华北地区平原造林工程碳汇能力及碳汇价值研究——以北京市东郊森林公园为例

于海群

（北京市园林绿化规划和资源监测中心（北京市林业碳汇与国际合作事务中心），北京 100029）

森林碳汇指的是森林生态系统吸收大气中的CO2并将其固定在植被或土壤中，从而减少大气中CO2浓度的过程、活动或机制，一般用它来描述森林等吸收并储存CO2的多少或能力。造林是指在很长时间以来没有森林的土地上植树造林，将通过植被的生长和再生来提高森林生态系统的生产力，并把大量的碳固定，且在树木成熟和土壤碳达到平衡之前，固碳一直进行，可持续数十年甚至百年。造林活动是提高森林固碳能力的低成本、有效策略，被《京都议定书》认可为大气CO2减排途径[1]。中国是世界上造林再造林面积最大的国家，新造林地的碳汇功能对全球的碳平衡有重要贡献，在2005—2013年，中国新造林面积4 394×104hm2，在自然生长状况下，到2020年新造林蓄积量将增加16.8×108m3，生物量碳库可达0.76 PgC。新造林生物量碳库在2005—2100年中将增加2.11 PgC[2]，新造林具有较大的碳汇潜力。

北京市实施的百万亩平原造林工程和平原地区重点区域绿化建设工程在提高森林覆盖率、治理大气、改善区域生态环境等方面发挥了重要作用，但城市绿化造林工程碳汇能力和碳汇价值方面的研究尚未开展。东郊森林公园建设项目是北京市平原造林工程的重要组成部分之一，其树种组成、苗木规格、造林密度、植物配置具有北京平原地区城市森林建设的代表性。本研究基于碳汇造林项目碳计量方法学，对北京市东郊森林公园建设项目净碳汇量动态变化进行研究，旨在探讨城市森林碳汇计量方法，为进一步将碳汇指标纳入到园林绿化高质量发展指标评价体系提供依据。

1 研究方法

1.1 研究区域概况及碳层划分

东郊森林公园位于北京市朝阳区金盏乡、顺义区李桥镇和通州区宋庄镇，第一期碳汇计量监测项目计量边界划定为截至2015年年底完成的一期造林工程1 290.76 hm2（表1），根据造林项目方法学要求，结合造林的年份和项目属地，将其划分为6个碳层，具体造林年份、所属行政区域和造林面积如表1所示，项目计入期为20年（2012年1月1日至2031年12月31日）。

表1 项目碳层划分及苗木用量

1.2 净碳汇量计算方法

根据碳汇造林项目方法学（AR-CM-001-V01，以下简称为“方法学”）规定，造林项目活动产生的净碳汇量，等于项目碳汇量扣除基线碳汇量和泄漏量。东郊森林公园造林项目第t年净碳汇量等于林木生物质碳储量年变化量（ΔCTREE_PROJ,t）用公式（1）和（2）进行计算：

式中：44/12为CO2与C的分子量之比；ΔCTREE_PROJ,i,t表示第t年时项目第i层林木生物质碳储量变化量，单位为tCO2-e·a-1；CTREE_PROJ,i,t表示第t年时项目第i层林木生物质碳储量，单位为tCO2-e；CTREE_PROJ,i,j,t表示第t年时项目第i层树种j的林木生物量，单位为td.m；CFTREE_PROJ,j表示项目第i层树种j的林木生物量含碳率，单位为tC(td.m)-1。

项目边界内林木生物量（BTREE_PROJ,i,j,t）的估算，采用公式（3）或公式（4）进行计算：

式中：BTREE_PROJ,i,j,t表示第t年时项目第i层的林木树种j的生物量，单位为td.m；Fj（X1i,j,t,X2i,j,t,X3i,j,t,…）表示将第t年项目第i碳层树种j的测树因子（x1,x2,x3, …）转化为地上生物量的回归方程，测树因子（x1,x2,x3,…）；RTREE_PROJ,i,j表示项目第i层树种j的地下与地上生物量比，无量纲；NTREE,t,i,j表示第t年时第i层第j树种的株数。

式中：BTREE_PROJ,i,j,t表示第t年时，项目第i层的林木树种j的生物量，单位为td.m；VTREE_PROJ,i,j,t表示第t年，基线第i层树种j的林木树干材积，是通过胸径和（或）树高数据查材积表或将数据代入材积方程计算得来，单位为m3；DTREE_PROJ,i,j表示基线第i层树种j的木材基本密度，单位为td.m·m-3；BEFTREE_PROJ,i,j表示基线第i层树种j的生物量扩展因子，用于将树干生物量转化为林木地上生物量，无量纲；RTREE_PROJ,i,j表示项目第i层树种j的地下与地上生物量比，无量纲；NTREE,t,i,j第t年时，表示第i层第j树种的株数。

