森林碳汇与树种固碳能力研究进展

古佳玮

（华南农业大学林学与风景园林学院，广东广州 510642）

森林生态系统将CO2固定于植物和土壤中，维持大气中的碳氧平衡，并经太阳能的同化过程产生森林生物量。控制大气CO2环境浓度偏高，行之有效的措施包括减少碳源的排放和增加碳汇。森林生态系统作为地球关键带的重要圈层，在碳增汇效应方面发挥了无可替代的作用。陆地生态系统中重要的碳源和碳汇都来自于森林碳库，森林生物群落具有释放碳和固定碳2 种属性，森林固定碳的过程是指植物吸收太阳的能量、树木生长发育和土壤碳的积累等；碳释放的过程则指生物呼吸及分解、树木死亡、土壤碳的氧化及降解等[1]。在此过程中，若固定的碳大于释放的碳为碳汇，反之则为碳源，而碳汇与碳源之间的差值，被称为净碳收支。随着加剧变化的自身基础结构，如资源的减少和植被的退化等，以及在人类的长期干扰破坏下，森林生态系统的固碳功能衰退而逐渐成为碳源，将造成地球生态环境进一步恶化、温室效应加剧的恶性循环。同时，森林生态系统碳汇功能的发挥很大程度上取决于人类[2-4]，在人类的保护和维持下，可以进一步优化森林的固碳能力。提高森林碳汇能力依赖于植被类型的完善、林分结构的改良和林业生态工程的实施。研究表明，一些固碳效益较为突出的造林优势树种，在森林碳汇中担任了重要角色，对比不同造林树种碳汇能力，有助于进一步评价造林的碳汇效应。分析我国华南地区优势造林树种的碳汇能力，以期寻找适合当地的优良碳汇造林树种，提高其森林生态系统的碳汇潜力和能力，满足碳汇造林及生产的需要。

1 森林碳汇效应和碳汇造林

森林被称为储存CO2的库，森林碳汇效应是指森林植被通过光合作用将碳转化为有机质储存于树干、树枝、树叶、根系及枯落物中，固定CO2并降低大气中该气体的浓度，从而缓解温室效应和气候变暖。在全球气候变化下，林业碳汇因其相较于其他减排方式更经济与高效的特点而成为碳减排的主要替代方式[5-7]，同时，林业在全球碳减排中的引领作用为相关气候议题谈判提供着科学依据，社会对气候变化的进一步关注也将促使各国更加重视林业发展。中国对碳汇造林相关项目开展了大量的实践活动与理论研究[8-16]，在“双碳”愿景下，我国正处于全面深化现行林业相关制度改革的关键时期，无疑给碳汇林业的发展带来了新的挑战与机遇。我国碳汇造林项目可大致分为3 种类型[17-18]：一是基于低碳发展战略下的碳汇造林及林分改造项目；二是在中国绿色碳基金支持下启动的碳汇造林项目；三是其他组织形式的碳汇造林项目，如各地方政府与外国政府、国企、私企与外国企业、组织或团体等开展的以林业增汇减排为目的的森林经营、培育、碳汇监测等活动，以及与林业经济市场相关的碳汇交易等。

森林生态系统具较高的生物量、碳固存率和净生产力这一观点已毋庸置疑[19-20]。对碳汇林的培育已成为应对全球气候变化的重要手段和措施之一，同时，这也是森林经营者和科学研究人员需要克服的难关。我国现有研究缺乏对森林植被生物量及林木固碳增汇效应测定相关数据的统筹与运用，尤其是将相关研究数据应用于指导碳汇造林及再造林结构配置的更少，即未将研究结论对造林结构进行更新反馈。林玮等[21]研究表明，相同树种不同器官含碳量的均值差异不大；而不同树种各器官间含碳量差异较大，即不同树种的固碳能力有明显差异。表明不同树种或林分在固碳增汇中具有较大的选择潜力，为各地区碳汇林树种选择提供了研究基础。针对性利用树种固碳释氧能力不同这一特征差异，优化碳汇林配置组合，以提高森林增汇量及其生产、生态效益是一项重要工作[22]，实现这一设定目标的重要工作就是筛选出优良的碳汇造林树种。以林木生物质碳库固碳来研究固碳机制[23]，可为高效、结构化经营碳汇林提供理论依据。因此，有必要针对碳汇效应及造林生产的提升需求，综述我国华南地区主要造林树种的碳汇能力，评选适宜当地生长的优良碳汇树种，以用于指导碳汇林生产需要，提高碳汇造林效益。

