林业科学  2013, Vol. 49 Issue (5): 17-23   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20130503
0

文章信息

钱逸凡, 伊力塔, 张超, 余树全, 沈露, 彭冬琴, 郑超超
Qian Yifan, Yi Lita, Zhang Chao, Yu Shuquan, Shen Lu, Peng Dongqin, Zheng Chaochao
浙江省中部地区公益林生物量与碳储量
Biomass and Carbon Storage of Public Service Forests in the Central Area of Zhejiang Province
林业科学, 2013, 49(5): 17-23
Scientia Silvae Sinicae, 2013, 49(5): 17-23.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20130503

文章历史

收稿日期：2012-04-17
修回日期：2013-02-20

作者相关文章

钱逸凡
伊力塔
张超
余树全
沈露
彭冬琴
郑超超

引用本文
钱逸凡, 伊力塔, 张超, 余树全, 沈露, 彭冬琴, 郑超超. 2013. 浙江省中部地区公益林生物量与碳储量[J]. 林业科学, 49(5): 17-23.
Qian Yifan, Yi Lita, Zhang Chao, Yu Shuquan, Shen Lu, Peng Dongqin, Zheng Chaochao. 2013. Biomass and Carbon Storage of Public Service Forests in the Central Area of Zhejiang Province. Scientia Silvae Sinicae, 49(5): 17-23.  DOI: 10.11707/j.1001-7488.20130503
浙江省中部地区公益林生物量与碳储量
钱逸凡1, 伊力塔1, 2, 张超1, 余树全1, 2, 沈露1, 彭冬琴1, 郑超超1    
1. 浙江农林大学林业与生物技术学院 临安 311300;
2. 亚热带森林培育国家重点实验室培育基地 临安 311300
收稿日期：2012-04-17；修回日期：2013-02-20
基金项目：浙江省科技厅重大项目(2006C12060)；浙江农林大学科研发展基金人才启动项目(2008FR100)；浙江省重点科技创新团队项目(2011R50027)；浙江农林大学研究生科研创新基金(3122013240140)。
摘要：利用2010—2011年在浙江省中部地区调查的517块公益林固定小班监测数据，推算不同群落类型生物量，估算公益林植被碳储量与碳密度，并建立碳密度模型。结果表明：浙江中部地区公益林的生物量为99.30 t·hm-2，现存总生物量16 430.40万t，植被碳密度平均为49.59 t C·hm-2，总碳储量为8 205.59万t C；浙江中部地区公益林植被碳密度受林龄与林分密度的影响显著，基于林龄、林分密度两因子拟合了公益林植被碳密度预测模型Cb=a A+b D+c，为提高公益林固碳能力的经营管理提供科学依据。
关键词： 公益林    生物量    碳储量    碳密度    浙江中部    
Biomass and Carbon Storage of Public Service Forests in the Central Area of Zhejiang Province
Qian Yifan1, Yi Lita1, 2, Zhang Chao1, Yu Shuquan1, 2, Shen Lu1, Peng Dongqin1, Zheng Chaochao1     
1. School of Forestry and Biotechnology, Zhejiang Agriculture and Forestry University Lin’an311300;
2. Nurturing Station for State Key Laboratory of Subtropical Silviculture Lin’an 311300
Abstract: Using the monitoring data from 517 public service forest plots in the central area of Zhejiang Province in 2010-2011, the carbon storage and carbon density of the public service forest were evaluated based on the calculated biomass of different communities. The results showed that the average biomass of the public service forest was 99.30 t·hm-2, the present total biomass was 16 430.40× 104 t, the average carbon density was 49.59 t C·hm-2, and the total carbon storage was 8 205.59×104 t C in central Zhejiang. The analysis also demonstrated that the carbon density was significantly affected by stand age and density. Finally, this study established a model, C b = aA + bD + c ,which was composed by stand age and density to estimate the carbon density of the public service forest in central Zhejiang for improving the public welfare forest carbon sequestration ability.
Key words: public service forest    biomass    carbon storage    carbon density    the central area of Zhejiang Province    

