云南省森林资源预测及其碳汇潜力研究

杨 英,黄国胜,王雪军,苏浩然,智长贵

(1.国家林业局调查规划设计院,北京 100714；2.国际竹藤中心,北京 100102)

云南省森林资源预测及其碳汇潜力研究

杨 英1,黄国胜1,王雪军1,苏浩然2,智长贵1

(1.国家林业局调查规划设计院,北京 100714；2.国际竹藤中心,北京 100102)

基于2002年、2007年和2012年3期森林资源清查资料,采用马尔科夫模型和复利公式,分别对2012—2027年16年间云南省森林资源面积结构和蓄积量变化进行预测,并应用生物量经验(回归)模型估计法和植被含碳率,对云南省森林植被的生物量、碳储量和碳密度进行预估。结果表明:16年间云南省森林植被面积和蓄积量将呈现双增长趋势,面积和蓄积量年均增长率分别为0.50%和2.94%,森林植被碳储量和平均碳密度均呈持续增长趋势,分别由890.40Tg和41.89Mg/hm2提高到1265.34Tg和55.41Mg/hm2,年均增长率分别为2.81%和2.15%。随着幼、中龄林的发展成熟,以及抚育经营使森林质量提高,云南省森林碳汇潜力巨大。

森林资源；碳储量；碳密度；云南省

森林是陆地生态系统的主体,森林生态系统的生物量约占陆地生物量的90%,森林植被储存的碳约占陆地生态系统总碳储量的76%～98%[1-2]。森林碳汇是目前应对气候变化最经济、最现实的手段。因此森林的固碳作用已成为国内外研究热点。基于森林清查资料,国内外学者在不同尺度上对森林生态系统的固碳特征和机制进行了大量研究[3-6],但对未来森林资源的发展预测及其碳汇潜力预估研究相对较少。由于森林资源的数量和质量变化直接影响到生态环境的变化,因此,研究森林资源的发展趋势及其碳汇潜力,是制定森林经营策略和林业应对气候变化政策与行动的科学依据。

本研究基于2002年、2007年和2012年3期森林资源清查数据,采用马尔科夫模型和复利公式,分别对云南省2012—2027年16年间森林资源面积结构和蓄积量变化进行预测,在此基础上,应用生物量经验(回归)模型估计法[5]和植被含碳率,预估分析森林植被碳储量和碳密度变化趋势,以期为云南省加强森林资源经营管理、有效提高森林质量和碳汇能力提供参考,并为研究我国区域尺度的森林生态系统碳汇功能提供科学方法。

1 研究区概况

云南省位于东经97°31′～106°11′,北纬21°8′ ～29°15′。土地总面积3 826.44万hm2,其中山地面积占84%,高原占10%,山间盆地占6%。气候属亚热带、热带高原(山地)季风气候,具有四季温差小、干湿季分明、垂直变异显著的低纬山原季风气候的特点。降水丰沛,年降水量在1 000～1 500mm之间。境内植被具有明显的地带性特征,从南到北依次出现热带北缘雨林、季节雨林带,南亚热带季风常绿阔叶林、思茅松(Pinuskesiya)林带,中亚热带和北亚热带半温性常绿阔叶林、云南松(Pinusyunnanensis)林带,寒温性针叶林带[7]。

2 研究方法

2.1 数据来源

数据来源于国家林业局云南省第六次(2002年)、第七次(2007年)、第八次(2012年)森林资源连续清查数据和成果资料,记录了云南省乔木林分树种的面积和蓄积量、经济林、竹林、灌木林面积等,以及样地库和样木库实测(调查)数据。

2.2 森林植被面积估算方法

马尔科夫过程通过对系统不同状态的初始概率及状态之间转移概率的研究确定系统各状态变化趋势,达到对未来状态预测的目的,是无后效性的随机过程,其性质是某一随机过程第(n+1)步的状态,X(n+1)的条件概率与X(0),X(1),…,X(n-1)等状态无关,仅与X(n)状态有关。

