中國防護林碳儲量動態及潛力分析

張凱迪，蘇建蘭

（西南林業大學經濟管理學院，云南 昆明 650224）

自工業革命以來，人類向大氣中排入大量二氧化碳等吸熱性強的溫室氣體引起了極端天氣頻發、旱澇加劇等一系列惡果，應對氣候變化逐漸成為國際社會普遍關心的重大全球性問題，為此，各國都在積極尋求各種途徑推動以CO2為主體溫室氣體的減排和吸收來應對全球氣候變化。相對于工業直接減排，森林碳匯間接減排更具低成本高效益和實際可操作性[1]，是全球公認的低成本減排手段[2]，是世界各國應對氣候變化的重要策略[3]。森林是陸地生態系統的重要主體，其在維護生態平衡、促進全球碳循環和緩解全球氣候變暖方面有著巨大貢獻[4]，但人類活動范圍的不斷擴張和自然資源的無序開發使得世界范圍內大規模的森林資源遭到破壞[5]，以防御自然災害、保護生產、改善環境和維持生態平衡為目的的防護林工程建設逐漸受到世界各國的重視。中國是繼美國和前蘇聯之后以國家運作方式開展大規模防護林建設的國家[6]，自20 世紀50年代以來我國區域性的防護林營造活動一直持續，三北防護林工程的興建標志著我國森林資源進入生態——經濟的可持續發展狀態[7]，我國防護林工程逐步向區域綜合性、生態經濟型方向發展。防護林學和防護林實踐的不斷發展使得防護林在我國的森林資源中占據十分重要的地位[8,9]，防護林工程建設不僅是我國的林業重點工程之一，還是我國應對氣候變化及實現“碳達峰、碳中和”的重要陣地。

近年來有關防護林體系工程的研究不少，但主要集中于對防護林工程生態效益的評價[10]，或者對防護林工程的建設成效和存在問題進行分析[11,12]，也有部分學者基于區域尺度、影響因素等角度分析防護林的碳儲量[13,14]，不同學者對于防護林的研究逐漸從單學科轉向多方面、多層次的研究，在防護林營建經營和技術層面給予支持，但對于宏觀層面的防護林碳儲量貢獻分析較為缺乏。我國防護林資源優勢使得提高防護林經營管理水平和充分發揮防護林碳匯價值對我國自主減排承諾和“雙碳”目標的實現有著關鍵作用，因此，本文基于1984-2018 年全國森林資源清查數據分析不同清查期間我國防護林碳儲量、碳密度動態變化并對碳儲潛力進行預測，旨在了解我國防護林碳儲量動態變化特征，評價我國防護林固碳潛力，為我國防護林資源結構優化、可持續經營管理及増匯對策提供參考依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

從第3 次全國森林資源清查開始將不同林種喬木林分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林5 個齡組。本文采用生物量轉換因子法，需要以不同林種喬木林的五個齡級的蓄積量數據進行后續碳儲量測算，因此，以第3 次全國森林資源清查（1984—1988 年）至第九次全國森林資源清查（2014-2018 年）數據為基礎估算不同清查期間中國防護林的碳儲量和碳密度，并對其動態特征展開分析。

1.2 研究方法

1.2.1 森林碳儲量估算

生物量轉換因子法通過考慮生物量與蓄積量的關系，根據不同樹種的不同含碳率、不同生物量轉換因子、不同的木材密度和根莖比等角度對中國防護林各齡組碳儲量以及不同起源防護林碳儲量進行估算。

生物量轉換因子法計算公式如下：

式中，Ct 為某一森林植被的單位碳儲量(109kg)，Vj,k為某一樹組某一齡級的單位蓄積量（m3），WDj為某一樹組的基本木材密度（t/m3），BEFj,k為生物量轉換因子，RSRj,k為某一樹組的根莖比，CFj為林木生物量中有機碳占有機質總量的比值（%）。BEFj,k、RSRj,k實際計算時針對不同林種不同齡組采納不同數值；WDj、CFj則采用各省份對應的加權平均值以減少估算過程中造成的誤差。

