中国主要树种人工乔木林碳储量测算及固碳潜力分析

王大卫，沈文星

(南京林业大学经济管理学院，江苏 南京 210037)

碳达峰、碳中和是目前全球范围关注的热点问题，实现碳中和的有效手段之一是增强生态系统碳汇能力。森林生态系统是陆地生态系统的主体，其生物生产力和生物多样性维护着区域生态环境平衡，同时在调节全球碳平衡、减缓温室效应等方面发挥着关键作用[1]。全球森林生态系统是一个巨大的碳库，对森林生态系统碳储量、碳密度以及碳汇潜力的研究与准确估算是人们关注的焦点[2-3]。

我国森林面积不断增长，在减缓世界森林面积下降趋势的同时，也在不断增加森林碳吸收量。我国森林面积增加与大力发展人工林有着密切关系，人工林在恢复和重建森林生态系统、改善生态环境方面具有重要作用。2021年，我国的人工造林面积占全球的73%[4-5]。有研究表明，中国森林碳汇主要来自人工林的贡献，且随着时间的变化，人工幼龄林和中龄林的碳储量和碳密度有进一步提升的趋势，将发挥越来越大的固碳能力，碳汇功能也将进一步增强[6]。因此，加强对我国主要造林树种碳汇机理及其动态的研究，准确评估我国人工林的碳吸收量和吸收潜力，对全面了解我国森林碳汇潜力，促进碳达峰、碳中和战略目标实现有一定的现实意义。

1 材料与方法

1.1 数据来源及主要人工林面积和蓄积现状

本研究数据来自《国家林业局第八次全国森林资源清查报告(2014)》与《国家林业和草原局第九次全国森林资源清查报告(2018)》[7-8]，本研究将不包括我国港澳台地区的31个省市区划分为七大区域，统计天然林、人工林和按龄组结构[幼龄林(young forest)、中龄林(middle-aged forest)、近熟林(near mature forest)、成熟林(mature forest)和过熟林(over-matured forest)]划分的乔木林面积和蓄积数据。

依据《国家林业和草原局第九次全国森林资源清查报告(2018)》，按照《国家森林资源连续清查技术规定》对树种(组)的划分方式确定主要优势树种(组)天然和人工林，并按龄组划分的面积和蓄积数据确定本次估算对象。按照资源清查结果，我国人工乔木林面积排名前6位的优势树种(组)分别是杉木(Cunninghamialanceolata)、杨树(Populusspp.)、桉树(Eucalyptusspp.)、落叶松(Larixspp.)、马尾松(Pinusmassoniana)和油松(Pinustabuliformis)。本研究针对这6种人工乔木林树种进行分析，并估算我国6种主要造林树种的人工林碳储量和碳密度，分析不同造林树种和林龄结构下的碳储量与碳密度差异。根据第8次和第9次森林资源清查结果，我国主要人工乔木林总面积、蓄积量及变化情况统计见表1、表2。

表1 我国主要乔木人工林各龄组结构面积和蓄积统计

表2 我国主要人工乔木林树种面积和蓄积统计

1.2 森林碳储量和碳密度估算模型与参数确定

联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)以森林蓄积、木材密度、生物量换算因子和根茎比等为参数，建立材积源-生物量模型，指导各国开展生物量估算[9]。碳密度基本公式为：

Cd=V·WD·BEF·(1+RSR)·CF。

(1)

式中：Cd为森林生物量碳密度，Mg /hm2；V为森林单位面积蓄积，m3/hm2；WD是将树干蓄积转化为生物量的基本木材密度，Mg/m3；BEF是将树干生物量转化为地上生物量的扩展因子(无量纲)；RSR是林木地下生物量与地上生物量的比值；CF是林木生物量中有机碳占有机质总量的比值，也叫含碳率。

森林碳储量基本公式为：

(2)

式中：Ci,j为某一地区森林碳储量，Mg；Ai,j为某一优势树种(组)的面积，hm2；n为优势树种(组)的类型，m为优势树种(组)的龄组。

本研究主要乔木林树种碳储量估算参数来源于对现有文献资料的整理分析，具体参见《2005年中国温室气体清单研究》[10]。估算个别树种或个别龄级缺少参数时，使用了该树种各龄级的平均参数(表3)。

