張 峰,彭祚登

(1.北京市林業(yè)碳匯與國際合作事務中心,北京 100029；2.北京林業(yè)大學 省部共建森林培育與保護重點實驗室,北京 100083)

森林覆蓋了全球陸地總面積的30%[1],貯存了80%以上的陸地植被碳儲量[2],每年固定的碳約占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)總固碳量的60%[3],在調(diào)節(jié)全球碳平衡、緩解氣候變化方面扮演著重要角色,森林碳匯被國際社會公認為改善全球變暖最為有效的途徑之一[4]。森林碳儲量及其動態(tài)變化趨勢是評估森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構是否合理,生態(tài)功能是否健全的重要指標[5]。準確估算區(qū)域內(nèi)森林資源的碳儲量,分析碳匯功能變化情況,并對其碳匯功能的經(jīng)濟價值進行分析,是支撐區(qū)域范圍內(nèi)制定林業(yè)應對氣候變化與碳中和規(guī)劃,統(tǒng)籌區(qū)域碳匯效益市場化與生態(tài)補償機制改革的依據(jù)。

區(qū)域森林碳儲量的估算是目前生態(tài)學和氣候變化研究的熱點內(nèi)容,較為常用的方法包括了森林資源清查法、模型模擬法、遙感監(jiān)測法、碳通量監(jiān)測法、大氣反演法等。近30年來,國內(nèi)外不同學者在全球、國家、區(qū)域、樣地等不同尺度,針對不同森林類型進行了碳儲量、碳密度及碳匯功能的大量研究[4,6-13],其中,區(qū)域級的大尺度森林碳儲量研究多是以森林資源清查數(shù)據(jù)為基礎進行估算,并多采用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)的方法。森林碳匯的經(jīng)濟價值計量是指把森林固定的碳儲量予以貨幣化,決定森林碳匯經(jīng)濟價值的一個核心因素是單位森林碳匯的價格,目前較為常用的方法包括造林成本法、人工固定二氧化碳法、碳稅法、市場價格法、均值法等[14-16]。本文利用北京市第七次(2004—2008年)、第八次(2009—2013年)和第九次(2014—2018年)森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù),采用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)的方法,評估2004—2018年北京森林碳儲量的動態(tài)變化,運用碳稅法對其碳匯經(jīng)濟價值的變化進行估算分析,旨在為北京地區(qū)森林碳匯的綜合管理與決策提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北京市位于我國的華北平原北部,上靠遼東半島,下臨山東半島,毗鄰天津市和河北省。地理坐標為北緯39°28′～41°05′,東經(jīng)115°25′～117°30′,土地總面積為16 410.54km2。北京的地形西北高,東南低,西部為西山屬太行山脈,北部和東北部為軍都山屬燕山山脈。平均海拔43.5m,平原海拔高度在20～60m,山地一般海拔1 000～1 500m。該區(qū)屬典型的北溫帶半濕潤大陸性季風氣候,1月份平均氣溫約為4.7℃,7月份平均氣溫約為26.27℃,年平均降水量約為600mm,全年無霜期180～200d,年平均日照時數(shù)2 000～2 800h。土壤多屬褐土、棕壤、潮土。地帶性植被類型是暖溫帶落葉闊葉林并間有溫性針葉林的分布,有林地主要分布在西北部以及西南部山區(qū)。近年來北京市開展了大規(guī)模的平原區(qū)人工造林,截至2020年底,全市森林覆蓋率為44.4%,森林蓄積量為 2 520.67萬m3[17]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于北京市第七次(2004—2008年)、第八次(2009—2013年)和第九次(2014—2018年)森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù),復查年份分別為2006年、2011年和2016年。固定樣地規(guī)格為0.067hm2的正方形,按照2km×2km的網(wǎng)格進行設置,全市總計4 075塊。森林資源清查數(shù)據(jù)包括了植被類型、優(yōu)勢樹種、齡組、林木蓄積、面積、林木株數(shù)等信息。本研究結(jié)合森林資源清查結(jié)果,將樹種(組)劃分為柏木、落葉松、油松、樺木、櫟樹、楊樹,以及硬闊類、軟闊類,硬闊類包括榆樹和其他未單獨分組的硬闊類,軟闊類包括刺槐、柳樹和其他未單獨分組的軟闊類。

