温州市森林生态系统碳储量研究

雷海清，孙高球,郑得利

(1.浙江省亚热带作物研究所，浙江 温州 325005；2.丽水职业技术学院，浙江 丽水 323000；3.平阳县林业技术指导站，浙江 平阳 325400；4.国营浙江省永嘉县四海山林场，浙江 永嘉 325115)

森林生态系统是陆地生态系统最大的碳库[1]，在固碳和释氧、减缓气候变化、维持全球碳平衡方面发挥着重要的作用[2-3]。国内外学者在全球和区域尺度对森林生态系统碳储量、碳密度已开展了大量的研究[4-15]，但研究结果存在一定的差异，原因可能是研究区域跨度比较大，森林植被类型多样化，所采用的基础数据存在一定差异，且估算方法不统一[5]。随着国家战略层面提出要在2030年完成碳达峰、2060年实现碳中和，对于准确评估区域层面的林业碳汇能力提出了更加迫切的需求。中国森林资源分布范围较广，各地气候差异明显，树种分布差异较大，开展区域森林生态系统碳储量的研究，提高估测精度显得极为必要[16]。此前，戎建涛等[17]对树种碳含量进行了研究，而有关区域森林生态系统碳储量的研究尚较少[18-19]。本研究以温州市森林生态系统为研究对象，利用2018年森林资源调查数据，结合样地调查和分析数据，估算不同组分的碳储量和碳密度，掌握温州市碳储量现状，为区域碳汇的评价提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

浙江省温州市(119°37′～121°18′E，27°03′～28°36′N)为中亚热带季风气候区，全市陆域面积12 110 km2，海域面积8 649 km2。年均气温17.9 ℃，1月平均气温4.9～9.9 ℃，7月平均气温26.7～29.6 ℃。年降水量1 500～1 900 mm，无霜期241～326 d，年日照时间1 442～2 264 h。境内地势从西南向东北呈现梯形倾斜，土壤类型主要为红壤、红黄壤和黄壤。温州属中亚热带常绿阔叶林北部和南部亚地带的过渡区，是亚热带南北植被汇集区，植物种类繁多，有木本植物1 016种，隶属112科378属[21]。森林植被类型主要有常绿阔叶林，常绿-落叶阔叶混交林，针叶林和针阔混交林分，竹林、灌丛和灌草丛。其中地带性植被是常绿阔叶林，主要分布在海拔为500～1 000 m的东西和东北向山地，以甜槠(Castanopsiseyrei)、苦槠(Castanopsissclerophylla)、栲(Castanopsisfargesii)、青冈(Quercusglauca)、红楠(Machilusthunbergii)、樟(Cinnamomumcamphora)、木荷(Schimasuperba)、山茶(Camelliajaponica)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)等树种组成建群种，林冠整齐、郁闭度高，林地腐殖质含量高，土壤肥沃；常绿落叶阔叶混交林为亚热带地带性植被之一，主要分布在海拔700～1 200 m的山地西北、东北坡，以壳斗科(Fagaceae)、漆树科(Anacardiaceae)、野茉莉科(Styracaceae)、桦木科(Betulaceae)树种为建群种，群落季相变化明显、外貌色彩丰富，林地腐殖质含量高；针叶林以黄山松(Pinustaiwanensis)林、柳杉(Cryptomeriajaponicavar.sinensis)林、杉木(Cunninghamialanceolata)林为主，以人工植被为主，黄山松林以片状、块状形式分布在海拔800 m以上的山地；杉木林分布于海拔1 000 m以下的低山、低山山麓、山坳，柳杉人工纯林常分布于海拔600～1 000 m的中山和低山山麓、山坳，针叶林主要分布在文成、泰顺、永嘉、平阳、乐清等县(市)。针阔混交林以马尾松(Pinusmassoniana)针阔混交林为主，常分布于海拔700 m以下的低山、丘陵和河谷滩地。竹林以片状、大块状分布于海拔1 000 m以下的中山、低山丘陵的山麓、山坳，以泰顺、永嘉面积最大；灌丛和灌草丛分布于海拔800～1 500 m的低山和中山的山顶、山脊和山麓，为常遭砍伐或火烧后形成的次生植被类型，在泰顺、永嘉、文成分布比较广泛。

