馮 源，肖文發(fā)①，朱建華，李 奇

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所/ 國(guó)家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；2.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037)

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要碳庫(kù)，森林通過(guò)光合作用將大氣CO2固定在植被及死亡有機(jī)質(zhì)中，在維持全球碳平衡和減緩氣候變化方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1-2]。造林是最常見(jiàn)的營(yíng)林措施，可有效擴(kuò)大森林面積，促進(jìn)森林對(duì)大氣CO2的吸收，抵消化石燃燒碳釋放，減緩氣候變化并極具成本優(yōu)勢(shì)，受到了國(guó)際社會(huì)的認(rèn)可與關(guān)注[3-4]。

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，我國(guó)持續(xù)開(kāi)展了大規(guī)模植樹(shù)造林活動(dòng)，第八次森林資源清查結(jié)果顯示我國(guó)人工林保存面積為6.9×107hm2，居世界首位，甚至對(duì)整個(gè)亞洲地區(qū)森林面積的增長(zhǎng)亦有重要影響[5]。目前，對(duì)造林后的人工林已開(kāi)展了許多研究，F(xiàn)ANG等[6]估算1970—2000年造林使東亞5國(guó)生物量碳儲(chǔ)量(以C計(jì))年均增加66.9 Tg·a-1；劉博杰等[7]估算退耕還林工程年均固碳量為18.0～18.50 Tg·a-1；DENG等[8]預(yù)測(cè)退耕還林的固碳潛力可抵消中國(guó)每年碳排放的3%～5%；ZHANG等[9]和羅云建等[10]分別對(duì)黃土高原和山西關(guān)帝山地區(qū)的研究得出相似結(jié)論，即造林30～35 a后人工林碳儲(chǔ)量明顯增加并高于原有生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量。已有人工林碳儲(chǔ)量研究多采用空間替代時(shí)間的方法[9-11]，以不同林齡的林分構(gòu)建時(shí)間序列，通過(guò)樣地調(diào)查、異速生長(zhǎng)方程或林齡-碳密度經(jīng)驗(yàn)方程估算其碳儲(chǔ)量[12]，以此反映造林后森林碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)。該方法計(jì)算簡(jiǎn)便快捷，但存在2個(gè)方面的明顯不足：(1)通常只關(guān)注生物量碳庫(kù)的碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)，忽略了枯落物、死木及土壤有機(jī)質(zhì)等碳庫(kù)，不能量化生態(tài)系統(tǒng)整體的碳動(dòng)態(tài)[13-14]；(2)無(wú)法估算每年不斷增加的新造林碳動(dòng)態(tài)，也難以區(qū)分新造林對(duì)原有森林固碳能力的影響[15]。因此，必須將生態(tài)系統(tǒng)視為統(tǒng)一整體進(jìn)行研究，而造林如何影響區(qū)域尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳速率以及新造林和原有森林的固碳能力隨時(shí)間呈現(xiàn)怎樣的變化是反映區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化減緩作用的關(guān)鍵。

鑒于此，筆者應(yīng)用加拿大碳計(jì)量模型(CBM-CFS3)和森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)，量化并預(yù)測(cè)2009—2030年造林對(duì)湖北省興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響，對(duì)比新造林和原有森林固碳速率的變化，以期準(zhǔn)確評(píng)估造林情景下森林固碳潛力的發(fā)展趨勢(shì)，了解森林碳吸收的增長(zhǎng)模式，尋求最佳森林管理措施，并為重大生態(tài)工程政策提供反饋信息。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

