張勝利，項文化,2，鄧湘雯,3，雷丕鋒,2，方 晰,3

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，湖南 會同 438107；3. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙 410004）

湖南省2009年杉木林碳貯存量及未來固碳潛力分析

張勝利1，項文化1,2，鄧湘雯1,3，雷丕鋒1,2，方 晰1,3

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，湖南 會同 438107；3. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙 410004）

利用文獻數(shù)據(jù)建立杉木不同齡組（幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林）的生物量相對生長方程，計算杉木各齡組林分的平均生物量和碳貯量。根據(jù)2009年湖南省森林資源數(shù)據(jù)，估算湖南省及各地市（州）杉木林總生物量和碳貯存總量。從文獻中選擇生長較好的杉木林作為合理經(jīng)營狀態(tài)林分，分析該狀態(tài)下杉木林各齡組的林分生物量，同時針對湖南省杉木林各齡組的面積分布現(xiàn)狀，調(diào)整齡組面積結(jié)構(gòu)，估算合理經(jīng)營狀態(tài)下和調(diào)整齡組結(jié)構(gòu)后杉木林的碳貯量，分析湖南省杉木林的未來固碳潛力，為湖南省杉木林合理經(jīng)營和生態(tài)功能區(qū)劃提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明：2009年湖南省杉木林林分的碳貯量為0.50～227.01 t/hm2，林分平均碳貯量從幼齡林的5.94 t/hm2增加到過熟林的147.25 t/hm2。全省杉木林碳貯存總量為52.16×106t，其中湘潭市杉木林碳貯量最低，為0.42×106t，懷化市的最高，為11.97×106t。杉木幼齡林的碳貯存總量最?。?.94×106t），過熟林最大（13.12×106t）。如果采取合理經(jīng)營措施，湖南省杉木林碳貯存總量可增加到103.83×106t，約為目前杉木林碳貯存總量的2倍。杉木林齡組結(jié)構(gòu)調(diào)整后，湖南省杉木林各齡組碳貯量從幼齡林的1.91×106t增加至過熟林的47.37×106t，全省杉木林碳貯存總量可增加到81.10×106t，為目前杉木林碳貯存總量的1.55倍?？梢?，湖南省杉木林具有較大的固碳潛力，提高林分單位面積生產(chǎn)力和調(diào)整全省杉木林齡組面積結(jié)構(gòu)是增加森林固碳潛力的有效途徑。

杉木林；碳貯量；固碳潛力；湖南??；森林經(jīng)營；齡組面積結(jié)構(gòu)調(diào)整

全球氣候變暖已成為科學(xué)界不爭的事實，受到人們的廣泛關(guān)注[1]。大氣CO2濃度不斷升高是全球氣候變化的主要原因。根據(jù)IPCC報告，到2030年前后大氣CO2濃度將達到550 μL/L，為產(chǎn)業(yè)革命前的兩倍[2]。大氣CO2濃度增加對全球碳循環(huán)影響的研究受到世界各國的高度重視[3]。通過減少人類在生產(chǎn)和生活中的CO2排放量[4]和增加陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳量來降低大氣中CO2濃度已成為人類社會一項刻不容緩的任務(wù)[5]。

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在全球碳平衡中發(fā)揮著重要作用，同其它陸地生態(tài)系統(tǒng)相比，森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力較高，每年固定的碳量約占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的2/3[6]。因此，森林生態(tài)系統(tǒng)對當(dāng)前及未來氣候變化、碳平衡具有重要意義。21世紀(jì)以來，有關(guān)森林植被與碳平衡方面的研究越來越受到各國的重視[7]，我國也有大量關(guān)于國家和區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的研究[8]。

