中圖分類號(hào)：X171.1

一、引言

全球氣候變化和碳排放問題日益凸顯，森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的保護(hù)和利用已成為研究熱點(diǎn)[1-4]。2020年9月22日，在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上，習(xí)近平主席鄭重宣布：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。”這一承諾是中國在應(yīng)對(duì)氣候變化方面的重要行動(dòng)計(jì)劃，并為未來的政策制定指明了方向。2023、2025年，國家相繼出臺(tái)了《國家碳達(dá)峰試點(diǎn)建設(shè)方案》《制造業(yè)綠色低碳發(fā)展行動(dòng)方案（2025—2027）》，強(qiáng)調(diào)加快推動(dòng)能源、產(chǎn)業(yè)、交通等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)性減排，強(qiáng)化生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工作，推進(jìn)林業(yè)碳匯建設(shè)，持續(xù)完善碳市場機(jī)制。這些政策為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了更加明確的行動(dòng)指引。森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)存被認(rèn)為是緩解大氣二氧化碳濃度最經(jīng)濟(jì)高效且最環(huán)保的綠色方法，在維護(hù)全球碳平衡和調(diào)節(jié)氣候方面發(fā)揮著重要作用[5]。森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、土地利用和能量循環(huán)的變化會(huì)顯著影響區(qū)域碳儲(chǔ)量[6-8]，所以及時(shí)有效地評(píng)估和分析碳儲(chǔ)量的變化對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的演變、維持和管理具有重要意義[。2022年8月11日，云南省人民政府發(fā)布《云南省碳達(dá)峰實(shí)施方案》，提出要鞏固生態(tài)系統(tǒng)固碳作用，提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力，以推動(dòng)綠色低碳轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)。2023年，云南省進(jìn)一步提出要全面實(shí)施“綠色云南行動(dòng)”，加強(qiáng)森林生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)和管理，提高碳匯能力。精準(zhǔn)估算森林碳儲(chǔ)量及碳匯潛力，成為近年來備受關(guān)注的焦點(diǎn)[10]

國有林場是森林碳儲(chǔ)量主要貢獻(xiàn)主體，在改善全球氣候中有著不可替代的作用[11-2]。昆明市西山林場作為云南省重要的森林生態(tài)系統(tǒng)，擁有豐富的植被和生物資源，具備可觀的碳儲(chǔ)量。然而，現(xiàn)有研究主要聚焦于大區(qū)域尺度的森林研究，缺乏對(duì)于中小尺度區(qū)域的研究。鑒于此，本研究以昆明市西山林場小尺度區(qū)域作為研究對(duì)象，基于2006、2016年森林資源數(shù)據(jù)，運(yùn)用InVEST模型和Logistic生長方程對(duì)該地區(qū)的碳儲(chǔ)量進(jìn)行系統(tǒng)分析和預(yù)測[13-16]，并以小范圍尺度的研究為基礎(chǔ)，為更大尺度研究提供參考，從而為區(qū)域的生態(tài)管理、碳政策制定提供理論依據(jù)。

二、材料與方法

（一）數(shù)據(jù)來源

本研究碳儲(chǔ)量區(qū)域數(shù)據(jù)主要來自2006年的森林資源調(diào)查報(bào)告與2016年昆明市西山林場森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)的調(diào)查報(bào)告，各優(yōu)勢樹種參數(shù)來自《中華人民共和國氣候變化第二次國家信息通報(bào)》。

（二）研究區(qū)域

本研究以昆明市西山林場為研究區(qū)域。西山林場地跨楚雄彝族自治州西山縣、五華縣和祿豐縣的三個(gè)行政區(qū)，面積為 5000.4hm² ，屬典型的低緯度高海拔、亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候。全年平均氣溫為 14.11^°C ，最冷月（1月）絕對(duì)最低氣溫為-5.61 C ，最熱月（5月）絕對(duì)最高氣溫為31.51^°C 。最熱月份的年平均氣溫不超過 20% ，晝夜溫差在 9.4～11.1⁹C 之間，年溫差通常在10C 左右。

（三）研究方法

1.森林生物量與碳含量的轉(zhuǎn)換

有研究表明，林木生物量與蓄積量存在著顯著的線性回歸關(guān)系[17]，林木蓄積量是反映林木生長的綜合指標(biāo)。本研究以西山林場森林資源調(diào)查的清查數(shù)據(jù)作為蓄積量數(shù)據(jù)，通過各優(yōu)勢樹種類型的生物量換算因子、地下/地上生物量的比值等參數(shù)，計(jì)算生物量和碳儲(chǔ)量。計(jì)算公式如下：

式中： C_n 為區(qū)域優(yōu)勢樹種碳儲(chǔ)量（t）； n 為優(yōu)勢樹種總數(shù)； V_i 為某一樹種的總蓄積量 （?m³） ； B_EF 為生物量擴(kuò)展因子，即林木地上生物量和樹干生物量的比值； R 為根冠比，即地下生物量與地上生物量之比； ρ 為木材基本密度 （t?m^-3 ）； C_f 為生物量干物質(zhì)含碳率； Q_c 為碳密度 （?_t??_hm^-2 ）； c 為碳儲(chǔ)量（t）； s 為林地面積（ hm² ）。參考數(shù)據(jù)見表1。