1.3 树种组划分和生物量方程

本研究通过对东郊森林公园75个树种，进行树种组归类（表2），每个树种组的生物量计算方程来自同类研究文献[3-22]。

表2 树种组划分及代表树种

1.4 碳计量参数

树种组碳计量所需林木生物量含碳率、木材基本密度、生物量扩展因子、地下与地上生物量比参数参照（《中华人民共和国气候变化第二次国家信息通报》），具体见表3。

表3 碳计量参数表

2 研究结果

2.1 各碳层生物量年变化量

从图1和表4可见，2012—2031年东郊森林公园各碳层生物量年增加量总体呈先增加后趋缓趋势。2012—2020年各碳层生物量年增加量处于快速增长期，从2012年的1 248.23吨/年增长到2020年的13 307.61吨/年，年均增长率为120.76%。在2021—2023年，各碳层生物量年增长量基本不变，年均增长率为1.8%，在2023年达到最高值，6个碳层生物量年增加量总和为14 468.07吨/年，这个阶段属于各碳层生物量快速累积阶段。自2027年开始，进入缓慢增长阶段，在2028—2031年，各碳层生物量年增长量下降，年均增长率为-2.2%。具体到6个碳层来看，以第1碳层即2012年通州造林区域和第4碳层即2013年度通州区造林区域贡献最大，这与这两个碳层的用苗量最大有关，从表1可以看出，第1碳层用苗量270 000株，第4碳层用苗量277 308株，这两个碳层用苗量占总用苗量的77.04%。以2023年为例，第1碳层和第4碳层生物量年增长量共10 054.52吨/年，占各碳层生物量年增加量总和的69.49%。

图1 2012—2031年各碳层生物量年变化量

表4 各碳层生物量年变化量单位：吨/年

2.2 各碳层碳储量年变化量

从图2和表5可见，2012—2031年东郊森林公园各碳层碳储量年增加量总体呈先增加后趋缓趋势。2012—2020年各碳层碳储量年增加量处于快速增长期，从2012年的2 268.83吨/年增长到2020年的24 221.26吨/年，年均增长率为120.95%。在2021—2023年，各碳层碳储量年增长量基本不变，年均增长率为1.26%，在2023年达到最高值，6个碳层碳储量年增加量总和为26340.93吨/年，这个阶段属于各碳层碳储量快速累积阶段。自2027年开始，进入缓慢增长阶段，在2028—2031年，各碳层碳储量年增长量逐渐下降。具体到6个碳层来看，以第1碳层即2012年通州造林区域和第4碳层即2013年度通州区造林区域贡献最大，以2023年为例，第1碳层和第4碳层碳储量年增长量共18 297.74吨/年，占当年各碳层碳储量年增加量总和的69.47%。

表5 各碳层碳储量年变化量单位：吨/年

图2 2012—2031年各碳层碳储量年变化量

2.3 项目计入期内净碳汇量及经济价值

由图3和表6可见，2012—2031年的20年计入期内，东郊森林公园造林工程年净碳汇量呈现先增长后降低的趋势，在第2023年达到最高值26 340.93吨/年，其后呈现略微降低趋势。净碳汇量累计呈逐年增加趋势，在项目计入期20年内累计共吸收固定二氧化碳409 635.92吨，合平均每公顷每年吸收固定二氧化碳15.87吨。按照单位碳价格31.74～158.7元/吨计算[23]，东郊森林公园一期碳计量项目的碳汇经济价值为0.13亿～0.65亿元，合每亩每年产生碳汇价值503.7～2 518.569元。

表6 净碳汇量及碳汇价值

图3 2012—2031年各碳层碳汇量及碳汇量累计

2.4 不同树种碳汇量贡献比重结果

由图4和表7可见，毛白杨组、国槐组和松树组的净碳汇量之和占总净碳汇量的84.41%，这3个树种组是北京地区主要造林树种，苗木用量多同时碳汇能力也较强。椿树组、白蜡组、小叶杨组、栾树组和悬铃木组这五个树种组的净碳汇量之和占总净碳汇量的12.51%，属于碳汇能力较高的树种，苗木栽植数量属中下等水平，所以碳汇量仅仅高于碳汇最低树种组1～2个百分点。值得注意的是柏树类、玉兰类、云杉类和槭树类属于生长速度较慢的树种，并且用量也较低，因此其碳汇能力对整个造林工程碳汇量的贡献较低，这4个树种组碳汇量共占0.8%。而栎类、落叶松、白桦和水杉主要由于其在北京平原地区城市森林建设中适应性不高，用量非常少，碳汇量共占0.06%。

