贵州省1995—2015年森林碳储量时空变化研究

杜明凤，李明军，赵文静

（1.贵州师范大学 喀斯特研究院，贵州 贵阳 550001；2.贵州省林业调查规划院，贵州 贵阳 550003；3.贵州医科大学 基础医学部，贵州 贵阳 550025）

由大气CO2浓度升高引起的气候变暖，正严重威胁人类的生存安全，引发全世界广泛关注[1-2]。森林碳储量作为研究森林与大气间碳交换的基本参数，能为准确评估固碳潜力提供有效数据支持，森林碳储量的蓄积对于消减大气CO2浓度，有效减缓气候变化具有极为重要的意义[3]。贵州省地处长江、珠江上游，其森林资源建设对保护我国长江、珠江中下游地区的生态环境具有重要的战略意义[4]。贵州喀斯特石漠化地区地质独特，森林植被复杂交错，空间异质性及植被复杂性导致其森林碳汇、增汇研究异常困难。有学者曾对贵州省2000—2010年的森林碳汇现状及增汇潜力[5]和2006年的森林碳储量[6]进行了研究。本研究则从1995—2015年这20年间的5期森林资源清查及其地区分布角度研究贵州省森林碳储量在时间和空间上的变化，分析其产生变化的主要原因，为森林固碳增汇和提质增效等提供参考。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

贵州省位于我国西南部云贵高原，地理坐标为103°36′～ 109°35′ E，24°37′～ 29°13′ N，地势由西北向东南呈梯级下降，平均海拔为1 100 m。喀斯特地貌面积占全省面积的73.8%，岩溶分布广，类型齐，构成了典型的岩溶生态系统。受山地地形影响，全省气候复杂多样，西部属于暖温带，南部、西北部属于南亚热带，其余地区随地势抬升，从中亚热带逐步向北亚热带过渡。年均气温为10～ 18℃，年降水量为1 100～ 1 500 mm，全年日照时数为1 300 h，无霜期为270 d左右。全省植被类型复杂多样，针叶林是贵州省现存植被中分布最广、经济价值最高的植被类型，以杉木Cunninghamia lanceolata、马尾松Pinus massoniana、云南松P.yunnanensis、柏木Cupressus funebris等为主；阔叶林以壳斗科Fagaceae、樟科Lauraceae、木兰科Magnoliaceae、山茶科Theaceae植物等为主；地带性植被为常绿阔叶林。

1.2 贵州省森林资源概况

截至2015年底，贵州省土地总面积为1 761.67×104hm2，其中，林地面积为927.96×104hm2，占土地总面积的52.68%；森林面积为771.03×104hm2（其中，乔木林面积为585.44×104hm2，占森林总面积的75.93%；特殊灌木林面积为169.58×104hm2，占森林总面积的21.99%；竹林面积为16.01×104hm2，占森林总面积的2.08%），占林地总面积的83.09%，森林覆盖率为43.77%；活立木总蓄积量为444.65×106m3，其中森林蓄积量为391.83×106m3，占活立木总蓄积量的88.12%。

1.3 数据来源

研究数据来源于1995—2015年全国第五期至第九期森林资源连续清查贵州省森林资源复查资料，各期分别为第五期（1990—1995年）、第六期（1995—2000年）、第七期（2000—2005年）、第八期（2005—2010年）、第九期（2010—2015年）。贵州省固定样地共有5 500个，每个固定样地的面积均为0.067 hm2，样地库中记录了其地理信息、立地条件、林地状况、林木蓄积量等48项具体信息。全省森林包括乔木林、疏林、灌木林、经济林、竹林。根据优势种（组）将乔木林划分为针叶林（杉木林、柏木林、马尾松林）、阔叶林（硬阔林、软阔林）、混交林（针叶混交林、阔叶混交林、针阔叶混交林）；龄组划分参照森林资源连续清查细则的林龄等级标准，实际林龄分布情况显示近熟林、成熟林、过熟林的比例过小，因此，将近熟林、成熟林、过熟林合并，最终划分为幼龄林、中龄林、成熟林。

