遼寧省森林植被碳中和能力分析

許庭毓, 王 兵, 牛 香*

(1. 中國林業科學研究院森林生態環境與自然保護研究所, 國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室, 北京 100091;2. 江西大崗山森林生態系統國家野外科學觀測研究站, 分宜 336606)

隨著人類社會的發展,溫室氣體的大量排放引起了嚴重的全球氣候變化問題[1]。中國于2020年提出“二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值,努力爭取 2060 年前實現碳中和”的目標[2],即在2060年,化石燃料使用及土地利用變化導致的碳排放量與生態系統吸收及其他技術方式固存的碳量之間達到平衡[3]。實現碳中和的決定因素之一是碳增匯[4],陸地生態系統通過光合作用和碳循環過程將CO2固定在生態系統中,使其成為重要的匯[5]。全球碳計劃的研究結果[6]表明:2010—2019年,31%人為排放的CO2被陸地生態系統固定。森林作為陸地生態系統的重要組成部分,包含了陸地生物圈45%以上的碳,其碳庫變化會引起大氣CO2濃度波動,在全球碳平衡中扮演了重要角色[7]。森林碳匯被認為是抵消化石燃料碳排放的有效途徑,精準評價森林生態系統的碳匯能力對于實現碳中和目標尤為重要[8]。

森林碳匯是指森林生態系統吸收并儲存CO2的量,或者森林生態系統吸收并儲存CO2的能力,其測算方法主要有樣地實測法、材積源生物量法、凈生態系統碳交換法和遙感判讀法等[9]。不同方法測定的結果有較大的差異,如:利用樣地實測法得到第六次森林資源清查期間我國森林生態系統的年碳匯量為3.19 億t[10];利用材積源生物量法得到第六次森林資源清查期間我國森林生態系統的年碳匯量為1.68 億 t[11];基于渦度相關法得到第六次森林資源清查期間我國森林生態系統的年碳匯量為5.28 億 t[12];利用衛星遙感方法,結合第三次至第五次森林資源清查數據,得到我國森林生態系統的年碳匯量為0.19 億t[13]。從各測算方法的理論基礎上分析,我們認為材積源生物量法只能用于森林生態系統碳匯的粗略估算,主要原因是:由于不同地區、不同樹種木材的密度變化較大,所以計算結果誤差較大;凈生態系統碳交換法是一種理想的直接測定森林生態系統與大氣間CO2通量的方法,但其不足之處是:觀測點有限,且CO2夜間下沉的物理特性會對測量結果產生較大影響;遙感判讀法中森林碳匯數據只包括碳儲量數據,且理論和技術上仍然存在一些不完備性;樣地實測法是最直接的森林碳匯測量方法,雖然測量過程費時耗力,但是可以免去不必要的系統誤差和人為誤差,可以實現森林碳匯的精準測算[8]。

樣地實測法是目前應用較為廣泛的碳匯測定方法,如:CAI等[14]利用樣地實測數據結合模型估算了中國森林生態系統2010—2060年的碳匯量;FANG等[15]基于17 000個樣地實測數據,評估了中國陸地生態系統碳匯情況;ZHU等[16]基于樣地實測數據測算中國森林生態系統內部全組分(林木、土壤、動植物殘體)碳匯?；跇拥貙崪y法開展的研究多針對森林資源(喬木林+特殊灌木林)和土壤的碳匯能力,本研究除了考慮傳統的森林資源(即喬木林和特殊灌木林)外,還考慮了大多數研究中常被忽視的植被層。其他森林植被層多未統計森林蓄積量,因此,通過生物量轉化因子法估算碳儲量時經常忽視這一部分。然而,灌木是脅迫條件下形成的典型植被,主要存在于“寒冷、干旱、貧瘠、干擾嚴重”等生境中,遼寧省灌叢主要分布在毗鄰科爾沁沙地的西部地區,其地上枝條再生能力強,地下根系龐大,發揮重要的碳中和功能;疏林地、未成林造林地、四旁樹和散生木等都具有競爭弱、生長速度快的特點,有助于其碳匯能力的充分發揮;苗圃地種植密度較大、碳密度高,同樣是一處不可忽視的碳庫[17]。

遼寧省是我國重要的老工業基地,也是我國固碳潛力較高的地區之一[18]。對遼寧省的森林植被碳中和能力精準分析,可以真實地反映林業在生態文明建設戰略總體布局中的作用和地位,為地區實現碳中和提供科技支撐。2021年,王兵等[17]提出了森林植被全口徑概念。本研究針對遼寧省森林資源的特點,采用樣地實測法,基于森林資源清查數據和中國森林生態系統定位觀測研究網絡(CFERN)的長期觀測數據,分析遼寧省的森林植被全口徑碳匯及變化規律,并討論喬木林植被層、其他森林植被層和森林資源土壤層3種組分的碳匯特征。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

