劉兆丹,李 斌,2,方 晰,3,*,項文化,3,田大倫,3,閆文德,3,雷丕鋒,3

1 中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 長沙 410004 2 國家林業(yè)局, 北京 100714 3 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室, 長沙 410004

湖南省森林植被碳儲量、碳密度動態(tài)特征

劉兆丹1,李 斌1,2,方 晰1,3,*,項文化1,3,田大倫1,3,閆文德1,3,雷丕鋒1,3

1 中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 長沙 410004 2 國家林業(yè)局, 北京 100714 3 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室, 長沙 410004

利用湖南省4次(1983—1987年、1990—1995年、2003—2004年和2009年)森林資源清查數(shù)據(jù),采用材積源-生物量法,結(jié)合湖南省現(xiàn)有森林植被主要樹種碳含量實測數(shù)據(jù),研究近20多年來湖南省森林植被碳儲量、碳密度的動態(tài)特征。結(jié)果表明：從1987年到2009年,湖南省喬木林植被碳匯為66.40×106tC,碳密度提高了5.65 tC/hm2,闊葉林碳匯最大(48.43×106tC),其次是杉木林(9.54×106tC)和松木林(6.68×106tC),各喬木林植被碳密度波動較大；除過熟林外,各齡組喬木林均為碳匯,中齡林碳匯最大,幼齡林、中齡林、近熟林植被碳密度依次提高了4.75、4.09、0.83 tC/hm2,成熟林、過熟林分別下降了6.87、13.88 tC/hm2；天然林、人工林植被碳匯分別為41.01×106tC、25.39×106tC,碳密度分別提高了7.19、4.91 tC/hm2。湖南省森林植被(包括疏林)碳匯為84.87×106tC,喬木林碳匯最大,其次是竹林,分別占湖南省森林植被碳匯的78.24%和33.31%,碳密度提高了6.24 tC/hm2,各森林類型植被碳儲量隨其面積變化而變化。表明近20多年來,湖南省喬木林植被單位面積儲碳能力明顯提高,天然林在湖南省喬木林植被碳儲量占有重要地位。

湖南??；森林植被；碳儲量；碳密度；動態(tài)變化

森林植被碳儲量占陸地植被碳儲量的76%—98%[1],在區(qū)域和全球碳循環(huán)中起著關(guān)鍵作用[2- 3]。森林植被碳儲量動態(tài)與森林面積變化、森林演替、年齡組成、人類經(jīng)營活動以及環(huán)境變化等因素密切相關(guān),是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)。因此,研究森林植被碳“源”、“匯”變化不僅對估算區(qū)域碳收支和制定應(yīng)對氣候變化的森林管理政策有重要意義[4],而且對森林植被恢復(fù)與重建以及保護和管理也有現(xiàn)實的指導(dǎo)作用[5]。近20多年來,中國不少學(xué)者對森林植被碳儲量的估算方法進行了研究,并基于國家尺度或省域尺度對森林植被碳儲量、碳密度及其碳匯功能進行了研究,取得了顯著的成就,涉及不同地區(qū)不同森林類型的碳儲量、碳固定及其與森林結(jié)構(gòu)、林齡和生境條件的關(guān)系[4- 21]。但中國對森林植被碳儲量的研究多為國家尺度森林植被碳儲量研究,系統(tǒng)量化研究省域尺度森林植被碳儲量的動態(tài)仍較少[8,14,17,19- 21]。此外,中國地域幅員遼闊,區(qū)域空間差異大,自然環(huán)境復(fù)雜,森林資源復(fù)雜多樣,不同學(xué)者采用不同估算方法,盡管基于同一清查期的森林資源清查數(shù)據(jù),但不同尺度(國家尺度、省域尺度)對同一省區(qū)森林植被碳儲量的估算結(jié)果存在較大差異及不確定性,大多省區(qū)在國家尺度下的估算結(jié)果明顯低于省域尺度,特別是湖南省、山東省、寧夏回族自治區(qū)(表1)。因此,為了精確量化中國森林植被碳庫儲量及其碳匯功能,不僅要建立統(tǒng)一而規(guī)范的度量和觀測方法,而且需要對各省區(qū)森林植被碳儲量分別進行詳盡估算。

表1 兩種尺度下15個省區(qū)森林植被碳庫儲量的估算結(jié)果[4,8-19,22-26]

近20多年來,隨著天然林資源保護工程、退耕還林(草)工程、長江中上游防護林建設(shè)等系列林業(yè)生態(tài)功程的實施,湖南省森林恢復(fù)迅速,森林類型豐富多樣,森林覆蓋率由2003年的53.67%增加到2011年的57.13%[27],在水源涵養(yǎng),維系洞庭湖乃至長江流域生態(tài)平衡以及區(qū)域碳平衡中起著極其重要的作用。此外,其森林碳源匯功能及其時空格局也因經(jīng)營活動而發(fā)生變化。目前,系統(tǒng)量化研究湖南省近20a森林植被碳儲量的動態(tài)未見報道。本研究利用湖南省4次(1983—1987年、1990—1995年、2003—2004年和2009年)森林資源清查數(shù)據(jù),采用材積源-生物量法,結(jié)合湖南省現(xiàn)有森林植被主要樹種碳含量的實測數(shù)據(jù),估算湖南省不同清查期森林植被碳儲量、碳密度,并探討其動態(tài)變化趨勢,對提高國家尺度的森林碳匯估算精度和當(dāng)?shù)厣止烫荚鰠R經(jīng)營管理具有一定的現(xiàn)實科學(xué)意義。

