張春華,王莉媛,宋茜薇,陳曉鳳,高 慧,王希群

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1973~2013年黑龍江省森林碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化

張春華1,2*,王莉媛1,宋茜薇1,陳曉鳳3,高 慧1,王希群4

(1.魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264025；2.南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所,江蘇 南京 210023；3.北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083；4.國(guó)家林業(yè)局林產(chǎn)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院,北京 100010)

基于1973~2013年8次省森林清查數(shù)據(jù)以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)改進(jìn)的生物量蓄積量轉(zhuǎn)換參數(shù),利用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法,研究了近40a黑龍江省森林碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化.結(jié)果表明:黑龍江省森林碳儲(chǔ)量從1973~1976年的1159.35TgC下降到2009~2013年的833.99TgC,其中天然林減少387.51TgC,人工林增加62.15TgC;森林總體表現(xiàn)為碳源(-10.88TgC/a),主要?dú)w因于天然林面積的減少.不同森林類型的碳儲(chǔ)量存在較大差異,樺木、落葉松和闊葉混是碳儲(chǔ)量的主要貢獻(xiàn)者;大多數(shù)森林類型的碳密度呈上升趨勢(shì).森林以中、幼齡林為主,中齡林碳儲(chǔ)量占同期全省總量的27.9%~46.6%,其他齡組的碳儲(chǔ)量均呈減少趨勢(shì),以成熟林最為明顯(201.17TgC);幼齡林、中齡林和近熟林的碳密度分別增加2.20、3.21和3.43MgC/hm2,成熟林和過(guò)熟林則有所下降;不同齡組森林面積和碳密度的變化是導(dǎo)致其碳儲(chǔ)量變化的主要原因.

森林碳儲(chǔ)量；碳密度；森林清查數(shù)據(jù)；生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法；黑龍江省

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù),具有較高的碳密度和較快的碳積累速度,在減緩大氣CO2濃度升高和全球氣候變暖方面發(fā)揮著關(guān)鍵的作用[1-3].雖然全球森林面積僅占陸地面積的30%,但其碳儲(chǔ)量卻占陸地植被碳儲(chǔ)量的80%~90%[4-5].森林碳儲(chǔ)量是反映森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能以及森林質(zhì)量的重要指標(biāo),是評(píng)估森林固碳能力和碳收支的重要參數(shù)[6-7].準(zhǔn)確及時(shí)地估算區(qū)域森林碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化是國(guó)際生態(tài)學(xué)和全球變化研究的熱點(diǎn)和重要內(nèi)容,是區(qū)域制定應(yīng)對(duì)氣候變化和森林增匯對(duì)策的科學(xué)支撐和重要依據(jù).

區(qū)域森林碳儲(chǔ)量的估算方法有森林清查、通量觀測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)、模型模擬和大氣反演等[8].由于森林清查數(shù)據(jù)的詳細(xì)性和權(quán)威性,近年來(lái)在國(guó)家和地區(qū)尺度上利用清查方法估算森林碳儲(chǔ)量的研究日益增多[1,6,9-11].在諸多基于森林清查資料估算區(qū)域尺度森林碳儲(chǔ)量的方法中,生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法被認(rèn)為是一種簡(jiǎn)單可行、可靠的方法[12].自20世紀(jì)70年代開(kāi)始,中國(guó)每隔5a進(jìn)行一次全國(guó)森林資源清查,國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用這些清查資料開(kāi)展了全國(guó)不同地區(qū)和省級(jí)尺度的森林碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化研究[13-17],為大尺度的森林碳循環(huán)研究提供了很好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù).基于生物量與蓄積量之間關(guān)系進(jìn)行森林碳儲(chǔ)量的估算需要足夠多的生物量樣地觀測(cè)數(shù)據(jù)[18].以往多數(shù)研究建立蓄積量到生物量的轉(zhuǎn)換方程時(shí),受生物量數(shù)據(jù)樣本不足的限制,致使估算結(jié)果存在較大的不確定性[13,19]. Zhang等[13]利用3543個(gè)實(shí)測(cè)生物量樣地?cái)?shù)據(jù)對(duì)全國(guó)30種主要森林類型的生物量蓄積量轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),極大地提高了森林碳儲(chǔ)量的估算精度.

