浙江省森林生态系统五大碳库碳汇功能及结构特征

陶吉兴，谢秉楼，季碧勇，张国江，骆义波，张成军

(浙江省森林资源监测中心，浙江 杭州 310020)

森林是陆地上最大的可再生资源库、生物基因库、碳储库和最经济的“吸碳器”.作为陆地生态系统的主体，森林生态系统贮存了陆地生态系统的76%～98%的有机碳[1]，在全球碳循环和减缓大气CO2浓度升高中起着重要的作用[2].估算区域森林生态系统的碳储量以及分析森林各类型碳库的组成与动态变化是目前森林生态系统碳循环研究的热点之一.

目前，针对不同森林生态系统的植被和土壤碳储量、碳密度和碳汇功能等进行了大量的研究工作.但以往对森林碳储量的研究多集中于生态系统的某一组分(植被层、枯落物层或土壤层)碳库[3-5]以及局部典型的森林生态系统上.近年来，国内已有不少学者基于森林资源连续清查和二类调查数据，估算全国和省级区划尺度上的森林碳储量.赵敏等[6]利用多元线性回归模型和第四次森林资源清查资料，测算出我国森林植被的总碳储量为3.778 Pg C.王晓荣等[7]利用湖北省第六次清查数据估算森林生态系统总碳储量为710.01 Tg C，李银等[8]利用浙江省第八次全国清查数据估算浙江省森林生态系统总碳储量为602.73 Tg C，刘曦乔等[9]对湖南省二类资源数据估算森林生态系统总碳储量为1 572.02 Tg C.这些估算方法可操作性强，尺度适应性广，已在多个省区得到了有效的应用.但这些研究对象主要集中在乔木林和竹林等类型，未能覆盖灌木林、迹地、宜林地等类型，而且很少采用系统抽样方法对森林五大碳库同步进行研究，尤其是对枯死木碳库的研究较少.

本文基于浙江省森林资源年度监测体系，构建了森林生态系统中的地上生物量、地下生物量、枯死木、枯落物和土壤有机质5个碳库相容的碳储量评估抽样调查体系，通过系统布设样地，抽样调查了活生物量、枯死木、枯落物和土壤等，分析测定了枯落物和土壤等样品碳含量、碳密度等参数，旨在精确估算浙江省森林生态系统五大碳库碳储量，分析各类型碳库结构特征，为精确化计量浙江省森林碳储量及森林固碳增汇能力提供科学依据和理论支持.

1 研究地概况

浙江省地处中国东南沿海，长江三角洲南翼，介于北纬27°06′～31°11′、东经118°01′～123°10′之间，陆域面积10.18万 km2.浙江省属于典型的亚热带季风气候，季风显著、四季分明、光照充足、雨量丰富，年平均气温15～18 ℃，年日照时数1 100～2 200 h，年平均降水量800～2 000 mm.境内地貌以低山、丘陵为主，红壤、黄壤和红黄壤是全省主要的土壤类型.根据《中国植被》区划的划分，浙江省森林植被属亚热带常绿阔叶林区域—东部(湿润)常绿阔叶林亚区域—中亚热带常绿阔叶林地带.常绿阔叶林是浙江省的地带性植被[10].

2 研究方法

2.1 系统抽样调查

2017年，浙江省开展了全省森林资源年度监测，调查固定样地4 252个.样地间距4 km×6 km，样地面积0.08 hm2，形状为正方形，边长28.28 m.所有样地均通过全球定位系统(GPS)导航定位，活生物量地上、地下碳库和枯死木碳库调查数据，通过对4 252个样地调查获取.

为测算枯落物与土壤碳库碳储量，2010—2011年，通过抽取全省1/3固定样地，对其中的906个林地样地，开展枯落物样方调查和土壤剖面分层采取土样，并获取基础数据.

