粟　娟　周　璋　李意德

1　廣州市林業(yè)和園林局　廣州　510060

2　中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)研究所　國家林業(yè)局森林碳匯研究與實驗中心　廣州　510520

?

廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量格局分析

粟娟1周璋2李意德2

1廣州市林業(yè)和園林局廣州510060

2中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)研究所國家林業(yè)局森林碳匯研究與實驗中心廣州510520

相對準確地計量地帶性森林碳庫大小是估算區(qū)域森林碳匯潛力的前提。根據全市不同森林類型設置樣地900個，運用樣地清查法估算廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和碳密度。結果表明：廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為52.16 Tg C。其中，植被層和土壤層碳儲量分別為21.97 Tg C 和27.16 Tg C。碳儲量空間分布主要集中在從化區(qū)和增城區(qū)；總碳儲量的組成中，土壤層碳庫比例最大(58%)，其次為喬木層碳庫比例(40%)，而灌木層、草本層、凋落物層和細根(≤ 2.0 mm)的生物量比例大多在1%～2%；天然林碳儲量與人工林接近，但是碳密度顯著大于人工林(p<0. 05)；不同林齡從小到大排序為：幼齡林、中齡林、近熟林、過熟林、成熟林；天然林以闊葉混和它軟闊的碳儲量最高，闊葉混和黎蒴的碳密度最高。人工林不同林型從大到小排序為：南洋楹>黎蒴>木荷>木麻黃>它軟闊>闊葉混>濕地松。森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度為178.03 t C hm-2，其中，植被層和土壤層碳密度分別為79.61 t C hm-2和98.42 t C hm-2。本研究全面計量了廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫現(xiàn)狀，這對評估該地區(qū)森林固碳潛力和指導碳匯林經營管理具有重要參考價值。

廣州市，森林生態(tài)系統(tǒng)，碳儲量，碳密度

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫[1]，在固碳釋氧、減緩氣候變暖、維護全球碳平衡方面發(fā)揮著重要作用[2-3]。在國家和地區(qū)尺度上，國內外學者開展了大量的有關森林生態(tài)系統(tǒng)固碳特征及機制的研究[3-7]，但這些結果大多是針對森林喬木層的碳庫進行估算，沒有估算森林生態(tài)系統(tǒng)其他層次(林下灌草層、凋落物層、細根層及土壤層)的碳庫，這直接導致了無法準確全面地估算森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫，進而不利于森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳增匯經營管理。有關城市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量、碳密度等固碳特征及功能的研究尚少見報道，僅報道過廣州[8]、深圳[9]和南京[10]等少數(shù)城市，且研究僅停留在關注森林喬木層或土壤層碳儲量。

城市森林不僅通過光合作用固定CO2，森林土壤固定有機碳，還分別通過遮陰和擋風作用減少建筑物或工廠的降溫和升溫時的能源消耗而降低碳排放量[11]。因此，城市森林在減緩全球氣候變暖過程起著重要作用。同時城市森林在降低熱島效應、凈化和美化城市環(huán)境等功能方面是城市其他生態(tài)系統(tǒng)無法替代的。

目前我國對城市森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能研究較少。本研究以廣州城市森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，運用樣地清查法估算森林生態(tài)系統(tǒng)喬木層、灌木層、草本層、枯死木、地表凋落物、細根的生物量以及土壤碳儲量，深入分析森林碳庫的結構特征，全面計量具有不同群落組成的廣州市森林的固碳現(xiàn)狀，旨在了解廣州城市森林在減緩氣候變化中的作用，為實現(xiàn)城市森林間接碳減排提供翔實的數(shù)據和技術支撐。

1　試驗地概況

廣州市位于廣東省中南部、珠江三角洲北緣，E112°57′～114°13′，N22°2 6′～23°56′，市域總面積為7 434.4 km2。地勢東北高、西南低，北部和東北部是山區(qū)，中部是丘陵、臺地，南部是珠江三角洲沖積平原。屬于南亞熱帶季風海洋性氣候，年均氣溫約為20 ℃～22 ℃，常年降雨量約為1 689～1 876 mm。土壤以赤紅壤為主，山地垂直譜帶上還有紅壤和黃壤分布, 母巖為發(fā)育著的沉積巖、巖漿巖和變質巖，地帶性典型植被為南亞熱帶常綠闊葉林。根據廣州市2014年森林資源清查數(shù)據，全市林地面積為29.22萬 hm2，占市域面積的40%，森林覆蓋率為42.03%。

