劉迎春,高顯連,付 超,于貴瑞,劉兆英

1 國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,北京 100714 2 中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室,北京 100101 3 北京工業(yè)大學信息學部,北京 100124

森林作為全球重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)和碳匯,成為《聯(lián)合國氣候變化框架公約》簽署國抵減工業(yè)溫室氣體排放的重要途徑[1],也是完成2016年《巴黎協(xié)定》本世紀增溫控制在2℃以內(nèi)目標的重要方法[2]。森林碳循環(huán)不僅是全球變化生態(tài)學的核心研究內(nèi)容之一,也是國際社會廣泛關(guān)注的焦點。我國自建國以來已經(jīng)完成了8次森林資源清查[3],積累了大量數(shù)據(jù)；并且基于森林資源清查數(shù)據(jù)計算森林碳儲量的方法比較成熟,從1996年至今已有很多文章發(fā)表[4-10]。但基于森林資源清查數(shù)據(jù)評估我國森林固碳潛力的研究較少[11],評估方法也處于探索階段。與基于氣候情景假設(shè)的過程模型相比,森林資源清查數(shù)據(jù)具有豐富的樣地調(diào)查數(shù)據(jù)、明確的樹種和蓄積量區(qū)域分布等優(yōu)勢。

已有利用森林資源清查數(shù)據(jù)預測我國森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的研究[11-12],而這些研究結(jié)果用于研究森林固碳潛力問題時,往往存在很多值得改進的地方。比如,(1)森林的林齡組劃分上沒有區(qū)分天然林和人工林[11],而二者的林齡組界限差異非常大[3],林齡組界限的設(shè)定直接影響到森林生長方程的建立；(2)沒有考慮同一樹種在不同區(qū)域之間生長速率的差異[11,13],往往以樣地尺度的森林生長速率代替區(qū)域尺度的森林生長速率[12]。

本文以森林資源清查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在當前干擾條件(包括自然和人為的干擾)不變的前提下,探討我國森林在基線情景下,森林植被碳儲量和固碳潛力問題,為預測中國森林生物量碳儲量、評估森林固碳對減緩溫室氣體排放的作用提供一些參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 森林資源清查數(shù)據(jù)

中國森林資源清查數(shù)據(jù)是基于全國機械布點、樣方調(diào)查的結(jié)果,是目前公認的權(quán)威性數(shù)據(jù)[14]。由于中國森林資源清查數(shù)據(jù)是為森林資源管理服務(wù),因此用該數(shù)據(jù)估算森林生物量碳庫時,需要考慮以下問題：

(1)森林碳庫范圍

中國森林資源清查數(shù)據(jù)提供了詳細的、具有經(jīng)濟價值的森林面積和蓄積量(林木部分),沒考慮經(jīng)濟價值比較低的枝、葉、根等部分,本文采用蓄積量-生物量轉(zhuǎn)換方法,將蓄積量擴展到生物量[15]。

(2)統(tǒng)計和計算單元

中國森林資源清查為便于實際調(diào)查和統(tǒng)計匯總工作,將全國所有木材部分具有經(jīng)濟價值的樹種(被稱為林分)按優(yōu)勢種歸入到42個樹種[3]。由于我國幅員遼闊、氣候條件存在很大差異,對于分布區(qū)域廣的同一樹種,其樹種組成和結(jié)構(gòu)也會差異很大,進而導致其固碳速率在全國不同區(qū)域之間存在巨大差異。這也意味著以清查數(shù)據(jù)中最小統(tǒng)計單元進行計算的結(jié)果,比采用全國匯總的計算結(jié)果更符合實際情況。中國森林資源清查數(shù)據(jù)最小統(tǒng)計單元為省(自治區(qū)、直轄市),因此,在模擬森林生長過程時,選擇了省一級的數(shù)據(jù)作為計算單元分別計算,再匯總得到全國結(jié)果。