马尔科夫模型在研究地类林种动态方面取得了较满意的结果。森林系统各地类、林种的面积或蓄积等结构经常互相转化,在无特殊人为干预条件下,省级尺度上不同状态间的转移概率可近似看作无后效性的随机过程[8]。本文应用马尔科夫模型,利用第七、八次清查固定样地数据,对云南省森林资源面积结构进行预测。

根据研究对象,划分为乔木林、经济林、竹林、疏林、灌木林地、未成林地、迹地、宜林地、苗圃地、非林地等10种状态,统计第七次清查各地类面积占有率(即初始面积占有率)矩阵:

A(0)=[0.3849,0.0435,0.0024,0.0135,0.0986,0.0139,0.0128,0.077,0.0005,0.3529]=[乔木林,经济林,竹林,疏林,灌木林,未成林地,迹地,宜林地,苗圃地,非林地]

统计第七、八次清查各状态面积分布,建立状态转移概率矩阵(表1)。

根据马尔科夫理论,第n期转移概率为[8]:

(1)

式中:m表示转移概率矩阵的行、列数,任意第n分期的转移概率矩阵等于第1分期转移概率矩阵的n次方。

第n分期末的占有率矩阵公式为:

(2)

将占有率乘以土地总面积,即得各分期状态面积。利用初始面积占有率、状态转移概率矩阵和马尔科夫模型,能预测出第n分期各状态面积。

表1 云南省近两次森林资源清查的状态转移概率矩阵

2.3 森林植被蓄积量估算方法

复利公式是定期进行森林生长预测的主要方法之一。最近一次清查后第n年的森林蓄积量Mn计算公式为[9]:

(3)

式中:M为森林蓄积量的基础数据,p为年均毛生长率,q为年均枯损率,V采为年均采伐量。

利用第六、八次清查固定样地调查数据,分别计算这两次清查期间的年均毛生长率、年均枯损率、年均采伐量*国家林业局.国家森林资源连续清查技术规定(2014).2014.。

年均毛生长率计算公式为:

(4)

式中:gj为第j个样地的生长量,n为样地数,V1和V2分别为两次清查总蓄积量,A为总体面积,a为样地面积,t为清查间隔期。

年均枯损率计算公式为:

(5)

式中:mj为第j个样地的枯损量,n为样地数,V1和V2分别为两次清查总蓄积量,A为总体面积,a为样地面积,t为清查间隔期。

年均采伐量计算公式为:

(6)

式中:cj为第j个样地的采伐量,n为样地数,A为总体面积,a为样地面积,t为清查间隔期。

把年均毛生长率、年均枯损率和年均采伐量的计算结果和要预测的年份传入复利公式,即得第n年的蓄积量。

2.4 生物量估算方法

2.4.1 乔木林生物量估算

生物量经验(回归)模型估计是利用某一树种野外生物量实测数据,建立生物量与树高、胸径等统计回归模型[10-13]。本文采用生物量经验(回归)模型法估计乔木林生物量。在省级尺度上估算生物量,某一优势树种的生物量转换因子BEFk的计算公式为[14]:

(7)

式中:vi为该优势树种第i个样地的调查材积；bij和vij分别为第i个样地第j个径阶的模型生物量和模型材积；模型材积利用二元材积公式v=a+b(D2H)计算(D为胸径,H为树高,a和b为参数)；mi为该优势树种第i个样地内径阶数；n为计算生物量的样地个数。

本文测算云南省乔木林各优势树种生物量的参数和模型来源有:

云南松、杉木:采用立木生物量模型及碳计量参数技术标准(一元模型)[15-16]。其他优势树种采用冯宗炜和张小全等[17-18]研究结果,具体模型和参数见参考文献[14]。

计算样地模型材积和模型生物量,需要各径阶林木树高值,其精度对生物量计算结果影响很大。本文采用第七次清查分树种建立的树高曲线模型,表达式为Richard方程:

利用云南省第八次清查样地和样木的实测数据,根据公式7计算各优势树种的生物量转换因子；结合第八次清查分优势树种面积和蓄积量统计表,计算云南省平均的生物量转换因子,表达式为*国家发展改革委应对气候变化司.省级温室气体清单编制指南(试行).2011.:

(8)