2 树种固碳能力研究方法

2.1 通过光合效率研究树种固碳能力

一般为过程法[24-28]，即通过对植物体光合作用过程的有关数值进行测定并计算，如叶片净光合速率、叶面积指数，基于树种光合作用特征，得出该树种一般状况下的固碳量和释氧量[单位为g/（m2·d）]，同样的方法用于其他树种，最终比较其数值。而过程法只能测定某一环境条件下的瞬时数据，要得出该树种在一般状况的标准数值会有一定的难度，而且耗时、步骤较长，极大地受到时间条件和环境因素的限制，所得到的结果也包含了公式推导的经验成分。

2.2 通过加权含碳量研究树种固碳能力

一般为收获法[33-37]，即基于对植物生长量的测定，由公式转换得生物量，再通过当地植物器官含碳量的测定，结合生物量得出加权含碳量，最后由生物量和加权含碳量推算出树种碳储量，与树种间的数据进行比较。这种方法极大程度避免了环境因素的影响，可以计算出单株碳储量和整个林分的碳储量。目前，许多研究笼统采用0.45 或0.5 作为森林树种平均含碳率展开对各地森林碳储量的估算。研究表明，不同树种含碳量不同[29]，地域、种源、气候、立地等因素也对含碳量有一定影响，采用平均含碳率易产生误差。因此，有必要针对不同立地条件的树种各器官含碳量进行测定及分析。森林植被含碳量指标的测定，即测定树木各器官每单位干物质内所含碳元素的质量，包括地上部分的树干、树枝、树皮、树叶及地下根系的含碳量。森林植被含碳量的测定一般以干烧法[31]（重量法）和湿烧法[21]（重铬酸钾-硫酸氧化法）2 类为代表。

2.3 通过生物量研究树种固碳能力

对植被或林分生物量的估测主要包括其生长指标，如植株冠幅、胸径及树高等数据。生物量是指森林在一定时间内有机质累计的质量[30]，是研究树种生长及林分生产力的基础性指标。一般采用各省份传统的森林资源清查方法，以大规模的实地调查建立测量数据库，估算出林分碳密度及碳储量。此方法通过生物量扩展因子法建立生物量与蓄积量的相互关系，从而对林分的碳储量进行估算。一般来说，植被的蓄积量与其固碳潜力呈正相关，即单位时间内生物量累积越多，固碳能力越强。

2.4 通过净生产力研究树种固碳能力

以国家林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》中提供的植被固碳公式，对森林群落一年的固碳量进行估算。林分的单位净生产力越高，则年净固碳量越大。

不同计算途径各具其优缺点，要在充分了解地理特性及森林植被状态特征的基础上，兼顾生长量和含碳量进行对比，以此更高效地比较不同树种的固碳能力。

3 华南地区主要造林树种碳汇能力

华南地区位于中国大陆南部。包括广东省、海南省、福建省中南部、广西壮族自治区、香港特别行政区和澳门特别行政区。地处低纬度地区、东亚季风气候区南部，具有亚热带、热带季风气候的特点，是我国光、水、热条件最为优越的地区之一，年均气温19～24℃，年均降水量在1300～2500mm 之间。华南地区涵盖较丰富的森林资源，植被类型包括亚热带季风典型的常绿阔叶林、针叶林、针阔混交林、红树林及竹林。