2.2 森林碳儲量估算

采用FANG等[18]的生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法計算林分的生物量。公式如下:

B=aV+b

(1)

式中:B為林分的生物量(Mg/hm2)；V為林分的蓄積量(m3/hm2)；a和b分別為生物量和蓄積量的轉(zhuǎn)換系數(shù)。林分生物量主要涵蓋林木的地上和地下生物量,林下層、枯落物、枯死木和土壤碳庫的生物量并未計算在內(nèi)。模型參數(shù)運用ZHANG等[19]擬合的中國主要森林類型的生物量與蓄積量轉(zhuǎn)換系數(shù)(表1)。

表1 北京市主要森林類型的林分生物量和蓄積量的轉(zhuǎn)換系數(shù)Tab.1 Conversion coefficient of stand biomass and stock of main forest types in Beijing

采用國家林業(yè)局發(fā)布的《造林項目碳匯計量監(jiān)測指南》[20]和陳曉鳳等[21]的研究成果中各樹種(組)的含碳率轉(zhuǎn)換系數(shù)計算森林碳儲量,公式如下:

C=rj×B

(2)

式中:C為森林碳儲量(MgC/hm2)；rj為不同樹種(組)的含碳率轉(zhuǎn)換系數(shù),各系數(shù)值如表2所示。

表2 北京市不同優(yōu)勢樹種的含碳率轉(zhuǎn)換系數(shù)Tab.2 Carbon content parameter of dominant tree species in Beijing %

2.3 森林碳匯經(jīng)濟價值計算

采用行業(yè)標準《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》(LY/T 1721—2008)[22]公布的算法和參數(shù),對北京市森林資源的碳匯經(jīng)濟價值進行評估,計算公式如下:

U碳匯=U碳+U氧

(3)

U碳=AC碳(1.63R碳B年+F土壤碳)

(4)

U氧=1.19C氧AB年

(5)

式中:U碳匯表示林分的碳匯經(jīng)濟價值；U碳表示林分的年固碳價值；U氧表示林分的年釋氧價值；A為林分的面積；C碳為單位固碳量的價格,本文采用瑞典的碳稅率150美元/t(人民幣1 200元/t)[22]；R碳為CO2的碳含量,即27.27%；B年為林分的凈初級生產(chǎn)力(表3)[23-33],F土壤碳為單位面積林分的土壤年固碳量,按照其與單位面積林分的立木固碳量間的比例2∶49進行估算[34]；C氧為單位氧氣量的價格,本文采用國家衛(wèi)健委公布的氧氣平均價格1 000元/t[22]。

表3 北京市主要森林類型的林分凈初級生產(chǎn)力表Tab.3 Net primary productivity of major forest types in Beijing gC/(m2·a)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同森林類型的碳儲量變化