興山縣隸屬湖北省宜昌市(110°25′～111°06′ E，31°04′～31°34′ N)，位于秦巴山區(qū)、長(zhǎng)江西陵峽以北，面積為2 327 km2?？h境東西距為66 km，南北寬為54 km，東與宜昌市、?？悼h相接，西與巴東縣毗鄰，南與秭歸縣接壤，北靠神農(nóng)架林區(qū)。興山縣轄2鄉(xiāng)6鎮(zhèn)114個(gè)村(社區(qū))，常住人口為16.88萬(wàn)人。興山縣居于巴山余脈、巫山與荊山山脈之間，山脈自東向西伸展，地勢(shì)東西北三面高，南面低。最高點(diǎn)海拔為2 426.9 m，最低點(diǎn)海拔為109.5 m；地貌由山溝河谷低山區(qū)、巖溶剝蝕中山區(qū)和緩坡平坦高山區(qū)組成。興山縣屬于亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為15.3 ℃，年平均降水量為900～1 200 mm，雨量充沛，但時(shí)空分布差異較大，年均日照時(shí)數(shù)為1 682.8 h，而且由于地形高低懸殊，氣候垂直差異大。

由湖北省最近一次森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查得到2009年興山縣森林面積為1.62×105hm2，蓄積量為9.55×106m3，主要包括馬尾松(Pinusmassoniana)林、杉木(Cunninghamialanceolata)林、柏木(Cupressusfunebris)林、溫性松林、落葉闊葉林、常綠闊葉林、針葉混交林和針闊混交林8種森林類型。其中，以栓皮櫟(Quercusvariabilis)和麻櫟(Quercusacutissima)為主的落葉闊葉林面積為7.74×104hm2，占興山縣森林總面積的47.89%，是興山縣最主要的森林類型；另外，馬尾松林面積為2.33×104hm2，占比為14.39%，是興山縣第3大森林類型(圖1)。森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查顯示興山縣適宜造林的土地面積為2.94×104hm2(包括宜林荒山荒地、其他宜林地、疏林地、無(wú)立木林地和除國(guó)家特別規(guī)定灌木林地外的灌木林地等)，具有充足的造林空間。

1.2 CBM-CFS3模型介紹

CBM-CFS3模型由加拿大林務(wù)局開(kāi)發(fā)，是以年為步長(zhǎng)的森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支模型[16-17]，可估算土地利用變化(如造林和毀林)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響。CBM-CFS3模型中森林生態(tài)系統(tǒng)由生物量碳庫(kù)和死亡有機(jī)質(zhì)(dead organic matter，DOM)碳庫(kù)組成，DOM碳庫(kù)包含枯落物、死木和土壤有機(jī)質(zhì)3個(gè)子碳庫(kù)。該模型基于蓄積生長(zhǎng)曲線和蓄積-生物量方程將森林資源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為生物量碳儲(chǔ)量和年增長(zhǎng)量，再根據(jù)每年枯落比例和分解比例估算枯落物和死木的碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)。森林土壤碳動(dòng)態(tài)由林分演替循環(huán)至準(zhǔn)平衡狀態(tài)后估算得到，而非森林地塊則需輸入耕層土壤有機(jī)質(zhì)碳密度作為初始值[18]。CBM-CFS3模型所需的蓄積生長(zhǎng)方程和蓄積-生物量轉(zhuǎn)化參數(shù)來(lái)自付甜[19]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)相同森林類型的研究成果，而所需的經(jīng)修改后的生物量周轉(zhuǎn)和DOM分解參數(shù)[20-22]見(jiàn)表1。

圖1 興山縣森林分布示意

表1 CBM-CFS3模型參數(shù)修正結(jié)果

Table 1 Modified parameters of CBM-CFS3 model%·a-1

參數(shù)碳庫(kù)默認(rèn)參數(shù)修正參數(shù)來(lái)源文獻(xiàn)A 樹(shù)干0.45～0.671.94[20]樹(shù)枝75.0060.61[20]樹(shù)葉95.0033.56[20]樹(shù)根2.001.79[20]B地上特快庫(kù)0.360 00.430 0[21]地上快速庫(kù)0.143 50.190 0[22]地上慢速庫(kù)0.015 00.020 0[22]地下特快庫(kù)0.500 00.400 0[22]地下快速庫(kù)0.143 50.210 0[22]地下慢速庫(kù)0.003 30[22]