黑龍江省森林是歐亞大陸北方森林帶的重要組成部分,在中國(guó)甚至全球碳循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用.由于長(zhǎng)期人類活動(dòng)的影響,該省森林資源破壞嚴(yán)重.自1998年國(guó)家實(shí)施天然林保護(hù)工程以來(lái),森林采伐強(qiáng)度受到嚴(yán)格控制,森林面積不斷擴(kuò)大,森林質(zhì)量和生態(tài)效益不斷提高.黑龍江現(xiàn)有森林具有天然林比重大、人工林少、以中幼齡林為主的特點(diǎn)[20],森林固碳潛力很大.目前,關(guān)于黑龍江森林碳儲(chǔ)量的研究成果多是從國(guó)家[10,15,21-23]或地區(qū)[14]尺度獲得的,專門針對(duì)該省森林碳儲(chǔ)量的研究仍然相對(duì)薄弱[24-25],尤其最近40a森林碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化狀況尚不清楚.本研究利用國(guó)家林業(yè)局匯編的黑龍江省第1~8次森林資源清查資料,結(jié)合生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)改進(jìn)的生物量蓄積量轉(zhuǎn)換參數(shù)[13],采用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法,評(píng)估1973~2013年黑龍江省森林碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化.研究成果有望為區(qū)域森林資源的經(jīng)營(yíng)管理和碳循環(huán)研究提供重要科學(xué)依據(jù).

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省位于我國(guó)最東北部,地處東經(jīng)121°11′~135°05′,北緯43°26′~53°33′,全省土地面積為43.7×104km2.該地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均降水量400~650mm,年平均氣溫-5~5℃.全省地貌分為西北部的大興安嶺、東北部的小興安嶺、東南部的東部山地、西部的松嫩平原和東部的三江興凱湖平原.山地面積占58.9%,平原占41.1%.地帶性土壤以森林土壤、草原土壤和森林草原土壤為主.黑龍江森林蓄積量、面積和覆蓋率均位居全國(guó)前列[20],地帶性植被為寒溫帶針葉林和溫帶針闊葉混交林.森林主要分布在大興安嶺、小興安嶺、張廣才嶺、老爺嶺和完達(dá)山等地區(qū).天然林比重大,人工林少.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所用的數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家林業(yè)局匯編的黑龍江省第1~8次森林資源清查資料,該系列資料的覆蓋時(shí)間范圍分別為1973~1976年、1977~1981年、1984~1988年、1989~1993年、1994~1998年、1999~2003年、2004~2008年和2009~2013年.全國(guó)森林資源連續(xù)清查主要由國(guó)家林業(yè)局負(fù)責(zé)安排,以省為單位,每5a復(fù)查一次.國(guó)家林業(yè)局統(tǒng)一安排每年開(kāi)展全國(guó)森林資源連續(xù)清查的省份,于年底向國(guó)家林業(yè)局上報(bào)復(fù)查成果.黑龍江分別于1976年、1981年、1986年、1990年、1995年、2000年、2005年和2010年開(kāi)展復(fù)查,每次清查均勻布設(shè)固定樣地和臨時(shí)樣地,樣地間距為8km×8km.森林資源清查數(shù)據(jù)包括各森林類型的齡級(jí)、面積和蓄積以及在各省的分布狀況等.每種森林類型根據(jù)其生長(zhǎng)發(fā)育階段分為5個(gè)齡組,即幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過(guò)熟林.森林資源清查將森林劃分為林分、經(jīng)濟(jì)林、竹林、疏林、灌木林、散生木和四旁樹(shù),其中林分包括人工林和天然林,是森林的主體.本文主要對(duì)黑龍江森林林分碳儲(chǔ)量進(jìn)行研究.

1.3 森林碳儲(chǔ)量估算

研究證明,我國(guó)森林生物量()與蓄積量()存在線性關(guān)系[12].因此,可選用Fang等[12]的生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法估算黑龍江省森林林分的生物量.

式中:為林分生物量,Mg/hm2;為林分蓄積量,m3/ hm2;和為生物量與蓄積量轉(zhuǎn)換參數(shù).林分生物量?jī)H指林木的活生物量,包括地上生物量(干、枝、葉和皮)和地下生物量(根).方程(1)中,林分生物量對(duì)參數(shù)和非常敏感.以往研究多采用Fang等[12]基于758個(gè)生物量樣地?cái)M合的中國(guó)21種森林類型林分生物量與蓄積量間的轉(zhuǎn)換參數(shù).然而,對(duì)某些森林類型,Fang等[19]的線性關(guān)系存在樣地?cái)?shù)不足和林齡偏小的缺陷,導(dǎo)致估算結(jié)果產(chǎn)生很大的不確定性.本研究采用Zhang等[13]基于3543個(gè)實(shí)測(cè)生物量樣地?cái)?shù)據(jù)改進(jìn)的全國(guó)30種主要森林類型的生物量與蓄積量轉(zhuǎn)換參數(shù),將黑龍江省森林清查中涉及的樹(shù)種歸并為12個(gè)森林類型(表1).

