江汉平原杨树人工林固碳潜力研究

罗 雷 王晓荣 陈 臻 徐 立 张 涛王 亮 谢 文 曹祖荣 刘少峰

(1.湖北省林业调查规划院 武汉 430079；2.湖北省林业科学研究院 武汉 430075； 3.湖北省速生丰产林工程研究中心 武汉 430075；4.恩施土家族苗族自治州林业调查规划设计院 恩施 445000； 5.秭归县林业局 宜昌 443600；6.湖北省林科院石首杨树研究所 荆州 434400)

杨树是杨柳科杨属树种，易于繁殖、速生、经济效益显著，被称作世界速生树种之王[1]，也是中国平原地区重要的造林树种之一。因其生长快速、树干挺直、叶大荫浓，7～10 a可成材，轮伐期平均为10 a，被广泛用作用材林、防风林、行道树等[2]。目前，中国是全球杨树人工林第一大国，现存面积超过600万hm2，占全国人工林总面积的1/5，在中国林业生态建设和木材安全战略中占有重要地位。

湖北省江汉平原具有十分优越的水、土、温、光等自然条件，是杨树最适宜生长的地区之一[3]。从20世纪末期，江汉平原开始引种和发展杨树人工林，根据湖北省第五次森林资源普查统计，杨树面积已达21.46万hm2，蓄积达1 899.03万m3。杨树产业已成为江汉平原的支柱产业之一[4]，并带动了运输、电力、通讯、化工、建筑、装潢、金融等相关产业的协调发展[5]。然而，随着全国社会经济变迁和发展，中国林业已由木材生产为主向以生态建设为主转变，提升林业多功能多目标已经成为中国林业高质量发展的重要要求。森林在减缓和适应气候变化中具有不可替代的作用，特别是中国碳达峰和碳中和战略的提出，使得林业在实现“双碳”目标中扮演越来越重要的角色。目前，中国把林业纳入减缓和适应气候变化的重点领域，如何将人工林优势转变为碳汇优势，将成为现阶段中国林业发展中需要解决的重大课题。

林业碳汇是指森林管理等吸收空气中二氧化碳，降低或防止森林中储存的二氧化碳排放到空气中[6]。杨树快速生长的特性决定了其具有较高的固碳能力，可在林业碳汇能力建设和森林碳汇管理中发挥重要作用。本研究以湖北省江汉平原的杨树人工林为研究对象，采用固定样地连年监测的方法，构建了杨树生长模型，估算了成熟杨树林碳密度，并评估了杨树人工林地理论最大固碳潜力，旨在为湖北省杨树人工林碳汇功能计量监测和林业碳汇建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

江汉平原地区位于湖北省中南部，由长江与汉江冲积而得名，是长江中下游平原的重要组成部分，与洞庭湖平原合称两湖平原。地理坐标为东经111°45′～114°16′，北纬29°26′～31°10，区域总面积达30 000 km2，海拔一般低于100 m，平均海拔仅27 m左右，是中国海拔最低的平原之一。气候属亚热带季风气候，具有雨量充沛、日照充足、四季分明等特点。年日照时数2 000 h左右，年均气温15～17 ℃，无霜期240～270 d，年降雨量1 100～1 300 mm[7]。湖北省杨树85%以上分布于江汉平原，成为全省杨树主栽区。

1.2 研究方法

1.2.1 数据获取

2020年在江汉平原地区选择立地条件、初值密度及人为经营活动基本一致的杨树人工林作为研究对象，品种为意杨214杨Populus×canadensis‘I-214’，共设置74个固定监测样地，其中荆州市26个、潜江市12个、天门市5个、武汉市7个、仙桃市10个、孝感市14个。采取角规测树的调查方法，以固定调查点为圆心，每木检尺测定林木个体胸径、树龄等测树因子，龄组划分参考《主要树种龄级与龄组划分》(LY/T 2908-2017)。随后，选取样地内与平均胸径最近的3株标准木调查树高，其平均木树高平均值作为样地的平均树高。样地共监测样木1 514株，树龄平均年份最小为4 a，最高为28 a，样木胸径最小8.9 cm，最大的72.5 cm(表1)。

表1 样地立木统计基本情况

1.2.2 林木材积计算

采用湖北省通用的杨树一元材积公式计算杨树的材积，计算公式为：

V=0.000 137 428 808 384×D2.451 344 383 7；

式中，V为材积(m3)，D为胸径(cm)。

1.2.3 生长量方程拟合

根据样地内树木检尺测量数据，绘制杨树生长规律和样地公顷蓄积散点图曲线。采用SPSS25.0软件进行回归方程的拟合，利用相对误差(RS) 、平均相对误差(EE) 、平均相对误差绝对值(RMA) 和预估精度(P)对模型的拟合精度进行验证。其中RS，EE和RMA越接近0，P越接近1，表示模型拟合精度越高。

1.2.4 理论固碳潜力模拟

采用生物量转换因子法，计算林分生物量，具体参数见表2。依据全省杨树蓄积与面积等数据，计算出杨树的碳储量和平均碳密度。结合样地公顷蓄积量，选择模拟精度最高的生长量方程，推算杨树进入成熟林年份的蓄积量，并计算杨树成熟林的碳密度，评估江汉平原地区杨树人工林地理论最大固碳潜力。具体计算公式为：