1.4 研究方法

本研究中的森林指郁闭度＞0.2的乔木林（仅含乔木层）、竹林、经济林，以及覆盖率＞30%的灌木林，不含草本层、地被层。

1.4.1 生物量计算方法（1）乔木林生物量计算方法：材积源生物量法在林分生物量与蓄积量之间有良好的回归关系[7]，利用其估算贵州省森林生物量，可获得较为精准的估算结果[8]，其计算方程为：B=a·V+b，式中，a和b为常数，B为林分生物量（t·hm-2），V为林木蓄积量（m3·hm-2）。纯林生物量采用方精云[9]建立的森林蓄积量-生物量转换参数计算；混交林生物量参照同纬度云南省混交林的蓄积量-生物量模型[10]计算（表1）。对无明确对应模型的树种生物量计算方法，参照近似优势树种（组）参数替代。各优势树种地下部分生物量参照“贵州森林生态效益检测与评价”项目组根据实测数据所建立的地上生物量与全株生物量的回归函数计算，其余参照李鑫[11]的方法来计算。（2）灌木林生物量计算方法：采用收获法，常态地貌灌木林取16.95 t·hm-2，石漠化区灌木林取19.02 t·hm-2[12]。（3）竹林生物量计算方法：参照文献[13]的计算方法，按22.5 kg·株-1×P（P为株数），杂竹生物量减半。（4）经济林生物量计算方法：采用平均生物量法，有蓄积量的样地取值23.7 t·hm-2，无蓄积量的则生物量减半[14]。

1.4.2 碳储量和碳密度计算方法 碳储量计算公式：C=B·Cc，碳密度计算公式：ρc=C/S，式中，C为碳储量（Tg C），B为生物量（t·hm-2），Cc为含碳率（%）；ρc为碳密度（Mg C·hm-2），S为森林面积（hm2）。含碳率参考文献[7,12,15-16]，其余采用国际常用森林含碳率（0.500 0），见表1。

表1 贵州省各林分类型生物量回归方程及含碳率Table 1 Biomass regression equation and carbon content of different forest types in Guizhou

2 结果与分析

2.1 贵州省森林碳储量的时间变化

2.1.1 贵州省森林碳储量总体情况 由表2可知，1995—2015年，贵州省森林面积从320.32×104hm2增至778.24×104hm2，净增长457.92×104hm2，森林覆盖率呈显著增长趋势。由表2和表3可知，森林碳储量由76.89 Tg C增至253.65 Tg C，净增长176.76 Tg C，其中乔木林、灌木林、经济林和竹林的森林碳储量均呈稳定增长趋势，碳储量净增长排序为乔木林（157.05 Tg C）>灌木林（13.94 Tg C）>竹林（3.44 Tg C）>经济林（2.33 Tg C）。贵州省森林碳密度从23.57 Mg C·hm-2增至32.59 Mg C·hm-2，增长显著（P＜0.05）；其中竹林、乔木林的碳密度增长显著，灌木林的碳密度增长缓慢，经济林的碳密度呈下降趋势。总的来看，森林碳储量在1995—2015年间有大幅提升，年增长率为8.84%，表明贵州森林的碳汇功能正逐年增强，固碳释氧功能日趋增强，质量变好。20年间，乔木林面积占总森林面积的75.68%，乔木林净碳量（157.04 Tg C）占森林总净碳量（176.76 Tg C）的88.85%，碳密度净增16.80 Mg C·hm-2，均显著高于其他森林类型，表明乔木林质量大幅提升，是森林碳汇的主要贡献者。

表2 贵州省1995—2015年森林总碳储量、平均碳密度动态特征Table 2 Mean total forest carbon storage and density in Guizhou from 1995 to 2015

表3 贵州省1995—2015年不同森林类型碳储量、碳密度动态特征Table 3 Carbon storage and density of different forest types in Guizhou from 1995 to 2015

2.1.2 不同年龄森林碳储量的变化分析 从表4可知，1995—2015年，全省中幼林的面积比例从1995年的89.44%降至2015年的80.04%，成熟林的面积比例从1995年的10.56%逐步增至2015年的19.96%，表明贵州省森林中幼林的比例过大，林龄结构不合理，但在逐年改善；不同龄组森林的碳储量均随着林龄的增加呈增长趋势，其中，中龄林和成熟林的碳储量净增长分别为57.48和69.41 Tg C，分别占碳储量总增长量的35.30%和42.63%，表明中龄林的林分质量稳步提升及成熟林碳储量稳步增长是该时期贵州森林碳储量增长的主要原因。各类森林的碳密度以幼龄林较低（17.89～ 22.76 C·hm-2），中龄林其次（29.16～ 48.11 C·hm-2），成熟林较高（55.02～ 69.81 Mg C·hm-2），反映出幼龄期森林的固碳能力较弱，中龄期、成熟期森林的固碳能力均不断增强。总的来看，对中龄林的抚育以及对成熟林的管理促进了中龄林和成熟林碳储量的增长，极大地增强了贵州森林的碳汇功能；贵州省森林大部分处于中幼林期，碳密度随着林龄的增加而增加，森林的固碳潜力巨大。