自1994年以后,森林資源清查對(duì)森林的定義從郁閉度>30%變?yōu)橛糸]度>20%.由于森林標(biāo)準(zhǔn)的改變,森林面積和碳儲(chǔ)量都會(huì)發(fā)生較大的變化.為便于與國(guó)際同類工作的比較,分析森林碳儲(chǔ)量的長(zhǎng)期變化,采用Fang等[26]的方法,在省尺度上將1973~1976年、1977~1981年、1984~1988年和1989~1993年4期森林清查數(shù)據(jù)中森林郁閉度為30%的面積和碳儲(chǔ)量轉(zhuǎn)化為郁閉度為20%的面積和碳儲(chǔ)量.

表1 黑龍江省主要森林類型的生物量和蓄積量關(guān)系[13]

注:硬闊類包括榆樹(shù)和其他硬闊類,軟闊類包括柳樹(shù)和其他軟闊類.

盡管不同森林類型的群落組成、年齡結(jié)構(gòu)、林分起源等存在差異,但其生物量碳轉(zhuǎn)換系數(shù)變化不大,本研究采用國(guó)際上普遍使用的生物量碳含量轉(zhuǎn)換系數(shù)0.5估算森林碳儲(chǔ)量[28].森林碳密度是指單位面積的碳儲(chǔ)量.由于每次森林資源清查的時(shí)間跨度為5a,因此兩個(gè)時(shí)期的森林生物量碳匯估算為森林碳儲(chǔ)量的變化與這兩個(gè)時(shí)期中間年的差值的比值,其中正值表示碳匯,負(fù)值表示碳源.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分起源森林碳儲(chǔ)量的變化

表2是1973~2013年黑龍江省全部森林、人工林和天然林的碳儲(chǔ)量變化.近40a來(lái),黑龍江省森林碳儲(chǔ)量的時(shí)間變異明顯,呈先下降后增加的趨勢(shì),從1973~1976年的1159.35TgC下降到1984~1988年的696.87TgC,而后在700.00TgC左右波動(dòng),到2009~ 2013年增加到833.99TgC,但仍低于1973~1976年的森林碳儲(chǔ)量,凈減少325.36TgC.黑龍江省天然林比重大,1973~2013年8次森林清查期間,其碳儲(chǔ)量占全省總量的90.1%~98.2%.天然林碳儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)與全部森林相似,從1973~1976年的1138.60TgC下降到1984~1988年的657.88TgC,之后逐漸增加到2009~2013年的751.09TgC,凈減少387.51TgC,占森林碳儲(chǔ)量減少總量的119.1%.在整個(gè)研究期間,人工林碳儲(chǔ)量呈增加趨勢(shì),從1973~1976年的20.75TgC增加到2009~2013年的82.90TgC,凈增加62.15TgC,彌補(bǔ)了19.1%的森林碳儲(chǔ)量減少量.由表2可知,1973~2013年黑龍江省全部森林、人工林和天然林的碳儲(chǔ)量與其面積均具有一定的正相關(guān)性,森林碳儲(chǔ)量顯著減少的主要原因是天然林面積的減少.

從森林生物量碳匯的變化來(lái)看,1973~2013年黑龍江省森林表現(xiàn)為碳源,平均為-10.88TgC/a,其中天然林對(duì)這個(gè)碳源的貢獻(xiàn)為114.4%(-12.45TgC/a);人工林表現(xiàn)為碳匯,平均為1.57TgC/a,彌補(bǔ)同期碳損失的14.4%.1973~1981年間,由于人類活動(dòng)的影響,森林亂砍濫伐現(xiàn)象嚴(yán)重,森林面積和碳儲(chǔ)量分別從2781.54×104hm2和1159.35TgC下降到1817.71× 104hm2和809.10TgC,下降幅度達(dá)34.7%和30.2%,致使黑龍江省整個(gè)森林是大的碳源(-87.56TgC/a).20世紀(jì)80年代后期,由于退耕還林和天然林保護(hù)工程的實(shí)施,以及植樹(shù)造林強(qiáng)度加大,森林面積和碳儲(chǔ)量呈增加趨勢(shì),天然林和人工林的碳匯功能逐漸增強(qiáng).到2004~2008年,黑龍江省森林碳匯達(dá)到17.11TgC/a,其中人工林和天然林對(duì)這個(gè)碳匯的貢獻(xiàn)分別占27.5%(4.71TgC/a)和72.5%(12.40TgC/a).受病蟲害、風(fēng)折和旱災(zāi)等多種因素的共同影響[10],黑龍江省森林在2009~2013年間碳匯功能有所減弱(9.20TgC/a),但仍具有較高的森林碳儲(chǔ)量.1973~2013年黑龍江省全部森林、人工林和天然林的碳密度均呈增加趨勢(shì),分別從1973~1976年的41.68、19.84和42.53MgC/ hm2增加到2009~2013年的42.78、34.43和43.95MgC/hm2,以人工林碳密度增長(zhǎng)最為顯著,凈增加14.58MgC/hm2.天然林碳密度相當(dāng)于同期人工林碳密度的1.3~2.1倍.這說(shuō)明該省的森林質(zhì)量一直比較高,如果對(duì)現(xiàn)有森林更好地?fù)嵊凸芾?黑龍江省森林作為CO2的“匯”還有很大的潛力.