1 研究區(qū)概況

湖南省地處中國中南部(108°47′—114°15′E,24°38′—30°08′N),位于長江中游,東西寬667 km,南北長774 km,境內(nèi)地貌復(fù)雜,東、南、西三面山嶺環(huán)峙,丘陵盆地內(nèi)嵌,向北平原敞開,大體呈“凹”狀的地表起伏態(tài)勢。土地總面積21.18萬 km2,約占國土總面積2.21%。屬于大陸性中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候,四季分明,春溫多變,陰濕多雨,夏熱期長,溫高濕重,秋季多旱,冬寒期短。地帶性土壤主要為紅壤、黃壤,武陵源雪峰山東麓一線以東紅壤為主,以西黃壤為主。原生植被為亞熱帶常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉林、山頂苔蘚矮林,植物區(qū)系成分復(fù)雜,據(jù)2011年統(tǒng)計,湖南省林業(yè)用地面積1292.32×104hm2,有林地面積1018.59×104hm2,森林覆蓋率達57.13%,居于全國第5位,活立木總蓄積4161.19萬m3,活立木總生長量300.43萬m3。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于湖南省森林資源二類清查數(shù)據(jù)：《湖南省森林資源主要數(shù)據(jù)匯編(1983—1987年)》、《湖南省森林資源主要數(shù)據(jù)匯編(1990—1995年)》、《湖南省森林資源主要數(shù)據(jù)匯編(2003—2004年)》和國家林業(yè)局中南森林資源監(jiān)測中心、湖南省林業(yè)廳《第八次全國森林資源清查湖南省森林資源清查成果(2009)》。

2.2 研究方法

2.2.1 森林類型確定

依據(jù)“中國森林資源資料的劃分”和“湖南省4次森林資源清查主要數(shù)據(jù)匯編”,森林包括喬木林(不包括喬木經(jīng)濟林)、經(jīng)濟林和竹林三部分。為能準(zhǔn)確地反映湖南省森林植被碳儲量、碳密度的動態(tài)特征,本研究也將灌木林、疏林列入估算范疇,其中喬木林主要有：杉木林、松木林、國外松林、柏木林、闊葉林、楊樹林、其它杉類林、桉樹林。

2.2.2 各森林類型生物量的計算方法

(1)喬木林生物量的計算方法

目前普遍認(rèn)為材積源-生物量法是估測森林生物量較好方法。近年來,以建立生物量與蓄積量關(guān)系為基礎(chǔ)的森林植被碳儲量估算方法已得到廣泛應(yīng)用[4,28-29]。由于湖南省松木林以馬尾松林為主,國外松林以濕地松林為主,闊葉林以樟、楠、櫧、栲、青岡、石櫟等常綠闊葉樹種為主,其它杉類林以柳杉、落羽杉、水杉為主,因此,本研究利用劉國華等[5]建立的杉木林,馬尾松林,樟、楠、櫧、栲、青岡林,濕地松林,柏木林,楊樹林,柳杉、落羽杉、水杉林,桉樹林的生物量與蓄積量之間的關(guān)系式(表2)估算湖南省不同清查期喬木林的生物量。

(2)經(jīng)濟林生物量的計算方法

由于森林資源清查數(shù)據(jù)僅提供了經(jīng)濟林的面積數(shù)據(jù),方精云等[29]采用經(jīng)濟林平均生物量法估算經(jīng)濟林生物量。本研究也沿用此方法估算湖南省經(jīng)濟林生物量。湖南省經(jīng)濟林主要包括油茶林、油桐林、杜仲林、厚樸林、果樹林、茶葉林等,其中油茶林面積占全省經(jīng)濟林面積的60%以上,因此,本研究根據(jù)湖南省油茶林生物量的研究結(jié)果[30- 32],取其算術(shù)平均值23.52 t/hm2,估算湖南省經(jīng)濟林生物量,計算公式如(1)式：

W經(jīng)=A經(jīng)×S經(jīng)

(1)

式中,W經(jīng)為經(jīng)濟林總生物量(t),A經(jīng)為單位面積經(jīng)濟林生物量(t/hm2),S經(jīng)為經(jīng)濟林面積(hm2)。

表2 各喬木林類型生物量與蓄積量回歸方程[5,29]

(3)竹林生物量的計算方法：在森林資源清查數(shù)據(jù)中,竹林主要有毛竹和雜竹兩類,僅有面積和株數(shù)。以往研究中,竹林生物量主要是由竹林總株數(shù)和平均單株生物量推算[16,29]。本研究也采用此方法,取竹林單株平均生物量22.5 kg/株[29],估算湖南省竹林生物量,計算公式如(2)式：

W竹=(A竹×N竹)/1000

(2)

式中,W竹為竹林生物量(t),A竹為竹林單株平均生物量(kg/株),N竹為竹林株數(shù)。

(4)灌木林生物量的計算方法：國內(nèi)有關(guān)灌木林生物量或蓄積量的數(shù)據(jù)極少[29]。在森林資源資源清查數(shù)據(jù)中,僅提供了灌木林的面積數(shù)據(jù)。以往研究中,灌木林生物量主要根據(jù)灌木林面積和灌木林單位面積平均生物量進行估算[28]。本研究也沿用此方法估算湖南省灌木林生物量,采用我國秦嶺淮河以南地區(qū)灌木林單位面積平均生物量19.76 t/hm2[29]估算湖南省灌木林生物量,計算公式如(3)式[16,29]：

W灌=A灌×S灌

(3)

式中,W灌為灌木林生物量(t),A灌為單位面積灌木林生物量(t/hm2),S灌為灌木林面積(hm2)。

2.2.3 森林植被碳貯量、碳密度估算

森林植被碳儲量由喬木層、林下灌木層、草本層和死地被物層碳儲量組成。本研究中,森林植被碳儲量僅指林木的活生物量,未包括林下灌木層、草本層、死地被物層碳儲量。森林植被碳儲量(tC)為森林生物量(t)乘以其碳含量(gC/g)。森林植被碳密度(tC/hm2)為森林碳儲量(tC)除以森林面積(S)。湖南省各森林類型的碳含量算術(shù)平均值如表3所示[33]。對于桉樹林、其它杉類林、經(jīng)濟林的碳含量分別采用楊樹林、杉木林和灌木林的碳含量來估算其碳儲量和碳密度。

