人工林碳储量研究进展

伍琪，任世奇*，韦振道，任一平

人工林碳储量研究进展

伍琪1，任世奇1*，韦振道1，任一平2

(1.广西壮族自治区林业科学研究院/南宁桉树森林生态系统广西野外科学观测研究站，广西 南宁 530002；2.广西大学，广西 南宁 530004)

为了解人工林在我国森林生态系统乃至整个陆地生态系统中的固碳作用，在梳理国内外相关文献的基础上，分别从影响因素和研究方法两方面对人工林生态系统碳储量研究进展进行了归纳总结，并在此基础上提出了新的研究方向，以期为人工林经营管理和人工林碳储量计算提供理论依据。

人工林；碳储量；影响因素；研究方法

碳达峰、碳中和是目前全球范围关注的热点问题，增强生态系统碳汇功能便是实现碳中和的有效手段之一[1]。森林碳储量占陆地碳储量的33% ～ 46%，是陆地生态系统中最重要的碳库[2]。围绕森林碳储量，国内外专家学者采用不同研究方法从不同尺度分别开展了估算工作。方精云等[3-4]研究表明，人工林是中国森林植被碳储量增加的主要贡献者。营造人工林已成为固定大气中的CO2、防止全球气候继续变暖的有效途径之一[5-6]。我国是世界人工林第一大国[7-8]，截至2021年，人工林面积已占全球73%[1]，但目前我国人工林主要以幼林龄和中林龄为主，且普遍存在稳定性差、树种单一、生物多样性差、质量低下等问题[9]。随着人工林幼林龄和中林龄的生长、人工林管理水平的不断提高，根据碳汇潜力的变化调整人工林经营管理措施，将会使我国人工林在碳密度和碳储量方面产生巨大的增长空间[10]。因此，深入研究人工林碳储量，对我国实施CO2减排，实现2060年碳中和战略具有重要意义。本文在梳理了相关研究资料的基础上，从影响因素、研究方法等方面对人工林碳储量目前的研究进展进行了总结，并探讨存在问题，提出研究展望，以期为估算人工林碳储量、评估碳汇价值、优化人工林经营模式、增强人工林固碳能力提供重要科学依据。

1 人工林碳储量

人工林碳储量指的是林木的生物量(根、茎、叶、果、皮等)、林下植被层生物量、林下凋落物、枯死木以及林地土壤中碳的储量总和[11]。有研究显示，关于森林碳储量的报道最早出现在20世纪90年代，PAUL[12]研究了森林集约经营对其碳储量的影响；国内阮宏华等[13]最先进行了苏南丘陵地区森林碳储量研究。进入21世纪，FANG等[14]采用第1 ～ 5次森林资源清查数据估算我国森林碳储量，证明我国森林对碳汇具有重要作用，从而使我国在森林生物量及碳储量研究方面取得了重大突破。

2 影响因素

人工林固碳能力通常会受到多种因素的影响，大致可分为自然条件和人为因素。自然条件包括气候(如气温、光照、降水)、地形(如海拔、坡向、坡度)、土壤等，人为因素包括树种选择、经营管理措施等，其中树种类型、林分年龄、林分密度、营林措施被认为是对人工林碳储量影响的四大主要因素[15]。