表2 1973~2013年黑龍江省全部森林、人工林和天然林碳儲(chǔ)量和碳匯

注:“?”表示無(wú)數(shù)值.

2.2 不同森林類型碳儲(chǔ)量的變化

1973~2013年黑龍江省不同森林類型的碳儲(chǔ)量存在較大差異(圖1).闊葉混、樺木和落葉松是森林碳儲(chǔ)量的重要貢獻(xiàn)者,三者之和占同期全省總碳儲(chǔ)量的43.2%~66.7%.樺木、楊樹(shù)和闊葉混的碳儲(chǔ)量整體呈增加趨勢(shì),增加最多的是樺木,凈增加91.69TgC;其他森林類型的碳儲(chǔ)量呈減少趨勢(shì).硬闊類、軟闊類和闊葉混的碳儲(chǔ)量時(shí)間變異最為顯著,1973~1981年碳儲(chǔ)量均最高,其碳儲(chǔ)量之和占同期全省總量的54.2%(628.61TgC)和52.8%(427.02TgC);1984~1998年碳儲(chǔ)量下降明顯,分別占同期全省總量的25.9%(180.65TgC)、25.7%(186.08TgC)和26.1% (178.82TgC); 1999~2013年闊葉混的碳儲(chǔ)量急劇上升,達(dá)到同期所有森林類型的最大值,分別占同期全省總量的23.8%(167.22TgC)、39.2% (308.79TgC)和38.5%(320.65TgC),而硬闊類、軟闊類的碳儲(chǔ)量持續(xù)下降,到2009~2013年僅占同期森林總碳儲(chǔ)量的4.5%.1973~2013年落葉松、樺木和櫟類的碳儲(chǔ)量均較高,其碳儲(chǔ)量之和分別占同期全省總量的23.5% (272.22TgC)、22.3%(180.73TgC)、51.6% (359.74TgC)、50.2%(363.79TgC)、51.4% (352.78TgC)、46.0%(323.03TgC)、37.3%(293.99TgC)和38.0%(316.99TgC).針闊混、楊樹(shù)、針葉混、紅松、云杉、冷杉、赤松、樟子松和水胡黃的碳儲(chǔ)量普遍較低,并且時(shí)間變異很小,前3種森林類型的碳儲(chǔ)量分別介于同期全省總量的2.2%~12.8%,后4種分別在2%以下.1973~2013年各森林類型碳儲(chǔ)量的變化與其面積的變化呈正相關(guān)關(guān)系:除樺木、楊樹(shù)和闊葉混的面積增加外,其他森林類型的面積均有所減少,以硬闊類、軟闊類和落葉松減少最為顯著.

從不同森林類型生物量碳匯的變化來(lái)看, 1973~2013年樺木、楊樹(shù)和闊葉混表現(xiàn)為碳匯,平均為3.11、0.99和1.89TgC/a;其他森林類型表現(xiàn)為碳源,硬闊類、軟闊類(-9.04TgC/a)和落葉松(-5.46TgC/a)對(duì)黑龍江省森林碳源的貢獻(xiàn)為133.2%,云杉、冷杉、赤松、樟子松、紅松、櫟類、水胡黃、針葉混和針闊混均表現(xiàn)為弱碳源,介于-1.70~ -0.09TgC/a.與森林面積和碳儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)相似,硬闊類、軟闊類和闊葉混的生物量碳匯時(shí)間變異最為顯著,除1989~1998年外,硬闊類、軟闊類在其他5次森林清查期間均表現(xiàn)為強(qiáng)碳源,1977~1981年高達(dá)-45.55TgC/a,對(duì)同期森林碳源的貢獻(xiàn)為52.0%; 1973~1998年闊葉混表現(xiàn)為強(qiáng)碳源,1999~2013年表現(xiàn)為強(qiáng)碳匯,分別是23.71、28.31和2.37TgC/a,對(duì)同期森林碳匯的貢獻(xiàn)為740.8%、165.5%和25.8%.除上述兩種森林類型外,其他10種森林的生物量碳匯時(shí)間變異較小,基本維持在碳源與碳匯間波動(dòng).在1973~2013年8次森林清查期間,占全省森林面積60.0%~71.5%的森林類型的碳密度呈上升趨勢(shì),以硬闊類、軟闊類和櫟類增長(zhǎng)最為顯著,分別從1973~1976年和1984~1988的35.75MgC/hm2和30.70MgC/hm2增加到2009~2013年的44.94MgC/ hm2和45.09MgC/hm2,針闊混、闊葉混、水胡黃、赤松、樟子松和樺木的碳密度凈增加1.02~ 2.99MgC/hm2.楊樹(shù)、紅松、云杉、冷杉、針葉混和落葉松的碳密度下降明顯,分別凈減少26.84、19.36、15.21、14.16和2.98MgC/hm2.整個(gè)研究期間,碳密度最大的森林類型是針葉混、闊葉混和針闊混,介于46.69~66.87MgC/hm2之間.楊樹(shù)、赤松、樟子松和樺木的碳密度較低,基本在33MgC/hm2以下.