表3 湖南省現(xiàn)有森林植被的算術(shù)平均碳含量

括號內(nèi)的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)差

3 結(jié)果與分析

3.1 湖南省喬木林植被碳儲量、碳密度的動態(tài)

從表4可以看出,從1983—1987年到2009年,湖南省喬木林面積增加了250.69×104hm2,其植被碳儲量凈增加了66.40×106tC,年均遞增(22a)3.02×106tC/a,年均增長率6.27%。不同清查期喬木林植被碳匯介于2.13×106—4.21×106tC/a之間,最大出現(xiàn)在2003—2004年,從2003—2004年到2009年,從4.21×106tC/a下降為2.23×106tC/a。碳密度增加了5.65 tC/hm2,提高了56.44%,年均增加0.26 tC hm-2a-1。表明近22a來,湖南省喬木林植被碳匯功能逐漸提高過程中呈現(xiàn)一定的波動,單位面積的儲碳能力也明顯提高。

3.1.1 不同喬木林類型植被碳儲量、碳密度的變化趨勢

如表4所示,從1983—1987年到2009年,各喬木林植被碳儲量均表現(xiàn)為凈增加,闊葉林凈增加量最大(48.43×106tC),其次是杉木林(9.54×106tC)和松木林(6.68×106tC),柏木林、國外松林、楊樹林、其它杉類林、桉樹林凈增加量較低,分別為0.10×106tC、0.81×106tC、0.48×106tC、0.34×106tC、0.03×106tC。表明近22a來,湖南省各喬木林植被均表現(xiàn)為碳匯,闊葉林碳匯最大,其次是杉木林、松木林。不同清查期,各喬木林植被碳儲量的變化趨勢有所不同,從1983—1987年到2003—2004年,各喬木林植被碳儲量明顯增加,其中杉木林、松木林、闊葉林最明顯,分別凈增加了18.10×106tC、14.10×106tC、18.95×106tC,從2003—2004年到2009年,除闊葉林、楊樹林、三杉林、桉樹林外,其它喬木林碳儲量呈下降趨勢,其中杉木林、松木林減少最明顯,分別凈減少了8.56×106tC、7.42×106tC,下降了38.66%和33.79%。

表4 湖南省不同時期各喬木林類型植被碳儲量、碳密度和面積

從1983—1987年到2009年,杉木林、松木林植被碳密度均呈現(xiàn)出先上升再下降,闊葉林持續(xù)提高,柏木林則呈現(xiàn)出下降—增高—下降,國外松林、其它杉類林從1990—1995年到2009年,先增高,再下降,國外松林下降幅度明顯,楊樹林先下降再增高。表明各喬木林植被單位面積儲碳能力變化趨勢差異較明顯(表4)。

3.1.2 不同齡組喬木林植被碳儲量、碳密度的變化趨勢

從圖1可以看出,4次清查期,中齡林植被碳儲量均為最高,且總體上呈上升趨勢,占全省同期喬木林植被碳儲量的比例(分別為38.24%、39.20%、49.28%和41.31%)也呈上升趨勢；幼齡林植被碳儲量呈升高—下降—升高趨勢,除在2003—2004年低于近熟林、成熟林外,其它調(diào)查期僅次于中齡林,占全省同期喬木林植被碳儲量的比例分別為27.79%、33.52%、8.65%、28.78%；近熟林植被碳儲量的變化趨勢與中齡林相似,占全省同期喬木林植被碳儲量的比例分別為8.31%、9.47%、21.78%和16.77%；盡管成熟林植被碳儲量的變化趨勢與中齡林、近熟林相似,但占全省同期喬木林碳儲量的比例呈下降趨勢,從19.51%下降為11.27%,過熟林植被碳儲量逐漸下降,占全省同期喬木林植被碳儲量的比例從6.17%下降為1.87%。除過熟林碳儲量為凈減少外,幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林均表現(xiàn)為凈增加,中齡林最高(28.91×106tC),年均增加1.31×106tC,對喬木林植被碳匯貢獻為43.55%；其次是幼齡林(19.58×106tC)和近熟林(15.21×106tC),年均增加分別為0.89×106tC和0.69×106tC,對喬木林植被碳匯貢獻分別為29.49%和22.91%；成熟林凈增加量較低(3.52×106tC),年均增加僅為0.16×106tC,對喬木林植被碳匯貢獻僅為5.30%(圖1)。表明幼、中齡林植被碳匯功能正在逐步發(fā)揮主導(dǎo)作用。究其原因是：(1)各齡組喬木林面積增加是其植被碳儲量增加的重要原因之一。中齡林、近熟林、幼齡林、成熟林、過熟林面積分別凈增加了117.95×104hm2、60.04×104hm2、50.46×104hm2、21.26×104hm2、0.96×104hm2；(2)喬木林生長也是各齡組植被碳儲量增加的另一個重要原因,1983—1987年到2009年,幼齡林、中齡林、近熟林植被碳密度依次提高了4.75、4.09、0.83 tC/hm2,相反,成熟林、過熟林碳密度分別下降了6.87和13.88 tC/hm2,過熟林碳密度甚至低于近成熟林。表明近年來,成熟林、過熟林受到了嚴(yán)重的破壞,林分質(zhì)量明顯下降,導(dǎo)致單位面積的蓄積量大幅度下降,使得喬木林植被碳密度隨林齡而增加的規(guī)律有些間斷。值得注意的是,盡管2009年過熟林植被碳密度明顯下降,但仍然高于幼齡林、中齡林。表明未達到成熟的喬木林,碳密度尚未達到最大,即隨著喬木林生長還能固定一定的碳(圖1)。

