湖南省1999-2013年森林植被碳储量变化研究

夏 栗，王福生，刘大逵

森林是陆地生态系统的主要碳库，其储存 了陆地生态系统 65%～98% 的有机碳［1］，在降低温室气体浓度，改善全球变暖中具有极其重要的意义［2-4］。与其他陆地生态系统相比，森林具有较高的生产力，单位面积森林碳储量是农田的20～100 倍［5］，森林每年固定的碳约占整个陆地生态系统的 2/3［6-7］。森林植被碳储量占陆地植被碳储量的 77%［8-9］，森林植被碳汇在全球碳循环中发挥着关键作用，森林植被碳储量变化是评估其碳汇能力的依据，因此，开展一定时间尺度范围内的森林植被碳储量变化研究具有重要意义［10］。

森林植被碳储量的估算主要是通过森林植被生物量的样地调查资料和森林占地面积进行计算［11-13］。随着世界各国对全球变暖问题的不断关注，森林碳汇的研究不断加强，并取得了较大进展［14-19］。目前，主要的森林碳储量估算方法有IPCC 森林生物量估算法［20］、换算因子连续函数法［21］、双曲线模型估算法［22］和生物量经验模型估算法［11,23-24］等。

本次研究依据湖南省 1999-2003 年、2004-2008 年和 2009-2013 年 3 次森林资源一类清查资料数据（以下简称“一类清查”），运用生物量经验模型估算法对湖南省不同时期森林碳储量和碳密度进行了科学估算，并针对天然林分析各龄组碳储量的动态变化以预测湖南省森林植被碳汇能力，研究湖南森林碳储量的主要贡献者和固碳潜力，以期为区域碳循环研究和湖南省相关决策的提出提供基础资料和重要参考。

1 研究区概况

湖南省地理位置为 108°47′～114°15′ E，24°38′～30°08′ N，属于长江中游的荆江河南岸。湖南省山地面积较大，气候条件优越，土壤资源丰富，树种繁多，是我国重点林区及木材生产的主要基地之一。

全省土地总面积约为 21.184×106hm2，其中山地占 51.2%，盆地占 13.9%，平原占 13.1%，丘陵占 15.4%，水域占 6.4%。大体上东部、南部、西部山地环绕，中部和北部地势平缓，呈复式马蹄型丘陵性盆地的地貌轮廓格局［25］。全省林业用地总面积 13.001×106hm2，森林覆盖率 59.64%，湘西南、湘南、湘西北及湘东地区森林植被较为集中，而湘中、湘北地区森林植被相对较少。全省乔木林优势树种主要有杉木、马尾松、阔叶树等树种；经济树种主要为油茶；竹林种类基本为毛竹［26］。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

森林资源数据来源于湖南省一类清查成果资料（1999-2003 年、2004-2008 年 和 2009-2013 年 3 次），数据包括湖南省不同植被（乔木林、经济林和灌木林）的面积和蓄积量，以及天然林中不同龄级林木的面积和蓄积量。

2.2 研究方法

2.2.1 森林植被生物量计算 森林植被生物量是森林植被最基本的数量特征，其大小与变化不仅是度量森林植被结构的基本指标，也是反映森林及其所在环境物质循环和能量流动关系的重要参考［27］。因此森林植被生物量数据已成为森林植被固碳能力的重要依据，也是评估森林植被碳储量的重要因素。

本研究采用方精云等［21,28］建立的回归方程对湖南省近年来森林植被生物量进行计算，计算方法为：

式中：Btotal为某一树种的总生物量；B 为某一树种的单位面积生物量；Atotal为某一树种的总面积，V 为森林蓄积量（m3），a 和 b 为相关参数，根据树种的不同而不同，具体树种生物量回归方程见表 1。

表1 不同树种生物量的计算方程Tab.1 Equations of different forest species biomass

竹林生物量采用竹林单株模型进行计算，计算方法为：

式中：B竹为竹林生物量；N毛为毛竹株数；N散为散竹株数；CF竹为竹林单株平均生物量，按 22.5 kg/株计［29］。

经济林和灌木林生物量采用单位面积平均生物量进行计算，计算方法为：

式中：B经（灌）为经济林（灌木林）生物量；A经（灌）为经济林（灌木林）面积；CF经（灌）为经济林（灌木林）的单位面积平均生物量。公式中参数 CF经（灌）采用郭兆迪［30］、金小华［31］等推算的中国森林植被生物的单位面积平均生物量，即我国秦岭淮河以南地区的经济林单位面积平均生物量为 23.7 t/hm2，灌木林单位面积平均生物量为 19.76 t/hm2。2.2.2 森林碳储量和碳密度计算 根据湖南省森林资源一类清查资料，利用上述计算所得的不同树种生物量，即可对森林植被碳储量和碳密度进行计算：

式中：Ci为某一树种的碳储量；Bi为某一树种的生物量；CFi为生物量的含碳系数，IPCC 曾在 2004年出版的《土地利用、土地利用变化和林业优良做法指南》中提出全球缺省值为 0.50，而在 2006年又调整为 0.47［20］，因此以 IPCC 提出的缺省值为依据，结合湖南省树种类型特征，将湖南乔木林的含碳系数设置为 0.47，将竹林、经济林和灌木林的含碳系数设置为 0.5。

3 结果与分析

3.1 湖南省 1999-2013 年森林面积、蓄积量变化特征

湖南省 2003 年森林植被面积为 1 063.5 万hm2、2008 年为 1 103.2 万 hm2、2013 年为 1 078.2万 hm2，同时森林蓄积量分别为 29 598.9 万 m3、36 751.1 万 m3、34 587.8 万 m3。2008-2013 年间，湖南省森林植被面积和蓄积量分别减少了 25万 hm2和 2 164 万 m3（见表 2），这与 2008 年冰灾以及生产需求的增加不无关系，但纵观近 15 年来湖南省森林植被面积和蓄积量，总体仍呈增加趋势，湖南省森林植被的碳汇功能逐渐增强。