2.2 省级总体碳储量计量

以样地为碳储量计量基本单元，按照“样木(方)→样地→总体”的技术路线，采用系统抽样统计方法，将样地水平的生物量测算结果转换到全省宏观尺度，评估全省总体各类生物量估计值、估计精度及估计区间[11].各抽样指标计算公式为：

总体中值标准误估计值

(2)

估计精度

Pα=100%-Eα，

(4)

2.3 地上、地下碳库调查计量

活生物量地上和地下碳库，计量对象为林地内所有植被生物量及散生木四旁树，包括乔木、毛竹或杂竹、下木、灌木和草本.

2.3.1 样地调查

样地调查内容包括样地调查、样木(竹)调查和样方调查.样地调查因子包括样地属性因子、立地因子、林分因子、生态因子和植被因子等.

2.3.2 样木(竹)调查

样木调查因子包括样木号、立木类型、检尺类型、树种名称、胸径等，样竹还应登记毛竹竹龄.调查对象为样地内胸径≥5.0 cm的生长正常的乔木树种(含乔木经济树种)、乔木型灌木树种(指有明显主干、树高5 m以上的灌木) 和胸径≥2.0 cm的毛竹.

2.3.3 样方调查

样方形状为边长2 m的正方形，设于样地西南角向西3 m处.调查样方所代表的植被类型原则上应与样地一致.如果不一致，则按西北角、东北角、东南角的顺序设置调查样方.样方调查因子包括：下木(胸径<5 cm，高度≥2 m的乔木幼树)的树种名称、高度、胸径；灌木(灌木树种及高度<2 m的乔木幼树)的主要种名称、株数、平均高、平均地径、盖度；草本的主要种名称、平均高、盖度.调查对象为下木、灌木、草本.

2.3.4 样地碳储量计量

乔木和毛竹的地上和地下生物量计量，采用异速生物量模型计算；下木、灌木和草本，采用单位面积生物量模型法和单位面积生物量法，测算样地水平森林植被生物量[12].碳储量则根据样地优势树种，选择含碳系数，将测算的各样地生物量与相应含碳系数相乘计量样地碳储量.对于不同树种碳计量参数的选择，采用国家林业局发布的行业标准[13]，这些标准中的生物量方程包括各组分的生物量参数以及对应的含碳系数.

2.4 枯死木碳库调查计量

2.4.1 枯死木样木调查

样木调查中，记录检尺类型为枯立木和枯倒木的样木，并对比多期浙江省森林资源年度监测调查数据，建立枯死木树种名称、检尺类型、胸径等内容的枯立木和枯倒木调查数据库.全省共获取枯立木数据18 110株，枯倒木数据1 652株.

2.4.2 样地碳储量计量

枯死木碳库碳储量计量，分别按枯立木和枯倒木测算生物量，再与含碳系数相乘计量每株枯死木碳储量，累加后即为样地碳储量.

枯立木地上和地下生物量，采用单株生物量模型法计量.利用异速生长方程建立的单株样木的各维量生物量模型(包括干材、树皮、树枝、树叶、树根5个部分的相容性生物量模型)，根据枯死木枯死年份与计量基准年的间隔时间长短，选择不同维量生物量相加，得到枯死木的生物量.

枯倒木地上生物量采用密度材积法计量，地下生物量采用单株生物量模型法计量.密度材积法计算枯倒木地上生物量，计算公式为

枯倒木地上生物量=树干蓄积×木材密度×BEF×(1-已分解比例)

枯倒木树干蓄积采用分段材积法计算，蓄积计算公式为

式中：d0、d1、…、d8、d9分别为树干10等分部分的地径处带皮直径、第1等分段下部带皮直径、…、第10等分段下部带皮直径，其中d0.5为第1等分段中部带皮直径，H为树高.

2.5 枯落物与土壤碳库调查计量

2.5.1 外业调查与实验室测定

枯落物和土壤取样在同一样点区中进行，分为样点区确定、土壤剖面挖掘、土壤与枯落物取样3个步骤.

1)样点区确定.土壤和枯落物取样在固定样地以外进行，要求取样的样点区地类与固定样地相同.样点区确定方法是以样地西南角(SW角)斜(45°)向外6 m处为样点区的东北角，形成8 m×8 m正方形区域.

