王 謝，鄧 清，周 婧，唐 甜，胡立志，李 瑞，張建華

（1四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，成都 610066；2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西南山地農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610066；3成都師范學(xué)院，成都 611130）

0 引言

在全球氣候變化背景下，生態(tài)系統(tǒng)的固碳增匯已成為當(dāng)今社會(huì)和政府的重要議題和難題《，京都議定書》第3.4款明確規(guī)定：世界各國可以通過增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量來抵消經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的碳排放量[1-3]。中國陸地生態(tài)系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的固碳潛力，尤其是森林生態(tài)系統(tǒng)[4-6]。其中，桑樹生長迅速、生物產(chǎn)量高、功用多元化、產(chǎn)業(yè)鏈完善，是中國南方地區(qū)兼具農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和林業(yè)發(fā)展雙重特征的主要造林植物。有研究指出僅從桑葉的收獲量估算，桑園每年可吸收固定CO2約54642 kg/hm2，折合成純碳為14930 kg/hm2[7]。在2019年，中國桑園面積755300 hm2[8]，當(dāng)年僅桑葉生產(chǎn)就可吸收固定純碳1127.66萬t。中國桑園分布于20個(gè)?。▍^(qū)、市），其中廣西、四川、云南、陜西、重慶5地的桑園面積超過33333 hm2，占全國的比重達(dá)67.6%[8]。近年來，中西部部分省份桑樹栽植力度加大，如貴州、四川、江西等10個(gè)地區(qū)的桑園面積較2018年有所增長，其中貴州的增長速率高達(dá)39.9%[8]。不同于其他森林植被，以剪伐為主的桑園利用模式?jīng)Q定了桑樹的碳儲(chǔ)量長期保持在1～2年的幼嫩新梢中。這就意味著整個(gè)桑樹的固碳速率長期保持在一個(gè)近似于幼齡林的狀態(tài)。故而采用森林經(jīng)營中林木固碳分為幼齡、中齡、成熟和過成熟等生長階段的估算方法，將會(huì)低估桑園的碳匯貢獻(xiàn)。

基于統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行碳匯估算是一種常用方法，如Pan等[9]利用全球森林調(diào)查數(shù)據(jù)和長期野外觀測(cè)資料評(píng)估了全球森林碳收支情況，田云和張俊飚[10]利用農(nóng)業(yè)相關(guān)年鑒測(cè)算了中國農(nóng)業(yè)碳匯，張娟和陳欽[11]基于福建省森林清查數(shù)據(jù)測(cè)算了福建省的林業(yè)碳匯，王正淑等[12]利用退耕還林（草）面積數(shù)據(jù)和自我調(diào)查數(shù)據(jù)測(cè)算了陜西省縣南溝流域退耕地林（草）植被的碳匯。相對(duì)于森林系統(tǒng)或其他作物種植系統(tǒng)，桑園面積的統(tǒng)計(jì)資料缺失嚴(yán)重，特別是省級(jí)以下地區(qū)的，如四川第一大蠶桑產(chǎn)區(qū)涼山州、果桑核心產(chǎn)區(qū)攀枝花市等。但在從國家、省、市、縣水平上的統(tǒng)計(jì)資料中，筆者發(fā)現(xiàn)了與桑園面積密切相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)——蠶繭產(chǎn)量的數(shù)據(jù)完整度非常高，對(duì)評(píng)估桑園面積具有非常重要的意義。為此，本研究試圖通過蠶繭產(chǎn)量來推導(dǎo)出桑園碳儲(chǔ)量，以服務(wù)于各尺度上桑園生態(tài)系統(tǒng)固碳效應(yīng)的精準(zhǔn)評(píng)估，為中國經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的評(píng)估系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料來源與處理

從《四川統(tǒng)計(jì)年鑒》和《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》中獲取2000—2018年四川省蠶繭產(chǎn)量和桑園面積數(shù)據(jù)。從生產(chǎn)實(shí)踐、調(diào)查實(shí)測(cè)或文獻(xiàn)中獲取主要技術(shù)參數(shù)。