表1優(yōu)勢樹種木材基本密度、生物量干物質(zhì)含碳率、生物擴(kuò)展因子、根冠比參考值

2．利用InVEST模型計(jì)算碳密度

InVEST模型中的Carbon模塊，以土地類型作為主要數(shù)據(jù)進(jìn)行碳儲(chǔ)量的估算，常被用于區(qū)域碳儲(chǔ)量評(píng)估[18-19]，為決策者評(píng)估人類活動(dòng)的生態(tài)效益和影響提供科學(xué)依據(jù)。InVEST-Carbon模型把生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量，劃分為地上生物量碳庫、地下生物量碳庫、土壤碳庫和死亡有機(jī)質(zhì)碳庫4個(gè)基本碳庫[20]。公式如下：

C_{i，dead}=1/10×C_i，above

C_i，soil=α（1+β）×（C_i，above+C_{i，below}）

式中： C_ti 為 i 樹種區(qū)域總碳密度 （?_t??_hm^-2 ）；C_i，above 為 i 樹種的地上碳密度 （?_t??_hm^-2 ）； C_{i，below} 為i 樹種地下碳密度 （τ_t?τ_hm^-2） ）； C_i，dead 為 i 樹種死亡有機(jī)質(zhì)碳密度 （?_t?hm^-2 ），死亡有機(jī)質(zhì)碳庫約為地上碳庫量的 1/10^[21] ; C_{i，soil} 為 i 樹種土壤有機(jī)質(zhì)碳密度 （t?hm^-2 ）； C_{total，i} 為 i 樹種區(qū)域總碳儲(chǔ)量（t）; S_i 為 i 樹種區(qū)域面積（ hm² ）； n 為樹種數(shù)量；β 為西山林場土壤碳密度轉(zhuǎn)換系數(shù)， α 為林下植物碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，分別取值為0.195和1.244。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

3．西山林場未來碳匯潛力估算

運(yùn)用Logistic生長方程擬合各區(qū)域優(yōu)勢樹種的單位面積蓄積量與林分平均林齡之間關(guān)系，進(jìn)而對(duì)其碳匯潛力進(jìn)行估算。研究模型有兩個(gè)假設(shè)條件：第一是優(yōu)勢樹種種類不會(huì)隨著時(shí)間的變化而改變，第二是各優(yōu)勢樹種的面積不會(huì)隨著年限增加而發(fā)生變化，優(yōu)勢樹種蓄積量只隨著林齡改變而改變。優(yōu)勢樹種蓄積量計(jì)算公式如下：

式中： V 為某一優(yōu)勢樹種單位面積蓄積； χ_t 為該優(yōu)勢樹種特定齡組的林分平均林齡； Δ_a 、b、 ∣c∣ 為常數(shù)，表示和樹木生長相關(guān)的參數(shù)[22-24] 。

表22006、2016年西山林場不同土地利用類型碳密度

在估算西山林場未來碳匯潛力時(shí)，以2016年森林資源清查數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，假設(shè)森林面積和蓄積量代表2016年的平均水平，未來生長環(huán)境和土地利用面積不改變，只有齡級(jí)結(jié)構(gòu)和蓄積量產(chǎn)生變化。把2016年作為基準(zhǔn)年，將各優(yōu)勢樹種按5a間隔劃分齡級(jí)，公式如下：

式中： U_i，j，t 為在第 χ_t 年第 i 齡組中第 j 齡級(jí)的面積； U_i，t 為基準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)（2016年）第 Ψ_t 年第 i 齡組的面積； T_i，max 為第 i 齡組的上限； T_i，min 為第 i 齡組的下限，設(shè)定過熟林的上限為下限的1.5倍，幼齡林的下限為1。按照研究假定和樹木生長特性，5a后第 i 齡組里將有 j 齡級(jí)面積 U_i，j，t 步入至下一齡組，隨之將第 i-1 齡組中的 k 齡級(jí)面積步入至第 i 齡組中，公式為：