森林生态系统是陆地生态系统的主体，也是最重要的陆地碳库之一，其碳储量占整个陆地植被碳储量的76%～98%(Piao et al.，2009)，每年的碳固定量约占整个陆地生物碳固定量的2/3(Kramer，1981)，在调节全球碳平衡、减缓温室效应等诸多方面有着极其重要的作用(Dixon et al.，1994;Houghton et al.，2007; Liu et al.，2000)。亚热带地区的森林群落有其独特的特点，群落类型多样、物种丰富、生产力高、碳汇能力强，一直是国内外研究的热点(余树全，2003; Cornelissen et al.，1994; Du et al.，2012; Yong et al.，2006)。

由于人类的过度利用，浙江省典型的亚热带公益林群落遭到巨大的破坏，带来了许多生态问题。为此，浙江省于2001 年起全面启动实施“200 万hm2生态公益林”计划，而浙江中部地区承接南北、区域面积大，且原始植被几乎被完全毁坏，因此公益林的建设备受社会各界的关注。近年来，关于浙江省公益林的研究也逐渐增多，主要集中在群落结构特征、森林生产力以及公益林生态系统服务功能等方面(钱逸凡等，2012)，公益林生物量和碳储量的研究虽有涉及但主要着眼于省级尺度，普遍存在样本少、缺乏系统性等问题，尤其目前尚无对浙江省中部地区区域尺度的专项研究。本研究通过系统地选取、调查517 块公益林固定样地，了解中部地区公益林的生物量和碳储量现状，从而探索本区域公益林碳储量估算方法，为提高公益林固碳能力的经营管理提供科学依据。

1 研究区概况

浙江省位于我国长江中下游东南沿海地区，长江三角洲南翼(118°01'-123°10'E，27°06'-31°31'N)。浙江中部面积广阔，包括金华市、绍兴市、衢州市、台州市和丽水市。2011 年，浙江中部公益林面积达165.46 万hm2，占浙江省总面积260.70 万hm2的63.47%，是浙江省生态建设的重点区域(表 1)。相比全省平均水平，浙江中部地区公益林幼龄林的比例更低为26.58%(图 1)。在公益林群落结构上，中部地区仍以针叶林为主，松(Pinus)林和杉木(Cunninghamia lanceolata)林面积比例分别为37.58%和15.29%，高于全省整体水平; 中部地区阔叶林面积比例为24.65%，小于全省的28.48%，而针阔混交林具有较高的面积比例，为14.76%。

表 1 浙江中部公益林面积统计 Tab.1 Area statistics of public welfare forest in central Zhejiang
图 1 公益林群落类型与林龄分布 Fig. 1 Community type and forest age of public welfare forest
2 研究方法 2.1 样地设置与调查

根据浙江省行政区划，选取可代表中部五市平均水平的县市进行重点观测(浙江省林业厅，2007)，包括嵊州市(绍兴地区)、东阳市(金华地区)、仙居县(台州地区)、缙云县(丽水地区)和江山市(衢州地区)在内的公益林固定监测小班。在获取公益林二类资源清查数据的基础上，采用两阶抽样法，公益林小班为抽样的基本单元，以全部公益林的小班作为总抽样总体，经系统抽样抽取监测小班(浙江省林业厅，2007)，共设监测小班517 块，其中嵊州市96 块、东阳市121 块、仙居县103 块、缙云县117 块、江山市80 块。

在对固定监测小班全面踏查的基础上，在每块小班的典型地段内设置面积为20 m×20 m 的固定样地1 块，共设样地517 块。详细记录每块样地的基本信息，对样地内乔木层(胸径大于5.0cm)进行每木调查(测定树高、胸径、冠幅和枝下高等)，同时在每块样地对角线上均匀设置3 块2 m×2 m 的灌草固定小样方，详细记录灌木和草本的种类、株数和盖度等指标，所有调查均在2010-2011 年完成。