2018年森林资源年度监测数据显示，截止到2018年底，全市森林覆盖率达到60.03%，林地面积76.566 8万hm2，森林面积72.146 8万hm2，其中：乔木林60.960 4万hm2(含乔木经济林0.612 8万hm2)，灌木经济林4.950 4万hm2，竹林6.236万hm2。

1.2 研究方法

1.2.1 研究样地设置

研究采用的森林资源数据来源于2018年温州市森林资源年度监测数据(表1)，包含各林分类型面积和蓄积量等。本研究中主要考虑乔木林和毛竹林的数据，不包含经济林和杂竹的数据。毛竹林采用单株平均生物量与总株数之积估算竹林生物量。

由于森林资源年度监测资料中仅有乔木层相关数据，并没有灌木层、草本层和凋落物层以及土壤层的相关数据，因此，在2019—2020年，每个森林类型设立了3个20 m × 20 m调查样地，共计30个调查样地，调查样地的具体位置及其海拔、坡向、坡位和坡度，乔木层的郁闭度、树种组成、胸径、树高和林龄，灌木层和草本层的物种组成及覆盖度，土壤层的土壤容重。乔木层优势树种，选择3株平均样木，分别按叶片、枝条、树干和根系等不同部位取样，每个部位分别取鲜质量500 g左右，带回实验室烘干后测定不同部位的含碳率，测定方法采用重铬酸钾-硫酸氧化法[22]。

1.2.2 乔木层碳密度的估算

本研究乔木层的生物量采用了生物量和蓄积量转换关系方法[4]进行了估算，采用以下公式估算:

B=aV+b。

式中：B为不同林分类型单位面积的生物量，t/hm2；V为单位面积的蓄积量，m3/hm2；a、b为生物量-蓄积量转换参数，参数值及林分各层含碳率见表1。乔木层碳储量包含了根系生物量碳储量，将森林监测资料中各森林类型的单位面积蓄积量代入公式中，求出单位面积生物量，然后乘以对应森林类型乔木含碳率即为各森林类型的乔木层碳密度。

表1 温州市森林资源数据、生物量转换方程参数及林分含碳率

1.2.3 不同林分类型林下植被(灌木、草本)及凋落物碳密度估算

在各林分类型乔木调查样地中，沿对角线随机设立3个2 m × 2 m的灌木样方，合计90个小样方，调查样方内的所有灌木种类、盖度，并按照收获法分根、枝干和叶称质量，分不同的部位取500 g鲜样带回实验室。在灌木样方内，随机设置1个1 m×1 m的草本样方，共计90个，记录草本种类和盖度，收获样方内的所有草本，分地上和地下部分称量，并分别取约500 g鲜样带回。收集草本样地内凋落物并称量，取500 g带回。将采集的样品带回实验室，在烘箱里85 ℃烘干至质量恒定，计算生物量密度。参照文献[22]采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定含碳率。灌木、草本和凋落物层生物量密度乘以其相应的含碳率(表1)即为碳密度[23]。

1.2.4 土壤层碳密度估算

在乔木层各样地内，按照“S”形设立5个土壤采集点，清除地表枯枝落叶，采用内径为5 cm的土钻，分层采集0～20 cm、≥20～40 cm、≥40～60 cm、≥60～80 cm、≥80～100 cm 共5个土层的土壤样品，同一样地内5个不同采样点、同一层次的土壤样品充分混匀后带回实验室，并自然风干过筛，然后采用重铬酸钾-硫酸氧化分析法测定土壤有机碳的含量。采用100 cm3的环刀分别测定0～100 cm各土层的土壤容重[24]。各林分类型土壤碳密度的计算公式为:

式中：DSOC为不同林分类型土壤有机碳的密度，t/hm2；Bi为第i层的土壤容重，g/cm3；Ci为第i层的土壤有机碳含量，g/kg；Di为第i层的土壤厚度，cm。

1.2.5 不同森林生态系统碳储量的估算

利用外推法估算不同森林类型灌木层、草本层、凋落物层和土壤层有机碳储量[6]，估算公式如下：

1.2.6 数据分析

采用Excel 2016处理数据，并应用SPSS 16.0进行Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 温州市典型林分森林生态系统碳储量分布特征

