云南省天然林碳储量和碳密度动态变化探析

胡忠宇,苏建兰,龙 勤,李茂梅

(1.西南林业大学 经济管理学院,昆明 650224；2.辽宁师范大学,辽宁 大连 116029)

森林生态系统在调节全球碳平衡和减缓气候变化方面发挥着越来越重要的作用[1],且森林生态系统有着较强的碳储能力,有研究数据表明,森林碳储达到陆地生态系统的76%～98%的水平[2]。森林碳储量是森林生态系统结构、功能以及森林质量评价的重要指标之一,同时也是联合国气候变化框架公约和千年发展目标的重大研究内容[3]。天然林生物链条独立完整,物种分布极为丰富,对调节区域碳平衡以及改善环境和气候有积极作用[4],因此,天然林碳储量的研究对于实现“碳达峰、碳中和”以及生态文明发展目标有着重要意义。

云南省属于西南林区的重要组成部分,天然林的碳汇贡献在“碳达峰、碳中和”战略实施中发挥着巨大作用。然而,有关云南天然林碳储量与碳密度的研究较少,其中杨英等[5]以3期森林资源清查数据预测了云南省2012—2027年森林碳汇潜力；汤浩藩等[6]、肖义发等[7]、马林等[8]以云南省二类清查数据为基础并采用生物量法,分别从省域和县域角度定量推算全省整体碳储量和碳密度,但均未深入剖析全省天然林碳汇贡献和动态变化情况。另有学者就云南省不同类型优势树种(组)的固碳现状和碳汇潜力进行研究,龙廷位等[9]、茶枝义[10]采用不同的碳储量计量方法分别估算思茅松(Pinuskesiyavar.langbianensis)、针叶林(coniferous)碳储量和碳密度变化情况。现有学者针对云南省整体碳储量和碳密度开展了诸多研究,但对天然林碳储量、碳密度的研究较少,难以准确推定天然林对云南省乃至全国“双碳”目标的突出贡献。为此,本研究从云南省天然林视角宏观剖析其总碳储量和碳密度,微观诠释不同龄组、林种、优势树种(组)碳储量和碳密度现状和动态变化,旨在丰富理论研究的同时,为后期云南天然林经理政策制定和经营实践提供决策依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

九次全国森林资源清查(1973—2018年)数据显示,第一次全国森林资源清查数据未按林分起源统计各优势树种面积和蓄积,本研究采用的生物量转换因子法需以云南省天然林各优势树种面积和蓄积为基础做后期测算,故以第二次清查(1977—1981年)至第九次清查(2014—2018年)数据为基准,展开云南省天然林碳储量、碳密度的总量分析。自1998年以来,国家大力推进天然林保护措施,相继提出减少、停止天然林商业性采伐、完善生态补偿机制、制定推行生态保护红线等政策,本研究基于该时间段利用第七次(2004—2008)至第九次(2014—2018)三期15年全国森林资源清查数据,于微观层面分析云南省天然林各龄组、各林种、各优势树种(组)的碳储量、碳密度现状和变动趋势。

1.2 研究方法

1.2.1森林碳储量估算方法

不同龄组、不同类型优势树种在碳储能力上存在差异,另外，各优势树种地上部分、地下部分都有储碳能力,在充分考虑上述影响后,采用政府间气候变化专门委员会(IPCC)利用森林蓄积(V)、生物量换算因子(BEF)、木材密度(WD)、根茎比(RSR)等参数建立的木材生物量估算模型,即生物量转换因子法,估算云南省天然林碳储量[11],具体公式如式(1)所示。

(1)

式中:CT表示的是总的碳储量；Vj,k指的是第j类优势树种第k龄组的蓄积量(m3)；WDj指的是第j类优势树种基本木材密度(t/m3)；BEFj,k指的是第j类优势树种第k龄组的生物量扩展因子(无量纲)；RSRj,k指的是第j类优势树种第k龄组的地下生物量和地上生物量的比值(无量纲)；CFj指的是第j类优势树种的含碳率(%)。

1.2.2碳密度计算方法

植被的碳密度指的是单位面积内植物通过光合作用固定CO2以后产生的有机物储量,碳密度值是衡量树木生长质量的重要指标之一,对碳密度的合理估算可为后期森林经营方案的制定提供数据支撑,进而为提出切实可行的“稳碳增汇”措施提供科学依据。

国内外学者对碳密度的推算在小区域、国家层面都有了较为成熟的方法。本研究采用的计算公式为:

Cρ=CT/S

(2)

