河南杨树碳储量及其增汇能力

黄新峰，郑旭东，赵义民，孙红召，王巧玲，冯东阳

(1.河南省林业调查规划院，郑州 450045；2.济源市林业局，河南 济源 454650)

全球气候变化深刻影响着人类的生存和发展，是人类共同面临的重大挑战[1,2]。森林在全球碳收支平衡中具有重要地位[3-5]。开展域森林碳储量核算是开展应对气候变化工作的重要内容[6-9]。

杨树由于生长迅速、用途广，已经成为河南各类林木蓄积量占比最高的树种，为河南的经济和社会发展提供了大量的木材和原料[10-12]，同时，其碳储量和碳汇功能也受到广泛关注[12-34]。但是，关于河南杨树碳储量和增汇能力的报道并不多见。基于此，本文以河南杨树为对象，估算其碳储量及增汇能力，以期为评价区域森林资源的碳汇功能提供参考和借鉴。

1 研究地概况

河南位于中国中东部、黄河中下游，31°23′—36°22′N， 110°21′—116°39′E之间，总面积16.7万hm2。2016年末全省总人口10 788万人，生产总值40 160亿元，比上年增长8.1%。全省耕地面积792.6万hm2，是全国第一农业大省、第一粮食生产大省。河南大部分地处暖温带，南部跨亚热带，属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候，同时还具有自东向西由平原向丘陵山地气候过渡的特征，年平均气温为10.5～16.7 ℃，年均降水量407.7～1295.8 mm，降雨以6-8月份最多，年均日照1285.7～2292.9 h，全年无霜期201～285 d。2016年底，全省林业用地面积566.4万hm2，其中森林面积402.8万hm2，森林覆盖率24.12%[35]。

2 材料与方法

2.1 数据概述

据1981年出版的《河南植物志》记载，河南分布有杨属(PopulusL.)树种30种、1亚种、28变种和7个主要栽培品种[36]。随着30年来更多杨属新品种的推广和应用，杨属树种已远远超过70个。为便于统计汇总，《森林清查成果》将这些树种合并为一组，用杨树来表示。据《第八次全国森林资源清查河南省森林资源清查成果》(以下简称“森林清查成果”)显示，2013年河南省杨树总面积88.53万hm2，森林蓄积7 511.49万m3，四旁蓄积3 213.81万m3，疏林和散生木蓄积241.42万m3，林木总蓄积达10966.72万m3，占各类林木总蓄积的47.9%，是蓄积量占比最高的树种[10]，详见表1。

表1 杨树蓄积及面积森林面积/万hm2林木蓄积/万m3森林蓄积/万m3小计幼龄林中龄林近熟林成熟林过熟林四旁疏林散生木蓄积/万m388.5310 966.727 511.49316.714 472.232 245.11440.4636.983 455.23

2.2 研究方法

2.2.1 生物量转换系数的确定

当前研究森林碳储量的方法主要有两种：样地实测法和生物量转换系数法[37,38]。样地实测法需要布设大量样地进行取样，准确度高，但耗费时间较长，估算结果的精度受样地的代表性影响较大，因此样地实测法适用于小地域单一类型的林分碳储量估算[13-17, 20, 22-26, 28-29, 31, 33, 39]；生物量转换系数法是直接使用相关文献的参数来估算大区域森林碳储量，这种方法快捷、高效，广泛应用于大区域森林碳储量的估算[6,7, 18,19, 30, 40,41]。本研究即采用生物量转换系数法估算杨树碳储量。

Zhou等[42]的研究认为，由蓄积导算生物量时，四旁等林木的生物量显著大于林分中林木的生物量。因此，将杨树分为林分及疏林、散生木和四旁林木两种类型来分别估算其碳储量(疏林、散生木及四旁林木以下统称“四旁林木”)。

林分的生物量转换系数使用《2005中国温室气体清单研究》推荐参数，见表2。不考虑杨树各个组分的密度和碳含量差异，木材密度取378 kg/m3，杨树含碳系数取0.496[1]。

由于《森林清查成果》未对四旁林木划分龄组，所以，四旁林木的生物量转换系数采用林分生物量转换系数的平均值，取1.441。依据Zhou等[42]的研究结果，在使用林分的生物量转换系数估算四旁林木生物量，需要乘以一个调整系数。平均状态下，这个调整系数取1.2。

表2 杨树生物量转换系数和根茎比生物量转换系数B1B2B3B4B5B1.4461.4961.3691.391.461.441根茎比R1R2R3R4R5R0.2270.2590.2270.1710.2090.149

2.2.2 碳储量估算的方法

通常森林碳库由乔木碳库、下木碳库、枯落物碳库和土壤碳库四个部分组成[22, 26-28, 33, 43]。但是，河南区域的杨树栽植方式类似于农作物，收获期较短，一般不超过15年，下木和枯落物较少，因此，灌木碳库和枯落物碳库忽略不计。此外，由于土壤碳库相关计算标准不统一[14-15, 22, 26-27]，土壤碳库也不计入。碳储量估算方法见公式(1)～(4)。本研究所述杨树碳储量包括地上和地下两部分。

