulaspp.)，位列第7位(Wangetal., 2013)，被认为是降低大气CO2浓度、减缓气候变化最适宜的造林候选树种之一。

当前，很多国家的森林面积不断减小，而中国竹林面积正以每年3%的速率增加，这意味着中国竹林很可能是一个不断增加的碳汇。武夷山山脉对北方冷空气南下和东南海洋性暖流北上的阻隔，使得闽西北成为中国毛竹最适宜生长区；根据第八次全中国森林资源清查结果(国家林业局, 2014)，福建省竹林面积107万hm2，其中毛竹林100.3万 hm2，竹林和毛竹林面积均居全国首位。然而，目前关于福建省竹林固碳增汇生态服务功能的研究鲜见报道，尤其在生态服务价值核算及其动态变化方面。鉴于此，本研究选择福建省毛竹林为研究对象，核算受人为干扰强度较大的毛竹林生态系统固碳增汇价值并探讨其动态变化，以期掌握毛竹林生态系统碳汇价值、科学评价竹林生态系统服务功能，为碳计量和碳贸易提供理论与技术支撑。

1 研究区概况

福建省位于中国东南沿海(115°50′—120°40′E,23°33′—28°20′N)，山地、丘陵占全省总面积的80%以上，素有“八山一水一分田”之称，地势西北高东南低。属亚热带季风气候区，年均气温19 ℃，从内陆到沿海气温逐渐增加，沿海全年气温>10 ℃；年均降雨量1 700 mm，从沿海到内陆逐渐减少。土壤多以黄壤或红壤为主。地带性植被为常绿阔叶林，阔叶树以壳斗科(Fagaceae)和樟科(Lauraceae)植物物种为主要建群种。全省森林覆盖率居全国之首，森林固碳量超过全省工业排放量的一半以上。现有竹类19属近200种，主要分布在闽西北(即武夷山北段南坡)。福建省竹林多以毛竹纯林为主，少与常绿阔叶树混交或为林下优势灌木层，毛竹林面积约占全省竹林面积的85%。

2 研究方法

2.1 毛竹林地上活立竹生物量异速生长关系的建立和基于叶面积的生物量密度栅格数据的生成 利用福建省境内设置的209块毛竹林样地(10 m×10 m)，结合每竹检尺、毛竹活立竹不同器官的生物量实测数据，建立立竹水平毛竹地上部分生物量(W, kg)与胸径(D, cm)之间的异速生长关系模型(W=0.71D1.48,R2=0.59,n=103,P<0.01)；结合鱼眼摄像机(HemiView，英国Delta-T公司)获取的毛竹林林分叶面积，建立林分水平毛竹林叶面积(LAI)与地上部分生物量密度(BD, t·hm-2)的估算模型(BD=2.83LAI1.73,R2=0.53,n=57,P<0.01)；基于毛竹林生物量空间变异函数的块金、基台和变程等参数的地统计分析结果，将估算的毛竹林生物量数据重采样到250 m。在生物量模型建立时，一部分样本用于建立模型，另一部分用于验证模型。更多关于生物量数据的介绍，参见文献(张宇等，2016)。

2.2 遥感数据的处理、反演模型的构建及林分活立竹地上生物量的估算 反演不同时期毛竹林生物量的遥感数据为MODIS增强型植被指数(EVI)数据，时间分辨率16天，空间分辨率250 m(Didanetal., 2015)。时间跨度为2001—2014年。

鉴于毛竹林具有大小年的生长周期特点，再加上单年极端气候对植被指数的影响(Tuckeretal., 1985)，本研究设定2年为一期，即2001—2002年为第1期，2003—2004年为第2期，其他依此类推，14年(2001—2014提)共分为7个时期。

借助ArcGIS软件生成每个时期的最大值、最小值和平均值3个EVI栅格数据层，并分别与基于叶面积生成的地上部分生物量栅格数据进行拟合，建立地上部分生物量密度反演模型，再利用该模型反演7个时期福建省的毛竹林地上部分生物量。