式中:Cρ表示碳密度(t/hm2)；CT为推算储碳总量(t)；S为森林面积(hm2)。

2 结果与分析

2.1 云南省天然林发展概况

1981—2018年近40年间,在八次全国森林资源清查结果中,云南省天然林面积和蓄积保持稳定增长,天然林面积从第二次全国森林资源清查(1977—1981年)的790.15万hm2增长到第九次全国森林资源清查(2014—2018年)的1 452.10万hm2,总增长率达到83.78%,年均增长率为1.70%；天然林蓄积由109 090.09万m3增长到175 619.57万m3,总增长率为60.99%,年均增长率为1.33%(图1)。

图1 云南省历次森林资源清查天然林面积、蓄积量

图1显示,全国森林资源清查下的云南省天然林面积在1977—1993年期间略有波动,森林蓄积值保持相对稳定。自第四次森林资源清查起,云南省天然林面积和蓄积实现持续双增长,说明国家天然林保护工程的启动与深入开展,较好地保护了该省天然林资源,提高了天然林质量,以生态效益为基准的森林经营取得了实质性进展。

2.2 云南省天然林总碳储量、碳密度变化状况

云南省天然林良好的发展势头极大地增强了碳汇功能,体现出巨大的碳汇潜力。基于碳储量和碳密度测算方法,本文以全国八次森林资源一类清查数据估算云南省天然林的总碳储量和碳密度[12](表1)。

表1 云南省天然林碳储量、碳密度

2.2.1云南省天然林总碳储量变化状况分析

由表1可知,第二次至第三次全国森林资源清查期间,云南省天然林碳储量总量呈下降状态,绝对量减少了249.22万t，直至第四次全国森林资源清查期间,天然林碳储量才恢复至第二次的水平。说明我国“木头经济”对天然林产生了较大的破坏,为推动经济发展,大量天然林被采伐,使其整体质量下滑,碳储量也随之下降。第五次至第九次全国森林资源清查期间,云南省天然林碳储量呈现持续上升趋势,增长率分别达到15.33%,7.52%,25.19%,4.31%,11.41%,其中以第七次清查时的数据增长最为显著。总体而言,依据八次全国森林资源清查数据估算,云南省天然林碳储量从第二次清查的45 088.60万t增长到第九次清查的81 015.10万t,实现了绝对增量35 926.50万t,增长率为79.68%,年均递增970.99万t,年均增长率为1.64%。云南省天然林近40年碳汇功能不断提高,为区域生态安全与“双碳”目标作出了较大贡献。

2.2.2云南省天然林总碳密度变化状况分析

云南省天然林碳密度测算结果显示,碳密度总体呈“升—降—升”的态势。全省天然林碳密度由第二次全国森林资源清查期间的57.06t/hm2上升到第三次全国森林资源清查期间的60.49t/hm2,成为至今出现的碳密度推算值的最大值,第四次、第五次和第六次全国森林资源清查期间,全省天然林碳密度测算值持续呈下降状态,甚至降至40多年来的最低值(44.79t/hm2)。第七次、第八次和第九次全国森林资源清查期间,云南省天然林碳密度持续上升,分别为52.89,54.63,55.79t/hm2。云南省天然林碳密度的提高,证明树木生长质量较好,与天然林保护工程、山林所有权的落实、森林管理责任制的建立密切相关,此举保护和发展了森林资源,提高了天然林生长质量,促进木材碳密度正向增长。

云南省天然林碳储量、碳密度总体增长的态势说明,国家天然林保护一期和二期工程实施,禁止了天然林商业性采伐行为,天然林得以休养生息。同时,这一时期对天然林的积极培育、科学修复和深度保护,实现了天然林以木材生产为主向生态建设为主的转变,使其逐渐发展成为群落稳定、生物多样性丰富的陆地生态系统[13]。随着全省天然林管护制度、修复监管制度的日益完善,天然林质量得到进一步提升,天然林资源的碳汇功能不断显现,碳汇潜力将随着天然林质量的提升而不断彰显。

2.3 云南省天然林不同龄组碳储量和碳密度变化情况

2.3.1不同龄组天然林碳储量分析

以第七次、第八次、第九次全国森林资源清查数据为基础,采用生物量转换因子法推算云南省天然林5种龄组的碳储量和碳密度值(表2)。

表2 云南省天然林不同龄组碳储量及其占比

森林生态系统中,森林碳储量与植被龄组密切相关。由表2可知,云南省天然林的中龄林植被碳储量贡献总量最大,增长趋势也最为明显。第七次至第九次全国森林资源清查期间,全省天然林5种龄组的碳储量相比,中龄林最大,其次为成熟林；中龄林的碳储量占比最大,分别占各次清查的23.16%,23.93%和26.36%,呈现稳中上涨趋势；幼龄林、近熟林、成熟林和过熟林的碳储量贡献情况差距不大。