1.2.2 森林碳密度估算

碳密度是森林單位面積的碳儲量，是衡量森林生態系統結構優化的重要指標，通過對碳密度的合理估算和動態分析可以為后續森林經營管理和穩碳增匯措施的提出提供科學依據。

本文采用的碳密度計算公式為：

式中：p 為碳密度（t/hm2）；S 為某一樹種林地面積（hm2）。

2 結果與分析

2.1 中國防護林碳儲量碳密度動態

第3 次清查期間，中國防護林碳儲量達58 507.76 萬t，占同期中國喬木林總碳儲量的15.69%；第九次清查期間中國防護林碳儲量達400 899.93 萬t，對同期中國喬木林總碳儲量的貢獻率增加至51.57%，年均增長量為9 782.63 萬t。不同清查期間中國防護林碳儲總量呈增加趨勢，各清查期間防護林碳儲量均表現為碳匯，研究期間中國防護林總平均碳密度呈升-降-升的趨勢。

7 次清查期間，中國防護林分別儲存了中國喬木林總碳儲量的15.69%、16.92%、18.77%、43.75%、54.50%、53.42%、51.57%，期間中國防護林碳儲總量凈增加342 392.17 萬t，占全國喬木林碳儲量總增加量的84.64%，表明防護林在全國喬木林的固碳能力中占據絕對優勢。研究期間，中國防護林碳密度在40.19 t/hm2- 48.03 t/hm2區間內波動，防護林總平均碳密度在第四次清查期間達到最高值48.03 t/hm2；第5 至第7 次清查期間防護林碳密度下降主要原因是此期間中幼齡防護林不斷增加而過熟防護林增加量較少甚至出現負增長；碳密度的增加得益于防護林蓄積的增加和林木生長的雙重作用，第9 次清查期間防護林的碳密度僅僅處于近30 年來的中等偏上水平，而從單位面積蓄積角度來看，第九次清查期間中國防護林單位面積蓄積（82.97 m3/hm2）卻達到整個研究期間的最高水平，這說明我國部分地區在防護林樹種選擇上可以進行優化，在新造林地上可以選擇適宜本地生長的、固碳能力較強的優勢樹種。

2.2 中國防護林分類碳儲量碳密度動態

2.2.1 不同齡組防護林碳儲量、碳密度動態變化

森林碳儲量與森林齡級結構密切相關，林木自身的生長和外界干擾都會影響林齡的整體結構。7 次清查期間，中齡防護林碳儲量長期處于主體地位，占同期防護林碳儲總量的比例 （22.43%、22.52%、21.40%、24.78%、31.28%、30.79%、31.46%）也在波動中呈上升趨勢；研究期間近熟林和成熟林碳儲量一直處于穩步增加的狀態，近熟林碳儲量貢獻率（12.16%、13.33%、13.01%、16.82%、18.50%、18.86%、19.67%）逐期增加，但成熟林碳儲量貢獻率（33.27%、31.37%、26.05%、28.05%、23.59%、23.21%、22.40%）卻逐期減少，說明成熟防護林的林木資源保護和林木經營管理需要更加重視；第3 至第5 次清查期間，過熟防護林碳儲量貢獻率最高可達31.91%，但從第六次清查期間開始雖然其碳儲量在波動中呈小幅增加趨勢，但其碳儲量貢獻率在逐期下降（20.25%、15.57%、16.13%、14.04%），僅次于位于末位的幼齡林之前，不僅因為其面積增加量較少甚至是負增加，還因其碳密度的逐期下降所導致；研究期間幼齡防護林面積占有率在整個研究期間均處于首位，但幼齡林碳密度較低的特性使得其碳儲量貢獻率長期處于較低水平（8.87%～12.47%之間），若后期加強科學撫育和經營管理，現有防護林資源隨著林木的生長和成熟具有較大固碳潛力。

碳密度可有效評價森林的管護水平，研究期間中國防護林總平均碳密度隨齡級的增加而增加（幼齡林＜中齡林＜近熟林＜成熟林＜過熟林），且不同齡級間防護林碳密度水平增幅較大，與幼齡林相比過熟林碳密度長期居于較高水平，中國防護林總平均碳密度特征符合森林植被碳密度隨齡級增加而增加的特性。整個研究期間過熟林碳密度呈升-降的趨勢，成熟林碳密度水平位于過熟林之后，其動態變化與過熟林一致，說明成熟林和過熟林在近些年中被干擾程度較大，林分質量在不斷下降；研究期間近熟林碳密度呈穩步增加趨勢，由第三次清查期間的45.62 t/hm2增長到第九次清查期間的54.64 t/hm2；中齡林相較于其他齡組（除幼齡林外）來說其碳密度處于較低水平，得益于蓄積方面的優勢使其碳儲量貢獻率長期處于較高水平；盡管整個研究期間幼齡林面積占比長期處于絕對優勢，但其碳密度遠低于其他齡級林木碳密度。

