作为陆地生态系统最重要、最活跃的碳库, 森林贮存了76%~98%的陆地植被碳储量, 在维护全球碳平衡、缓解气候变暖等方面发挥着日益重要的作用^[1-2]。森林植被碳储量与森林面积变化、森林演替、林龄组成、人类经营活动以及环境变化等因素密切相关, 是衡量森林生态系统可持续发展的重要指标^[3]。准确估算森林植被碳储量及固碳潜力有利于理解陆地碳循环动态、过程和机制, 也是加强森林生态系统科学管理和制定固碳减排措施的前提^[4-5]。因此, 森林植被碳储量及其空间分布格局和时间动态变化一直是国内外研究热点。

近20多年来, 国内外众多学者从不同尺度(全球、国家、区域和样地)对森林生态系统碳储量、碳密度和碳汇功能展开了大量研究, 内容涉及不同地区、不同类型森林碳储量及其与森林结构、林龄和生境条件的关系^[3-12], 但国内对森林植被碳储量的研究多为国家和省域尺度^{[3, 7-10]}, 流域尺度下森林植被碳储量动态变化研究较少。长江流域是我国生物多样性保护的热点地区, 也是我国生态环境保护的重点地区^[13]。1980年以来, 国家先后在长江流域启动实施了防护林体系建设、退耕还林、天然林保护和自然保护区建设等林业工程, 有效保护了森林资源, 增加了森林面积, 改善了生态环境。目前对流域内森林植被碳储量及其动态变化研究大多着眼于局部地区^[11], 缺乏对整个流域范围的研究。为此, 笔者基于4次全国森林资源清查数据, 对整个长江流域森林植被碳储量及其动态变化进行系统分析, 以期提供长江流域森林植被碳储量最新可靠数据, 为流域内森林资源可持续发展和激发其增汇潜力提供科学依据。

1 数据与方法 1.1 研究区概况

研究中“长江流域”指长江干流和支流流经的广大区域, 位于24°30′~35°45′ N, 90°33′~122°25′ E, 由金沙江等11大水系构成, 西自发源地青海, 东至上海, 涉及19个省、自治区和直辖市, 总面积为18 000万hm², 占国土面积的18.75%^[14]。长江流域气候温和，雨量充沛, 适宜林木生长, 森林资源丰富多样, 从长江江源区的山地寒温性针叶林地带到长江中下游地区的中亚热带常绿阔叶林地带。长江全长6 397 km, 从源头至湖北宜昌为上游, 长4 504 km, 流域面积为9 991.38万hm²; 从湖北宜昌至江西湖口为中游, 长955 km, 流域面积为6 817.84万hm²; 江西湖口以下为下游, 长938 km, 流域面积为1 190.78万hm²。

1.2 数据来源

数据来源于全国第四次(1989—1993年)、第五次(1994—1998年)、第六次(1999—2003年)和第七次(2004—2008年)森林资源清查数据, 包括长江流域森林资源面积、蓄积量和龄组等。研究中森林数据主要为乔木林, 不包括经济林、竹林和疏林地。

1.3 研究方法 1.3.1 森林生物量的估算

由于历次森林资源清查中, 长江流域森林资源清查资料仅列出了不同龄组林地总面积和总蓄积量数据, 缺乏分树种统计资料。故笔者采用方精云等^[10]建立的估算模型, 计算公式为

$ y = 0.575\;1x + 38.706。$

(1)

式(1)中, y为平均生物量, Mg·hm^-2; x为平均蓄积量, m³·hm^-2。样本量n为120, 决定系数R²为0.83。

为验证估算模型的适用性, 笔者以第七次全国森林资源清查数据为基础, 估算了全国和部分省份森林碳储量(植被含碳系数采用0.5), 并与李海奎等^[8]估算结果进行比较(表 1)。由表 1可知, 估算模型对大范围区域来说, 误差较小。

1.3.2 碳储量和碳密度的计算

森林碳储量由生物量乘以植被含碳系数得到。由于植物既有低碳组织, 又有高碳组织, 国际上常用的植被含碳系数为0.45~0.50^[12]。我国学者对森林群落组成树种含碳系数进行了测度研究。如马钦彦等^[15]研究表明, 我国乔木树种平均含碳系数大于0.45, 其中阔叶树种平均含碳系数大多小于0.5, 而针叶树种平均含碳系数大多大于0.5。李海奎等^[16]研究表明, 不同树种含碳系数为0.45~0.53。笔者研究中因缺乏各树种统计数据, 故统一采用0.5。笔者研究中森林植被碳储量不包括林下草本层, 凋落物层和林木根系等碳储量。碳密度是指单位面积碳储量。

