复合链式结构下中国林业碳库系统测度模型构建

张旭芳++杨红强++袁恬

关键词林业碳库；森林；木质林产品；复合链式结构；碳库模型

中图分类号[S7-9]；X24文献标识码A文章编号1002-2104（2016）04-0080-10doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2016.04.011

气候变化是公认的全球环境首要难题[1-7]，政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change， IPCC）第五次评估报告显示：1880-2012年人为二氧化碳累积排放量为5 550亿t，其中化石燃料和水泥生产造成的二氧化碳排放量3 750亿t[8-9]。中国是世界二氧化碳第一排放大国[10]，党的“十八大”高度重视我国林业中长期发展在气候变化中的定位，明确了从传统林业向生态林业的优先转型，指出“在生态建设中林业要处于首要地位，在应对气候变化中要将林业作为战略选择”[11]。据此，完善中国林业碳库体系、建立林业碳库系统框架并积极构建适合中国发展背景的林业碳库系统测度模型，对减少二氧化碳排放和应对气候变化具有重要意义。

当前气候变化问题日益严峻，缓解气候变化的森林碳汇、木质林产品碳储等林业碳库关联问题受到国内外学术界的极大关注。研究基于国际间林业碳库科研进展及林业碳库模型分析，结合现有林业碳库存在的问题，根据森林碳汇功能与林产品碳储功能的关联理论与模型，拟改进和构建包括森林子碳库及木质林产品子碳库在内的复合链式结构下的中国林业碳库系统测度模型，以期为评估和预测中国林业碳库水平提供科学依据。

1林业碳库的研究进展1.1林业碳库意义及分类

森林碳库是天然的二氧化碳“储存器”，森林是地球上最大的陆地生态系统，森林碳库占全球植被碳库的86%以上，其维持的土壤碳库占全球土壤碳库的73%，森林生态系统具有较高的生产力，每年固定的碳约占整个陆地生态系统的三分之二[12]。木质林产品（Harvested Wood Products， HWP）碳库的碳储能力同样值得重视。从1996年3月《联合国气候变化框架公约》第4次会议第一次将HWP的碳储量评估列为重要议题开始[10， 13-14]，正式肯定了HWP碳储功能的研究价值。HWP对缓解温室效应的作用体现在两个方面：首先，HWP是温室效应的“缓冲器”，能够长时间的储存碳量，从而达到缓冲二氧化碳排放的效果；其次，HWP对化石燃料有显著的替代作用，相比于美欧等技术发达国家，我国木材耗能与钢材、塑料等材料的耗能比值更大，其中水泥、钢材、铝材和塑料的耗能分别是木材的7、40、400和45倍[15]，因此用木材替代钢材、水泥等能耗密集型产品，能够在很大程度上减少这些产品在生产过程中释放的二氧化碳。

整理和归纳国内外对林业碳库的关联研究，林业碳库的分类包括广义和狭义两种。狭义的林业碳库主要是指森林碳库，广义的林业碳库是包括森林碳库和HWP碳库两大类。在广义分类的基础上对森林碳库和HWP碳库进行具体的细分，又包括生物量碳库（即林木、地下植被、枯死木和枯落物）、土壤碳库、在用HWP碳库、废弃处理HWP碳库（包括直接燃烧、自然分解和回收利用）。有些研究指出HWP对化石能源的“替代效应”是一种间接的碳储存，可间接形成并非实际存在的生物质能源碳库[16-18]，但本研究旨在构建为中国林业碳库的计量与评估提供判据的理论模型，涵盖从森林到HWP链式发展过程中的碳储存和碳排放，因此暂不探讨HWP对化石能源替代作用及其对林业碳库产生的其他间接影响。

张旭芳等：复合链式结构下中国林业碳库系统测度模型构建中国人口·资源与环境2016年第4期1.2国际间林业碳库模型归纳

纵观国内外各类林业碳库的研究方法，目前主流的方法已发展到软件化阶段，主要是一些发达国家运用林业碳库计量模型来核算其国家或地区的碳库，归纳并整理如下（表1）。

2中国林业碳库测度模型构建2.1现有林业碳库存在的问题

就中国林业碳库研究的已有成果来看，学者更多关注的是对林业碳库子碳库中森林碳库的研究或是HWP碳库的探讨，鲜有从国家林业碳库的层面来评估中国林业碳库的整体水平及其变动趋势。少量针对中国林业碳库的研究中，也未涉及林业碳库系统的构建及林业碳库的链式结构分析。目前国内的关联研究方法主要包括评估森林碳库的生物量换算因子法和计量HWP碳库的储量变化法[25-26]。

