王艷芳，劉　領(lǐng)，鄧　蕾，上官周平,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊陵　712100

2 河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，洛陽(yáng)　471003

采伐對(duì)豫西退耕還林工程固碳的影響

王艷芳1,2，劉領(lǐng)2，鄧?yán)?，上官周平1,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊陵712100

2 河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，洛陽(yáng)471003

摘要:以豫西退耕還林工程重點(diǎn)縣嵩縣為研究對(duì)象，收集了嵩縣2002—2010年退耕還林工程逐年實(shí)施的造林面積、樹(shù)種等數(shù)據(jù)，利用合適的人工林蓄積量生長(zhǎng)方程和和中國(guó)退耕還林后的土壤有機(jī)碳變化的研究結(jié)果，結(jié)合各樹(shù)種的木材密度、生物量擴(kuò)展因子、碳含量等參數(shù)，在采伐和無(wú)采伐兩種情景模式下對(duì)其退耕還林工程在2002—2050年的碳儲(chǔ)量及其變化進(jìn)行估算。結(jié)果表明：2010年，工程林總碳儲(chǔ)量為0.470 Tg (Tg=1012g)，工程實(shí)施期間，工程前期碳儲(chǔ)量高于后期；土壤有機(jī)碳庫(kù)在2002—2010年期間年固碳量均為負(fù)值，表現(xiàn)為碳排放，2011年后土壤年固碳量開(kāi)始增加；在兩種情境模式下，工程林年固碳量最高峰都在2015年，2033年以后采伐情景的年固碳量大于無(wú)采伐情景。預(yù)計(jì)到2020、2030、2040和2050年，嵩縣退耕還林工程在無(wú)采伐情境下的固碳增匯潛力分別為0.760、1.464、1.852和1.985 Tg，在采伐情景下的固碳增匯潛力分別為0.760、1.240、1.657和2.000 Tg，從長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看，豫西退耕還林工程林在采伐情景下具有較大的碳匯潛力，因此，對(duì)退耕還林工程林實(shí)施適度的采伐可以提高工程的碳匯能力。

關(guān)鍵詞：退耕還林工程；碳儲(chǔ)量；固碳潛力；采伐情景

大氣中以CO2為主的溫室氣體含量的增加是引起全球氣候變化的重要因素。森林是陸地上最大的碳庫(kù)，儲(chǔ)存了陸地生態(tài)系統(tǒng)中50%—60%的碳[1]，增加森林面積無(wú)疑成為增強(qiáng)陸地碳匯、減少對(duì)大氣碳排放的重要舉措。

退耕還林工程是目前我國(guó)政策性最強(qiáng)、投資量最大、涉及面最廣的生態(tài)建設(shè)工程，范圍涉及全國(guó)25個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)，共2279個(gè)縣(含市、區(qū)、旗)，退耕還林工程包括退耕地造林、荒山荒地造林和封山育林3種植被恢復(fù)類(lèi)型[2]。截止2012年底，我國(guó)已累計(jì)投入3247億元，共完成退耕地造林與宜林荒山荒地造林2940萬(wàn)hm2，退耕還林工程對(duì)我國(guó)土地利用/覆蓋變化產(chǎn)生了重大影響[3]，退耕還林工程種植的大部分人工林仍處于幼、中齡林階段，具有較高的固碳潛力[4- 6]。近年來(lái)，世界各國(guó)科學(xué)家都在不斷探討和估算全球和區(qū)域的森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力[7- 9]，我國(guó)一些學(xué)者[10- 13]對(duì)云南、貴州、重慶等地區(qū)退耕還林工程的碳匯潛力進(jìn)行了初步估算，然而目前對(duì)于生態(tài)工程固碳的核算方法以及核算的參數(shù)還存在較大的爭(zhēng)議，國(guó)際上也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前亟需加強(qiáng)該方面方法以及指標(biāo)的研究。而且，退耕還林工程中的林木多為生態(tài)公益林，其都有最佳的輪伐期，《生態(tài)公益林技術(shù)規(guī)程》規(guī)定了各林木類(lèi)型的最佳的輪伐周期，所以，對(duì)我國(guó)退耕還林工程的固碳潛力評(píng)估時(shí)，有必要考慮林木的最佳輪伐期。