(3)林齡組

林齡組的劃分關(guān)系到森林生長曲線擬合的精度。中國森林資源清查數(shù)據(jù)關(guān)注木材是否可采伐,每一樹種均按是否達到采伐階段將其分成5個林齡組：幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林。而生態(tài)學意義上的成熟林是指森林生物量達到穩(wěn)定階段[16-17],成熟林的林齡往往達到或超出清查中過熟林的林齡[18-19]。因此,本文將森林資源清查數(shù)據(jù)中幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林四個林齡組劃歸到未成熟林,將過熟林劃歸到生態(tài)學中的成熟林。

(4)森林屬性

這里所說的森林屬性包括森林范圍和森林起源(人工林或天然林)。由我國第六次森林資源清查數(shù)據(jù)得知：我國林分面積占森林面積的82.75%。而我國森林蓄積量即為林分蓄積量,全國林分蓄積量占全國活立木蓄積量(除了林分之外,還包括疏林地、散生木和四旁樹)的91.47%。因此,基于林分數(shù)據(jù)分析我國森林生物量更為合適。

中國森林資源清查數(shù)據(jù)提供了詳細的林分和用材林數(shù)據(jù),而林分起源數(shù)據(jù)無法與之匹配。由于天然林和人工林在碳積累速率和達到成熟時間存在巨大差異,分別擬合二者的固碳過程更精確。用材林以提供木材為主要目的,必然存在人為管理(包括采伐)；并且《森林采伐更新管理辦法》規(guī)定：“采伐林木的單位和個人,應(yīng)當優(yōu)先發(fā)展人工更新”；另外,我國森林年鑒中造林的類型包括了人工造林、封育、飛播造林3種,即人為提供種源和樹苗形成的森林都應(yīng)歸入人工林。經(jīng)過新中國幾十年的造林和采伐活動,我國原有森林基本全部被采伐過一次,有些地方甚至多次擇伐[20]。因此,用材林應(yīng)屬于人工林,人工林的面積大于用材林的面積。由于無法判斷用材林以外森林的起源,并且人工林的生長速率比天然林快,所以按照保守性原則,我們將用材林之外的林分劃歸為天然林。這樣,本文中的林分、用材林(人工林)、天然林三者之間的關(guān)系為：天然林面積=林分面積-用材林面積；天然林總蓄積量=林分總蓄積量-用材林總蓄積量。

1.2 假設(shè)

由于中國森林資源清查數(shù)據(jù)和森林生物量碳庫計算需求之間的差異,基于森林資源清查數(shù)據(jù)模擬森林生長過程,有必要作出以下假定：1)在研究時間段內(nèi),干擾和氣候條件沒有發(fā)生顯著變化,即不考慮氣候變化；2)同一省份同一樹種同一林齡組內(nèi)的森林面積隨林齡均勻分布,同一樹種同一林齡組不同省份間森林蓄積量的差異是因地位級差異導致,而非林齡差異導致；3)假定用材林全部為人工林,其他為天然林。

圖1 基于森林資源清查數(shù)據(jù)估算中國森林生物量固碳潛力的技術(shù)路線圖Fig.1 Schematic representation of simulating forest carbon sequestration potential based on National Forest Resources Inventory data

1.3 森林固碳潛力模型框架

借助我國森林資源清查數(shù)據(jù)提供的當前條件下分區(qū)域(省、市、自治區(qū))、分樹種、分林齡組的林分蓄積量和面積數(shù)據(jù),本文模擬了當前條件下森林生長過程中蓄積量隨林齡的變化,之后將蓄積量擴展為生物量,再乘以含碳系數(shù),換算為碳量,最后估算森林生物量碳容量和固碳潛力(圖1)。

在當前條件下,我國森林生物量碳積累過程,將此過程稱之為基線情景下森林固碳過程?；€情景是指當前條件不發(fā)生明顯變化的情景,包括氣候條件、干擾強度(包括自然干擾和人為干擾)、人類管理方式(包括采伐和更新)、森林面積和物種組成等。