表3 我国6种主要人工乔木林碳储量估算参数

1.3 森林碳汇潜力值评估方法与参数拟合

森林碳汇潜力值评估主要采用IPCC材积源-生物量法(volume-biomass methods)，结合各优势树种不同龄级的面积数据，推算若干年后各优势树种不同龄级的蓄积量，以此估算我国现有乔木林未来各个阶段的碳储量[9]，其基本公式为：

V=a/(1+b×e-ct)。

(3)

式中:V为某一森林类型的某个林龄组的单位面积蓄积，m3/hm2；t为某一森林类型的某个林龄组的平均林龄，a；a、b、c为该森林类型单位面积蓄积与林龄Logistic方程的常数，造林当年的蓄积量假设为零。

按照森林资源清查对不同优势树种(组)林龄等级的划分标准和更新周期，用林龄段的中间值来表示该龄组的平均林龄，利用Logistic生长方程[9]拟合各优势树种(组)单位面积蓄积量与平均林龄的相关关系(表4)。

表4 主要优势树种人工乔木林(组)单位面积蓄积-林龄 Logistic 拟合方程

1.4 森林碳汇潜力值评估方法和预测年限确定

计算未来碳储量潜力时，各优势树种的龄级会随着时间向高龄级推移，碳储量和碳密度会进一步增长，需要得到未来某一年(t)各优势树种不同龄级的面积和蓄积数据。按照森林资源清查对不同优势树种(组)林龄等级的划分标准和更新周期，用林龄段的中间值来表示该龄组的平均林龄，利用Logistic生长方程来拟合各优势树种(组)的单位面积蓄积量与平均林龄的相关关系，即：

(4)

Ai,t+5=Ai,t-Ai,j,t+Ai-1,k,t。

(5)

式中：Ai,t为基准年第t年(设为2015年)第i龄组的面积，hm2；Ai,j,t为第t年第i龄组细分的第j龄级的面积，hm2。5年后，第i龄组有Ai,j,t的面积进入到第i+1龄组，而第i-1龄组又有Ai-1,k,t的面积进入到第i龄组，因此，Ai,t+5为第t+5年第i龄组的面积，hm2；Ai-1,k,t为第t年第i-1龄组细分的第k龄级的面积，hm2。

对各优势树种的各个龄组(i)，按每5 a平均划分成n个小龄级，则各小龄级面积 为Ai/n，计算得到目标年(t)时各优势树种各个龄组的面积。再用各个优势树种拟合的Logistic生长方程计算出目标年各造林数据不同龄级的蓄积数据，同样采用IPCC材积源-生物量法计算进一步估计未来各时段各优势树种(组)的生物量碳储量和碳密度[7]。并采用IBM SPSS 19.0进行非线性回归拟合分析各优势树种单位面积蓄积量与林龄的关系并作图。

据国家发展和改革委员会应对气候变化司研究，中国CO2排放量可能会在2020—2035年间达到峰值[10]。与此同时，我国计划将森林覆盖率从2018年的23%提高至2035年的25%，森林蓄积量从2018年的176亿m3提高至2030年的210亿m3，累计新增吸收CO2量约20亿t碳当量，届时中国将是世界最大的碳汇之国和固碳之国[11-12]。为实现这一目标，需要提供评估森林碳汇的固碳增值能力，从而预测碳达峰时的准确情景，因此，本研究设定预测年限至2035年。

2 结果与分析

2009—2018年间的两次资源清查结果(表1)相比，我国人工林面积和蓄积量分别增长了2 402 万hm2和156 308 万m3；幼龄林的面积最大(占39.6%)，其次是中龄林(占32.2%)。6种主要优势树种的总面积增加了66万hm2，其中桉树乔木林面积增加最多为101万hm2，而杨树和马尾松的面积则分别下降了97万hm2和54万hm2(表2)。但总蓄积量增加了约32 277亿m3，各优势树种蓄积量均增加。统计区域6个主要优势树种人工林单位面积蓄积-林龄拟合曲线见图1。