表2 主要评价指标取值

C=V×BEF×(1+R) ×SVD×CF；

式中，C为杨树成熟林的碳密度(t C/hm2)，V为推算成熟杨树林公顷蓄积(m3)，BEF为生物量转换系数，R为根冠比，SVD为基本木材密度，CF为含碳率。主要评价指标取值来源于《中国第二次国家信息通报》中土地利用变化与林业温室气体清单。

2 结果与分析

2.1 杨树林木个体平均胸径与林龄的关系

以样地平均胸径和平均年龄拟合杨树生长模型，得到对数模型拟合方程为y=12.22In(x)-5.976 8，R2=0.956 5。可以看出，杨树人工林个体平均年龄与平均胸径间存在较好的相关性，平均胸径与林龄呈极显著正相关关系(P<0.01)，说明随着林龄的增加，个体胸径不断增大，年平均生长量也相应增大。杨树林进入成熟林阶段后，仍旧保持着较高生长量，这说明成熟杨树林仍具有很好的固碳能力(图1)。

图1 样地平均胸径与平均年龄关系图

2.2 林分密度与林龄的关系

利用样地内平均年龄与公顷株数拟合相关关系，得到对数模型拟合方程为y=-412.4In(x)+1 577.6，R2=0.313 1。可以看出，林分密度与林龄存在极显著负相关关系(P<0.01)。随着林龄的增加，杨树林分个体数量呈逐渐降低的趋势。这与当前该地区杨树林受人为经营程度较高有关，不同时期人为间伐影响造成林木个体数量逐渐降低(图2)。

图2 样地平均年龄与公顷株数关系图

2.3 不同林龄杨树林分碳密度分析

以5、10、15、20和25 a 5个林龄段计算不同年限下杨树人工林测算理论碳密度，并比较模型拟合推算和样地实测碳密度均值。杨树林拟合固碳能力较大的时间段主要出现在林龄15～20 a，平均碳密度为68.74t C/hm2。根据样地实测碳密度平均值测算结果，林龄25 a的杨树林碳密度为97.13 t C/hm2，说明成熟杨树人工林仍未到达到最大碳密度。另外，采用样地中杨树成熟林最大公顷蓄积量值553.14 m3/hm2，计算该杨树林样地的植被碳密度为167.50 t C/hm2，进一步说明杨树林具有较大的固碳潜力(表3)。

表3 不同林龄杨树人工林碳密度

2.4 固碳潜力分析

理论上，随着森林的生长发育，其植被和土壤碳密度将会达到一个饱和状态，即存在碳密度上限或称固碳潜力[8]。江汉平原地区杨树林多以中幼林为主，占杨树林总面积的47%以上，而目前湖北省杨树林地平均碳密度仅为28.41 t C/hm2(来源于第五次湖北省二类资源清查统计数据，未公布)。依据本研究中杨树成熟林平均碳密度97.13t C/hm2和最大碳密度167.50 t C/hm2作为固碳潜力上限估算，假定目前江汉平原地区杨树人工林未来都可以转变为成熟林，且面积保持不变，整体固碳潜力分别可达1 474.73万t和2 984.87万t。

3 结论与讨论

湖北省杨树林一直作为用材林培育，在国家“双碳”目标的背景下，商品林停伐旨在发挥其多种生态效益。本研究中，江汉平原地区的杨树林表现为随着林龄的增加，植被碳密度持续增加，且进入成熟林后生长速率依旧较大，说明其具有较高的固碳能力[9]。但就目前经营现状而言，当杨树林进入成熟林即会被采伐，这在一定程度限制了杨树林碳汇功能的持续发挥。如若江汉平原地区杨树人工林均以发挥碳汇效益为主要目标来培育，其固碳增量可达到1 473.73万t，固碳潜力十分巨大。

同时，本研究发现杨树林林分密度与林龄存在极显著负相关关系，随着林龄的增加，杨树个体数量呈逐渐降低的趋势，进一步说明常规经营中杨树林密度大小变化受人为选择利用或间伐有关。已有研究表明，在95%的最大植被碳密度条件下，中国36种优势树种的植被碳密度达到饱和状态的林龄为74.6 a[8]。然而，目前杨树林一直以速生丰产用材林培育，成熟林林龄较短，林龄25 a的杨树林在进入成熟林时，其固碳能力并未达到最大状态。因此，对于培育杨树碳汇林，需延长培育周期，合理调整林龄界限。

近年来，受木材市场价格降低的影响，林农对杨树林地管护意识和积极性严重下降，林木砍伐利用程度已明显降低，这为发展杨树人工林碳汇提供了契机。为了有效提升杨树人工林固碳增汇能力，建议未来从以下几方面加强对杨树林的经营管理：一是要延长杨树林经营周期，合理控制采伐数量和频率，一般碳汇计入期为20～60 a，作为速生阔叶树种可用于发展中短期碳汇林；二是要强化科学经营管理措施，包括人工抚育、施肥、病虫害防治，维持杨树林持续健康稳定和高生产力；三是提倡选择固碳能力强、寿命长的树种与杨树合理配置，大力培育多层异龄混交林，以有效提升林分整体碳汇功能；四是加强人工林碳汇等生态价值宣传和保护，防止人为破坏，以减少林木生物量损失，降低生产活动过程中造成的碳泄漏。