中国防护林碳储量动态及潜力分析

张凯迪，苏建兰

（西南林业大学经济管理学院，云南 昆明 650224）

自工业革命以来，人类向大气中排入大量二氧化碳等吸热性强的温室气体引起了极端天气频发、旱涝加剧等一系列恶果，应对气候变化逐渐成为国际社会普遍关心的重大全球性问题，为此，各国都在积极寻求各种途径推动以CO2为主体温室气体的减排和吸收来应对全球气候变化。相对于工业直接减排，森林碳汇间接减排更具低成本高效益和实际可操作性[1]，是全球公认的低成本减排手段[2]，是世界各国应对气候变化的重要策略[3]。森林是陆地生态系统的重要主体，其在维护生态平衡、促进全球碳循环和缓解全球气候变暖方面有着巨大贡献[4]，但人类活动范围的不断扩张和自然资源的无序开发使得世界范围内大规模的森林资源遭到破坏[5]，以防御自然灾害、保护生产、改善环境和维持生态平衡为目的的防护林工程建设逐渐受到世界各国的重视。中国是继美国和前苏联之后以国家运作方式开展大规模防护林建设的国家[6]，自20 世纪50年代以来我国区域性的防护林营造活动一直持续，三北防护林工程的兴建标志着我国森林资源进入生态——经济的可持续发展状态[7]，我国防护林工程逐步向区域综合性、生态经济型方向发展。防护林学和防护林实践的不断发展使得防护林在我国的森林资源中占据十分重要的地位[8,9]，防护林工程建设不仅是我国的林业重点工程之一，还是我国应对气候变化及实现“碳达峰、碳中和”的重要阵地。

近年来有关防护林体系工程的研究不少，但主要集中于对防护林工程生态效益的评价[10]，或者对防护林工程的建设成效和存在问题进行分析[11,12]，也有部分学者基于区域尺度、影响因素等角度分析防护林的碳储量[13,14]，不同学者对于防护林的研究逐渐从单学科转向多方面、多层次的研究，在防护林营建经营和技术层面给予支持，但对于宏观层面的防护林碳储量贡献分析较为缺乏。我国防护林资源优势使得提高防护林经营管理水平和充分发挥防护林碳汇价值对我国自主减排承诺和“双碳”目标的实现有着关键作用，因此，本文基于1984-2018 年全国森林资源清查数据分析不同清查期间我国防护林碳储量、碳密度动态变化并对碳储潜力进行预测，旨在了解我国防护林碳储量动态变化特征，评价我国防护林固碳潜力，为我国防护林资源结构优化、可持续经营管理及増汇对策提供参考依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

从第3 次全国森林资源清查开始将不同林种乔木林分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林5 个龄组。本文采用生物量转换因子法，需要以不同林种乔木林的五个龄级的蓄积量数据进行后续碳储量测算，因此，以第3 次全国森林资源清查（1984—1988 年）至第九次全国森林资源清查（2014-2018 年）数据为基础估算不同清查期间中国防护林的碳储量和碳密度，并对其动态特征展开分析。

1.2 研究方法

1.2.1 森林碳储量估算

生物量转换因子法通过考虑生物量与蓄积量的关系，根据不同树种的不同含碳率、不同生物量转换因子、不同的木材密度和根茎比等角度对中国防护林各龄组碳储量以及不同起源防护林碳储量进行估算。

生物量转换因子法计算公式如下：

式中，Ct 为某一森林植被的单位碳储量(109kg)，Vj,k为某一树组某一龄级的单位蓄积量（m3），WDj为某一树组的基本木材密度（t/m3），BEFj,k为生物量转换因子，RSRj,k为某一树组的根茎比，CFj为林木生物量中有机碳占有机质总量的比值（%）。BEFj,k、RSRj,k实际计算时针对不同林种不同龄组采纳不同数值；WDj、CFj则采用各省份对应的加权平均值以减少估算过程中造成的误差。