1.4 森林蓄積量年增長量

為了模擬森林蓄積量增長過程,需要計算分地區(qū)、分樹種、分林齡組(5個林齡組)的森林蓄積量年增長量,之后將各林齡組森林的蓄積量年增長量按林齡組合,作為此樹種的蓄積量年增長量曲線。各地區(qū)所有樹種均建立了自己的蓄積量年增長量曲線后,樹木按此曲線以年為步長生長；所有地區(qū)各樹種增長量之和,即為全國森林蓄積量年增長量。

(1)

然后,計算各林齡組內(nèi)森林的蓄積量年增長量。由于我們假定林齡組內(nèi)森林蓄積量隨林齡增加呈線性增加,用Δv表示某一地區(qū)某一樹種某一林齡組內(nèi)的森林蓄積量年增長量,m3hm-2a-1,則Δv等于某一林齡組內(nèi)平均林齡與最小林齡森林之間對應(yīng)的蓄積量年增長量(式2)：

(2)

(3)

式中,Amax為某一地區(qū)某一樹種某一林齡組中最大林齡。同時,為使計算能夠進行,我們假定幼齡林的Amin=0,即存在未造林地；過熟林的林齡上限為過熟林林齡下限加成熟林的林齡上下限之差,即過熟林的林齡變幅與成熟林的相等,當然也可以分樹種壽命設(shè)置更長的過熟林林齡上限[21]。

某一地區(qū)某一樹種某一林齡組中最小林齡(Amin)和最大林齡(Amax)所對應(yīng)的蓄積量分別表示為Vmin和Vmax,m3/hm2；這時二者的關(guān)系為(式4)。

Vmax=Δv(Amax-Amin)+Vmin

(4)

式4成立的前提條件為同一林齡組內(nèi)森林面積隨林齡均勻分布(式3和式5),且蓄積量年增長量(Δv)恒定,本文設(shè)定的時間間隔(林齡步長)為1年。

(5)

在計算過程中,為使相鄰兩林齡組蓄積量呈連續(xù)變動狀態(tài),本文設(shè)定：除幼齡林的蓄積量最低值Vmin=0之外,相鄰兩林齡組中高林齡組的最低蓄積量(Vmin)等于低林齡組的最高蓄積量(Vmax)。另外,對于某個區(qū)域某樹種的蓄積量增長量不符合生長規(guī)律,或林齡序列不完整的森林,本文采用其他省區(qū)同一樹種、本省區(qū)面積最大樹種、全國森林同一林齡組蓄積量年增長量進行替代計算。

1.4.1森林生物量和碳儲量

森林蓄積量年增長量曲線描繪的是森林蓄積量的變化,所以在計算得到每一年的森林蓄積量之后,需要將蓄積量轉(zhuǎn)化為生物量和碳儲量。采用的蓄積量-生物量轉(zhuǎn)換方程有兩套參數(shù)可供使用：一套參數(shù)是將同一樹種的蓄積量和生物量之間的關(guān)系用一個線性方程描述[4](式6)；另一套參數(shù)是將同一樹種每一個林齡組的蓄積量和生物量之間的關(guān)系分別用一個線性方程描述,即采用5組參數(shù)描述每個樹種5個林齡組的蓄積量-生物量關(guān)系[8],本文采用這套參數(shù)(附表2)。

B=b1V+b2

(6)

式中,B為森林生物量,Mg/hm2；V為森林蓄積量,m3/hm2；b1、b2為系數(shù)。

森林及其產(chǎn)品的生物量換算為碳儲量時采用含碳系數(shù)0.5計算。

1.4.2森林生物量碳容量和固碳潛力

從森林蓄積量增長過程曲線可以看出,當森林的林齡達到過熟林上限時,森林蓄積量達到最大,其生物量碳儲量也最大,我們將此時的森林生物量碳儲量稱為森林生物量碳容量；將森林生物量碳容量與當前(或某一年)森林生物量碳儲量之差稱為森林生物量固碳潛力[22]。