表7 各树种组净碳汇量贡献占比

图4 各树种组净碳汇量

2.5 不同计入期内年平均碳汇量

计算东郊森林公园内不同计入期连年单位面积净碳汇量与平均单位面积净碳汇量，结果如图5所示。平均单位面积吸收固定二氧化碳量在第29～31年间达到最高值 16.02 t·a-1·hm-2，这个结果与表4各树种组净碳汇量贡献占比所显示的毛白杨组和国槐组净碳汇量之和占总净碳汇量的79.5%有关。占主导地位的这两种阔叶树的生长特点决定了东郊森林公园在造林后29～31年达到年平均碳汇能力最高峰。

图5 连年单位面积净碳汇量与平均单位面积净碳汇量关系

3 结论

3.1 城市森林公园碳汇能力有较大潜力

本研究结果显示，北京东郊森林公园在20年计入期内其年均碳汇能力为15.87 t·a-1·hm-2。北京海淀公园碳通量监测研究结果显示其年均碳汇能力为8.76 t·a-1·hm-2[24]， 北京奥林匹克森林公园碳通量监测研究结果显示其年均碳汇能力为6.01 t·a-1·hm-2[25]，均小于本文研究，这可能与不同公园的栽植乔木密度、种类和生长特性有关。也与本研究方法基于树木生长曲线预估结果是20年计入期时间段内年平均碳汇能力，而碳通量监测方法研究的是当年公园绿地的年平均碳汇能力有关。本研究结果与四川省毛竹林年碳汇量34.57 t·a-1·hm-2[26]之间差异较大，可能与北方乔木树种和毛竹之间生长速度差异决定的。总体来看，北京东郊森林公园属于以乔木为主体进行建设的城市森林公园，主要造林树种为毛白杨、国槐、松树、椿树、白蜡、栾树和悬铃木等碳汇能力较强的树种，与北京市海淀公园和北京市奥林匹克森林公园相比，森林公园乔木数量显著增加，降低了花灌木、草坪的面积以及娱乐设施的数量，同时日常水肥管护和病虫害及火灾防控的水平较高，其碳汇能力具有较大的潜力。

3.2 碳汇造林项目计入期选择可依据造林主要树种生长特性设定

《碳汇造林项目方法学》规定了碳汇造林项目计入期最短为20年，最长不超过60年。在实际碳汇造林项目开发过程中，林木生长速度呈现先增加后趋于平稳并缓慢降低的趋势，因此，在经过速生期后，随着项目计入期增长净碳汇量的增加幅度降低。而当期碳汇量交易都需要进行实地监测，同时需要第三方核证机构进行核证，这些都增加了项目成本。项目计入期越长，后期项目的投入产出比就越低。由图5可以看出，假定本项目以5年为一个监测周期时，取25年时最适宜，最长不宜超过30年。而如果项目碳汇贡献占主要比例的树种为生长较为缓慢的针叶林如侧柏、油松等，则其合理的项目计入期依据事前碳汇量预估，应该适当延长。

3.3 城市森林公园碳计量不确定性

本研究通过对75个树种进行树种组归类，按照19个树种组完成了碳汇计量。这属于事前碳计量，是针对项目边界内的林木在项目计入期内的碳汇量进行预估，需要用到以时间为自变量的树木生长方程。由于目前关于森林、竹林和灌木林等碳汇能力的研究主要集中在碳储量和碳密度方面，对碳汇量预估的相关研究尚少。本研究采用的树种生长方程，通过借鉴相似生态环境下公开发表的研究文献进行生物量和碳汇量的计算，在缺失相似地域环境树种方程情况下，则选择山区、寒冷地区等气候恶劣条件下的同种类树木生长方程，总体上，结果对于水肥管理较为完善的条件下城市森林的碳汇量评估较为保守。而在园林绿化高质量发展评估指标体系日益完善的需求下，城市森林近自然营造工作在提升物种多样性、城市森林生态稳定性的同时，其碳汇效益的合理评价也亟需开展。因此，建议继续深入开展适用于城市绿地的以时间为自变量的碳计量模型研究基础工作，提升城市森林碳汇计量精度，为将碳汇效益纳入园林绿化高质量发展指标评价体系提供依据。