1.2.2 森林碳密度估算

碳密度是森林单位面积的碳储量，是衡量森林生态系统结构优化的重要指标，通过对碳密度的合理估算和动态分析可以为后续森林经营管理和稳碳增汇措施的提出提供科学依据。

本文采用的碳密度计算公式为：

式中：p 为碳密度（t/hm2）；S 为某一树种林地面积（hm2）。

2 结果与分析

2.1 中国防护林碳储量碳密度动态

第3 次清查期间，中国防护林碳储量达58 507.76 万t，占同期中国乔木林总碳储量的15.69%；第九次清查期间中国防护林碳储量达400 899.93 万t，对同期中国乔木林总碳储量的贡献率增加至51.57%，年均增长量为9 782.63 万t。不同清查期间中国防护林碳储总量呈增加趋势，各清查期间防护林碳储量均表现为碳汇，研究期间中国防护林总平均碳密度呈升-降-升的趋势。

7 次清查期间，中国防护林分别储存了中国乔木林总碳储量的15.69%、16.92%、18.77%、43.75%、54.50%、53.42%、51.57%，期间中国防护林碳储总量净增加342 392.17 万t，占全国乔木林碳储量总增加量的84.64%，表明防护林在全国乔木林的固碳能力中占据绝对优势。研究期间，中国防护林碳密度在40.19 t/hm2- 48.03 t/hm2区间内波动，防护林总平均碳密度在第四次清查期间达到最高值48.03 t/hm2；第5 至第7 次清查期间防护林碳密度下降主要原因是此期间中幼龄防护林不断增加而过熟防护林增加量较少甚至出现负增长；碳密度的增加得益于防护林蓄积的增加和林木生长的双重作用，第9 次清查期间防护林的碳密度仅仅处于近30 年来的中等偏上水平，而从单位面积蓄积角度来看，第九次清查期间中国防护林单位面积蓄积（82.97 m3/hm2）却达到整个研究期间的最高水平，这说明我国部分地区在防护林树种选择上可以进行优化，在新造林地上可以选择适宜本地生长的、固碳能力较强的优势树种。

2.2 中国防护林分类碳储量碳密度动态

2.2.1 不同龄组防护林碳储量、碳密度动态变化

森林碳储量与森林龄级结构密切相关，林木自身的生长和外界干扰都会影响林龄的整体结构。7 次清查期间，中龄防护林碳储量长期处于主体地位，占同期防护林碳储总量的比例 （22.43%、22.52%、21.40%、24.78%、31.28%、30.79%、31.46%）也在波动中呈上升趋势；研究期间近熟林和成熟林碳储量一直处于稳步增加的状态，近熟林碳储量贡献率（12.16%、13.33%、13.01%、16.82%、18.50%、18.86%、19.67%）逐期增加，但成熟林碳储量贡献率（33.27%、31.37%、26.05%、28.05%、23.59%、23.21%、22.40%）却逐期减少，说明成熟防护林的林木资源保护和林木经营管理需要更加重视；第3 至第5 次清查期间，过熟防护林碳储量贡献率最高可达31.91%，但从第六次清查期间开始虽然其碳储量在波动中呈小幅增加趋势，但其碳储量贡献率在逐期下降（20.25%、15.57%、16.13%、14.04%），仅次于位于末位的幼龄林之前，不仅因为其面积增加量较少甚至是负增加，还因其碳密度的逐期下降所导致；研究期间幼龄防护林面积占有率在整个研究期间均处于首位，但幼龄林碳密度较低的特性使得其碳储量贡献率长期处于较低水平（8.87%～12.47%之间），若后期加强科学抚育和经营管理，现有防护林资源随着林木的生长和成熟具有较大固碳潜力。

碳密度可有效评价森林的管护水平，研究期间中国防护林总平均碳密度随龄级的增加而增加（幼龄林＜中龄林＜近熟林＜成熟林＜过熟林），且不同龄级间防护林碳密度水平增幅较大，与幼龄林相比过熟林碳密度长期居于较高水平，中国防护林总平均碳密度特征符合森林植被碳密度随龄级增加而增加的特性。整个研究期间过熟林碳密度呈升-降的趋势，成熟林碳密度水平位于过熟林之后，其动态变化与过熟林一致，说明成熟林和过熟林在近些年中被干扰程度较大，林分质量在不断下降；研究期间近熟林碳密度呈稳步增加趋势，由第三次清查期间的45.62 t/hm2增长到第九次清查期间的54.64 t/hm2；中龄林相较于其他龄组（除幼龄林外）来说其碳密度处于较低水平，得益于蓄积方面的优势使其碳储量贡献率长期处于较高水平；尽管整个研究期间幼龄林面积占比长期处于绝对优势，但其碳密度远低于其他龄级林木碳密度。