云南省天然林不同龄组碳储量除第八次全国森林资源清查期间幼龄林碳汇略有下降,过熟林因老化、碳汇功能弱化所致的碳储量持续下降外,总体碳储量呈上升状态。第九次全国森林资源清查相较于第七次全国森林资源清查,中龄林绝对值增量5 207.65万t,增长率达32.25%,年均增长额为520.77万t,年均增长率3.15%；幼龄林、近熟林、成熟林绝对增量2 447.46万,2 243.71万,1 495.08万t,增长率分别为19.70%,16.87%和10.57%,过熟林则呈现下降趋势,减少91.45万t,下降了0.67%。总体而言,以蓄积量作为重要指标的生物量转换因子法估算的云南省天然林碳储量与森林生长规律保持了一致,即:幼龄林组生长相对缓慢,过熟林衰老所致自然耗损大,两龄组植被所呈现的碳汇贡献不明显；中龄林生长极为旺盛,直径增长快,此龄组林木生物量在速生期间干材生物量迅速提高而叶生物量比例相对减少,其碳储量呈现速增态势；近熟林和成熟林生长状况居于幼龄林和中龄林之间,近熟林和成熟林的碳储量也同样居于幼龄林和中龄林碳储量之间。

2.3.2不同龄组天然林碳密度分析

木材碳密度变化和龄组结构密切相关,且呈现正相关,云南省天然林随着其木材年龄增长，碳密度值也呈线性增长。各龄组碳密度测算值和云南省天然林总碳密度差异较大(表3)。

表3 云南省天然林不同龄组林分碳密度

表3显示的云南省天然林平均碳密度分别为52.89,54.63,55.79t/hm2,云南省天然林中的幼龄林、中龄林碳密度三次测算结果均明显小于总碳密度。近熟林碳密度和总碳密度差距不大,成熟林和过熟林碳密度显著大于天然林总碳密度。测算结果说明,云南省天然林中成熟林和过熟林质量相对较高,其碳密度具有显明优势,对碳减排贡献相对较大。

2.4 云南省天然林不同林种碳储量和碳密度变化状态

2.4.1云南省天然林不同林种碳储量变化状态

《中华人民共和国森林法》按照森林的具体用途将其界定为薪炭林、特用林、用材林、防护林和经济林五大类。由于第七次、第八次和第九次全国森林资源清查公布的云南省数据集中于薪炭林、特用林、用材林和防护林,本研究对除经济林以外的4类森林开展了深入分析,并以这4种林种作为碳储量和碳密度测算的基础,分析云南天然林中不同林种的碳储量和碳密度变化状态。具体测算值如表4所示。

表4显示,基于第七次、第八次和第九次全国森林资源清查数据测算的4大林种碳储量差距明显,4种林种的碳储量关系为防护林>用材林>特用林>薪炭林,其中防护林和薪炭林碳储量估算结果差距巨大,且三次测算结果都为防护林碳储量居首位,薪炭林碳储量最少。第九次全国森林资源清查数据下的云南省天然林不同林种碳储量测算结果相较第七次清查而言,防护林、用材林、特用林、薪炭林增量分别为6 215.60万,3 172.70万,1 660.92万,253.21万t,增长率分别为22.10%,12.22%,11.25%,29.44%,年均增长率结果分别为2.24%,1.29%,1.19%和2.91%。三次清查中,碳储量贡献最大的为防护林,其贡献率分别为40.34%,43.16%,42.38%；位列第二的用材林碳储量贡献率分别为37.25%,34.04%,35.97%；特用林碳储量贡献率分别为21.17%,21.22%,20.27%；薪炭林碳储量贡献占比分别为1.23%,1.58%,1.37%。

表4 云南省天然林不同林种碳储量

云南省天然林中,防护林碳储量贡献较大,这得益于长江流域和珠江流域防护林体系建设。云南省于1989年、1996年分别启动长江和珠江流域防护林工程建设(以下简称“长防”、“珠防”),实施了长防一期工程和珠防一期、二期、三期工程,通过人工造林和封山育林、低效林改造、适用技术推广及监测体系建设,有效推动了云南省天然林资源持续增长,提高了碳汇功能,使碳储量保持了总体增长,为云南省乃至全国生态安全作出了重要贡献。此外,云南省还针对用材林结构不合理、资源不充分、对进口依赖过大等问题,因地制宜发展了云南省用材林,提高了用材林面积,使得用材林的碳汇贡献仅次于防护林。