2.1 树种类型

不同人工林树种固碳能力各不相同，树种类型是决定人工林碳储量的重要因素之一[16]。人工林的树种组成不同，冠层的光合固定能力差异显著，进而导致凋落物产量、质量、种类也各不相同，从而不同程度影响人工林生态系统碳源和碳汇功能。例如，意大利中部山毛榉()人工林每年固碳量为450 gC·m‒2，俄罗斯西伯利亚东部欧洲赤松()林年固碳量为440 gC·m‒2，而瑞典中部挪威云杉()林年固碳量为70 ～ 220 gC·m‒2[17]。我国有研究者对安徽省乔木林固碳能力对比发现，年均固碳能力依次排序为杉木()>马尾松()>杨树(spp.)[18]。广西罗城马尾松、杉木、桉树(spp.)人工林生态系统碳储量研究发现：杉木>马尾松>桉树[19]。还有研究者对我国6种主要人工乔木林2009—2018年碳储量研究发现杉木>杨树>落叶松()>桉树>马尾松>油松[1]。河北省乔木林2018年碳储量研究发现栎类>桦木(spp.)>杨树>油松()>落叶松>刺槐()>榆树()>阔叶混[20]。可见，不同树种的碳密度差异较大，总体上针叶类碳密度低于阔叶类[21]；而多树种组成的人工林比纯林具有更高的土壤碳固定能力[22]。

2.2 林龄

有关不同龄组桉树碳储量变化规律的研究结果表明[23-25]，桉树人工林固碳量大小为中龄林>近熟林>幼龄林>成熟林>过熟林，其中树干有机碳贮量所占比例迅速增大，树枝、树皮、树根反而逐渐减小，树叶占比呈先增大后减小趋势。肖君等[21]对福建省天然乔木林碳储量动态变化研究发现，其碳储量大小依次为中龄林>近熟林>成熟林>幼龄林>过熟林，这与桉树人工林稍有差别。陶玉华等[19]对不同林龄马尾松、杉木、桉树生态系统碳储量研究发现，马尾松和桉树碳储量均随着林龄增加而增大，杉木碳储量则表现为过熟林>成熟林>中龄林>近熟林>幼龄林。林龄对各林型生态系统各组分碳储量分配的影响不同，地上碳储量随林龄的增大而呈逐渐增加的趋势，地下碳储量随林龄的变化表现不同[20,26]。魏文俊等[27]的研究结果表明，杉木人工林乔木层碳密度随着林龄的增大而增加，却随着林分密度的增大而减小，同时坡向和林分郁闭度对杉木乔木层碳密度影响显著。

2.3 林分密度

林分密度调控通过改变林分小气候条件直接对碳储量产生影响[28]，林分密度与林分生物量之间的相互影响尤为复杂，原因是温度、水分、光照等环境因子均在其中起到了一定的作用[29]。目前，关于林分密度对森林生态系统碳储量的影响研究已有部分进展，但结论不统一。例如，研究者对不同密度湿地松()人工林碳储量研究发现，森林生态系统碳储量随密度的增加而增大[30-31]；对侧柏()[32]、马尾松[33]、美国黑松()[34]进行研究发现，人工林生态系统碳储量随密度的增加而减小。这主要是因为森林生态系统由多个部分组成，林分密度对各个部分影响各不相同，比如随着林分密度的增加，林下植被层碳储量逐渐减小[33-35]，但人工林立木碳储量随林分密度的增加而增大[36]。研究显示[30,34,37-38]，林分密度增高或降低，其林分碳储量空间分配均表现为土壤层>植被层>凋落物层，即这三个部分随林分密度变化产生的不同结果导致了不同密度森林生态系统碳储量结果的差异。可见，林分密度对人工林生物量及碳储量影响较大，因此，合理控制林分经营密度是森林培育的重要技术调控措施，控制适合的林分密度能有效提高林分总生物量与碳储量[36]。