中国森林碳库的核算方法主要是森林清查法，包括平均生物量法、平均换算因子法和换算因子连续函数法三图1中国林业碳库分类

Fig.1Classification of Chinas forest carbon pools

Applicability森林碳库1PROCOMAP1劳伦斯伯克利国家实验室1估算在一定时间内或超出一定时间得到的碳汇量，以及解释说明林业碳减缓项目的财务意义与成本与效率关系。1评估预测林业减缓项目潜力，如造林/再造林、避免毁林、改善森林管理及生物质能源项目等。CENTURY1美国农业部农业研究组织（USDAARS）1土壤碳的动态模型，用于长期模拟不同植物土壤系统内C、N、P、S的动态变化。1估算模拟森林、草原和农业或其他项目的碳总量。YASSO1Jari Liski et al.1土壤动态碳模型，用于估算土壤中的有机碳量、土壤有机碳和非自养土壤呼吸的碳变化。1地球系统建模、温室气体清单以及对生态系统和生物质能源的调查研究。ROTH1Rothmstead

农业研究站1土壤动态碳模型，估算地表土壤有机碳转换的模型，计算总的有机碳量和一年或100年时间段内的微生物总碳量。1估算草原、森林土地和农田生态系统的有机碳含量。CBMCFS1加拿大林业部，加拿大自然资源部1从生物量碳库、死亡有机质碳库及干扰影响3个方面进行模拟，估算经营森林每年碳储量变化及二氧化碳等温室气体排放，评估结果作为国家报告提交给UNFCCC。1模拟不同尺度森林生态系统在干扰下碳储量的年变化；估算同龄林经营活动和土地利用变化所引起的碳储量变化；比较不同经营措施下森林碳动态、模拟造林后生物量碳动态。BIOMEBGC1Steve et al.1生态系统过程模型，研究全球和地区之间在气候、干扰和生物地球化学间的交互作用。1用于评估陆地生态系统植被和土壤组成中的能量、水、碳和氮的流动和储存。ORCHIDEE1Krinner et al.1解决水-能量-碳的预算；按照一系列的植物功能类型展示生态系统，估算物候学。1广泛应用于法国、中国、比利时、德国和美国。JULES1Best et al.1允许不同地表过程之间进行交互影响，架构了一个框架，用于评估将生态系统单独的过程修正为一个整体时的影响。1如气候变化对水文的影响，并探讨潜在的反馈作用。FCARBON1Zhang et al.1包括森林面积、累计生物量、碳排放、土壤碳和碳预算5个子模型。1只适用于中国。HWP碳库1WOODCARB II1美国农业部（USDA）1基于IPCC指南提供的HWP碳储量核算方法。1适用于美国、澳大利亚、比利时、卢森堡、保加利亚、塞浦路斯等多家，模型不包含中国。林业碳库1FORCARB1美国农业部（USDA）1森林碳平衡模型，模型以五年为一个时间段来评估和预测森林和HWP的碳储量和碳变化，包括森林碳库和HWP碳库两个体系。1目前只适用于美国（FORCARB2）和加拿大（FORCARBON）。CO2FIX1瓦格宁根大学1模拟生态系统中森林、土壤和HWP库碳储量和碳流动的碳平衡动态模型。1应用广泛，部分结果还被IPCC 1995气候变化评估引用。注：由关联文献资料整理得出。

种。其中比较主流的是换算因子连续函数法，即先根据各森林类型各林龄组的面积和蓄积数据计算蓄积量密度，再采用连续生物量换算因子计算生物量密度。换算因子连续函数法不包括所有的森林碳储量的变化来源，不包含地下生物量、土壤及枯落物的碳储量变化、森林采伐后木材的使用去向等，核算出来的森林碳库值并不全面[27]。HWP碳库的核算方法多采用IPCC制定的《国家温室气体排放清单计量方法学指南》中推荐的核算方法：储量变化法、生产法和大气流动法[28]。但存在两点不足：方法上，IPCC指南提供的核算方法以“1900年碳储量为零”为假设前提，1901-1960年的生产量及贸易量需要用1961年的数据往前倒推，即HWP的生产量和贸易量数据必须源于1961年，而实际操作中数据很难满足从1960年开始统计；数据上，FAOSTAT数据库没有竹产品的生产和贸易数据，而且相关数据与中国官方统计数据存在较大误差，不能客观地反应中国HWP碳库的实际状况。