2 结果与分析 2.1 长江流域各时期森林植被碳储量

由表 2可知, 4个时期长江流域森林面积不断增加, 由1989—1993年的3 183.88万hm²增加到2004—2008年的4 646.93万hm², 年均增加73.15万hm²; 对应的森林植被碳储量由1 345.30 Tg增加到1 924.98 Tg, 增加579.68 Tg, 年均增加28.98 Tg, 年均增长率为2.15%。1993—1998年长江流域森林植被碳储量增加273.34 Tg, 年均增长率为4.06%;1998—2003年森林植被碳储量增加106.71 Tg, 年均增长率为1.32%;2003—2008年森林植被碳储量增加199.63 Tg, 年均增长率为2.31%。可见, 1989—2008年的20 a间长江流域森林植被起碳汇作用, 长江流域森林植被变化趋势与同时期全国森林植被碳储量总体变化趋势一致^{[9, 17]}, 且整个流域森林植被碳储量占全国碳储量的比例有所增大。

从森林植被平均碳密度来看, 1989—1993年最大, 达到42.25 Mg·hm^-2, 1994—1998年降为40.34 Mg·hm^-2, 其后随时间推移, 森林植被平均碳密度有所增加, 但增加幅度不大; 4个时期平均碳密度介于40.34~42.25 Mg·hm^-2之间, 与全国乔木林平均碳密度接近(42.82 Mg·hm^-2)^[8]。

2.2 长江流域不同龄组森林植被碳储量

森林植被碳储量与森林林龄组成密切相关。长江流域不同龄组森林植被的面积、碳储量以及碳密度见图 1。

由图 1可知, 4次清查结果表明长江流域森林植被主要为幼、中龄林, 占森林总面积的70%左右, 两者碳储量净增加381.53 Tg, 对林分总碳汇的贡献为65.82%。近熟林、成熟林和过熟林面积分别占9.71%~12.60%、10.17%~11.59%和6.85%~8.41%;碳储量分别净增加115.38、44.33和38.42 Tg, 占林分总碳汇的19.90%、7.65%和6.63%。

森林面积的增加是碳储量增加的重要原因之一。5个龄组面积增量由多到少依次为中龄林、幼龄林、近熟林、成熟林和过熟林, 分别增加663.48、348.68、276.54、124.03和50.32万hm², 分别占森林面积总增量的45.35%、23.83%、18.90%、8.48%和3.44%。另外, 森林生长导致碳密度增加也是各个龄组碳储量增加的一个重要原因。幼龄林面积比同期中龄林面积大, 但幼龄林碳储量却明显小于中龄林碳储量, 其主要原因是中龄林碳密度比幼龄林大。

4次清查结果表明, 幼、中龄林碳密度有所增加, 而成熟林和过熟林碳密度则有所下降。值得注意的是, 过熟林平均碳密度分别为中龄林和幼龄林的2.6倍和3.6倍, 表明若中龄林和幼龄林继续生长, 将会具有很大的碳汇潜力。

2.3 长江流域不同起源森林植被碳储量

在4次森林资源清查中, 长江流域天然林碳储量分别占同期碳储量的86.93%、84.01%、80.31%和78.17%, 碳储量比例呈减少趋势, 人工林碳储量分别占同期碳储量的13.07%、15.99%、19.69%和21.83%, 碳储量比例呈增加趋势; 研究期间人工林碳储量增加244.50 Tg, 占全流域碳增量的42.18%, 而天然林碳储量增加335.18 Tg, 占全流域碳增量的57.82%(表 3)。这可能与他们所占面积有关, 天然林面积占同期森林总面积的70%以上, 碳储量相应就大; 人工林在各时期的面积呈增加趋势, 分别占同期森林总面积的19.89%、22.98%、25.20%和27.08%, 因而碳储量比例也呈增加趋势。以上分析表明, 长江流域森林植被碳储量主要分布在天然林中, 天然林是长江流域森林植被碳汇功能的主要贡献者, 同时人工林碳储能力正逐步增强。

研究结果还表明, 研究期间长江流域人工林和天然林碳密度总体呈增加趋势, 但人工林碳密度明显小于天然林碳密度(表 3)。这意味着随人工林进一步发展, 人工林碳汇功能将更加突出, 将在全流域森林碳汇功能中扮演重要角色。

2.4 长江流域不同江段森林植被碳储量

因缺乏统计资料, 仅列出1999—2003年和2004—2008年2个时期长江流域不同江段森林植被碳储量和碳密度(表 4)。由表 4可知, 长江流域森林资源主要分布在中上游流域, 占全流域森林面积的95%以上, 这也与中上游流域面积占全流域面积比例大有关。从3个江段森林覆盖率来看, 长江中游森林覆盖率最高, 上游次之, 下游最小; 2004—2008年3个江段森林覆盖率均比1999—2003年有所增加, 尤其为中游, 增加4.66百分点。

这2个时期长江上游地区森林植被碳储量最大, 占同期碳储量的比例分别为56.51%和53.55%, 中游地区森林植被碳储量次之, 分别为40.43%和43.29%, 下游地区森林植被碳储量仅占同期碳储量的3.06%和3.16%。将2个时期森林植被碳储量进行比较, 发现2004—2008年长江上游、中游和下游森林植被碳储量均大于1999—2003年, 分别增加5.72%、19.45%和15.47%。从平均碳密度来看, 2个时期上游森林植被平均碳密度最大, 中游次之, 下游最小, 这也与上游森林植被主要为成熟林和过熟林、中下游主要为幼龄林和中龄林有关(图 2)。