杉木是我國南方重要的速生優(yōu)良用材樹種，已有近千年的栽培歷史[9]。目前，我國杉木林的面積已超過1億畝[10]，占全國人工林面積的26.55%[11]。因此，杉木林在木材生產(chǎn)、森林固碳和其它生態(tài)服務(wù)功能方面具有重要地位[12]。國內(nèi)在省級尺度上森林碳貯量研究較多[13-15]。然而除造林和再造林增加碳匯外，還可通過森林可持續(xù)經(jīng)營增加森林碳匯[16]。但目前對森林經(jīng)營提高區(qū)域森林碳貯量的研究較少。考慮到杉木林經(jīng)營水平較高，本研究以湖南省為例，探討采取合理經(jīng)營措施提高杉木林生產(chǎn)力和區(qū)域尺度上合理布局調(diào)整齡組面積結(jié)構(gòu)對全省杉木林碳貯存總量的影響，分析區(qū)域森林的固碳潛力，為區(qū)域可持續(xù)經(jīng)營和生態(tài)功能區(qū)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湖 南 ?。?08°47′～ 114°15′E，24°38′～30°08′N）位于我國中南部，地處長江中游地區(qū)，為云貴高原、南嶺山脈向江南丘陵、江漢平原的過度地帶。全省土地總面積為21.18×104km2，其中山地占51%，盆地占7%，平原占13%，其余29%為丘陵。海拔為50～2000 m，以中低山和丘陵地貌為主，海拔在100～800 m土地約占90%，主要山脈有武陵山脈、雪峰山脈、南嶺山脈和羅霄山脈。土壤類型多樣，主要有紅壤、黃壤、黃棕壤、紫色土、水稻土、石灰土、石質(zhì)土、粗骨土、潮土和山地草甸土等。本區(qū)域?qū)儆趤啛釒Т箨懶约撅L(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫為16～19℃，最低月（1月）月均氣溫2.7～7.9℃，最高月（7月）月均氣溫27.0～29.5℃，極限低溫-8℃，極限高溫40℃，日照時數(shù)1 300～1 800 h，年降水量1 350～1 450 mm。森林植被以常綠闊葉林、常綠落葉闊混交林、落葉闊葉林和山頂苔蘚矮林為主。全省森林覆蓋率為57.01%，居全國第5位。杉木林約占全省森林面積的38.54%，蓄積量占41.25%。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 杉木林林分生物量的計算

利用文獻收集到杉木單株各器官生物量數(shù)據(jù)[17]，分齡組（幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林）建立相對生長方程：W=a（D2H）b，式中W為杉木各器官生物量（kg/株），D胸徑（cm），H樹高（m），a和b方程參數(shù)。各齡組杉木不同器官的參數(shù)a、b值見表1。單株杉木生物量（kg/株）為各器官生物量之和，林分生物量（t/hm2）為樣地內(nèi)所有單株生物量之和。

2.2 湖南省2009年杉木林碳貯存總量的計算

在已有的杉木林調(diào)查樣地中選取年齡分布較均勻和地理分布相對分散的樣地160個（其中幼齡林62個，中齡林50個，近熟林和成熟林各21個，過熟林6個），所選樣地的杉木林年齡為1～47 a，林分平均胸徑為2.0 cm～23.3 cm，平均樹高為1.5 m ～17.1 m，林分密度為900～3 765 株/hm2。根據(jù)樣地數(shù)據(jù)，用相對生長方程估算林分生物量，然后計算各齡組林分生物量的均值。根據(jù)2009年湖南省森林資源數(shù)據(jù)，用全省和各地市（州）杉木各齡組森林面積，乘以各齡組平均生物量，計算出杉木林各齡組及總的生物量，用0.5作為轉(zhuǎn)換系數(shù)，計算各齡組碳貯量，各齡和地市（州）的杉木碳貯存量求和即為湖南省杉木林碳貯存總量。

表1 杉木單株各器官生物量估算的相對生長方程W=a(D2H)b參數(shù)Table 1 Parameters of allometric equations W=a(D2H)b for estimating component biomass of C. lanceolata tree

2.3 湖南省杉木林未來固碳潛力分析

從文獻中收集各齡組杉木林生物量數(shù)據(jù)，選擇生物量較大的林分作為合理經(jīng)營條件下基準(zhǔn)值，構(gòu)成潛力分析的第一個假設(shè)條件，即通過加強林分尺度上的森林經(jīng)營管理，提高林分生產(chǎn)力來提高森林固碳潛力。該條件不考慮各齡組面積結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，用該條件下林分生物量計算湖南省及各地市（州）杉木林碳貯存總量，與2009年估算值生物量比較，分析杉木林未來的固碳潛力。

