河北省乔木林碳储量现状与固碳潜力预测

周志峰,王 耀,贾 刚,于世勇,谷成龙

(国家林业和草原局林草调查规划院,北京 100714)

气候变化严重影响着人类的前途和命运,给人类带来热胁迫、洪水、干旱等极端天气和自然灾害,还会引起空气污染、病媒扩散等影响人类健康的问题[1]。因此,气候变化已成为全球共同面临的严峻挑战,引起了各国高度关注,是科学家们近些年来不断探讨和研究的重点。全球气候变暖是气候变化的主要表现之一,是人类目前最迫切需要解决的问题[2],其主要原因是大气中的温室气体特别是二氧化碳含量增加所致。森林生态系统作为吸收二氧化碳、释放氧气的一个巨大碳汇[3],在缓解气候变暖中起着非常重要的作用。在此背景下,估算全球和区域尺度的森林碳储量和碳收支正日益成为人们关注的重点[4]。

河北省环抱京津,地理位置突出,对其森林生态系统碳储量和固碳潜力的研究在全国乃至全球气候变化研究中占有重要地位。然而,相关河北省全省区域尺度森林碳储量和固碳潜力的研究很少,如:张滨等[5]只研究了河北省北部森林植被碳储量和固碳速率;贾彦龙等[6]只研究了燕山北部山地人工林和天然次生林的生物碳贮量;毕君等[7]虽然基于IPCC从河北全省区域尺度开展了相关研究,但只估算了碳储量和碳密度,未涉及固碳速率和固碳潜力。为此,本文利用第八次[8]和第九次[9]全国森林资源清查结果、《河北省国土绿化规划(2018—2035年)》[10]等数据资料开展了相关系列研究,从省级区域尺度对河北省乔木林的碳储量、碳密度、固碳速率进行分析,并预测2035年新增乔木林的固碳潜力。研究成果有助于估算“碳中和”进度和评估河北省“碳中和”的实施能力。

1 研究区概况

河北省环抱北京,地理坐标为36°05′～42°40′N,113°27′～119°50′E,面积为18.88km2；属温带大陆性季风气候区,无霜期81～204d,年均降水量484.5mm,大部分地区四季分明；地势西北高、东南低,有坝上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌单元,分别占全省总面积的8.5%,48.1%,43.4%。

河北省森林面积502.69万hm2,由北向南依次递减,主要分布于北部山地,其中:燕山地区林地面积占全省60%以上,冀西北盆地、太行山和坝上地区林地面积占全省23%。主要树种有油松(Pinustabulaeformis)、落叶松(Larixgmelinii)、山杨(Populusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)、蒙古栎(Quercusmongolica)等。

2 研究方法

2.1 数据来源

本文数据主要来源:1)第八次[8]和第九次[9]全国森林资源清查结果。按每次清查结束年份进行对应,分别为2013年和2018年,清查结果用于估算乔木林碳储量、碳密度和固碳速率； 2)《河北省国土绿化规划(2018—2035年)》[10]和《2018年东北监测区人工造林综合核查报告》(1)于世勇.2018年东北监测区人工造林综合核查报告.2018.(核查对象年度为2008—2012年)中的数据资料。根据规划的造林面积,核查的人工造林保存率、成林率、造林树种等,估算2019—2035年全省新增乔木林的固碳潜力。

2.2 数据处理

2.2.1树种分类统计

鉴于每次全国森林资源清查树种都在发生变化,为便于统计分析,按植物学分类和树种生态习性,将面积较小、不常统计树种的面积、蓄积分别统计到其他相关树种的面积和蓄积中,处理后的主要乔木树种(林分类型)有19种,即:油松(Pinustabulaeformis)、云杉(Piceajezoensis)、柏木(Cupressusfunebris)、落叶松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestris)、杨树(Populus)、榆树(Ulmuspumila)、椴树(TiliatuanSzyszyl.)、桦木(Betula)、刺槐(Robiniapseucdoacacia)、栎类(Quercus)、柳树(Salix)、泡桐(Paulownia)、阔叶混(Mixed broad-leaf forest)、其他软阔类(Other soft wood)、其他硬阔类(Other hard wood)、针阔混(Mixed conifer and deciduous forests)、针叶混(Mixed coniferous)和经济乔木类(Economic trees)。