A為生物量周轉(zhuǎn)比率；B為死亡有機(jī)質(zhì)(DOM)分解速率。

1.3 造林情景假設(shè)

CBM-CFS3模型根據(jù)年度造林面積、造林樹(shù)種及對(duì)應(yīng)的蓄積生長(zhǎng)曲線估算造林對(duì)森林碳動(dòng)態(tài)的影響。造林?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于2009—2016年《湖北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》[23]和宜昌市各年度造林驗(yàn)收合格面積。由于興山縣未涉及飛播造林，同時(shí)CBM-CFS3模型研究對(duì)象僅限于森林生態(tài)系統(tǒng)(對(duì)應(yīng)森林資源規(guī)劃調(diào)查有林地中的喬木林)，因此不考慮針對(duì)非森林地類(無(wú)林地、疏林地和灌木林地等)的封山(沙)育林措施，僅考慮人工造林的影響。

由于年鑒和統(tǒng)計(jì)資料均未詳細(xì)記錄造林樹(shù)種和地塊信息，因而需要查閱文獻(xiàn)進(jìn)行補(bǔ)充。天然林保護(hù)工程和退耕還林工程的造林模式表明，興山縣所造森林類型多為以馬尾松為主的針葉林及以刺槐(Robiniapseudoacacia)、櫟類、杜仲(Eucommiaulmoides)等為主的落葉闊葉林[24]，[25]210-212；林種多為生態(tài)林和兼用林，造林保存率高達(dá)100%[24]。據(jù)此假設(shè)興山縣所造森林類型為馬尾松林和落葉闊葉林這兩大類且所有新造林均能發(fā)展成為喬木林，根據(jù)肖文發(fā)等[25]統(tǒng)計(jì)的興山縣多年造林面積得到馬尾松林和落葉闊葉林每年造林面積的相對(duì)比例為1.13∶1，設(shè)置造林密度分別為1 500和2 000株·hm-2。

造林統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示2009—2016年興山縣累計(jì)造林6 193 hm2(圖2)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用灰色模型GM(1，1)對(duì)未來(lái)造林面積進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期反映2009—2030年時(shí)段內(nèi)造林事件對(duì)區(qū)域森林碳儲(chǔ)量的影響?；疑Ｐ湍軌蚧跉v史時(shí)間序列的造林面積以一階線性微分方程解逼近新的時(shí)間序列下造林面積，計(jì)算便捷且預(yù)測(cè)精度高[26]，計(jì)算公式為

x(0)(k)+az(1)(k)=b，

(1)

(2)

式(1)～(2)中，x(0)為原有觀測(cè)數(shù)據(jù)序列；x(0)(k)為灰導(dǎo)數(shù)；z(1)(k)為白化背景值；a為發(fā)展系數(shù)；b為灰作用量；x(1)為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)序列；t為時(shí)間步長(zhǎng)。

計(jì)算得到灰色模型a值為-0.04，b值為701.96，相對(duì)模擬誤差為0.22，精度滿足區(qū)域尺度對(duì)未來(lái)造林面積預(yù)測(cè)的需求。預(yù)測(cè)2017年以后興山縣每年造林面積將逐漸增大，2030年年造林面積將達(dá)到1 634 hm2(圖2)。將2009—2030年興山縣實(shí)際造林及未來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)果作為造林情景(afforestation scenario)，其累積造林面積為2.40×104hm2。造林導(dǎo)致的土地利用類型變化將使非森林土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯滞寥捞紟?kù)組分，使新造林生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量迅速增加。由于非森林地塊土壤碳密度需要用戶自行輸入以完成CBM-CFS3模型初始化，根據(jù)中國(guó)耕層土壤碳密度[18]和研究區(qū)土壤類型得到興山縣非森林土壤碳密度(以C計(jì))平均值為36.51 Mg·hm-2。模擬期間興山縣每年森林土壤碳儲(chǔ)量由于土地利用變化而增長(zhǎng)14.61～59.65 Gg(圖2)。