U_i，i+5=U_i，t-U_{i，j，t}+U_i-1，k，t

式中： U_i，i+5 為第 t+5 年 i 齡組面積； U_{i-1，k，t} 為第 χ_t 年 i 齡組中 k 齡級(jí)面積。

三、結(jié)果與分析

（一）西山林場2006、2016年單位碳密度時(shí)空變化特征

2006、2016年，單位碳密度的分布特征為：東北部較高，中部到西南部偏低，東南部又呈現(xiàn)回升的趨勢。通過 InVEST 模型計(jì)算昆明市西山林場 2006 、2016年碳儲(chǔ)量與平均碳密度，碳儲(chǔ)量結(jié)果為194474.9、 238999.6t ，平均碳密度為59.74、69.96t/hm² ，說明隨著時(shí)間推移，優(yōu)勢樹種的碳匯能力也在不斷增強(qiáng)。根據(jù)2016年森林蓄積量計(jì)算結(jié)果，人工林單位碳密度為 29.47t?hm^-2 ，高于天然林單位碳密度 28.67t?hm^-2 ，其中人工林面積為 1631.5hm² 、天然林面積為 1276.6hm² ，可見，人工林碳儲(chǔ)量高于天然林碳儲(chǔ)量，說明人工林有著較強(qiáng)的碳匯潛力。各優(yōu)勢樹種中，各齡組單位碳密度隨著齡級(jí)的增加呈現(xiàn)出遞增的趨勢，碳密度從低到高依次為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林，符合優(yōu)勢樹種碳密度隨齡級(jí)遞增的生物學(xué)規(guī)律。各齡組碳儲(chǔ)量從低到高依次為過熟林、近熟林、幼齡林、成熟林、中齡林，這是由于不同齡組的土地利用面積不同造成的。各類優(yōu)勢樹種平均碳密度從低到高依次為楊樹、其他軟闊、柏木、其他硬闊、櫟類、云南松、桉樹、華山松、油松。2016年優(yōu)勢樹種單位碳密度如表3所示。

（二）西山林場2025—2060年碳匯潛力預(yù)測

采用Logistic生長方程擬合西山林場各優(yōu)勢樹種單位面積蓄積量與林分平均林齡之間的關(guān)系，得到西山林場2025—2060年各優(yōu)勢樹種碳匯潛力，如表4所示。

表32016年優(yōu)勢樹種單位碳密度

表42025—2060年優(yōu)勢樹種碳匯潛力

由表4可知，到2030年碳儲(chǔ)量預(yù)計(jì)達(dá)到296797.70t 、到2060年預(yù)計(jì)達(dá)到 403123.57t ，與2016年相比較增加了102322.8和 208648.67t 從各優(yōu)勢樹種看，2030年西山林場，天然林中碳儲(chǔ)量較多的是云南松、櫟類、華山松、油杉，分別占森林總碳儲(chǔ)量的 48% 、 35% 、 14% 、 4% ；人工林中碳儲(chǔ)量較多的是柏木、華山松、櫟類、云南松，分別占森林總碳儲(chǔ)量的 38% 、 34% 、 23% ！3% 。2060年西山林場，天然林中碳儲(chǔ)量較多的依然是云南松、櫟類、華山松、油杉，分別占森林總碳儲(chǔ)量的 51% 、 36% 、 9% 、 3% ；人工林中碳儲(chǔ)量較多的是華山松、柏木、桉樹、云南松，分別占森林總碳儲(chǔ)量的 41% 、 38% 、 16% 、 4% （不包括其他軟闊和其他硬闊）。由表4可以看出，預(yù)計(jì)未來 40a ，云南松、華山松、櫟類、桉樹、油杉等優(yōu)勢樹種碳儲(chǔ)量增長優(yōu)勢較明顯，這些優(yōu)勢樹種是西山林場增長潛力較大的樹種，也是需要重點(diǎn)考察的樹種。另外，人工林碳密度從2016年到2060年增長了 21.11t?hm^-2 ，天然林碳密度增長了 36.66t?hm^-2 ，天然林碳密度的增長速度遠(yuǎn)快于人工林碳密度；西山林場2025、2030、2040、2050、2060年碳儲(chǔ)量預(yù)測結(jié)果，分別是264272.2、296797.7、349672.70、385866.84、403123.57t，平均碳密度分別為77.36、86.88、102.36、112.95、 118.00t?hm^-2 ，整體處于增長趨勢。研究結(jié)果表明，碳儲(chǔ)量和優(yōu)勢樹種的起源、林齡和種類有著密切的關(guān)系。

四、討論

本研究表明，2016—2060年西山林場森林碳匯能力顯著增強(qiáng)。在空間分布上，高碳匯區(qū)域集中于東南部和中部地區(qū)，其他地區(qū)相對(duì)較低。碳匯能力的變化主要與優(yōu)勢樹種的齡級(jí)密切相關(guān)，隨著齡級(jí)的不斷增長，優(yōu)勢樹種的碳匯能力不斷增強(qiáng)，這與已有研究的結(jié)果一致[23-24]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，2025年到2030年，西山林場碳儲(chǔ)量都是持續(xù)上漲的趨勢，直到2040年以后，增長趨勢出現(xiàn)了明顯的下降，這種現(xiàn)象和優(yōu)勢樹種的齡級(jí)密切相關(guān)。隨著齡級(jí)的增加，蓄積量增長趨勢會(huì)下降，所以優(yōu)化齡組結(jié)構(gòu)對(duì)于維持林場的固碳能力有著重要的影響[25]。未來需重點(diǎn)關(guān)注過熟林碳庫的變化，隨著林分老化，枯死木和枯落物碳庫的比例會(huì)逐漸增加，過熟林碳儲(chǔ)量的變動(dòng)將直接影響森林碳匯潛力的預(yù)測精度。在全球應(yīng)對(duì)氣候變化背景下，森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的準(zhǔn)確評(píng)估和碳循環(huán)過程及變化規(guī)律的解析，仍是研究焦點(diǎn)。

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責(zé)任編輯：姜洪云