2　研究方法

2.1 樣地布設

根據廣州市森林資源二類清查數(shù)據分析，綜合考慮森林類型和林齡以及樣點空間分布，在全市所有林地中共設計和選定了300個計量與監(jiān)測樣點，每個樣點3個樣地，全市共900個樣地，全市樣點分布情況介紹見表1和圖1。

表1　廣州市森林碳匯計量與監(jiān)測樣點在各區(qū)的分布數(shù)量

圖1　廣州市森林碳匯計量與監(jiān)測樣點分布圖

2.2 野外調查和采樣

本研究于2014—2015年廣州全市森林范圍開展生物量調查和樣品采集。每個森林樣點均設置3個規(guī)格為調查樣地，樣地間距100 m以上。樣地面積(水平投影面積)：天然林統(tǒng)一為1 200 m2；鄉(xiāng)土闊葉樹種人工林為900 m2，樹種單一的用材林(桉樹、相思等)、經濟林(荔枝、龍眼等)、竹林等的樣地面積為600 m2，樣地內劃分為10 m×10 m的樣方若干個。喬木起測胸徑為3 cm，測量和記錄指標包括樹種名、胸徑、樹高、冠幅、枝下高和存活狀態(tài)。在每一樣地沿對角線設置3個2 m×2 m灌木層調查樣方，記錄植物種、株(叢)數(shù)、平均基徑和平均高度，并在每一灌木調查樣方內設置1個1 m×1 m草本層調查樣方，記錄植物種、平均蓋度、株(叢)數(shù)和平均高度。灌木和草本樣方調查完后，采用全收割法測量其鮮重，并取樣品帶回室內進行干重測定。

地表凋落物調查在每個1 m×1 m草本層調查樣方，收集全部凋落物并稱量其鮮重，然后采集樣品帶回室內進行干重測定。枯死木為全樣地調查。木材直徑≥ 5 cm、長度≥1 m的枯死木與喬木調查同步進行，即在10 m×10 m的樣方內進行調查；直徑<2.5 cm的枯死木，則歸為地表調落物。記錄枯立木胸徑、完整程度(完整、干折木、冠折木)、中央直徑、分解程度(輕度、中度、重度)[12-13]、高度，記錄倒木中央直徑、長度、分解程度。細根(≤ 2.0 mm)調查采用土鉆法，利用內徑5.5 cm的土鉆，在每個樣地采集8鉆土混合，挑選0～20 cm和20～40 cm土層的細根。土壤樣品采集在每個樣地進行，挖剖面和土鉆法相結合，采集0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～50 cm，50～100 cm共5個層次的土壤。樣品采集兩份，一份是環(huán)刀法采集用于土壤容重測定，一份用于土壤碳含量測定。

2.3 實驗室分析

植物樣品在設置65 ℃的烘箱內烘干到恒重(至少24 h)，然后測量其干重率。測定容重的土壤樣品在設置105 ℃烘箱連續(xù)烘24 h，然后測量其干重，并根據環(huán)刀體積得出土壤容重。植物和土壤碳含量(全碳)利用“燃燒-氣相色譜”元素分析儀器測定(德國Elementar公司的vario Macro cube系統(tǒng))。

2.4 生物量計算方法

喬木層生物量采用南亞熱帶常綠闊葉林已有經驗公式計算[14-15]，每個樣地每株喬木依據其胸徑大小選取相應胸徑范圍的公式計算干、枝、葉、根生物量，所有喬木累加即得到整個樣地的生物量，喬木層碳儲量=生物量×喬木碳含量(取0.45)。灌木層、草本層、凋落物層的生物量，根據樣方的鮮重乘上干重率，再除以樣方面積得出。細根生物量，根據每個樣地的細根干重除以土鉆面積得出，灌木層、草本層、凋落物層和細根層碳儲量=生物量×碳含量(室內分析測定)。

植被總碳儲量的計算，本研究首先將已經得出的喬木層、灌木層、草本層、地表凋落物層和細根碳儲量統(tǒng)一轉換為以t hm-2單位計量的生物量，然后全部累加即為總碳儲量。

2.5 土壤碳儲量的計算方法

土壤碳儲量采用分層計算各采樣層次(0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～50 cm，50～100 cm)碳儲量得到，各層次的土壤碳儲量通過相應層次的土壤碳含量、容重和土壤層厚度計算。