豫西(河南省西部)是我國(guó)實(shí)施退耕還林工程的重點(diǎn)區(qū)域之一。為了對(duì)豫西退耕還林工程固碳現(xiàn)狀和潛力進(jìn)行評(píng)估，本文以豫西退耕還林工程重點(diǎn)縣、黃土高原綜合治理林業(yè)示范建設(shè)縣嵩縣為研究對(duì)象，在采伐和無(wú)采伐兩種情景模式下對(duì)其退耕還林工程在2002—2050年的碳儲(chǔ)量及其變化進(jìn)行研究，進(jìn)而探索全國(guó)退耕還林工程碳匯潛力的預(yù)測(cè)方法,為今后我國(guó)退耕還林工程的生態(tài)評(píng)價(jià)體系建設(shè)和履約《京都議定書(shū)》提供依據(jù)，并為我國(guó)退耕還林工程的生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)參考。

1材料與方法

1.1研究地概況

嵩縣位于河南省洛陽(yáng)市西南部伏牛山區(qū)，地理位置為111°24′—112°22′E和33°35′—34°21′N(xiāo)之間，屬北亞熱帶向暖溫帶過(guò)渡氣候，年均氣溫14.1 °C，年均降雨量為812 mm。嵩縣為山地丘陵地貌形態(tài)，土地總面積3008 km2，其中林業(yè)用地面積2141 km2，森林資源豐富，全縣森林覆蓋率62.96%，活立木蓄積1064萬(wàn)m3。嵩縣退耕還林工程覆蓋全縣16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，307個(gè)行政村，退耕農(nóng)戶(hù)3.2萬(wàn)戶(hù)，12.8萬(wàn)人。嵩縣是河南省退耕還林工程實(shí)施重點(diǎn)縣，也是國(guó)家林業(yè)局近期啟動(dòng)的黃土高原綜合治理林業(yè)示范建設(shè)縣。

圖1　豫西嵩縣退耕還林工程造林面積　Fig.1　Planted area under the Grain for Green Project (GGP) in Songxian of west Henan Province

1.2退耕還林工程實(shí)施情況

根據(jù)河南省林業(yè)廳整理的退耕還林工程計(jì)劃任務(wù)及復(fù)查報(bào)告，2002—2010年是嵩縣退耕還林工程的實(shí)施期，在此期間累計(jì)完成造林13713.33 hm2，其中退耕地造林3980.00 hm2、荒山荒地造林7400.00 hm2、封山育林2333.33 hm2；主要造林樹(shù)種有：楊樹(shù)、刺槐、杉木、側(cè)柏等生態(tài)樹(shù)種和李、杏、桃等經(jīng)濟(jì)樹(shù)種；造林面積核實(shí)率為100%，合格面積保存率為98%。2002—2010年逐年造林樹(shù)種和面積來(lái)源于嵩縣退耕還林工程工作報(bào)告，嵩縣退耕還林工程不同植被恢復(fù)類(lèi)型下逐年造林面積分布見(jiàn)圖1。

1.3碳儲(chǔ)量的計(jì)算

森林生態(tài)系統(tǒng)的碳一般分為4個(gè)庫(kù)，即林木生物質(zhì)碳庫(kù)、林下枯落層碳庫(kù)、粗木質(zhì)殘?bào)w碳庫(kù)和土壤碳庫(kù)[14]。造林后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間會(huì)引起枯落物層碳庫(kù)增加，但其枯死木和枯落物所占的生物量碳儲(chǔ)量與林木生物量碳庫(kù)相比太小，且缺乏枯死木和枯落物的數(shù)據(jù)；粗木質(zhì)殘?bào)w碳庫(kù)只在有采伐時(shí)存在，且其碳儲(chǔ)量較小[13]。遵循《IPCC關(guān)于土地利用、土地利用變化與林業(yè)優(yōu)良做法指南》中關(guān)于碳匯計(jì)量的保守性原則，所以本文忽略這兩部分碳儲(chǔ)量，于是需要研究的碳庫(kù)為林木生物質(zhì)碳庫(kù)和土壤碳庫(kù)。據(jù)河南省林業(yè)廳核查嵩縣退耕還林工程造林合格面積保存率為98%，因此取0.98作為修正因子乘以造林面積得到有效的造林面積。