2.3 土壤碳储量、择伐竹和已收获竹笋生物量的估算 毛竹林择伐遵循“存三去四不留七”原则，每次伐除毛竹的生物量可近似认为现存生物量的1/3(郭起荣等, 2005)。对福建省各区择伐量调查发现，福建省每2年1次的毛竹择伐量确实近似于现存地上生物量的1/3，因此，每年择伐竹的生物量采用林分地上部分生物量的1/6近似估算。

为估算毛竹林每年收获竹笋的生物量(t·hm-2)，在设立的生物量测定样地中选取竹农产权明确的样地，通过连续的挖笋记录结合发放的竹笋产量调查问卷，估算不同时期收获竹笋的生物量。

研究期内竹林土壤碳储量的变化，利用实测获得的0～60 cm土层土壤碳储量密度(SOCD, t ·hm-2)与其对应的MODIS EVI数据，首先建立土壤碳储量密度估算模型(SOCD=a×EVI-b)(a和b为模型参数)，然后按照式(2)计算不同时期土壤碳储量(SOC, t)的变化量：

SOCnet=(SOCt-SOC0)/t=a×(EVIt-EVI0)/t×A。

(1)

式中：SOCnet为福建省竹林土壤碳储量年变化量(t ·a-1)，SOCt和SOC0及EVIt和EVI0分别为研究期末、期始的土壤有机碳储量(t)和增强植被指数；A为竹林面积(hm2)。

2.4 毛竹林固碳增汇量的估算 毛竹林固碳增汇量采用差值法(即研究期末与期始二者碳储量的差值)进行估算。鉴于竹林生长和经营特点，毛竹林固碳增汇量包括4部分：活立竹、土壤、采伐竹和已收获竹笋，其计算公式为:

CS=[(Bt-B0+BC+BS)×E+(SOCt-SOC0)]/t。

(2)

式中：CS为毛竹林生态系统每年固碳增汇量(t ·hm-2a-1)；B0和Bt分别为每期期始、期末毛竹林地上部分生物量(t·hm-2)；BC为每期择伐竹生物量(t·hm-2)；BS为研究期已收获竹笋的生物量(t·hm-2)；E为毛竹碳含量，本研究取0.5(Shietal., 2011；2017)；SOCt和SOC0分别为每期期末、期始毛竹林土壤的碳储量(t)；t为研究期(年)。

2.5 固碳增汇价值的量化 关于森林固碳增汇的经济价值核算，目前还存在较大争议(Toman, 1998; 张华, 2013; Blattertetal., 2017)。量化价值主要有损失法(用温室效应造成的可能损失来评价其固碳价值)(Klimasetal., 2016)、造林成本法(通过固碳量折算需造林面积，再通过中国造林成本折算其固碳增汇值)、碳税法(国家针对排放的碳量征收碳税，通过碳税核算生态系统固碳价值，主要应用于西方国家)(Kibriaetal., 2017)等(谢高地等, 2011)。Tol(2005)利用搜集的103个碳价格构建了“概率密度函数”，结果发现，碳价格的中位数为14 $·t-1，平均值为93 $·t-1，并认为CO2的边际损害成本不可能超过50 $·t-1。在量化福建省竹林固碳增汇价值时，本研究取碳价格中位数14 $·t-1，折合人民币约88.62元·t-1。

3 结果与分析

3.1 毛竹林生物量密度反演及林分固碳增汇价值 利用生物量密度栅格数据与MODIS EVI数据拟合毛竹林生物量密度(BD, t·hm-2)反演模型，结果发现，两者呈很好的幂函数关系：

(R2=0.67，P<0.001)。

(3)

式中：EVIm为各时段(各期)的EVI均值。

利用土壤碳储量密度(SOCD, t ·hm-2)与其对应的MODIS EVI数据拟合毛竹林土壤碳储量反演模型，二者具有很好的线性关系：

SOCD=39.36×EVIm-0.61

(R2=0.74，P<0.001)。

(4)

