河南省乔木林碳储量和碳密度研究

陈 晨,时军霞,刘光武

(河南林业职业学院,河南洛阳 471002)

森林是陆地生态系统的主体,是地球生物圈的重要组成部分[1],它不仅在维护区域生态环境上起着重要作用,而且在全球碳平衡中有着巨大贡献[2]。20世纪80年代以来,我国先后实施重点林业生态工程、退耕还林工程、天然林保护工程、自然保护区建设与管理等,这些措施使我国森林覆盖率和森林质量都得到大幅提升,进一步增强了森林碳汇能力。森林生物量是森林植物群落在其生命过程中所产生的干物质累积量[3],是衡量森林生态系统稳定性和健康程度的重要指标[4],也是计算森林碳储量、碳密度的基础。目前,学者采用不同方法对森林生态系统生物量、碳储量进行了大量研究[5-11]。但由于我国森林的复杂性、多样性,以及调查数据的不完整性和研究方法的差异性,导致在估测大尺度森林生物量和碳储量方面存在较大差异。为了能获取更准确的森林碳储量数据,提高森林生产力,需要在不同区域开展森林生物量及碳储量研究。笔者以第九次森林资源清查资料为依据,估算河南省乔木林碳储量和碳密度,探究河南省森林资源现状,以期为河南省乃至全国森林碳储量及森林价值估算提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况河南省(110°21′～116°39′E,31°23′～36°22′N)地处我国中东部、黄河中下游,总面积约16.7万km2,山地和丘陵占全省面积的44.3%。河南省处于暖温带和亚热带气候交错的边缘地区,气候具有明显的过渡性特征。全省年平均温度稳定在14 ℃左右,年平均降水量在600～1 200 mm,受地理位置及气候类型影响,河南省森林植被地带性明显,以伏牛山主脊和淮河干流一线为界,北部为南暖温带落叶阔叶林地带,南部为北亚热带常绿阔叶林地带。

1.2 数据来源所用数据为河南省2014—2018年全国森林资源清查资料,全省共设置10 355个固定标准地,标准地面积0.067 hm2,调查内容包括标准地面积、地类、优势树种、龄组、林分起源、林分蓄积等。依据森林资源清查要求,森林包括乔木林、灌木林、竹林,研究对象为乔木林。在森林资源清查数据中乔木林不含下层木、地被层和土壤层信息,因此研究中乔木林碳储量不含上述碳储量。

所用乔木林按起源分为人工林和天然林,包含针叶林、阔叶林、混交林、经济林4种类型,龄组包括幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林,主要树种(组)有31个,分别为落叶松(LarixgmeliniiKuzen.)、黑松(PinusthunbergiiParl.)、油松(PinustabuliformisCarriere)、马尾松(Pinusmassoniana)、国外松、其他松类、杉木(Cunninghamialanceolata)、池杉(Taxodiumascendens)、柏木(Cupressusfunebris)、栎类、桦木(Betula)、樟木(Cinnamomumcamphora)、榆树(Ulmuspumila)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、枫香(Liquidambarformosana)、其他硬阔类、杨树(Populusspp.)、柳树(Salixbabylonica)、泡桐(Paulowniafortunei)、楝树(Meliaazedarach)、白蜡树(FraxinuschinensisRoxb)、其他软阔类、针叶混、阔叶混、针阔混、核桃(JuglansregiaL.)、板栗(Castaneamollissima)、杜仲(Eucommiaulmoides)、银杏(GinkgobilobaL.)、油桐(Verniciafordii)、其他经济类。

1.3 研究方法

1.3.1生物量计算。研究表明,森林生长量与林分蓄积量之间存在相关关系, IPCC法依据林分类型的材积与生物量扩展因子及相关参数的乘积求出某林分类型的生物量,公式如下:

Btotal=Vtotal·D·BEF2·(1+R)

(1)

式中:Btotal为某一树种(组)的生物量(t);Vtotal为某一树种(组)的蓄积量(m3);D为某一树种(组)的木材密度(t/m3);BEF2为某一树种(组)的生物量扩展因子;R为某一树种(组)的地下部分/地上部分根冠比。