2.4 营林措施

施肥、疏伐、控制竞争等措施有利于森林碳储量的增加[12]。林冠层间伐有利于提高林地光能利用率，促进林下更新，弥补移出木碳储量[39]；林下层间伐能显著增加土壤有机碳储量[40-41]。同时，任何疏伐体系的固碳量均比未疏伐的情况多，但不同疏伐体系间存在一定的差异[42]，低强度的经营管理可以促进林分的碳固定[43-44]，采育结合的经营方式更有利于提高树干、树枝和根系的碳储量[45]。轮伐对森林碳储量的影响研究结果表明，若树种生物学轮伐期比所选择的轮伐期短，则采伐木材中碳储量要比中间阶段采伐的大[46]。张剑等[16]研究发现，与连栽杉木纯林相比，杉木轮栽模式显著增加了土壤微生物量碳含量，同时提高了土壤微生物对底物的利用率。相对于林分总碳储量而言，轮伐期越长，最终一次采伐时林分碳储量比例就越高[47]。与传统的短期轮伐期经营管理体系相比较，延长轮伐期会导致采伐率降低[48]，此时一部分碳库增加如立木中的碳，另一部分碳库减少如林木产品中的碳[49]。由此可见，增加人工林碳储量的森林经营管理策略主要包括：采用适宜的营林技术，如优化物种组成、部分采伐、疏伐等来维持或增加林分水平的碳密度；采用森林保护、轮伐期延长、火灾管理和病虫害防治来维持或增加景观水平的碳密度[50]。

3 研究方法

目前，人工林碳储量估算多是通过森林生物量转换，即通过直接或间接估算得到森林生物量，再乘以碳含量转换系数得到碳储量[51]。因此，人工林生物量的准确估算是核算其碳储量及其变化的重要数据基础[11]。生物量数据的来源一般可分为收获法和间接估计法，其中收获法主要包括样地清查法，而间接估算法主要包括微气象学法、遥感估算法和模型模拟法[52]。

3.1 样地清查法

样地清查法可分为平均生物量法、生物量转换因子法和生物量转换因子连续函数法[53-55]。平均生物量法是用实测获得的野外样本平均生物量乘以相应森林类型的面积，得到森林生物量，该方法虽然工作量大但后续操作简便，在国际生物学计划(IBP)期间被广泛使用[56]，主要适宜于林分大小分散度中等、正态分布的人工林[57]。生物量转换因子法，又称材积源生物量法，是用生物量与森林材积之比(BEF)的平均值乘以森林的总蓄积量，获得森林生物量，该方法在区域尺度上，对提高生物量与碳储量预测结果的准确性有重要作用[3]。生物量换算因子连续函数法是将单一不变的生物量换算因子转化为龄级的换算因子，即林分材积可以作为转换因子的函数，实现样地实地调查到区域投影下的尺度转换，以此为基础估算区域尺度上的森林生物量。方精云等[58]认为林分密度、林龄、立地条件等因素均可以通过林分材积来综合反映，因此可将其作为换算因子的函数，从而实现从简单样地调查到区域尺度推算的转换，进而推算出森林生物量。

3.2 微气象学法

微气象学主要包括箱式法、涡旋相关法和弛豫涡旋积累法，该方法是生态学和气象学的有效结合，通过测量地面附近湍流度和被测气体浓度的变化来计算被测气体的通量[59]。箱式法可间接估算CO2通量，对各器官弄能团进行定量测定，但不适用于测定整个森林生态系统的CO2通量；涡旋相关法测量精度高，可长期进行监测，但维护成本较高；弛豫涡旋积累法适用于进行长期监测，但不可用于监测具有强烈异质性的大尺度森林生态系统[60]。涡度相关法是微气象学方法的代表[15]，我国哀牢山站、西双版纳站、长白山站等多个站点均相继开展了基于涡度相关法的森林碳通量多途径交互验证[61-64]。

3.3 遥感估算法

遥感估算法主要是通过地理信息技术获取植被状态参数，结合野外实测数据，完成植被的时空分布及状态分析，从而获得碳储量[65]。该方法的理论基础为植被通过光合作用积累生物量，通过分析遥感影像中不同植被的光谱特性，从而建立植被光谱信息和实测生物量之间的数学模型[66]。王雪峰等[67]通过分析林木图像分类算法，提出一个与林木碳储量关系紧密的参数并给出其图像计算方法，以该参数为自变量，建立预估模型，实现对碳储量的估计。近年来，利用激光雷达(LiDAR)遥感观测估计森林生物量进展迅速[68]，该方法比采用光学遥感数据精度更高，可直接测量森林垂直结构，估算生物量[69]。该方法由于成本高等问题严重限制了其使用和推广力度。