利用建立的反演模型[式(3)和(4)]、生物量碳储量转换系数(0.5)和固碳价值量(88.62元·t-1)核算出每连续两个时期林分地上活立竹、择伐竹、已收获竹笋、土壤和竹林系统的固碳增汇生态服务功能价值，见表 1。福建省毛竹林生态系统每2期的固碳价值为550.63元·hm-2，然而竹林系统及其不同组分的固碳价值具有较大变异性，如土壤固碳价值从研究期始(即一、二期)的-62.16元·hm-2增加到期末(即六、七期)的132.74元·hm-2，固碳价值变幅为195.90元·hm-2。从竹林不同组分固碳增汇的贡献比来看(图1)，研究期内择伐竹固碳增汇价值平均贡献比最大(占73.78%)，其次是地上活立竹(占16.11%)，土壤固碳增汇价值贡献最小，仅占3.65%。

表1 近14年福建省毛竹林每连续2个时期竹林组分及其生态系统的固碳增汇价值

根据第八次全国森林资源清查数据(2009—2013)，福建省毛竹林面积为100.3万hm2，因此全省毛竹林每期(2年)平均固碳增汇价值为5.53亿元。

图1 福建省毛竹林不同组分固碳增汇价值贡献

3.2 固碳增汇价值的时间变化 2001—2014年，福建省毛竹林固碳功能价值在波动中呈上升趋势(图2)。研究期内，毛竹林固碳增汇价值以每期每公顷157.69元的速率增加，相当于每年每公顷平均增加78.85元。从7期的时间序列变化来看，固碳增汇价值表现为缓慢增加—小幅回落—快速增加。

图2 福建省毛竹林每连续2个时期固碳增汇价值的变化

3.3 固碳增汇价值的空间分布 除去已收获竹笋和择伐竹固碳增汇价值(二者缺少空间分布信息)，计算第7期(2013—2014)福建省毛竹林地上活立竹和土壤的固碳增汇价值(RMB·hm-2)与第1期(2001—2002)之差，得出2001—2014年毛竹林固碳增汇价值变化及其空间分布。相比于研究初期(第1期)(表 2)，研究末期面积占比31.26%的毛竹林固碳增汇价值降低，每公顷平均降幅256.76元，最大降幅1 473.08元；面积占比68.74%竹林固碳增汇价值增加，每公顷平均增幅640.80元，最大增幅2 658.95元。

表2 福建省毛竹林末期较初期固碳增汇价值变幅的频度分布

4 讨论

差值法估算竹林碳储量服务功能价值应用最多(王兵等, 2009; 武江民等, 2016; 张锐等, 2016)。该方法公认度较高，误差相对较小。近年来，随着国内生态站建设力度不断加大，通量塔数量不断增加，采用净生态系统碳交换量(NEE)观测法估算碳储量服务功能价值也逐渐增多。该方法通过测量近地表的湍流状况和CO2浓度变化计算碳交换通量，可实现对固碳增汇量的连续直接测定，是计算固碳增汇量较为准确可靠的方法。Li等(2016)基于NEE和净生态系统生产力，分别评价了千烟洲、长白山森林的固碳释氧及净生态系统固碳释氧服务流量过程。与NEE观测法相比，差值法固碳释氧估算方法仅考虑植被的固碳释氧功能，未考虑土壤呼吸，因此固碳释氧服务的评估结果可能会偏大。在小尺度或林分水平上，固碳释氧生态系统服务功能的评价，可通过测定各树种的光合速率来实现(王丽勉等, 2007)。