2.2.2 不同起源防护林碳储量、碳密度动态变化

全国森林资源清查从第3 次开始专门有针对防护林面积和蓄积的统计，从第4 次全国森林资源清查期间开始才有针对不同起源防护林的统计。连续6 次森林资源清查期间，中国天然防护林碳储量呈上升趋势，净增加231 537.95 万t，占中国防护林总碳储量增加量的83.73%，年均增加7 717.93 万t； 中国人工防护林碳储量也在波动中呈上升趋势，整个研究期间净增加44 980.89 万t，人工防护林在第9 次清查期间达到最大（53 312.35 万t），但也仅占同期防护林碳储总量的16.27%。各清查期间中国天然防护林碳储量占同期中国防护林碳储总量的比例 （93.30%、91.57%、93.42%、91.21%、89.21%、86.70%）呈下降趋势，相反人工防护林碳储量占同期中国防护林碳储量比例在不断增加，二者的面积变化与同期碳储量动态变化基本一致。虽然中国人工防护林相较于天然防护林来说贡献率水平较低，但其逐步提升的碳储能力和碳密度动态变化特征无疑为部分地区后续防护林工程建设提供新思路。

人工林普遍面临着树种单一、林木结构简单、易感染病虫害等问题，使得普遍情况下人工林碳密度和碳储量都处于较低水平。研究期间，各清查期间中国天然防护林平均碳密度远高于人工防护林平均碳密度，但二者之间的差值在逐期减少，由第4 次清查期间的35.42 t/hm2的差值减少到第9 次清查期间的23.06 t/hm2的差值。中国天然防护林碳密度随龄级的增加而增加，且相邻龄组间碳密度差值较大，过熟林碳密度远远高于幼龄林碳密度。自第7 次清查期间起中国人工防护林碳密度随龄级增加呈升-降的趋势（成熟林＞过熟林＞近熟林＞中龄林＞幼龄林），但其不同龄级之间差值较小。人工防护林进入过熟林阶段碳密度有所下降，主要是因为人工防护林林分结构简单，且随着林木的生长个体间竞争逐渐激烈，受抑制的过熟林加速老化和死亡，而各龄级人工防护林碳密度水平在不同清查期间的稳步提升可以看作是中国人工防护林林分结构、林分质量不断提升和优化的信号。

图2 中国不同起源防护林碳储量、碳密度

2.3 不同地区防护林碳储能力

西南地区防护林碳储量处于中国防护林碳储总量的主体地位，研究期间其碳储量贡献率 （56.41%、38.42%、39.66%、62.59%、43.25%、41.38%、37.56%）较高是面积优势和碳密度较高的双重作用，研究期间其防护林碳密度处于58.93 t/hm2～77.23 t/hm2之间。华北和东北地区防护林面积差别不大但碳储量有较大差值的原因在于东北地区防护林碳密度较高，不同的地理特征、不同的优势树种及林龄组成合理度都是造成防护林碳密度差别的原因。西北地区防护林碳储量、碳密度长期处于六大区的中间水平。中南地区碳密度长期处于较低水平（17.12 t/hm2～25.42 t/hm2）。人工防护林是东南沿海地区防护林的主力军，东南沿海地区总平均碳密度水平接近华北地区说明人工防护林对于促进部分地区生态稳定及碳汇贡献具有一定优势。

3 中国防护林碳储量潜力预测

3.1 预测模型构建

灰色模型可以通过少量、不完全的信息，建立灰色微分预测模型，并对事物发展规律作出模糊性的长期描述。GM(1,1)灰色预测模型具有根据少量数据进行预测、操作实用性强、预测结果较为合理及准确等特点。其基本原理为：

建立变量对时间的一阶线性微分方程：

a，b 为待定参数，并将上式写成矩阵形式：

即xβ=Y，由最小二乘法确定参数矩阵β 的估计值：

得到参数a，b 的估计值，得到GM(1,1)的时间响应函数：

将累积预测值回代便得到各期预测值。

3.2 中国防护林碳储量潜力预测

本研究首先采用Excel 对各清查期间中国防护林碳储量数据进行整理，并用SPSS软件进行编程和相关预测实现。利用GM(1,1)灰色预测模型对中国防护林碳储量的预测值与中国防护林碳储量实际值对比结果如表1 所示:

