吳 恒,胥 輝

(1.西南林業(yè)大學(xué),昆明 650224；2.國(guó)家林業(yè)和草原局昆明勘察設(shè)計(jì)院,昆明 650216)

森林生物量是森林植物群落在其生命過(guò)程中所生產(chǎn)干物質(zhì)的累積量,是反映森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能特征的重要指標(biāo),也是研究森林生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)與物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)參數(shù)[1]。由生物量轉(zhuǎn)換計(jì)算碳儲(chǔ)量是分析碳循環(huán)的基礎(chǔ),基于森林資源連續(xù)清查和規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查蓄積量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換估計(jì)森林生物量和碳儲(chǔ)量是當(dāng)前國(guó)內(nèi)學(xué)者采用最多的方法,運(yùn)用遙感數(shù)據(jù)與地面調(diào)查數(shù)據(jù)建立反演模型是大區(qū)域尺度生物量和碳儲(chǔ)量估算的有效途徑[2-4]。比較不同數(shù)據(jù)源碳儲(chǔ)量和碳密度估算差異,對(duì)分析估算過(guò)程中的不確定性具有理論意義。

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,在未來(lái)的植被恢復(fù)過(guò)程中,森林生態(tài)系統(tǒng)將會(huì)成為較大的碳匯,對(duì)緩解全球大氣CO2濃度上升具有積極作用[5]。及時(shí)和準(zhǔn)確的森林碳匯估算數(shù)據(jù)與合理的森林類型結(jié)構(gòu)對(duì)提高森林生產(chǎn)力,增強(qiáng)森林碳吸收,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和具有指導(dǎo)意義。不同喬木林類型固碳速率和動(dòng)態(tài)分析是測(cè)算未來(lái)森林生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力的核心問(wèn)題[6-7],為科學(xué)實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)(碳達(dá)峰和碳中和)”[8]這一重大戰(zhàn)略,確保生態(tài)文明建設(shè)中碳匯措施的有效性,分析主要喬木林類型的固碳速率和潛力,科學(xué)確定不同林分類型的“固碳成熟年齡”,對(duì)新時(shí)期森林碳匯經(jīng)營(yíng)管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[9]。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

四川省位于中國(guó)大陸地勢(shì)三大階梯中的第一級(jí)和第二級(jí),是青藏高原生態(tài)屏障和川滇生態(tài)屏障的重要“握手區(qū)”,地形復(fù)雜、氣候多樣,東部盆地,西部高原,山地和高原占比高達(dá)81.8%；屬于全國(guó)第二大林區(qū)、第五大牧區(qū),森林資源以天然林為主,主要分布在川西高原和盆周山地；動(dòng)植物種類豐富,是全球34個(gè)生物多樣性熱點(diǎn)地區(qū)之一；主要的喬木林類型包括冷杉(Abiesfabri)林、云杉(Piceaasperata)林、鐵杉(Tsugachinensis)林、落葉松(Larixpotaninii)林、油松(Pinustabuliformis)林、華山松(Pinusarmandii)林、馬尾松(Pinusmassoniana)林、云南松(Pinusyunnanensis)林、高山松(Pinusdensata)林、杉木(Cunninghamialanceolata)林、柏木(Cupressusfunebris)林、櫟樹(shù)(Quercus)林、樺木(Betula)林、楊樹(shù)(Populus)林和各種混交林。第九次全國(guó)森林資源清查結(jié)果[10]顯示,四川省:森林面積1 839.77萬(wàn)hm2,森林覆蓋率38.03%；活立木蓄積197 201.77萬(wàn)m3,森林蓄積186 099.00萬(wàn)m3,每公頃蓄積139.67m3；森林植被總生物量150 386.79萬(wàn)t,總碳儲(chǔ)量71 582.45萬(wàn)t。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源包括四川省第六次(2002)、第七次(2007)、第八次(2012)和第九次(2017)森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù),樣地總數(shù)10 098個(gè),全為固定樣地,8km×8km與4km×8km兩種樣地間距相間排列,樣地形狀為正方形、邊長(zhǎng)25.82m、面積0.066 7hm2。按照《森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)程》[11]對(duì)起源、樹(shù)種(組)、齡組的劃分方式,將優(yōu)勢(shì)樹(shù)種進(jìn)行歸并處理,得到森林植被分起源、樹(shù)種(組)、齡組的面積、蓄積量等數(shù)據(jù)。四川省主要喬木林類型的樣地?cái)?shù)據(jù)特征值如表1所示。

表1 四川省主要喬木林類型樣地?cái)?shù)據(jù)特征值Tab.1 Statistics of plots for main arbor stands inSichuan Province