1999-2013 年间，不同树种的面积和蓄积量表现出不同的变化特征（见图 1），马尾松、杉木、栎类、经济林和灌木林面积所占比重逐渐减少，而针叶树、阔叶树、针阔混和竹林的面积增加，其中以马尾松和杉木的减少程度最突出，分别减少了 9.2% 和 7.9%，针叶树、阔叶树和针阔混的增加最明显，分别增加了 7.8%，10.8% 和7.1%。

表2 1999-2013年间湖南省不同树种面积、蓄积量、生物量、碳储量和碳密度变化特征Tab.2 The change characters of area，timber volume，biomass，carbon storage and carbon density for all forest species from 1999 to 2013，Hunan Province

图1 1999-2013年间不同树种的面积变化特征Fig.1Change characters of area of different forest species during 1999-2013

3.2 湖南省 1999-2013 年森林资源碳储量和碳密度变化

1999-2013 年间，湖南省森林植被碳储量以年均增长率 2.21% 的速度，从 1999 年的 21 651.7万 t 增加到 2013 年的 30 070.3 万 t，年均增长了 561.2 万 t。通过对湖南省 1999-2004 年，2004-2008 年和 2009-2013 年不同树种碳储量研究（见表2），阔叶树的碳储量在 15 年中均为最高，从 1999年到 2013 年阔叶树的碳储量从 6 502.7 万 t 增加到 12 553 万 t，共增加了 6 050.3 万 t，占整个湖南省森林碳储量的 41.7%，表明阔叶树在全省森林资源中有着极其重要的地位。与阔叶树碳储量比重不断增加相伴的，是马尾松、柏木、针阔混、经济林和灌木林的碳储量的比重不同程度的减少，以柏木的减少趋势最明显（见图 2）。总体来说，湖南省不同树种的碳储量表现依次为：阔叶树＞竹林＞杉木＞针叶树＞针阔混＞经济林＞马尾松＞灌木林＞栎类＞柏木＞杨树。

图2 不同树种的碳储量变化特征Fig.2The change characters of carbon storage of different forest species in Hunan

湖南省各树种间的碳密度差异较大（8.4～54.9 t/hm2），最大的为阔叶树，最小的为马尾松和灌木林（见表 2）。阔叶树的碳密度最大，面积也逐渐增加，其碳汇能力最强，虽然杉木的面积和蓄积量均较高，但由于其碳密度不及阔叶树一半，所以其碳储量也较阔叶树低。

3.3 不同林龄植被碳储量和碳密度的变化特征

天然林按树龄分布来看，中龄林面积最大，除幼龄林面积呈下降趋势外，其他龄组面积均呈增加趋势，2013 年，中龄林面积占湖南现有森林植被面积的 35.0%，幼龄林占 24.8%，近熟林占24.0%，成熟林占 12.7%（见表 3）。各林龄面积大小依次为：中龄林＞近熟林＞幼龄林＞成熟林＞过熟林（见图 3）。

通过不同龄组碳储量分析可知，幼龄林的碳储量减少了 210.5 万 t，而其他各个组分的碳储量则不断增加，其中近熟林碳储量的增加量最大，为 1 460.1 万 t；其次为成熟林，增加了 947.8 万t，过熟林增加了 442.6 万 t，中龄林增加了 429.4万 t。湖南省森林植被主要分布在中龄林、近熟林和成熟林中，其碳储量占整个湖南天然林森林植被碳储量的 88%。通过对不同龄组碳密度的分析可知，碳密度随龄级的增加而增加（见表 3）。

表3 不同时期湖南省天然林不同龄组的碳储量和碳密度Tab.3 Carbon storage and carbon density of different age-classes of natural forest in different periods

图3 1999-2013年天然林中各龄级面积变化特征Fig.3 The change characters of area of different ageclasses in natural forest during 1999-2013

4 结论与讨论

（1）2013 年湖南省森林植被碳储量为 30 070万 t，碳密度为 27.9 t/hm2。对于森林生态系统中的不同树种而言，植物碳密度随着其林龄的增加而增加，在过熟林时其碳密度达到最大［21,32］。经上述分析可知，湖南森林植被主要以中龄林、幼龄林和近熟林为主，碳密度提升空间大，碳汇能力尚未达到最强，随着植被的不断生长，其固碳能力将进一步增强，碳汇潜力巨大。

（2）从树种固碳方面来看，湖南省森林植被碳储量较大的为阔叶树、竹林、针叶树和针阔混，表明这些树种在全省植被固碳中具有重要作用，这些树种的面积、蓄积量和碳储量的动态变化将极大的影响湖南省森林碳储量的稳定发展。阔叶树是湖南省森林植被碳储量的主要贡献者，且这种贡献作用在未来很长时间都不会改变。因此，保护好天然阔叶林、鼓励阔叶树造林是提高湖南森林碳汇能力的重中之重。

（3）龄组的划分对象为公益林和用材林，竹度的划分对象为竹林［33］，竹林在湖南省森林植被中是碳储量较大的植被类型，而一类清查数据中不包括竹度数据，由于数据的有限性，本文将不同龄组碳储量变化研究的对象缩小为天然林，虽能定性预测湖南森林植被的碳汇潜力，却是定量预估湖南省未来碳汇能力的不确定因素，因此，进一步收集数据资料定量预估湖南省未来森林植被碳汇能力是今后研究的重要课题。

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