2.6 廣州市碳儲量計算方法

本研究采用樣地平均法估算廣州市森林碳庫。以300個樣點碳儲量為基礎，分布以各林型、各林齡面積加權平均，得出各林型、各林齡組的單位面積碳儲量，然后乘上廣州市相應起源、相應林型、相應齡組的森林面積(廣州市2014年森林資源數(shù)據)，最后累加，即得出全市森林的碳庫。

3　結果與分析

3.1 廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和碳密度

廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量約為52.16 Tg C(1 Tg=1012g)，其中植被碳儲量(包括喬木層、灌木層、草本層、地表凋落物和細根)約為21.97 Tg C，土壤碳儲量(0～100 cm)約為27.16 Tg C，兩者所占比例分別為44.7%和55.3%。在植被碳儲量方面，喬木層占了絕對多比例，其他植被碳庫組分比例很小，其中比例最大為細根，約占1.0%。(表2)。全市森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度約為178.03 t C hm-2，其中，植被碳密度為79.61 t C hm-2，土壤碳密度為98.42 t C hm-2，土壤碳密度是植被的1.24倍。

表2　廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和碳密度組成

從林分起源分析(竹林除外)，廣州市天然林和人工林碳儲量幾乎相等，兩者分別為24.29 Tg C和23.53 Tg C，但碳儲量的組成不同，天然林植被所占比例(49.7%)大于人工林植被(39.8%)，土壤碳儲量比例則相反(表3)。在碳密度方面，天然林的碳密度大于人工林，兩者碳密度分別為199.39 t C hm-2和159.63 t C hm-2。天然林和人工林碳密度差異主要來源于植被碳密度(主要是喬木層)，兩者碳密度相差35.61 t C hm-2，而土壤碳密度只相差4.15 t C hm-2。

3.2 廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫林齡組分布

按照林齡組劃分(不包括竹林、經濟林)，廣州市森林成熟林的碳儲量最大，約為12.71 Tg C，占全部齡組碳儲量的29.0%，接下來為過熟林和中齡林，幼齡林最小(所占比例為13.1%)。從林分起源分析，天然林和人工林碳儲量林齡組構成相似，均為成熟林和過熟林所占比例較大，其他3個林齡組所占比例較小(表4)。在碳密度方面，森林生態(tài)系統(tǒng)隨著林齡增大而增加，從幼齡林的158.74 t C hm-2增加到中齡和近熟林的175.30 t C hm-2，最后增加到成熟和過熟林的232.23 t C hm-2，植被也隨著林齡增大呈增加趨勢，而土壤碳密度則變化很小(圖2)。

表3　廣州市天然林和人工林碳儲量和碳密度組成

表4　廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)不同林齡組的碳儲量

圖2　廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)不同林齡組的碳密度

3.3 廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫林型組成

廣州市天然林不同林型碳庫差異很大(圖3A)，其中碳庫最大兩類林型為闊葉混和它軟闊，分別為9.00 TgC和6.44 TgC，兩者比例占所有林型碳儲量的60.2%。在碳密度方面，天然林最大兩類林型為闊葉混和黎蒴(圖3B)，分別為250.30 t C hm-2和224.46 t C hm-2，最小兩類林型為馬尾松和針葉混，分別為154.87 t C hm-2和160.82 t C hm-2。

在人工林19個林型組中，不同林型碳庫差異很大，其中碳庫最大兩類林型為桉樹和荔枝龍眼(圖4A)，其碳庫分別為5.56 Tg C和4.99 Tg C，兩者約占到所有林型碳儲量的42.0%。在人工林碳密度方面，最大為南洋楹(圖4B)，其碳密度為248.81 t C hm-2，接下來為黎蒴、木荷、木麻黃、它軟闊、闊葉混、濕地松，碳密度均在200 t C hm-2以上，最小為經濟林(荔枝龍眼、木本果、它經濟)，碳密度只有143.70 t C hm-2。

3.4 廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫地區(qū)分布

在廣州市森林碳庫地區(qū)分布方面，排名前三名為從化、增城、花都(表5)，其碳儲量分別約為25.38、14.01、5.72 TgC，分別約占到全市森林碳儲量的48.7%，26.9%和11.0%，其他白云、番禺、黃埔、蘿崗、南沙和天河僅占13.5%。從各區(qū)森林面積與碳儲量關系可以看出，某一地區(qū)森林面積越大，其森林碳儲量越大(表5)。在森林碳密度方面，各地相差不大，最大地區(qū)為從化，其碳密度為194.71 t C hm-2，最小為南沙，其碳密度約為153.82 t C hm-2。