圖1 不同時期各齡組喬木林植被碳儲量、碳密度和面積Fig.1 Carbon storage, carbon density and area of different age-class forests in different period

3.1.3 不同起源喬木林(人工林、天然林)植被碳儲量、碳密度的動態(tài)變化

從圖2可以看出,4次森林清查期,天然林植被碳儲量呈持續(xù)增加趨勢,凈增加了41.01×106tC,占湖南省同期喬木林植被碳儲量凈增加量的61.76%,年均增加1.86×106tC/a。人工林植被碳儲量從1987年到2004年保持凈增加趨勢,到2009年凈減少了15.02×106tC,在整個研究期,人工林植被碳儲量凈增加了25.39×106tC,占湖南省同期喬木林植被碳儲量凈增加量的38.24%,年均增加1.15×106tC/a。從1983—1987年到2009年,天然林植被碳儲量占湖南省同期喬木林植被碳儲量的比例(分別為79.12%、70.73%、51.19%和69.06%)呈下降趨勢,而人工林(20.88%、29.27%、48.81%和30.94%)總體上呈上升趨勢,與兩者面積的動態(tài)變化基本一致,在4次森林清查期中,天然林面積占湖南省同期喬木林面積的比例(分別為66.99%、61.85%、46.40%和56.87%)呈下降趨勢,而人工林面積占湖南省同期喬木林面積的比例(分別為33.01%、38.15%、53.60%和43.13%)總體呈上升趨勢(圖3)。表明目前天然林在湖南省喬木林碳儲量占有重要的地位,人工林碳匯功能正在逐步提高。

圖2 不同時期人工林和天然林植被碳儲量Fig.2 Carbon storage of artificial forests and natural forests in different period

圖3 不同時期人工林和天然林植被碳密度、面積Fig.3 Carbon density and area of artificial forests and natural forests in different period

4次森林清查期,無論是人工林還是天然林,其植被碳儲量均主要由幼齡林、中齡林、近熟林所貢獻(圖2)。人工林、天然林植被碳密度逐漸提高,分別提高了4.91 tC/hm2和7.19 tC/hm2(圖3),表明隨著林木的生長,湖南省人工林、天然林的碳匯功能將會有很大的提高。此外,人工林植被碳密度僅相當(dāng)于同期天然林植被碳密度的53.51%和59.01%,表明未來即使不再增加人工林種植面積,隨著人工林的生長,仍然可以固定大量的碳,將在湖南省喬木林碳匯功能中扮演重要的角色。

3.2 湖南省經(jīng)濟林、竹林、灌木林、疏林植被碳儲量的動態(tài)

從圖4可以看出,從1987年至2009年,經(jīng)濟林面積持續(xù)下降,凈減少了74.62×104hm2,植被碳儲量凈減少了8.5×106tC,年均遞減為0.39×106tC,其中,變化最明顯的是1990—1995年到2003—2004年,面積凈減少73.48×104hm2,碳儲量凈減少8.36×106tC,年平均凈減少0.93×106tC/a；竹林面積持續(xù)增長,凈增加了20.87×104hm2,植被碳儲量凈增加了28.27×106tC,年均遞增1.29×106tC,植被碳密度增加了31.69 tC/hm2；灌木林面積先增加后減少,總體凈增加了21.24×104hm2,植被碳儲量凈增加了2.03×106tC,年均凈增加0.09×106tC；疏林面積持續(xù)減少,凈減少了50.69×104hm2,植被碳儲量凈減少了3.33×106tC,碳密度由6.38 tC/hm2下降到5.56 tC/hm2。

圖4 不同時期湖南省各森林類型植被碳儲量、碳密度和面積Fig.4 Vegetation carbon storage, density and area of different forests in different period

3.3 湖南省森林植被碳儲量、碳密度動態(tài)

湖南省森林植被(包括疏林)碳儲量由1983—1987年的95.66×106tC增加到2009年的180.53×106tC,凈增加了84.87×106tC,年均遞增3.86×106tC,年均增長率為4.03%。不同清查期,森林植被的碳匯功能不同,最大碳匯出現(xiàn)在2003—2004年請查期(43.97×106tC),最小碳匯出現(xiàn)在2009年清查期(14.38×106tC),與各清查期的喬木林、竹林植被碳匯功能的動態(tài)變化趨勢基本一致(圖4)。

4次森林清查期,喬木林植被分別貯存了湖南省森林植被碳儲量的50.32%、53.35%、62.21%和63.45%,凈增加66.40×106tC,占湖南省森林植被碳匯的78.24%；竹林、灌木林植被碳儲量分別占湖南省森林植被碳儲量的10.28%—21.20%和6.21%—15.96%,為湖南省森林植被碳匯分別貢獻了33.31%和2.39%；經(jīng)濟林、疏林分別占湖南省森林植被碳儲量的8.64%—25.73%和0.25%—4.08%,呈持續(xù)下降趨勢,各森林植被碳儲量均隨著其面積的變化而變化。4次森林調(diào)查期,喬木林面積最大,占湖南省同期森林面積的比例(分別為52.78%、57.17%、61.55%、67.83%)呈持續(xù)上升趨勢,竹林面積占湖南省森林面積的比例(分別為6.25%、5.94%、6.43%、7.22%)呈持續(xù)上升趨勢；灌木林面積先增加后下降,1983—1987年清查期與2009年清查期沒有明顯的差異；經(jīng)濟林、疏林面積呈持續(xù)下降趨勢(圖4)。相關(guān)性分析結(jié)果表明,各森林類型植被碳儲量與其面積呈極顯著的線性正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.9472,樣品數(shù)n=20,P<0.001)。表明喬木林作為森林的主體,在湖南省森林植被碳匯功能中起著主導(dǎo)作用。

