基于统计资料的桑园碳汇估算模型的构建——以四川省为例

王 谢，邓 清，周 婧，唐 甜，胡立志，李 瑞，张建华

（1四川省农业科学院农业资源与环境研究所，成都 610066；2农业农村部西南山地农业环境重点实验室，成都 610066；3成都师范学院，成都 611130）

0 引言

在全球气候变化背景下，生态系统的固碳增汇已成为当今社会和政府的重要议题和难题《，京都议定书》第3.4款明确规定：世界各国可以通过增加陆地生态系统碳储量来抵消经济发展中的碳排放量[1-3]。中国陆地生态系统具有非常强的固碳潜力，尤其是森林生态系统[4-6]。其中，桑树生长迅速、生物产量高、功用多元化、产业链完善，是中国南方地区兼具农业生产和林业发展双重特征的主要造林植物。有研究指出仅从桑叶的收获量估算，桑园每年可吸收固定CO2约54642 kg/hm2，折合成纯碳为14930 kg/hm2[7]。在2019年，中国桑园面积755300 hm2[8]，当年仅桑叶生产就可吸收固定纯碳1127.66万t。中国桑园分布于20个省（区、市），其中广西、四川、云南、陕西、重庆5地的桑园面积超过33333 hm2，占全国的比重达67.6%[8]。近年来，中西部部分省份桑树栽植力度加大，如贵州、四川、江西等10个地区的桑园面积较2018年有所增长，其中贵州的增长速率高达39.9%[8]。不同于其他森林植被，以剪伐为主的桑园利用模式决定了桑树的碳储量长期保持在1～2年的幼嫩新梢中。这就意味着整个桑树的固碳速率长期保持在一个近似于幼龄林的状态。故而采用森林经营中林木固碳分为幼龄、中龄、成熟和过成熟等生长阶段的估算方法，将会低估桑园的碳汇贡献。

基于统计资料进行碳汇估算是一种常用方法，如Pan等[9]利用全球森林调查数据和长期野外观测资料评估了全球森林碳收支情况，田云和张俊飚[10]利用农业相关年鉴测算了中国农业碳汇，张娟和陈钦[11]基于福建省森林清查数据测算了福建省的林业碳汇，王正淑等[12]利用退耕还林（草）面积数据和自我调查数据测算了陕西省县南沟流域退耕地林（草）植被的碳汇。相对于森林系统或其他作物种植系统，桑园面积的统计资料缺失严重，特别是省级以下地区的，如四川第一大蚕桑产区凉山州、果桑核心产区攀枝花市等。但在从国家、省、市、县水平上的统计资料中，笔者发现了与桑园面积密切相关的技术经济指标——蚕茧产量的数据完整度非常高，对评估桑园面积具有非常重要的意义。为此，本研究试图通过蚕茧产量来推导出桑园碳储量，以服务于各尺度上桑园生态系统固碳效应的精准评估，为中国经济林生态系统和农业生态系统碳储量的评估系统做出贡献。

1 材料与方法

1.1 数据资料来源与处理

从《四川统计年鉴》和《中国农业统计年鉴》中获取2000—2018年四川省蚕茧产量和桑园面积数据。从生产实践、调查实测或文献中获取主要技术参数。

1.2 模型构建

根据碳在种植和养殖过程中的足迹（图1），构建下列模型的计算体系。

图1 碳的在蚕桑种植和养殖过程中的流动环节

在生产中，要得到蚕茧产量（silkworm cocoon output，简写为SCO）所需要的桑叶量是相对明确的，即每生产1 kg茧消耗15 kg桑叶[13]。故而，养蚕用桑叶的鲜重（fresh weight of mulberry leaves for sericulture，简写为FWMLS）可按照公式(1)进行计算。

式中，FWMLS为养蚕用桑叶的鲜重；SCO为蚕茧产量；a为生产系数，即每生产1 kg蚕茧所需桑叶量，缺失时取值15[13]。

在栽桑学中，桑园的经济产量主要是桑叶干重（dry weight of mulberry leaves，简写为DWML），桑叶干重和桑树所有器官总干重之间的比例被称为经济系数k，其范围在0.3～0.6之间[14]。因此，桑树总生物量（dry weight of mulberry，简写为DWM）可由公式(2)、(3)和(4)联合计算得出。

式中，DWML为桑园的桑叶干重；FWML为桑园的桑叶鲜重；b为桑叶的干物质含量；wc为桑叶的含水量，缺失时取值0.7[15]。

式中，FWML为桑园的桑叶鲜重；FWMLS为养蚕用桑叶的鲜重；d为桑叶利用系数，即桑园桑叶用于养蚕的比例。

式中，DWM为桑园的桑树总生物量；DWML为桑园的桑叶干重；k为经济系数，即收获桑叶占总生物量的比例，缺失时取值0.5[14]。

基于桑树的植物学特征、收获特征和剪伐特征，桑园的碳储量（carbon absorption of mulberry garden，简写为CAMG）至少应该由3部分组成，即生长年限内桑叶中的碳(carbon absorption of leaves，简写为CAL)、生长年限内桑枝条中的碳(carbon absorption of branches，简写为CAB)、和储存在以根干为代表的其他组织中的碳(carbon absorption of other organizations，简写为CAO)。桑园碳储量的计算见式(5)，生长年限内桑叶中碳的计算见式(6)，生长年限内桑枝条中碳的计算见式(7)，储存在以根干为代表的其他组织中碳的计算见式(8)。