圖1 1973~2013年黑龍江省不同森林類型的碳儲(chǔ)量和碳匯.I、II、III、IV、V、VI、VII和VIII分別表示1973~1976年、1977~1981年、1984~1988年、1989~1993年、1994~1998年、1999~2003年、2004~2008年和2009~2013年8次森林清查時(shí)期

A.冷杉、云杉;B.赤松、樟子松;C.紅松;D.落葉松;E.樺木;F.楊樹(shù);G.櫟類;H.硬闊類、軟闊類;I.水胡黃;J.闊葉混;K.針葉混;L.針闊混

2.3 不同齡組森林碳儲(chǔ)量的變化

森林碳儲(chǔ)量與森林年齡結(jié)構(gòu)組成密切相關(guān).從不同齡組森林碳儲(chǔ)量的變化來(lái)看(圖2),1973~2013年黑龍江省中齡林的碳儲(chǔ)量占各相應(yīng)清查期森林總碳儲(chǔ)量的最大比重,達(dá)27.9%~46.6%;幼齡林、近熟林、成熟林和過(guò)熟林的碳儲(chǔ)量分別占9.3%~ 17.1%、15.9%~23.6%、11.0%~27.9%和5.2%~8.8%.在8次森林清查期間,中齡林碳儲(chǔ)量整體呈增加趨勢(shì),從1973~1976年的323.09TgC增加到2009~2013年的350.11TgC,凈增加27.02TgC;其他齡組碳儲(chǔ)量呈下降趨勢(shì),以成熟林最為明顯,凈減少201.17TgC,占全省森林碳儲(chǔ)量減少量的61.8%,幼齡林、近熟林和過(guò)熟林減少42.82、63.22和45.17TgC.1973~1988年,由于森林的大量采伐,5個(gè)齡組的碳儲(chǔ)量均顯著減少,幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過(guò)熟林分別減少35.29、54.88、140.16、176.38和55.76TgC.20世紀(jì)80年代后期,隨著天然林保護(hù)工程、加強(qiáng)植樹(shù)造林等政策的實(shí)施,幼齡林、中齡林和近熟林碳儲(chǔ)量均呈穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì),分別增加7.52、81.90和76.94TgC,其中中齡林和近熟林碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)量占同期森林碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)總量的59.7%和56.1%,該時(shí)期森林碳儲(chǔ)量的增長(zhǎng)主要由幼齡林、中齡林和近熟林的面積膨脹所致(圖2).

1973~2013年黑龍江省5個(gè)齡組的森林生物量碳匯均呈增加趨勢(shì),其中幼齡林、中齡林和近熟林有著相似的變化規(guī)律,1973~1988年它們基本表現(xiàn)為碳源,1989~2013年逐漸轉(zhuǎn)變成碳匯,并平穩(wěn)增長(zhǎng);成熟林在1973~2003年表現(xiàn)為強(qiáng)碳源,2004~2013年表現(xiàn)為碳匯;過(guò)熟林在整個(gè)研究期間基本表現(xiàn)為碳源.近40a黑龍江省中齡林是碳匯,平均為0.62TgC/a;幼齡林、近熟林、成熟林和過(guò)熟林是碳源,分別為-2.15、-2.00、-5.99和-1.37TgC/a,它們對(duì)全省森林碳源的貢獻(xiàn)為19.7%、18.4%、55.1%和12.6%.除森林面積外,森林生長(zhǎng)是黑龍江省各個(gè)齡組碳儲(chǔ)量和生物量碳匯變化的一個(gè)重要原因.1994~2013年和1999~ 2013年幼齡林和中齡林的面積分別減少76.26× 104hm2和7.97×104hm2,而其碳儲(chǔ)量分別增加6.91TgC和22.44TgC,這主要取決于其碳密度的顯著增加(4.94MgC/hm2和3.18MgC/ hm2).1973~2013年幼齡林、中齡林和近熟林的碳密度增加明顯,分別增加2.20、3.21和3.43MgC/hm2;成熟林和過(guò)熟林則有所下降.值得注意的是,最近40a過(guò)熟林的平均碳密度分別是中齡林和幼齡林的1.4倍和2.5倍,表明如果中齡林和幼齡林繼續(xù)生長(zhǎng),黑龍江省森林將會(huì)有很大的碳匯潛力.