1.2 模型構(gòu)建

根據(jù)碳在種植和養(yǎng)殖過程中的足跡（圖1），構(gòu)建下列模型的計(jì)算體系。

圖1 碳的在蠶桑種植和養(yǎng)殖過程中的流動(dòng)環(huán)節(jié)

在生產(chǎn)中，要得到蠶繭產(chǎn)量（silkworm cocoon output，簡寫為SCO）所需要的桑葉量是相對(duì)明確的，即每生產(chǎn)1 kg繭消耗15 kg桑葉[13]。故而，養(yǎng)蠶用桑葉的鮮重（fresh weight of mulberry leaves for sericulture，簡寫為FWMLS）可按照公式(1)進(jìn)行計(jì)算。

式中，F(xiàn)WMLS為養(yǎng)蠶用桑葉的鮮重；SCO為蠶繭產(chǎn)量；a為生產(chǎn)系數(shù)，即每生產(chǎn)1 kg蠶繭所需桑葉量，缺失時(shí)取值15[13]。

在栽桑學(xué)中，桑園的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量主要是桑葉干重（dry weight of mulberry leaves，簡寫為DWML），桑葉干重和桑樹所有器官總干重之間的比例被稱為經(jīng)濟(jì)系數(shù)k，其范圍在0.3～0.6之間[14]。因此，桑樹總生物量（dry weight of mulberry，簡寫為DWM）可由公式(2)、(3)和(4)聯(lián)合計(jì)算得出。

式中，DWML為桑園的桑葉干重；FWML為桑園的桑葉鮮重；b為桑葉的干物質(zhì)含量；wc為桑葉的含水量，缺失時(shí)取值0.7[15]。

式中，F(xiàn)WML為桑園的桑葉鮮重；FWMLS為養(yǎng)蠶用桑葉的鮮重；d為桑葉利用系數(shù)，即桑園桑葉用于養(yǎng)蠶的比例。

式中，DWM為桑園的桑樹總生物量；DWML為桑園的桑葉干重；k為經(jīng)濟(jì)系數(shù)，即收獲桑葉占總生物量的比例，缺失時(shí)取值0.5[14]。

基于桑樹的植物學(xué)特征、收獲特征和剪伐特征，桑園的碳儲(chǔ)量（carbon absorption of mulberry garden，簡寫為CAMG）至少應(yīng)該由3部分組成，即生長年限內(nèi)桑葉中的碳(carbon absorption of leaves，簡寫為CAL)、生長年限內(nèi)桑枝條中的碳(carbon absorption of branches，簡寫為CAB)、和儲(chǔ)存在以根干為代表的其他組織中的碳(carbon absorption of other organizations，簡寫為CAO)。桑園碳儲(chǔ)量的計(jì)算見式(5)，生長年限內(nèi)桑葉中碳的計(jì)算見式(6)，生長年限內(nèi)桑枝條中碳的計(jì)算見式(7)，儲(chǔ)存在以根干為代表的其他組織中碳的計(jì)算見式(8)。

式(5)～(8)中，CAMG為桑園的碳儲(chǔ)量；CAL為生長年限內(nèi)桑葉中的碳儲(chǔ)量；DWML為桑園的桑葉總生物量；DWM為桑園的桑樹總生物量；k為經(jīng)濟(jì)系數(shù)（見公式(2)）；CL為桑葉干重的碳含量；PL為桑葉收獲利用的年數(shù)。CAB為生長年限內(nèi)桑枝條中的碳儲(chǔ)量；CB為桑枝條干重的碳含量；PB為桑枝收獲利用的年數(shù)；DWMB為桑園的莖干總生物量；DWM為桑園的桑樹總生物量；e為支撐桑葉生長桑枝條的條長系數(shù)；f為單位條長平均生物量換算系數(shù)。CAO為儲(chǔ)存在以根干為代表的其他組織中的碳儲(chǔ)量；DWMO為桑園莖干根干重；CO為莖干根干重的碳含量。

