祁连山国家公园青海片区森林植被碳储量与碳汇价值研究

李娜，李清顺，李宏韬

（1.国家林业和草原局 西北调查规划设计院，陕西 西安 710048；2.旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室，陕西 西安 710048）

生态系统在其生长过程中通过自身储存碳量，同时生态系统也要消耗一定的碳量。森林是陆地生态系统的主体，也是国家和民族赖以生存的重要自然资源。从面积来看，森林仅占陆地面积的27%，却保存了85%的陆地生物量，储存着超过80%的全球植被碳储量和40%的全球土壤碳储量的碳[1-4]。此外，森林在调节气候变化和减缓温室效应方面也具有不可替代的作用[5-6]。作为森林生态系统碳库的重要组成部分，森林生物碳储量在森林生态系统中发挥着重要的作用。森林生态系统的碳库量是巨大的，该碳库的微小变化也足以对全球的气候系统产生巨大影响。森林生物量不仅是森林生态系统的物质来源和森林生态系统碳循环和碳动态分析的基础，同时也是森林生态系统固碳能力的重要指标，在碳汇中起着重要的作用。目前，森林碳汇量计量方法主要有蓄积量法、生物量法和生物清单法。实质上，准确估算森林植被的生物量是准确估算森林植被碳储量的前提和基础。

祁连山作为我国西部非常重要的生态安全屏障，在生态功能上是冰川与水源涵养保护的重点地区。祁连山不仅维护着青藏高原的生态平衡，而且保障了黄河和内陆河径流补给，阻止了腾格里、巴丹吉林、库木塔格三大沙漠南侵，维持了河西走廊的生态稳定。祁连山是丝绸之路的咽喉，孕育了璀璨的敦煌文化，是汉、藏、蒙、回、哈萨克等多民族经济、文化、商业交流的重要聚集地。祁连山国家公园总面积5.02万km2，其中青海片区面积1.58万km2，占31.5%。青海片区涉及德令哈、天峻、祁连和门源4县（市）12乡（镇）48个村（牧委会）共计4.1万人。该地区生活着以放牧为生的藏族和回族原住民，生态十分脆弱。对祁连山国家公园青海片区碳储量和碳汇价值进行研究，旨在对该区域森林生态系统的生态功能有一个全新的认识，为祁连山国家公园青海片区的生态建设、生态补偿、资产评估提供基础信息，同时为区域生态环境保护和建立“天地空一体化”的生态气象监管体系奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

祁连山国家公园青海片区位于96°49′～102°41′ E，37°03′～39°12′ N，平均海拔在4 000 m以上，主要保护对象为湿地、冰川、珍稀濒危野生动植物及其森林生态系统。祁连山国家公园青海片区地处高寒地带，为高原大陆性气候，太阳辐射强，日温差较大，冷季长热季短，干湿分明，气温和降水垂直变化明显，雨热同季。年平均气温为－1.4～9.6℃，极端最高气温为37.6℃，极端最低气温为－35.8℃；日照时数为3 270.9 h；太阳总辐射量为5 916～15 000 MJ；年平均降水量在84.6～515.8 mm；年蒸发量为1 137.4～2 581.3 mm；平均风速为1.3～3.8 m·s-1；无霜期为23.6～193 d。

森林植被类型中天然林植被主要包括青海云杉Picea c rassifolia林、祁连圆柏Sabina pr zewalskii林、山杨Populus d avidiana林、桦木Betulaspp.林等，人工林植被主要为杨树Populusspp.林。灌丛植被主要有金露梅Potentilla fruticosa、银露梅P.glabra、杯腺柳Salix cupularis、鬼箭锦鸡儿Caragana jubata、杜鹃Rhododendron simsii、柽柳Tamarix chinensis、白刺Nitraria tangutorum、沙棘Hippophae rhamnoides、膜果麻黄Ephedra przewalskii、小叶锦鸡儿Caragana microphylla等。

1.2 森林资源概况

本次研究以该区域2017年林地变更调查数据（数据截止时间为2017年12月31日）为基础，统计结果显示，祁连山国家公园青海片区总面积为158.32万hm2，其中林地面积为21.11万hm2，占总面积的13.34%；森林面积为16.36万hm2，森林覆盖率为10.33%，其中乔木林面积为2.94万hm2，占土地总面积的1.86%，疏林地面积为0.29万hm2，占土地面积的0.18%，灌木林地面积为13.99万hm2，占土地总面积的8.83%。活立木总蓄积量为25.09万m3。乔木林按龄组分：幼龄林面积为1.5万hm2，活力木蓄积量为9.41万m3，占乔木林总面积的48.7%，占活力木总蓄积量的40.78%；中龄林面积为0.71万hm2，活力木蓄积量为6.54万m3，占乔木林总面积的22.88%，占活力木总蓄积量的28.33%；近熟林面积为0.4万hm2，活力木蓄积量为2.65万m3，占乔木林总面积的13.09%，占活力木总蓄积量的11.5%；成熟林面积为0.18 hm2，活力木蓄积量为1.32万m3，占乔木林总面积的5.71%，占活力木总蓄积量的5.73%；过熟林面积为0.3万hm2，活力木蓄积量为3.15万m3，占乔木林总面积的9.62%，占活力木总蓄积量的13.66%。祁连山国家公园青海片区大部分地区位于海拔3 500 m以上，林分结构简单，基本为单层结构，因此，本次研究仅考虑乔、灌单层结构而不考虑林下生物量。