图1 我国主要优势树种人工林单位面积蓄积-林龄拟合曲线Fig.1 Fitting curve of volumn per unit area-age of plantation of main dominant tree species in China

2.1 6种主要人工乔木林碳密度和碳储量

碳密度变化是造成主要造林树种人工林碳储量差异的原因之一。我国两次森林资源清查结果相比，各造林树种中落叶松林的碳密度增幅最大，平均增加了7.81 Mg/hm2；尽管杉木林面积由895万hm2增加至990万hm2，但由于其单位面积蓄积增长较低(仅增长9.2%)，因此，其平均碳密度由38.76 Mg/hm2减少至30.96 Mg/hm2，是6种乔木林树种碳密度唯一呈现下降的数据。6种主要树种乔木林平均碳密度和碳储量估算结果见表5。

表5 我国 6种主要树种人工乔木林不同龄级碳密度和碳储量

第9次资源清查结束时，6种主要乔木林树种的成熟林碳密度分别是幼龄林和中龄林的3.3倍和1.1倍，这也表明随着人工林幼龄林和中龄林的生长，未来人工林碳密度和碳储量还有非常大的增长空间。假定这6种主要树种的幼龄林、中龄林和近熟林未来都能转变为成熟林且面积保持不变，按2014—2018年的平均碳密度计算，未来碳储量在理论上还有显著的增长空间。但事实上成熟林也会变为过熟林，其碳密度会明显降低，而对成、过熟林的采伐更新，又会使其转变为林龄更低的龄组。因此，未来这6种主要树种人工林的碳储量增长幅度取决于未来各龄组的面积占比，中、幼龄林面积占比越低，总的碳储量也越大。

6种主要树种乔木林碳储量差异主要取决于其面积的大小。由于各造林树种的林分面积、单位面积蓄积、龄组结构等的不同，其碳储量必然存在差异。2014—2018年，6种主要造林树种中，杉木林的碳储量最高(236.81 Tg)，杨树林次之(179.03 Tg)，油松林最低(13.09 Tg)。6种主要造林树种的人工林碳储量均有显著的增加，其中以杨树人工林和杉木人工林的增量较大，年增加量分别为14.31和8.60 Tg。

2.2 主要树种人工乔木林各龄组碳储量和碳密度比较

研究表明，两次森林资源清查期间，主要树种乔木林总碳储量增加了498.81 Tg，年均增加量99.76 Tg(表6)。其中，幼龄林和中龄林的面积增长幅度最大，分别增长了33.9%和83.1%(表1)。总碳密度增加了52.58 Mg/hm2，其中中林龄增量最大为88.19 Mg/hm2，而过熟林增量最小，为23.84 Mg/hm2。至2018年，主要造林树种的人工林各龄组碳储量由小到大依次为：幼龄林(105.15 Tg)<中龄林(292.34 Tg)<近熟林(359.75 Tg)<成熟林(426.43 Tg)<过熟林(439.19 Tg),分别占6种优势树种总碳储量(1 622.86 Tg)的6.47%、18.02%、22.17%、26.28%、27.07%。人工林各龄组2018年碳密度由小到大依次为：成熟林(59.17 Mg/hm2)<幼龄林(169.12 Mg/hm2)<成熟林(178.13 Mg/hm2)<近熟林(190.38 Mg/hm2)<中林龄(348.09 Mg/hm2)。由此可见，随着树龄的不断增加及林分成熟，碳储量呈现出线性正向增加的趋势，而碳密度因受蓄积量与面积比的影响，则未呈现出线性增加的趋势。

表6 我国主要树种人工乔木碳储量和碳密度

2.3 我国主要人工乔木林碳汇潜力

根据我国现有人工乔木林碳汇潜力预测结果(表7)可知，至2020年我国人工乔木林碳储量和碳密度分别为1 189.56 Tg和25.31 Mg/hm2，与2015年相比分别增加了33.72%和33.92%；至2035年人工乔木林碳储量和平均碳密度将分别达到1 716.27 Tg和36.51 Mg/hm2，与2015年相比分别增加了92.92%和93.17%。随着我国人工乔木林单位面积蓄积量的增长，以及新造乔木林的增加，人工乔木林的碳储量和碳密度也会显著增加。