1.3.1林木生物質(zhì)碳儲(chǔ)量的計(jì)算

本研究依據(jù)“人工林生長(zhǎng)曲線(xiàn)法”估算林木生物質(zhì)碳儲(chǔ)量的變化[11]。計(jì)算公式為：

(1)

式中,CBi代表第i目標(biāo)年林木生物質(zhì)碳儲(chǔ)量(Mg)(Mg=106g，下同)；Sjk代表j樹(shù)種在第k年的造林面積(hm2)；Vijk表示第k年造林的j樹(shù)種到第i目標(biāo)年時(shí)的林分蓄積量(m3/hm2)；Dj表示j樹(shù)種的木材密度(Mg/m3)；BEFj表示j樹(shù)種由林分蓄積生物量換算為全林分生物量的生物量擴(kuò)展因子；CFj表示j樹(shù)種的碳含量(g)。

(1)林分蓄積量(Vijk)的估算

林木生物質(zhì)碳儲(chǔ)量變化的估算模型中，林分蓄積量是時(shí)間(林齡)的函數(shù)。本研究中借鑒已發(fā)表的適合中國(guó)本土的人工林各樹(shù)種的蓄積量生長(zhǎng)方程對(duì)嵩縣退耕還林工程種植樹(shù)木的蓄積量進(jìn)行估算。由于現(xiàn)有的人工林各樹(shù)種的蓄積量生長(zhǎng)方程不全，只能得到幾組能代表人工林主要類(lèi)型的方程。基于現(xiàn)狀，在實(shí)際處理中除少數(shù)幾個(gè)樹(shù)種可直接用對(duì)應(yīng)方程外，其余樹(shù)種則采用近似生長(zhǎng)方程估算蓄積量：針葉類(lèi)樹(shù)種用針葉樹(shù)和針葉混蓄積量生長(zhǎng)方程計(jì)算后取平均值；硬闊類(lèi)樹(shù)種用闊葉樹(shù)和闊葉混的蓄積量生長(zhǎng)方程計(jì)算后取平均值；多樹(shù)種混交林采用多樹(shù)種綜合和針葉、闊葉樹(shù)混合蓄積量生長(zhǎng)方程計(jì)算后取平均值；軟闊類(lèi)樹(shù)種用軟闊混生長(zhǎng)方程替代；嵩縣退耕還林工程種植一定面積的經(jīng)濟(jì)樹(shù)種，經(jīng)濟(jì)樹(shù)種蓄積量采用闊葉類(lèi)樹(shù)種蓄積量生長(zhǎng)方程進(jìn)行估算。主要樹(shù)種的蓄積量生長(zhǎng)方程見(jiàn)表1。

(2)木材密度(Dj)、生物量擴(kuò)展因子(BEFj)和碳含量(CFj)的確定

木材密度(Dj)和生物量擴(kuò)展因子(BEFj)的計(jì)算采用中國(guó)初始國(guó)家信息通報(bào)中土地利用變化和林業(yè)溫室氣體排放清單中采用的相關(guān)參數(shù)，碳含量(CFj)來(lái)自文獻(xiàn)資料[20](表2)。