式中:Vk为第k个优势树种的蓄积量；V乔为乔木林总蓄积量；BEFk为乔木林第k树种的生物量转换因子；n为优势树种的个数。

利用森林蓄积量预测结果(式3)和平均的生物量转换因子计算结果(式8),实现乔木林生物量预估,表达式为:

(9)

2.4.2 经济林 竹林 灌木林和疏林生物量估算

经济林、竹林、灌木林和疏林生物量采用单位面积生物量和面积法估算。经济林、竹林、灌木林平均单位面积生物量分别取35.21,68.48,17.99Mg/hm2*国家发展改革委应对气候变化司.省级温室气体清单编制指南(试行).2011.；疏林平均单位面积生物量19.76Mg/hm2[7]。

2.5 碳储量估算方法

目前,IPCC等国际组织及世界各国普遍采用直接或间接测定森林生物量,乘以生物量中碳元素含量(含碳率)的方法估算碳储量。植被含碳率研究中,国内外研究者大多采用0.5[7],本文含碳率也取0.5。

3 结果与分析

3.1 森林植被面积变化

由表2来看,云南省林地和森林植被面积均呈缓慢增加趋势,2012年分别占云南省土地总面积的65.36%和55.54%,2027年将分别占67.11%和59.67%,分别增加1.75%和4.13%,年均增长率分别为0.18%和0.50%；非林地面积有所减少,部分非林地转为有林地。

表2 云南省各类土地面积预测结果表 万hm2

林地面积中,乔木林、经济林、竹林、未成林地、迹地的面积逐渐增加,2012年分别占林地面积的61.05%,8.48%,0.44%,2.67%,3.11%,2027年将分别占64.22%,13.33%,0.67%,2.72%,4.02%,其中,经济林面积上升率最高,增加了4.85%,乔木林次之,增加了3.17%,其他变化较小；灌木林、疏林、宜林地、苗圃地面积逐渐减少,由2012年分别占林地面积的13.62%,1.38%,9.19%,0.06%,将下降到2027年的9.92%,0.78%,4.31%,0.03%,其中,宜林地下降率最高,下降了4.88%,灌木林次之,下降了3.70%,疏林和苗圃地变化较小。随着多项林业建设工程,如长防工程、珠防工程、天保工程、退耕还林工程等的实施和推进,云南省造林绿化成效显著,近15年(2000—2014年)人工造林、飞播造林和封山育林的总规模达到813.07万hm2[19],使宜林地、疏林、灌木林逐渐转入乔木林、经济林和未成林地。

3.2 森林植被蓄积量变化

由表3可知,云南省森林蓄积量显著增加,由2012年的169 309.19万m3增加到2027年的243 883.02万m3,提高了44.05%,年均提高2.94%。2012年,乔木林单位面积蓄积量110.9 m3/hm2,比全国平均蓄积量89.8 m3/hm2高,但低于世界平均水平131m3/hm2[20],森林质量较低。从第八次云南省森林资源清查数据分析,乔木林各龄组幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林面积比例分别为34.9%,28.3%,16.6%,12.6%,7.6%,单位面积蓄积量分别为52.2,92.2,128.3,182.8,293.3 m3/hm2,可见,面积占比高达63.2%的幼、中龄林单位面积蓄积量低,是森林质量低的主要原因。到2027年,乔木林单位面积蓄积量将达到148.1 m3/hm2,是2012年的1.3倍,森林质量明显提高。这与幼、中龄林的生长,以及2009年云南省开始实施国家森林抚育补贴试点,加强森林经营有关。