式(5)～(8)中，CAMG为桑园的碳储量；CAL为生长年限内桑叶中的碳储量；DWML为桑园的桑叶总生物量；DWM为桑园的桑树总生物量；k为经济系数（见公式(2)）；CL为桑叶干重的碳含量；PL为桑叶收获利用的年数。CAB为生长年限内桑枝条中的碳储量；CB为桑枝条干重的碳含量；PB为桑枝收获利用的年数；DWMB为桑园的茎干总生物量；DWM为桑园的桑树总生物量；e为支撑桑叶生长桑枝条的条长系数；f为单位条长平均生物量换算系数。CAO为储存在以根干为代表的其他组织中的碳储量；DWMO为桑园茎干根干重；CO为茎干根干重的碳含量。

1.3 主要参数的核算方法

桑叶利用系数d的计算方法见公式(9)。在实际生产中，桑园桑叶用于养蚕的比例变化较大，各地区差异非常明显，因此需要更大尺度区域的统计数据进行测算。如四川省省级统计数据中桑园面积和蚕茧产量的数据都是完整的，可以利用桑园面积和蚕茧产量数据来计算利用系数d。

式中，d为桑叶利用系数（见公式(4)）；SCO为蚕茧产量；FWMLS为养蚕用桑叶的鲜重；a为生产系数（见公式(1)）；AM为桑园面积；LYPA为单位面积桑叶产量，缺失时可取37500(kg/hm2)/年。

支撑桑叶生长桑枝条条长系数e的计算方法：虽然四川桑园的采摘桑叶喂养蚕的批次是4个，但夏秋季节是连续采摘，主要的桑叶采收批次可分为两个大的连续批次，即春季和夏秋季，通常春季的桑叶产量约15000 kg/hm2，夏秋季约22500 kg/hm2。虽然有条桑育和片桑育之分，其中片桑育又有夏伐和冬伐等不同组合模式，但四川地区养蚕主要以片桑育为主，年内桑枝条的主要收获次数以1次为主。因此，采用四川地区蚕桑生产上的经验数据：每米桑枝条的桑叶鲜重为120 g，则支撑桑叶干重生长桑枝条的条长（系数e）可由公式(10)计算得到。

式中，e为支撑桑叶生长桑枝条的条长系数；SCL为春季桑叶产量；PC为养蚕桑叶收获批次；LWBM为每米桑枝条的桑叶鲜重；b为叶片干物质含量。

单位条长桑枝条平均生物量换算系数f的计算方法：为了计算平均单位条长桑枝条生物量换算系数f，构建每米标准枝条，按照圆柱形体积公式，计算每米桑枝条的体积为100×3.14×0.502=78.50 cm2，按照桑树通用的木材密度为0.44 g/cm2计算，平均单位条长桑枝条生物量换算系数f等于0.03454 kg/m。

各组织器官碳含量的测定或估算依据：通过对四川各地的桑叶总碳含量的实测发现，四川地区桑树主要为低干桑树栽培模式，据大田实测桑园栽培密度约15000株/hm2，成熟时干高60 cm，树干平均直径10 cm，桑叶总碳含量在37%～41%之间，平均值为40%左右，缺失值可取该值。桑枝条和茎干组织总碳含量尚无实测数据，可参考其他相关文献中软阔枝条的碳含量数据。张红爱[16]在广东测定的软阔类树木树干、树枝和树根的平均碳含量分别为51.76%、52.12%和50.01%，这与Lamlom等[17]、Thomas等[18]的研究结果相一致。故在缺失值条件下，枝条和茎干的碳含量可取值为50%。

1.4 对比模型的选择

本研究选用《森林生态系统碳储量计量指南》（LY/T 2988—2018，公式(11)～(13)）中的灌木模型作为对照。

式中：Cag表示桑园地上部分碳含量，Cbg表示桑园地下部分碳含量。B1表示桑园中地上部分单位面积生物量，本研究为缺失值，采用12.51 t/hm2。B2表示桑园地下部分单位面积生物量，本研究为缺失值，采用6.721 t/hm2。CF1表示桑园地上部分生物碳储量，采用0.47。CF2表示桑园地下部分生物碳储量，采用0.47。S表示面积。CAMG表示桑园的碳吸收量，单位为t。

1.5 统计与分析

利用配对t检验本研究模型对四川2000—2018年桑园碳汇估算结果和对照模型计算结果之间的差异，置信度取95%，双尾检验。数值计算、配对t检验和数据展示皆基于软件Excel 2016。