表1　主要樹(shù)種的蓄積量生長(zhǎng)方程

V為蓄積量、t為林齡

表2　不同樹(shù)種的木材密度、生物量擴(kuò)展因子、碳含量和輪伐期

(3)采伐情景設(shè)置

嵩縣退耕還林工程造林地為生產(chǎn)力低下的坡耕地和荒山地，所營(yíng)造的林分多為生態(tài)公益林，也有部分是具有生態(tài)保護(hù)作用的經(jīng)濟(jì)林[21]。根據(jù)《生態(tài)公益林技術(shù)規(guī)程》，只有當(dāng)生態(tài)公益林進(jìn)入過(guò)熟林后才進(jìn)行采伐[11]，部分樹(shù)種最短輪伐期見(jiàn)表2。工程營(yíng)造的樹(shù)木也可能不采伐，因?yàn)楣こ虪I(yíng)造的樹(shù)木大多種植在坡地和偏遠(yuǎn)的山區(qū)。為充分考慮預(yù)測(cè)結(jié)果的適用性，可設(shè)置兩種情景模式：無(wú)采伐情景、最小采伐林齡采伐情景。本研究把在林分成熟后不進(jìn)行采伐的模式定義為情景A，把在工程林最小采伐林齡進(jìn)行采伐的模式定義為情景B。在情景B條件下，假設(shè)采伐的林木計(jì)為碳排放，所有采伐地在采伐當(dāng)年便完成更新造林，且采伐殘留物已全部移出采伐地。

1.3.2土壤碳儲(chǔ)量的計(jì)算

許多研究表明，退耕還林具有顯著的土壤碳增匯效應(yīng)[22- 24]，退耕還林早期階段土壤碳儲(chǔ)量下降，隨后恢復(fù)到農(nóng)田水平并逐漸升高[25- 27]，嵩縣屬于黃土高原丘陵區(qū)，退耕還林工程造林地多為貧瘠的坡耕地或荒山荒地，它們通常只有較低的初始有機(jī)碳含量。本研究在嵩縣無(wú)造林坡耕地和荒山荒地1 m土層取土樣35組，測(cè)得土壤平均有機(jī)碳密度為30.57 Mg/hm2，作為嵩縣退耕還林工程造林地的初始有機(jī)碳密度。在估算嵩縣退耕還林工程造林地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化時(shí)，可采用我國(guó)學(xué)者Deng等[28]的中國(guó)退耕還林工程實(shí)施后1 m土層的土壤碳儲(chǔ)量變化結(jié)果(表3)。

表 3不同退耕還林年限土壤有機(jī)碳的變化速率

Table 3The rate of change in SOC after implementing GGP under different period

退耕還林年限TimesinceimplementingGGP/a土壤有機(jī)碳固碳速率(0—1m)RateofSOCchange(0—1m)/(Mghm-2a-1)0—5-3.156—100.8311—303.5931—401.15>400.02

于是，退耕還林工程造林地土壤碳庫(kù)的增量可用如下公式表示：

(2)

式中,Csi表示在第i目標(biāo)年土壤有機(jī)物碳庫(kù)中碳增量；Sjk代表j樹(shù)種在第k年造林面積；r為造林后對(duì)應(yīng)時(shí)段1 m土層內(nèi)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量年變化，取表3中的對(duì)應(yīng)值。

1.3.3碳儲(chǔ)量現(xiàn)狀和固碳潛力估算

2002—2010年是嵩縣退耕還林工程的實(shí)施期，本文以2010年退耕還林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量作為碳儲(chǔ)量現(xiàn)狀。生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯潛力(potential increment of carbon sink)定義為通過(guò)某種自然因素或人為因素組合，而使得生態(tài)系統(tǒng)在基準(zhǔn)固碳水平基礎(chǔ)上了可能增加的凈固碳總量[29]。本文以2010年為基準(zhǔn)年，預(yù)測(cè)未來(lái)40a的固碳增匯潛力。

2結(jié)果與分析

2.1退耕還林工程碳儲(chǔ)量現(xiàn)狀

由表4可知，2010年，退耕還林工程總碳儲(chǔ)量共累積0.470 Tg(Tg = 1012g)。工程后期林木生物質(zhì)碳儲(chǔ)量高于前期，主要是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移所造林木不斷生長(zhǎng)引起林木生物質(zhì)碳儲(chǔ)量增加；工程后期土壤碳儲(chǔ)量低于前期，主要原因是工程后期的造林面積低于前期造成的；工程林總碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為實(shí)施前期高于后期。