2 研究方法

2.1 碳密度估算

四川省第九次森林資源清查采用單木模型法將胸徑作為自變量,計(jì)算得到森林資源連續(xù)清查樣地單木生物量和碳儲(chǔ)量,樣地匯總得到單位面積碳儲(chǔ)量或碳密度[10]。第六次(2002)、第七次(2007)和第八次(2012)清查未計(jì)算樣地單木生物量和碳儲(chǔ)量,采用林分生物量擴(kuò)展因子法(BEF)進(jìn)行蓄積量-生物量轉(zhuǎn)換,分優(yōu)勢(shì)樹(shù)種和齡組計(jì)算樣地生物量和碳儲(chǔ)量；本文采用BEF與單位面積優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)分齡組蓄積倒數(shù)方程來(lái)計(jì)算樣地碳密度,其參數(shù)來(lái)源于《全國(guó)林業(yè)碳匯計(jì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)指南》(試行)(1)國(guó)家林業(yè)局.全國(guó)林業(yè)碳匯計(jì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)指南,2011.相關(guān)地區(qū)的森林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種及樹(shù)種組的生物量轉(zhuǎn)換因子[12-13]。

2.2 估算結(jié)果差異性分析

以單木模型法估算結(jié)果為基準(zhǔn),擴(kuò)展因子法估算結(jié)果與單木模型法估算結(jié)果差值為殘差,進(jìn)行殘差分析。以不同估算方法為變量,運(yùn)用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析,分析不同估算方法結(jié)果的差異性,并計(jì)算單木模型法估算結(jié)果和擴(kuò)展因子法估算結(jié)果的Pearson相關(guān)系數(shù),分析不同估算方法結(jié)果的相關(guān)性。

2.3 喬木林類型的固碳速率建模

按照5年整化主要喬木林類型的齡級(jí),計(jì)算各齡級(jí)碳密度均值和標(biāo)準(zhǔn)差,采用4個(gè)生長(zhǎng)模型,即Logistic模型((1)式)、Mitscherlich模型((2)式)、Korf模型((3)式)和Richards模型((4)式),運(yùn)用SigmaPlot 10.0軟件擬合各喬木林類型的碳密度增長(zhǎng)過(guò)程,根據(jù)模型擬合決定系數(shù)和模型形式以篩選求解結(jié)果。分析各喬木林類型的碳密度連年增長(zhǎng)量和平均增長(zhǎng)量,確定各喬木林類型固碳潛力的成熟年齡。

(1)

C=a1(1-a2×ea3×A)

(2)

C=a1×ea2×Aa3

(3)

C=a1(1-e-a2×A)a3

(4)

以上各式中:C為各齡級(jí)碳密度均值；A為各齡級(jí)中值；a1,a2,a3為待估參數(shù)。

2.4 碳密度動(dòng)態(tài)變化分析

采用指數(shù)模型及其變型((5)—(7)式)擬合四川省碳儲(chǔ)量密度分布規(guī)律,運(yùn)用SigmaPlot 10.0軟件進(jìn)行模型參數(shù)求解。根據(jù)模型擬合決定系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差、Durbin-Watson統(tǒng)計(jì)量和Constant Variance Test來(lái)進(jìn)行模型檢驗(yàn)。

P=a1+a2×ea3×D

(5)

P=a4+a1×e-a2×D+a3×D

(6)

P=a1×e-a2×D+a3×e-a4×D

(7)

以上各式中:P為碳儲(chǔ)量密度概率；D為生物量和碳儲(chǔ)量密度；a1,a2,a3,a4為待估參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 碳儲(chǔ)量和碳密度估算結(jié)果

3.1.1碳儲(chǔ)量估算結(jié)果

采用擴(kuò)展因子法估算四川省第九次清查植被總生物量為152 888.08萬(wàn)t、總碳儲(chǔ)量為76 631.94萬(wàn)t,其中,喬木林生物量為124 974.03萬(wàn)t、碳儲(chǔ)量為62 777.78萬(wàn)t,散生木生物量為3 154.28萬(wàn)t、碳儲(chǔ)量為1 588.85萬(wàn)t,四旁樹(shù)生物量為6 228.46萬(wàn)t、碳儲(chǔ)量為3 009.49萬(wàn)t。單因素方差分析結(jié)果表明,單木模型法碳儲(chǔ)量估算結(jié)果[10]與擴(kuò)展因子法碳儲(chǔ)量估算結(jié)果在α=0.05的水平上無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,其中,喬木林碳儲(chǔ)量相差-8.43%,散生木碳儲(chǔ)量相差-7.59%,四旁樹(shù)碳儲(chǔ)量相差-1.92%。因此,采用擴(kuò)展因子法計(jì)算第六次(2002)、第七次(2007)和第八次(2012)清查樣地生物量和碳儲(chǔ)量具有可行性。