2)土壤剖面挖掘.在样地的典型地段挖掘土壤剖面，剖面挖掘深度100 cm，土层厚度不足100 cm时，挖至母岩层，剖面宽60～80 cm.

3)土壤与枯落物取样.按0～10 cm、10～30 cm、30～60 cm、60 cm以下4层，分层采集土壤样品，测定土壤容重，称取部分容重样品寄回实验室测定土壤有机碳.枯落物样品采集，在样点区内选取3个1 m×1 m小样方，全收获法称总质量，称取250 g左右带回实验室，分析测定枯落物的干鲜比和含碳系数.

2.5.2 样地碳储量计量

通过外业调查和实验室分析测定，计算每个样点枯落物和土壤有机碳密度，将样地碳密度(t·hm-2)与样地面积(0.08 hm)相乘后得到样地碳储量.

1)枯落物碳密度

由3个1 m2枯落物样方平均值计算.公式为

(6)

式中：MLCDi为第i个样地的碳密度(t·hm-2)；FWj为第j个枯落物样方(共3个，每个面积1 m2)的枯落物鲜质量(g)；MCj为第j个样方的枯落物含水率(%)；Cj为第j个样方的含碳系数；10-2用作单位换算.

含水率(MC)的公式为

(7)

式中：MC为含水率(%)，FW为鲜质量(g)，DW为干质量(g).

2)土壤有机质碳密度

样地土壤碳密度计算公式为

(8)

式中：SOCDi为第i个样地的碳密度(t·hm-2)，n为土层数，j为土层号，Lj为第j个土层的厚度(cm)，Oj为实验室测定的单位质量的有机碳储量(g/100 g)，ρj为容重(g/cm2)，Fj为第j土层大于2 mm的岩粒比重(%).

3 结果与分析

3.1 浙江省总碳储量及抽样精度

在95%可靠性指标下，5个碳库碳储量抽样精度均超过85%(表1)，其中地上、地下碳库超过95%，枯落物、土壤碳库超过90%.从抽样统计角度看，全省森林生态系统碳汇监测的结果具有较高精度保证.

表1 森林生态系统五大碳库碳储量及抽样特征值

全省森林生态系统碳储量总量为931.74 Tg C.5个碳库中，土壤有机质碳库占70.43%，是森林生态系统最大碳库，是森林植被碳储量(地上与地下碳库之和)的2.54倍.其他碳库中，地上生物量碳库占20.59%，地下生物量碳库占7.15%，枯死木碳库占0.67%，枯落物碳库占1.16%.

3.2 活生物量碳储量结构及碳密度

森林植被通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，并以有机碳的形式贮存.地上和地下生物量碳库，构成森林植被活生物量碳库.2017年森林植被总碳储量258.43 Tg C.

按森林类型分：乔木林群落201.05 Tg C，占77.80%；竹林群落30.87 Tg C，占11.95%；灌木林群落10.17 Tg C，占3.93%；其他类型1.12 Tg C，占0.43%；散生木四旁树(竹)15.22 Tg C，占5.89%.

从主要类型的群落层次看：乔木林乔木层171.31 Tg C，占85.21%；灌木层28.43 Tg C，占14.14%；草本层1.31 Tg C，占0.65%；竹林群落乔木层28.82 Tg C，占93.36%；灌木层1.87 Tg C，占6.05%；草本层0.18 Tg C，占0.60%.

地上生物量碳库碳密度27.26 t·hm-2，其中：乔木林群落34.98 t·hm-2，竹林群落24.22 t·hm-2(其中毛竹林群落25.25 t·hm-2，杂竹林群落16.65 t·hm-2)，特殊灌木林[14]6.98 t·hm-2.一般灌木林群落4.20 t·hm-2.地下生物量碳库碳密度9.53 t·hm-2，乔木林群落11.75 t·hm-2，竹林群落9.10 t·hm-2(其中毛竹林群落9.44 t·hm-2，杂竹林群落6.52 t·hm-2)，特殊灌木林群落3.86 t·hm-2，一般灌木林群落2.33 t·hm-2.