2.2FPCM模型构建

2.2.1FPCM模型构建背景

根据上述对林业碳库分类、核算模型以及中国林业碳库发展现状的分析可以看出，目前没有专门针对中国林业碳库的核算模型。首先，换算因子连续函数法只能核算森林碳库中的生物量碳库，不包括土壤碳库，核算出来的森林碳库值不全面。其次，IPCC推荐的HWP碳库核算方法不能保证数据的精确性且对数据要求太高。另外，目前林业碳库仅有的两个核算模型中，FORCARB模型只适用于美国（FORCARB 2）和加拿大安大略省（FORCARBON）林业碳库的评估，而CO2FIX模型由于对参数要求极高且针对性不强。据此，构建符合中国林业碳库计量森林-林产品产业链的复合一体化碳库模型（ForestProducts Carbon Model/FPCM）尤为必要。

2.2.2FPCM模型机理分析

研究对中国林业碳库的运行机理进行分析（图2），纵向上，林业碳库可分为社会环境、森林及HWP三个体系，其中社会环境体系包括社会生态子系统和社会响应子系统，社会生态子系统指社会已有的林业政策以及社会对HWP的供给与需求等，而社会响应子系统主要指社会由于林业碳库的影响所作出的回应，包括在气候谈判中的观点与决策、责任承担以及所采取的减排策略等。森林体系包括森林碳库子系统和自然响应子系统，森林碳库子系统主要指森林中林木、林下植被、土壤以及枯落物和枯死木等部分，自然响应子系统是指由于自然因素影响森林碳汇的因素，包括森林火灾、自然灾害、疾病及鼠灾等。HWP体系包括HWP碳库子系统和人为响应子系统两部分，HWP碳库子系统是指原木、纸制品、竹制品、锯材、人造板等HWP所包含的碳储量，人为响应子系统是描述人的行为对HWP碳储量产生影响的因素，具体包括生产加工HWP、废弃处理HWP（即回收、填埋或者直接燃烧）。横向上，森林碳库子系统和HWP碳库子系统组成了林业碳库体系的碳储存，自然响应子系统和人为响应子系统构成了林业碳库体系的碳干扰。

在这些子系统的相互关系中，碳储存和碳干扰对林业碳库体系产生直接的影响。社会生态子系统会对森林碳库子系统施加压力，并对HWP碳库子系统产生影响。森林碳库子系统为HWP碳库子系统提供资源，HWP碳库子系统对社会环境体系中社会生态子系统提供资源。碳干扰体系对林业碳库系统有重要的影响，其中自然响应子系统对森林碳库子系统产生直接干扰，对HWP碳库子系统产生间接干扰，同时也会对社会环境体系产生间接的影响。人为响应子系统对HWP碳库子系统的碳储存产生直接干扰作用，对社会环境体系同样会产生间接的影响。

通过上述对林业碳库的组成框架及运行机理进行分析（图2），从碳库的收和支两个角度，构建森林-林产品链式关系的中国林业国家复合碳库测度模型，收主要指森林碳汇和HWP碳储两个部分，具体包括森林中林木、地下植被、土壤的储碳和HWP的储碳；支主要指森林枯死物和枯落物的氧化分解、森林火灾造成的碳流失、薪材焚烧的碳排放、HWP从初级产品生产加工成中间产品以及终极产品产生的碳排放和HWP废弃后的焚烧、腐蚀分解。通过分析森林-林产品复合碳库产业链的发展，即森林生态环境中的碳收支以及木材采伐后从原木状态开始产生的一系列碳流动（原木的碳储存和后续的碳排放），具体包括薪材燃烧产生的碳排放、生产加工成中间或终极产品过程中发生的

3中国林业碳库模型的数理系统3.1FPCM模型的数理结构

FPCM模型的核心思想是：中国林业碳库CT为森林碳库CF与HWP碳库CP的汇总。该模型的逻辑架构是基于森林-HWP复合碳库体系、从林业碳库收和支两个角度来评估林业碳库水平，即两碳库的值为各自的碳储量增加值（C+F和C+P）与减少值（C-F和C-P）的差。其中，森林碳库的收指的是森林中林木CA、林下CB以及土壤CS以及竹林中竹木CA′、竹下CB′以及竹林地CS′的碳储量之和，而森林碳库的支则为采伐剩余物CRt、森林火灾CFDi以及病虫鼠害CDPR造成的碳排放。而HWP碳库的收则为非纸类HWPCH、纸类HWPCSP、竹类产品CBP以及用于回收的HWP碳储量CDR之和，其碳库支出则为木质燃料使用CWF、生产加工CM以及最终废弃处理时用于燃烧CDF和分解CDD产生的碳排放之和。