2.2 数据处理 2.2.1 生物量估算

研究采用平均生物量法，即利用野外数据获得的单位生物量乘以该类型群落的面积(方精云等，2002)，推算浙江中部地区各个森林群落生物量。研究首先以517 块样地为样本进行调查，根据浙江省重点公益林生物量模型(刘其霞等，2005; 袁位高等，2009)(表 2)，分层进行群落单位生物量计算。样地生物量为乔木生物量、灌木生物量和草本生物量3 者之和。其中乔木层生物量为样地中所有单木生物量的总和，群落单位生物量为各群落样地生物量除以取样面积的均值。其次以浙江省中部地区公益林二类资源清查数据确定不同公益林群落的面积(图 1)。最后以各群落平均生物量乘以相应群落的面积求出浙江中部地区公益林的生物总量。

表 2 浙江省重点公益林生物量估算模型① Tab.2 Biomass model of key ecological forest in Zhejiang Province
2.2.2 碳储量与碳密度估算

碳储量与碳密度的估算方法很多，本研究采用基于生物量的估算方法(森林生物量乘以含碳率)对公益林植被碳储量进行估算。鉴于不同森林群落因其群落组成、林龄结构的差异，其含碳率略有不同，本研究中采用国际上常用的转换率，其中乔木层、灌木层含碳率为0.5(李海涛等，2007; Burrows et al.，2002; Houghton et al.，2005)，草本层为0.45(Ajtay et al.，1979)。

2.2.3 碳密度模型的建立

利用SPSS 17.0对各公益林群落类型的林龄、密度和碳密度进行偏相关性分析，在此基础上用3/4 的总样本数建立模型，并用1/4的样本数进行模型的验证(刘晓梅等，2011;迟道才等，2009)。

3 结果与分析 3.1 浙江中部地区公益林生物量

由表 3可知，浙江中部地区公益林的单位生物量为99.30 t·hm-2，不同群落的单位生物量差异显著，各群落类型中，杉木林单位生物量最高，达到124.88 t·hm-2，其他由高到低依次为针阔混交林112.21 t·hm-2、阔叶林104.65 t·hm-2、松林90.64t·hm-2、毛竹林60.21 t·hm-2和灌木林37.35 t·hm-2。而且，在不同层次上单位生物量差异较大，乔木层以杉木林单位生物量最高，达94.00 t·hm-2 ;灌木层和草本层单位生物量则以针阔混交林和灌木林最高，分别达到39.33和1.70 t·hm-2。

表 3 浙江中部地区公益林单位生物量① Tab.3 Unit biomass of public welfare forest in central Zhejiang

由表 3可知，浙江中部地区公益林垂直结构上的单位生物量以乔木层最大，平均达65.76 t·hm-2，占群落单位生物量的66.23%，其树干、树冠和树根分别占35.55%，13.21%和17.46%；灌木层单位生物量平均达32.37 t·hm-2，占32.60%；草本层为1.17 t·hm-2，占1.18%。但各群落类型单位生物量的垂直分配略有不同。毛竹林由于密度较高，林下光照少，生物量更集中于乔木层，占83.70%；灌木林的乔木层发育不足，生物量集中于灌木层，占76.98%，草本层达到4.55%。结构较为完整的松林、杉木林、针阔混交林和阔叶林在垂直结构上生物量的分配基本一致，由于乔木层利用了绝大部分光照，进入林内可供灌木和草本利用的光照更为有限，因此林下生物量趋于一致，稳定在群落生物量的1/3左右。加大对乔木层的经营管理，增加乔木层生物量，是增加群落总生物量的关键。

由表 4可知，浙江中部地区公益林现存总生物量16 430.40万t，由于在面积上松林占据绝对优势，其总生物量最高，达到5 636.81 万t，占中部地区公益林总生物量的34.31%；其他群落类型总生物量由高到低依次为阔叶林4 267.43 万t(25.97%)、杉木林3 160.31 万t(19.23%)、针阔混交林2 746.56 万t(16.72%)、毛竹林380.10 万t(2.31%)和灌木林239.19 万t(1.46%)。松林、阔叶林单位生物量不高，但仍占据了中部地区公益林的总生物量主体部分。因此随着针叶林阔叶化改造的进行和阔叶林质量的提升，浙江中部地区公益林的生物量将进一步增加。