3.1.2碳密度估算結(jié)果

根據(jù)不同估算方法進(jìn)行碳儲(chǔ)量密度殘差分析可知,不同估算方法森林植被碳儲(chǔ)量密度差異主要源于喬木林碳儲(chǔ)量密度差異,散生木和四旁樹(shù)碳儲(chǔ)量密度估算差異對(duì)森林植被碳儲(chǔ)量密度整體差異影響較小。森林植被碳儲(chǔ)量密度、喬木林碳儲(chǔ)量密度、散生木碳儲(chǔ)量密度和四旁樹(shù)碳儲(chǔ)量密度單木模型法估算值與擴(kuò)展因子法估算值之間的Pearson相關(guān)性系數(shù)分別為0.75,0.68,0.72和0.88。

3.2 主要喬木林類型的固碳速率分析

3.2.1主要喬木林類型的固碳速率模型擬合結(jié)果

根據(jù)四川省主要喬木林類型固碳速率模型擬合結(jié)果(表2)可知,模型擬合決定系數(shù)均大于0.7。采用Logistic模型的喬木林類型中,碳密度最大值參數(shù)a1從高到低的類型排序?yàn)獒橀熁旖涣?、冷杉林、油松林、柏木林、針葉混交林、云杉林、落葉松林、鐵杉林、馬尾松林、闊葉混交林、樺木林和楊樹(shù)林；最大固碳速率參數(shù)a3從高到低的類型排序?yàn)闂顦?shù)林、樺木林、闊葉混交林、馬尾松林、鐵杉林、云杉林、針葉混交林、油松林、針闊混交林、冷杉林、落葉松林和柏木林。采用Richards模型的喬木林類型中,碳密度最大值參數(shù)a1從高到低的類型排序?yàn)闄禈?shù)林、高山松林、其它硬闊林、云南松林、華山松林和其它軟闊林；最大固碳速率參數(shù)a2從高到低的類型排序?yàn)槠渌涢熈?、其它硬闊林、華山松林、云南松林、高山松林和櫟樹(shù)林。

表2 四川省主要喬木林類型的固碳速率模型擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of carbon sequestration rate model of main arbor stands in Sichuan Province

根據(jù)碳儲(chǔ)量生長(zhǎng)曲線可知,各喬木林類型隨著年齡的增加,受立地質(zhì)量和林分競(jìng)爭(zhēng)等因素的影響,碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)呈現(xiàn)分化趨勢(shì)(圖1)。其中,楊樹(shù)林(圖1(n))、樺木林(圖1(m))、闊葉混交林(圖1(r))、其它軟闊林(圖1(p))和其它硬闊林(圖1(o)),幼齡時(shí)期的碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)迅速；針闊混交林(圖1(s))、冷杉林(圖1(a))、油松林(圖1(e))、柏木林(圖1(k))、針葉混交林(圖1(q))、云杉林(圖1(b))等成熟時(shí)期的固碳潛力較大,同時(shí),混交林的碳儲(chǔ)量變動(dòng)系數(shù)較單一優(yōu)勢(shì)樹(shù)種林分類型的大。

圖1 四川省主要喬木林類型碳儲(chǔ)量生長(zhǎng)過(guò)程Fig.1 Growth and yield model of carbon storage for main arbor stands in Sichuan Province

3.2.2林分固碳潛力分析

根據(jù)主要喬木林類型碳密度生長(zhǎng)過(guò)程可知,幼齡林階段,碳密度連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量都隨林分年齡的增加而增加,碳密度連年生長(zhǎng)量達(dá)到最高峰的時(shí)間比平均生長(zhǎng)量早,但不同林分類型的各生長(zhǎng)階段存在差異(圖2)。根據(jù)各林分類型碳密度連年生長(zhǎng)量峰值時(shí)間和年最大增長(zhǎng)量(表3)可知,碳密度連年生長(zhǎng)量最大的喬木林類型為楊樹(shù)林,年最大增長(zhǎng)量為2.01t/(hm2·a)。碳密度平均生長(zhǎng)量達(dá)到最高峰時(shí),連年生長(zhǎng)量與平均生長(zhǎng)量相等,可稱為“固碳成熟年齡”,根據(jù)各林分類型固碳成熟年齡(表3)可知,針葉樹(shù)種喬木林類型固碳成熟年齡大于闊葉樹(shù)種喬木林類型,冷杉、云杉、鐵杉、落葉松、柏木、針葉混和針闊混喬木林類型固碳成熟年齡均大于140a。