3.2FPCM模型的系统内涵

3.2.1FPCM模型——森林子碳库FCM

研究对现有的蓄积量法、单指数衰减模型等科学方法进行再推导、综合与改进[15， 29-37]，在遵循林业碳库自然发展规律的基础上，推导中国林业碳库FPCM模型的核算公式。

森林（包括竹林）碳汇可用林木、林下植物以及土壤碳储量之和来表示，即：

森林碳汇=林木生物量固碳量+林下植物固碳量+土壤固碳量

则非竹林的林木固碳量可用公式（1）表示为：

式中：CA表示非竹林中林木的固碳量，Sij表示第i类地区第j类森林类型的面积，Vij为第i类地区第j类森林类型单位面积蓄积量，δ为生物量扩大系数，ρ为容积系数，γ为含碳率。林下植被和土壤的固碳量可用公式（2）和（3）表示为：

上述探讨的是非竹林的固碳量核算，竹林的固碳量核算原理与非竹林相同，即为竹木、林下植物以及竹林的固碳量之和。竹木碳储量可根据竹林生物量计算，竹林土壤有机碳储量为竹林面积和单位面积土壤碳储量的乘积，林下及枯落物碳储量由其占整个竹林碳储量的比例求出。根据竹子密度、生物量、产量等差异以及中国林业统计部门对竹子统计时的分类，文章将竹子分为毛竹和其它竹两类分别进行核算。其中，竹木部分的固碳量可用公式（4）表示如下：

式中：BS1和BS2分别表示单位面积毛竹和其它竹的生物量，A1和A2分别表示毛竹和其它竹的面积，F1和F2分别表示毛竹和其它竹的碳转换系数。竹下植被的固碳量可用公式（5）表示为：

式中：CB和CS′分别表示竹下植被的碳储量和土壤碳储量，α1和α2分别表示毛竹和其它竹的林下及枯落物碳储量占其竹林总碳储量的比值，β1和β2分别表示毛竹和其它竹的面积占竹子总面积的比例。竹林土壤的固碳量可用公式（6）表示为：

式中：CSi为第i类竹林单位面积土壤碳储量，Ai表示第i类竹林的面积。

森林中树木被砍伐后，一部分被运出森林成为原木或者薪材，原木则进行再加工成为中间HWP或终极HWP，而薪材则被燃烧释放二氧化碳，而另一部分砍伐剩余物则会被留在森林，这部分剩余物将会和其他枯死木或者枯落物一起进行碳排放，在核算林业碳库时，这部分剩余物的碳排放应该被考虑，如公式（7）所示：

式中：CRt指砍伐剩余物在t年后的累计碳排放量，CR0是指最初树木和树枝中的含碳量之和，k为分解常数。

在林业碳库框架体系中，既包括自然状态下储存的碳储量，即林木、林下植物、土壤储存的碳量以及枯死木的分解产生的碳排放，又包括由于自然或人为因素造成的森林燃烧和病虫鼠害等导致的碳排放。2003年和2006年中国森林火灾受害面积分别为451 019.9 hm2和408 255 hm2，分别占当年全国森林总面积的0.26%和0.21%，因此，在核算中国林业碳库碳储量时，森林火灾造成的碳排放不能忽视，具体核算模型见公式（8）：

式中：CFDi、Ai、CFi及E分别为第i年由于森林火灾造成的碳排放量、火灾面积、森林碳汇量以及燃烧效率。森林中由于病虫鼠害造成的碳排放核算公式如公式（9）所示：

式中：CDPR表示由病虫鼠害造成的碳排放量，Sij表示损失的第i类地区第j类森林类型的面积，Vij为损失的第i类地区第j类森林类型单位面积蓄积量，DW表示干材密度，F表示为碳转换系数。

3.2.2FPCM模型——HWP子碳库PCM

HWP碳库包括林产品的碳储存和后续的碳排放，具体包括薪材燃烧产生的碳排放、生产加工成中间或终极产品过程中发生的碳排放以及HWP废弃后燃烧或自然分解产生的碳排放。林木被砍伐处理后，首先变成初级产品，包括原木和薪材，再进行生产加工成为中间产品，如胶合板、纤维板、锯材等，或者进一步生产加工成为最终产品，如家具、纸和纸制品等。在核算HWP碳储量时，有两种方法：直接法和间接法。直接法即指直接核算终极产品的碳储量，但现实中由于终极HWP其种类繁多、数据获取困难，很难做到精确。间接法是指从HWP的初级状态入手，核算初级产品的碳储量，然后减去后续生产加工及废弃燃烧或者分解产生的碳排放，由于初级产品种类少（包括原木和薪材），为了便于实际操作，选用HWP碳储量的间接核算方法，并运用IPCC指定的生产法的思想对HWP子碳库进行推导[38]。