圖2 1973~2013年黑龍江省不同齡組森林的面積比例、碳儲(chǔ)量、碳密度和碳匯變化.1973~1976年和1977~1981年兩次森林清查時(shí)未將成熟林進(jìn)一步區(qū)分為近熟林、成熟林和過(guò)熟林,本研究采用1984~1988年近熟林、成熟林和過(guò)熟林的面積百分比計(jì)算這兩次森林清查的近熟林、成熟林和過(guò)熟林面積

3 討論

建立林分生物量與蓄積量間的換算關(guān)系是基于森林清查資料估算區(qū)域碳儲(chǔ)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié).以往研究多采用Fang等[12]利用758個(gè)生物量樣地?cái)M合的中國(guó)21種森林類型林分生物量與蓄積量間的轉(zhuǎn)換參數(shù),估算國(guó)家或地區(qū)尺度的森林碳儲(chǔ)量.森林碳儲(chǔ)量與森林的年齡組成密切相關(guān),Pan等[19]研究發(fā)現(xiàn),Fang等[12]在建立生物量與蓄積量?jī)烧唛g的關(guān)系時(shí),83%的實(shí)測(cè)生物量樣地屬于中幼齡林,致使中國(guó)森林碳儲(chǔ)量的估算結(jié)果偏高35%.為避免這個(gè)問(wèn)題,Zhang等[13]收集的3543個(gè)生物量樣地?cái)?shù)據(jù)盡可能涵蓋了全國(guó)各主要森林類型的每個(gè)年齡段,且多數(shù)森林類型的樣地在各齡組的分布情況與全國(guó)7次森林清查中各齡組的分配面積比例接近,利用這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)全國(guó)30種主要森林類型的生物量蓄積量轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行改進(jìn),極大地改善了中國(guó)森林碳儲(chǔ)量的估算精度.黑龍江省森林類型多,要獲得足夠多的生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有一定困難,導(dǎo)致一些森林類型的回歸模型樣本數(shù)較少,進(jìn)而降低回歸方程的使用效果.Smith等[18]指出,如果生物量樣地?cái)?shù)不足,使用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法估算的碳儲(chǔ)量誤差會(huì)達(dá)到10%.本研究采用Zhang等[13]改進(jìn)的生物量蓄積量轉(zhuǎn)換參數(shù),利用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法估算森林碳儲(chǔ)量,大多數(shù)森林類型的生物量和蓄積量均具有很好的線性關(guān)系(2>0.8).森林生物量是森林生長(zhǎng)的立地條件、氣候條件和齡級(jí)及其他因素的綜合反映[12].通過(guò)全國(guó)不同森林類型的生物量與蓄積量轉(zhuǎn)換參數(shù),估算黑龍江省森林碳儲(chǔ)量,可能會(huì)限制估算結(jié)果的準(zhǔn)確性.若我們?cè)诠浪愫邶埥∩痔純?chǔ)量時(shí),繼續(xù)效仿以往中國(guó)其他地區(qū)研究,采用Fang等[12]的參數(shù),或者簡(jiǎn)單地利用很少的生物量實(shí)測(cè)樣地建立生物量與蓄積量轉(zhuǎn)換參數(shù),結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大誤差.本研究采用的全國(guó)分省森林清查數(shù)據(jù),其森林面積和蓄積量的調(diào)查精度在90%以上[28].與以往研究相比,本研究在數(shù)據(jù)和方法上具有較高的精度.