遼寧省位于38°43′N～43°26′N、118°53′E～125°46′E之間,地處我國東北地區南部。遼寧省地勢由東西向中,由北向南傾斜,根據地形地貌將遼寧省劃分為3個大區,即遼東山區、遼西北地區、遼中南平原沿海地區。遼寧省屬于暖溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫為5～11 ℃;年平均降水量為400～1 150 mm,由東向西遞減;土壤分布區主要是2個地帶性土壤分布區:東部的棕壤區和西部的褐土區[18]。

根據第九次森林資源清查數據[19],遼寧省共有林地面積735.92 萬hm2,其中森林面積(喬木林+特殊灌木林)面積為571.83 萬hm2。遼寧省第六次至第九次森林資源清查中各類林業用地面積如表1所示。

表1 遼寧省森林資源統計Table 1 Statistics of forest resources in Liaoning Province

1.2 數據來源和研究方法

1.2.1 數據來源

(1)森林資源數據來源于第六次至第九次森林資源清查數據。(2)植被及土壤固碳數據主要來源于以下森林生態站的長期監測數據:分布在遼寧省內的4個森林生態站(冰砬山森林生態站、白石砬子森林生態站、遼東半島森林生態站和遼河平原森林生態站);分布在遼寧省的鄰近省份并處于同一生態區內的森林生態站(吉林省:松江源森林生態站、長白山森林生態站和長白山西坡森林生態站;內蒙古:賽罕烏拉森林生態站、赤峰森林生態站、七老圖山森林生態站和特金罕山森林生態站;河北省:塞罕壩森林生態站)。并以遼寧省內建立的其他林業輔助監測站點的數據為補充。(3)能源消耗量數據來源于《遼寧統計年鑒2020》[20]。

1.2.2 研究方法 樣地實測法是在固定樣地上用收獲法連續調查森林的碳儲量,通過不同時間間隔的碳儲量變化來測算森林生態系統碳匯[15]。本研究利用該方法測算遼寧省森林植被的全口徑碳中和能力。

(1)植被的凈初級生產力(NPP)。采用收獲法獲得森林的生物量數據,測定喬木層的樹干、枝葉和根系生物量,以及灌木層、草本層、層間植物的生物量和凋落物量,具體方法參照《森林生態系統長期定位觀測方法:GB/T 33027-2016》[21]。根據植被生物量的動態數據,可用增重積累法對植被的凈初級生產力(NPP)進行測算,計算公式為[21]:

(1)

其中,NPP為植被的年凈初級生產力(kg/hm2);Wa為第a年測定的單位面積生物量(kg/hm2);Wa-n為第a年到第n年測定的單位面積生物量(kg/hm2);n為間隔年數。

(2)土壤碳儲量。根據森林面積的大小、地形、土壤水分和肥力等特征,在林內坡面上、中、下部與等高線平行的方位各設置1條樣線,在樣線上選擇具有代表性的地段設置24塊面積為1 hm2的樣地(100 m×100 m)、500塊面積為0.1 hm2的樣地(10 m×100 m)。樣地內設置 3～5 個喬木調查樣方(10 m×10 m)、灌木調查樣方(2 m×2 m)和草本調查小樣方(1 m×1 m)。依據土壤類型和植被類型的空間分布,采用對角線采樣法設置土壤采樣點,并通過剖面法采集土壤樣品:在每個采樣點挖1個長方形的土壤剖面(0.8 m×1.0 m),按照先下后上的取土原則,每隔 20 cm 采集1個樣品,共采集了7 650個樣品。將同一層次多樣點采集的質量大致相當的土樣置于塑料布上,剔除石礫、植被殘根和昆蟲殘體等雜物,混勻后利用四分法取樣,并帶回實驗室利用過FeSO4滴定的方法測定土壤中有機碳的質量分數,具體采樣方法和試驗方法參照《森林生態系統長期定位觀測方法:GB/T 33027-2016》[21]和《森林土壤分析方法:LY/T 1210-1275》[22]。實驗室測定出土壤有機碳的質量分數后,可由下式得到土壤的有機碳密度[21]:

SOCDk=CkDkEk(1-Gk)/100,

(2)

其中,SOCDk為第k層土壤的有機碳密度(kg/m2);Ck為第k層土壤的有機碳的質量分數(g/kg);Dk為土壤密度(g/cm3);Ek為第k層土層的厚度(cm);Gk為第k層土層中直徑大于2 mm的石礫所占體積百分比。