表4 贵州省1995—2015年不同龄组的森林碳储量、碳密度动态特征Table 4 Carbon storage and density of different forest age group in Guizhou from 1995 to 2015

2.1.3 不同林分碳储量的变化分析 从表5可知，1995—2015年间贵州省的主要林分类型为马尾松林、杉木林、阔叶混交林，分别占森林总面积的22.88%、20.76%和20.56%，共占64.20%；碳密度呈上升趋势的林分面积占森林总面积的81.97%，针叶林（包括杉木林、马尾松林、针叶混交林）上升显著，碳密度净增26.72～ 32.08 Mg C·hm-2；碳密度呈下降趋势的林分面积占森林总面积的18.03%，其中硬阔林下降明显，碳密度净减3.32 Mg C·hm-2，软阔林有微弱下降，碳密度净减1.25 Mg C·hm-2。以上结果反映了针叶林占绝对优势，且是森林增汇的主要贡献者。

表5 贵州省1995—2015年不同林分类型碳储量、碳密度动态特征Table 5 Carbon storage and density of different forest types in Guizhou from 1995 to 2015

2.2 贵州省森林碳储量的空间变化分析

由表6可知，贵州省各地区森林碳储量有一定的差异，碳储量由大到小排序为黔东南>遵义>黔南>铜仁>毕节>黔西南>贵阳>安顺>六盘水，碳储量为东南部、北部（黔东南、遵义、铜仁）最高，占全省森林总碳储量的64.16%，中、西部（安顺、贵阳、六盘水）较低，仅为全省的8.35%；各地区的森林碳分布极不均匀，随着时间的增加差异呈增大趋势，与各地区森林面积比例的变化趋势一致。1995—2015年，贵州省各地区森林碳储量总体呈现上升趋势，黔东南、遵义2个地区的碳储量净增长量位居前列，分别为57.09 Tg C和30.94 Tg C，相当于其余7个地区的净增长总量；安顺和六盘水森林碳储量净增长量最低，分别为5.78 Tg C和5.4T g C。

表6 贵州省1995—2015年森林碳储量、碳密度空间分异Table 6 Spatial variation of forest carbon storage and density in different region of Guizhou from 1995 to 2015

贵州省森林碳密度的高低走势与碳储量的分布格局一致，碳密度高值区为黔东南、遵义（平均碳密度分别为30.29和36.27 Mg C·hm-2），低值区为毕节、六盘水（平均碳密度分别为15.69和16.89 Mg C·hm-2）。1995—2015年，除了黔西南森林固碳能力有所减弱（碳密度净减6.08 Mg C·hm-2），其余林区的固碳能力均有所提升（1.07～ 17.85 Mg C·hm-2），以黔东南、遵义、贵阳、六盘水最为明显，其碳密度净增长量在12.62～ 19.91 Mg C·hm-2。总的来看，黔东南、遵义、铜仁作为高碳储量和高碳密度的集中区域，是贵州省森林碳汇的最重要的贡献者。

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 森林碳估算 准确估算区域森林碳储量，掌握其时空变异及影响因素，能为预测贵州区域森林碳汇、制定合理的营林措施、加快喀斯特地区生态治理进程等提供科学数据和理论指导。李海奎[17]曾利用全国第七次森林资源连续清查资料，分省、分树种估算得出2005年贵州省森林总碳储量为168.60 Tg C，与本研究中第七期（2005年）的估算值（164.25 Tg C）非常接近，误差仅为2.65%，这表明使用方精云的生物量-蓄积量法对于估算中尺度区域森林碳储量，较为可靠和准确。但本研究仅针对乔木层、灌木层的地上、地下部分碳储量进行估算，缺少草本层、地被层的碳储量数据，虽然后者的碳储量仅占微小部分，对森林总碳储量的估算影响甚微，但估算精度仍可进一步提高。