2.2.2造林面积分配

首先,根据《河北省国土绿化规划(2018—2035年)》[10],2019—2035年河北省规划完成营造林面积345.33万hm2,相当于现有森林面积的68.7%。根据2018年全国人工造林综合核查河北省的相关结果,统计主要造林树种和各树种面积比例。在设定未来营造林树种、面积比重等营造林规律不变的情况下,将规划完成营造林面积乘以各个树种面积比例后,便可从中筛选出各乔木树种新增营造林面积(表1)。按照目前营造林年度任务分配规律,将2019—2035年17个年度的营造林任务按年度进行平均分配,可得出各乔木树种年均营造林面积。

表1 河北省乔木树种营造林面积

2.3 估算与预测方法

2.3.1碳储量估算

采用联合国气候变化政府间专家委员会(IPCC)指导各国开展生物量和碳储量的估算公式[11]进行计算,公式为:

(1)

式中:C为乔木林的碳储量(tC),Vi为树种(林分类型)i的蓄积量(m3),SVDi为树种(林分类型)i的木材密度(t.d.m/m3),BEF,i为树种(林分类型)i的生物量扩展因子(无量纲),Ri为树种(林分类型)i的地下生物量与地上生物量的比值(无量纲),CFi为树种(林分类型)i的含碳率(tC/t.d.m)。

SVDi,BEF,i,Ri,CFi等相关参数可参考相关技术标准[12-13]和文献[7,14]。

2.3.2碳密度计算

碳密度为单位面积的碳储量,公式为:

Cd,i=Ci/Ai

(2)

式中:Cd,i为树种(林分类型)i的碳密度(tC/hm2),Ci为树种(林分类型)i的碳储量(tC),Ai为树种(林分类型)i的面积(hm2)。

2.3.3固碳速率计算

固碳速率可利用不同时期森林生态系统单位面积碳储量的变化量来估算[15],公式为:

Cr,i=(Cd,i,t1-Cd,i,t2)/(t2-t1)

(3)

式中:Cr,i为树种(林分类型)i的固碳速率(tC/(hm2·a)),Cd,i,t1和Cd,i,t2分别为t1时间、t2时间树种(林分类型)i的碳密度(tC/hm2)。

2.3.4固碳潜力预测

乔木林固碳潜力是一个时期内由于乔木林面积的增加而产生的新的碳储量,首先依据各树种的固碳速率、相关国土绿化规划中乔木林营造面积,然后再考虑不同树种的保存率和成林率进行估算。某一年度新增乔木林固碳潜力计算公式为:

(4)

式中:Cp为某个年度新增乔木林的固碳潜力(tC),ΔAi为不同年度树种(林分类型)i的营造林面积(hm2),ΔCr,i为树种(林分类型)i不同龄组的固碳速率(tC/(hm2·a)),Δγi为树种(林分类型)i不同年度营造林的保存率(%),Δαi为树种(林分类型)i不同年度营造林的成林率(%),Δt表示预测年度与基准年度(研究的起始造林年度)的时间差值(a)。

假设各年度营造林树种不变,各年度各树种(林分类型)的营造林面积、保存率与成林率一致,且新增乔木林地不被建设项目使用、林木不被采伐和破坏、火烧,则一个时期内新增乔木林固碳潜力按(5)—(7)式计算更为准确。

当Δt≤tyi时:

(Δt+tα,i)]

(5)

当tyi≤Δt≤tmi时:

(6)

以此类推,当Δt≥toi时:

(7)

式中:tyi为树种(林分类型)i的幼龄林最高年限(a),Cp为一个时期内新增乔木林的固碳潜力(tC),Ai为树种(林分类型)i的年均营造林面积(hm2),Cr,y,i为树种(林分类型)i幼龄林的固碳速率(tC/(hm2·a)),γi为树种(林分类型)i的保存率(%),αi为树种(林分类型)i的成林率(%),tαi为树种(林分类型)i的成林年限(a),tmi为树种(林分类型)i的中龄林最高年限(a),Cr,m,i为树种(林分类型)i中龄林的固碳速率(tC/(hm2·a)),toi为树种(林分类型)i的过熟林最低年限(a),Cr,o,i为树种(林分类型)i过熟林的固碳速率(tC/(hm2·a))。