He doesn’t pay as much tax as we do/as us.他沒(méi)我們交的稅款多。

圖2 造林情景下興山縣造林面積及土地利用變化導(dǎo)致的土壤碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)

另外，設(shè)置2009—2030年無(wú)任何造林活動(dòng)的情景作為基線(baseline，BS)，即造林面積為0、整個(gè)模擬期間森林面積始終為1.62×105hm2，以對(duì)比造林對(duì)興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳速率的影響。造林情景和BS情景的關(guān)系示意見(jiàn)圖3。

1.4 生態(tài)系統(tǒng)固碳速率的估算

以興山縣森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查作為主要數(shù)據(jù)來(lái)源，將各種森林類型面積、起源和林齡等信息整理輸入CBM-CFS3模型。分別估算造林情景和BS情景下興山縣新造林、所造森林類型整體以及縣域森林整體的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳密度〔式(3)〕，并以單位時(shí)間內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化量作為固碳速率〔式(4)〕。

(3)

(4)

式(3)～(4)中，DC,i,t為森林類型i生態(tài)系統(tǒng)碳密度，Mg·hm-2；Cbio,i,t為森林i生物量碳儲(chǔ)量，Mg；CDOM,i,t為森林i的DOM碳儲(chǔ)量，Mg；Ai,t為森林i在t時(shí)刻的面積，hm2；ΔRC,i為森林生態(tài)系統(tǒng)i的固碳速率(以C計(jì))，Mg·a-1；Ci,t1和Ci,t2分別為森林生態(tài)系統(tǒng)i在t1、t2時(shí)刻的碳儲(chǔ)量，Mg。當(dāng)以年為時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)，固碳速率即表示森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量年際變化量。

圖3 造林情景和BS情景的關(guān)系示意

2 結(jié)果與分析

2.1 興山縣森林林齡結(jié)構(gòu)的變化

2009年興山縣森林以中齡林為主，林齡介于25～45 a間的森林面積比例高達(dá)80.22%(圖4)；林齡在0～20、50 a及以上的森林面積較小，分別占全縣森林總面積的11.77%和8.01%。2030年造林情景下興山縣森林幼齡林面積明顯高于BS情景，林齡低于30 a的森林面積占13.13%；而B(niǎo)S情景下30 a以下的森林面積僅占0.20%，大部分森林處于45～80 a的林齡階段，占85.85%。

2.2 新造林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳速率動(dòng)態(tài)

興山縣新造林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量由2009年的14.98 Gg逐漸增加至2030年的1 159.25 Gg(圖5)，模擬期間平均值為472.85 Gg，其中，生物量碳儲(chǔ)量和DOM碳儲(chǔ)量分別占19.11%和80.89%。新造林DOM碳儲(chǔ)量由土地利用變化導(dǎo)致的碳增量(圖2)和DOM碳儲(chǔ)量年增量(圖5)組成。造林導(dǎo)致每年土地利用變化增加的碳儲(chǔ)量為14.61～59.65 Gg，新造馬尾松林和新造落葉闊葉林分別占53.00%和47.00%。模擬期間新造林DOM碳儲(chǔ)量年增量變化范圍為0.01～803.38 Gg，其中，新造馬尾松林和新造落葉闊葉林DOM碳儲(chǔ)量年增量變化范圍分別為0～414.31和0.01～389.07 Gg。

圖4 2009—2030年興山縣森林林齡結(jié)構(gòu)變化

圖5 2009—2030年造林情景下興山縣新造林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳速率動(dòng)態(tài)

