周志峰,王 耀,賈 剛,于世勇,谷成龍

(國家林業(yè)和草原局林草調(diào)查規(guī)劃院,北京 100714)

氣候變化嚴(yán)重影響著人類的前途和命運,給人類帶來熱脅迫、洪水、干旱等極端天氣和自然災(zāi)害,還會引起空氣污染、病媒擴散等影響人類健康的問題[1]。因此,氣候變化已成為全球共同面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),引起了各國高度關(guān)注,是科學(xué)家們近些年來不斷探討和研究的重點。全球氣候變暖是氣候變化的主要表現(xiàn)之一,是人類目前最迫切需要解決的問題[2],其主要原因是大氣中的溫室氣體特別是二氧化碳含量增加所致。森林生態(tài)系統(tǒng)作為吸收二氧化碳、釋放氧氣的一個巨大碳匯[3],在緩解氣候變暖中起著非常重要的作用。在此背景下,估算全球和區(qū)域尺度的森林碳儲量和碳收支正日益成為人們關(guān)注的重點[4]。

河北省環(huán)抱京津,地理位置突出,對其森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和固碳潛力的研究在全國乃至全球氣候變化研究中占有重要地位。然而,相關(guān)河北省全省區(qū)域尺度森林碳儲量和固碳潛力的研究很少,如:張濱等[5]只研究了河北省北部森林植被碳儲量和固碳速率;賈彥龍等[6]只研究了燕山北部山地人工林和天然次生林的生物碳貯量;畢君等[7]雖然基于IPCC從河北全省區(qū)域尺度開展了相關(guān)研究,但只估算了碳儲量和碳密度,未涉及固碳速率和固碳潛力。為此,本文利用第八次[8]和第九次[9]全國森林資源清查結(jié)果、《河北省國土綠化規(guī)劃(2018—2035年)》[10]等數(shù)據(jù)資料開展了相關(guān)系列研究,從省級區(qū)域尺度對河北省喬木林的碳儲量、碳密度、固碳速率進行分析,并預(yù)測2035年新增喬木林的固碳潛力。研究成果有助于估算“碳中和”進度和評估河北省“碳中和”的實施能力。

1 研究區(qū)概況

河北省環(huán)抱北京,地理坐標(biāo)為36°05′～42°40′N,113°27′～119°50′E,面積為18.88km2；屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),無霜期81～204d,年均降水量484.5mm,大部分地區(qū)四季分明；地勢西北高、東南低,有壩上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌單元,分別占全省總面積的8.5%,48.1%,43.4%。

河北省森林面積502.69萬hm2,由北向南依次遞減,主要分布于北部山地,其中:燕山地區(qū)林地面積占全省60%以上,冀西北盆地、太行山和壩上地區(qū)林地面積占全省23%。主要樹種有油松(Pinustabulaeformis)、落葉松(Larixgmelinii)、山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)、蒙古櫟(Quercusmongolica)等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)主要來源:1)第八次[8]和第九次[9]全國森林資源清查結(jié)果。按每次清查結(jié)束年份進行對應(yīng),分別為2013年和2018年,清查結(jié)果用于估算喬木林碳儲量、碳密度和固碳速率； 2)《河北省國土綠化規(guī)劃(2018—2035年)》[10]和《2018年東北監(jiān)測區(qū)人工造林綜合核查報告》(1)于世勇.2018年東北監(jiān)測區(qū)人工造林綜合核查報告.2018.(核查對象年度為2008—2012年)中的數(shù)據(jù)資料。根據(jù)規(guī)劃的造林面積,核查的人工造林保存率、成林率、造林樹種等,估算2019—2035年全省新增喬木林的固碳潛力。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1樹種分類統(tǒng)計

