, 鄭 吉, 劉國華, 劉世榮, 王偉峰, 劉苑秋, Blanco A.Juan

1 不列顛哥倫比亞大學(xué)，加拿大不列顛哥倫比亞省基洛納 V1V 1V7 2 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 南昌 330045 3 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085 4 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所, 北京 100091 5 西班牙納瓦拉大學(xué), 潘普洛納 31013

人工林碳匯潛力新概念及應(yīng)用

1,*, 鄭 吉2, 劉國華3, 劉世榮4, 王偉峰2, 劉苑秋2, Blanco A.Juan5

1 不列顛哥倫比亞大學(xué)，加拿大不列顛哥倫比亞省基洛納 V1V 1V7 2 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 南昌 330045 3 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100085 4 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所, 北京 100091 5 西班牙納瓦拉大學(xué), 潘普洛納 31013

定量確定森林碳匯潛力有助于科學(xué)地評估森林對碳匯的潛在貢獻(xiàn)及制定實現(xiàn)這種潛力所需要的經(jīng)營管理措施。目前，國內(nèi)外有關(guān)森林碳匯潛力缺乏統(tǒng)一的概念及計量方法。在綜述國內(nèi)外有關(guān)固碳潛力概念的基礎(chǔ)上，引入時間動態(tài)構(gòu)架和可持續(xù)性的概念，提出了針對人工林的固碳潛力概念并利用FORECAST模型以杉木人工林為例闡明此概念的實際意義與應(yīng)用。

人工林; 固碳潛力; 可持續(xù)森林經(jīng)營; 碳密度; FORECAST模型

全球氣候變化正成為世界關(guān)注的熱點。根據(jù)《聯(lián)合國氣候變化框架公約》的定義，將“從大氣中清除CO2的過程、活動和機制”稱為“碳匯”。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林植被通過光合作用吸收CO2，放出O2，把大氣中的CO2以生物量的形式固定在植被和土壤中，這個過程和機制實際上就是清除已排放到大氣中的CO2。因此，森林具有碳匯功能?！毒┒甲h定書》允許各國通過人工造林、森林和農(nóng)田管理等人為活動產(chǎn)生的碳匯，用于抵消本國承諾的溫室氣體減排指標(biāo)。通過植樹造林和森林保護(hù)等措施吸收固定CO2，其成本要遠(yuǎn)低于工業(yè)減排。因此，開展碳匯造林是當(dāng)前推進(jìn)碳匯林業(yè)發(fā)展的主要途徑之一，也是建設(shè)現(xiàn)代林業(yè)的重要組成部分。

我國政府高度重視氣候變化和生態(tài)環(huán)境問題。在2007年悉尼亞太經(jīng)濟合作高峰會議上，中國政府建議通過大面積恢復(fù)森林及減排以應(yīng)對全球氣候變化，做出了到2020年我國森林面積比2005年增加4000萬hm2，森林蓄積量增加13億m3的莊嚴(yán)承諾。目前，發(fā)展碳匯林業(yè)已作為主要措施納入到2007年6月4日正式公布的《中國應(yīng)對氣候變化國家方案》中。另外，中國為了改善生態(tài)環(huán)境，實施了一系列重大的林業(yè)生態(tài)工程，如退耕還林(草)工程、天然林資源保護(hù)工程、三北防護(hù)林建設(shè)工程、京津風(fēng)沙源治理工程等。大規(guī)模造林及重大林業(yè)生態(tài)工程的實施，使得中國的森林覆蓋率從80年代的16% 增加到現(xiàn)在的20.36%，有力地促進(jìn)了中國森林，特別是人工林資源快速的增長。目前，中國的人工造林面積占全球人工造林面積的73%，中國人工林保存面積居全球第一，占地6200萬hm2。然而，大面積的人工造林活動也存在一些生態(tài)問題，如森林質(zhì)量差、生產(chǎn)力低、樹種單一等問題十分突出。以江西省“十一五”期間的森林資源為例，森林覆蓋率達(dá)到63.1%，其中林地面積1054.92萬hm2，人工林面積達(dá)到291.87萬hm2，占林地面積的27.67%，可是人工林的單位面積蓄積量只有36.78 m3/hm2，遠(yuǎn)低于江西省51.46 m3/hm2的平均水平。據(jù)第八次全國森林資源清查數(shù)據(jù)顯示，全國林分單位面積蓄積量為78.06 m3/hm2，僅為世界平均水平(114 m3/hm2)的68.5%。中國森林平均碳密度為41 Mg/hm2，碳密度低于50 Mg/hm2的森林占森林總面積的比例為60%，如果我國森林碳密度能夠達(dá)到50 Mg/hm2，將會額外固碳2.1 Pg[1]。因此，我國森林特別是人工林的碳密度增加的潛力巨大，但如何計量碳匯增加的潛力及如何根據(jù)碳匯潛力的變化調(diào)整森林經(jīng)營管理措施都是目前亟待解決的重要技術(shù)問題，本文提出了一個新的人工林固碳潛力概念并舉例說明此概念的計算與應(yīng)用方法。