1.3 生物量研究方法

1.3.1 乔木林 由2017年林地变更数据显示，区内乔木林包括青海云杉、祁连圆柏、白桦B.platyphylla、红桦B.albosinensis、糙皮桦B.utilis、山杨、青杨P.cathayana和其它杨树。乔木林生物量的估算采用IPCC法[7]。IPCC法属于材积源生物量法，也叫生物量转换因子法。该方法先求出林分生物量与木材材积比值的平均值，然后用该比值与不同森林类型的总蓄积量相乘得到该类型森林总生物量[8]。其基本公式为：

式中，Btotal为某一树种组的总生物量；Vtotal为某一树种组的总蓄积量；BEF为某一树种组的生物量转换因子。

IPCC法生物量估算公式为：

式中，Vtotal为某一树种组的总蓄积量，D为某一树种的木材密度，BED1为生物量扩展因子，R为根茎比。

生物量转换因子为：

各优势树种生物量参数见表1。由于客观条件限制，LULUCF森林碳汇参数并不能涵盖所有的优势树种。因此，区内乔木林生物量估算时，对于LULUCF森林碳汇中计算参数不存在的可根据优势树种与全国已知树种之间的相似性取相同值。

表1 乔木优势树种生物量估算参数Table 1 Biomass estimation parameters of dominant tree species

1.3.2 灌木林 灌木林生物量采用收获法无疑是最为准确的，但是费时费力，同时也会干扰森林碳正常排放水平甚至造成碳释放和泄露[9]。缺省值法属于非破坏性生物量估测方法的一种，该方法适用于大范围估测，是基于大量经验基础上的方法，该方法优点是简单易行，但精度较低[10]；该方法也是《碳汇造林项目方法学》[11]中推荐的一种对灌木进行生物量测定的方法。加之祁连山国家公园生态极度脆弱，采用收获法在现实上是不可行的。因此，灌木林生物量估算统一采用缺省值法完成，即根据全国经济林单位面积生物量计算参数及相应气候区灌木林/灌丛地单位面积生物量密度参数[12]的规定，采用高原山地气候区灌木单位面积生物量密度缺省值，结合灌木林地面积计算获得。其基本公式为：

式中，Bio为灌木总生物量；Bh为灌木林单位面积生物量；A为灌木林总面积，灌木林的生物量密度采用缺省值6.2 t·hm-2。

1.3.3 疏林地 疏林地同样采用IPCC法，具体算法同乔木林。

1.4 碳储量研究方法

政府间气候变化专门委员会（IPCC）以及其他国际组织对森林碳储量的计算，普遍是先测定森林生物量，然后将测量的生物量乘以生物量中碳元素含量（含碳系数）的方法得出。其计算公式为：

式中，Ci为某一树种的碳储量；Wi为某一树种的生物量；CFi为某树种的含碳系数。

造成森林碳储量结果差异的另一重要因素是含碳系数的大小。我国学者曾对部分森林群落组成树种含碳系数进行了研究测定，得出结论：乔木树种平均含碳系数一般大于0.45，阔叶树平均含碳系数大多小于0.5，而针叶树的平均含碳系数大多大于0.5[13]。江泽慧、姜笑梅对于各树种中纤维素、半纤维素、木质素的含量及其碳元素所占质量比例采用化学分析法、热分析法、元素分析仪等方法进行了测定[14]，得到不同树种的含碳系数：青海云杉为0.520 8，祁连圆柏为0.503 4，桦类（白桦、红桦、糙皮桦）为0.491 4，杨树（山杨、青杨、其它杨树）为0.495 6；灌木林含碳系数采用统一值0.47。

1.5 碳汇价格

从目前国际和国内的局势来看，各国对于碳交易市场均存在观望态度，碳交易市场也基本处于停滞阶段。未来国际和中国碳交易市场将何去何从还是个未知，但是，气候变化对于全球的影响却是必须面对的巨大挑战。因此，对于碳价格的选择，仍然采用《京都协议》确定的联合履约（JI）和清洁发展机制（CDM）价格。按照JI格，平均为16美元·t-1CO2，而按照CDM价格，平均为24.2美元·t-1CO2[16-17]。