由土壤的有機碳密度可得到土壤的有機碳儲量,計算公式[21]為:

(3)

其中,TSOC為土壤的有機碳儲量(kg);SOCDi為第i樣方土壤的有機碳密度(kg/m2);Si為第i樣方的面積(m2)。

土壤有機碳儲量一般每隔3～5年采集1次,由2次采樣年份間土壤碳儲量的變化可以計算土壤碳匯能力:

(4)

其中,F土為單位面積林分土壤碳匯(t/hm2);m、n為采樣年份。

(3)森林植被全口徑碳匯。森林碳匯資源為能夠提供碳匯功能的森林資源,包括喬木林、竹林、特灌林、疏林地、未成林造林地、非特灌林灌木林、苗圃地、荒山灌叢、城區和鄉村綠化散生林木等[18]。森林植被全口徑碳匯除了包括傳統森林資源(喬木林+特灌林)外,還包括上述提及的森林碳匯資源,其計算公式為:

G全=G喬+G疏+G未+G灌+G苗+G四,散+G土,

(5)

其中:G全為森林植被全口徑碳匯(t);G喬為喬木林碳匯(t);G疏為疏林地碳匯(t);G未為未成林造林地碳匯(t);G灌為非特灌林灌木林碳匯(t);G苗為苗圃地碳匯(t);G四,散為城區和鄉村綠化四旁樹散生林木碳匯(t);G土為森林土壤碳匯(t)。

G喬、G疏、G未、G灌、G苗、G四,散可由優勢樹種的NPP計算得到,G土可由單位面積林分土壤碳匯計算得到:

G植物=0.445×A×NPP,

(6)

G土=A×F土,

(7)

其中:G植物為G喬、G疏、G未、G灌、G苗、G四,散(t);A為林分面積(hm2);0.445為生物量與碳之間的轉換系數。

2 結果與分析

2.1 遼寧省的森林植被全口徑碳匯

基于第九次森林資源清查數據與樣地實測數據,得到遼寧省的森林植被全口徑碳匯量為1 233.92 萬t;根據《遼寧統計年鑒2020》[20]、王錚和朱永彬[23]對我國各省區平均碳排放系數的研究,可得到遼寧省2019年的能源消費碳排放量為14 090.01 萬t,森林植被全口徑碳匯相當于中和了8.76%的能源消費碳排放量。遼寧省森林植被單位面積固碳量為1.68 t/hm2,與HE等[24]基于樣地實測結合模型模擬方法的結果(1.26～2.18 t/hm2)基本一致,與YU等[25]基于渦動相關法得到的結果(0.85～1.71 t/hm2)相近,高于PIAO等[13]基于遙感數據和森林資源清查數據的研究結果(0.13 t/hm2),說明樣地實測法與渦動相關法從植被固碳生態學過程的角度測算的碳匯量較為準確,而基于衛星數據反演出的是植被碳儲量數據,可能會忽視植被的生態過程,導致碳匯測算出現誤差。

本研究將森林植被全口徑碳匯分為3個部分:喬木林植被層、森林資源土壤層(喬木林和特灌林)和其他森林植被層(其他灌木林、疏林地、未成林造林地、苗圃地、散生木和四旁樹等)。研究結果(圖1)表明:喬木林植被層的固碳量最多,占總固碳量的71.78%,究其原因為:遼寧省的喬木林總面積為425.56萬hm2,占林地總面積的57.83%,而喬木林是森林生態系統發揮碳匯功能的主體,其固碳能力強弱是影響區域固碳能力的關鍵因素。其次為其他森林植被層,即灌木林、四旁樹和散生木等。這些植被在生長過程中同樣會進行光合作用,從而固定CO2,發揮碳匯的作用。森林資源土壤層的年固碳量最少(僅占總固碳量的10.28%)。本研究中森林土壤單位面積固碳量為0.22 t/hm2,與ZHU等[26]對于我國北方林區的測算結果(0.2 t/hm2)差異不大。土壤是一個巨大的碳庫,固定到土壤中的部分有機碳會被土壤微生物分解轉化,以CO2形式重新返回到大氣;剩余的有機碳則經過多年累積轉化成穩定的有機碳儲存到土壤[27-28]。