经测算，温州市森林生态系统碳储量为81.70 Tg，其中乔木层18.46 Tg、灌草层1.55 Tg、凋落物层1.02 Tg和土壤层60.67 Tg，分别占生态系统碳储量的22.60%、1.89%、1.25%、74.26%(表2)。土壤层、乔木层有机碳储量是温州市森林生态系统的主要碳库，占全部森林生态系统有机碳储量的96.86%。温州市典型林分森林生态系统碳密度平均值为123.81 t/hm2，其中乔木层的为27.98 t/hm2、灌草层的为2.34 t/hm2、凋落物层的为1.54 t/hm2、土壤层的为91.95 t/hm2。

表2 温州市森林生态系统碳储量和碳密度

从不同森林类型来看，硬阔林、针阔混交林和马尾松林林分是温州市森林生态系统有机碳储量的主要贡献者，分别占森林生态系统有机碳储量的31.08%、23.31%、14.95%。从固碳总量来看，硬阔林固碳总量最大，碳储量达到25.39 Tg；其次是针阔混交林，达到19.05 Tg，最小的是柏木林，为0.04 Tg。不同树种林分生态系统碳密度有一定差异，其中柳杉林碳密度最大，为185.42 t/hm2；最低的是马尾松林，仅为83.34 t/hm2。

不同森林类型中不同层次碳密度比较发现，乔木层碳密度最大的是柏木林，达到(46.06±4.05) t/hm2，阔叶混交林碳密度最低，仅为(20.50±2.08) t/hm2；灌草层中，碳密度最大的是针阔混交林，为(4.39±1.32)t/hm2，最低的是柳杉林，仅为(0.24±0.12)t/hm2；凋落物层中，碳密度最大是柏木林，为(2.91±0.98)t/hm2，最低的是其他松木林，为(0.74±0.17)t/hm2；土壤层中，碳密度最大的是柳杉林，达到(136.97±43.80)t/hm2，最小的是其他松木林，为(49.38±8.12)t/hm2。

2.2 温州市不同森林生态系统各组分之间有机碳储量的相关性分析

分析发现，温州市不同森林生态系统乔木层与灌草层有机碳储量呈负相关关系，乔木层与凋落物层碳储量呈显著正相关关系(P<0.05)，乔木层与土壤层、森林生态系统碳储量相关性均不显著；灌草层与凋落物、土壤层和森林生态系统有机碳储量均呈负相关关系；凋落物层与土壤层和森林生态系统有机碳储量相关性不明显；所有组分中，只有土壤层碳储量与森林生态系统碳储量呈极显著正相关关系(P<0.01)，相关系数为0.968，说明土壤层对整个生态系统碳储量的贡献最大(表3)。

表3 温州市森林生态系统各组分碳储量相关分析

3 讨 论

3.1 温州市森林生态系统碳储量在浙江省的占比

周玉荣等[7]研究发现，全国森林生态系统有机碳储量为2.81×1010t，其中植被有机碳储量为6.20×109t，凋落物层有机碳储量为8.92×108t，土壤层有机碳储量为2.10×1010t；李银等[14]研究发现，浙江省森林生态系统碳储量为602.73 Tg。本研究显示，温州市森林生态系统碳储量(81.70 Tg)占浙江森林生态系统碳储量的13.55%。而温州森林面积占全省森林面积的11.82%，说明温州的森林固碳能力高于全省平均水平。温州市森林生态系统碳密度(123.81 t/hm2)虽略高于全省平均水平(120.8 t/hm2)[14]，但只有全国平均水平(258.83 t/hm2)[7]的一半左右，分析其原因主要是幼、中龄林面积占比大所导致的。

3.2 温州市森林生态系统有机碳储量的分配特征

森林土壤有机碳库是森林生态系统最大的有机碳库。温州市森林生态系统土壤有机碳库约为植被有机碳库的2.88倍，略低于全国(3.39倍)[7]和浙江省(3.23倍)[14]数据。这可能是由于温州市位于浙江省南部，年均温度高于浙江省平均水平，温暖气候促进了土壤有机碳的分解。

乔木层碳储量是植被碳库的主要部分。本研究中，乔木层碳库占植被碳库的87.84%，这与浙江省的研究结果(88.01%)基本接近[14]，温州森林类型和浙江省其他地区的基本一致，以中幼龄林为主，有较好的固碳潜力，通过森林经营，提高乔木层的单位面积蓄积量，是增加森林有机碳储量的主要途径。