曹先磊等(2015)研究福建、浙江和江西3个竹产业发达省份不施肥条件下毛竹林的固碳效果，结果显示福建省毛竹林固碳水平高于竹产业最发达的浙江和江西省，暗示着福建省毛竹林固碳增汇潜力较大。本研究结果表明，2001—2014年福建省毛竹林是一个不断增加的碳汇，每年每公顷固碳增汇价值平均增加78.85元(图2)。然而，作为一种特殊的森林类型，竹林择伐周期短，不实施集约经营就会面临退化、成为碳源的风险。根据本研究结果，择伐竹的固碳增汇价值贡献最大(73.78%)，超过地上活立竹、已收获竹笋和土壤的总和(图 1)。因此，为充分发挥竹林固碳增汇效益，择伐在毛竹林经营过程中是不可或缺的经营管理措施。此外，择伐后，竹子很快被加工成竹制品，延缓竹制品衰解或分解的速度，有助于减缓碳重新释放的速率，延缓释放速率也是充分发挥竹林固碳增汇潜力的重要举措。

在研究初期(2001—2002年)，福建省2/3面积的竹林生长在没有公路、交通偏僻的贫困山区，集约经营程度不高，该期竹林固碳增汇价值仅为153.31元·hm2(表1)。2003—2004年(第2期)，福建省着手竹山道路建设，毛竹林由原来的粗放式经营向集约式经营转变，固碳增汇能力不断增强。2008年百年一遇的冰雪灾害，给福建省毛竹林造成了巨大损失，毛竹断梢现象极其严重，因此，三四期和四五期间的固碳增汇潜力不断减弱(图2)。随后，福建省专门出台了“十五”、“十一五”竹产业发展规划，2010年实施了《福建省林地保护利用规划(2010-2020年)》等涉竹政策，促进了竹农经营的积极性，在研究末期，竹林固碳增汇价值每期每公顷超过千元(1 148.52元)，显著提高了毛竹林固碳增汇生态系统服务价值。福建省毛竹林所有权主体多样，集体所有和个人承包毛竹林无序分布，毛竹林固碳增汇价值空间变异程度大。竹林较其他类型森林受人为经营干扰强度较大，固碳增汇价值的空间变异很可能与竹林所有者的经营程度有密切关系。

整个研究期间(2001—2014年)全省毛竹林总固碳增汇价值约38.71亿元，每期(2年为1期)福建省毛竹林增汇价值约5.53亿元，明显低于章朝聪等(2010)关于福建省毛竹林每年固碳增汇价值为89亿元的报道结果。与其他森林类型一样，毛竹林固碳增汇价值的估算也具有较大不确定性。首先，竹笋产量受林分结构、温度和降水影响具有一定区域差异，再加上竹笋产量调查问卷的误差，竹笋碳储量估算会产生不确定性。其次，多数学者认为林木干物质(生物量)含碳率为常数(多采用0.5)(Birdsey, 1992, Shietal., 2011；2017)，本研究以竹林生物量计量碳储量时采用转化系数0.5，生物量碳含率的选择可能会增加估算的不确定性。碳汇价格也是影响不确定性的一个因素，即使使用差异较小的碳汇价格，由于误差传递的作用，也会产生明显的不确定性。尽管遥感在土壤碳储量估算及其动态变化研究中的应用日益增多(Raseletal., 2017; Schillacietal., 2017)，但是本研究通过拟合土壤碳储量反演模型来估算毛竹林土壤碳储量及其变化也可能带来模型误差。此外，在竹林固碳增汇价值评估中，本研究未考虑林下植被和枯落物碳库，随着经营时间增长，林下植被碳库可能也是一个不可忽视的重要碳库。因此，在今后竹林固碳增汇研究中，要建立不同地区和林分结构的竹笋产量、林下植被的固碳增汇潜力数据库，加强遥感在土壤碳储量及其动态变化研究中的应用，以提高固碳增汇价值的计量精度，为科学评价竹林的碳汇功能和竹林碳交易提供方法学参考。

5 结论

2001—2014年间，福建省毛竹林表现为一个不断增加的碳汇，固碳增汇价值每年每公顷增加78.85元，研究期间总固碳价值约38.71亿元。与地上活立竹、已收获竹笋和土壤的固碳增汇潜力相比，择伐竹的固碳增汇价值最大，择伐是充分发挥毛竹林固碳增汇潜力不可或缺的经营管理手段。