3 讨论 3.1 长江流域森林碳汇的战略地位

因为森林作为陆地生态系统中最大的碳库, 在抑制全球温室气体浓度上升中发挥着重要作用, 林业碳汇也成为《京都议定书》、“巴厘岛路线图”和“哥本哈根世界气候大会”等历次国际气候谈判的重要内容。国内学者对我国森林植被碳储量及其变化的研究表明, 我国森林植被碳汇功能明显^{[9, 11, 17]}。笔者结果表明, 长江流域森林植被碳储量由1989年的1 345.30 Tg增加到2008年的1 924.98 Tg, 均占同期全国森林植被碳储量的30%左右; 研究期间森林植被碳储量增加579.68 Tg, 占同期全国森林植被碳增加量(1 717 Tg)的33.70%, 森林覆盖率(17.69%、22.29%、23.38%和25.82%)总体也呈上升趋势。同时, 长江流域森林植被碳储量年均增长率(2.15%)比全国年均增长率(1.86%)高0.29百分点。研究还表明, 长江流域森林植被平均碳密度呈增加趋势(分别为42.25、40.34、41.00和41.42 Mg·hm^-2)。这些变化说明长江流域森林植被碳汇作用不断增强, 储碳能力将继续提高, 同时也说明长江流域森林植被在增加全国森林碳储量和增强全国森林碳汇功能等方面扮演着重要角色。

3.2 长江流域森林经营管理及提升森林碳汇途径

加强森林经营管理是提高森林碳储量的重要途径。1980年代以来, 长江流域先后实施了防护林体系建设、退耕还林和天然林保护等林业工程, 森林面积得到有效增加。研究表明, 研究期间长江流域森林面积增加1 463.05万hm²; 4次清查期间森林植被主要集中于幼、中龄林, 两者面积占森林总面积的70%左右, 两者碳储量增加381.53 Tg, 对林分总碳汇的贡献达65.82%。随着林木自然生长, 幼、中龄林必然向成熟林发展, 由于幼、中龄林平均碳密度(25.62和36.09 Mg·hm^-2)比成熟林平均碳密度(68.52 Mg·hm^-2)低得多, 这意味着即使不扩大森林面积, 依靠林木自然生长, 长江流域森林植被碳储量仍有较大的增长潜能, 将继续发挥碳汇作用。因此, 未来应加强长江流域幼、中龄林的抚育管理, 科学、合理、有序地开展森林经营活动, 改善林分质量, 提高流域内森林固碳速度和固碳能力, 进而增加森林固碳总量。

研究还表明, 长江流域人工林碳储量仅占同期森林植被碳储量的13.07%、15.99%、19.69%和21.83%, 主要是由于人工林面积少, 同时人工林中幼、中龄林占比过大所致, 如2004—2008年幼、中龄林占比高达75.48%;而人工林普遍存在树种单一、结构和功能较差、病虫害频繁发生等缺点, 这也是人工林植被碳储量较低的一个重要原因^[18]。但长江流域人工林碳储能力相对较强, 流域内人工林面积占全国人工林面积的31.46%^[19](以2004—2008年为例), 而碳储量占全国人工林碳储量的比例却达44.81%(同期全国人工林碳储量为938 Tg^[17])。这说明提高现有人工林的经营管理水平, 调整流域内树种结构和格局, 加强森林病虫害防治, 增加森林抗灾能力, 有助于进一步增强长江流域森林碳汇功能。

4 结论

基于4次全国森林资源清查主要数据, 对长江流域森林植被碳储量及碳密度进行动态分析。结果表明:

(1) 研究期间长江流域森林植被总碳储量由1 345.30 Tg增加到1 924.98 Tg, 占全国森林植被碳储量的30%左右; 森林植被平均碳密度为40.34~42.25 Mg·hm^-2。

(2) 研究期间长江流域森林植被碳储量主要集中于幼龄林、中龄林和近熟林, 3者对林分碳汇的贡献超过85%。森林植被碳密度随着林龄增加呈增加趋势; 随着时间推移, 幼龄林和中龄林碳密度有所增加, 而成熟林和过熟林碳密度则有所下降。

(3) 研究期间长江流域森林植被碳储量主要分布于天然林, 占同期碳储量的78%以上, 人工林碳储量占同期森林植被碳储量的比例呈增加趋势, 由13.07%增加到21.83%;研究期间人工林和天然林碳密度总体呈增加趋势, 但人工林碳密度明显小于天然林碳密度。

(4) 研究期间长江流域森林碳储量主要集中于长江中上游地区, 占全流域的96%以上; 2004—2008年长江流域上、中、下游森林碳储量都比1999—2003年高, 分别高5.72%、19.45%和15.47%。