由于不同种类HWP的使用寿命和分解周期不同，从而导致其废弃率、腐蚀分解率等均不相同，其中差别最大的就是纸类HWP和非纸类HWP，因此文章将原木分为纸类原木和非纸类原木进行核算分析，其碳储量核算方法如公式（10）所示：

式中：CH、CSP和CWF分别表示非纸类原木、纸类原木的碳储量以及薪材的碳排放量，Vi表示第i种HWP的体积，ρ为容积系数，γ为含碳率。薪材燃烧产生的碳排放一次性释放，其碳排放核算公式为：

式中：VWF为薪材的体积。HWP碳库值本质上为林产品的碳储存与其碳排放的差，由于中国HWP性质以及统计方式的不同，竹产品的计量方式是株，而其他HWP则是体积，因此FPCM模型对这两种碳储量的核算采用不同的方式，其中原竹的碳含量可表示为公式（12）：

式中：CBP表示原竹的碳储量，N1、N2分别表示毛竹和其它竹的株数，B1、B2分别为毛竹和其它竹的生物量，F1、F2分别为毛竹和其它竹的碳转换系数。

HWP生产加工过程中会释放二氧化碳，生产加工过程造成的碳排放用生产过程中消耗的煤炭、石油、天然气等能源产生的碳排放核算[39]，即这部分的碳排放相当于生产这部分HWP时消耗的能源的碳含量，具体核算方法如公式（13）所示：

式中：CM表示生产加工过程中产生的碳排放，λi表示第i类能源的碳排放系数，c为用HWP生产纸产品的比率，MH和MSP分别表示生产非纸类HWP和纸类HWP使用的第i类能源消耗量。

HWP废弃处理有三种方式：直接燃烧、自然分解和回收。其中用于回收的废弃HWP将增加其碳库的碳含量，直接燃烧的废弃HWP的碳将一次性释放，自然分解的废弃HWP则会慢慢向大气中排放碳，其产生碳排放与HWP的使用寿命和分解年数有关，FPCM模型采用速率恒定法来核算产品的废弃速率和分解速率，即废弃率和分解速率分别为使用寿命和自然分解所需年限的倒数[40]，具体核算方法用公式（14）-（16）表示：

4结论

研究探讨了全球气候变化背景下包含森林子碳库和HWP子碳库在内的国家林业碳库的发展状况，为中国林业碳库系统框架的构建提供理论背景支持。根据森林碳汇功能与HWP碳储功能的关联理论与模型，推导和改进现有的林业碳库核算模型和方法，以实现目标碳从森林子碳库向HWP子碳库的过渡与转移，从而对中国林业碳库模型的构建给予逻辑方法支撑。在此基础上，基于森林-林产品产业链的发展现状，构建包括森林子碳库和HWP子碳库的复合一体化碳库模型（FPCM），使之为创新中国林业碳库的计量与评价提供判据。

研究对世界林业碳库的发展现状进行了探讨，归纳和比较国内外主流的关联林业碳库评估方法模型，从而对中国林业碳库模型的构建提供理论背景支持和逻辑方法支撑。通过比较发现，目前关联的林业碳库模型包括森林碳汇计量模型、HWP碳库计量模型和结合森林子碳库和HWP子碳库于一体的林业碳库模型，但通过分析发现均不适合中国林业碳库的评估。

另外，研究分析了现有中国林业碳库评估存在的优势和弊端，找出适合中国林业特点的国家碳库创新评估路径，运用政府间气候变化专门委员会指定的生产法的思想，通过分析目标碳在HWP产业链生产、加工等过程中的流入和支出，提出创新中国林业碳库的模型构想并对其系统内涵进行分析。结果显示，目前没有专门针对中国林业碳库的核算模型，且现有中国林业碳库系统的方法存在一定的弊端，构建符合中国林业碳库计量森林-林产品产业链的复合一体化碳库模型尤为必要。

研究在提出创新中国林业碳库模型构想的基础上，赋予了中国林业碳库系统模型数学表达，分析其数理结构并进行逻辑演绎，在森林子碳库和HWP子碳库两个复合链式体系下构建了中国林业碳库系统测度模型（FPCM），并对FPCM测度模型的框架机理、发展路径、系统内涵以及运行架构等进行了具体分析，以期为创新中国林业碳库的评估提供理论依据和科学的核算方法。

（编辑：尹建中）

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