各树种保存率、成林率根据《2018年东北监测区人工造林综合核查报告》(2)于世勇.2018年东北监测区人工造林综合核查报告.2018.(核查对象年度为2008—2012年)计算得出；龄级划分查阅《森林资源连续清查技术规程》(GB/T 38590—2020)[16]获得；成林年限一般为3年,具体年限因营造林方式和树种特性而异,参阅《生态公益林建设导则》(GB/T 18337.1—2001)[17]。

3 结果与分析

3.1 碳储量现状

3.1.1总碳储量

根据2013年和2018年全国森林资源清查结果,以及相关技术标准[12-13]和文献[7,14]中有关参数,按(1)式计算得出河北省两次清查相应的乔木林碳储量(表2)。

表2 河北省乔木林碳储量前后两期对比

由表2可知,2013年和2018年河北省乔木林碳储量分别为4 770.76万tC和6 167.49万tC,2018年比2013年增加1 396.73万tC,增长率为29.28%。

3.1.2分树种碳储量

林分类型不同,其碳储量存在着很大差异[18]。除受面积、蓄积影响外,其差异还主要体现在木材密度、生物量扩展因子、地下生物量与地上生物量的比值、含碳率等碳储量估算参数取值的不同。在2018年河北省乔木林树种(林分类型)中,栎类碳储量最高,为1 322.91万tC,占总碳储量的21.4%；其次为桦木,碳储量为1 047.43万tC,占总碳储量的17.0%,第三为杨树,碳储量为943.34万tC,占总碳储量的15.3%；最低为泡桐和针阔混,分别为2.91万、2.06万tC。泡桐和针阔混碳储量低的主要原因:一是碳储量与其面积呈极显著的正相关关系,即碳储量的大小主要取决于林分的面积基数[15]。据统计泡桐和针阔混的面积分别为0.48万、0.16万hm2,分别占乔木林总面积的0.13%,0.04%。二是碳储量与其蓄积呈正相关关系,蓄积大,其碳储量也相应增大；蓄积小,其碳储量也相应变小。据统计,泡桐和针阔混的蓄积分别为6.43万、4.41万m3,分别占总蓄积的0.05%,0.03%。

3.1.3分龄组碳储量

乔木林的碳储量与林龄存在着一定关系[19]。在2018年河北省乔木林中,幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林的碳储量分别为2 010.18万、2 400.80万、1 101.04万、531.99万、123.48万tC,碳储量占比分别为32.6%,38.9%,17.9%,8.6%,2.0%。可见,碳储量主要集中于中龄林、幼龄林和近熟林,三者合计碳储量占总碳储量的89.4%。2013年和2018年前后两期对比,幼龄林碳储量增长最快,碳储量增加652.89万tC,增长率为48.1%；其次是中龄林,碳储量增加560.36万tC,增长率为30.4%。分析原因,主要与近年来河北省大力开展营造林有关。根据国家统计数据显示,2006—2015年(两次清查时可进入森林资源统计的营造林年度)河北省共完成营造林299.20万hm2,相当于2018年森林面积的六成。营造林面积的快速增加,使幼龄林和中龄林的面积、蓄积、生物量相应增加,从而导致相应龄组碳储量较快增长。

3.2 碳密度与固碳速率

3.2.1分树种碳密度与固碳速率

根据2013年和2018年河北省乔木林的碳储量与面积,利用(2)式计算出不同树种(林分类型)各个龄组的碳密度,再利用(3)式计算得出相应树种、相应龄组的固碳速率。具体结果如表3、表4所示。

表3 河北省乔木林碳密度前后两期对比

表4 河北省乔木林固碳速率

由表3可知,2018年河北省乔木林平均碳密度为16.88tC/hm2(比2013年增长1.54tC/hm2)。在所有乔木林树种(林分类型)中,云杉的碳密度最大(为63.19tC/hm2),最小的为经济乔木(为1.56tC/hm2),二者相差61.63tC/hm2,说明不同树种(林分类型)的碳密度存在着较大差异。就整体而言,针叶树种的平均碳密度普遍大于阔叶树种,但桦木比较特殊,桦木的平均碳密度为35.97tC/hm2,大于油松、落叶松和柏木。分析原因,主要是桦木林全部为天然林,而油松、落叶松和柏木林大部分为人工林。根据有关研究[19],天然林的碳密度大于人工林。