表4　豫西嵩縣退耕還林工程實(shí)施期間的碳儲(chǔ)量

2.2退耕還林工程固碳增匯潛力

2.2.1林木生物質(zhì)碳庫(kù)的固碳增匯潛力

在情景A條件下，退耕還林工程林木生物質(zhì)碳庫(kù)的固碳增匯潛力是不斷增加的(圖2)。2020、2030、2040、2050年的林木生物質(zhì)碳庫(kù)的固碳增匯潛力分別為0.41、0.62、0.75、0.83 Tg；在情景B條件下，林木生物質(zhì)碳庫(kù)的固碳增匯潛力呈先增加后下降再增加的趨勢(shì)，2020、2030、2040、2050年的林木生物質(zhì)碳庫(kù)的固碳增匯潛力分別為0.41、0.44、0.55、0.71 Tg。在兩種情境下，2002—2026年林木生物質(zhì)的固碳增匯潛力一樣，2027年后情景B的固碳增匯潛力小于情景A。這是由于2027年后一些樹(shù)種達(dá)到采伐林齡而進(jìn)行采伐，本文假設(shè)樹(shù)木采伐后即計(jì)為碳排放，而重新種植的樹(shù)木固碳增匯潛力未趕上情景A水平。

2.2.2土壤碳庫(kù)的固碳增匯潛力

在兩種情境下，退耕還林工程土壤碳庫(kù)的固碳增匯潛力是不斷增加的(圖2)。估計(jì)到2020、2030、2040、2050年，在情境A條件下，土壤碳庫(kù)的固碳增匯潛力分別為0.35、0.84、1.10、1.16 Tg；在情境B條件下，土壤碳庫(kù)的固碳增匯潛力分別為0.35、0.80、1.11、1.29 Tg。從2040年后情景B的土壤碳庫(kù)的固碳增匯潛力大于情景A。在兩種情境下，土壤碳庫(kù)的固碳增匯潛力在2024年超過(guò)林木的固碳增匯潛力。

2.2.3工程林的固碳增匯潛力

在情景A條件下，退耕還林工程的固碳增匯潛力是不斷增加的(圖2)。2020、2030、2040、2050年的工程林的固碳增匯潛力分別為0.76、1.46、1.85、1.99 Tg；在情景B條件下，工程林的固碳增匯潛力呈先增加后下降再增加的趨勢(shì)，2020、2030、2040、2050年工程的固碳增匯潛力分別為0.76、1.24、1.66、2.00 Tg。工程林在2050年后情景B的固碳增匯潛力大于情景A。

圖2　豫西嵩縣退耕還林工程固碳增匯潛力Fig.2　Carbon sequestration potential under GGP in Songxian of west Henan Province

2.3退耕還林工程年固碳量2.3.1林木生物質(zhì)碳庫(kù)的年固碳量

由圖3可知，在情境A條件下，退耕還林工程自2002至2050年間，林木年固碳量表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，林木年固碳量最高峰在2011年，年固碳量為0.05 Tg/a，自2011年以后林木年固碳量逐漸降低，2002—2050年林木年均固碳量為0.02 Tg/a。退耕還林工程完成以后的2020、2030、2040、2050年，林木年固碳量分別為0.030、0.016、0.010、0.007 Tg/a。

在情境B條件下，林木年固碳量最高峰也在2011年，自2011年以后林木年固碳量開(kāi)始降低，2027—2031年林木年固碳量出現(xiàn)負(fù)值，是因?yàn)?027年一些軟闊類(lèi)樹(shù)木達(dá)到最小采伐林齡進(jìn)行采伐，本文假設(shè)樹(shù)木采伐后即計(jì)為碳排放。2029年后林木年固碳量又逐漸升高，在2037年又出現(xiàn)下降，林木年固碳量出現(xiàn)起伏與一些樹(shù)木達(dá)到最小采伐林齡進(jìn)行采伐有關(guān)。退耕還林工程完成以后的2020、2030、2040、2050年，林木年固碳量分別為0.030、0.009、0.020、0.014 Tg/a。2002—2050年林木年均固碳量為0.019 Tg/a。2033年后情景B的林木年固碳量大于情景A。