2 結(jié)果

2.1 全國森林蓄積量年增長量

從分樹種分林齡組的天然林和人工林蓄積年增長量的全國平均(表1)可以看出：

1)我國森林蓄積年增長量存在人工林一般高于天然林,比如按林齡組計算人工林增長量是天然林增長量的倍數(shù),冷杉0.9—4.4倍、云杉1.2—2.3倍、鐵杉1.0—4.6倍、落葉松1.4—2.6倍、赤松2.3—24.2倍、黑松0.7—12.7倍、杉木0.6—4.9倍、柳杉1.1—4.1倍、楠木1.9—3.6倍、櫟類1.3—3.0倍、檫樹1.7—4.4倍、桉樹0.9—6.3倍、木麻黃1.0—8.8倍、楊樹3.1—4.4倍、桐類2.5—5.3倍、軟闊類2.4—7.8倍；

2)多數(shù)天然林樹種的森林蓄積量增長過程符合理論上認為的邏輯斯蒂生長模型的曲線形式,即中齡林、近熟林、成熟林蓄積量增長量高,幼齡林和過熟林蓄積量增長量低,比如,冷杉的中齡林、近熟林、成熟林蓄積量增長量分別為4.40、4.13、2.72 m3hm-2a-1,幼齡林和過熟林蓄積量增長量為2.19、2.68 m3hm-2a-1,柏木、樟子松、云南松、高山松、柳杉、櫟類、硬闊類、檫樹、軟闊類、針葉混、針闊混等也符合這種情況。

3)人工林更多表現(xiàn)為幼齡林、中齡林和近熟林蓄積量年增長量高,成熟林和過熟林蓄積量年增長量低,比如,樟子松幼齡林、中齡林和近熟林蓄積量年增長量分別為4.15、4.08、5.17 m3hm-2a-1,成熟林和過熟林蓄積量增長量分別為3.15、3.67 m3hm-2a-1；赤松、思茅松、高山松、杉木、柳杉、水杉、檫樹、桉樹、楊樹、桐類、軟闊類、闊葉混等也存在同樣規(guī)律。

與全國森林年增長量表(表1)相似,每個省也建立了自己的分樹種分林齡組的天然林和人工林蓄積量年增長量表,用于計算基線情景下每個省的森林生物量碳容量和固碳潛力。

2.2 基線情景下森林生物量變化及其固碳潛力

在基線情景下,我國森林持續(xù)生長,森林總生物量大約在2140年以后達到25.6 Pg(12.82 Pg C),約為2000年的2倍；其中人工林為13.2 Pg(6.6 Pg C),天然林為12.4 Pg(6.2 Pg C)(圖2)。森林生長過程又可以分為兩個時期：2001—2060年間為迅速增加時期,我國森林生物量由12.6 Pg增加到23.5 Pg；2060年之后為緩慢增加時期,森林生物量碳庫趨于飽和,并在22世紀中期達到最大25.6 Pg。我國現(xiàn)有人工林總生物量碳儲量在2085年左右達到最大,約為13.2 Pg(6.6 Pg C)；天然林總生物量碳儲量在2140年以后達到最大。

以2001年全國森林生物量碳儲量為基準(6.30 Pg C),基線情景下中國森林碳容量為12.82 Pg C,固碳潛力為6.52 Pg C。其中人工林為3.36 Pg C,天然林為3.14 Pg C。

表1 全國天然林和人工林各林齡組森林蓄積量年增長量/(m3 hm-2 a-1)Table 1 Annual volume increase (m3 hm-2 a-1) of natural and planted forests

*為計算數(shù)值太大,參照相應(yīng)樹種蓄積增長量調(diào)整后的結(jié)果

圖2 2001—2200年基線情景下中國森林、人工林、天然林總生物量隨時間變化Fig.2 Total biomass of forests,planted forests and natural forests in China in the period of 2001 to 2200 under the baseline scenario