鑒于每次全國森林資源清查樹種都在發(fā)生變化,為便于統(tǒng)計分析,按植物學(xué)分類和樹種生態(tài)習(xí)性,將面積較小、不常統(tǒng)計樹種的面積、蓄積分別統(tǒng)計到其他相關(guān)樹種的面積和蓄積中,處理后的主要喬木樹種(林分類型)有19種,即:油松(Pinustabulaeformis)、云杉(Piceajezoensis)、柏木(Cupressusfunebris)、落葉松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestris)、楊樹(Populus)、榆樹(Ulmuspumila)、椴樹(TiliatuanSzyszyl.)、樺木(Betula)、刺槐(Robiniapseucdoacacia)、櫟類(Quercus)、柳樹(Salix)、泡桐(Paulownia)、闊葉混(Mixed broad-leaf forest)、其他軟闊類(Other soft wood)、其他硬闊類(Other hard wood)、針闊混(Mixed conifer and deciduous forests)、針葉混(Mixed coniferous)和經(jīng)濟喬木類(Economic trees)。

2.2.2造林面積分配

首先,根據(jù)《河北省國土綠化規(guī)劃(2018—2035年)》[10],2019—2035年河北省規(guī)劃完成營造林面積345.33萬hm2,相當(dāng)于現(xiàn)有森林面積的68.7%。根據(jù)2018年全國人工造林綜合核查河北省的相關(guān)結(jié)果,統(tǒng)計主要造林樹種和各樹種面積比例。在設(shè)定未來營造林樹種、面積比重等營造林規(guī)律不變的情況下,將規(guī)劃完成營造林面積乘以各個樹種面積比例后,便可從中篩選出各喬木樹種新增營造林面積(表1)。按照目前營造林年度任務(wù)分配規(guī)律,將2019—2035年17個年度的營造林任務(wù)按年度進行平均分配,可得出各喬木樹種年均營造林面積。

表1 河北省喬木樹種營造林面積

2.3 估算與預(yù)測方法

2.3.1碳儲量估算

采用聯(lián)合國氣候變化政府間專家委員會(IPCC)指導(dǎo)各國開展生物量和碳儲量的估算公式[11]進行計算,公式為:

(1)

式中:C為喬木林的碳儲量(tC),Vi為樹種(林分類型)i的蓄積量(m3),SVDi為樹種(林分類型)i的木材密度(t.d.m/m3),BEF,i為樹種(林分類型)i的生物量擴展因子(無量綱),Ri為樹種(林分類型)i的地下生物量與地上生物量的比值(無量綱),CFi為樹種(林分類型)i的含碳率(tC/t.d.m)。

SVDi,BEF,i,Ri,CFi等相關(guān)參數(shù)可參考相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[12-13]和文獻[7,14]。

2.3.2碳密度計算

碳密度為單位面積的碳儲量,公式為:

Cd,i=Ci/Ai

(2)

式中:Cd,i為樹種(林分類型)i的碳密度(tC/hm2),Ci為樹種(林分類型)i的碳儲量(tC),Ai為樹種(林分類型)i的面積(hm2)。

2.3.3固碳速率計算

固碳速率可利用不同時期森林生態(tài)系統(tǒng)單位面積碳儲量的變化量來估算[15],公式為:

Cr,i=(Cd,i,t1-Cd,i,t2)/(t2-t1)

(3)

式中:Cr,i為樹種(林分類型)i的固碳速率(tC/(hm2·a)),Cd,i,t1和Cd,i,t2分別為t1時間、t2時間樹種(林分類型)i的碳密度(tC/hm2)。

2.3.4固碳潛力預(yù)測

喬木林固碳潛力是一個時期內(nèi)由于喬木林面積的增加而產(chǎn)生的新的碳儲量,首先依據(jù)各樹種的固碳速率、相關(guān)國土綠化規(guī)劃中喬木林營造面積,然后再考慮不同樹種的保存率和成林率進行估算。某一年度新增喬木林固碳潛力計算公式為:

(4)

式中:Cp為某個年度新增喬木林的固碳潛力(tC),ΔAi為不同年度樹種(林分類型)i的營造林面積(hm2),ΔCr,i為樹種(林分類型)i不同齡組的固碳速率(tC/(hm2·a)),Δγi為樹種(林分類型)i不同年度營造林的保存率(%),Δαi為樹種(林分類型)i不同年度營造林的成林率(%),Δt表示預(yù)測年度與基準(zhǔn)年度(研究的起始造林年度)的時間差值(a)。