3.3 死有机质碳储量结构及碳密度

死有机质碳储量包括枯死木和枯落物，是森林碳库的重要组成部分.

枯死木碳库碳储量按枯死木类型分：枯立木5.60 Tg C，占89.3%；枯倒木0.67 Tg C，占10.7%.枯死木碳库中，乔木林内枯死木碳储量为5.52 Tg C，占总碳储量的88.0%，其中：枯立木4.92 Tg C，占89.2%；枯倒木0.60 Tg C，占10.8%.枯死木碳库平均碳密度为1.38 t·hm-2，其中枯立木1.23 t·hm-2，枯倒木0.15 t·hm-2.

枯落物碳储量按地类分：乔木林7.97 Tg C，占73.5 %；竹林1.31 Tg C，占12.1 %；经济林0.75 Tg C，占7.0%；其他林地0.81 Tg C，占7.4%.枯落物碳库平均碳密度为1.66 t·hm-2，其中：乔木林地1.97 t·hm-2，占35.4%，竹林地1.48 t·hm-2，占26.6%，经济林地0.76 t·hm-2，占13.7%，其他林地1.35 t·hm-2，占24.3%.

3.4 土壤有机质碳储量结构及碳密度

土壤有机质碳储量按土类分：红壤445.81 Tg C，占67.9 %；黄壤111.57 Tg C，占17.0%；水稻土49.14 Tg C，占7.5%；紫色土22.94 Tg C，占3.5%；石灰土22.13 Tg C，占3.4%；潮土3.06 Tg C，占0.5%；盐土1.55 Tg C，占0.2%.按森林类型分布：针叶林183.96 Tg C，阔叶林202.57 Tg C，针阔混交林68.42 Tg C，竹林93.40 Tg C，灌木林67.72 Tg C，其他林地40.13 Tg C.按土壤垂直深度分：0～10 cm层204.94 Tg C，占31.3%；10～30 cm层236.85 Tg C，占36.1%；30～60 cm层136.12 Tg C，占20.7%；60～100 cm层78.29 Tg C，占11.9%.

土壤有机质碳库平均碳密度100.44 t·hm-2.按森林类型分(表2)：针叶林98.14 t·hm-2；阔叶林108.06 t·hm-2；针阔混交林104.29 t·hm-2；竹林102.82 t·hm-2；灌木林86.18 t·hm-2；其他林地77.5 t·hm-2.从土壤有机质碳含量看，平均碳含量12.78 g/kg，其中0～10 cm层32.15 g/kg，10～30 cm层17.37 g/kg，30～60 cm层10.63 g/kg，60～100 cm层7.25 g/kg.

表2 土壤有机质碳储量及碳密度按森林类型分布

4 讨论

4.1 森林植被活生物量碳库结构特征

本文测算浙江省森林植被活生物量碳储量为258.43 Tg C，约占全国森林植被碳储量的4.17%，低于吉林省(415.65 Tg C)[15]、湖南省(373.25 Tg C)[9]及江西省(259.6 Tg C)[16]，这主要是由所处区域的森林面积、植被类型以及气候特点等因素决定的.一般而言，森林植被层碳储量和碳密度主要源于林分生长环境、林龄、林型和起源的影响[17]，不同森林类型不同生长阶段，生物量的积均有差异.从森林类型上看，浙江省乔木林碳储量201.05 Tg C，占森林植被碳储量的77.8%，是森林植被碳储量的主要贡献者.灌木林碳储量只占森林植被碳储量的3.9%，但其面积却占林地面积的15.1%，对碳储量的贡献有限.从群落层次看，仅乔木林地和毛竹林地内的乔木层、灌木层和草本层分别占植被层碳储量的77.4%、11.72%和 0.59%，浙江省灌木层碳储量比例要明显高于吉林省(1.06%)[18]、湖南省(5.7%)[9]、陕西省(2.86%)[19]以及江苏省(1.88%)[20].浙江省2018年森林资源及其生态功能价值公告显示，乔木林群落结构中，完整和较完整结构的面积占比为99.72%，说明浙江省林下灌草较为丰富，具有更强的固碳能力.以往对森林生态系统碳储量的研究中容易忽视林下灌草层的调查，特别对于南方雨水条件较好、林下植被丰富的地区，将会低估该区域整个森林生态系统的碳储量.