该研究中木材密度、根冠比、含碳率采用IPCC推荐使用的不同树种参数,相关参数值见表1。李海奎等[12-13]将BEF2分成5个区间,取每个区间的中值作为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林的生物量转换因子,相关参数值见表2。根冠比需要依据树种蓄积、面积、木材密度、生物量扩展因子等数据计算得到。

表1 各树种生物量转换参数和含碳系数Table 1 Biomass conversion parameters and carbon coefficients of different tree species

1.3.2碳储量计算。乔木林某一树种(组)碳储量评估采用国际通用的做法,用测算的某一树种(组)生物量与该树种含碳系数相乘得到。不同龄组碳储量相加可得树种(组)碳储量,不同树种(组)的碳储量相加可得河南省乔木林碳储量。

2 结果与分析

2.1 乔木林不同树种(组)的生物量由表3可知,河南省乔木林主要树种有31个,林分总面积34 844.38×102hm2,总碳储量160.37×106t。碳储量比率在2%以上林分从大到小为阔叶混>栎类>杨树>针阔混>马尾松。这5个树种(组)碳储量比率和为85.99%,林分面积和占77.41%, 5个树种(组)碳储量高与林分面积大和碳密度高有关。这5个树种(组)在河南省森林植被中地位重要,它们的碳储量动态变化将影响整个区域的碳汇变化。

表2 不同林分类型生物量扩展因子Table 2 Biomass expansion factors of different stand types

表3 河南省乔木林不同树种碳储量和碳密度统计Table 3 Statistics of arbor forest carbon storage and carbon density by different tree species in Henan Province

在不同树种(组)中,阔叶林面积为29 837.44×102hm2,占乔木林总面积的85.63%,碳储量为141.27×106t,占乔木林总碳储量的88.09%;针叶林面积为5 006.94×102hm2,占乔木林面积的14.37%,碳储量为19.10 t,占总碳储量的11.91%。可见,河南省乔木林以阔叶林为主,阔叶林是乔木林碳储量主要贡献者。

河南省乔木林平均碳密度为46.02 t/hm2,高于平均碳密度的林分类型从大到小为池杉>栎类>杉木>针阔混>杨树>阔叶混>枫香。栎类和杨树是河南省主要的乔木树种。栎类的碳密度为57.27 t/hm2,是长寿树种之一,森林生态系统以栎类为支撑可以长久稳定[14]。杨树碳密度为49.35 t/hm2,其面积占河南省人工林面积的32.56%,因生长快、产量高、成才早、材质优良等特点在河南省广泛种植[15]。

2.2 乔木林不同龄组的碳储量由表4可知,河南省乔木林各龄组碳储量表现为幼龄林>中龄林>近熟林>成熟林>过熟林。幼龄林面积占乔木林总面积的54.08%,幼龄林碳储量占乔木林总碳储量的45.02%;近、成、过熟林占乔木林总面积的22.42%,碳储量占乔木林总碳储量的25.13%,河南省乔木林以幼龄林为主,各龄组碳储量的大小关系与其面积及碳密度大小有关。

幼龄林碳密度仅为38.32 t/hm2,碳储量达72.20×106t,主要由于幼龄林面积大。不同龄组碳密度表现为中龄林>近熟林>成熟林>过熟林>幼龄林,随着林分年龄的增加,碳密度呈先增后减趋势。河南省乔木林中龄林碳密度最大值,达58.46 t/hm2。同时期,全国乔木林面积中,幼龄林占32.67%。河南省乔木林面积中,幼龄林占54.08%。随着幼龄林不断成熟,碳密度逐渐增大,河南省乔木林固碳潜力巨大。

表4 河南省乔木林不同龄组碳储量和碳密度统计Table 4 Carbon storage and carbon density of arbor forest by different age group in Henan Province

2.3 不同起源乔木林碳储量由表5可知,河南省天然林碳储量为88.38×106t,占乔木林碳储量的55.11%,河南省人工林碳储量为73.28×106t,占乔木林碳储量的45.69%。天然林以幼龄林和中龄林为主,其碳储量占天然林总碳储量的93.55%,近、成、过熟林碳储量比率仅占6.46%。人工林幼、中龄林占人工林碳储量的52.45%,近、成、过熟林占47.55%。河南省天然林碳储量略占优势,近、成、过熟林主要为人工林。