2.4.2云南省天然林不同林种碳密度变化状态

云南省天然林不同林种碳密度差距较大,以第七次、第八次和第九次全国森林资源清查数据和碳密度计量公式推算结果显示,薪炭林、特用林、用材林和防护林碳密度测算值呈不同增减趋势(表5)。

表5 云南省天然林不同林种面积及碳密度

由表5可知,与碳储量不同的是,云南省天然林中,碳密度最大的是特用林,碳储量和碳密度最小的均为薪炭林,其碳密度大小排序为:特用林>防护林>用材林>薪炭林,除特用林外,其余林种的碳密度基本呈逐年提高的态势。第九次全国森林资源清查下的碳密度较第七次清查结果而言,防护林、用材林、薪炭林净增量分别为5.04,2.84,2.75t/hm2,总增长率分别达10.08%,6.21%和11.19%；特用林碳密度下降9.06t/hm2,下降率为9.34%。

第七次、第八次、第九次全国森林资源清查下的云南省天然林总碳密度值分别为52.89,54.63,55.79t/hm2。云南省天然林中的防护林和特用林碳密度高于总碳密度值,而用材林和薪炭林碳密度明显小于云南省总碳密度。碳密度是树木生长质量的直接反映[14],云南省天然林中防护林的面积逐年增加,但其碳密度却持续走低,说明防护林的生长质量开始变差,后期森林经营中需克服此问题；其他林种的碳密度虽呈现增长态势,但清查间隔期间的净增量较少,后期需适当进行人为干预,以保证不同林种的经营质量。

2.5 云南省天然林不同优势树种(组)碳储量和碳密度变化状态

在第七次、第八次、第九次全国森林资源清查报告中,对云南省天然林优势树种的分类分别为22种、24种、24种。本研究将碳储量较少的部分类型树种做合并,将云南省天然林优势树种归为20类,并以此为基准测算其碳储量和碳密度(表6)。

2.5.1不同优势树种(组)天然林碳储量变化状态分析

表6 云南省天然林不同优势树种森林碳储量、碳密度

第九次全国森林资源清查结果与第七次清查结果相比,其优势树种增量排序为:阔叶混>针阔混>云南松>针叶混>冷杉,其净增量值分别达19 582.14万,2 906.56万,1 759.80万,442.62万,375.23万t,分别增长172.07%,42.29%,17.86%,20.12%,12.02%。总体而言,云南省天然林中阔叶混、针阔混和针叶混的碳储量贡献值逐年提升,以阔叶混尤为明显,10年间增长率达到了172.07%,年均增长率11.76%,云南省天然林混交林碳储量的贡献值递增趋势愈加明显。

2.5.2不同优势树种(组)天然林碳密度变化状态

利用式(2),估算云南省不同类型天然林碳密度,三次清查下,天然林总碳密度分别为52.89,54.63,55.79t/hm2,呈线性增长的趋势(表5),其中各类型优势树种碳密度的变体状态如图2所示。

图2 云南省天然林优势树种碳密度趋势图

由图2可知,根据第七次、第八次和第九次全国森林资源清查数据推算的云南省天然林各类型优势树种的碳密度差异较大,其中分布于云南省山区和山谷、河流流域附近的混交林中的铁杉碳密度最大,三次清查下的碳密度分别达到196.17,199.26,217.78t/hm2,碳密度估算结果远远大于其他类型的树种,且第九次全国森林资源清查结果相较于第七次清查结果绝对增量为21.61t/hm2,增长率为11.02%。杨树的碳密度最小,三次清查下的估算结果分别为12.07,20.85,19.08t/hm2。此外,三次清查下的云南省天然林不同优势树种的碳密度大小排序也出现了变化。第七次全国森林资源清查中,碳密度排前四的优势树种大小关系为:铁杉>云杉>冷杉>桦木,铁杉、云杉的碳密度优势明显；第八次全国森林资源清查结果排名前四的优势树种大小发生了变化,即为:铁杉>桦木>云杉>冷杉；第九次全国森林资源清查结果则为:铁杉>柏木>落叶松>冷杉。由此说明,不同优势树种生境、生长质量等对其碳密度影响较大。