2 结果和分析

2.1 森林植被生物量

经计算得到，2017年祁连山国家公园青海片区森林植被的总生物量为339.71万t，单位面积生物量为19.73 t·hm-2。其中，乔木林的生物量为235.93万t，占总生物量的69.5%，其单位面积生物量为80.28 t·hm-2，低于全国平均水平（全国第七次森林资源清查估测乔木林生物量平均值为86.07 t·hm-2）；疏林地的生物量为17.04万t，占总生物量的5.0%，所占比重较小，其单位面积生物量为59.45 t·hm-2；灌木林的生物量为86.74万t，占25.5%。

2.1.1 乔木林各龄组生物量分布格局 根据《国家森林资源连续清查技术规程》[15]，乔木林龄组按优势树种的年龄划分为幼龄林（Ⅰ）、中龄林（Ⅱ）、近熟林（Ⅲ）、成熟林（Ⅳ）和过熟林（Ⅴ），祁连山国家公园青海片区乔木林生物量按龄组估算统计结果见表2。

表2 乔木林分龄组生物量、单位面积生物量、碳储量和碳密度Table 2 Total biomass,unit area biomass,carbon reserve and carbon density of arbors by age groups

从表2可知，乔木林总生物量为235.93万t，单位面积生物量为80.28 t·hm-2，其各龄组生物量大小为幼龄林＞中龄林＞近熟林＞过熟林＞成熟林，单位面积生物量大小为过熟林＞成熟林＞近熟林＞中龄林＞幼龄林。

2.1.2 不同树种组生物量分布格局 不同树种组的生物量和单位面积生物量见表3。从表3可以看出，乔木林生物量以青海云杉和祁连圆柏为主，两者的总生物量为211.49万t，占了乔木林总生物量的89.64%，其它依次为糙皮桦、白桦、红桦和杨树（山杨、青杨、其它杨树），分别占总生物量的5.02%，4.26%、1.04%和0.10%。不同林分类型生物量按大小依次为：青海云杉＞祁连圆柏＞糙皮桦＞白桦＞红桦＞杨类。就单位面积生物量而言，以青海云杉最大，为107.04 t·hm-2，杨树最小，为10.33 t·hm-2。不同树种组单位面积生物量从大到小依次为：青海云杉＞红桦＞白桦＞糙皮桦＞祁连圆柏＞杨树。

表3 不同林分类型生物量、单位面积生物量、碳储量和碳密度Table 3 Total biomass,unit area biomass,carbon reserve and carbon density of arbor by tree species

2.2 森林植被碳储量与碳密度

经计算得到，2017年祁连山国家公园青海片区森林植被总碳储量为170.23万t，碳密度为9.89 t·hm-2。其中，乔木林碳储量为120.81万t，占总碳储量的71.0%，其碳密度为41.11 t·hm-2；疏林碳储量为8.65万t，占总碳储量的5.1%，所占比重较小，其碳密度为30.17 t·hm-2；灌木林碳储量为40.77万t，占总碳储量的23.9%。

2.2.1 乔木林分龄组碳储量和碳密度分布格局 由表2可知，乔木林的碳储量为120.81万t，碳密度为41.11 t·hm-2，其中各龄组的碳储量大小为幼龄林＞中龄林＞近熟林＞过熟林＞成熟林，碳密度大小为过熟林＞成熟林＞近熟林＞中龄林＞幼龄林。其结果与乔木林生物量和单位面积生物量的结果相同。

2.2.2 不同树种组碳储量与碳密度分布格局 不同树种组的碳储量和碳密度见表3。从表3可以看出，乔木林的碳储量以青海云杉和祁连圆柏为主，两者的总碳储量为108.80万t，占了乔木林总碳储量的90.06%，其它依次为糙皮桦、白桦、红桦和杨树，分别占总碳储量的4.82%、4.09%、1.0%和0.04%。不同树种组碳储量按大小依次为：青海云杉＞祁连圆柏＞糙皮桦＞白桦＞红桦＞杨树。

就碳密度而言，以青海云杉最大，为55.75 t·hm-2，杨类最小，为5.12 t·hm-2。不同树种组碳密度从大到小依次为青海云杉＞红桦＞白桦＞糙皮桦＞祁连圆柏＞杨树。