森林凋落物层是森林生态系统的重要组成部分。温州市森林生态系统凋落物层平均碳密度为1.54 t/hm2，远低于全国(8.21 t/hm2)[7]和浙江省(2.28 t/hm2)[14]平均水平。这主要因为凋落物的现存量很大程度依赖于所处区域的水热条件、地域特点[25]，一般随水热因子的改善而减小[7、26]。

温州市的林下灌草层碳密度为2.34 t/hm2，高于吉林省碳密度(0.64 t/hm2)[27]，以及陕西省灌草层碳密度(1.42 t/hm2)[28]，说明温州市林下灌草具有较强的固碳能力。温州地处浙江最南端，水热条件较好，林下植被丰富，灌草层的碳密度较高。灌草层碳库占植被碳库的7.34%，说明灌草层的碳库也不应被忽视。

3.3 不同林分类型的固碳作用

不同林分类型的固碳作用有差异。本研究中，从固碳总量来看，温州市硬阔林固碳总量最大，其次是针阔混交林，最小的是柏木林。李银等[14]对浙江省的研究表明，阔叶混交林的固碳总量最大，樟木林的固碳总量最小。吴国训等[29]对江西省不同类型森林碳储量的研究结果又稍有不同，2011年江西省碳储量最大的森林类型是杉木人工林。这与不同林分类型的面积和碳密度有关，温州市硬阔林的面积最大，生态系统碳密度也相对较大，所以其总的固碳量为最大。同时与研究采用的森林资源的林分分类也有关，在浙江省的研究中，把林分类型分成10个类型，其中樟木林、木荷林、栎类林是单独列出，而在此次对温州市研究中，林分类型分成9个类型，硬阔林包含了樟木林、木荷林和栎类林；同时，温州地处浙江省的最南端，气候温暖，阔叶树种相对较为丰富，所以温州的硬阔林面积占比高于浙江全省平均水平，导致了温州不同林分类型中，硬阔林的固碳总量最大。

不同树种林分生态系统碳密度有一定差异，柳杉林碳密度最大，最低的是马尾松林。这与李银等[14]的研究有一定差异，其柳杉的碳密度最大为204.15 t/hm2，竹林的碳密度最低为96.98 t/hm2，马尾松林的碳密度为109.39 t/hm2，其碳密度均高于本研究结果。产生这种差异的原因主要是土壤层的碳密度不同。本研究中土壤层中碳密度最大为柳杉林；而在陶吉兴等[26]的研究中，浙江省土壤有机质碳库平均碳密度100.44 t/hm2，针叶林的为98.14 t/hm2，竹林的为102.82 t/hm2。由于土壤碳库受采样数量和采样地点的限制，产生的差异较大，今后应加大对土壤碳库的研究，以期获取更加精确的生态系统碳密度数据。

3.4 监测方法对森林生态系统碳储量估算的影响

由于研究方法不同和采用基础数据的差异，对森林有机碳储量的估算一定程度上还存在很大的不确定性[6-11]。从全国尺度来看，Pan等[3]估算的中国森林乔木碳储量为4 020.00 Tg，而Fang等[4]估算的结果为4 630.00 Tg。专门针对浙江省范围，李银等[14]估算浙江省森林生态系统碳储量为602.73 Tg，戴巍[15]估算的结果为 877.19 Tg。出现这些差异的原因可能是学者采用的研究方法和基础数据存在一定的差异。建议未来在进行区域尺度碳循环研究时，尽量采用统一的基础数据和合理的监测方法，从而减少估算的不确定性。

本研究采用2019—2020年温州市野外标准地实测调查资料, 并结合了2018年温州市森林资源年度监测调查数据，研究并分析了温州市森林生态系统有机碳储量和有机碳密度，这是首次对温州市森林生态系统碳储量进行研究。国内其他城市也开展过一些类似的研究[17]，为评价当地森林生态系统的碳汇功能提供了基础资料。

致谢：温州市自然资源和规划局潘李志，浙江省亚热带作物研究所陈庆辉、缪三弟、刘星等同志参加外业调查工作。