北京市不同的森林類型的儲碳功能間存在著比較大的差異(表4)。在2004—2008年、2009—2013年和2014—2018年森林資源清查期內(nèi),闊葉類喬木林的碳儲量占喬木林總碳儲量的比例分別為73.00%,74.92%和80.83%,明顯大于針葉類喬木林。其中:硬闊類、軟闊類占比達到29.40%,37.30%和47.56%；櫟樹分別占21.66%,17.75%和17.61%；楊樹占比分別為17.72%,15.62%和11.44%。針葉類喬木林中,柏木的占比較高,分別達到13.36%,12.11%和8.51%；其次是油松,分別達到11.67%,11.26%和9.36%。在碳儲量上,所有森林類型均呈現(xiàn)出增長的趨勢,其中硬闊類、軟闊類增長最快,2009—2013年和2014—2018年分別較上期增長了1.42TgC和3.81TgC,其次是櫟樹,2009—2013年和2014—2018年分別較上期增長了0.13TgC和1.04TgC。在碳密度方面,落葉松、樺木有小幅下降,柏木、油松、櫟樹、楊樹和硬闊類、軟闊類則均呈現(xiàn)增長的趨勢,其中楊樹增長最快,2009—2013年和2014—2018年分別較上期增長了7.76MgC/hm2和6.31MgC/hm2。年均碳匯量方面,除柏木外,其他各森林類型均呈現(xiàn)增長趨勢,其中硬闊類、軟闊類增長最快,2009—2013年和2014—2018年分別達到0.29TgC/a和0.76TgC/a。

表4 2004—2018年北京市不同森林類型的碳儲量及其碳匯能力統(tǒng)計表Tab.4 Biomass carbon stocks and carbon sink for different forest types during the period of 2004-2018 in Beijing

3.2 不同齡組森林的碳儲量變化

2004—2018年北京市林分各齡組面積、碳儲量、年碳匯量和碳密度的變化情況如圖1所示。在2004—2008年、2009—2013年和2014—2018年森林資源清查期內(nèi),幼齡林占林分總面積的比例都最高,分別為67.70%,62.17%和65.78%；其次是中齡林,分別為17.51%,19.98%和17.20%,可以看出,北京的森林絕大部分都還處于中幼齡林階段。在碳儲量方面,在3個清查期內(nèi),幼齡林占林分總碳儲量的比例均最高,分別為52.04%,47.64%和53.42%；其次是中齡林,分別為23.05%,24.78%和21.00%。同時各齡組碳儲量在2009—2013年和2014—2018年均較上期有所增長,幼齡林的增長最快,分別達到了0.8Tg和3.73Tg。在3次森林資源清查期內(nèi),幼齡林、中齡林和近熟林的碳密度均呈現(xiàn)增長趨勢,特別是2014—2018年較2009—2013年,這3個齡組的碳密度增長量分別達到了3.26,2.97和2.42Mg/hm2。年均碳匯量方面,幼齡林增長最快,2014—2018年較2009—2013年,增長量達到0.59TgC/a。2014—2018年的成熟林碳密度分別為中齡林和幼齡林的1.23倍和1.84倍,表明北京市森林資源未來仍有較大的碳匯潛力。

圖1 2004—2018年北京市不同齡組喬木林面積 碳儲量 年碳匯量和碳密度的變化Fig.1 Changes of area,carbon stocks,carbon sink and carbon density in different age groups of arbor forest in Beijing from 2004 to 2018

3.3 森林碳匯經(jīng)濟價值估算

北京市森林碳匯經(jīng)濟價值在2004—2008年、2009—2013年和2014—2018年3次森林資源清查期間分別為50.75,57.25和76.52億元(表5),呈增長趨勢。森林固碳價值和釋氧價值變化趨勢與碳匯經(jīng)濟價值變化趨勢相同。單位森林面積的碳匯經(jīng)濟價值在3個森林資源清查期間分別為1.43,1.33和1.23萬元/hm2,呈下降趨勢,這與北京市近年來開展兩輪百萬畝平原造林等大規(guī)模新造林工程,幼齡林比例增高有關。

表5 2004—2018年北京市不同森林類型的固碳 釋氧經(jīng)濟價值Tab.5 Carbon sink and oxygen release economic value of different forest types during the period of 2004—2018 in Beijing