2009—2030年興山縣新造林中馬尾松林和落葉闊葉林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳速率均逐漸增大。對(duì)比模擬期間各指標(biāo)年平均值可知，新造馬尾松林生物量碳儲(chǔ)量(37.92 Gg)低于新造落葉闊葉林(52.44 Gg)，但新造馬尾松林DOM碳儲(chǔ)量年增量平均值(178.15 Gg)稍高于后者(164.43 Gg)，最終使兩者生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量相近，平均值分別為237.23和235.63 Gg；但新造馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)固碳速率低于新造落葉闊葉林，平均值分別為6.44和9.57 Gg·a-1。

興山縣新造林生態(tài)系統(tǒng)固碳速率由0.73 Gg·a-1逐漸增長(zhǎng)為39.02 Gg·a-1，模擬期間平均值為16.01 Gg·a-1。其中，生物量固碳速率逐漸增加，貢獻(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)總固碳速率的94.15%；DOM碳庫(kù)固碳速率表現(xiàn)為先降低而到2015年后略有增高，占比僅為5.85%。模擬期間生物量和DOM固碳速率平均值分別為15.07和0.94 Gg ·a-1，對(duì)應(yīng)的單位面積固碳速率平均值分別為1.37和0.04 Mg·hm-2·a-1。

2.3 造林對(duì)所造森林類型生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)的影響

造林情景下興山縣落葉闊葉林和馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳速率均高于BS情景(圖6)，其差異隨著模擬時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸增大，而且馬尾松林表現(xiàn)尤為明顯。造林情景下興山縣馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)固碳速率始終快速增長(zhǎng)，模擬期間平均值為31.73 Gg·a-1，比固碳速率呈先增長(zhǎng)后趨于平穩(wěn)的BS情景高6.44 Gg·a-1；但由于造林增大了森林面積，使造林情景下馬尾松林單位面積固碳速率(1.06 Mg·hm-2·a-1)低于BS情景(1.09 Mg·hm-2·a-1)(表2)。造林使模擬后期興山縣落葉闊葉林固碳速率逐漸減小的趨勢(shì)得以緩和。造林情景下落葉闊葉林固碳速率平均值為127.61 Gg·a-1，比BS情景高9.57 Gg·a-1；兩者單位面積固碳速率基本相同，分別為1.54和1.52 Mg·hm-2·a-1。

圖6 2009—2030年造林對(duì)所造森林類型碳儲(chǔ)量和固碳速率的影響

表2 兩種情景下興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度和固碳速率

Table 2 The carbon densities and carbon sequestration rates of forest ecosystems of both scenarios in Xingshan County

情景生態(tài)系統(tǒng)面積/104 hm2碳密度/(Mg·hm-2)2009年2020年2030年2009年2020年2030年平均值固碳速率平均值/(Mg·hm-2·a-1)BS情景落葉闊葉林7.747.747.7488.89103.74120.90103.451.52馬尾松林2.332.332.3366.0074.5388.4875.081.09興山縣森林總體16.1716.1716.1787.2899.91112.2999.391.19造林情景新造落葉闊葉林0.020.481.1337.8544.1651.8144.041.85新造馬尾松林0.020.551.2737.0540.2045.0040.291.01新造林總體0.041.032.4037.4342.0649.3542.061.41落葉闊葉林總體7.768.228.8788.76100.22112.1099.721.54馬尾松林總體2.352.883.6065.7467.9973.0968.281.06興山縣森林總體16.2117.2018.5787.1696.44103.9995.771.20

2.4 造林對(duì)興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)的影響

造林增大了興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳速率。2009年造林情景中新造林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量相當(dāng)于BS情景下興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的0.11%，而在2030年這個(gè)比例則增至6.39%(圖7)。模擬期間造林情景下興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳速率平均值分別為16 540.55 Gg和208.04 Gg·a-1，比BS情景下對(duì)應(yīng)值分別高2.94%和8.34%。但由于造林使興山縣森林面積持續(xù)增大，導(dǎo)致2009—2030年造林情景下興山縣所有森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度平均值(95.77 Mg·hm-2，表2)低于BS情景(99.39 Mg·hm-2，表2)。單位面積固碳速率在造林情景和BS情景下基本相同，模擬期間平均值分別為1.20和1.19 Mg·hm-2·a-1(表2)。