圖2 四川省主要喬木林類型固碳速率分析圖Fig.2 Carbon sequestration rate analysis of main arbor stands in Sichuan Province

表3 四川省主要喬木林類型碳年最大增長(zhǎng)量及固碳成熟年齡Tab.3 Maximum annual carbon increment and carbon sequestration mature age of of main arbor stands in Sichuan Province

3.3 碳儲(chǔ)量密度分布動(dòng)態(tài)變化分析

采用擴(kuò)展因子法估算四川省2002年、2007年、2012年和2017年碳儲(chǔ)量,其值分別為59 562.70萬(wàn)t,63 724.38萬(wàn)t,67 756.24萬(wàn)t和76 631.94萬(wàn)t。根據(jù)碳儲(chǔ)量密度分布擬合結(jié)果(表4)可知,分布擬合決定系數(shù)均大于0.999 0,標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)誤差均小于等于0.002 0。分布函數(shù)下降速率參數(shù)a2由2002年的0.038 2逐漸增加大到2017的0.043 3,分布函數(shù)下降速率參數(shù)a4由2002年的0.012 2逐漸增加大到2017的0.014 6,表明生物量密度由低值向高值轉(zhuǎn)移的速率逐漸加快,即四川省碳儲(chǔ)量密度從2002年到2017年逐漸增大,且增加速率也依次增大。

表4 2002—2017年四川省碳儲(chǔ)量密度分布擬合結(jié)果Tab.4 Fitting results of carbon storage density distribution in Sichuan Province from 2002 to 2017

根據(jù)碳儲(chǔ)量密度直方圖(圖3(a))可知,碳儲(chǔ)量密度概率分布結(jié)構(gòu)與生物量密度概率分布結(jié)構(gòu)相似,呈現(xiàn)“倒J”形分布。四川省森林植被碳儲(chǔ)量密度為0 t/hm2的面積占區(qū)域總面積的62.99%,碳密度介于1～50t/hm2的面積占區(qū)域總面積的27.41%,碳密度介于51～100t/hm2的面積占區(qū)域總面積的6.06%,碳密度介于100～150t/hm2的面積占區(qū)域總面積的2.23%,碳密度介于150～200t/hm2的面積占區(qū)域總面積的0.87%,碳密度大于200t/hm2的面積占區(qū)域總面積的0.44%。根據(jù)分布擬合曲線(圖3(b))可知,2017年碳儲(chǔ)量密度小于10t/hm2占比明顯低于其它時(shí)期,2017年生物量密度大于40t/hm2占比高于其它時(shí)期,2002—2017年四川省碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。

圖3 2002—2017年四川省碳儲(chǔ)量密度結(jié)構(gòu)分布圖Fig.3 Carbon storage density compositions in Sichuan Province from 2002 to 2017

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

單木模型法的生物量和碳儲(chǔ)量估算結(jié)果與擴(kuò)展因子法估算結(jié)果無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,但不同估算方法碳儲(chǔ)量的相對(duì)差異大于生物量,擴(kuò)展因子法估算生物量和碳儲(chǔ)量可作為有限信息下的備選方法。四川省主要喬木林類型中,楊樹(shù)林、樺木林、闊葉混交林、其它軟闊林和其它硬闊林,幼齡時(shí)期的碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)迅速；針闊混交林、冷杉林、油松林、柏木林、針葉混交林、云杉林等成熟時(shí)期的固碳潛力較大。2002—2017年,四川省碳儲(chǔ)量密度逐漸增大,且增加速率也依次增大,呈現(xiàn)由低密度向高密度轉(zhuǎn)移的趨勢(shì),與生物量密度變化規(guī)律相比,碳儲(chǔ)量密度變化規(guī)律具有擴(kuò)大效應(yīng)。

