广东省珠三角乔木林生物量碳储量评估

李康杰,胡中岳,刘 萍,徐正春

(1.华南农业大学,广州 510642；2.国家林业和草原局中南调查规划院,长沙 410014)

碳汇研究是当前全球气候变化研究中的重点课题[1],而森林是碳汇的主要来源,森林生态系统可以将大气中的二氧化碳(CO2)吸收,固定在植被与土壤中[2],从而减少大气中的CO2含量,达到缓解温室效应和全球气温升高的作用[3]。有数据表明,森林生态系统储存了大约80%的地表碳和40%的地下碳[4-5]。因此,通过森林生态系统的固碳功能来缓解全球气候变暖问题被看作为现阶段较为有效的方法之一[6]。森林生物量是研究碳循环、森林生产力、净第一性生产力等方面的重要依据,被普遍认为是影响森林生态系统正常运转的主要营养物质与能量基础[7-8],而森林生态系统中的生物量和碳储量主要来源于乔木林[9]。因此,研究乔木林的生物量与碳储量情况,既能助力于区域森林质量的提升的研究,也可以服务于我国目前的“双碳”战略[10-11]。研究森林生物量碳储量主要是研究其分布特征及造成该结果的原因,分析其影响因子。Hudak等[12]研究发现,地上生物量和碳储量的变化与森林的演替状况有关,幼龄林分的生物量比成熟林分少2～3倍；刘萍等[13]发现森林生物量和碳储量与森林的蓄积量息息相关,可以通过提高森林的经营管理水平,增加森林蓄积量从而增加森林生物量与碳储量；左雪漫等[14]发现森林的林地覆盖情况与海拔梯度息息相关,同样影响着森林的生物量与碳储量。

2020年4月,珠三角国家森林城市群作为我国首个森林城市群正式建成,《广东省国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,将“粤港澳大湾区世界级森林城市群”建设列入“生态建设与修复重点工程”第一位,《广东省林业保护发展“十四五”规划》提出建设全域国家森林城市,通过深入推进珠三角森林城市群建设,不断提升区域森林城市建设水平。在这一背景下,本研究采用2017年广东省第九次国家森林资源连续清查数据,并充分发挥这一数据作用,应用单木生物量模型计算每一个固定样地、每株乔木林地上生物量,通过比较分析各优势树种、各龄组、各区域和不同海拔单位面积生物量和碳密度分布特征,进一步提出森林经营技术途径,以期为提升珠三角森林群建设水平,提升区域的森林质量和可持续发展,实现“双碳”目标提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概括

珠江三角洲(21°31′～23°10′N,112°45′～113°50′E)地处广东省的中南部,珠江下游,共包括广州、深圳、珠海、佛山、江门、肇庆、惠州、东莞、中山在内的9个城市,区域总面积约5.6万km2,被称为中国的“南大门”。主要树种包括桉树类(Eucalyptus)、栎类(Quercus)、木荷(Schimasuperba)、枫香(Liquidambarformosana)、马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)和湿地松(Pinuselliottii)等。

1.2 样地数据

使用2017年广东省第九次全国森林资源连续清查数据,通过筛选珠三角区域的样地,剔除非林地、无活立木蓄积、非乔木林地的样地,共得到334个乔木林样地(样地为边长25.82 m的正方形,面积0.066 7 hm2),主要选取森林类型、起源、优势树种、胸径、树高、郁闭度、龄组树种结构、权属、样木株数和林木蓄积等因子。其中,样地中的样木数据为胸径≥5.0cm正常生长的乔木树种,本文的主要研究对象为乔木林地上生物量。

1.3 生物量与计算

森林生物量主要包括地上生物量和地下生物量,本次研究主要聚焦于森林地上生物量,样地生物量通常的计算方法有换算因子连续函数法和单木模型计算方法。本文采用单木生物量模型计算乔木生物量,通过乔木生物量相加得到样地生物量。样木生物量的计算,大多是利用胸径和树高通过模型计算得到,因为全国森林资源连续清查数据的单木数据没有树高数据,所以本文只用一元胸径模型计算单木生物量。本次研究中单木的树种多种多样,通过筛选统计一共20个树种。因此,基于样地中每木检尺数据,按照马尾松[15]、湿地松[16]、杉木[17]、木荷[18]、枫香[19]、栎类[20]相关行业标准和曾伟生[21]立木胸径-生物量模型估算样木的地上生物量。公式如(1)、(2)、(3)式所示:

M=a×Db

(1)