過(guò)去幾十年森林每年大約從大氣中吸收2.4PgC[1],在全球碳循環(huán)中起著重要的作用,其碳儲(chǔ)量的變化是判定森林是大氣CO2“源”或者“匯”的重要依據(jù).很多研究表明,由于大規(guī)模的植樹(shù)造林和再造林,近些年來(lái)中國(guó)森林是一個(gè)碳匯[5,9-10,29].本研究結(jié)果表明,1973~2013年黑龍江森林碳儲(chǔ)量年均減少10.88TgC,與同時(shí)期中國(guó)森林碳儲(chǔ)量的總體趨勢(shì)相反[10].8次森林清查中,黑龍江省各期森林碳儲(chǔ)量占同期全國(guó)森林碳儲(chǔ)量的比例呈下降趨勢(shì),依次為28.2%、19.2%、16.7%、16.0%、14.9%、13.0%、12.6%和12.1%.黑龍江省森林碳密度與全國(guó)相比,高于Zhang等[10]研究的同期全國(guó)森林碳密度6.58、8.41、4.10、3.58、4.43、1.31、1.08、0.88MgC/hm2(表3);與同處東北地區(qū)的其他省相比,分別是吉林省和遼寧省同期森林碳密度的0.7~0.9倍和1.2~1.7倍.1973~2013年黑龍江省森林碳密度的增加幅度(2.6%),低于吉林省(20.6%)和遼寧省(40.5%).20世紀(jì)80年代以來(lái),黑龍江省森林碳儲(chǔ)量和碳密度的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),表明該省亂砍濫伐現(xiàn)象已得到明顯制止,林分質(zhì)量不斷提高,森林面積和蓄積進(jìn)入穩(wěn)定增長(zhǎng)階段.8次清查時(shí)期的森林面積和碳儲(chǔ)量在中齡林最高(圖2),幼齡林和近熟林較高,成熟林和過(guò)熟林偏低,但森林碳密度與林齡組呈正相關(guān),表現(xiàn)為林齡越大,對(duì)應(yīng)齡組的碳密度越高,過(guò)熟林的碳密度分別是幼齡林和中齡林的2.5倍和1.4倍.黑龍江省幼齡林和中齡林所占面積比重較大,隨著森林不斷發(fā)育成熟,林齡結(jié)構(gòu)的改善,該省森林植被的碳匯作用逐漸增強(qiáng),在全國(guó)森林碳儲(chǔ)量和提高全國(guó)森林碳匯功能方面的貢獻(xiàn)逐漸增加.

黑龍江省擁有全國(guó)面積最大的天然林,它們?cè)诠烫己透纳茀^(qū)域環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用.本研究結(jié)果顯示,1973~2013年8次森林清查期間,天然林碳儲(chǔ)量占全省森林總碳儲(chǔ)量的90%以上(表2),但近40a來(lái)天然林表現(xiàn)為碳源,年均向大氣排放12.45TgC,這主要?dú)w因于20世紀(jì)70年代森林的亂砍濫伐,天然林破壞嚴(yán)重[24].20世紀(jì)90年代以來(lái),該省林業(yè)開(kāi)始由采伐利用天然林為主轉(zhuǎn)為以營(yíng)林為基礎(chǔ),加強(qiáng)人工林建設(shè),天然林和人工林碳儲(chǔ)量均呈穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),它們作為碳匯的功能不斷加強(qiáng).最近兩次森林清查時(shí)期(2004~2013年),黑龍江省天然林生物量碳匯對(duì)同期全省森林碳匯的貢獻(xiàn)達(dá)72.5% (12.40TgC/a)和74.2%(6.83TgC/a),對(duì)同期全國(guó)森林碳匯的貢獻(xiàn)達(dá)7.4%和5.2%[10].1973~2013年人工林面積是天然林的0.1倍,但其生物量碳匯大小是天然林的0.2倍.與天然林相似,人工林碳匯大小也主要取決于面積和生物量碳密度的變化.自1984年,隨著植樹(shù)造林強(qiáng)度的加大,人工林面積得以持續(xù)增加,碳密度增加迅速,因而使得人工林碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)顯著.目前人工林以落葉松、楊樹(shù)為主,中幼齡林占主導(dǎo)地位[20],森林質(zhì)量較高,具有很大的碳吸收潛力.黑龍江省森林碳儲(chǔ)量主要集中在闊葉混、樺木和落葉松中,其碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化將極大地影響整個(gè)森林的碳匯功能,1973~2013年前兩者表現(xiàn)為生物量碳匯(1.89TgC/a和3.11TgC/a),落葉松表現(xiàn)為碳源(-5.46TgC/a),它們對(duì)該省森林固碳起主導(dǎo)作用.闊葉混和針闊混具有高的森林碳密度,是近年來(lái)黑龍江省森林碳儲(chǔ)量和碳匯增加的重要貢獻(xiàn)者.因此,今后應(yīng)改善樹(shù)種單一的結(jié)構(gòu),選取合適樹(shù)種構(gòu)建混交林,通過(guò)造林、再造林和森林管理活動(dòng),增強(qiáng)黑龍江省森林植被的碳匯功能.

在本研究中,基于森林清查資料的森林碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化估算進(jìn)一步得到改進(jìn)和完善,該結(jié)果可用于評(píng)估森林生態(tài)系統(tǒng)的碳源匯功能,驗(yàn)證模型模擬和大氣反演的預(yù)測(cè)精度,還可為省級(jí)層面上建立科學(xué)合理的森林生態(tài)補(bǔ)償制度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).但由于本研究中沒(méi)有考慮森林植被的林下層、枯落物和土壤碳庫(kù),因此沒(méi)有估計(jì)整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化,不能準(zhǔn)確反映黑龍江省全部森林植被的真實(shí)固碳能力,尚需進(jìn)一步研究.