由表4可知,2013—2018年间河北省乔木林平均固碳速率为0.31tC/(hm2·a),且不同树种(林分类型)间差异较大。在乔木林树种(林分类型)中,云杉最高,固碳速率为5.24 tC/(hm2·a)；其次是落叶松,固碳速率为1.74 tC/(hm2·a)；其他树种(林分类型)从大到小依次为桦木>栎类>刺槐>油松>柳树>其他软阔类>杨树>经济乔木>其他硬阔类>樟子松>椴树>柏木>榆树>针叶混>泡桐>针阔混。固碳速率最高的云杉与最低的针阔混相差7.44 tC/(hm2·a)。

3.2.2分龄组碳密度与固碳速率

由表3可知,在2018年河北省乔木林中,幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林的碳密度分别为9.82,21.15,39.76,35.28,28.45tC/hm2。其中,近熟林碳密度最高。结果显示出:在近熟林之前,随着林龄的增大，相应龄组的碳密度逐步增加；而在近熟林之后,随着林龄的增大，相应龄组的碳密度反而有逐步降低的趋势。说明乔木林生长到成熟林阶段,随着树木生长能力的下降和枯损量的增加、其碳固定能力将会产生下降,碳密度也随之降低[20]。如果连接每个龄组碳密度形成曲线,其形状类似于正态分布。

由表4可知,2013—2018年河北省乔木林各龄组中,近熟林固碳速率最高,达到0.85tC/(hm2·a)。其他龄组固碳速率由高到低依次为过熟林(0.73tC/(hm2·a))>成熟林(0.65tC/(hm2·a))>幼龄林(0.46tC/(hm2·a))>中龄林(-0.20tC/(hm2·a))。中龄林固碳速率出现负值的原因是:2018年乔木林的森林结构发生了变化,椴树、泡桐、其他软阔类、针阔混、针叶混相应龄组的面积和蓄积与2013年相比都在减少,面积共减少2.88万hm2,蓄积减少78.66万m3,从而拉低了2013—2018年这一时间段中龄林的固碳速率。

3.3 固碳潜力估算

根据表1不同树种(林分类型)的营造林面积、表4对应树种(林分类型)不同龄组的固碳速率,以及查阅相关技术标准获得的成林年限,由《2018年东北监测区人工造林综合核查报告》(3)于世勇.2018年东北监测区人工造林综合核查报告.2018.(核查对象年度为2008—2012年)计算得出的对应树种(林分类型)的保存率和成林率,根据树种龄组划分标准和Δt的长短,利用(5)—(7)式,可预测出2019—2035年河北省新增乔木林的固碳潜力。鉴于造林成活3年后才能够达到成林的起始年限,所以实际预测期限为2022—2035年。另外,由表4可知,2013—2018年柏木和杨树幼龄林阶段的固碳速率为负值,通过计算其相应龄组的理论固碳潜力亦为负值。但在造林后,林地没被征占用,林木也没被采伐、破坏,以及发生火烧,未产生碳排放的情况下,其实际固碳潜力不可能出现负值,最低应为0。所以,本次研究对其相应龄组的固碳潜力按0进行统计。具体结果如表5所示。

表5 河北省新增乔木林固碳潜力估算

由表5可知,到2035年,河北省新增乔木林的固碳潜力为73.63万tC。按照《河北省国土绿化规划(2018—2035年)》[10]中的近期(2019—2022年)、中期(2023—2030年)、远期(2031—2035年)规划目标期限的划分,其固碳潜力分别为1.52万、27.34万tC和76.63万tC。至2035年,新增乔木林树种(林分类型)的固碳潜力,按树种排序依次为杨树>落叶松>油松>经济乔木>刺槐>其他硬阔类>柏木,潜力值分别为46.71万、14.49万、5.05万、4.07万、2.86万、0.44万tC和0。杨树固碳潜力最高的原因,除与其速生、蓄积量增长快速的特性有关外,还与其营造林面积正相关。据统计,杨树营造林面积的比重在所有树种中最高,达到32.7%(表1)。经济乔木固碳潜力高于刺槐的原因,与其受到的精心抚育养护、成林率较高有关。据统计,经济乔木的成林率在所有树种中最高,达到93.8%。柏木的固碳潜力最低,是因为2013—2018年其幼龄林固碳速率为负值,所以估算固碳潜力时按0进行了统计。分析负值的原因是:柏木因耐干旱瘠薄,多被栽植于土壤贫瘠的山地,生长缓慢,造林后,短时期内不会产生蓄积量;2018年柏木幼龄林蓄积比2013年大幅减少(2013年的幼龄林到2018年部分进入到中龄林所致),从而导致其幼龄林碳储量和固碳速率变小;在蓄积量提升较慢,栽植面积不断加大的情况下,这一变小趋势也更为严重。根据现有资料进行统计,2008—2012年河北省栽植柏木的面积比例占总造林面积的16.4%。