(2)

a=0.3×p

(3)

式中:M是立木地上生物量(kg)；D是立木胸径(cm)；a,b为模型参数(表1)；p为木材基本密度(g/cm3)(表2)。

表1 地上生物量模型参数值

表2 各树种(组)的平均木材基本密度和通用性一元地上生物量模型参数值

1.4 森林地上碳储量计算

对于碳储量的估算，本文利用王念奎[22]和林炜等[23]的华南地区的各优势树种含碳率进行估算,具体参数如表3所示,公式如式4所示。

表3 按生物量加权的各林分含碳量

Cj=Bj×Cc

(4)

式中:Cj是第j种森林类型的碳密度(t/hm2),Bj是第j种森林类型的单位面积生物量(t/hm2),Cc为不同树种的碳含量(%)。

2 结果与分析

珠三角区域内334个乔木林固定样地单位面积地上生物量和碳密度特征值如表4所示。

表4 乔木林单位面积生物量及碳密度

2.1 不同龄组森林生物量与碳储量分布特征

一个区域森林年龄结构组成的合理程度,是该区域森林生态系统可持续发展的基础。由表5可知,森林的生物量碳储量与森林的龄组密切相关。珠三角乔木林中幼林居多,乔木林不同龄组生物量和碳储量比例从大到小顺序依次为:幼龄林>中龄林>近熟林>成熟林>过熟林；平均单位面积生物量和碳密度由大到小顺序依次为:成熟林>近熟林>过熟林>中龄林>幼龄林。从表5来看,现阶段中、幼龄林生物量与碳储量占比最大,但是它们的单位面积生物量和碳密度比较小；成熟林在区域内的分布面积过小,但其单位面积生物量和碳密度是最高的。可见,中、幼龄林所占面积过高是导致现阶段珠三角森林生物量偏低的一个重要因素。现阶段中、幼龄林比重很大,如果能得到良好的保护,珠三角的森林生物量与碳密度将会不断增加。

表5 乔木林各龄组的生物量及碳储量

2.2 不同优势树种森林生物量及碳储量分布特征

乔木林生物量和碳储量中占比最大的是阔叶混交林,其生物量和碳储量分别占到了总量的38.86%和38.28%；其次是按树林,分别为总量的18.24%和17.79%；再次是针阔混交林,分别达到了总量的11.87%和11.92%。从单位面积生物量和碳密度来看,栎类最高,分别为92.05t/hm2和44.17t/hm2,其次是马尾松、其他软阔和木荷。可以看出,虽然桉树占总生物量的比重大,但是其单位面积生物量和碳密度只有48.05t/hm2和22.82t/hm2。各优势树种生物量碳储量及其单位面积生物量和碳储量如表6所示。

表6 乔木林各优势树种的生物量及碳储量

进一步对优势树种的生物量与碳储量进行分龄组分析,如表7所示,桉树在幼龄林到成熟林期间的单位面积生物量和碳密度逐渐增多,成熟林时分别为78.27t/hm2和37.16t/hm2,相对偏低；杉木单位面积生物量和碳储量在各个年龄阶段都比较低；其他硬阔和樟木样地较少且都是幼龄林,因此单位面积生物量和碳密度偏低。成熟林中,针阔混交林、木荷、马尾松和阔叶混交林的单位面积生物量比较高,分别达到了134.25,102.74,90.90t/hm2和89.39t/hm2,碳密度分别达到了65.69,48.57,47.92t/hm2和42.87t/hm2；近熟林中,楠木、木荷和阔叶混交林的单位面积生物量和碳密度较高；中龄林中,栎类和其他软阔单位面积生物量和碳密度比较高。

表7 乔木林分优势树种各龄组单位面积生物量和碳密度

2.3 不同县市森林生物量及碳储量分布特征

从空间分布格局来看,珠三角乔木林生物量和碳储量呈现外围高、中间低,东西部高、南部低的趋势。其中,肇庆市和惠州市森林生物量和碳储量占到了地区乔木林生物量和碳储量的一半以上。肇庆、惠州、广州和江门4个城市乔木林生物量和碳储量占到了91.12%和91.16%,其余5个城市只占了8.88%和8.84%,这与珠三角的森林资源分布规律一致。各市生物量、碳储量及其单位面积生物量、碳储量如表8所示。从表8可以看出,珠三角乔木林生物量和碳储量的分布并不均匀,想要增加珠三角整体的生物量与碳储量,提升珠三角的森林质量水平,佛山、东莞、珠海、中山和深圳这5个城市还需加大城市森林的覆盖。

