森林生态系统作为陆地生态系统最大的碳库, 在全球碳平衡中发挥着重要的作用。据估计, 全球有46.3%的陆地有机碳储存在森林生态系统中, 其中森林植被有机碳储量占整个陆地植被碳储量的77%, 土壤碳储量约占陆地土壤总碳库的73% (Post et al., 1982)。在国家和地区尺度上, 国内外学者开展了大量的有关森林生态系统固碳特征及机制的研究(Botkin et al., 1993; Simpson et al., 1993; Dixon et al., 1994; Fang et al., 2001; 王效科等, 2001; Kurbanov & Post, 2002; 徐新良等, 2007; Hu & Wang, 2008; Yolasigmaz & Keleş, 2009)。例如Botkin等 (1993)和Simpson等(1993)、Fang等(2001)和王效科等(2001)、Yolasigmaz和Keleş (2009)分别对北美、中国、土耳其等地区的森林碳储量等固碳特征进行了研究。但这些结果大多是针对森林乔木层的研究, 没有充分考虑林下灌草层、凋落物层及土壤层, 制约着对森林生态系统固碳特征、碳汇功能的全面理解, 也不利于森林生态系统的固碳增汇经营管理。近年来, 我国学者分别在四川(黄从德等, 2008)、贵州(李默然和丁贵杰, 2013)、海南(Ren et al., 2014)、吉林(王新闯等, 2011)、广东(张修玉等, 2011)、湖北(王鹏程等, 2009)以及深圳(谭一凡等, 2013)等地开展了深入全面的包括林下植被、凋落物、土壤在内的森林生态系统固碳特征研究, 进一步深化了对森林生态系统碳汇功能的认识。但有关陕西省森林生态系统碳储量、碳密度等固碳特征及功能的研究尚未见报道, 以前的研究仅停留在关注森林乔木层碳储量(马琪等, 2012; 曹扬等, 2014)。

陕西省是我国水土流失较为严重的区域, 在通过天然林资源保护工程、退耕还林工程、重点防护林工程、水土保持工程和天然草场恢复与建设工程等一批重点生态建设工程实施后, 陕西省植被覆盖得到了很大的改善。为此, 我们根据实地调查并结合陕西省2009年森林资源二类清查资料, 对陕西省森林生态系统碳储量、碳密度及其空间分布特征进行研究, 试图了解大规模植被恢复后陕西省森林生态系统固碳现状及潜力, 为未来固碳增汇经营管理和规划提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

陕西省位于中国西北部(105.50°-111.25° E, 31.70°-39.60° N), 南北长约880 km, 东西宽约500 km, 面积为20.58 × 10⁴ km²。地跨北温带和亚热带, 整体属大陆季风性气候, 年降水量576.9 mm, 年平均气温13.0 ℃, 无霜期218天左右。由于南北狭长, 所跨纬度多, 境内南北间气候差异明显。长城沿线以北为温带干旱半干旱气候, 陕北其余地区和关中平原为暖温带半湿润气候, 陕南盆地为北亚热带湿润气候, 山地大部为暖温带湿润气候。类型多样的气候资源蕴育出丰富的植被群落, 由北向南依次为温带草原、暖温带森林草原落叶阔叶林、暖温带落叶阔叶林、北亚热带含有常绿阔叶树种的落叶阔叶林植被。据全国第八次森林资源连续清查成果数据显示, 陕西省森林覆盖率达41.4%, 主要分布在秦岭、巴山、关山、黄龙山和桥山林区。这5大林区有林地面积占全省的79%, 林分蓄积量占全省的94%, 且以天然次生林为主(马长欣等, 2010; 曹扬等, 2014)。

1.2 研究方法

1.2.1 资料来源及样地设置

本次研究主要依据陕西省2009年公布的森林资源连续清查资料对陕西森林生态系统碳储量、碳密度等固碳特征进行分析。清查资料主要包括地理信息、林地信息、森林类型、面积、蓄积量等。由于森林资源连续清查资料中只有乔木层的相关数据, 而没有林下灌草、枯落物、土壤等各层数据信息, 本研究根据清查资料中公布的16种森林类型的面积及蓄积量比重, 在全省布设121块涵盖这些主要森林类型的样地, 调查样地内乔木、灌木、草本、枯落物、土壤各层碳储量, 并将在各森林类型对应样地中得到的乔木层与其他各层间碳储量的转换关系, 用于森林资源清查资料中除乔木层外其他各层碳储量的推算。