2.3.2土壤碳庫(kù)的年固碳量

退耕還林工程林自2000年至2050年間，1 m土層中土壤碳庫(kù)年固碳量表現(xiàn)為先降低再增加然后又降低的總體趨勢(shì)(圖3)。在兩種情境下，2002—2010年土壤年固碳量均為負(fù)值，在退耕還林工程的早期階段土壤碳庫(kù)表現(xiàn)為碳排放。在情景A條件下，2011年后土壤年固碳量出現(xiàn)正值，土壤開(kāi)始存儲(chǔ)有機(jī)碳，2050年土壤年固碳量為0.00274 Tg/a；但在情景B條件下，2027年土壤年固碳量開(kāi)始下降，2029年后開(kāi)始升高，2050年土壤年固碳量為0.0127 Tg/a。隨著采伐的發(fā)生，2033年后情景B的土壤年固碳量大于情景A。

2.3.3工程林的年固碳量

退耕還林工程自2002年至2050年間，年固碳量表現(xiàn)為先降低后增加然后再降低的趨勢(shì)(圖3)。在兩種情境下，退耕還林工程自2002至2050年間，年固碳量最高峰都在2015年，為0.085 Tg/a。2027年—2032年工程林年固碳量在情境B條件下低于情景A，2033年以后情景B的年固碳量大于情景A。

圖3　豫西嵩縣退耕還林工程年固碳量Fig.3　Annual carbon sequestrations under GGP in Songxian of west Henan Province

3討論

本研究估算的河南省嵩縣2010年退耕還林工程年固碳量為0.049 Tg/a，吳慶標(biāo)等[30]估算的2010年河南省退耕還林工程年固碳量為1.33 Tg/a，經(jīng)過(guò)換算得到單位面積年固碳量分別為：357.32 g m-2a-1、126.81 g m-2a-1，嵩縣單位面積年固碳量大于河南省單位面積年固碳量，一是由于吳慶標(biāo)等未計(jì)算土壤有機(jī)碳庫(kù)和經(jīng)濟(jì)林碳匯；二是因?yàn)獒钥h蓄積量增長(zhǎng)較快的楊樹(shù)種植面積較大，引起單位面積年固碳量較大。于建軍等[31]利用河南省第二次土壤普查結(jié)果計(jì)算河南土壤平均碳密度7.46 kg/m2，本文估算嵩縣退耕還林土壤有機(jī)碳密度在2050年時(shí)達(dá)到17.50 kg/m2，達(dá)到河南土壤平均碳密度的2.35倍，嵩縣退耕還林工程土壤具有較大的碳匯能力。

本研究采用已發(fā)表的適合中國(guó)本土的人工林各樹(shù)種的蓄積量生長(zhǎng)方程估算不同樹(shù)木在不同生長(zhǎng)時(shí)間的蓄積量。所采用的樹(shù)木蓄積量生長(zhǎng)方程為我國(guó)云南、四川、山東、湖南等地區(qū)的，這些地區(qū)和豫西地區(qū)的自然條件存在差異，會(huì)造成估算結(jié)果的存在一定的誤差，但每一樹(shù)種的生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)主要由其內(nèi)在的生物學(xué)特性所決定的。由于受區(qū)域、氣候、管理措施等的影響，本文采用的生長(zhǎng)方程可能造成立地條件差的區(qū)域估算結(jié)果偏大而使立地條件較好的區(qū)域偏小，但是，從整體上來(lái)看，以其為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的林分碳儲(chǔ)量預(yù)測(cè)模型，所得估算結(jié)果能夠比以往的其它方法更近于客觀實(shí)際，有較好的可信度[10]。不同樹(shù)木的木材密度、生物量擴(kuò)展因子和碳含量查閱文獻(xiàn)資料易于獲得，此方法可用于對(duì)退耕還林工程等林業(yè)工程進(jìn)行碳匯預(yù)測(cè)。從提高模型預(yù)測(cè)的精度來(lái)看，將來(lái)有必要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)區(qū)域性的各林分類(lèi)型的林木蓄積量(生物量)隨時(shí)間(林齡)變化的生長(zhǎng)模型。