林玮等[21]采用湿烧法测定华南地区主要造林树种含碳量，并兼顾其生长量，探究比较各树种、科及植被类型间的碳汇能力，从中筛选出红荷、马尾松、乐昌含笑、大叶相思、厚荚相思、山桂花、灰木莲、南酸枣等优良碳汇树种，适宜在华南亚热带地区碳汇林的结构化经营中广泛应用。曾曙才等[31]应用干烧法对广州市白云山主要林分类型的释氧能力及生产力进行综合分析，测得各林分的吸碳释氧量与林分生物量大小顺序相同，从大到小排列为马占相思林、黧蒴林、大叶相思林、木荷石栎混交林、木荷林、尖叶杜英林、中华锥林、降真香林、加勒比松林、马尾松林，表明在华南地区速生阔叶林比针叶林的碳汇能力强。除马尾松林已衰老，生长缓慢，不作考量外，综合生物量与吸碳量考虑，华南南亚地区更适宜将速生阔叶林作为碳汇造林及再造林主要林分，可应用树种有黧蒴、木荷、马占相思、大叶相思等。纪燕玲等[32]依据汕头地区碳汇试验林各树种的地上部分生长量和碳含量构建树种固碳潜力的评价指标，以湿烧法测得各树种平均碳含量高低排序为：中华楠0.5200、台湾相思0.5177、樟树0.5026、米老排0.4993、木麻黄0.4939、红锥0.4936、秋枫0.4721、山杜英0.4721、水翁0.4678，加权后评出生长初期固碳潜力较好的树种有中华楠、木麻黄、台湾相思，其次为米老排、红锥、山杜英、水翁，秋枫与樟树表现较差。徐期湖等[33-35]采用收获法，测得木荷（Schima superba）、枫香（Liquidambar formosana）与樟树（Cinnamomum cam-phora）3 个树种的生物量与各器官含碳率加权，得出广东省木荷平均含碳率为0.5569，枫香为0.5354，樟树为0.5096。王义祥[36]在测定福建省主要森林类型碳库时，也计算了该省森林乔木的加权含碳量，大小顺序依次为马尾松0.5832、桉树0.5445、楠木0.5379、杉木0.5285、木麻黄0.5075、栎类0.5007。同样，蔡会德等[37]以收获法测得广西省主要乔木树种加权含碳量，从高到低依次为马尾松、杉木、火力楠、青冈栎、荷木、栓皮栎、马占相思、尾叶桉、毛竹、枫香，范围在475.6～501.7g/kg 间，略低于广东省、福建省的平均测量结果。

连辉明等[39]按适应性及生长量等指标对广东古兜山次生林更新树种进行评价，运用层次分析法得出该地的速生型树种有藜蒴、幌伞枫、红锥、米老排、中华杜英、石栗和芒果等。赖广梅[40]通过分析大岭山森林公园各优势树种表现研究其碳汇能力，得知木荷、桉树、相思、南洋楹等速生阔叶树具有较高的碳汇能力，而慢生树种、经济林与针叶林在东莞当地具有较低的固碳表现。李碧霞等[41]得到广东三岭山森林公园3 种人工林单位面积生物量依次为尾叶桉（333.78t/hm2）＞大叶相思（257.44t/hm2）＞马尾松（140.32t/hm2），可知尾叶桉生长较快且种植密度大，在广东省选择尾叶桉种植可突出其碳汇经济价值。毛君竹[42]对广州市6 种人工林的固碳能力进行评价，研究得出各人工林单位面积总生物量与碳储量大小顺序均为：米老排林、红花荷林、火力楠林、格木林、枫香林、红花油茶林，其中米老排林累积的生物量和碳储量具显著优势。近期，郭耆等[43]通过研究对比南亚热带4 个树种间生物量，在广西柳州市测得各树种平均林分生物量排序为木荷林（376.37t/hm2）＞米老排林（284.51t/hm2）＞杉木林（200.02t/hm2）＞蓝果树林（175.56t/hm2）。其中木荷和米老排较针叶树种表现出更好的速生性。这与黄钰辉等[44]对黧蒴、木荷、米老排等南亚热带地区的地带性植被常绿阔叶林的碳储量能力显著高于杉木一致。与林雯等[45]测得广州市城市森林主要林分中黧蒴、木荷以及马占相思林总净生产力高于马尾松、杉木等针叶树种研究结果一致。同样，熊江波[46]也发现，在南亚热带的相同营林模式下，米老排林表现出较大的碳汇潜力，测得南亚热带同龄段各林分的碳储量由大到小为：米老排林、杉木林、火力楠林、马尾松林、红锥林。陈先孝等[47]通过聚类分析广东省清远市碳汇造林各树种早期生长量得出，米老排、千年桐为早期生长较快且成活率较高树种，可作为提高碳汇生产力的优势树种；而山杜英、火力楠、枫香等后期累积生物量较大，可作为辅助树种。刘剑锋[48]依据树种生长指标评价兴宁市森林碳汇，木荷、藜蒴及黑木相思为优势生长树种，红锥、山杜英、火力楠、米老排和枫香也有较好长势。