圖7 2009—2030年造林對(duì)興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳速率的影響

3 討論

基于森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)和CBM-CFS3模型，評(píng)估和預(yù)測(cè)2009—2030年造林對(duì)興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響。筆者估算模擬期間BS情景下興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度平均值為99.39 Mg·hm-2(表3[6,19,27-30])，與三峽庫(kù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度相近[19,27]，表明筆者研究模擬結(jié)果較合理。

表3 CBM-CFS3估算結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比

Table 3 Comparison of the CBM-CFS3 estimation with the literature results

地點(diǎn) 研究對(duì)象 生態(tài)系統(tǒng)碳密度/(Mg·hm-2)生物量固碳速率/(Mg·hm-2·a-1)生態(tài)系統(tǒng)固碳速率/(Mg·hm-2·a-1)來(lái)源文獻(xiàn)興山縣新造林總體42.061.371.41該研究興山縣BS情景森林總體1)99.391.341.19該研究三峽庫(kù)區(qū)森林總體1)107.35——[19]三峽庫(kù)區(qū)森林總體1)117.68——[27]河北省北部針葉林及闊葉林—0.07～1.87—[28]江西省吉安市馬尾松林—1.01～3.18—[29]江西省馬尾松林——2.02[30]江西省杉木林——1.90[30]江西省濕地松林——2.04[30]中國(guó)所有人工林類型—0.14—[6]東亞5國(guó)2)所有人工林類型—0.23—[6]

1)BS情景下森林總體與文獻(xiàn)[19,27]中三峽庫(kù)區(qū)森林總體所包含的森林類型相同，共有馬尾松林、柏木林、杉木林、溫性松林、落葉闊葉林、常綠闊葉林、針闊混交林和針葉混交林8種森林類型；2)包含蒙古、中國(guó)、朝鮮、韓國(guó)和日本。

由于已有研究多關(guān)注植被部分，因而取筆者研究結(jié)果中生物量碳庫(kù)固碳速率與之進(jìn)行對(duì)比。驗(yàn)證結(jié)果表明興山縣森林生物量固碳速率平均值為1.34～1.37 Mg·hm-2·a-1，符合前人研究結(jié)果(0.07～3.18 Mg·hm-2·a-1)[28-29]并且高于中國(guó)及東亞森林生物量固碳速率平均值(0.14～0.23 Mg·hm-2·a-1)[6]，說(shuō)明興山縣森林與其所在氣候區(qū)森林整體的固碳能力相符，而且其固碳能力略強(qiáng)于中國(guó)森林的平均水平。人工造林是固碳能力最強(qiáng)的造林方式[3]。模擬期間興山縣新造林生態(tài)系統(tǒng)固碳速率為1.41 Mg·hm-2·a-1(表2)，略低于江西省主要針葉人工林生態(tài)系統(tǒng)固碳速率(1.90～2.04 Mg·hm-2·a-1)[30]。除興山縣與江西省針葉人工林立地環(huán)境不同以外，后者采用了野外調(diào)查和室內(nèi)分析法。研究方法的不同也是導(dǎo)致結(jié)果差異的主要原因。