表7 我国人工乔木林碳汇潜力

根据各人工乔木林优势种的拟合方程进一步分析我国现有人工乔木林未来碳储量可知，2015—2035年，我国人工乔木林主要优势树种碳储量和碳密度均呈现出随着年份增加而不断增长的趋势。2015年我国天然乔木林碳储量占总碳储量85.50%，而人工乔木林碳储量仅占总碳储量的14.50%[8]。随着新造林的增加以及森林单位面积蓄积量的增长，人工乔木林碳储量的比例也在不断增长。2015年，全国林地森林蓄积中，天然林蓄积量为136.717亿m3，占比约80.14%;人工林33.876亿m3，占比约19.86%[8]。与第8次清查结果相比，全国林地森林蓄积中，天然林比例下降了近2个百分点，而人工林上升了2个多百分点。以第9次清查的蓄积量变化规律推算，至2035年，我国人工乔木林碳储量占比增至20%左右，而天然林占比约为80%。在各个时期，天然乔木林的碳密度都远高于人工林和新造林碳密度，而人工乔木林和新造林的碳密度增长幅度大于天然林。新造林由于大多数树种还没有到成熟期，所以其碳密度较小，到2035年，碳密度仅为36.51 Mg/hm2。可见随着时间的推移，我国人工乔木林和新造林的碳储量还有很大的增长空间。

按照本研究中各省(市、区)无林地面积占全国总面积的比重，2035年各省(市、区)新造林树种造林面积按现有优势树种占该省(市、区)乔木林面积比率来确定，各省份均在2035年前完成全部造林，且2015—2035年间每年的新造林面积相同。将现有森林和新造林的各个阶段碳储量累加，则2035年中国乔木林单位蓄积面积比、碳储量及碳密度变化的测算结果见表8。

由表8可知，造林面积增加是人工林总碳储量增加的重要原因之一。我国人工乔木林碳储量较大的几个省(市、区)分别是西藏、云南、黑龙江、四川、内蒙古和吉林，均占全国的5%以上，6个省区人工乔木林碳储量合计占全国的65.47%，高于他所有省份的合计量。我国人工乔木林碳储量较小的几个省(市、区)分别是天津、上海、江苏、宁夏、北京、山东和海南，它们的乔木林碳储量均不到全国的1%。

人工乔木林碳密度较大的几个省(区)分别是西藏、新疆、吉林、四川、云南和青海，它们的碳密度均大于39 Mg/hm2,高于全国平均水平。其中，西藏是我国人工乔木林碳密度最大的省份，为104.6 Mg/hm2,是全国平均水平的2.81倍。人工乔木林碳密度较小的几个省(市、区)是天津、上海、江苏、北京和宁夏，它们的平均人工乔木林碳密度都不足20 Mg/hm2，小于全国的平均水平37.28 Mg/hm2。

表8 2035年我国29个省(市、区)人工乔木林碳储量及其碳密度

由此可知，我国西南地区如西藏及四川等地人工乔木林的碳储量和碳密度均呈现出高于我国平均以及其他地区的水平，因此，及时增加西南地区人工林可造林地的面积，可能成为我国今后人工乔木林种植策略的重要目标。而天津、上海、江苏、北京及宁夏等地的碳储量和碳密度均小于全国平均水平，且占比较低，因此，应考虑减少以上地区人工乔木林的用地面积[16]。

3 讨 论

3.1 中国碳储量显著增长

中国6种主要人工林的总碳储量为1 622.86 Tg,相比2009—2013年有显著增长。人工林碳储量的增长主要取决于面积和单位面积蓄积量的增加，且与造林树种、林龄结构密切相关。两次清查时期内，除马尾松外的其他5种造林树种的人工林面积均有所增加，因此，固碳增值能力不断增长，多数造林树种各龄组的碳储量均有所增加，其中桉树各龄组的碳储量增幅最大。其次，除油松外，其余所有造林树种的中龄林碳储量最大，近熟林和成熟林的碳储量也比较大，而幼龄林和过熟林的碳储量较小，说明我国主要人工林中林龄、近熟林和成熟林对其碳储量起主要作用。这可能由于过熟林受到人为干扰(如采伐)或自然干扰(如森林病虫害、森林火灾等)的影响较大。