表1 中国防护林碳储量实际值与预测值比照表

表2 中国防护林面积及碳储量预测

GM(1,1)灰色预测模型进行预测时，相对误差值（20%以内说明拟合良好）、后验差比C值（＜0.35 说明模型精度高）越小越好，由表1 可知，该模型平均相对误差ε=5.361%，后验差比C=0.022，说明模型预测拟合程度较高，结果较为可信，可以基于此对中国防护林碳储量进行预测。同时，森林碳储量与森林蓄积量有直接关系，而森林蓄积量又与森林面积相关[15]。因此，本研究利用GM(1,1)灰色预测模型对中国防护林面积和碳储量进行预测。

根据GM(1,1)灰色预测模型的预测结果，按照目前中国防护林资源发展状态，2030 年中国防护林面积将达到13 980.38 万hm2，防护林碳储量将达597 148.06 万t，较2018 年实现碳储量增加196 248.13 万t，2018-2030 年间防护林碳储量年均增长量为16 354.01 万t；2060 年中国防护林面积将达到29 117.10 万hm2，防护林碳储量将达1 222 990.26 万t，较2018 年实现碳储量增加822 090.33 万t。且由前文可知，目前我国防护林资源处于较年轻状态，随着林木的成熟单位面积防护林碳储量水平增加，中国防护林将会具有更高的固碳能力，能为我国的“双碳”目标的实现做出更大贡献。

4 结论与建议

4.1 结论

1）近年来中国防护林碳储量及碳密度水平持续上升。1984-2018 年间中国防护林碳储量由58 507.76 万t 增加到400 899.93 万t，净增342 392.17 万t，占全国乔木林碳储增量的84.64%，年均增长量9 782.63 万t，碳密度呈“升-降-升”的变动态势。

2）中国防护林总平均碳密度随龄级的增加而增加，不同龄级间防护林碳密度水平增幅较大。中龄防护林碳储量长期处于主体地位，近熟林和成熟林碳储量稳步增加，过熟林碳储量增加量较少且其碳密度呈升-降趋势，幼龄林面积占有率均处于首位但其碳储量贡献率长期处于较低水平（8.87%～12.47%之间）。

3）天然防护林碳储量在中国防护林碳储总量中占据绝对优势，研究期间中国天然防护林碳储量净增加231 537.95 万t，占中国防护林总碳储量增加量的83.73%，年均增加7 717.93 万t，人工防护林碳储量呈上升趋势，净增加44 980.89 万t。天然防护林碳密度随龄级增加而增加，而不同清查期间各龄级天然防护林碳密度呈持平甚至下降趋势，近15 年来人工防护林碳密度表现为成熟林＞过熟林＞近熟林＞中龄林＞幼龄林，各清查期间天然防护林碳密度水平远高于人工防护林。

4）西南地区防护林碳储量贡献率远高于其他地区，华北与东北地区防护林总面积相当，但东北地区防护林碳储量、碳密度远高于华北地区，以人工防护林为主的东南沿海地区防护林碳密度接近华北地区防护林碳密度说明了人工防护林对于防护林工程体系的重要性。

5） 根据目前防护林资源发展状态和经营管理水平，预计2030 年中国防护林面积将达到13 980.38 万hm2，防护林碳储量将达597 148.06 万t，2060 年中国防护林防护林碳储量将达1 222 990.26 万t。

4.2 建议

1）保障中幼龄防护林顺利成熟，保证成熟林和过熟林的合理采伐。注重防护林体系工程中幼龄林的后续抚育和管理，提前确立好林带宽度、注意保证合理的疏密度等以保证幼龄林的顺利成熟。同时，根据不同类型防护林确立不同的终止防护林成熟龄和更新期，避免林产品开发中对其的大量的、无序的采伐。

2）提高人工林稳定性。首先保证人工幼龄林的顺利成活，根据地理区域及气候特征确立各地区优势树种，并及时疏伐和更新老化、退化林。同时，要加强人工防护林的集约高效经营管理，进行长时间、大范围的不同层次的林业规划，以增强其稳定性和生态系统自我调节能力，提升林分质量。

3）优化防护林林种结构和龄组结构，提高防护林经营管理水平。根据不同的防护林营造目的确立不同的树种构成和空间分布，构建树种丰富化、林龄构成合理化的防护林带。根据不同地区生态环境特点选择固碳能力较强的优势树种，营造群落结构完整、稳定性强、固碳能力较高的防护林体系，以进一步提高我国防护林生态系统的固碳功能和社会经济效益。