第二假設(shè)條件是在區(qū)域尺度上考慮林分的齡組結(jié)構(gòu)合理。根據(jù)法正林理論，在一定區(qū)域上各齡組的面積相等。因此，本研究對湖南省各地市（州）的杉木林總面積按齡組均分，計算各地市（州）的杉木林碳貯存總量，求和計算湖南省各齡組杉木林碳貯存總量，與2009年估算值比較，分析杉木林未來的固碳潛力。該假設(shè)假定全省的杉木林總面積不變，忽略經(jīng)營管理水平。

3 結(jié)果與分析

3.1 湖南省2009年杉木林碳貯存量

選取的160個樣地計算出杉木幼齡林的平均碳貯量為5.94 t/hm2，中齡林22.83 t/hm2，近熟林38.45 t/hm2，成熟林37.66 t/hm2，過熟林147.25 t/hm2。利用這些數(shù)據(jù)，根據(jù)2009年湖南省杉木林總面積（160.84×104hm2）和各齡組的面積（幼齡林占20.26%，中齡林34.01%，近熟林21.08%，成熟林19.11%，過熟林5.54%），計算出全省杉木林碳貯量為52.16×106t，碳貯量隨齡組增加而增大，其中幼齡林碳貯量較低，為5.94 t/hm2，近熟林的最高，為13.12×106t（表2），表明杉木林齡組面積調(diào)整將增加森林碳貯存量。

全省14個地市（州）杉木林碳貯量為0.41×106t～11.97×106t，受面積和齡組結(jié)構(gòu)的影響差距較大（表2）。其中，懷化市杉木林的碳貯量最高，為11.97×106t，占全省杉木林總碳貯量的22.93%；其次為邵陽市，碳貯量為9.19×106t，占全省的17.59%；湘潭市和婁底市的杉木林碳貯量最低，分別為0.42×106t和0.66×106t，僅占全省杉木林總碳貯量的0.80%和1.27%。在全省域內(nèi)，杉木林碳貯量基本呈現(xiàn)出西高東低、南高北低的局面。各齡組杉木林在各地市（州）碳貯量也有較大差異，懷化市的中齡林、近熟林、成熟林碳貯量較高，邵陽市過熟林碳貯量較高（表2）。

表2 2009年湖南省各地市（州）杉木林及分齡組碳貯量Table 2 Carbon storage of C. lanceolata forests in each prefecture of Hunan province

3.2 合理經(jīng)營條件下湖南杉木林碳貯量

多種因素影響杉木林的生長，除立地條件外，合理經(jīng)營措施會提高杉木林生產(chǎn)力，從而增加森林碳貯量。選取我國南方各地不同年齡生物量較高的杉木林作為合理經(jīng)營條件下基準(zhǔn)值（表3），根據(jù)基準(zhǔn)值估算湖南省杉木林碳貯量，與2009年杉木林生物量對比，差值即為全省杉木林的固碳潛力。

從圖1可看出，不同年齡湖南省杉木林碳貯量與合理經(jīng)營的差距較大，并隨著林齡增大而增加，因此杉木林有較大的固碳潛力。合理經(jīng)營狀態(tài)下全省杉木林碳貯量為103.83×106t（表4），為2009年實際值的2倍。幼齡林碳貯量增加幅度最大，為實際值的3.5倍；其次為成熟林、中齡林和近熟林，過熟林小于實際值?？梢姡瑢ι寄玖趾侠斫?jīng)營，可增加幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的碳貯量。

表4 合理經(jīng)營提高林分生產(chǎn)力后湖南省杉木林碳貯量Table 4 Carbon storage in C. lanceolata forests after production improvement due to management in Hunan