假設(shè)各年度營造林樹種不變,各年度各樹種(林分類型)的營造林面積、保存率與成林率一致,且新增喬木林地不被建設(shè)項目使用、林木不被采伐和破壞、火燒,則一個時期內(nèi)新增喬木林固碳潛力按(5)—(7)式計算更為準(zhǔn)確。

當(dāng)Δt≤tyi時:

(Δt+tα,i)]

(5)

當(dāng)tyi≤Δt≤tmi時:

(6)

以此類推,當(dāng)Δt≥toi時:

(7)

式中:tyi為樹種(林分類型)i的幼齡林最高年限(a),Cp為一個時期內(nèi)新增喬木林的固碳潛力(tC),Ai為樹種(林分類型)i的年均營造林面積(hm2),Cr,y,i為樹種(林分類型)i幼齡林的固碳速率(tC/(hm2·a)),γi為樹種(林分類型)i的保存率(%),αi為樹種(林分類型)i的成林率(%),tαi為樹種(林分類型)i的成林年限(a),tmi為樹種(林分類型)i的中齡林最高年限(a),Cr,m,i為樹種(林分類型)i中齡林的固碳速率(tC/(hm2·a)),toi為樹種(林分類型)i的過熟林最低年限(a),Cr,o,i為樹種(林分類型)i過熟林的固碳速率(tC/(hm2·a))。

各樹種保存率、成林率根據(jù)《2018年東北監(jiān)測區(qū)人工造林綜合核查報告》(2)于世勇.2018年東北監(jiān)測區(qū)人工造林綜合核查報告.2018.(核查對象年度為2008—2012年)計算得出；齡級劃分查閱《森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)程》(GB/T 38590—2020)[16]獲得；成林年限一般為3年,具體年限因營造林方式和樹種特性而異,參閱《生態(tài)公益林建設(shè)導(dǎo)則》(GB/T 18337.1—2001)[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 碳儲量現(xiàn)狀

3.1.1總碳儲量

根據(jù)2013年和2018年全國森林資源清查結(jié)果,以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[12-13]和文獻[7,14]中有關(guān)參數(shù),按(1)式計算得出河北省兩次清查相應(yīng)的喬木林碳儲量(表2)。

表2 河北省喬木林碳儲量前后兩期對比

由表2可知,2013年和2018年河北省喬木林碳儲量分別為4 770.76萬tC和6 167.49萬tC,2018年比2013年增加1 396.73萬tC,增長率為29.28%。

3.1.2分樹種碳儲量

林分類型不同,其碳儲量存在著很大差異[18]。除受面積、蓄積影響外,其差異還主要體現(xiàn)在木材密度、生物量擴展因子、地下生物量與地上生物量的比值、含碳率等碳儲量估算參數(shù)取值的不同。在2018年河北省喬木林樹種(林分類型)中,櫟類碳儲量最高,為1 322.91萬tC,占總碳儲量的21.4%；其次為樺木,碳儲量為1 047.43萬tC,占總碳儲量的17.0%,第三為楊樹,碳儲量為943.34萬tC,占總碳儲量的15.3%；最低為泡桐和針闊混,分別為2.91萬、2.06萬tC。泡桐和針闊混碳儲量低的主要原因:一是碳儲量與其面積呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,即碳儲量的大小主要取決于林分的面積基數(shù)[15]。據(jù)統(tǒng)計泡桐和針闊混的面積分別為0.48萬、0.16萬hm2,分別占喬木林總面積的0.13%,0.04%。二是碳儲量與其蓄積呈正相關(guān)關(guān)系,蓄積大,其碳儲量也相應(yīng)增大；蓄積小,其碳儲量也相應(yīng)變小。據(jù)統(tǒng)計,泡桐和針闊混的蓄積分別為6.43萬、4.41萬m3,分別占總蓄積的0.05%,0.03%。