圖3　廣州市天然林不同林型的碳儲量和碳密度

圖4　廣州市人工林不同林型的碳儲量和碳密度

表5　廣州市不同地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和碳密度

4　結論與討論

4.1 結論

1) 廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為52.16 Tg C，其中，植被層和土壤層碳儲量分別為21.97 Tg C 和27.16 Tg C。碳密度為178.03 t C hm-2，其中，植被層和土壤層碳儲量分別為79.61 t C hm-2和 98.42 t C hm-2。碳儲量在空間上主要分布在廣州市北部的從化區(qū)和東部的增城區(qū)。

2) 廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和碳密度均受其生長環(huán)境、林齡、林型和起源的影響。從林分起源看，天然林和人工林對森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量貢獻接近，天然林的碳密度高于人工林。林齡方面，成熟林和過熟林具有有較高的碳儲量，生態(tài)系統(tǒng)和植被碳密度隨著林齡增大而增加，而土壤碳密度不隨林齡的變化而變化。林型方面，天然林以闊葉混和它軟闊的碳儲量最高，兩者比例占所有林型碳儲量的60.2%，闊葉混和黎蒴的碳密度最高。人工林碳庫最大為桉樹和荔枝龍眼，兩者約占到所有林型碳儲量的42.0%，在人工林碳密度方面，最大為南洋楹，接下來為黎蒴、木荷、木麻黃、它軟闊、闊葉混、濕地松，碳密度均在200 t C hm-2以上。

4.2 討論

1) 比較其他文獻研究結果，在廣州市層面，除了一個基于遙感模型的研究結果(170.1 t C hm-2)[16]外，本研究的森林植被碳密度是其他文獻結果的2～3倍[8,17]。與南亞熱帶演替頂極森林比較，本研究得出的廣州市森林的平均植被碳密度均遠低于鼎湖山[18]和陳禾洞的季風常綠闊葉林。在土壤碳密度比較上，本研究得出的廣州市森林土壤平均碳密度與鼎湖山和陳禾洞[19]季風常綠闊葉林相近。由此看出，與南亞熱帶頂極森林相比，當前廣州市森林在植被固碳具有很大潛力，而土壤固碳潛力有限。與廣東省[13]和全國[6]森林層面比較，廣州市森林仍具有較高的植被碳密度，表明廣州市森林具有較高的植被固碳能力。

2) 本研究估算數(shù)據為評價廣州市森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能提供了基礎數(shù)據, 但還存在一些不確定性。不同喬木樹種的碳含量差異較大，本研究只取了一個均值0.45來計算，這會導致碳儲量估算結果出現(xiàn)偏差，喬木樹種的取樣測定工作正在進行，待這部分工作完成將及時進行校正。同時,研究建議結合當?shù)氐臍庀筚Y料數(shù)據、森林經營措施等方面來共同探討森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯問題, 以便更加科學準確地分析一個地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能。

致謝：感謝參與廣州林業(yè)和園林局科技項目“廣州市森林碳匯計量與監(jiān)測研究”的所有人員。

[1]FAO.Global Forest Resources Assessment 2015:How have the world’s forests changing?[M] Rome,Italy.2015.

[2]LITTON C M,RAICH J W,RYAN M G.Carbon allocation in forest ecosystems[J].Global Change Biology,2007,13(10):2089-2109.

[3]PAN Y,BIRDSEY R A,FANG J,et al.A large and persistent carbon sink in the world’s forests[J].Science,2011,333(6045):988-93.

[4]DIXON R K,BROWN S,HOUGHTON R A,et al.Carbon pools and flux of global forest ecosystem[J].Science,1994,263(5144):185-190.

[5]FANG J,CI L.Changes in Forest Biomass Carbon Storage in China between 1949 and 1998[J].Science,2001,291(5525):2320-2322.

[6]FANG J Y,GUO Z D,PIAO S L,et al.Terrestrial vegetation carbon sinks in China,1981-2000[J].Science in China,2007,50(9):1341-1350.

[7]郭兆迪,胡會峰,李品,等.1977-2008年中國森林生物量碳匯的時空變化[J].中國科學:生命科學,2013(5):421-431.

[8]劉萍,鄧鑒峰,魏安世，等.廣州市森林生物量及碳儲量評估[J].西南林業(yè)大學學報,2015,26(04):62-65.