3.3 齡組面積結(jié)構(gòu)調(diào)整后杉木林碳貯量

2009年湖南省杉木林幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林的面積分別占杉木林總面積的20.26%、34%、21.08%、19.11%和5.54%，中齡林的面積偏高。假設(shè)未來，通過經(jīng)營調(diào)整，5個齡組杉木林的面積接近，均占總面積的20%。齡組面積結(jié)構(gòu)調(diào)整后，湖南省杉木林碳貯總量增 至 81.10×106t（ 表5）， 為 2009年 實 際 值52.16×106t的1.55倍。除邵陽市外，其他各地市州杉木林碳貯量有較大增加，其中湘西州和張家界市增幅最大，分別為調(diào)整前的2.60和2.53倍，常德市、湘潭市、衡陽市、岳陽市、婁底市、益陽市、長沙市的增幅也高于湖南省的整體水平，說明這些市（州）杉木林各齡組面積結(jié)構(gòu)不夠合理，適當(dāng)調(diào)整能增加杉木林碳貯量。

表5 齡組面積調(diào)整后湖南省各地市（州）杉木林碳貯量Table 5 Carbon storage C. lanceolata forests in Hunan province after area adjustment for age classes

全省14個地市（州）中，懷化市杉木林碳貯量潛力最大，達6.27×106t，其次為永州市（3.71×106t）（圖2）。衡陽市由于其杉木林總面積僅為3.4×104hm2，碳貯量增加潛力值較低。邵陽市各齡組杉木林面積相差不大（幼齡林 3.86×104hm2， 中 齡 林 2.33×104hm2， 近 熟林 3.24×104hm2， 成 熟 林 5.80×104hm2， 過 熟林3.49×104hm2），齡組面積結(jié)構(gòu)調(diào)整對杉木林碳貯量影響較小，調(diào)整前后杉木林碳貯量分別為9.19×106t和9.39×106t，增幅較小。

圖2 齡組面積調(diào)整前后后湖南省及各地市（州）杉木林碳貯量比較Fig. 2 Comparison of carbon storage of C. lanceolata forests in Hunan province before and after area adjustment

4 結(jié)論與討論

湖南省2009年杉木林碳貯總量為52.16×106t，與合理經(jīng)營狀態(tài)和齡組面積結(jié)構(gòu)調(diào)整后的杉木林碳貯總量存在較大差距，未來湖南省杉木林固碳潛力為 51.67×106t和 29.94×106t，與李斌等[13]研究結(jié)果相比，雖然估算現(xiàn)實碳貯量和計算碳貯量潛力的方法不同，但結(jié)論基本一致，目前全省杉木林碳貯量偏低，仍有1/3以上的固碳潛力。

湖南省杉木林面積較大，其中幼齡林和中齡林面積分別為32.59×104hm2和54.69×104hm2，所占面積比例較高，達54.27%，而碳貯量則為1.94×106t和12.49×106t，僅占全省杉木林碳貯總量的27.65%。因此，為了提高杉木林固碳量，需要加強現(xiàn)有杉木林特別是中幼齡林的經(jīng)營管理，同時需要調(diào)整杉木林齡組面積結(jié)構(gòu)，適當(dāng)禁止現(xiàn)有近熟林、成熟林和過熟林的采伐，培育大徑材杉木，從而實現(xiàn)杉木經(jīng)濟效益和生態(tài)效益有益結(jié)合。

全省各地市（州）杉木林碳貯量差距較大，這與各地市（州）杉木林的面積、林分質(zhì)量和齡組結(jié)構(gòu)有關(guān)。懷化市作為湖南省杉木的主要產(chǎn)區(qū)，杉木林面積較大，2009年懷化市杉木林面積達36.16×104hm2，其中幼齡林面積18.18×104hm2，占全市杉木林總面積的50.27%，雖然其碳貯量遠(yuǎn)高于其他地市州，但仍有較大提升空間。