4 结论与讨论

森林生态系统具有较高的生物量、固碳量和净生产力，研究森林碳汇及培育碳汇林对实现森林可持续经营和固碳增汇方面具有重要意义。不同森林生态系统由于其所处地域不同，气候、土壤及植被构成差异很大，各树种及林分的碳汇能力也有较大差异，表明不同树种或林分在碳汇林选择中具有较大的潜力，为碳汇造林的树种选择提供了条件。目前主要通过树种光合效率、树种各器官加权含碳量、群落生物量、林分单位净生产力等方法研究不同树种的固碳量，进而比较各树种的固碳能力。研究选取我国华南地区的各省份及地区森林主要造林树种，综合探究不同树种于亚热带季风气候区的固碳能力，为华南地区碳汇林营造提供参考。

聚类分析后得出木荷、黧蒴、马尾松、米老排、桉树、红花荷、乐昌含笑、山桂花、灰木莲、南酸枣、木麻黄、速生相思如台湾相思、大叶相思、马占相思、厚荚相思、黑木相思等具有较高的固碳潜力，为适宜华南地区应用的优良碳汇树种，在碳汇造林中可以优先考虑；红锥、水翁蒲桃、山杜英、南洋楹、火力楠、枫香、中华杜英、石栗、中华锥、石栎等树种也具有速生的优势，适宜作为搭配选择性应用。其中木兰科占4 种、壳斗科占4种、金缕梅科占3 种、豆科占2 种、桃金娘科占2 种、杜英科占2 种，其余各树种分别为山茶科、松科、漆树科、木麻黄科、大戟科。筛选出的优良碳汇树种中大部分为速生阔叶树，针叶树种仅马尾松一种。研究表明[23-28]，从树种形态学上比较，针叶树种的平均含碳率高于阔叶树种，在碳汇造林中优势显著。树种的碳汇能力可能与自身树龄及生长周期有关，但速生树种因其生长迅速，相同时间内累积了更多的生物量，相比于含碳量较高而生长缓慢的针叶树种，速生阔叶树在短期内具有更好的固碳潜力。水热条件优越的地理环境下，华南地区更适宜将速生阔叶树种作为碳汇造林及再造林的主要林分。

培育碳汇林已成为我国林业建设的重要部分，华南地区森林碳汇潜力巨大，对比造林树种碳汇能力及优良碳汇树种筛选，有助于进一步评价造林的碳汇效应。通过碳汇造林增加单位面积蓄积量、提高碳汇效益，为低碳发展战略下的林业发展提供有力支撑[49-51]。此外，研究表明[52]各种环境因素如气候因子、光照方向、立地条件、病虫害等也是影响树木碳汇效应的重要因素，今后对于筛选优良碳汇树种的研究应探索更多方面影响因素，通过森林经营手段、森林保护措施、优势树种的组合配置，提高林分生长指标及健康水平，保障森林植被固碳能力，为实现2060 年碳中和目标助力[53-54]。