我國(guó)《造林技術(shù)規(guī)程》中對(duì)造林的定義與《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》(United Nations Framework Convention on Climate Change，UNFCCC)中對(duì)造林(再造林)的定義稍有差異，后者更強(qiáng)調(diào)造林引起的土地利用變化，并對(duì)變化時(shí)間做出限制：指在至少過(guò)去50 a內(nèi)不曾有森林土地轉(zhuǎn)化為有林地，再造林(第1承諾期)指在1989年12月31日及之前無(wú)林地轉(zhuǎn)化為有林地的活動(dòng)[31]。筆者在我國(guó)造林定義的基礎(chǔ)上遵循UNFCCC造林(再造林)對(duì)土地利用變化的規(guī)定，即認(rèn)為所有造林均發(fā)生于非森林地塊，但未嚴(yán)格區(qū)分土地利用變化的發(fā)生時(shí)間，而且筆者并未考慮毀林、林地流轉(zhuǎn)或其他自然及人為干擾(如采伐和病蟲(chóng)害等)可能引起的土地利用轉(zhuǎn)化?！杜d山縣土地總體利用規(guī)劃(2006—2020)》預(yù)計(jì)2020年林地面積為1.88×105hm2；且基于規(guī)劃中2010—2020年各地類面積動(dòng)態(tài)推算出2030年林地面積為1.90×105hm2。筆者研究預(yù)測(cè)造林情景下興山縣2020和2030年林地面積分別為1.720×105和1.857×105hm2(表2)，符合該規(guī)劃對(duì)各地類面積的控制；而且所預(yù)測(cè)的累積造林面積(2.40×104hm2，表2)低于總宜林面積(2.94×104hm2)，即模擬結(jié)束時(shí)興山縣仍具有造林潛力。總體而言，筆者應(yīng)用的灰色模型及造林假設(shè)是合理可行的，但未來(lái)造林情景受經(jīng)濟(jì)、政策及人為等多種因素影響，仍需進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和記錄。

筆者使用的CBM-CFS3模型可對(duì)生態(tài)系統(tǒng)整體碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算；而且該模型是非空間模型，在目前缺乏詳細(xì)空間信息的情況下也能根據(jù)造林年度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)從森林類型和行政區(qū)2種尺度上估算造林對(duì)森林固碳能力的影響。土壤有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫(kù)[32]。造林后原有非森林土壤碳轉(zhuǎn)變?yōu)樯滞寥捞迹鳛檠芯繉?duì)象的一部分被納入森林生態(tài)系統(tǒng)中，將會(huì)造成新造林土壤有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)、DOM碳庫(kù)以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量迅速增加。相比之下，新造林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的年際變化量(即生態(tài)系統(tǒng)固碳速率)去除了森林面積變化引起的土壤碳儲(chǔ)量增加，更能反映新造林真實(shí)的固碳能力。新造林生物量固碳速率(1.37 Mg·hm-2·a-1)明顯高于DOM碳庫(kù)(0.04 Mg·hm-2·a-1)，這與前人研究結(jié)論[10]一致。興山縣新造林DOM固碳速率在2016年之前為負(fù)值，說(shuō)明造林后至少7 a內(nèi)土壤碳庫(kù)表現(xiàn)為碳排放，之后才發(fā)揮固碳功能，這與王艷芳等[13]對(duì)退耕還林工程中人工林土壤固碳動(dòng)態(tài)特征的研究結(jié)果相吻合。

由于現(xiàn)有造林記錄所含信息較少，筆者依據(jù)文獻(xiàn)資料所設(shè)置的造林情景主要包含以下3點(diǎn)不確定性，可能高估了新造林的固碳速率：(1)新造林初期可能并未達(dá)到森林標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)屬于未成林造林地，但筆者視其為幼齡森林，未考慮其成林時(shí)間及兩者地類差別；(2)受自然條件、當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶種植習(xí)慣和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的影響，實(shí)際造林樹(shù)種中包含柑橘(Citrusreticulata)、板栗(Castaneamollissima)、胡桃(Juglansregia)等經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種以及杉木、柏木等針葉樹(shù)種，筆者將其統(tǒng)一歸入落葉闊葉林和馬尾松林；(3)實(shí)際造林成活率可能難以達(dá)到陳光羽等[24]提及的興山縣天保工程造林成熟率(100%)。有數(shù)據(jù)顯示考慮實(shí)際存活率的固碳潛力值僅相當(dāng)于理想狀態(tài)下的52%[15]。此外，未考慮2009年興山縣未成林造林地(1 223 hm2)在模擬期間的成林情況，可能造成興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的低估。CBM-CFS3模型的輸入數(shù)據(jù)、模型算法及參數(shù)也會(huì)影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確程度。筆者研究局限性體現(xiàn)在CBM-CFS3模型的計(jì)量對(duì)象為森林生態(tài)系統(tǒng)，目前尚無(wú)法估算非森林地塊植被和土壤碳動(dòng)態(tài)，因此暫未考慮非森林地塊轉(zhuǎn)化為森林過(guò)程中的碳儲(chǔ)量變化。未來(lái)可進(jìn)行更加詳細(xì)的區(qū)域碳核算，進(jìn)一步評(píng)估土地利用變化造成的碳收支。