4.2 討論

在森林資源連續(xù)清查中的實(shí)測(cè)樣地采用單木模型法估測(cè)更準(zhǔn)確,但當(dāng)無(wú)法獲取準(zhǔn)確的單木胸徑、樹(shù)高等參數(shù)時(shí),擴(kuò)展因子法也是一種有效解決方法。同時(shí),森林植被生物量和碳儲(chǔ)量的估算具有不確定性[14-17],不確定性來(lái)源于五個(gè)方面:一是數(shù)據(jù)來(lái)源的不確定性。生物量和碳儲(chǔ)量估算的原始數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)森林資源清查、二類調(diào)查以及濕地、草原和荒漠化土地等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),不同類型數(shù)據(jù)對(duì)總體的代表具有不確定性,導(dǎo)致了估算結(jié)果的不確定性。二是土地利用類型面積的不確定性。面積變量是生物量和碳儲(chǔ)量估算中的重要因子,監(jiān)測(cè)過(guò)程中土地利用變化的不確定性,導(dǎo)致了估算結(jié)果的不確定性,如本文中,森林覆被的面積影響了碳儲(chǔ)量和碳密度的分析。三是估測(cè)方法的不確定性。由于方法學(xué)本身引起的系統(tǒng)誤差具有不確定性,也導(dǎo)致了估算結(jié)果的不確定性,如本文中,采用的兩種估測(cè)方法,喬木林碳儲(chǔ)量相差-8.43%,散生木碳儲(chǔ)量相差-7.59%,四旁樹(shù)碳儲(chǔ)量相差-1.92%,不同方法得到的估測(cè)結(jié)果具有不確定性。四是動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的不確定性。包括調(diào)查周期不同期處理的不確定性,前后期數(shù)據(jù)獲取方法一致性的不確定性等,都會(huì)導(dǎo)致估算結(jié)果的不確定性。五是計(jì)算模型選擇與應(yīng)用的不確定性。計(jì)算過(guò)程中使用的相關(guān)參數(shù),如木材密度、生物量擴(kuò)展因子、根-莖比、碳含量等和模型形式導(dǎo)致了估算結(jié)果的不確定性。在后期的研究中,還應(yīng)增加不同的數(shù)據(jù)類型,來(lái)對(duì)森林植被的生物量和碳儲(chǔ)量估算結(jié)果進(jìn)行比較分析[18]。曾偉生等[19]采用國(guó)家森林資源清查數(shù)據(jù)的對(duì)比,分析了不同生物量和碳儲(chǔ)量估計(jì)方法的準(zhǔn)確性,結(jié)果表明生物量模型法準(zhǔn)確性最高,與本文的研究結(jié)果一致。在數(shù)據(jù)受限的條件下,擴(kuò)展因子法也可作為區(qū)域尺度的估算方法。相較于森林植被生物量和碳儲(chǔ)量估算標(biāo)準(zhǔn)體系而言,草原和濕地等生態(tài)系統(tǒng)的生物量和碳儲(chǔ)量估算標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)。

碳密度平均生長(zhǎng)量達(dá)到最高峰時(shí),連年生長(zhǎng)量與平均生長(zhǎng)量相等,稱為“固碳成熟年齡”。固碳成熟年齡的確定受模型形式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等的影響,如，杉木林和馬尾松林連年生長(zhǎng)量與平均生長(zhǎng)量存在兩個(gè)交點(diǎn),且馬尾松林和杉木林碳密度增長(zhǎng)量最大的年齡與固碳成熟年齡相等,這與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不相符合,需要結(jié)合林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和林分的生長(zhǎng)過(guò)程綜合確定,才能得到較為科學(xué)的結(jié)果；又如，其它硬闊林碳密度最大年增長(zhǎng)量為1.80t/hm2,其它軟闊林碳密度最大年增長(zhǎng)量為1.34t/hm2,其它硬闊林的碳固定潛力大于其它軟闊林是符合生物學(xué)規(guī)律的,但其它硬闊林碳密度增長(zhǎng)量最大的年齡及固碳成熟年齡都小于其它軟闊林又與實(shí)際存在差異,差異產(chǎn)生的原因可能是各齡級(jí)的數(shù)據(jù)分布差異,導(dǎo)致模型擬合的“拐點(diǎn)”差異。盡管模型分析為各喬木林類型固碳潛力提供了有效的參考,但在實(shí)際的林業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)用中仍需要結(jié)合林分生長(zhǎng)的客觀生物學(xué)規(guī)律,對(duì)模型推算的結(jié)果進(jìn)行矯正。本文中采用的喬木林類型是根據(jù)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)確定,各喬木林類型的建模和分析數(shù)據(jù)包括了純林和相對(duì)純林兩種樹(shù)種結(jié)構(gòu),相對(duì)純林中的非優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的林木對(duì)林分固碳成熟年齡的確定具有一定影響,需要在后續(xù)的研究中進(jìn)一步細(xì)化分析。區(qū)域尺度的碳匯潛力和碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化分析是指導(dǎo)2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的客觀需求,科學(xué)合理地優(yōu)化區(qū)域不同林分類型占比,保障區(qū)域尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯過(guò)程持續(xù)平穩(wěn),有必要建立和分析區(qū)域主要喬木林類型固碳速率[6-7],確定主要林分類型的“固碳成熟年齡”,指導(dǎo)精準(zhǔn)提升森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力。