本研究中，退耕還林以后土壤有機(jī)碳的變化采用Deng等[28]的通過(guò)對(duì)收集到的與我國(guó)退耕還林(草)工程相關(guān)的135篇已發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)據(jù)(包括181個(gè)樣點(diǎn)844個(gè)樣本數(shù)據(jù))進(jìn)行Meta分析，總結(jié)的中國(guó)退耕還林工程實(shí)施后0—1m土層土壤有機(jī)碳變化結(jié)果，雖然不同退耕還林地區(qū)由于造林樹(shù)種、立地條件、氣候、人為管理等因素造成土壤有機(jī)碳變化速率不太一致，但是，從整體上來(lái)看，運(yùn)用Deng等[28]的土壤有機(jī)碳變化模型，所得估算結(jié)果能夠比以往的其它方法更近于客觀實(shí)際，可信度較高，可用于估算全國(guó)退耕還林工程土壤碳匯能力。但是，為了提高退耕還林后土壤有機(jī)碳變化的預(yù)測(cè)精度，需要各地區(qū)開(kāi)展較長(zhǎng)時(shí)間尺度上的土壤有機(jī)碳變化的數(shù)據(jù)積累。

本研究只估算了豫西嵩縣退耕還林工程林木生物質(zhì)碳庫(kù)和土壤有機(jī)碳庫(kù)的碳儲(chǔ)量及其變化，由于缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，沒(méi)有考慮工程中林下枯落層碳庫(kù)和粗木質(zhì)殘?bào)w碳庫(kù)的變化，而通常情況下退耕還林均會(huì)在一定程度上增加這兩部分碳庫(kù)中的碳儲(chǔ)量。對(duì)于大時(shí)間尺度，林下枯落物層碳庫(kù)在無(wú)采伐情景下積累的碳儲(chǔ)量所占比例會(huì)明顯增加，故不能被忽略；另外，林分內(nèi)逐漸出現(xiàn)死立木、枯倒木、大直徑枯落枝等粗木質(zhì)殘?bào)w，成為林分中的重要碳庫(kù)[32]；另外，隨著人們對(duì)木材的利用越來(lái)越充分和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求，森林采伐物多半都不會(huì)立即轉(zhuǎn)為碳排放，而是被用做建筑材料、紙張、家具等，可以長(zhǎng)期固存碳，形成林產(chǎn)品碳庫(kù)。固存在林產(chǎn)品中的碳量對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的估算具有一定的影響[13]。Niu等[14]研究表明，木質(zhì)林產(chǎn)品中的碳儲(chǔ)量占采伐的生物質(zhì)碳貯量的比例可高達(dá)32%，對(duì)退耕還林工程林的適當(dāng)采伐會(huì)有利于延展其碳匯能力。因此，若考慮枯落層碳庫(kù)、粗木質(zhì)殘?bào)w碳庫(kù)和林產(chǎn)品碳庫(kù)，退耕還林工程的固碳增匯潛力將會(huì)更大。因此，需要進(jìn)一步對(duì)退耕還林工程林下枯落層碳庫(kù)、粗木質(zhì)殘?bào)w碳庫(kù)和林產(chǎn)品碳庫(kù)進(jìn)行調(diào)查研究，以便能夠更全面的估算退耕還林工程的固碳效益。

4結(jié)論

嵩縣退耕還林工程總碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為工程實(shí)施前期高于后期。2002至2050年，工程林年固碳量表現(xiàn)為先降低后增加然后再降低的趨勢(shì)，2033年以后采伐情景的年固碳量高于無(wú)采伐情景，對(duì)森林進(jìn)行采伐后，會(huì)使其在短期內(nèi)成為碳源，但是在采伐林地上進(jìn)行及時(shí)的造林，林木經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的生長(zhǎng)，其年固碳能力將會(huì)趕上甚至超過(guò)未采伐地。