2.2.2 不同起源防護林碳儲量、碳密度動態變化

全國森林資源清查從第3 次開始專門有針對防護林面積和蓄積的統計，從第4 次全國森林資源清查期間開始才有針對不同起源防護林的統計。連續6 次森林資源清查期間，中國天然防護林碳儲量呈上升趨勢，凈增加231 537.95 萬t，占中國防護林總碳儲量增加量的83.73%，年均增加7 717.93 萬t； 中國人工防護林碳儲量也在波動中呈上升趨勢，整個研究期間凈增加44 980.89 萬t，人工防護林在第9 次清查期間達到最大（53 312.35 萬t），但也僅占同期防護林碳儲總量的16.27%。各清查期間中國天然防護林碳儲量占同期中國防護林碳儲總量的比例 （93.30%、91.57%、93.42%、91.21%、89.21%、86.70%）呈下降趨勢，相反人工防護林碳儲量占同期中國防護林碳儲量比例在不斷增加，二者的面積變化與同期碳儲量動態變化基本一致。雖然中國人工防護林相較于天然防護林來說貢獻率水平較低，但其逐步提升的碳儲能力和碳密度動態變化特征無疑為部分地區后續防護林工程建設提供新思路。

人工林普遍面臨著樹種單一、林木結構簡單、易感染病蟲害等問題，使得普遍情況下人工林碳密度和碳儲量都處于較低水平。研究期間，各清查期間中國天然防護林平均碳密度遠高于人工防護林平均碳密度，但二者之間的差值在逐期減少，由第4 次清查期間的35.42 t/hm2的差值減少到第9 次清查期間的23.06 t/hm2的差值。中國天然防護林碳密度隨齡級的增加而增加，且相鄰齡組間碳密度差值較大，過熟林碳密度遠遠高于幼齡林碳密度。自第7 次清查期間起中國人工防護林碳密度隨齡級增加呈升-降的趨勢（成熟林＞過熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林），但其不同齡級之間差值較小。人工防護林進入過熟林階段碳密度有所下降，主要是因為人工防護林林分結構簡單，且隨著林木的生長個體間競爭逐漸激烈，受抑制的過熟林加速老化和死亡，而各齡級人工防護林碳密度水平在不同清查期間的穩步提升可以看作是中國人工防護林林分結構、林分質量不斷提升和優化的信號。

圖2 中國不同起源防護林碳儲量、碳密度

2.3 不同地區防護林碳儲能力

西南地區防護林碳儲量處于中國防護林碳儲總量的主體地位，研究期間其碳儲量貢獻率 （56.41%、38.42%、39.66%、62.59%、43.25%、41.38%、37.56%）較高是面積優勢和碳密度較高的雙重作用，研究期間其防護林碳密度處于58.93 t/hm2～77.23 t/hm2之間。華北和東北地區防護林面積差別不大但碳儲量有較大差值的原因在于東北地區防護林碳密度較高，不同的地理特征、不同的優勢樹種及林齡組成合理度都是造成防護林碳密度差別的原因。西北地區防護林碳儲量、碳密度長期處于六大區的中間水平。中南地區碳密度長期處于較低水平（17.12 t/hm2～25.42 t/hm2）。人工防護林是東南沿海地區防護林的主力軍，東南沿海地區總平均碳密度水平接近華北地區說明人工防護林對于促進部分地區生態穩定及碳匯貢獻具有一定優勢。

3 中國防護林碳儲量潛力預測

3.1 預測模型構建

灰色模型可以通過少量、不完全的信息，建立灰色微分預測模型，并對事物發展規律作出模糊性的長期描述。GM(1,1)灰色預測模型具有根據少量數據進行預測、操作實用性強、預測結果較為合理及準確等特點。其基本原理為：

建立變量對時間的一階線性微分方程：

a，b 為待定參數，并將上式寫成矩陣形式：

即xβ=Y，由最小二乘法確定參數矩陣β 的估計值：

得到參數a，b 的估計值，得到GM(1,1)的時間響應函數：

將累積預測值回代便得到各期預測值。

3.2 中國防護林碳儲量潛力預測

本研究首先采用Excel 對各清查期間中國防護林碳儲量數據進行整理，并用SPSS軟件進行編程和相關預測實現。利用GM(1,1)灰色預測模型對中國防護林碳儲量的預測值與中國防護林碳儲量實際值對比結果如表1 所示:

表1 中國防護林碳儲量實際值與預測值比照表

表2 中國防護林面積及碳儲量預測

GM(1,1)灰色預測模型進行預測時，相對誤差值（20%以內說明擬合良好）、后驗差比C值（＜0.35 說明模型精度高）越小越好，由表1 可知，該模型平均相對誤差ε=5.361%，后驗差比C=0.022，說明模型預測擬合程度較高，結果較為可信，可以基于此對中國防護林碳儲量進行預測。同時，森林碳儲量與森林蓄積量有直接關系，而森林蓄積量又與森林面積相關[15]。因此，本研究利用GM(1,1)灰色預測模型對中國防護林面積和碳儲量進行預測。

根據GM(1,1)灰色預測模型的預測結果，按照目前中國防護林資源發展狀態，2030 年中國防護林面積將達到13 980.38 萬hm2，防護林碳儲量將達597 148.06 萬t，較2018 年實現碳儲量增加196 248.13 萬t，2018-2030 年間防護林碳儲量年均增長量為16 354.01 萬t；2060 年中國防護林面積將達到29 117.10 萬hm2，防護林碳儲量將達1 222 990.26 萬t，較2018 年實現碳儲量增加822 090.33 萬t。且由前文可知，目前我國防護林資源處于較年輕狀態，隨著林木的成熟單位面積防護林碳儲量水平增加，中國防護林將會具有更高的固碳能力，能為我國的“雙碳”目標的實現做出更大貢獻。

4 結論與建議

4.1 結論

1）近年來中國防護林碳儲量及碳密度水平持續上升。1984-2018 年間中國防護林碳儲量由58 507.76 萬t 增加到400 899.93 萬t，凈增342 392.17 萬t，占全國喬木林碳儲增量的84.64%，年均增長量9 782.63 萬t，碳密度呈“升-降-升”的變動態勢。

2）中國防護林總平均碳密度隨齡級的增加而增加，不同齡級間防護林碳密度水平增幅較大。中齡防護林碳儲量長期處于主體地位，近熟林和成熟林碳儲量穩步增加，過熟林碳儲量增加量較少且其碳密度呈升-降趨勢，幼齡林面積占有率均處于首位但其碳儲量貢獻率長期處于較低水平（8.87%～12.47%之間）。

3）天然防護林碳儲量在中國防護林碳儲總量中占據絕對優勢，研究期間中國天然防護林碳儲量凈增加231 537.95 萬t，占中國防護林總碳儲量增加量的83.73%，年均增加7 717.93 萬t，人工防護林碳儲量呈上升趨勢，凈增加44 980.89 萬t。天然防護林碳密度隨齡級增加而增加，而不同清查期間各齡級天然防護林碳密度呈持平甚至下降趨勢，近15 年來人工防護林碳密度表現為成熟林＞過熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林，各清查期間天然防護林碳密度水平遠高于人工防護林。

4）西南地區防護林碳儲量貢獻率遠高于其他地區，華北與東北地區防護林總面積相當，但東北地區防護林碳儲量、碳密度遠高于華北地區，以人工防護林為主的東南沿海地區防護林碳密度接近華北地區防護林碳密度說明了人工防護林對于防護林工程體系的重要性。

5） 根據目前防護林資源發展狀態和經營管理水平，預計2030 年中國防護林面積將達到13 980.38 萬hm2，防護林碳儲量將達597 148.06 萬t，2060 年中國防護林防護林碳儲量將達1 222 990.26 萬t。

4.2 建議

1）保障中幼齡防護林順利成熟，保證成熟林和過熟林的合理采伐。注重防護林體系工程中幼齡林的后續撫育和管理，提前確立好林帶寬度、注意保證合理的疏密度等以保證幼齡林的順利成熟。同時，根據不同類型防護林確立不同的終止防護林成熟齡和更新期，避免林產品開發中對其的大量的、無序的采伐。

2）提高人工林穩定性。首先保證人工幼齡林的順利成活，根據地理區域及氣候特征確立各地區優勢樹種，并及時疏伐和更新老化、退化林。同時，要加強人工防護林的集約高效經營管理，進行長時間、大范圍的不同層次的林業規劃，以增強其穩定性和生態系統自我調節能力，提升林分質量。

3）優化防護林林種結構和齡組結構，提高防護林經營管理水平。根據不同的防護林營造目的確立不同的樹種構成和空間分布，構建樹種豐富化、林齡構成合理化的防護林帶。根據不同地區生態環境特點選擇固碳能力較強的優勢樹種，營造群落結構完整、穩定性強、固碳能力較高的防護林體系，以進一步提高我國防護林生態系統的固碳功能和社會經濟效益。