2.3 森林植被碳汇交易潜在价值

森林碳汇是森林十分重要的一种生态功能。将森林生态功能推向市场，以价格的形式实现碳汇交易，是估算森林植被碳汇价值的常用方法。森林固碳的市场交易为森林生态服务功能提供了一种市场交换的方式，实现了森林生态价值的市场补偿，对融资发展林业、保护和发展生态环境具有重要意义[14]。JI和CDM两种价格，对2017年祁连山国家公园青海片区森林植被的碳汇价值进行估算，结果见表4。由表4表明，祁连山国家公园青海片区森林植被碳交易的潜在价值为2 723.61万美元（JI）或4 119.46万美元（CDM），潜在价值最大的是青海云杉，达到了1 118.99万美元（JI）或1 692.47万美元（CDM），占总碳交易潜在价值的41.08%；其次是灌木林，达到了625.64万美元（JI）或946.28万美元（CDM），占总碳交易潜在价值的22.971%；最小的是杨树（山杨、青杨、其它杨树），仅有0.82万美元（JI）或1.25万美元（CDM），占总碳交易潜在价值的0.003%。其排序依次为青海云杉＞国家规定特别灌木林地＞祁连圆柏＞疏林地＞糙皮桦＞白桦＞一般灌木林＞白桦＞杨树。

表4 不同树种组碳交易价值Table 4 Carbon trading price of different tree species

3 结论与讨论

3.1 结论

2017年，祁连山国家公园青海片区森林植被的总生物量为339.71万t，总碳储量为170.23万t，单位面积生物量为19.73 t·hm-2，碳密度为9.89 t·hm-2，其中乔木林的单位面积生物量与碳密度分别为80.28 t·hm-2、41.11 t·hm-2，低于全国平均水平（86.07 t·hm-2和42.82 t·hm-2）[18]。

在乔木林中以青海云杉的总生物量和总碳储量最大，祁连圆柏次之，杨树的总生物量和总碳储量最小。各树种组生物总量和碳储量排序一致，从大到小依次为：青海云杉＞祁连圆柏＞糙皮桦＞白桦＞红桦＞杨树。单位面积生物量和碳密度表现一致，以青海云杉的单位面积生物量、碳密度最大，其次为红桦，杨树的单位面积生物量、碳密度最小，从大到小排序为：青海云杉＞红桦＞白桦＞糙皮桦＞祁连圆柏＞杨树。

2017年，祁连山国家公园青海片区森林植被碳交易的潜在价值为2 723.61万美元（JI）或4 119.46万美元（CDM），潜在价值最大的是青海云杉，达到了1 118.99万美元（JI）或1 692.47万美元（CDM），占总碳交易潜在价值的41.08%；其次是国家规定的特别灌木林，达到了625.64万美元（JI）或946.28万美元（CDM），占总碳交易潜在价值的22.971%；最小的是杨树，仅有0.82万美元（JI）或1.25万美元（CDM），占总碳交易潜在价值的0.003%。因此，在吸收大气中的CO2、减缓温室效应、应对气候变化中，青海云杉都具有极为重要的作用。同时，祁连山国家公园青海片区应积极准备进入碳汇交易市场，争取尽快将生态价值变为货币体现经济价值，更好地投入到生态环境的保护治理与建设。

3.2 讨论

由于祁连山国家公园内森林植被中乔木林比例很低（17.01%），导致森林植被单位面积生物量和碳密度极低，同时，乔木林单位面积的生物量和碳密度也低于全国平均水平，这些都反映了公园内的生态脆弱性和加强保护的必要性。各龄组生物量大小为幼龄林＞中龄林＞近熟林＞过熟林＞成熟林，单位面积生物量大小为过熟林＞成熟林＞近熟林＞中龄林＞幼龄林。形成此结果的原因：一是近十几年来青海省依托祁连山环境治理，在祁连山国家公园范围内加大了造林力度，使得幼龄林和中龄林的比例增加；二是树木在整个寿命周期内，林龄（树龄）越大，蓄积量越大，相应生物量也越大。

祁连山国家公园青海片区乔木林单位面积生物量和碳密度是随着龄组而增加的，这是符合植被的生长规律的：在森林植被生物量和碳储量的时间分布序列中，早期生物量和碳储量是在不断的积累的，在达到一个高峰后，生物量和碳储量逐渐减少。森林植被从幼龄林到中龄林不断生长、不断积累生物量，到成熟林达到高峰，到过熟林后生物量逐渐衰减。本文研究结果显示，祁连山国家公园青海片区内乔木林总生物量和碳储量中，幼中龄林的所占比重最大（分别为66.2%和66.1%），其原因是近些年青海省依托祁连山环境治理，在祁连山国家公园范围内加大了造林力度，幼龄林和中龄林比例不断增加，而成熟林和过熟林则没有变化，甚至由于自然生长规律出现少量的减少。

本文所采用的乔木优势树种生物量估算参数、碳密度的测定结果、灌木林碳密度统一值（0.47），都不是具体针对祁连山国家公园青海片区的测定结果，这些参数的使用都会对碳汇价值的估算产生一定误差。地区性的碳密度测定等基础研究工作也是后续碳汇价值测定发展的一个方向，需要大量科学工作者做出更多努力。