2 结果与分析

2.1 四川桑园的桑叶利用系数

由表1可知，稳定投产的桑园的桑叶利用系数在0.35及以上。而2000年、2016—2018年桑叶的利用率低于0.30，表示该时期存在大量的尚未投产的新栽桑园。

表1 2000—2018年四川省的桑园面积、蚕茧产量和桑叶利用系数

2.2 基于本研究模型的四川省桑园逐年碳汇估算

由图2可知，根据本研究模型计算出的2000年四川省桑园的年碳储量为135.00万t。2001年四川省桑园年碳储量减少为108万t后，进入持续增长阶段，2018年的桑园碳储量达到142.39万t。年桑园碳储量中叶片的贡献最大，占总量的44.44%；其次是桑枝条，占总量的26.65%；根干等其他组织合计占总量的28.90%。这表明桑叶和桑枝是桑园生态系统碳汇的主要贡献者。按此计算出的桑园植被层当年平均碳密度为10.13 t/hm2，其中桑叶的当年碳密度为4.50 t/hm2，桑枝的当年碳密度为2.70 t/hm2。

图2 基于本研究模型计算出的2000—2018年四川省桑园碳储量

2.2 基于本研究模型的、以2000年基准的四川省桑园累积总量

由图3可看出，桑园累积碳汇是由2000年135万t逐年累积收获，至2018年已经累积碳汇达1636.25万t，其贡献主要来自于叶片和枝条每年收获和生长所得到的可累积的碳储量。由于叶片和枝条占比随时间增长而增加，从2000—2018年，四川桑园桑叶对碳汇的贡献从占比44.44%累积到了60.94%，桑枝条的贡献也从26.654%累积到了36.55%。而根干等其他组织的碳汇贡献从28.9%降低到了2.52%。

图3 基于本研究模型计算出的2000—2018年四川省桑园的累积碳汇量

2.3 本研究模型与对照模型的差异性比较

由表2可知，本研究模型计算出的当年碳储量大于与对照模型计算出的当前碳储量，其两者的差值在11.5万～15.3万t之间。对照模型碳储量低估了10.73%的桑园年储量。对照模式作为森林生态系统常用模型，并未考虑收获部分的累积碳汇效应。这种忽略的碳汇贡献随着时间增长而递增，对照模式被低估碳汇量在不断地累积增多。如果按照对照模型进行核算，四川地区从2000—2018年桑园的累积碳汇贡献将被低估90%以上。

表2 对照模型计算出的2000—2018年四川省桑园的碳储量及其与本研究模型计算结果的差异

3 结论

在“东桑西移”项目实施后，中国西部桑园面积显著增加，年增加桑园面积约7924.69 hm²[19]。其中，随着四川省川桑产业的不断发展，四川桑园将在农业生态系统或经济林生态系统的碳汇中做出重要贡献。虽然在生长的同时，桑叶占桑树生物量比例不超过20%，但蚕桑养殖桑叶收获的背景下，当年桑叶碳储量占桑园碳汇量的44.44%。森林生态系统储量计量指南（对照模型）所计算的碳储量为当前地上和地下碳汇的总量，虽然比本研究模型的计算结果理论上低了10.73%，但总的来说，这个差异在年内是可以接受的。但问题的关键在于对照模型没有考虑到桑叶被采摘以及被采摘后再生长的情况。而本研究模型的优点是考虑了收获年和收获量的问题（公式(6)、(7)），如此可更为全面地反映桑园生态系统的整体碳汇贡献。

基于本研究模型，本研究对2000—2018年四川省桑园碳汇进行测算，得到以下4点结果：（1）2018年桑园当年碳汇量为142.39万t。（2）桑叶和桑枝是桑园当年碳汇的主要来源，其碳汇量分别占桑园总碳汇量的44.44%和 26.65%。（3）以 2000年为基准年，2000—2018年间四川桑园的累积碳汇量为1636.25万t。（4）随着收获年的不断增加，桑叶、桑枝的累积碳汇贡献也逐年增加，以2000年为基准年，到2018年桑叶和桑枝的累积碳汇贡献分别占桑园累积碳汇总量的60.94%和36.55%。

需要注意的是，本研究模型是在样本量还相对较少、桑园碳汇基础数据还缺乏的背景下，基于四川地区所有桑园均用于蚕的片桑育养殖的假设下提出的，尚有许多局限性，对于条桑育桑园、果用桑园、菜用桑园等其他生产技术背景下的桑园碳汇评估尚不具备可参考性。因此，对于桑产业这个重要的、具有碳汇功能的农业或林业产业而言，尚需要做大量的基础研究工作，作者们希望未来能更加具体地、有针对性的分地区、分用途进行更为精准的碳汇评估，制定各尺度上桑园生态系统固碳效应的技术标准，这对中国“双碳”目标的实现具有重要意义。

此外，本研究仅仅测算了桑园桑树的碳储量，尚不能完全代表桑园的整体碳储量，未来还将进一步补充土壤的碳储量[20]、杂草碳储量、间作物碳储量、动物碳储量等。由于造林[21]和农事经营管理[22]对于土壤有机碳的影响过程是复杂的、长期的，加之桑园多元化利用方式的逐渐增加，如何更为准确地评估的桑园的土壤碳库也是桑园碳库评估中亟需解决的重要问题。