3.1.3分齡組碳儲量

喬木林的碳儲量與林齡存在著一定關(guān)系[19]。在2018年河北省喬木林中,幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林的碳儲量分別為2 010.18萬、2 400.80萬、1 101.04萬、531.99萬、123.48萬tC,碳儲量占比分別為32.6%,38.9%,17.9%,8.6%,2.0%?？梢?碳儲量主要集中于中齡林、幼齡林和近熟林,三者合計碳儲量占總碳儲量的89.4%。2013年和2018年前后兩期對比,幼齡林碳儲量增長最快,碳儲量增加652.89萬tC,增長率為48.1%；其次是中齡林,碳儲量增加560.36萬tC,增長率為30.4%。分析原因,主要與近年來河北省大力開展?fàn)I造林有關(guān)。根據(jù)國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2006—2015年(兩次清查時可進入森林資源統(tǒng)計的營造林年度)河北省共完成營造林299.20萬hm2,相當(dāng)于2018年森林面積的六成。營造林面積的快速增加,使幼齡林和中齡林的面積、蓄積、生物量相應(yīng)增加,從而導(dǎo)致相應(yīng)齡組碳儲量較快增長。

3.2 碳密度與固碳速率

3.2.1分樹種碳密度與固碳速率

根據(jù)2013年和2018年河北省喬木林的碳儲量與面積,利用(2)式計算出不同樹種(林分類型)各個齡組的碳密度,再利用(3)式計算得出相應(yīng)樹種、相應(yīng)齡組的固碳速率。具體結(jié)果如表3、表4所示。

表3 河北省喬木林碳密度前后兩期對比

表4 河北省喬木林固碳速率

由表3可知,2018年河北省喬木林平均碳密度為16.88tC/hm2(比2013年增長1.54tC/hm2)。在所有喬木林樹種(林分類型)中,云杉的碳密度最大(為63.19tC/hm2),最小的為經(jīng)濟喬木(為1.56tC/hm2),二者相差61.63tC/hm2,說明不同樹種(林分類型)的碳密度存在著較大差異。就整體而言,針葉樹種的平均碳密度普遍大于闊葉樹種,但樺木比較特殊,樺木的平均碳密度為35.97tC/hm2,大于油松、落葉松和柏木。分析原因,主要是樺木林全部為天然林,而油松、落葉松和柏木林大部分為人工林。根據(jù)有關(guān)研究[19],天然林的碳密度大于人工林。

由表4可知,2013—2018年間河北省喬木林平均固碳速率為0.31tC/(hm2·a),且不同樹種(林分類型)間差異較大。在喬木林樹種(林分類型)中,云杉最高,固碳速率為5.24 tC/(hm2·a)；其次是落葉松,固碳速率為1.74 tC/(hm2·a)；其他樹種(林分類型)從大到小依次為樺木>櫟類>刺槐>油松>柳樹>其他軟闊類>楊樹>經(jīng)濟喬木>其他硬闊類>樟子松>椴樹>柏木>榆樹>針葉混>泡桐>針闊混。固碳速率最高的云杉與最低的針闊混相差7.44 tC/(hm2·a)。

3.2.2分齡組碳密度與固碳速率

由表3可知,在2018年河北省喬木林中,幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林的碳密度分別為9.82,21.15,39.76,35.28,28.45tC/hm2。其中,近熟林碳密度最高。結(jié)果顯示出:在近熟林之前,隨著林齡的增大，相應(yīng)齡組的碳密度逐步增加；而在近熟林之后,隨著林齡的增大，相應(yīng)齡組的碳密度反而有逐步降低的趨勢。說明喬木林生長到成熟林階段,隨著樹木生長能力的下降和枯損量的增加、其碳固定能力將會產(chǎn)生下降,碳密度也隨之降低[20]。如果連接每個齡組碳密度形成曲線,其形狀類似于正態(tài)分布。

由表4可知,2013—2018年河北省喬木林各齡組中,近熟林固碳速率最高,達到0.85tC/(hm2·a)。其他齡組固碳速率由高到低依次為過熟林(0.73tC/(hm2·a))>成熟林(0.65tC/(hm2·a))>幼齡林(0.46tC/(hm2·a))>中齡林(-0.20tC/(hm2·a))。中齡林固碳速率出現(xiàn)負值的原因是:2018年喬木林的森林結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,椴樹、泡桐、其他軟闊類、針闊混、針葉混相應(yīng)齡組的面積和蓄積與2013年相比都在減少,面積共減少2.88萬hm2,蓄積減少78.66萬m3,從而拉低了2013—2018年這一時間段中齡林的固碳速率。