样地设置如下: 落叶松(Larix gmelinii)样地1块、油松(Pinus tabulaeformis)样地13块、华山松(P. armandii)样地4块、马尾松(P. massoniana)样地3块、其他松类样地1块、柏木(Cupressus funebris)样地2块、栎类(Quercus spp.)样地55块、桦木(Betula spp.)样地8块、硬阔类(Hardwood)样地5块、杨树(Populus spp.)样地13块、软阔类(Softwood)样地1块、阔叶混交林样地8块、针阔混交林样地7块。其中, 冷云杉(冷杉(Abies fabri)和云杉(Picea asperata))、铁杉(Tsuga chinensis)、杉木(Cunninghamia lanceolata) 3种森林类型由于没有布设相应的样地, 就以所有121块样地中针叶树种的转换关系推算这3种森林类型在森林资源清查资料中所对应的林下灌草层、凋落物层、土壤层碳储量。本文中的栎类主要包括辽东栎(Quercus wutaishanica)、麻栎(Q. acutissima)、栓皮栎(Q. variabilis)、刺叶栎(Q. spinosa)、槲栎(Q. aliena)等栎属树种; 桦木主要包括白桦(Betula platyphylla)、红桦(B. albosinensis)等; 杨树主要包括毛白杨(Populus tomentosa)、山杨(Populus davidiana)、青杨(Populus cathayana)等; 硬阔类则主要包括胡桃楸(Juglans mandshurica)、榆树(Ulmus pumila)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、椴树(Tilia tuan)等; 软阔类包括垂柳(Salix babylonica)、泡桐(Paulownia spp.)、漆树(Toxicodendron vernicifluum)等。

每块样地设置3个重复样方, 每个样方大小为20 m × 30 m, 样方内乔木每木检尺, 并记录地形、地貌等环境因子; 每个样方内设置3个2 m × 2 m的灌木小样方, 在每个灌木小样方内设置一个1 m × 1 m的草本小样方, 在样方内另外随机设置3个1 m × 1 m的枯落物小样方。采用异速生长方程测算乔木层生物量, 全收获法用于林下灌草(地上、地下)、枯落物层生物量的测定, 同时取一部分乔木、灌草、枯落物各器官样品用于含碳量的测定。在每个样方内取3个1 m深的土芯(分为0-10、10-20、20-30、30-50、50-100 cm 5层, 每层混合取样)用于各层土壤碳含量的测定, 同时挖取一个1 m深的土壤剖面用于相应土层容重的测定。采用重铬酸钾氧化法测定以上各样品的碳含量(Liu et al., 1996)。

1.2.2 样地乔木层碳储量测定

根据搜集的适合陕西省各主要树种的异速生长方程求算各样方内所有乔木的生物量, 乘以相应器官含碳量累加得到样方内乔木层碳储量。

1.2.3 样地林下灌草、枯落物层碳储量测定

采用全收获法收集各灌木、草本、枯落物小样方内所有样品称其总鲜质量, 并取部分样品带回实验室烘干测算含水率, 根据含水率将各小样方灌木、草本、枯落物鲜质量换算至其干质量并乘以对应器官含碳量求得样方林下灌草、枯落物层碳储量。

1.2.4 样地土壤层碳储量测定

根据分层采样测定的土壤有机碳含量、容重和对应的土壤层厚度分别计算0-10、10-20、20-30、30-50和50-100 cm土壤的有机碳储量(厚度不及100 cm的土壤剖面以实际深度计算), 各层碳储量累加即为土壤有机碳的储量, 以t·hm^-2表示, 公式如下:

式中, C_soci为样方i土壤有机碳储量(t·hm^-2); SOCc_i,j是样方i第j层(j = 1, 2, 3, 4, 5分别代表0-10 cm, 10-20 cm, 20-30 cm, 30-50 cm, 50-100 cm)土壤有机碳含量(g·kg^-1); BD_i,j是第j层土壤容重(g·cm^-3); Depth_i,j是第j层土壤的厚度(cm)。

1.2.5 基于森林资源连续清查资料的乔木层碳储量估算

采用森林乔木生物量-蓄积量转换关系法(徐嵩龄等, 1996; Fang et al., 1998)推算森林资源连续清查资料中各森林类型乔木层生物量, 公式如下:

B = aV + b

式中B、V分别为林分单位面积生物量和单位面积蓄积量, 单位分别为t·hm^-2和m³·hm^-2; a和b则为对应于森林类型乔木生物量-蓄积量转换方程的参数。各森林类型的转换参数从之前发表的文献中收集(详见表1)。

将森林资源连续清查资料中各森林类型各龄组的单位面积乔木层蓄积量代入转换方程求得单位面积生物量, 之后将各龄组单位面积生物量加权平均分别求得全省及各市两个尺度上各主要森林类型乔木层单位面积生物量, 与对应森林类型碳含量相乘即为各森林类型在全省及市两个尺度上单位面积乔木层碳储量。其中各森林类型乔木碳含量由我们样地调查中采集的相应优势树种乔木各器官的碳含量加权平均而来, 冷云杉、铁杉、杉木3个森林类型由于没有布设相应样地, 它们的乔木碳含量由相近针叶森林类型求平均值而来。本文各森林类型共包括5个林龄组: 幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林, 各龄组的划分及林龄范围因树种而异, 具体可参考森林资源规划设计调查主要技术规定(西北林业调查规划设计院, 2004)。

1.2.6 森林碳储量和碳密度分布图

采用Arcgis 10.0地理统计分析软件, 基于陕西省地区行政图和各市森林生态系统碳贮量和碳密度数据, 对陕西省森林生态系统碳贮量和碳密度进行地理空间分析, 得出陕西省森林生态系统碳贮量和碳密度地理空间分布图。

2 结果

2.1 陕西省森林生态系统碳密度和碳储量

陕西省森林生态系统平均碳密度为123.70 t·hm^-2; 其中土壤层碳密度最大(89.24 t·hm^-2), 其次为植被层(32.80 t·hm^-2)和枯落物层(1.66 t·hm^-2)(表2)。各森林类型中, 乔木层、灌木层、枯落物层碳密度以冷云杉、铁杉、桦木、阔叶混交林4种森林类型较大, 草本层碳密度以桦木、硬阔类、软阔类、阔叶混交林4种森林类型较大; 而乔木层碳密度最小的为马尾松林, 灌木层碳密度柏木林最小, 草本层、枯落物层碳密度最小的均为其他松类。各森林类型乔木层、灌木层、草本层、枯落物层碳密度分别介于13.59-69.12 t·hm^-2、0.30-2.20 t·hm^-2、0.05-们1.02 t·hm^-2、0.46-3.28 t·hm^-2。土壤层碳密度和森林生态系统碳密度均以阔叶混交林最大, 马尾松林最小, 其碳密度范围分别介于81.55-97.67 t·hm^-2、96.80-173.08 t·hm^-2 (表2)。各森林类型乔木层、灌木层、草本层、枯落物层碳密度波动较大, 变异系数均在50%左右, 土壤层和森林生态系统碳密度波动较小, 其中土壤层波动最小, 变异系数仅为5.19%。

陕西省森林生态系统总碳储量为790.75 Tg, 其中土壤层碳储量最高, 为570.49 Tg, 其他各层碳储量分别为: 乔木层200.59 Tg、灌木层6.00 Tg、草本层3.06 Tg、枯落物层10.60 Tg (表2)。以森林各个层次而言, 土壤层和乔木层两层碳储量之和占到陕西省森林生态系统总碳储量的97.51%, 是陕西森林生态系统的主要碳储存库。在各森林类型中, 栎类和硬阔类碳储量分别占到陕西省森林生态系统总碳储量的44.18%和20.66%, 是全省森林生态系统碳储量的主要贡献者(表2)。