1.3 主要參數(shù)的核算方法

桑葉利用系數(shù)d的計(jì)算方法見公式(9)。在實(shí)際生產(chǎn)中，桑園桑葉用于養(yǎng)蠶的比例變化較大，各地區(qū)差異非常明顯，因此需要更大尺度區(qū)域的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算。如四川省省級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中桑園面積和蠶繭產(chǎn)量的數(shù)據(jù)都是完整的，可以利用桑園面積和蠶繭產(chǎn)量數(shù)據(jù)來計(jì)算利用系數(shù)d。

式中，d為桑葉利用系數(shù)（見公式(4)）；SCO為蠶繭產(chǎn)量；FWMLS為養(yǎng)蠶用桑葉的鮮重；a為生產(chǎn)系數(shù)（見公式(1)）；AM為桑園面積；LYPA為單位面積桑葉產(chǎn)量，缺失時(shí)可取37500(kg/hm2)/年。

支撐桑葉生長桑枝條條長系數(shù)e的計(jì)算方法：雖然四川桑園的采摘桑葉喂養(yǎng)蠶的批次是4個(gè)，但夏秋季節(jié)是連續(xù)采摘，主要的桑葉采收批次可分為兩個(gè)大的連續(xù)批次，即春季和夏秋季，通常春季的桑葉產(chǎn)量約15000 kg/hm2，夏秋季約22500 kg/hm2。雖然有條桑育和片桑育之分，其中片桑育又有夏伐和冬伐等不同組合模式，但四川地區(qū)養(yǎng)蠶主要以片桑育為主，年內(nèi)桑枝條的主要收獲次數(shù)以1次為主。因此，采用四川地區(qū)蠶桑生產(chǎn)上的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：每米桑枝條的桑葉鮮重為120 g，則支撐桑葉干重生長桑枝條的條長（系數(shù)e）可由公式(10)計(jì)算得到。

式中，e為支撐桑葉生長桑枝條的條長系數(shù)；SCL為春季桑葉產(chǎn)量；PC為養(yǎng)蠶桑葉收獲批次；LWBM為每米桑枝條的桑葉鮮重；b為葉片干物質(zhì)含量。

單位條長桑枝條平均生物量換算系數(shù)f的計(jì)算方法：為了計(jì)算平均單位條長桑枝條生物量換算系數(shù)f，構(gòu)建每米標(biāo)準(zhǔn)枝條，按照?qǐng)A柱形體積公式，計(jì)算每米桑枝條的體積為100×3.14×0.502=78.50 cm2，按照桑樹通用的木材密度為0.44 g/cm2計(jì)算，平均單位條長桑枝條生物量換算系數(shù)f等于0.03454 kg/m。

各組織器官碳含量的測(cè)定或估算依據(jù)：通過對(duì)四川各地的桑葉總碳含量的實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，四川地區(qū)桑樹主要為低干桑樹栽培模式，據(jù)大田實(shí)測(cè)桑園栽培密度約15000株/hm2，成熟時(shí)干高60 cm，樹干平均直徑10 cm，桑葉總碳含量在37%～41%之間，平均值為40%左右，缺失值可取該值。桑枝條和莖干組織總碳含量尚無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可參考其他相關(guān)文獻(xiàn)中軟闊枝條的碳含量數(shù)據(jù)。張紅愛[16]在廣東測(cè)定的軟闊類樹木樹干、樹枝和樹根的平均碳含量分別為51.76%、52.12%和50.01%，這與Lamlom等[17]、Thomas等[18]的研究結(jié)果相一致。故在缺失值條件下，枝條和莖干的碳含量可取值為50%。

1.4 對(duì)比模型的選擇

本研究選用《森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量計(jì)量指南》（LY/T 2988—2018，公式(11)～(13)）中的灌木模型作為對(duì)照。