湖南省森林植被碳密度呈上升趨勢,從1983—1987年的10.50 tC/hm2增加到2009年的16.74 tC/hm2,提高了6.24 tC/hm2,年均增加0.28 tC/hm2。其中竹林增加量最大,增加了31.69 tC/hm2,年均增加1.44 tC/hm2,其次是喬木林,增加了5.65 tC/hm2,疏林在4.46—6.38 tC/hm2之間波動,由于經(jīng)濟林、灌木林碳儲量是根據(jù)面積進行估算,因此其碳密度在整個研究期不變(圖4)。

4 結(jié)論與討論

4.1 湖南省喬木林植被碳儲量、碳密度的動態(tài)

從1987年到2009年,湖南省喬木林植被碳儲量凈增加了66.40×106tC,年均遞增量(22a)3.02×106tC,年均增長率6.27%,高于四川(2.11%)[8]、廣東(3.41%)[12],但低于全國喬木林植被年均遞增量(63.3×106tC)[4]。表明20多年來,湖南省喬木林恢復(fù)迅速,碳匯作用明顯,與中國同期森林植被碳儲量的總體變化趨勢一致[9],主要得益于20世紀(jì)80年代中后期,重視森林保護(如天然林保護工程、退耕還林工程等),采取了人工造林更新、封山育林措施。4次森林資源清查期中,湖南省喬木林植被碳匯在2.13×106—4.21×106tC/a之間變化,表明湖南省喬木林植被碳匯功能提高過程中呈現(xiàn)出一定的波動,可能是由于森林資源生長與資源消耗的交互影響所致。從1987年到2009年,闊葉林植被碳儲量最高,其次是杉木林、松木林,表明闊葉林、杉木林、松木林是湖南省喬木林植被碳儲量的主體,其碳儲量的動態(tài)變化將明顯影響湖南省喬木林植被碳匯功能,這與闊葉林、杉木林、松木林面積及其林分質(zhì)量密切相關(guān)。闊葉林植被碳儲量及其占湖南省同期喬木林植被碳儲量的比例(41.34%、37.08%、37.58%、59.66%)呈明顯增加趨勢,杉木林、松木林從1987年到2004年呈遞增態(tài)勢,但從2004年到2009年分別下降了38.66%和33.79%。根據(jù)國家林業(yè)局中南森林資源監(jiān)測中心、湖南省林業(yè)廳的《第八次全國森林資源清查湖南省森林資源清查成果(2009)》調(diào)查結(jié)果可知,主要是由于2008年初遭到了罕見的雨雪冰凍災(zāi)害,喬木林采伐消耗量和枯損消耗量均有較大幅度增加,其中雨雪冰凍災(zāi)害后清理采伐喬木林采伐消耗量增加3015.85×104m3,占喬木林采伐消耗增量的75.10%,杉木林、馬尾松林、針闊混交林等受災(zāi)較為嚴(yán)重,導(dǎo)致2009年湖南省活立木總蓄積比前期(2004年)凈減了865.75×104m3,由凈增加轉(zhuǎn)變?yōu)閮魷p少。此外,由于森林經(jīng)營管理水平較低和雨雪冰凍災(zāi)害影響,喬木林生長量有所下降。表明較大的自然災(zāi)害和人為經(jīng)營活動是影響喬木林植被碳儲量動態(tài)變化的重要因素,隨著森林植被恢復(fù),闊葉林植被碳儲量的動態(tài)變化對湖南省喬木林植被碳儲量動態(tài)變化的影響日益顯著。

從1987年到2009年,湖南省喬木林植被一直處于碳凈吸收,碳密度增加了5.65 tC/hm2,提高了56.44%,表明湖南省喬木林林分質(zhì)量明顯提高,可能與湖南省喬木林類型組成及其面積構(gòu)成比例明顯變化有關(guān)。1987年,湖南省喬木林主要為4種林分：杉木林、松木林、闊葉林和柏木林,分別占全省同期喬木林面積的36.20%、45.89%、16.71%和1.18%,2009年,湖南省喬木林為8種林分：杉木林、松木林、闊葉林、柏木林、國外松林、楊樹林、三杉林、桉樹林,分別占全省同期喬木林面積的27.76%、24.30%、42.16%、0.92%、3.24%、0.92%、0.40%和0.31%,闊葉林面積及其占全省喬木林面積比例明顯增大(表4)。表明調(diào)整喬木林組成、增加闊葉林面積,是提高湖南省喬木林植被碳密度的有效途徑。

4次清查期,中齡林植被碳儲量最高,其次是幼齡林(除2003—2004年低于近熟林、成熟林外),再次是近成熟林,三者占全省同期喬木林植被碳儲量的比例總體上均呈增加趨勢,而成熟林、過熟林呈下降趨勢。1987—2009年間,幼、中齡林植被碳儲量凈增加了48.49×106tC,對全省喬木林植被碳匯貢獻了73.03%,與各齡組喬木林面積、碳密度變化密切相關(guān)。幼齡林、中齡林、近熟林植被碳密度依次提高了4.75、4.09、0.83 tC/hm2,而成熟林、過熟林分別下降了6.87和13.88 tC/hm2。表明近年來,成熟林、過熟林受到了嚴(yán)重的破壞,幼、中齡林碳匯功能正逐步發(fā)揮主導(dǎo)作用。