4.2 土壤有机质碳库结构特征

浙江省森林生态系统土壤碳储量为656.20 Tg C，占森林生态系统碳储量的70.43%，为森林植被碳储量的2.54倍.表明土壤是森林生态系统中最大的碳库，在全球碳循环及减缓气候变暖中发挥着重要的作用.这与李克让等[21]估算的我国森林生态系统土壤碳库约为植被碳库的2.62倍相接近，与李银、戴巍等估算浙江省森林生态系统土壤碳库约为植被碳库的3.39倍[8]和3.22倍[22]有差异.主要原因是森林植被层研究内容不一致，李银等研究只包括乔木林和竹林的碳储量数据，不包括经济林、灌木林和其他林地的碳储量，但本文包括了以上全部类型碳储量，且包含地上和地下生物量.

浙江省土壤碳库平均碳密度为100.44 t·hm-2，是森林植被层碳密度的3.46倍，和周玉荣等[23]估算的全国森林土壤碳密度与森林植被碳密度的比值3.4倍接近，略高于湖南省的3.17[9]，略低于辽宁省的4.21[24].土壤碳密度大小按森林类型比较为阔叶林>针阔混交林>竹林>针叶林>灌木林>其他林地.对浙江省森林土壤有机碳积累贡献最大的是阔叶林，其土壤碳密度为108.06 t·hm-2，同时针阔混交林和竹林的土壤碳密度分别为104.29 t·hm-2和102.82 t·hm-2，与阔叶林接近.最小的其他林地土壤碳密度为77.51 t·hm-2.原因可能是阔叶林、针阔混合毛竹林具有较强的冠层光合能力，林分凋落物的质量和数量更有利于土壤有机碳的积累，相较而言，经济林和其他林地由于经营措施和上层覆盖物的减少，影响土壤碳库的稳定积累.

土壤有机质含量随剖面深度的增加呈现下降趋势，并且呈现负相关关系[25].本研究表明土壤有机质含量主要集中在0～10 cm和10～30 cm表层土壤，而0～30 cm土壤层碳储量占土壤总碳储量的67.32%，与上述规律基本一致.不同森林类型中，乔木林地和竹林地的碳储量约占土壤碳储量的83.56%，说明植被覆盖的增加有助于提高土壤保持能力，增强土壤固碳能力.同时，表层土壤碳储量占森林土壤碳储量的大部分比例，如果土壤表层水土流失和人为破坏严重都会在一定程度上造成土壤碳储量的减少[26].因此，采取合理的森林经营举措，减少水土流失和经营措施对土壤的扰动是提高土壤碳储量的有效手段.

4.3 死有机质碳库结构特征

浙江省枯落物层碳储量为10.84 Tg C，占森林植被层碳储量的4.19%,这与范春楠[15]估算的吉林省枯落物占森林植被层的4.21%接近.浙江省枯落物层碳储量占森林生态系统碳储量的1.16%，要低于湖北省的2.10[7]和吉林省的2.50[18]，这主要因为凋落物的现存量很大程度依赖于所处区域的水热条件、地域特点,一般随水热因子的改善而减小[23].枯落物层平均碳密度为1.66 t·hm-2，其中仅乔木林的1.97 t·hm-2高于平均碳密度，竹林、特殊灌木林和其他林地都低于平均碳密度，且特殊灌木林的0.76 t·hm-2低于其他林地的1.35 t·hm-2.原因可能是乔木林多为乔灌草3层完整的群落结构，凋落物的来源要比其他林分更丰富.数据表明，乔木林群落灌木层和草本层碳储量分别是竹林群落灌木层和草本层碳储量的15.23和6.04倍，且乔木林群落灌木层占比为14.14%，要明显高于竹林群落灌木层占比的6.04%.另外，特殊灌木林碳密度要低于其他林地，原因可能是因经济林经营强度较大，人为干扰剧烈，地表覆盖较少导致.