3.2 中国主要人工林碳密度增幅不同

我国6种主要人工林的平均碳密度为31.50 Mg/hm2，平均碳密度增加了8.76 Mg/hm2(表6)，且各林龄树种的增幅各不相同。但过熟林的平均碳密度小于成熟林,这与过熟林的单位面积蓄积较小有关。过熟林的面积减小致使单位面积蓄积量和碳密度都有所降低。而杉木、桉树等人工林进入成熟林、过熟林后，碳密度仍在持续增加，依然具有较强的固碳能力。

总体来说，目前我国人工林普遍存在树种组成单一、单位面积蓄积量较低以及龄组结构不合理等一系列问题。与此同时，我国人工林的碳密度增加的潜力巨大，如何估算碳汇增加的潜力以及如何根据碳汇潜力的变化调整森林经营管理措施都是未来应该思考和解决的问题。随着我国幼、中龄人工林发展成为近、成、过熟林，需针对不同的造林树种类型，控制其成、过熟林的面积比例，促进各龄组碳密度的增长，森林碳储量也将进一步增加[13-14]。

3.3 合理调整人工乔木林林龄和林种结构

总体看，合理调整人工乔木林的林龄和林种结构，可以实现森林可持续经营，提高森林生态系统碳汇对碳中和、碳达峰的贡献。随着时间的推移，森林单位面积蓄积的增长，人工乔木林碳储量的比例也在不断增长。在各个时期，天然乔木林的碳储量都远高于人工林和新造林碳储量[17]，而人工乔木林的碳储量增长幅度大于天然林。据国家林业和草原局公报显示[7-8]，2021年，我国森林蓄积量约为175.695亿m3，其中天然林蓄积量141.086亿m3、人工林蓄积量34.521亿m3，总碳储量为918.6 Tg，本研究的研究结果与该公报数据相似。森林植被碳储量的增长主要取决于森林面积和单位面积蓄积量的增加，且与造林树种、林龄结构密切相关。人工乔木林各龄级(组)的碳储量分布比较均匀，成熟林和过熟林的碳储量暂且较高[18]。因此，保护现有人工乔木林的成熟林特别是过熟林将会获得很大的碳吸收效益[17]。同时应通过造林和再造林，恢复退化的人工林，加强对人工林中幼林抚育管理等措施，使得人工林龄级结构和质量得以提高，由此多方面提升森林植被的固碳潜力。与此同时，随着我国幼、中龄人工林发展成为近、成、过熟林，还需针对不同的优势树种，控制其成、过熟林的面积比例，促进各龄组碳密度的增长，森林碳储量也将进一步增加[19]。人工林优势树种的组成、年龄和空间结构的优化完善，能显著提高林地生产力和林木生长量，促进林木生长发育，丰富森林生物多样性，培育健康稳定、优质高效的森林生态系统[20]。

3.4 实现森林可持续经营，提高森林碳汇对碳中和的贡献

对人工林可通过扩大造林面积和可持续经营增加植被碳储量，并相应增加土壤碳储量，同时加强森林可持续经营。森林可持续经营已经成为全球气候变化公约框架下固碳减排应对气候变化的重要措施，提高人工林生态系统的碳储量、碳汇潜力已经纳入人工林的经营管理范畴[21-22]。与此同时，在实现碳达峰、碳中和过程中，除了大力推动经济结构、能源结构、产业结构转型升级，还应进一步加强以完善森林生态系统结构与功能为主线的生态系统修复和保护措施。通过完善森林经营方式，加强对疏林地和未成林造林地的管理，使其快速地达到森林认定标准(郁闭度大于0.2)[23-24]，增强以森林生态系统为主体的森林全口径碳汇功能，加强绿色减排能力，提升林业在碳达峰与碳中和过程中的贡献，打造具有中国特色的碳中和之路[25-26]。