森林生長(zhǎng)與氣候密切相關(guān)[33]。邱琳等[34]認(rèn)為新疆西伯利亞落葉松(Larixsibirica)固碳速率與溫度和降水呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，因此氣候變化很可能會(huì)引起森林固碳速率的變化。而CBM-CFS3模擬結(jié)果反映的是研究區(qū)長(zhǎng)期氣候條件下的森林碳動(dòng)態(tài)，無(wú)法估算短期氣候波動(dòng)對(duì)森林固碳的影響。未來(lái)需要深入研究森林生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)與氣候關(guān)系，改進(jìn)模型算法并調(diào)整輸入?yún)?shù)，使其更好地反映森林固碳速率對(duì)氣候變化的響應(yīng)。

造林通過(guò)調(diào)整林齡結(jié)構(gòu)增加森林碳儲(chǔ)量，對(duì)興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響。筆者研究結(jié)果顯示2009—2030年新造落葉闊葉林的生態(tài)系統(tǒng)固碳速率(1.85 Mg·hm-2·a-1)高于馬尾松林(1.01 Mg·hm-2·a-1)，今后可適當(dāng)增加落葉闊葉林如刺槐、板栗和杜仲等樹(shù)種的造林力度，不僅能使興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)固碳速率由下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)趨勢(shì)，也有助于提高當(dāng)?shù)鼐用袷杖隱25]210-212；同時(shí)還需要遵循適地適樹(shù)原則并加強(qiáng)撫育管理。另外，在現(xiàn)有造林統(tǒng)計(jì)工作的基礎(chǔ)上，還需建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和調(diào)查體系，完善造林作業(yè)設(shè)計(jì)的歸檔及記錄，規(guī)范對(duì)造林樹(shù)種、種植時(shí)間、造林方式及密度、發(fā)生位置等詳細(xì)信息的記錄，為全面掌握和準(zhǔn)確評(píng)估森林資源的動(dòng)態(tài)變化以及合理規(guī)劃森林經(jīng)營(yíng)措施提供數(shù)據(jù)支持，并為區(qū)域尺度生態(tài)工程建設(shè)提供管理依據(jù)。

4 結(jié)論

該研究采用CBM-CFS3模型評(píng)估并預(yù)測(cè)了2009—2030年造林對(duì)興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳速率的影響。模擬期間BS情景下興山縣生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳速率平均值分別為16 067.70 Gg和192.03 Gg·a-1。2009—2030年造林情景下累積造林面積為2.40×104hm2。模擬期間造林使興山縣森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳速率平均值分別增加472.85 Gg和16.01 Gg·a-1，其中，生物量碳庫(kù)和DOM碳庫(kù)碳儲(chǔ)量占比分別為19.11%和80.89%，兩者固碳速率占比分別為94.15%和5.85%。造林使馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)和落葉闊葉林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別增長(zhǎng)237.23和235.63 Gg，使兩者固碳速率增長(zhǎng)6.44和9.57 Gg·a-1。通過(guò)調(diào)整興山縣森林林齡結(jié)構(gòu)，造林提高了森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳速率。