圖1 第九次森林資源清查期遼寧省的森林植被全口徑碳匯不同組分占比

2.2 森林植被全口徑碳匯的時間動態變化

結合第六次至第九次森林資源清查期的森林資源數據和生態連清數據,研究遼寧省森林植被全口徑碳匯功能的時間動態變化。由歷次森林資源清查數據可以看出,與第六次森林資源清查期相比,第九次森林資源清查期間林地面積的增長幅度為55.39%,其中喬木林的面積增長了31.93%。由圖2可知:第九次森林資源清查期間遼寧省森林植被全口徑碳匯量比第六次森林資源清查期增長了49.71%。由圖3可知:從第六次到第九次森林資源清查期,喬木林植被層碳匯增長了10.89%,森林資源土壤層碳匯增加了22.67%,其他森林植被層碳匯減少了34.60%。究其原因為:自20世紀80年代開始,遼寧省開展了多項國家級、省級林業生態工程。由表1可知:疏林地、未成林造林地、宜林地面積分別減少了33.56%、4.03%和11.01%,即單位面積固碳能力較低的其他森林植被層面積雖有一定程度減少,但是單位面積固碳量強的喬木林面積、森林質量均有一定程度的提升,森林植被全口徑碳匯能力也有所加強。LU等[28]研究表明,我國啟動的重點生態修復工程對增加碳匯做出了巨大貢獻:生態工程的實施貢獻了工程區56%的碳匯增量。根據《退耕還林工程生態效益監測國家報告(2016)》[29],截至2016年,遼寧省退耕還林區域的年碳匯量為204.00萬t,相當于第九次森林資源清查期遼寧省森林植被全口徑碳匯量的16.53%,與WANG等[30]的研究結果類似。由此,進一步證明了退耕還林工程改變了土地利用方式,改善了土壤結構,具有持續性的固碳效益。

圖2 第六次至第九次森林資源清查期遼寧省森林植被全口徑碳匯量

圖3 第六次至第九次森林資源清查期遼寧省森林植被全口徑碳匯不同組分占比

2.3 森林植被碳中和能力預測分析

依據《遼寧統計年鑒2020》[20]中近35年能源消費總量數據(圖4),本研究預測2030年碳達峰之際,全省能源消費碳排放量將達到17 459.90 萬t。而在假設通過合理的經營手段將現有各類林地單位面積固碳量均提升至現存喬木林水平的情況下,推算全省森林植被的固碳潛力為:2030年,遼寧省的森林植被全口徑碳匯將達到1 692.62 萬t,比第九次森林資源清查期提高了37.17%,該情況下森林植被全口徑碳匯將抵消碳達峰之際全省能源消費碳排放量的9.69%。實際上,隨著森林保護工作的開展與森林經營手段的不斷改進,喬木林單位面積固碳量將進一步提高,森林植被碳中和能力也會進一步加強。由第九次森林資源清查結果(圖5)可知,遼寧省森林資源的林齡結構呈現為金字塔形,幼、中齡林占比為71.18%,金字塔結構的形成與遼寧省積極開展林業生態工程有關。由近幾次清查期的數據(表1)可以發現遼寧省喬木林面積增長的主要原因為:一是通過經營手段使得其他林地轉化為喬木林地;二是通過造林來增加喬木林面積。目前,通過造林手段增加的喬木林地上的大多數樹木處于生長發育的初級階段,其固碳能力有較大提升空間,在森林經營中加強對現有中幼齡林的賦予和管理,可提高林地生產力、優化林齡結構,從而提升森林植被全口徑碳匯能力。此外,遼寧省近年來調整能源結構,碳排放系數較高的傳統能源逐步被替代,碳排放量降低、森林植被全口徑碳匯增加的趨勢有助于全省碳中和目標的實現。

圖4 1985—2019年遼寧省能源消費總量

圖5 第九次森林資源清查期遼寧省森林資源齡組分布

3 結論

本研究利用樣地實測法,基于森林資源清查數據和森林生態站的長期監測數據,測算了遼寧省森林植被全口徑碳匯。研究結果表明遼寧省森林植被全口徑碳匯在碳中和戰略中發揮了重要作用。主要結果為:

(1)遼寧省森林植被全口徑碳匯能力自第六次森林資源清查期以來呈現增加的趨勢,第九次森林資源清查期間的全口徑碳匯比第六次森林資源清查期間增加了49.71%;

(2)第九次森林資源清查期間,遼寧省森林植被全口徑碳匯為1 233.92 萬t,喬木林植被層、其他森林植被層、森林土壤層分別貢獻了71.78%、17.94%、10.28%,相當于中和了全省能源消費碳排放量的8.76%;

(3)各類林地單位面積固碳量均提升至喬木林水平的情況下,遼寧省森林全口徑碳匯量將達到1 692.62 萬t以上,屆時將抵消能源消費碳排放量的9.69%。

本研究針對森林植被全口徑碳匯進行測算,考慮了森林植被碳匯的所有分量,在未來的研究中可加強對草地、濕地農田等全生態系統、全生命周期的評估,精準測算生態空間碳匯能力,對于實現碳中和目標具有重要作用。