假定未來15年，湖南省杉木林過熟林面積維持現(xiàn)有水平，而近熟林和成熟林分別進入成熟林和過熟林，排除人為和自然因素的干擾，到2024年湖南省杉木林碳貯總量將達141.44×106t可增加89.28×106t，平均每年增加5.95×106t，年均增長率為11.41%，中齡林的固碳潛力最大?？梢姡寄玖謱⒃诤鲜∧酥寥珖纳痔假A量具有較大貢獻，加強森林資源管理、增加森林面積和調(diào)整齡組結(jié)構(gòu)，可充分發(fā)揮杉木林的固碳潛力。具體措施包括：（1）林分密度的合理調(diào)節(jié)，因為林分密度影響林木生長和競爭，從而影響林分生物量和生產(chǎn)力；（2）適時合理間伐強度，間伐可調(diào)節(jié)林分密度和林木生長環(huán)境，提高杉木林生產(chǎn)力和培育大徑材；（3）加強管理，提高林地生產(chǎn)力。

該研究中杉木林碳貯量沒有涉及林下植被、凋落物和土壤的碳貯量，而土壤占森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的2/3，將是今后杉木林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量估算重要內(nèi)容，因此加強對杉木林生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營管理不僅可緩解我國經(jīng)濟發(fā)展對木材需求增長的壓力，而且在區(qū)域碳循環(huán)方面發(fā)揮重要作用。

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Carbon storage in 2009 and potential carbon sequestration in future of Cunninghamia lanceolata forests in Hunan province, China

ZHANG Sheng-li1, XIANG Wen-hua1,2, DENG Xiang-wen1,2, LEI Pi-feng1,2, FANG Xi1,3
(1. College of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. Huitong National Field Station for Scientif i c Observation and Research of Chinese Fir Plantation Ecosystem in Hunan Province,Huitong 438107, Hunan, China; 3. National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry & Ecology in Southern China, Changsha 410004, Hunan, China)

∶ Tree biomass data published in literature were derived to generate allometric equations for 5 age classes of Cunninghamia lanceolata (Chinese fi r) and then the equations were used to estimate stand biomass and carbon storage of 5 age classes. Based on stand area of 5 age classes recorded from forest inventory data in 2009, total carbon storage of C. lanceolata forests was determined for Hunan Province and its 14 subordinated prefectural cities. At the same time, we also selected the data in literature as baseline for the stand biomass at different age of C. lanceolata forests under appropriate management. The current status of stand area distribution of 5 age classes was analyzed for C. lanceolata forests in Hunan and normal forest rule was applied to adjust forest area to achieve an ideal stand area distribution. Consequently, potential carbon sequestration in future of C. lanceolata forests in Human was investigated on the condition of appropriate forest management and ideal area structure of forest age classes after adjustment. The results showed that stand carbon storage of C. lanceolata forests in 2009 accounted for 0.50～227.01 t/hm2, with average stand carbon storage ranging from 5.94 t/hm2for young forests to 147.25 t/hm2for over mature forests. Total carbon storage of C. lanceolata forests in Hunan reached 52.16× 106t, of which the lowest was 0.42×106t in Xiangtan City and the highest was 11.97 × 106t in Huaihua City. Total carbon storage in C. lanceolata forests showed an increasing tendency from 1.94 × 106t for young forests to 13.12 × 106t for over mature forests. If appropriate forest management was implemented, total carbon storage of C. lanceolata forests in Hunan would increase to 103.83 × 106t,which was about two times of the value in 2009. After stand area adjustment for age classes, total carbon storage C. lanceolata forests in Hunan would go up tp 81.10 × 106t (about 1.5 times of the values in 2009), with ranging from 1.91 × 106t for young forests to 47.37× 106t for over mature forests. Therefore, C. lanceolata forests in Hunan have a great potential to increase carbon sequestration in future if sustainable forest management is carried out. Our fi ndings provide useful information for C. lanceolata forest management and ecosystem functions division in Hunan Province.

∶ Cunninghamia lanceolata forest; carbon storage; potential of carbon sequestration; Hunan province; forest management;area adjustment of stand age class

S791.27

A

1673-923X(2014)06-0094-06

2014-01-28

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項（201304317）的部分研究內(nèi)容

張勝利（1983- ），男，湖南長沙人，碩士研究生，主要從事森林生態(tài)學(xué)研究工作；E-mail：csuftzsl@163.com

項文化（1967-），男，博士，教授，主要從事森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究，E-mail：xiangwh2005@163.com

[本校編校：吳 彬]