3.3 固碳潛力估算

根據(jù)表1不同樹種(林分類型)的營造林面積、表4對應(yīng)樹種(林分類型)不同齡組的固碳速率,以及查閱相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)獲得的成林年限,由《2018年東北監(jiān)測區(qū)人工造林綜合核查報告》(3)于世勇.2018年東北監(jiān)測區(qū)人工造林綜合核查報告.2018.(核查對象年度為2008—2012年)計算得出的對應(yīng)樹種(林分類型)的保存率和成林率,根據(jù)樹種齡組劃分標(biāo)準(zhǔn)和Δt的長短,利用(5)—(7)式,可預(yù)測出2019—2035年河北省新增喬木林的固碳潛力。鑒于造林成活3年后才能夠達到成林的起始年限,所以實際預(yù)測期限為2022—2035年。另外,由表4可知,2013—2018年柏木和楊樹幼齡林階段的固碳速率為負值,通過計算其相應(yīng)齡組的理論固碳潛力亦為負值。但在造林后,林地沒被征占用,林木也沒被采伐、破壞,以及發(fā)生火燒,未產(chǎn)生碳排放的情況下,其實際固碳潛力不可能出現(xiàn)負值,最低應(yīng)為0。所以,本次研究對其相應(yīng)齡組的固碳潛力按0進行統(tǒng)計。具體結(jié)果如表5所示。

表5 河北省新增喬木林固碳潛力估算

由表5可知,到2035年,河北省新增喬木林的固碳潛力為73.63萬tC。按照《河北省國土綠化規(guī)劃(2018—2035年)》[10]中的近期(2019—2022年)、中期(2023—2030年)、遠期(2031—2035年)規(guī)劃目標(biāo)期限的劃分,其固碳潛力分別為1.52萬、27.34萬tC和76.63萬tC。至2035年,新增喬木林樹種(林分類型)的固碳潛力,按樹種排序依次為楊樹>落葉松>油松>經(jīng)濟喬木>刺槐>其他硬闊類>柏木,潛力值分別為46.71萬、14.49萬、5.05萬、4.07萬、2.86萬、0.44萬tC和0。楊樹固碳潛力最高的原因,除與其速生、蓄積量增長快速的特性有關(guān)外,還與其營造林面積正相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計,楊樹營造林面積的比重在所有樹種中最高,達到32.7%(表1)。經(jīng)濟喬木固碳潛力高于刺槐的原因,與其受到的精心撫育養(yǎng)護、成林率較高有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計,經(jīng)濟喬木的成林率在所有樹種中最高,達到93.8%。柏木的固碳潛力最低,是因為2013—2018年其幼齡林固碳速率為負值,所以估算固碳潛力時按0進行了統(tǒng)計。分析負值的原因是:柏木因耐干旱瘠薄,多被栽植于土壤貧瘠的山地,生長緩慢,造林后,短時期內(nèi)不會產(chǎn)生蓄積量;2018年柏木幼齡林蓄積比2013年大幅減少(2013年的幼齡林到2018年部分進入到中齡林所致),從而導(dǎo)致其幼齡林碳儲量和固碳速率變小;在蓄積量提升較慢,栽植面積不斷加大的情況下,這一變小趨勢也更為嚴(yán)重。根據(jù)現(xiàn)有資料進行統(tǒng)計,2008—2012年河北省栽植柏木的面積比例占總造林面積的16.4%。

4 結(jié)論與討論

2018年河北省喬木林碳儲量為6 167.49萬tC,未包括林下植被碳儲量。如果按照有關(guān)研究[21-23],林木、林下植被和土壤固碳量的相對比例分別為41%,8%,51%進行推算,則2018年河北省喬木林植被碳儲量為6 167.49÷41%×(41%+8%)=7370.9萬tC,與 2018年第九次全國森林資源清查結(jié)果中河北省喬木林植被碳儲量(7 548.2萬tC)相近,二者相差177.3萬tC,相差比例為2.3%,估算誤差小于5%。因此,可以認為本次研究方法較為準(zhǔn)確,研究成果基本反映了河北省喬木林(林木)碳儲量的實際現(xiàn)狀。