3 討論

蓄積量年增長量也叫凈區(qū)域生產(chǎn)力(Net Regional Productivity,NRP),由生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)扣除動物呼吸、人為活動、食物采集、采伐、放牧、火災等排放后的生產(chǎn)力[23]。人工林與天然林的蓄積量年增長量曲線均存在明顯差異,這跟人工林的管理方式有關(guān)。人工林受整地、火燒、割灌、撫育等森林管理行為影響,導致造林初期的土壤、光等條件好于天然林,森林生長限制因素少；但隨著時間推移,尤其郁閉后樹種單一的人工林,樹木間水、光資源競爭加劇,生長限制因素增多；人工林更早達到用材徑階等級而被采伐。因此,用于森林生產(chǎn)力估算模型時,應(yīng)充分考慮人工林與天然林的差異,提高模型精度。

本文計算的2001年(1999—2003年)中國森林生物量碳儲量為6.30 Pg C,較Wang等[24]的結(jié)果(9.91 Pg C)低,也低于Li等[25]通過CEVASA模型估算的中國森林碳儲量為8.72 Pg C。與兩個過程模型的研究結(jié)果存在差異的原因,一方面是森林面積不同：Wang等[24]的森林面積為229.01×106hm2,明顯高于我們使用的值(142.79×106hm2),Li等[25]研究時間段(1981—1998年)的森林面積為121.63×106hm2,明顯低于當前的森林面積。另一方面是計算的碳庫內(nèi)涵存在差異：本文用的數(shù)據(jù)源為森林資源清查數(shù)據(jù),測定值為森林蓄積量,這就導致了本文計算的碳儲量是剔除了中國當前干擾、采伐之后剩余的部分；而過程模型用的數(shù)據(jù)為NPP數(shù)據(jù),即沒有考慮造林、干擾、采伐、死亡等影響,是當前氣候條件下、當前森林面積對應(yīng)的森林潛在碳儲量。

中國第七次森林資源清查(2004—2008年)顯示,我國喬木林碳儲量為6.66 Pg C[10]。本文計算的基線情景下2006年林分碳儲量為6.95 Pg C,與第七次森林資源清查數(shù)據(jù)相近,略微偏高。除了使用的蓄積量-生物量轉(zhuǎn)換方程有差異外,還有可能因為我國森林實際的采伐周期較本文設(shè)置的周期短、森林存在死亡現(xiàn)象、造林成活率低[11]等因素導致。

本文計算的基線情景下2001—2050年森林生物量碳容量(11.22 Pg C)與Xu等[11]的結(jié)果(13.09 Pg C)相近,二者相差16.7%(表2)。主要因為本文設(shè)定的森林碳飽和點以過熟林為準,到2180年才達到飽和點。Ju等[26]基于過程模型以及Liu等[17]基于成熟林樣點數(shù)據(jù)得到中國森林生物量碳容量(分別為17.57和19.87 Pg C),明顯高于本文結(jié)果,主要因為其對成熟林的定義更為嚴格,以接近當?shù)貧夂驐l件的生物量最大值作為參考。Zhang等[27]的研究結(jié)果認為,2000—2025年中國森林植被碳儲量將增加1.65 Pg C；本文的結(jié)果2001—2026年間中國森林生物量碳儲量將增加2.96 Pg C,明顯高于Zhang等的研究。這種差異主要與基本假設(shè)的差異有關(guān),Zhang等[27]假定這段時間內(nèi)全國森林平均生物量碳密度不變,而森林面積的擴大導致了森林碳儲量的增加,這種假設(shè)是基于我國第1—6次森林資源清查期間全國森林平均生物量碳密度變化不大[28]的基礎(chǔ)上設(shè)定的,有其合理性。綜合現(xiàn)有研究結(jié)果認為,中國森林固碳潛力在6.52—13.57 Pg C。本文假定的基線為造林、管理、干擾、氣候、采伐等條件不變,導致本文的估算結(jié)果相對保守,未來需要在氣候變化、演替、新增采伐、新增造林等情景開展深入工作。

表2 我國森林生物量碳容量研究結(jié)果的比較Table 2 The studies of biomass carbon carrying capacity of forests in China

附表1 中國森林資源清查中各樹種的林齡組劃分Table 1 The age group of forest types in the National Forest Resources Inventory of China