如表8所示,东莞市和中山市生物量和碳储量占比较低,但其单位面积生物量和碳密度却很高,东莞市达到了102.92t/hm2和48.98t/hm2,中山市达到了122.87t/hm2和59.17t/hm2。进一步对各城市的森林生物量和碳储量进行分龄组的划分,由表9所示,东莞市的生物量和碳储量占比以中龄林、成熟林和过熟林为主,生物量占比分别为32.11%,33.28%和34.61%,碳储量占比分别为33.01%,33.05%和33.94%。中山市以成熟林为主,生物量占比达55.35%,碳储量占比为55.12%。虽然肇庆市和惠州市生物量和碳储量占比较大,但是单位面积生物量和碳密度却比较低。分析发现,这两个城市的林龄组成主要以中、幼龄林为主。进一步对优势树种进行划分后发现,东莞市的优势树种主要为木荷、相思Acaciaconfusa和针阔混交林,中山市以阔叶混交林和针阔混交林为主。

表8 各县市乔木林单位面积生物量及碳储量

表9 各县市各龄组生物量和碳储量分布

2.4 不同海拔乔木林生物量及碳储量分布特征

海拔是影响生物量与碳储量的重要因子,探究海拔与生物量碳储量之间的联系。将海拔分为5个等级,如表10所示。珠三角地区生物量与碳储量主要分布在200～500m的海拔,其中单位面积生物量和碳密度总体来说随着海拔的增加而增加,当海拔大于500m的时候,单位面积生物量和碳密度分别达到了103.94t/hm2和50.03t/hm2。由此可见,海拔越高的地方单位面积生物量和碳密度越高。

表10 各海拔的单位面积生物量及碳密度

3 结论与讨论

3.1 调整龄级结构 提高固碳潜力

珠三角中幼龄林生物量和碳储量占比较大,分别占到了72.11%和71.68%,但是,中、幼林的单位面积生物量和碳密度相对较低。相对来说,成熟林的单位面积生物量和碳密度比较高,达到了84.53t/hm2和42.10t/hm2,但是占比较少,仅占区域森林生物量和碳储量的8.64%和8.84%。现阶段中、幼龄林面积蓄积占比较大,导致区域生物量和碳储量较低[13]。建议加强中、幼林龄抚育,优化区域林分龄级结构,持续提高珠三角森林城市群碳密度和森林碳汇潜力。

3.2 调节树种结构 增强固碳能力

森林生物量和碳储量与优势树种密切相关,栎类单位面积生物量与碳密度最高,其次是马尾松、其他软阔和木荷等树种。对优势树种进行龄组划分,可知成熟林中,针阔混交林、木荷和马尾松的单位面积生物量和碳密度比较高；近熟林中,楠木、木荷和阔叶混交林等较高；中龄林中,栎类、其他软阔和阔叶混交林比较高。因此,珠三角想要提高森林的生物量与碳储量,在进行林分改造时建议多营造木荷、针阔混交林、栎类和阔叶混交林等,这些树种都有比较高的单位面积生物量和碳密度。桉树的单位面积生物量和碳密度较低,在珠三角,桉树一般为速生丰产用材林和短轮伐期用材林,轮伐期短,单位面积生物量和碳密度较低。

3.3 推进城市绿化 增加森林覆盖

珠三角生物量与碳储量主要分布在肇庆、惠州、广州和江门4个城市,占到了90%以上,中部、南部其他5个城市生物量较低,只有不到10%,与珠三角的森林分布基本一致[24],增加城市森林覆盖是提高城市森林碳汇功能的重要途径。东莞市和中山市单位面积生物量和碳密度比较高,这是因为,这两个城市的森林主要以成熟林为主,东莞市的优势树种主要为木荷、相思和针阔混交林,中山市的优势树种为阔叶混交林和针阔混交林,树种结构和龄组结构是影响单位面积生物量和碳储量的重要因素。

3.4 减少人为干扰 加强森林保护

单位面积生物量和碳密度随着海拔的增加而增加,当海拔大于500m的时候,单位面积生物量和碳密度分别达到了103.94t/hm2和50.03t/hm2。可见,海拔越高的地方单位面积生物量和碳密度越高[25-26]。这可能是因为在低海拔地区人为活动较多,特别是珠三角地区城市化水平较高,人为干扰因素大,而在高海拔地区,人为干扰少,森林保护较好。因此,需要加大森林保护力度，减少人为干扰,提高珠三角森林碳汇能力。