3 结论与讨论

3.1 结论

1)云南省天然林碳储量和碳密度持续增长。1981—2018年间,全省天然林碳储量从45 088.60万t增长到81 015.10万t,净增35 926.5万t,年均储碳增量为970.99万t,碳密度波动起伏且呈“升—降—升”态势。特别值得一提的是,2004—2018年间,云南省天然林碳密度从44.79t/hm2提高到55.79t/hm2,该值与李海奎等[16]采用生物量经验(回归)模型估算得到的云南省乔木林总碳密度51.18t/hm2相近,和全国天然林碳密度值47.82t/hm2差距较小,同方精云等[17]、Fang等[18]推算的天然林碳密度48.75t/hm2差距不大,说明生物量转换因子法在天然林碳储量和碳密度测算中具有科学合理性。

2)云南省天然林林龄与碳储量、碳密度密切相关。采用生物量法估算的云南省天然林碳储量、碳密度值与林龄密切相关,全省天然林中,中龄林碳储总量与增量均最大,幼龄林和过熟林的森林碳汇贡献较少,符合不同龄组生长特性,不同龄组天然林的碳密度大小排序为:过熟林>成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林,即树种龄组越大,碳密度越大,此结果与李海奎等[16]推算的乔木林分龄组碳密度排序结果一致,和黄从德[19]、王宁[20]按龄组测算的碳密度趋势相同。

3)云南省天然林不同林种的碳储量和碳密度呈动态变化。从不同林种来看,三次清查期间其碳储量排序均为:防护林>用材林>特用林>薪炭林；碳密度排序均为:特用林>防护林>用材林>薪炭林。

4)云南省天然林不同优势树种的碳储量和碳密度差异较大。研究结果显示,栎类、阔叶混、云南松、针阔混、其他软阔类和冷杉是云南省天然林碳储量的主要贡献者,其中栎类和阔叶混的贡献值一直居于前二。在碳密度方面,铁杉碳密度最大,达196.17～217.78t/hm2,该研究结果和王效科等[21]估算的我国不同森林生态系统类型的植物C密度趋势结果基本吻合。另外,从变化趋势看,第九次全国森林资源清查所得碳储量数据较第七次清查数据有所增量,其中阔叶混增长趋势最为明显,年增长率达11.76%,云南省天然林各树种组成向混交林变化的趋势显著。

5)基于样地清查数据并采用生物量法估算的云南省碳储量和碳密度准确性较高,可反映云南省天然林固碳能力和生长实际情况。该研究结果对于摸清全省碳汇“家底”,探析云南省天然林在“碳达峰、碳中和”中的具体贡献有重要意义,为后期天然林经营和管护政策制定、经理实践提供了决策依据。

3.2 讨论

结合云南省天然林总碳储量和总碳密度,不同龄组、林种、优势树种碳含量和碳密度动态变化研究结果,针对云南省天然林经营,以稳碳增汇助推“碳达峰、碳中和”目标如期实现,可多角度实施天然林可持续经营政策。

1)从宏观林业政策层面来看,在天然林经营管护过程中,需持续推行天然林林长制,将其与巩固脱贫攻坚成果、乡村振兴相衔接[22]。各州市设立的林长应深入贯彻“两山理论”,在保证天然林资源不受损害的前提下,科学制定规划,因地制宜发展生态旅游、森林康养等“森林+”模式,促进林业一二三产业融合发展,在促进天然林森林资源高质量发展的同时，实现经济发展和环境保护双重目标。

2)从中观管理机制层面来看,需完善天然林生态补偿补助机制。云南省可在现有补偿机制上把纳入国家和地方生态公益林的天然林生态补偿分为两部分,即政策性补偿和劳务性补偿[23]。针对集体和林农为保护天然林而产生的损失,应给予政策性补偿；同时对林农参与建设和保护天然林的投入行为予以劳务性补偿,构建实施动态补偿机制,提高林农参与天然林管护的积极性和主动性。

3)从微观经营管护层面来看,对于天然幼龄林,应优化其优势树种组成,伐除生长质量低劣、生长态势不好的树种。中龄林因其生长特性,固碳能力最强,碳汇贡献最大,应积极抚育幼龄林,保证其良性健康生长为中龄林。此外,还应抓住本土林种优势,提升全省防护林生长质量,充分挖掘碳汇潜力,在新造林选择上,着重选择阔叶混、栎类、云南松、针阔混、冷杉等固碳能力强,生长质量好的优势树种,进一步提高天然林固碳量,助推“双碳”目标如期实现。