1 碳匯潛力的概念

現(xiàn)實中，人為經(jīng)營管理措施影響下的生態(tài)系統(tǒng)固碳速率往往與潛在的自然固碳速率之間存在較大的差距，這也正是估算碳匯潛力的理論基礎(chǔ)[2]。目前固碳潛力有不同的定義，中國科學(xué)院森林碳專項課題組認(rèn)為固碳潛力可以用理論最大固碳潛力來表示。評估某一森林類型生態(tài)系統(tǒng)的理論最大固碳潛力需要選擇適當(dāng)?shù)膮⒄障?，根?jù)森林演替理論選擇演替頂級自然林作為該類自然林生態(tài)系統(tǒng)理論最大固碳潛力的參照系，而人工林理論最大固碳潛力應(yīng)選擇相應(yīng)的成熟人工林作為參照，具體計算公式如下：

自然林固碳潛力 = 演替頂級自然林碳密度 - 自然林平均碳密度

人工林固碳潛力 = 成熟人工林碳密度 - 人工林平均碳密度

于貴瑞等[2]和任偉等人[3]認(rèn)為增匯潛力是相對于某個基準(zhǔn)水平而言的，在生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力分析中首先必須明確地定義基準(zhǔn)水平(或參考水平)和潛力水平?；鶞?zhǔn)水平指的是在基準(zhǔn)年和基準(zhǔn)的自然條件或基準(zhǔn)的人為調(diào)控水平下現(xiàn)實的生態(tài)系統(tǒng)固碳速率或者是特定時間、特定區(qū)域(特定項目、特定管理、特定政策)生態(tài)系統(tǒng)的凈固碳總量。生態(tài)系統(tǒng)固碳的潛力水平為在特定目標(biāo)年和環(huán)境背景下，生態(tài)系統(tǒng)可能達(dá)到的最大固碳能力(最大固碳速率或最大固碳總量)?；诨鶞?zhǔn)水平和潛力水平兩個概念，于貴瑞等人將生態(tài)系統(tǒng)的增匯潛力定義為通過某種自然因素或因素組合，而使得生態(tài)系統(tǒng)在基準(zhǔn)固碳水平基礎(chǔ)上可能增加的固碳速率或者凈固碳總量，即：

生態(tài)系統(tǒng)增匯潛力 = 生態(tài)系統(tǒng)潛力固碳水平 - 生態(tài)系統(tǒng)基準(zhǔn)固碳水平

Keith等[4- 5]在Gupta等人[6]的基礎(chǔ)上提出將森林生態(tài)系統(tǒng)在一般環(huán)境條件和自然干擾下(不包括人為干擾)所能達(dá)到的最大碳儲存量與現(xiàn)實碳儲量(包括人為干擾)之間的差別定義為森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力。劉迎春等[7- 8]也提出類似定義，同時還指出評估森林固碳潛力可采用的參考標(biāo)準(zhǔn)有老齡林(或成熟林) 碳儲量、森林采伐之前碳儲量、區(qū)域平均固碳速率等指標(biāo)。并基于此定義，利用碳儲量-林齡曲線對黃土丘陵區(qū)的造林固碳潛力進(jìn)行了評估。此后，李斌等人[9]又對森林固碳潛力的概念及估算方法做了進(jìn)一步的完善，提出現(xiàn)實碳吸存潛力和未來碳吸存潛力兩個概念。其中將現(xiàn)實碳吸存固碳潛力定義為現(xiàn)有不同齡組的林分，以其同齡組最高碳密度為標(biāo)準(zhǔn)估算的碳貯量與其現(xiàn)存碳貯量的差值。這一部分碳吸存潛力可通過對現(xiàn)有林分加以更好的撫育和管理，提高林分質(zhì)量來實現(xiàn)，與齡組轉(zhuǎn)移無關(guān)。將未來碳吸存固碳潛力定義為以同齡組林分單位面積最高年凈固碳量為標(biāo)準(zhǔn)，估算現(xiàn)有不同齡組林分通過齡組轉(zhuǎn)移，達(dá)到成熟林時所能固定的碳量(即未來通過自然生長增加的部分)?；诖硕x，他以湖南會同杉木中心產(chǎn)區(qū)杉木林分質(zhì)量高的各齡組林分碳密度作為標(biāo)準(zhǔn)，分齡組估算湖南省現(xiàn)有未成熟杉木林(幼齡林、中齡林和近成熟林)的現(xiàn)實碳吸存潛力。