式中：Cag表示桑園地上部分碳含量，Cbg表示桑園地下部分碳含量。B1表示桑園中地上部分單位面積生物量，本研究為缺失值，采用12.51 t/hm2。B2表示桑園地下部分單位面積生物量，本研究為缺失值，采用6.721 t/hm2。CF1表示桑園地上部分生物碳儲(chǔ)量，采用0.47。CF2表示桑園地下部分生物碳儲(chǔ)量，采用0.47。S表示面積。CAMG表示桑園的碳吸收量，單位為t。

1.5 統(tǒng)計(jì)與分析

利用配對(duì)t檢驗(yàn)本研究模型對(duì)四川2000—2018年桑園碳匯估算結(jié)果和對(duì)照模型計(jì)算結(jié)果之間的差異，置信度取95%，雙尾檢驗(yàn)。數(shù)值計(jì)算、配對(duì)t檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)展示皆基于軟件Excel 2016。

2 結(jié)果與分析

2.1 四川桑園的桑葉利用系數(shù)

由表1可知，穩(wěn)定投產(chǎn)的桑園的桑葉利用系數(shù)在0.35及以上。而2000年、2016—2018年桑葉的利用率低于0.30，表示該時(shí)期存在大量的尚未投產(chǎn)的新栽桑園。

表1 2000—2018年四川省的桑園面積、蠶繭產(chǎn)量和桑葉利用系數(shù)

2.2 基于本研究模型的四川省桑園逐年碳匯估算

由圖2可知，根據(jù)本研究模型計(jì)算出的2000年四川省桑園的年碳儲(chǔ)量為135.00萬t。2001年四川省桑園年碳儲(chǔ)量減少為108萬t后，進(jìn)入持續(xù)增長階段，2018年的桑園碳儲(chǔ)量達(dá)到142.39萬t。年桑園碳儲(chǔ)量中葉片的貢獻(xiàn)最大，占總量的44.44%；其次是桑枝條，占總量的26.65%；根干等其他組織合計(jì)占總量的28.90%。這表明桑葉和桑枝是桑園生態(tài)系統(tǒng)碳匯的主要貢獻(xiàn)者。按此計(jì)算出的桑園植被層當(dāng)年平均碳密度為10.13 t/hm2，其中桑葉的當(dāng)年碳密度為4.50 t/hm2，桑枝的當(dāng)年碳密度為2.70 t/hm2。

圖2 基于本研究模型計(jì)算出的2000—2018年四川省桑園碳儲(chǔ)量

2.2 基于本研究模型的、以2000年基準(zhǔn)的四川省桑園累積總量

由圖3可看出，桑園累積碳匯是由2000年135萬t逐年累積收獲，至2018年已經(jīng)累積碳匯達(dá)1636.25萬t，其貢獻(xiàn)主要來自于葉片和枝條每年收獲和生長所得到的可累積的碳儲(chǔ)量。由于葉片和枝條占比隨時(shí)間增長而增加，從2000—2018年，四川桑園桑葉對(duì)碳匯的貢獻(xiàn)從占比44.44%累積到了60.94%，桑枝條的貢獻(xiàn)也從26.654%累積到了36.55%。而根干等其他組織的碳匯貢獻(xiàn)從28.9%降低到了2.52%。

圖3 基于本研究模型計(jì)算出的2000—2018年四川省桑園的累積碳匯量

2.3 本研究模型與對(duì)照模型的差異性比較

由表2可知，本研究模型計(jì)算出的當(dāng)年碳儲(chǔ)量大于與對(duì)照模型計(jì)算出的當(dāng)前碳儲(chǔ)量，其兩者的差值在11.5萬～15.3萬t之間。對(duì)照模型碳儲(chǔ)量低估了10.73%的桑園年儲(chǔ)量。對(duì)照模式作為森林生態(tài)系統(tǒng)常用模型，并未考慮收獲部分的累積碳匯效應(yīng)。這種忽略的碳匯貢獻(xiàn)隨著時(shí)間增長而遞增，對(duì)照模式被低估碳匯量在不斷地累積增多。如果按照對(duì)照模型進(jìn)行核算，四川地區(qū)從2000—2018年桑園的累積碳匯貢獻(xiàn)將被低估90%以上。