研究表明,喬木林植被碳儲量與喬木林年齡組成密切相關(guān),中幼齡林所占面積比例較高是導(dǎo)致中國喬木林現(xiàn)存碳儲量較低的主要原因。在不同清查時期,中國成熟林面積僅占同期喬木林面積的19%—33%,但其碳儲量占喬木林植被碳儲量的40%—60%。而中幼齡林恰好相反[4]。本研究中,4次森林資源清查期,幼、中齡林占湖南省喬木林面積的75.77%—89.61%,可能是導(dǎo)致湖南省喬木林植被碳儲量、碳密度較低的主要原因之一。

4.2 人工林經(jīng)營管理與人工林碳儲量

通過植樹造林和提高人工林經(jīng)營管理水平等措施增強陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能是清潔發(fā)展機制中最主要途徑之一[8]。Lal將提高人工林經(jīng)營管理水平,增強人工林土壤碳匯功能稱為“雙贏策略”和“減緩全球變化的一種可能機制和最有希望的選擇”[34]。研究表明,從20世紀(jì)70年代后期到2004—2008年,中國喬木林植被碳儲量凈增加了1710×106tC,年均增加63.3×106tC,約一半來自人工林[4]?！?005年全球森林資源評估報告》指出,2000—2005年期間,世界森林面積在減少,但碳凈損失量在下降,與中國大規(guī)模的人工造林有關(guān),對減緩全球變化具有積極的貢獻[35]。本研究中,從1987—2009年,湖南省人工林面積凈增加了156.76×104hm2,占湖南省同期喬木林面積凈增量的62.53%,天然林植被碳儲量占全省同期喬木林植被碳儲量的比例(79.12%、70.73%、51.19%和69.06%)呈下降趨勢,而人工林(20.88%、29.27%、48.81%和30.94%)呈增加趨勢。但人工林普遍存在樹種單一,結(jié)構(gòu)簡單,功能脆弱,病蟲害頻繁發(fā)生,是人工林植被碳儲量、碳密度較低的一個重要原因。湖南省人工林植被碳儲量凈增加了25.39×106tC,占湖南省同期喬木林碳儲量凈增量的38.24%,年均增加1.15×106tC/a,低于天然林(1.86×106tC/a)。2009年,湖南省人工林植被碳密度為11.24 tC/hm2,僅為湖南省同期天然林植被碳密度的59.01%,明顯低于中國人工林植被碳密度(26.7 tC/hm2)[4],也低于四川人工林植被碳密度(17.15 tC/hm2)[8]。表明湖南省人工林林分質(zhì)量較低,可通過提高人工林經(jīng)營管理水平,提高人工林林分質(zhì)量,提高湖南省喬木林植被碳匯功能。

4.3 湖南省喬木林植被碳儲量在中國喬木林植被碳儲量中的貢獻

近20多年來,中國森林植被碳匯功能顯著增加[4,7,36-37]。本研究中,從1987年到2009年,湖南省喬木林植被碳儲量凈增加了66.40×106tC,占全國同期喬木林植被碳凈增量(1542×106tC)[4]的4.31%,湖南省喬木林植被碳儲量占中國同期喬木林生物量碳儲量的比例(分別為0.99%,1.21%,1.76%,1.78%)呈上升趨勢,喬木林面積所占比例(3.65%,4.48%,5.56%,4.70%)總體也呈上升趨勢；湖南省喬木林植被碳儲量年均增長率(6.27%)明顯高于中國喬木林年均增長率(1.58%)[4],平均碳密度年均增加0.26 tC hm-2a-1,高于全國喬木林(0.21 tC hm-2a-1)(表5)。表明湖南省喬木林植被在中國喬木林植被碳儲量和提高中國喬木林碳匯功能中扮演著重要的角色。

研究表明,中國森林生態(tài)系統(tǒng)喬木層平均碳密度為38.65—40.12 tC/hm2[21,36],呈現(xiàn)從東南向東北和西增加的趨勢,中國森林植物碳密度較高的省區(qū)為黑龍江、吉林、西藏和海南,低于53.11 tC/hm2,植物碳密度較小的省區(qū)包括廣東、廣西、湖北、湖南、江西、浙江、江蘇、安徽和山東,低于12.4 tC/hm2,森林植物碳密度分布規(guī)律與我國人口密度的變化趨勢呈顯著的對數(shù)相關(guān)關(guān)系,我國實際森林植物碳密度大小首先取決于人類活動干擾的程度[3]。本研究中,各清查期,湖南省喬木林植被平均碳密度為10.01—15.66 tC/hm2之間,顯著低于中國同期喬木林平均碳密度,原因在于：①湖南省喬木林主要以幼、中齡林為主,幼、中齡林植被碳密度在15 tC/hm2以下(圖1)；②人口密集,人地矛盾尖銳,人類活動干擾程度大,且目前人工林經(jīng)營水平不高,林分質(zhì)量較低,直接導(dǎo)致湖南省喬木林植被碳密度低于廣西等毗鄰省區(qū)[13]。

從1987年到2009年,湖南省喬木林植被碳密度提高了5.65 tC/hm2,而全省森林植被碳密度呈上升趨勢,提高了6.24 tC/hm2,年均增加了0.28 tC/hm2,原因可能是：①喬木林植被碳密度采用蓄積量轉(zhuǎn)換為生物量碳儲量估算,而經(jīng)濟林、灌木林則采用平均生物量法估算,導(dǎo)致喬木林植被碳密度隨著林分蓄積量的變化而變化,經(jīng)濟林、灌木林在整個研究期不變；②通常選擇較好的立地生產(chǎn)竹林,且近年來對竹林(主要毛竹林)多采用集約經(jīng)營管理措施,林分質(zhì)量得到明顯提高,竹林植被碳密度提高幅度遠遠超過喬木林,導(dǎo)致全省森林植被碳密度提高幅度高于喬木林。