3.4 模型模拟法

模型模拟法主要通过将生理因素(如植物生长等)或生态因素(如环境等)以数学模拟的方式拟合建立模型，进而估算森林生态系统的生物量及碳储量[59]，包括气候-植被相关模型、生物地理模型、生物地球化学模型等[70]。其中气候-植被相关模型可预测气候变化对碳平衡的影响，但未将土地利用、覆盖变化及人为活动的影响考虑在内；生物地理模型能清晰模拟短时间内陆地表面碳通量和气候变化，但未考虑植被结构和组成对CO2等变量长期响应过程，因此易造成误差；生物地球化学模型能准确模拟植被与外界环境之间的动态反馈，但不适于分析长期气候变化影响[60]。

4 展望

掌握我国人工林生态系统碳储量研究动态，不仅能为进一步了解本地区碳在人工林生态系统循环过程中的重要特征提供依据，还能为增强我国人工林碳汇能力，促进全国林业建设发展，乃至对全球陆地生态系统碳循环研究产生深远影响。

(1)根据现有模型模拟计算获得人工林碳储量差异很大。主要原因在于树种不同、径级不同、生物量分配特征不同，用统一的生物量回归模型很难准确估算人工林生态系统中所有树种的生物量[15]。基于大量实测数据，按照不同树种、不同径级组分别建立生物量碳储量回归模型，同时综合运用多种方法对比研究减少误差已成为主要趋势[71-72]。这对准确评价我国人工林生态系统碳储量具有重要意义。

(2)人工林碳储量监测缺乏长时间序列连续观测研究。目前大部分研究均采用空间替代时间的方式对人工林生物量和碳储量进行观测及计算[73-74]，而没有进行长期取样监测。观测人工林生态系统长期动态变化规律，总结各个林型生物量及碳储量动态变化特征，掌握人工林生态系统碳储量及其分配格局，对人工林生态系统服务功能评价以及未来碳储量潜力估算均具有重要的科学价值。

(3)人工林生态系统碳储量研究缺乏对机理模型的探索[15]。随着生态学的发展，仪器设备不断更新、分析手段日趋成熟，结合人工林树木生长信息如光合作用、养分循环过程等建立生物生长过程的机理模型已成为主要方向。利用多源数据综合驱动统计模型、物理模型、机理模型，研究不同尺度数据源之间的有效协同[75]，模拟现实人工林碳汇及分布情况，对预测未来碳汇能力，改进碳汇林培育措施具有重要科学指导意义。

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Research Progress on Carbon Storage by Plantations

WU Qi1, REN Shiqi1*, WEI Zhendao1, REN Yiping2

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In order to understand the carbon sequestration of artificial forests in China's forest ecosystem and even the whole terrestrial ecosystem, a survey was carried out of a large number of relevant published reports from Chinese and international sources. Based on this survey, this paper summarizes the research progress of artificial forest ecosystem carbon storage from the two aspects of influencing factors and research methods. This then provided a basis for identifying and proposing new development directions, with the aim to provide theoretical basis for the management of artificial forests and the calculation of artificial forest carbon storage.

plantation; carbon storage; influence factor; research method

S718.55+6

A

10.13987/j.cnki.askj.2022.04.011

广西林业科技推广示范项目(桂林科研〔2021〕28号)；广西科技计划项目-广西科技基地和人才专项(桂科AD20325008)；广西林业科技推广示范项目(〔2021〕GT15号)

伍琪(1986— )，女，博士，高级工程师，从事森林生态与纤维材料研究。E-mail:549391722@qq.com

任世奇(1984— )，男，博士，高级工程师，从事森林生态学研究。E-mail:592566935@qq.com