表3 黑龍江省森林碳儲(chǔ)量和碳密度與其他地區(qū)的比較

4 結(jié)論

4.1 黑龍江省森林碳儲(chǔ)量從1973~1976年的1159.35TgC下降到1984~1988年的696.87TgC,而后增加到2009~2013年的833.99TgC.森林表現(xiàn)為碳源,平均為-10.88TgC/a,天然林對(duì)該碳源的貢獻(xiàn)為114.4%,人工林彌補(bǔ)了同期碳損失的14.4%.天然林碳儲(chǔ)量占同期全省總量的90.1%~98.2%,其碳密度相當(dāng)于同期人工林的1.3~2.1倍,人工林碳密度增長(zhǎng)顯著.

4.2 森林碳儲(chǔ)量主要集中于闊葉混、樺木和落葉松,其碳儲(chǔ)量之和占同期全省總量的43.2%~66.7%.闊葉混、樺木和楊樹(shù)的碳儲(chǔ)量呈增加趨勢(shì),生物量碳匯平均為1.89、3.11和0.99TgC/a;其他森林類型的碳儲(chǔ)量呈減少趨勢(shì),硬闊類、軟闊類和落葉松對(duì)全省森林碳源的貢獻(xiàn)為133.2%.大多數(shù)森林類型的碳密度呈上升趨勢(shì),以硬闊類、軟闊類和櫟類增長(zhǎng)最為顯著.

4.3 1973~2013年中齡林的碳儲(chǔ)量占同期全省總量的最大比重,達(dá)27.9%~46.6%.除中齡林外,其他齡組的碳儲(chǔ)量均呈下降趨勢(shì),以成熟林最為明顯,凈減少201.17TgC,其次是近熟林、過(guò)熟林和幼齡林.幼齡林、中齡林和近熟林的碳密度分別增加2.20、3.21和3.43MgC/hm2,成熟林和過(guò)熟林則有所下降.各齡組碳儲(chǔ)量的變化主要?dú)w因于森林面積和碳密度的變化.

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致謝：本研究森林資源清查數(shù)據(jù)由南京大學(xué)國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所居為民教授提供,在此表示感謝.

Biomass carbon stocks and dynamics of forests in Heilongjiang Province from 1973 to 2013.

ZHANG Chun-hua1,2*, WANG Li-yuan1, SONG Qian-wei1, CHEN Xiao-feng3, GAO Hui1, WANG Xi-qun4

(1.School of Resources and Environmental Engineering, Ludong University, Yantai 264025, China；2.International Institute for Earth System Science, Nanjing University, Nanjing 210023, China；3.Beijing Key Laboratory of Precision Forestry, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China；4.Planning and Design Institute of Forest Products Industry, State Forestry Administration of China, Beijing 100010, China)., 2018,38(12)：4678~4686

Based on the data from eight consecutive provincial forest inventories for the period of 1973~2013, and the updated biomass-volume relationship retrieved from field measurements, the dynamics of forest biomass carbon stocks were systematically analyzed using the newly refined continuous biomass expansion factor model in Heilongjiang Province over the past four decades. The results showed that the provincial total biomass carbon stocks decreased from 1159.35 to 833.99 TgC between 1973~1976 and 2009~2013. Natural forests completely contributed to such stock reduction of 387.51TgC, while planted forests increased by 62.15TgC. Forests functioned as a biomass carbon source of -10.88TgC/a, primarily caused by the decrease in the area for natural forests. Different types of forests exhibited substantial temporal variations of the biomass carbon stocks.,, and mixed coniferous and broadleaf forests were the major contributors to the total biomass carbon stocks. The biomass carbon density for most types of forests increased from 1973 to 2013. Currently, forests were dominantly young and middle-aged forest stands in Heilongjiang. Middle-aged forests had the largest proportion ranging from 27.9% to 46.6% of the total biomass carbon stocks during 1973~2013. The biomass carbon stocks decreased in all forest age groups but middle-aged forests, with the largest decrease of 201.17 TgC for mature forests. The biomass carbon density for young, middle-aged and premature forests significantly increased by 2.20, 3.21 and 3.43 MgC/hm2during the entire study period, respectively. However, the biomass carbon density for mature and overmature forests showed a downward trend. The dynamics of biomass carbon stocks for different age groups were mainly driven by the changes in forest area and biomass carbon density.

forest biomass carbon stocks；biomass carbon density；forest inventory data；the continuous biomass expansion factor method；Heilongjiang Province

X173

A

1000-6923(2018)12-4678-09

張春華(1984-),女,山東成武人,講師,博士,主要從事植被生態(tài)遙感、森林碳循環(huán)模擬研究.發(fā)表論文30余篇.

2018-05-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41601054);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2016DP05);魯東大學(xué)引進(jìn)人才基金項(xiàng)目(LY2015016)

* 責(zé)任作者, 博士, zchqs@126.com