3次森林資源清查期間,北京市除楊樹外,其他各森林類型的碳匯經(jīng)濟價值都有不同幅度的增長。硬闊類、軟闊類的固碳價值、釋氧價值和碳匯經(jīng)濟價值均最大,分別占全市所有森林類型總固碳價值、釋氧價值和碳匯經(jīng)濟價值的31.37%,27.56%和28.99%。櫟樹、楊樹、柏木的碳匯經(jīng)濟價值介于9.60～18.69億元,其余森林類型低于9.60億元。單位森林面積的碳匯經(jīng)濟價值方面,除楊樹外,其余各森林類型均呈現(xiàn)增長的趨勢。2014—2018年除硬闊類、軟闊類,其他各森林類型的單位面積碳匯經(jīng)濟價值均高于同一時期的全市平均水平,其中以楊樹、櫟樹最高,分別達到1.82萬元/hm2和1.80萬元/hm2。

4 討論

本研究估算出北京市2009—2013年森林碳密度為21.97MgC/hm2,低于同一時期李奇等[35]估算的全國森林碳密度37.28MgC/hm2,分析其原因為:一是北京市的森林齡組結(jié)構還不甚合理,80%以上的喬木林為中、幼齡林,而這部分森林的碳儲量占到全市總碳儲量的70%以上；二是由于造林歷史等原因,北京市森林資源的整體質(zhì)量不高,單位面積蓄積量約為22.3m3/hm2,僅相當于全國森林單位面積蓄積量79.8m3/hm2[36]的28%；三是本文在計算喬木林碳儲量時并未將經(jīng)濟林納入計算,也沒有考慮林下層、枯落物和土壤碳庫。但是通過估算,北京市2014—2018年的森林碳儲量為15.39Tg,碳密度為24.75t/hm2,較2009—2013年有明顯增長,說明北京市的森林資源正在向成熟的方向發(fā)育,林齡結(jié)構在未來也將會趨于合理,森林資源的碳匯功能仍有增長的潛力。3次森林資源清查期間,北京市硬闊類、軟闊類和櫟樹兩種森林類型的碳匯經(jīng)濟價值在全市的占比增長最為明顯,從2004—2008年的40.69%,增長到了2014—2018年的53.76%,表明硬闊類、軟闊類和櫟樹這2種森林類型在北京市森林的固碳增匯過程中起到了主導作用,應在未來的營造林過程中加強相應樹種的應用和林分管護,進一步提升森林碳匯功能。

5 結(jié)論

1)北京市森林碳儲量在2004—2008年為7.09TgC,2009—2013年為9.43TgC,2014—2018年為15.39TgC,呈增長趨勢。硬闊類、軟闊類、櫟樹、楊樹在北京市森林碳儲量中占比較高,三者之和分別占到同期森林總碳儲量的68.78%,70.67%和76.61%,多數(shù)森林類型的碳密度和年均碳匯量都呈現(xiàn)出增長的趨勢,其中楊樹的碳密度增長最快,硬闊類、軟闊類的年均碳匯量增長最快。

2)北京市不同清查時期各齡組森林碳儲量由大到小依次為幼齡林>中齡林>成熟林>近熟林>過熟林,主要是由于北京地區(qū)的幼齡林和中齡林的面積占比較大。碳密度則與林齡組呈正相關,表現(xiàn)為林齡越大,對應齡組的碳密度越高。由此可以推斷,未來隨著北京市森林資源的發(fā)育成熟,森林碳儲量和碳匯功能都將逐漸增加。

3)北京市森林碳匯經(jīng)濟價值2004—2008年為50.75億元,2009—2013年為57.25億元,2014—2018年為76.52億元,增長趨勢明顯。單位森林面積的碳匯價值分別為1.43,1.33和1.23萬元/hm2,呈下降趨勢,這與北京市近年來開展大規(guī)模新造林工程,幼齡林比例增高有關,但同時也反映出北京市森林的總體碳密度較低的問題。因此,北京市還應進一步提高森林經(jīng)營管理水平,加強中幼齡林的撫育管理,逐步調(diào)整區(qū)域內(nèi)的樹種結(jié)構,提升森林生態(tài)系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性,以持續(xù)增強北京市森林碳匯的功能和價值。