2.2 陕西省人工林、天然林生态系统不同龄组碳密度、碳储量变化

陕西省人工林、天然林生态系统碳密度均表现为过熟林>成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林(人工林生态系统中成熟林碳密度低于近熟林), 且同一龄组内碳密度都为天然林高于人工林, 说明随着林木生长, 其碳储能力提高, 而天然林碳储能力优于人工林。但是随着进入生长后期, 天然林、人工林生态系统固碳能力呈现下降趋势, 碳密度增速减缓。其中人工林生态系统各龄组间碳密度增量为27.96、7.99、-6.67、9.25 t·hm^-2; 天然林生态系统各龄组间碳密度增量为29.58、20.13、8.11、6.62 t·hm^-2 (图1A)。陕西省各龄组碳储量中以中、幼龄林所占比重较大, 两者碳储量占到全省碳储量的49%, 其中天然林生态系统碳储量以中龄林最高(177.30 Tg), 人工林生态系统碳储量则以幼龄林最高(47.54 Tg), 各龄组中均表现为天然林生态系统碳储量高于人工林。天然林生态系统碳储量远远高于人工林, 占全省总碳储量的86% (图1B)。

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图1   陕西省人工林、天然林生态系统各龄组碳密度(A)、碳储量(B)。

Fig. 1   Carbon density (A) and carbon stores (B) in different age groups of planted and natural forest ecosystems in Shaanxi Province. YF, MAF, NAF, MF, OMF refer to young forest, middle-aged forest, near-mature forest, mature forest, and over-mature forest, respectively.

在人工林和天然林中, 各森林类型生态系统碳密度都随着龄级的增加而升高。但是, 天然铁杉林碳密度则呈现降低趋势, 中龄林、近熟林、过熟林碳密度依次为170.79、163.97、148.98 t·hm^-2; 天然林中的杉木林碳密度则呈现先升后降的趋势, 5个龄组的碳密度依次为93.89、106.94、123.79、113.10、110.67 t·hm^-2。同一森林类型中, 同一龄组天然林的碳密度大多高于人工林(表3, 表4)。在天然林中, 各森林类型各龄组林分碳储量均以栎类为最高。对于人工林而言, 硬阔类生态系统碳储量最高, 其幼龄林碳密度达到77.42 t·hm^-2, 而其他森林类型缺乏相应龄组分布, 无法判断其碳储量分布格局(表3, 表4)。

2.3 陕西省森林生态系统碳密度和碳储量地理空间分布格局

陕西省森林生态系统碳密度以关中宝鸡(131.06 t·hm^-2)、西安(133.40 t·hm^-2)和陕南汉中(123.52 t·hm^-2)三地较高, 商洛地区最低(103.36 t·hm^-2); 其他各地碳密度范围介于112.04-119.50 t·hm^-2之间(图2)。陕西省森林生态系统碳储量分布格局则与碳密度稍有不同, 主要分布在天然林密集的关山、秦岭、巴山、黄龙山、桥山这5大林区; 其中, 以位于秦岭、巴山之间的汉中、安康和位于黄龙山、桥山的延安三地较高, 碳储量分别为180.18、141.08、159.62 Tg; 其他各地区的碳储量则较低, 处于13.17-102.18 Tg之间, 以铜川市最低(图2)。

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图2   陕西省森林生态系统碳密度(左)、碳储量(右)空间分布格局。

Fig. 2   Spatial distribution patterns of forest ecosystem carbon density (left) and carbon stores (right) in Shaanxi Province.