此外,經(jīng)濟林、竹林、灌木林植被碳儲量估算采用平均生物量法,盡管在方法上是可行的。但平均生物量法往往會因野外樣地測量選擇生長條件較好的森林,而獲得較高的生物量,從而高估了區(qū)域森林生物量[38-39]；另一方面森林資源清查數(shù)據(jù)與樣地生物量調(diào)查數(shù)據(jù)的時間不一致,以及樣地生物量調(diào)查數(shù)據(jù)不足,也是造成本研究估算結(jié)果的不確性。森林植被碳庫動態(tài)研究是森林固碳速率、潛力及機制分析的重要基礎(chǔ),也是正確評價森林在全球碳平衡、碳循環(huán)中作用和地位的重要手段。因此,應(yīng)加強區(qū)域樣地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測定,估算方法的研究與評價,以減少估算結(jié)果的誤差。

表5 全國和湖南省喬木林面積、碳儲量和碳密度

*全國數(shù)據(jù)中尚未統(tǒng)計到中國港澳臺的數(shù)據(jù)

[1] Piao S L, Fang J Y, Ciais P, Peylin P, Huang Y, Sitch S, Wang T. The carbon balance of terrestrial ecosystems in China. Nature, 2009, 458(7241): 1009- 1013.

[2] Zhang Y D, Gu F X, Liu S R, Liu Y C, Li C. Variations of carbon stock with forest types in subalpine region of southwestern China. Forest Ecology and Management, 2013, 300: 88- 95.

[3] 王效科, 馮宗煒, 歐陽志云. 中國森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳儲量和碳密度研究. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2001, 12(1): 13- 14.

[4] 郭兆迪, 胡會峰, 李品, 李怒云, 方精云. 1977—2008年中國森林生物量碳匯的時空變化. 中國科學(xué): 生命科學(xué), 2013, 43(5): 421- 431.

[5] 劉國華, 傅伯杰, 方精云. 中國森林碳動態(tài)及其對全球碳平衡的貢獻. 生態(tài)學(xué)報, 2000, 20(5): 733- 740.

[6] 周玉榮, 于振良, 趙士洞. 我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量和碳平衡. 植物生態(tài)學(xué)報, 2000, 24(5): 518- 522.

[7] 方精云, 郭兆迪, 樸世龍, 陳安平. 1981- 2000年中國陸地植被碳匯的估算. 中國科學(xué) D輯: 地球科學(xué), 2007, 37(6): 804- 812.

[8] 黃從德, 張健, 楊萬勤, 唐宵, 趙安玖. 四川省及重慶市地區(qū)森林植被碳儲量動態(tài). 生態(tài)學(xué)報, 2008, 28(3): 966- 975.

[9] 曹軍, 張鐿鋰, 劉燕華. 近20年海南島森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化. 地理研究, 2002, 21(5): 551- 560.

[10] 吳慶標(biāo), 王效科, 段曉男, 鄧立斌, 逯非, 歐陽志云, 馮宗煒. 中國森林生態(tài)系統(tǒng)植被固碳現(xiàn)狀和潛力. 生態(tài)學(xué)報, 2008, 28(2): 517- 524.

[11] 李?？? 雷淵才, 曾偉生. 基于森林清查資料的中國森林植被碳儲量. 林業(yè)科學(xué), 2011, 47(7): 7- 12.

[12] 葉金盛, 佘光輝. 廣東省森林植被碳儲量動態(tài)研究. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2010, 34(4): 7- 12.

[13] 覃連歡. 廣西森林植被碳儲量及價值估算研究[D]. 南寧: 廣西大學(xué), 2012.

[14] 鄭德祥, 廖曉麗, 李成偉, 葉倩玲, 陳平留. 福建省森林碳儲量估算與動態(tài)變化分析. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2013, 35(1): 112- 116.

[15] 李鑫, 歐陽勛志, 劉琪璟. 江西省2001—2005年森林植被碳儲量及區(qū)域分布特征. 自然資源學(xué)報, 2011, 26(4): 655- 665.

[16] 焦秀梅. 湖南省森林植被碳貯量及地理分布規(guī)律[D]. 長沙: 中南林學(xué)院, 2005.

[17] 裴艷輝, 李江. 云南省森林植被碳儲量及其近10年動態(tài)變化. 中國水土保持科學(xué), 2012, 10(3): 93- 98.

[18] 光增云. 河南森林植被的碳儲量研究. 地域研究與開發(fā), 2007, 26(1): 76- 79.

[19] 張德全, 桑衛(wèi)國, 李曰峰, 王宗泉, 蓋文杰. 山東省森林有機碳儲量及其動態(tài)的研究. 植物生態(tài)學(xué)報, 2002, 26(增刊): 93- 97.

[20] Ren H, Chen H, Li L J, Li P H, Hou C M, Wan H F, Zhang Q M, Zhang P X. Spatial and temporal patterns of carbon storage from 1992 to 2002 in forest ecosystems in Guangdong, Southern China. Plant and Soil, 2013, 363(1/2): 123- 138.

[21] Zhang C H, Ju W M, Chen J M, Zan M, Li D Q, Zhou Y L, Wang X Q. China′s forest biomass carbon sink based on seven inventories from 1973 to 2008. Climatic Change, 2013, 118(3/4): 933- 948.

[22] 馬琪, 劉康, 張慧. 陜西省森林植被碳儲量及其空間分布. 資源科學(xué), 2012, 34(9): 1781- 1789.

[23] 俞艷霞, 張建軍, 王孟本. 山西省森林植被碳儲量及其動態(tài)變化研究. 林業(yè)資源管理, 2008, (6): 35- 39.

[24] 高陽, 金晶煒, 程積民, 蘇紀(jì)帥, 朱仁斌, 馬正銳, 劉偉. 寧夏回族自治區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2014, 25(3): 639- 646.