天然林各龄组碳密度均大于人工林,说明天然林碳汇能力更强。不同起源的乔木林碳密度随着年龄的增加,均呈先增后减的变化趋势。天然林碳密度在成熟林阶段达到峰值,而人工林碳密度在近熟林阶段达到峰值。不论起源,达到过熟林阶段时,林分老化,长势衰退,固碳能力快速下降。在过熟林阶段,天然林和人工林碳密度基本持平。

天然林中,栎类碳密度最大,为63.06 t/hm2,榆树碳密度最小,仅10.74 t/hm2。人工林中,池杉碳密度最大,达59.13 t/hm2,油桐碳密度最小,仅4.07 t/hm2。

3 结论与讨论

3.1 结论该研究基于2014—2018年全国森林资源清查资料,采用材积源生物量法估算的河南省乔木林碳储量和平均碳密度分别为160.37×106t和46.02 t/hm2。同时期,我国乔木林碳储量和碳密度分别为75.75×108t和43.11 t/hm2[16],河南省碳储量占全国的2.12%,碳密度略高于全国平均水平,说明河南省乔木林质量高于全国平均水平。2004—2008年河南省乔木林碳储量87.96×106t,碳密度为31.04 t/hm2[17]。10年间,河南省乔木林碳储量增长了82.32%,碳密度增长了48.26%。河南省采取的天然林保护工程、退耕还林、封山育林等措施极大地促进了森林碳汇能力的增加。

林种类型、林分年龄、林分起源不同,森林碳储量差别显著。河南省主要乔木树种(组)有31个,其中阔叶混、栎类、杨树、针阔混、马尾松5个树种(组)的林分面积占乔木林总面积的77.41%,碳储量占乔木林总碳储量的85.99%,这5个树种(组)对维护区域碳平衡起着重要作用。在乔木林中,阔叶林面积占乔木林总面积的85.63%,碳储量占乔木林碳储量的88.09%,阔叶林是河南省碳汇的主要贡献者。阔叶林中,栎类林的碳密度最大,为57.27 t/hm2,栎类林碳储量占乔木林总碳储量的27.80%。然而,河南省栎类多为天然次生林,存在林分密度过大、干形弯曲、材质差等问题[14],若对现有林分加强抚育管理,将有利于森林碳汇增加。

森林的碳动态在很大程度上取决于其龄级的变化[13],从不同龄组的碳储量来看,幼龄林面积为18 843.00×102hm2,占乔木林总面积的54.08%;碳储量72.20×106t,占乔木林碳储量的45.02%。幼龄林碳密度只有38.32 t/hm2,低于其他龄组。乔木林龄组碳储量方面的数据显示,河南省乔木林以中、幼龄林为主,若对这些森林加强抚育管理,随着年龄的增加,河南省乔木林碳储量增加趋势明显。

河南省乔木林以人工林为主,其面积占乔木林面积54.97%,但人工林碳储量低于天然林。人工林树种单一,结构与功能差,病虫害频繁发生,生产力较差[4,13],是导致其固碳能力低的重要原因。若能调整区域内人工林树种结构,做好低效林分改造修复,将会提高人工林固碳能力。

不同起源的林分,随着林分年龄的增加,碳密度均呈先增后减的变化趋势,这符合林分生长的一般规律。天然林和人工林在过熟林阶段,碳密度均低于成熟林,主要由于林分长势衰退,有机质分解等,固碳能力下降。

3.2 讨论林分起源不同,碳密度拐点不一致,产生差异的原因可能是不同起源的林分数据分布差异造成的,需结合林业实际生产经验方能确定。因森林资源清查数据缺少乔木林下层木、地被层、枯枝落叶层、土壤层碳储量信息,因此该研究中乔木林碳储量只包括乔木地上和地下部分的碳储量,后期有望进一步研究补充乔木林缺失部分碳储量信息,提升估算精准度。