表3 云南省森林蓄积量预测结果表

3.3 森林植被碳储量和碳密度的变化

由表4可知,云南省森林植被碳储量和平均碳密度均呈持续增长趋势。碳储量由2012年的890.40Tg逐渐增加到2027年的1 265.34Tg,年均增长25.00Tg,年均增长率2.81%。在森林植被碳储量的组成中,乔木林、经济林、竹林的碳储量比例分别由2012年的91.56%,4.19%,0.42%上升为 2027 年的92.81%,4.76%,0.47%,灌木林、疏林的碳储量比例分别由3.44%和0.39%下降为1.81%和0.15%。可见,乔木林在森林碳库中长期发挥重要的作用,随着云南省森林植被面积和蓄积量双增长,全省的森林碳储量将显著提高。2012年,云南省森林植被平均碳密度为41.89Mg/hm2,高于全国平均值40.51 Mg/hm2[20],2027年将提高到55.41Mg/hm2,是2012年的1.3倍,年均增长率2.15%。表明随着幼、中龄林成熟度的增加,森林抚育措施加强,以及天然林停止商业性采伐,云南省森林质量将显著提升,森林碳汇的潜力巨大。

表4 云南省森林植被碳储量和碳密度预测结果表

4 结论

1) 到2027年,云南省森林植被面积和蓄积量将呈现双增长趋势,面积和蓄积量年均增长率分别为0.50%和 2.94%。乔木林、经济林、竹林、未成林地、迹地的面积逐渐增加,灌木林、疏林、宜林地、苗圃地面积逐渐减少,随着多项林业建设工程的实施和推进,使宜林地、疏林、灌木林逐渐转入乔木林、经济林和未成林地。2012年,乔木林单位面积蓄积量比全国平均值高,但低于世界平均水平,森林质量较低,主要原因是面积占比高达63.2%的幼、中龄林单位面积蓄积量低,到2027年,乔木林单位面积蓄积量将提高到2012年的1.3倍,森林质量明显提高。这与幼、中龄林的生长,以及云南省实施国家森林抚育补贴试点,加强森林经营有关。

2) 云南省森林植被碳储量和碳密度均呈持续增长的趋势,分别由890.40Tg,41.89Mg/hm2提高到1 265.34Tg,55.41Mg/hm2,碳储量和碳密度年均增长率分别为2.81%和2.15%。乔木林、经济林和竹林碳储量比例逐步提高,灌木林和疏林的碳储量比例逐步降低。森林植被面积和蓄积量的双增长,将使全省森林植被碳储量显著提高。森林植被碳吸收量的增长主要通过造林面积的增加和林分质量提高实现的[21],但随着社会经济的发展,人口与土地资源矛盾日益突出,通过扩大造林面积增加碳储量难度较大。随着云南省森林成熟度的增加,林龄结构改善,在科学造林的同时,应加强森林经营管理,着力提升森林质量,充分挖掘森林的固碳潜力。

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Research on Prediction of Forest Resources and the Carbon Sequestration Potential in Yunnan Province

YANG Ying1,HUANG Guosheng1,Wang Xuejun1,Su Haoran2,Zhi Changgui1

(1.AcademyofForestInventoryandPlanning,StateForestryAdministration,Beijing100714,China;2.InternationalCenterforBambooandRattan,Beijing100102,China)

The changes of the structure and volume of forest resources were predicted in Yunnan Province by using the markov chain model and compound interest formula from 2012 to 2027,based on forest resources inventory data in 2002,2007 and 2012.The biomass,carbon storage and carbon density of forest vegetation in Yunnan Province were estimated by applying the biomass regression model and the carbon content of vegetation.The results shows that in the next sixteen years,the area and volume of forest resources in Yunnan Province will show a double growth trend.The annual average growth rate of area and volume are 0.5% and 2.94%.The carbon storage and the average carbon density of forest vegetation will increase continuously.The carbon storage will increase from 890.40Tg to 1265.34Tg,with an annual average growth rate of 2.81%.The carbon density will increase from 41.89 Mg/hm2to 55.41 Mg/hm2,with an annual average growth rate of 2.15%.With the maturity of the young and middle-aged forests,and improvement of forest quality because of forest tending,the forest vegetation has great potential to stock carbon in Yunnan Province.

forest resources,carbon storage,carbon density,Yunnan Province

2017-05-14；

2017-06-01

中国清洁发展机制基金赠款项目“2020年后林业增汇减排的行动目标研究”(2013014)

杨英(1982-),女,陕西延安人,工程师,主要从事森林资源监测与森林经营管理研究。 Email:xiaoyang19828@163.com

S757

A

1002-6622(2017)04-0044-06

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.04.008