[25] 王新闖, 齊光, 于大炮, 周莉, 代力民. 吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量、碳密度及其分布. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2011, 22(8): 2013- 2020.

[26] 謝立紅, 張榮濤. 黑龍江省森林碳匯估算及潛力分析. 國土與自然資源研究, 2011, (4): 88- 89.

[27] 我國森林面積2.08億公頃森林覆蓋率21.63%. (2014-02- 25). http://www.scio.gov.cn/video/zxtj/Document/1364864/1364864.htm. (2015-03- 20)

[28] 焦燕, 胡海清. 黑龍江省森林植被碳儲量及其動態(tài)變化. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2005, 16(12): 2248- 2252.

[29] 方精云, 劉國華, 徐嵩齡. 我國森林植被的生物量和凈生產(chǎn)力. 生態(tài)學(xué)報, 1996, 16(5): 497- 508.

[30] 湛小勇, 彭元英, 郭照光, 周志華, 陶盛. 油茶林分生物量及生產(chǎn)力的研究. 經(jīng)濟林研究, 1996, 14(1): 4- 6.

[31] 陳世清, 王永安, 馮宗偉. 不同經(jīng)營措施對油茶林生物產(chǎn)量的影響. 經(jīng)濟林研究, 2000, 18(1): 16- 18.

[32] 何方, 王義強, 呂芳德, 張才學(xué), 朱承忠. 油茶林生物量與養(yǎng)分生物循環(huán)的研究. 林業(yè)科學(xué), 1996, 32(5): 403- 410.

[33] 李斌, 方晰, 田大倫, 項文化, 閆文德, 康文星, 鄧湘雯. 湖南省現(xiàn)有森林植被主要樹種的碳含量. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報, 2015, 35(1): 71- 78.

[34] Lal R. Forest soils and carbon sequestration. Forest Ecology and Management, 2005, 220(1/3): 242- 258.

[35] FAO. Global Forest Resources Assessment 2005: Progress towards Sustainable Forest Management. Rome: FAO Forestry Paper, 2005: 1- 147.

[36] 徐新良, 曹明奎, 李克讓. 中國森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲量時空動態(tài)變化研究. 地理科學(xué)進展, 2007, 26(6): 1- 10.

[37] 劉雙娜, 周濤, 魏林艷, 舒陽. 中國森林植被的碳匯/源空間分布格局. 科學(xué)通報, 2012, 57(11): 943- 950.

[38] Guo Z D, Fang J Y, Pan Y D, Birdsey R. Inventory-based estimates of forest biomass carbon stocks in China: a comparison of three methods. Forest Ecology and Management, 2010, 259(7): 1225- 1231.

[39] Ni J. Carbon storage in Chinese terrestrial ecosystems: approaching a more accurate estimate. Climatic Change, 2013, 119(3/4): 905- 917.

Dynamic characteristics of forest carbon storage and carbon density in the Hunan Province

LIU Zhaodan1,LI Bin1,2,FANG Xi1,3,*,XIANG Wenhua1,3,TIAN Dalun1,3,YAN Wende1,3,LEI Pifeng1,3

1CollegeofLifescienceandtechnology,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China2StateForestryAdministration,Beijing100714,China3NationalEngineeringLaboratoryforAppliedForestEcologicalTechnologyinSouthernChina,Changsha410004,China

Distribution and dynamics of carbon storage and carbon density were examined in forest vegetation in Hunan Province of China, based on four forest inventories during 1983—2009 (1983—1987, 1990—1995, 2003—2004, and 2009). Inventory data consisted of biomass expansion factors and carbon concentration of existing forest types in this region. The results showed that the arboreal forests were carbon sinks with a value of 66.40 × 106t C from 1987 to 2009. The highest carbon sink was in broad-leaved forests (48.43×106t C), followed by Chinese fir plantations (9.54 × 106t C) and pine forests (6.68 × 106t C). All age-group forests exhibited carbon sinks, except mature forests. The middle-aged forests had the highest value for carbon sinks. Carbon density increased 5.65 t C/hm2in arboreal forests during the four forest inventory periods. Carbon density increased by 4.75, 4.09, and 0.83 t C/hm2in young, middle-aged, and near mature arboreal forests, respectively, whereas it declined by 6.87 and 13.88 t C/hm2in mature and over-mature arboreal forests, respectively. Carbon sinks were 41.01 × 106and 25.39 × 106t C in natural forests and man-made plantations, respectively. Carbon density increased 7.19 and 4.91 t C/hm2in natural and plantation forests. The total carbon sink was 84.87 × 106t C in forest vegetation (including open forests). The arboreal and bamboo forests accounted for 78.24% and 33.31% of total carbon sinks, respectively. Carbon density increased 6.24 t C/hm2in forest vegetation. Carbon storage changed in various types of forest vegetation due to change in forested areas. Our results suggested that carbon sequestration ability is considerably high in the arboreal forest vegetation in the Hunan Province. In particular, the natural forests contribute substantially to carbon storage and sequestration in Hunan forests.

Hunan Province; forest vegetation; carbon storage; carbon density; dynamic characteristics

國家林業(yè)局林業(yè)軟科學(xué)研究項目(2014-R11)

2015- 04- 23;

日期:2016- 03- 03

10.5846/stxb201504230837

*通訊作者Corresponding author.E-mail: fangxizhang@sina.com

劉兆丹,李斌,方晰,項文化,田大倫,閆文德,雷丕鋒.湖南省森林植被碳儲量、碳密度動態(tài)特征.生態(tài)學(xué)報,2016,36(21):6897- 6908.

Liu Z D,Li B,Fang X,Xiang W H,Tian D L,Yan W D,Lei P F.Dynamic characteristics of forest carbon storage and carbon density in the Hunan Province.Acta Ecologica Sinica,2016,36(21):6897- 6908.