此外，還有一些學(xué)者提出了不同的概念。Cannell[10]將潛力水平分為三個方面，分別為理論潛力(忽略部分或全部實際的約束條件)、現(xiàn)實潛力(考慮大部分約束條件，但對土地條件和政治經(jīng)濟政策持樂觀假設(shè))和保守的可達(dá)到的潛力(基于現(xiàn)實趨勢的謹(jǐn)慎的預(yù)判)。吳慶標(biāo)等[11]認(rèn)為森林植被固碳潛力的估算首先要依據(jù)各林業(yè)工程的規(guī)劃林業(yè)建設(shè)面積和各植被帶的林木碳積累速率, 再考慮到不同林業(yè)建設(shè)措施的差異引入修正因子，可用下式表示:

Cpotential=A×C×B

式中,A、C和B分別是規(guī)劃林業(yè)建設(shè)面積、林木碳積累速率和修正因子。

從上述概念中不難看出一個共性，就是缺少時間動態(tài)構(gòu)架，并且沒能引入碳匯可持續(xù)性的概念。森林是一個動態(tài)的系統(tǒng)，經(jīng)歷干擾-恢復(fù)-再干擾-再恢復(fù)的生態(tài)演替過程。對于人工林來講也是如此，且往往存在明顯的衰退問題。如果我們僅用第一代人工林作為參照系，就會高估碳匯潛力。 因此，只有在長期可持續(xù)的構(gòu)架下，才能更好地、科學(xué)地、完整地確定人工林的碳匯潛力。對于一個森林生態(tài)系統(tǒng)而言，它的理論最大固碳量以及理論上存在多少增匯空間固然重要，但人們更關(guān)心的是在一個相當(dāng)長的時期內(nèi)(比如100a以上)，通過合理的森林經(jīng)營管理措施，可以獲得多少可持續(xù)性的增匯潛力。這不僅僅是學(xué)術(shù)上的需求，更是國家應(yīng)對氣候變化的碳匯計量的需求。

圖1 固碳潛力概念示意圖

中國將在較長一段時期內(nèi)通過恢復(fù)森林發(fā)展碳匯林業(yè)。然而，大量的實踐與研究已表明，不合理的人工林組成與結(jié)構(gòu)及經(jīng)營措施會導(dǎo)致一系列的生態(tài)問題，最終影響碳匯林業(yè)的可持續(xù)性。例如，由于不合理的經(jīng)營管理措施，人工林生產(chǎn)力的長期衰退已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點[12- 16]。中國南方的杉木(Cunninghamialanceolata)[17- 20]、中國東北的落葉松(Larixolgensis)、 澳大利亞東南部和新西蘭的輻射松(Pinupsradiata)[21- 23]經(jīng)過多次森林采伐后生產(chǎn)力大幅度下降是此類問題的典型案例。基于此，提出了如下人工林固碳潛力的概念：通過調(diào)整人工林的經(jīng)營管理措施，實現(xiàn)可持續(xù)森林及碳匯能力前提下的固碳密度與當(dāng)前現(xiàn)實存在的固碳密度之差，便是未來可能實現(xiàn)的碳匯潛力(圖1)。

2 如何定量碳匯潛力

杉木人工林是我國面積最大的人工林，由于過去不合理的經(jīng)營，造成林地營養(yǎng)不可持續(xù)性，多代連載生產(chǎn)力下降等重要問題。為了確定未來人工杉木林的碳匯增加潛力，采用林分尺度的森林生態(tài)系統(tǒng)模型FORECAST來模擬碳匯增加的潛力。FORECAST模型是加拿大著名森林生態(tài)學(xué)教授Kimmins經(jīng)過近25a的開發(fā)而建立的一個針對可持續(xù)森林經(jīng)營管理的模型。 該模型可模擬林業(yè)中的不同管理措施(如輪伐期、采伐利用水平、施肥水平、種植密度、混交比例、疏伐、火燒或煉山等)對長期生產(chǎn)力或碳儲量的影響，通過比較不同的經(jīng)營管理措施，找出針對某一人工林樹種可持續(xù)的經(jīng)營管理措施。目前，該模型在世界范圍內(nèi)的一些主要人工林樹種中得到了較廣泛的應(yīng)用，有關(guān)模型原理的詳細(xì)介紹及應(yīng)用案例，參見Wei等[24]、Blanco等[25- 26]、Kimmins等[27- 28]、Seely等[29]發(fā)表的相關(guān)論文。