4 结论与讨论

2018年河北省乔木林碳储量为6 167.49万tC,未包括林下植被碳储量。如果按照有关研究[21-23],林木、林下植被和土壤固碳量的相对比例分别为41%,8%,51%进行推算,则2018年河北省乔木林植被碳储量为6 167.49÷41%×(41%+8%)=7370.9万tC,与 2018年第九次全国森林资源清查结果中河北省乔木林植被碳储量(7 548.2万tC)相近,二者相差177.3万tC,相差比例为2.3%,估算误差小于5%。因此,可以认为本次研究方法较为准确,研究成果基本反映了河北省乔木林(林木)碳储量的实际现状。

2018年河北省乔木林不同龄组的碳密度为9.82～39.76tC/hm2,在李奇等[24]、李海奎等[25]研究成果(我国不同龄组的碳密度8.62～98.76tC/hm2)范围以内,与人工林不同龄组的碳密度接近(8.62～47.93tC/hm2)。2018年河北省乔木林平均碳密度为16.88tC/hm2,与李海奎等[25]研究成果(2008年河北省乔木林平均碳密度为12.61tC/hm2)有所差距。产生差距的原因是,所依据的全国森林资源清查结果来源于不同调查时期。本次研究利用的是2018年第九次全国森林资源清查结果数据,而后者为2008年第七次全国森林资源清查结果数据。为验证本次研究成果的准确性,利用2008年第七次全国森林资源清查结果数据,参照本次研究方法对2008年河北省乔木林碳密度进行测算,结果为12.89tC/hm2,与李海奎等[25]研究成果接近,相差仅为0.28tC/hm2,相差比例为2.2%。相差的原因是因为本次研究未考虑林下植被的碳密度。综上所述,本次研究成果较为准确,较好地反映了河北省乔木林碳密度的实际状况。由于乔木林的固碳速率是利用不同时期乔木林碳密度的变化量来进行计算的,所以可推断出影响其准确程度的因子只有不同时期间的时间差值和碳密度两个因子。既然全国森林资源清查的时间间隔相对固定(5年),且本次研究的乔木林碳密度相对准确,则可以认为用于固碳潜力预测的固碳速率也相对准确,进而说明固碳潜力的预测结果也具有很强的说服力。根据预测结果,到2035年河北省新增乔木林的固碳潜力为73.63万tC。

2018年河北省乔木林平均碳密度(16.88tC/hm2)低于同期全国乔木林平均水平(33.81 tC/hm2,根据清查结果推算)[9],说明河北省乔木林单位面积蓄积量较低,提升潜力较大。今后,可以通过以下几个方面进行提高:一是在营造林方面,多选择碳密度和固碳速率较高的油松、落叶松、杨树、栎类等树种造林,为使新造林生态系统维持较高的稳定性,在树种搭配上应以混交林为主；二是在森林经营方面,应着重增强对杨树、柏木、针阔混、硬阔类等固碳速率低的中幼林的抚育,精准提升森林质量；三是在森林管护方面,应减少对杨树、硬阔类、栎类等中龄林的采伐,加大森林资源监督力度,防止破坏乔木林资源,同时加强护林防火和病虫害防治,减少乔木林向外界的碳释放量。

由于缺少《河北省国土绿化规划(2018—2035年)》[10]中分树种营造林面积信息,以及未来各年度营造林保存率和成林率等数据,所以本次研究是在基于两个假设的前提下开展的,即:一是未来营造林树种、面积比重等按照以往营造林规律进行估算,二是各年度营造林树种不变,各年度各树种(林分类型)的营造林面积、保存率与成林率一致,且新增乔木林地不被建设项目使用、林木不被采伐、破坏、火烧。因此,未来河北省新增乔木林的固碳潜力受上述因素影响具有一定的不确定性,今后各年度营造林任务完成并检查验收后,需要根据实际情况进行修正。