退耕還林工程的固碳增匯潛力是不斷增加的。采伐情景的固碳增匯潛力在2050年后超過(guò)無(wú)采伐情景，若考慮粗木質(zhì)殘?bào)w碳庫(kù)和林產(chǎn)品碳庫(kù)，采伐情景的固碳增匯潛力將會(huì)更大。從長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看，豫西退耕還林工程林在采伐情景下具有較大的碳匯潛力，因此，對(duì)退耕還林工程林實(shí)施適度的采伐可以提高其碳匯能力。

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Evaluation of carbon storage and the carbon sequestration potential under cutting and no-cutting scenarios for the Grain for Green Project in Western Henan,China

WANG Yanfang1,2, LIU Ling2, DENG Lei1, SHANGGUAN Zhouping1,*

1StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China2CollegeofAgriculture,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang471003,China

Abstract：The Grain for Green Project (GGP), one of the most ambitious ecological projects to be launched in China, was aimed at converting low-yield slope cropland, barren hills, and wasteland into grassland and woodland. The objective of this study was to calculate the carbon stock changes and carbon sequestration potential of the GGP in Western Henan under cutting and no-cutting scenarios, in order to develop a method for further estimation of the carbon sequestration potential of the national GGP and produce a scientific reference for the ecological system management of the GGP in the long run. The Western Henan, one of the major districts that implemented the GGP in China, initiated the GGP in 2002. We analyzed Songxian, which is a major county in terms of implementation of the GGP in Western Henan, as a case to evaluate carbon storage and the carbon sequestration potential under cutting and no-cutting scenarios. We collected data on each year from 2002 to 2010, such as tree species, the planted area of the project in Songxian, the use of a growth curve suitable for China′s planting volume, the findings about the soil organic carbon changes after the GGP together with biomass density of various species, carbon content, the biomass expansion factor, and the estimated carbon storage and annual carbon sequestration for the GGP from 2002 to 2050. The results showed that total carbon storage was 0.470 Tg in 2010, when the project was completed. Total carbon sequestration in the former period is larger than that in the latter period during the project′s implementation. The annual carbon sequestration of the soil organic-carbon pool was negative and released carbon from 2002 to 2010, then an increase in the annual carbon sequestration of soil organic-carbon pool was observed, along with net carbon gains after 2011; the project′s annual carbon sequestration peaked in 2015 under no-cutting and cutting scenarios. The annual carbon sequestration under the cutting scenario is greater than that under the no-cutting scenario after 2033. The potential increment of the carbon sink of the GGP-covered Songxian will reach 0.760, 1.464, 1.852, and 1.985 Tg by the year 2020, 2030, 2040, and 2050 under the no-cutting scenario; it will reach 0.760, 1.240, 1.657, and 2.000 Tg under the cutting scenario. The potential increment of the carbon sink under the cutting scenario will exceed that of the no-cutting scenario after 2050. In the long run, the GGP in Western Henan has a greater carbon sequestration potential under the cutting scenario than that under the no-cutting scenario. Our results suggest that moderate forest harvesting for the GGP can increase the capacity for carbon sequestration.

Key Words:grain for green project; carbon storage; carbon sequestration potential; cutting scenario

基金項(xiàng)目:中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(XDA05060300); 中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(STS)項(xiàng)目(KFJ-EW-STS-005)

收稿日期:2014- 07- 09; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 07- 22

DOI:10.5846/stxb201407091403

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shangguan@ms.iswc.ac.cn

王艷芳，劉領(lǐng)，鄧?yán)?，上官周?采伐對(duì)豫西退耕還林工程固碳的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(5):1400- 1408.

Wang Y F, Liu L, Deng L, Shangguan Z P.Evaluation of carbon storage and the carbon sequestration potential under cutting and no-cutting scenarios for the Grain for Green Project in Western Henan, China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(5):1400- 1408.