3 讨论

3.1 陕西省森林生态系统碳储量、碳密度特征

森林生态系统作为陆地碳循环的重要组成部分, 其固碳特征一直备受关注。本研究根据森林资源清查资料并结合实地调查对陕西省森林生态系统碳密度、碳储量固碳特征进行了分析, 结果表明陕西省森林生态系统总碳储量为790.75 Tg, 其中土壤层、植被层、枯落物层分别为570.49、209.66、10.60 Tg, 所占总储量比重依次为72.15%、26.51%、1.34%。这一比例关系和周玉荣等(2000)在我国主要森林生态系统碳储量碳平衡研究中所得的结果相似。其中土壤碳库约是植被碳库的3倍, 超过2/3的森林碳储量都储存在土壤中, 说明土壤碳库作为森林生态系统内最大的碳库, 在维持稳定森林碳储量方面具有重要作用, 是森林生态系统碳平衡和碳循环的关键组成部分, 在未来应对全球气候变化中占有重要的地位。但是陕西省森林生态系统以及土壤、植被、枯落物各层平均碳密度却均小于周玉荣等(2000)得到的对应碳密度, 本研究中所得到的陕西省森林生态系统土壤层、植被层、枯落物层碳密度分别为89.24、32.80、1.66 t·hm^-2; 周玉荣等(2000)研究所得全国森林生态系统对应各层平均碳密度为193.55、57.07、8.21 t·hm^-2。其中陕西省森林生态系统植被层碳密度和王效科等(2001)关于中国森林生态系统植物碳储量研究中所得结果相近(中国植物碳密度介于36-42 t·hm^-2); 土壤层碳密度则和李克让(2002)有关中国森林有机碳密度研究中所得的结果相近(土壤碳密度为81.39 t·hm^-2)。

以上这些研究结果一方面说明在有关全国大尺度的碳储量、碳密度研究中, 不同的研究者所使用的方法不同会导致其结果相差很大。例如: 周玉荣等(2000)是通过收集以往相关资料文献经过整合分析得出的结果, 有关土壤的数据时间跨度长达20年, 难免会影响其结果的估算精度, 且存在样地尺度推演的高估效应; 而王效科等(2001)、李克让(2002)则分别基于全国第三次森林资源清查资料, 采用森林面积加权法估算中国森林植被和土壤有机碳密度, 所用数据方法较为可靠, 但李克让的研究中也因未考虑土壤类型而存在局限。因而, 很有必要开展省级小区域范围内的固碳特征研究以提高全国大尺度固碳特征研究的精度。另外一方面也说明了陕西省森林生态系统碳密度过低, 森林质量较差。与同时期的四川(黄从德等, 2008)、海南(Ren et al., 2014)、吉林(王新闯等, 2011)等省份相比较, 陕西省森林生态系统碳密度为123.70 t·hm^-2, 低于前三者的161.16、163.7和225.30 t·hm^-2, 这主要是由于陕西省森林碳密度较小的中、幼龄林所占比重过大所致。陕西省森林中、幼龄林面积占全省森林总面积的57.72%, 人工林中、幼龄林更是占到了86.51%。导致这一结果的出现是因为20世纪陕西省为治理严重的水土流失等环境问题实施了一大批的重点生态恢复工程, 营造了大批人工林。虽然中、幼龄林比重较大, 但是通过合理经营, 随着林木生长, 其碳密度也会增大, 能够进一步增加陕西省森林生态系统碳储量, 提升其碳汇功能。

自20世纪80年代起, 经过一批重点生态建设工程实施, 陕西省植被覆盖得到了很大的提升, 森林覆盖率由第三次森林资源清查时(1984-1988年)的21.09%提升至第八次(2009-2013年)的41.4%, 森林植被碳储量也由127.92 Tg (1984-1988年) (王效科等, 2001)增加至现在的200.59 Tg (2004-2008年), 30年间共增加了72.67 Tg, 平均每年增加量为2.42 Tg C, 表现出明显的碳汇效应, 与Fang等(2001)关于中国森林植被碳储量变化结果一致。

3.2 陕西省森林生态系统碳储量、碳密度空间格局

陕西省森林生态系统碳储量和碳密度空间分布格局并不一致, 碳密度以中西部的宝鸡、西安、汉中三地较高, 而碳储量则以位于秦巴山地的汉中、安康和位于黄龙山、桥山的延安三地较大。两者之间的差异性则是由于各地区森林覆盖面积不同所致, 例如尽管延安、安康两地碳密度(112.04、112.40 t·hm^-2)相比全省平均碳密度(123.70 t·hm^-2)处于较低水平, 但两地森林覆盖面积较大, 占到了全省森林面积的19.75%、17.40% (分别为1.4247和1.2551万km²), 所以才导致其碳储量在全省所占比重较大。这也从一个方面说明了要提高森林生态系统碳储量不仅要通过对现有林地合理经营抚育提高森林质量, 还要通过造林再造林以增加森林覆盖面积。陕西省除宝鸡、西安、汉中外, 各地区森林生态系统碳密度均低于全省平均水平, 所以未来通过合理的抚育管理措施提高林地生产力, 能够进一步提升陕西省森林碳汇潜力。