2018年河北省喬木林不同齡組的碳密度為9.82～39.76tC/hm2,在李奇等[24]、李?？萚25]研究成果(我國不同齡組的碳密度8.62～98.76tC/hm2)范圍以內(nèi),與人工林不同齡組的碳密度接近(8.62～47.93tC/hm2)。2018年河北省喬木林平均碳密度為16.88tC/hm2,與李?？萚25]研究成果(2008年河北省喬木林平均碳密度為12.61tC/hm2)有所差距。產(chǎn)生差距的原因是,所依據(jù)的全國森林資源清查結(jié)果來源于不同調(diào)查時期。本次研究利用的是2018年第九次全國森林資源清查結(jié)果數(shù)據(jù),而后者為2008年第七次全國森林資源清查結(jié)果數(shù)據(jù)。為驗證本次研究成果的準(zhǔn)確性,利用2008年第七次全國森林資源清查結(jié)果數(shù)據(jù),參照本次研究方法對2008年河北省喬木林碳密度進行測算,結(jié)果為12.89tC/hm2,與李?？萚25]研究成果接近,相差僅為0.28tC/hm2,相差比例為2.2%。相差的原因是因為本次研究未考慮林下植被的碳密度。綜上所述,本次研究成果較為準(zhǔn)確,較好地反映了河北省喬木林碳密度的實際狀況。由于喬木林的固碳速率是利用不同時期喬木林碳密度的變化量來進行計算的,所以可推斷出影響其準(zhǔn)確程度的因子只有不同時期間的時間差值和碳密度兩個因子。既然全國森林資源清查的時間間隔相對固定(5年),且本次研究的喬木林碳密度相對準(zhǔn)確,則可以認為用于固碳潛力預(yù)測的固碳速率也相對準(zhǔn)確,進而說明固碳潛力的預(yù)測結(jié)果也具有很強的說服力。根據(jù)預(yù)測結(jié)果,到2035年河北省新增喬木林的固碳潛力為73.63萬tC。

2018年河北省喬木林平均碳密度(16.88tC/hm2)低于同期全國喬木林平均水平(33.81 tC/hm2,根據(jù)清查結(jié)果推算)[9],說明河北省喬木林單位面積蓄積量較低,提升潛力較大。今后,可以通過以下幾個方面進行提高:一是在營造林方面,多選擇碳密度和固碳速率較高的油松、落葉松、楊樹、櫟類等樹種造林,為使新造林生態(tài)系統(tǒng)維持較高的穩(wěn)定性,在樹種搭配上應(yīng)以混交林為主；二是在森林經(jīng)營方面,應(yīng)著重增強對楊樹、柏木、針闊混、硬闊類等固碳速率低的中幼林的撫育,精準(zhǔn)提升森林質(zhì)量；三是在森林管護方面,應(yīng)減少對楊樹、硬闊類、櫟類等中齡林的采伐,加大森林資源監(jiān)督力度,防止破壞喬木林資源,同時加強護林防火和病蟲害防治,減少喬木林向外界的碳釋放量。

由于缺少《河北省國土綠化規(guī)劃(2018—2035年)》[10]中分樹種營造林面積信息,以及未來各年度營造林保存率和成林率等數(shù)據(jù),所以本次研究是在基于兩個假設(shè)的前提下開展的,即:一是未來營造林樹種、面積比重等按照以往營造林規(guī)律進行估算,二是各年度營造林樹種不變,各年度各樹種(林分類型)的營造林面積、保存率與成林率一致,且新增喬木林地不被建設(shè)項目使用、林木不被采伐、破壞、火燒。因此,未來河北省新增喬木林的固碳潛力受上述因素影響具有一定的不確定性,今后各年度營造林任務(wù)完成并檢查驗收后,需要根據(jù)實際情況進行修正。