[9]譚一凡,彭友貴,史正軍,等.深圳市森林碳儲量及其動態(tài)變化[J].西南林業(yè)大學學報,2013,33(4),17-24.

[10]王祖華,劉紅梅,關慶偉,等南京城市森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量和碳密度研究[J].南京林業(yè)大學學報(自然科學版),2011,35(4):18-22.

[11]ESCOBEDO F,VARELA S,ZHAO M,et al.Analyzing the efficacy of subtropical urban forests in offsetting carbon emissions from cities[J].Environmental Science & Policy,2010,13(5):362-372.

[12]唐旭利,周國逸,周霞,等.鼎湖山季風常綠闊葉林粗死木質殘體的研究[J].植物生態(tài)學報,2003,27(04):484-489.

[13]張修玉,許振成,曾凡棠,等.珠江三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度分配及其儲量動態(tài)特征[J].中國環(huán)境科學,2011,31(S1),69-77.

[14]溫達志,魏平,孔國輝,等.鼎湖山錐栗+黃果厚殼桂+荷木群落生物量及其特征[J].生態(tài)學報,1997,17(05):497-504.

[15]尹光彩.基于LS-SVM構建中國森林主要樹種生物量方程[D].北京:中國科學院華南植物園,2014.

[16]吳志峰,黃銀華,姜春.廣州市土壤與植被碳蓄積及其空間格局分析[J].廣州大學學報(自然科學版),2014,13(3):73-79.[17]李曉曼,康文星.廣州市城市森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能研究[J].中南林業(yè)科技大學學報,2008,28(1):8-13

[18]方運霆,莫江明,彭少麟,等.森林演替在南亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳吸存中的作用[J].生態(tài)學報,2003,23(09):1685-1694.

[19]陳步峰,潘永軍,史欣,等.廣州市典型森林土壤有機碳密度及儲量生態(tài)特征[J].東北林業(yè)大學學報,2010,38(04):59-61,65.

Carbon Storage Pattern of Forest Ecosystems in Guangzhou City

Su Juan1Zhou Zhang2Li Yide2

(1.Administration of Forestry and Gardening of Guangzhou Municipality, Guangzhou 510060, China;2.Research Institute of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Guangzhou 510520, China)

The accurate measurement of carbon pools of zonal forests is precondition to estimate the carbon sequestration capacity of forests in one region. Carbon storage and carbon density of forest ecosystem in Guangzhou were evaluated using sample plot inventory method, with the 900 sample plots selected from different forest types. The results indicated that carbon storage of forest ecosystem in Guangzhou was 52.16 Tg C, while the carbon storage of forest vegetation and of soil were 21.97 Tg C and 27.16 Tg C, respectively. Carbon storage of urban forest was distributed mainly in Conghua and Zengcheng.In the total carbon storage, the soil layer gives the largest inputs (58%), followed by the tree layer(40%) and the fractions of biomass for shrub layer, herb layer, aboveground litter and fine roots (≤ 2.0 mm) were mostly 1%～2%. The carbon storage of natural forest is close to that in the plantation, but the carbon density of natural forest was significantly larger than that in plantation (P<0.05). The carbon storage capacity of forest in different times sorted could be descended as the followed order: young forest, middle-age forest, near-mature forest, over-mature forest and mature forest. In nature forest, hardleaved mixed forest and softwood hardleaved forest have the highest carbon storage while hardleaved mixed forest andCastanopsisfissahave the highest carbon density. The plantation were different in terms of carbon for different forest types, which could be ordered asAlbiziafalcataria>Castanopsisfissa>Schimasuperba>Casuarinaequisetifolia> softwood hardleaved forest > hardleaved mixed forest >Pinuselliottii. The carbon density of forest ecosystem in Guangzhou was 178.03 t C hm-2, of which vegetation and soil carbon density were 79.61 t C hm-2and 98.42 t C hm-2, respectively. The study comprehensively evaluated the status of forest ecosystem carbon pool in Guangzhou City, which will be of great reference value for evaluating forest carbon sequestration capacity and guiding carbon forest management.

Guangzhou, forest ecosystem, carbon storage, carbon density

2016-08-01

廣州林業(yè)和園林局科技項目“廣州市森林碳匯計量與監(jiān)測研究”

粟娟(1964-)，女，副研究員，廣州市林業(yè)和園林局總工程師，研究方向為城市林業(yè)和森林生態(tài)。 E-mail：sujuannihao@126.com

10.3969/j.issn.1672-4925.2016.04.004