表2 對(duì)照模型計(jì)算出的2000—2018年四川省桑園的碳儲(chǔ)量及其與本研究模型計(jì)算結(jié)果的差異

3 結(jié)論

在“東桑西移”項(xiàng)目實(shí)施后，中國西部桑園面積顯著增加，年增加桑園面積約7924.69 hm2[19]。其中，隨著四川省川桑產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，四川桑園將在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)或經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯中做出重要貢獻(xiàn)。雖然在生長的同時(shí)，桑葉占桑樹生物量比例不超過20%，但蠶桑養(yǎng)殖桑葉收獲的背景下，當(dāng)年桑葉碳儲(chǔ)量占桑園碳匯量的44.44%。森林生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)量計(jì)量指南（對(duì)照模型）所計(jì)算的碳儲(chǔ)量為當(dāng)前地上和地下碳匯的總量，雖然比本研究模型的計(jì)算結(jié)果理論上低了10.73%，但總的來說，這個(gè)差異在年內(nèi)是可以接受的。但問題的關(guān)鍵在于對(duì)照模型沒有考慮到桑葉被采摘以及被采摘后再生長的情況。而本研究模型的優(yōu)點(diǎn)是考慮了收獲年和收獲量的問題（公式(6)、(7)），如此可更為全面地反映桑園生態(tài)系統(tǒng)的整體碳匯貢獻(xiàn)。

基于本研究模型，本研究對(duì)2000—2018年四川省桑園碳匯進(jìn)行測(cè)算，得到以下4點(diǎn)結(jié)果：（1）2018年桑園當(dāng)年碳匯量為142.39萬t。（2）桑葉和桑枝是桑園當(dāng)年碳匯的主要來源，其碳匯量分別占桑園總碳匯量的44.44%和 26.65%。（3）以 2000年為基準(zhǔn)年，2000—2018年間四川桑園的累積碳匯量為1636.25萬t。（4）隨著收獲年的不斷增加，桑葉、桑枝的累積碳匯貢獻(xiàn)也逐年增加，以2000年為基準(zhǔn)年，到2018年桑葉和桑枝的累積碳匯貢獻(xiàn)分別占桑園累積碳匯總量的60.94%和36.55%。

需要注意的是，本研究模型是在樣本量還相對(duì)較少、桑園碳匯基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還缺乏的背景下，基于四川地區(qū)所有桑園均用于蠶的片桑育養(yǎng)殖的假設(shè)下提出的，尚有許多局限性，對(duì)于條桑育桑園、果用桑園、菜用桑園等其他生產(chǎn)技術(shù)背景下的桑園碳匯評(píng)估尚不具備可參考性。因此，對(duì)于桑產(chǎn)業(yè)這個(gè)重要的、具有碳匯功能的農(nóng)業(yè)或林業(yè)產(chǎn)業(yè)而言，尚需要做大量的基礎(chǔ)研究工作，作者們希望未來能更加具體地、有針對(duì)性的分地區(qū)、分用途進(jìn)行更為精準(zhǔn)的碳匯評(píng)估，制定各尺度上桑園生態(tài)系統(tǒng)固碳效應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)中國“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

此外，本研究僅僅測(cè)算了桑園桑樹的碳儲(chǔ)量，尚不能完全代表桑園的整體碳儲(chǔ)量，未來還將進(jìn)一步補(bǔ)充土壤的碳儲(chǔ)量[20]、雜草碳儲(chǔ)量、間作物碳儲(chǔ)量、動(dòng)物碳儲(chǔ)量等。由于造林[21]和農(nóng)事經(jīng)營管理[22]對(duì)于土壤有機(jī)碳的影響過程是復(fù)雜的、長期的，加之桑園多元化利用方式的逐漸增加，如何更為準(zhǔn)確地評(píng)估的桑園的土壤碳庫也是桑園碳庫評(píng)估中亟需解決的重要問題。