(1)

T1=F+P

(2)

F=∑Vi×Bi×Ri×D×M

(3)

(4)

2.2.3 杨树增汇能力估算。

森林增汇是指森林每年吸收CO2的能力，森林的增汇能力是由树木自身的生长特性决定的。杨树年增汇量可以通过其蓄积生长率换算得到。依据《森林清查成果》，2013年杨树蓄积年增长率取13.79%[10]。计算杨树年固碳增量采用公式(5)，公式(5)可以转化成公式(6)和(7)。公式(8)计算年固碳量的CO2当量，也就是每年吸收CO2的能力。

A1= (∑Vi×G×Bi×Ri×D×M)+

(5)

A1=(F+P)×G

(6)

A1=T1×G

(7)

(8)

式中：G表示蓄积年生长率，A1表示年增固碳量，A表示年增固碳量的CO2当量。

3 结果与分析

3.1 杨树碳储量

经计算，杨树总碳储量38.25 Tg，其中林分碳储量25.38 Tg，占66.4%，林分平均碳密度28.7 t/hm2；四旁林木碳储量12.87 Tg，占33.6%。林分分龄组来看，中龄林碳储量比重最大，为62.2%；过熟林占比最小，为0.5%；碳储量由大到小排序为中龄林>近熟林>成熟林>幼龄林>过熟林，见表3。换算成当量的CO2，杨树累积固定CO2140.27 Tg，其中林分固定93.07 Tg，四旁林木固定47.19 Tg。

表3 杨树碳储量分布Tg合计林分小计幼龄林中龄林近熟林成熟林过熟林四旁林木38.25 25.38 1.05 15.79 7.07 1.34 0.12 12.87

3.2 杨树增汇能力

经计算，杨树年增固碳量5.28 Tg，其中林分年增固碳量3.50 Tg；四旁林木年增固碳量1.78Tg。换算成当量的CO2，杨树年吸收CO219.34 Tg，其中林分年吸收12.83 Tg，四旁林木年吸收6.51 Tg。2013年河南全省林木蓄积为2.2亿m3[10]，按杨树的固碳能力来计算，全省林木年增固碳量约11.01 Tg，其中杨树年增固碳量约占48%。

4 结论和讨论

4.1 结论

本研究采用生物量转换系数法估算了河南杨树的碳储量和增汇能力。结果表明，2013年河南杨树碳储量38.25 Tg，其中四旁林木碳储量占总量的33.6%，表明杨树四旁林木在固碳增汇方面的作用不容被忽视。同时，从杨树在各类林木年增固碳量的比重来看，杨树在林木固碳增汇、应对气候变化中扮演着重要作用。

4.2 讨论

四旁林木是广泛分布于农林交错地区的一类景观类型。不仅有防风固沙、减轻自然灾害、庇护农田的功能[44-47]，同时在区域森林及林木碳储量的构成中也占有显著地位。因此，在农林交错地区，四旁林木的碳汇作用要引起重视。

相较于第七次森林清查[18]，河南杨树林分的碳储量和碳密度有了显著增加，碳储量由上期24.51 Tg增加到本期的25.38 Tg，增长3.6%；碳密度由上期的26.6 t/hm2增长到本期的28.7 t/hm2，增长7.9%。从两期的面积来看，本期面积相较上期减少3.6万hm2，约减少3.9%，这是由于2008年经济危机发生以后，杨树木材价格显著下降，林农砍伐杨树的意愿增强所致。在面积下降的同时，杨树碳储量和碳密度保持增长，主要是由于杨树林分主体进入生物量快速积累期带来的(中龄林面积由上期的44.5%上升到本期的66.2%)。

据相关资料显示，河南省2013年火电发电量为2 740.4亿kW·h[48]，按一个千瓦时排放CO2826 g[49]计算，河南杨树年吸收的CO2相当于当年火力发电CO2排放量的8.1%，河南全部林木年吸收的CO2仅相当于2013年河南火力发电CO2排放量的17.0%，表明河南的生态环境承载力还很低。此外，本研究中探讨的增汇能力反映的是理论上限。现实中，由于每年都有采伐消耗(2009—2013年间杨树年均消耗8.7%)，所以，现实中杨树每年的固碳量仅增加了约5.1%[10]。因此，为了适应经济发展对环境容量的需求，河南还需要继续大力植树造林，尤其是筛选固碳能力强的树种推广栽植。

据《河南省“十三五”林业发展规划》显示，到2020年，河南森林蓄积要比期初净增3 100万m3[50]。为实现这一目标，杨树承担着重要角色，未来5年，河南的杨树资源将逐步进入成熟期，面临大量采伐的状况。如何解决好林木成熟急需采伐和提高单位面积碳储量的矛盾，是管理部门需要认真思考的问题。在扩大造林面积的同时，搞好现有林分的抚育经营，也是提高单位面积碳储量的一个途径[51,52]。