3.3 森林生态系统碳储量估算的不确定性

自全球碳循环中碳失汇问题提出后, 有关研究表明北半球中高纬度陆地生态系统(主要是森林生态系统)是巨大碳汇(Reiners, 1973; Tans et al., 1990; Kauppi et al., 1992; Sedjo, 1992; Dixon et al., 1994; Keeling et al., 1996)。关于森林生态系统碳汇功能的研究也受到了越来越多的重视, 国内外开展了大量有关其固碳现状、速率、潜力的研究, 以期明晰森林生态系统在全球碳循环中的作用。森林生态系统碳库是由乔木层、林下灌草层、枯落物层、土壤层这4部分碳库组成。前期的研究中一般只关注森林乔木层或土壤单一层碳库, 并没有将植被、枯落物、土壤作为一个整体进行研究分析, 不能很好地了解森林生态系统碳汇功能特征, 且在大尺度范围内有关森林固碳的研究, 不同的研究者由于使用的方法不同给碳储量的估算带来了很大的不确定性(周玉荣等, 2000; Fang et al., 2001; 王效科等, 2001; 李克让, 2002; 徐新良等, 2007)。例如Fang等(2001)、徐新良等(2007)根据国家第一次至第五次森林资源清查资料分别采用不考虑林龄、考虑林龄的生物量-蓄积量函数关系估算全国森林植被碳储量, 前者森林植被碳储量比后者的估算偏高12%-20%, 而森林碳密度比后者的估算偏高12%-25%。因此很有必要采用统一的方法, 在中小尺度上开展森林固碳特征研究, 以减少大尺度研究中带来的误差, 提高森林固碳特征研究结果的精准度。

本研究所采用的方法是基于森林资源清查资料并结合样地实地调查, 首先运用徐嵩龄等(1996)、Fang等(1998, 2001)、刘国华等(2000)研究所得的生物量转换因子连续函数法测算乔木层碳储量, 然后根据在样地调查中所得的各层间碳库转换关系推算森林资源清查资料中除乔木层外其他各层的碳储量, 从而保证了森林生态系统各碳库储量估算时间的一致性。而同期四川(黄从德等, 2008)、吉林(王新闯等, 2011)、三峡(王鹏程等, 2009)等其他省份和地区开展的研究中, 虽然采用的方法大致一样, 但在估算林下灌草、枯落物、土壤各层碳储量时, 只是根据植被类型法将样地调查中所得的各森林类型灌草层、枯落物层、土壤层碳储量进行了平均, 以代表各森林类型相应碳库储量, 尽管在统计学上是合理的, 但由于森林资源清查数据与样地调查数据的时间不一致, 造成所计算的乔木层碳储量和其他层碳储量并没有处于同一个时间点上, 并不能准确真实地反映森林的固碳现状, 且计算中大多采用0.5作为乔木层生物量与碳储量的转换系数, 而没有采用各树种实测含碳量, 增大了估算结果的误差。

森林固碳现状的准确评估是后续固碳速率、潜力及机制分析的重要基础, 是理解森林生态系统在全球碳平衡和碳循环中所处地位的重要手段。基于各种估算方法所带来的不确定性, 采用统一合理稳健的方法在中小尺度上开展森林固碳研究是未来国家及区域尺度进行全球碳循环研究的稳固保障。未来应加强对各种估算方法的评价筛选, 以减少估算结果的不确定性。

致谢 感谢陕西省林业厅和各市林业部门在野外采样调查工作中的支持和配合。

作者声明没有竞争性利益冲突.

参考文献

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