圖2 可持續(xù)經(jīng)營與傳統(tǒng)經(jīng)營對杉木林固碳能力的影響[30]

以杉木人工林為例，我們定義其碳匯潛力為可持續(xù)生產(chǎn)力下的碳匯能力與目前林業(yè)經(jīng)營下的碳匯能力之差?？沙掷m(xù)生產(chǎn)力下的碳匯能力反映了在未來實施可持續(xù)經(jīng)營管理措施下實現(xiàn)的可持續(xù)和較高水平的固碳能力，而目前林業(yè)經(jīng)營下的固碳能力則是目前杉木林經(jīng)營的現(xiàn)實固碳能力。具體模擬采用Monte Carlo方法，考慮立地條件、輪伐期、林分密度及樹種混交的變異共200個模擬情景。通過結(jié)果比較，得出，可持續(xù)經(jīng)營管理下的固碳能力要比傳統(tǒng)林業(yè)經(jīng)營管理下的固碳能力高出68%(圖2)[30]。用來模擬的杉木林可持續(xù)經(jīng)營管理措施包括3000株/hm2的種植密度(杉木1500株/hm2，楠木1500株/hm2)，輪伐期為40a，采伐方式僅樹干采伐，不煉山?？梢灾v，68% 固碳量的增加則是通過可持續(xù)經(jīng)營管理所能達(dá)到的潛力，且此固碳潛力是可持續(xù)的。在實際應(yīng)用時，模擬情景可以少些。

在森林固碳模擬方面，還有一些其它模型可以考慮應(yīng)用，比如PROCOMAP[31]、CO2FIX[32]、CENTURY[33]、TRIPLEX[34- 35]、InTEC[36- 38]、3PG[39]及PnET-CN[40- 41]。

3 結(jié)論

本文在簡要介紹目前主要森林碳匯潛力的概念基礎(chǔ)上，提出以可持續(xù)森林經(jīng)營管理下的固碳能力作為確定固碳潛力的參照標(biāo)準(zhǔn)，而不是以追求短期的高固碳能力為目標(biāo)。其結(jié)論是基于可持續(xù)森林經(jīng)營管理生態(tài)模型來量化的人工林碳匯潛力的概念，更具科學(xué)性、長期性和應(yīng)用性。用來模擬生產(chǎn)力可持續(xù)經(jīng)營管理的生態(tài)系統(tǒng)模型，比如FORECAST，適用于森林碳匯潛力的定量模擬。

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The concept and application of carbon sequestration potentials in plantation forests

WEI Xiaohua1,*, ZHENG Ji2, LIU Guohua3, LIU Shirong4, WANG Weifeng2, LIU Yuanqiu2, BLANCO A.Juan5

1UniversityofBritishColumbia(OkanaganCampus),Kelowna,BritishColumbia,CanadaV1V1V7 2CollegeofForestry,JiangxiAgriculturalUniversity,Nanchang330045,China3ResearchCenterforEco-EvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China4InstituteofForestEcologyandEnvironmentalProtection,ChineseAcademyofForestry，Beijing100091,China5UniversidadPúblicadeNavarra,Pamplona,Navarra,Spain31013

Quantifying the potentials of forest carbon sequestration can scientifically help evaluate the maximum carbon sequestration capacity and design sustainable forest management strategies for achieving its potentials in mitigating climate change impacts. At present, there have been no commonly-accepted concepts and associated quantification methods for defining forest carbon sequestration potentials. In this paper, we first provided a brief literature review on the concepts of carbon sequestration potentials, and then introduced our new concept for defining carbon sequestration potentials in the context of sustainable management of plantation forests. Chinese fir plantation was used as an example to illustrate the proposed concept as well as the way of quantifying forest carbon sequestration potentials by applying the forest ecosystem model FORECAST

plantation forests; carbon sequestration potential; sustainable forest management practices; carbon density; FORECAST model

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項子課題(XDA05060101); 江西省“贛鄱英才555工程”項目; 江西省研究生創(chuàng)新專項資金項目(YC2013-S117)

2013- 09- 25;

2014- 07- 02

10.5846/stxb201309252358

*通訊作者Corresponding author.E-mail: adam.wei@ubc.ca

魏曉華, 鄭吉, 劉國華, 劉世榮, 王偉峰, 劉苑秋, Blanco A.Juan.人工林碳匯潛力新概念及應(yīng)用.生態(tài)學(xué)報,2015,35(12):3881- 3885.

Wei X H, Zheng J, Liu G H, Liu S R, Wang W F, Liu Y Q, Blanco A.Juan.The concept and application of carbon sequestration potentials in plantation forests.Acta Ecologica Sinica,2015,35(12):3881- 3885.