3.1.2 贵州省森林碳储量空间分异 上述研究表明，1995—2015年，贵州省森林碳储量、碳密度高值区集中在东南、北部地区（黔东南、遵义、铜仁），低值区为中、西部地区（毕节、六盘水），这与张百平[4]、姚永慧[18]等研究2000年以前贵州森林碳分布的结论相似，反映了森林碳储量、碳密度空间格局随时间变化不明显。资料显示，高碳区（黔东南、遵义、铜仁）地势低，土壤肥厚，森林面积占全省森林面积的54.97%；中值区（黔南、黔西南、贵阳、安顺）为黔中山原岩溶分布区，土层浅薄，森林面积占全省森林总面积的32.21%；低碳区（毕节、六盘水）位于云贵高原向黔中山原过渡地带，地势高，岩石裸露率达75%以上，是全省石漠化重度区，森林面积占全省森林总面积的12.82%。随着地势由东南向西北抬升，石漠化程度递增，森林面积递减，森林碳储量、碳密度呈规律性递减响应，这反映了石漠化地貌决定了森林面积大小，两者又共同影响森林碳汇。此外，贵州地处东南季风和西南季风交替过渡区，在两种大气团和山地地形的共同作用下，贵州垂直立体气候明显，东部常年温暖湿润而西部却呈现干湿交替的气候特征[19]。故贵州森林碳分布格局很可能主要受地形、土壤、气候等因素的综合影响。

3.1.3 贵州森林碳储量动态变化 FAO（联合国粮食及农业组织）在2011年发布的《2010年全球森林资源评估报告》中指出，中国持续地、大规模地人工造林对于减缓世界森林面积下降的速率起到了积极的贡献[20]。在过去的几十年中，通过实施天然林保护、长江珠江流域防护林体系、退耕还林及石漠化综合治理等一系列林业生态建设工程，人工造林面积大幅增加。1995—2015年，贵州森林面积净增长275.52×104hm2，为我国森林资源保护做出了相应贡献。

1995—2015年，贵州森林碳储量由76.89 Tg C递增至253.65 Tg C，净碳增长量为176.76 Tg C，年增长率为11.49%，远高于全国的年增长率1.80%[21]、四川的1.89%[22]、福建的3.65%[23]，呈现了显著的碳汇效应。这主要源于贵州以各项重点林业工程建设为依托，转变林业产业发展方式，强化林业生态红线保护意识，加强森林资源经营管理和保护，生态建设不断增强，全省森林资源整体质量有所提高。其中，乔木林分质量明显提升，期间乔木林的年均净碳增长量为7.85 Tg C·a-1，碳吸存速率达0.84 Mg C·hm-2·a-1，成为贵州省森林碳储量净增长的主体。此外，随着森林的生长，中幼林的比例逐渐减小、林分质量不断提高，成熟林的比例不断增加、碳储量稳步增长，森林的固碳潜力巨大。

1995—2015年，贵州省的森林碳密度介于23.57～ 32.59 Mg C·hm-2之间，低于全国平均水平35～ 39 Mg C·hm-2[6,24]；低于同纬度省份四川的39.61 Mg C·hm-2[20]、福建的44.83 Mg C·hm-2[23]和云南的38.99 Mg C·hm-2[25]，这说明贵州省的森林质量仍处于较低的水平。贵州省典型的喀斯特地貌以及中部、西南部严重的石漠化现象决定其森林生态环境的脆弱性[26]；此外，人工造林规模的不断扩大引起中幼林面积比例过大，人工造林管理水平较低，总消耗量过大现象依然存在，这也是导致贵州森林平均碳密度相对较低的重要原因。由此可知，大面积造林碳汇项目虽然明显地促进了森林碳储量的增长，但短时期内无法提高森林的质量；贵州省未来的森林生态建设应在兼顾“量”的增加同时，更需着力于“质”的提升；以加强森林资源培育和管理工作来提高森林碳密度将成为今后提高贵州省森林质量、增强森林碳汇潜力的主要营林措施。

3.2 结论

1995—2015年，贵州省森林面积净增长275.52×104hm2。20年间，贵州森林有明显的碳汇集作用，碳密度逐年递增，但均低于全国平均水平以及同纬度省份的平均水平，森林质量仍处于较低的水平。其主要原因是喀斯特森林生产力低下、中幼林比例过高等。贵州省未来的森林生态建设应着力于提升森林质量，包括提高乔木林比例、调整中幼林和成熟林比例，这将是提高森林碳储量和碳密度的有效途径。20年间，森林碳储量、碳密度分布不均，不同地区的差异随着时间的增加呈增大趋势，但碳格局随时间的变化不明显，这主要是地形、土壤、气候等因素的综合作用所致，未来可分区域采取不同的森林经营与管理措施能大幅提升贵州森林的碳汇潜力。

致谢：文中贵州各树种地上生物量与全株生物量的回归函数均由《贵州森林生态效益监测与评价研究（黔林科合〔2010〕重大01号）》项目组根据贵州野外实测生物量数据建立，在此表示衷心的感谢！