死木碳库作为森林生态系统五大碳库之一，在推动生态系统能量流动、固碳、森林演替更新和维持物种多样性等方面发挥着不可或缺的作用.在森林生态系统碳库中，更多关注植被层、土壤层和枯落物层碳库的研究，鲜见把枯死木作为单一碳库研究的报道.本文表明浙江省死木碳库碳储量为6.27 Tg C，为枯落物碳库的57.84%，为森林植被碳库的2.43%，森林生态系统碳储量的0.67%.这与赵嘉诚等[27]估算的广东省森林死木碳库占乔木林活立木生物量碳库的2.94%较为接近，要高于赵嘉诚等[28]估算的吉林省死木碳库占森林植被碳储量的1.93%.其中枯立木碳库占死木碳库的89.32%.按照森林类型划分，乔木林内的死木碳库碳储量占死木库总碳储量的88.1%.表明死木碳库主要发生在乔木林内，且枯立木的碳储量要显著高于枯倒木.这些数据表明枯死木碳库是森林生态系统碳库中重要的组成部分，研究死木碳库的动态和特征，对于丰富和明晰森林生态系统碳循环规律，有重要的意义.

4.4 森林生态系统碳储量结构特征

周玉荣等[23]估算我国森林生态系统碳储量为28.12 Pg C,其中植被、凋落物和土壤碳储量分别为6.2、0.89、和21.02 Pg C.李克让等[21]利用CEVSA模型计算表明，中国陆地生态系统植被碳储量平均值为13.34 Gt，土壤碳贮量平均值为82.65 Gt.方精云等[29]估算中国森林植被的碳储量为4.63 Pg C，略高于赵敏等[6]的估算值3.778 Pg C，王效科等[30]的估算结果为3.255～3.724 Pg C.李海奎等[4]利用第七次全国森林资源清查数据分大区估算得到华东地区森林植被碳储量为893.817 Tg C.

本研究估算浙江省森林生态系统碳储量931.74 Tg C，占全国森林碳储量的3.31%，其中：森林植被碳储量为258.43 Tg C，占华东地区森林植被碳储量的28.91%，占全国森林植被碳储量的1.94%～6.94%；土壤层碳储量为656.20 Tg C，占全国森林土壤碳储量的4.17%；枯落物层碳储量为10.84 Tg C,占全国森林枯落物层碳储量的0.79%～3.12%.浙江省森林面积仅占华东地区陆地面积7.59%，占全国陆地面积的0.63%，表明浙江省森林生态系统对华东地区和全国的碳循环发挥了重要的作用.

对森林五大碳库进行系统评估，可以全面认识森林生态系统的碳汇功能.森林生态系统活生物量碳库的评估，不仅包括森林乔木层，也包括下木层、灌木层、草本层；死有机质中，既评估了枯落物的碳储量，也对枯立木和枯倒木进行了碳储量评估；土壤碳库中，既获取了各剖面层的碳储量，也对不同土类、森林类型的碳储量结构进行了研究；同时对各碳库碳密度参数同步进行了研究测算，涵盖内容全面，形成了完整的全省森林生态系统碳汇数据库.碳储量计量基础数据、计量模型参数是森林碳汇功能监测的核心内容，本文主要采用了我省已有的生物量模型.今后，可研建取得的全面覆盖测算区域的森林生物量模型进行评估，以进一步提高森林植被碳储量估算精度和准确度.此外，枯立木的分解状态参数，不同密度级枯倒木的基本密度参数等，为提高适用性，需要作进一步的专项测定和研究.