表 4 浙江中部地区公益林现存生物量 Tab.4 Existing biomass of public welfare forest in central Zhejiang
3.2 浙江中部地区公益林植被碳储量与碳密度

由表 5 可知，浙江中部地区公益林植被总碳储量为8 205.59 万tC，各群落类型中，松林碳储量最大(2 813.92万tC)，占植被总碳储量的34.29%，灌木林的碳储量最小(119.05 万tC)，占1.45%；植被碳密度加权平均值为49.59 tC·hm-2。由于松林面积(37.58%)占据优势，其植被碳储量高于其他群落类型，但其碳密度45.25 tC·hm-2低于密度较高的杉木林(62.38 tC·hm-2)、针阔混交林(56.07 tC·hm-2)和阔叶林(52.29 tC·hm-2); 毛竹林受单株生物量的限制，碳密度仅为30.07 tC·hm-2，但毛竹生活史周期短，其固碳潜能很大。

表 5 浙江中部地区公益林植被碳密度和碳储量 Tab.5 Vegetation carbon density and carbon storage of public welfare forest in central Zhejiang

本研究表明，浙江中部地区公益林平均植被碳密度(49.59 tC·hm-2)高于方精云等(2001)对中国浙江森林植被碳密度的估算，表明随着林龄增长，中部地区公益林碳密度增长迅速。此外，2006年浙江省中部5 个行政区域绍兴市、金华市、衢州市、台州市和丽水市的公益林单位生物量分别为69.00，66.75，67.35，63.90和68.70 t·hm-2(浙江省林业厅，2007)。因此，中部地区公益林从2006 年总生物量7 477.3 万t，植被碳储量3 734.29 万t C，增长到2011 年的16 430.40 万t和8 205.59 万t C，5 年积累碳4 471.30 万t C。这主要是由于2010 年全省公益林面积从2006 年的111.00 万hm2增长到165.46万hm2，另外，通过针阔化改造、幼龄林抚育等措施，公益林平均生物量从2006 年的67.36 t·hm-2增长到2011 年的99.30 t·hm-2，年均净增长6.39 t·hm-2 a-1，年均增长率8.07%。表明近几年来，浙江中部地区公益林生物量增长迅速，对保持浙江中部地区生态系统的稳定具有重大作用。

3.3 林龄、密度因子与植被碳密度的关系

有研究表明，由于群落林龄的增长，生物量逐渐积累，碳密度逐渐增长(彭守璋等，2011; 贾炜玮等，2012; 吴丹等，2012)。但此类结论无法解释浙江中部存在部分林地林龄较高，而碳密度较低的事实，只有在群落密度保持稳定或者逐渐增大的前提下，碳密度与林龄才存在较高的相关性。故在公益林经营中仅用林龄因子无法满足估算或预测群落碳密度的要求。不同群落植被碳密度与生物量及含碳率有关，而国际上进行碳估算和碳交易时均采用固定的含碳率，本研究发现松林、杉木林、针阔混交林和阔叶林4 种(毛竹林、灌木林结构特殊，在此不作讨论)公益林的林龄和林分密度与植被碳密度显著相关(P＜0.01)，偏相关性系数均达到0.6 以上(表 6)。

表 6 浙江中部地区公益林林龄、密度与植被碳密度的相关性① Tab.6 Partial correlation between vegetation carbon density with forest age and forest density in central Zhejiang

研究通过建立二元一次模型发现林龄、林分密度与植被碳密度存在如下关系: Cb=aA+bD+c。Cb为植被碳密度(tC·hm-2)；A 为林龄(a)；D 为林分密度(株·hm-2)；a，b和c为模型系数，见表 7。

表 7 浙江中部地区公益林植被碳密度预测模型 Tab.7 Vegetation carbon density forecast model of public welfare forest in central Zhejiang

由表 7可知，各模型R2均高于0.689，取4 种群落类型的总样本数的1/4 对模型进行验证，比较观测值和预测值的差异(图 2)，发现此模型的精度均高于80%，可用于浙江中部地区公益林植被层的碳密度估算。此模型的意义在于，植被碳密度大小受林龄和密度的控制:对于松林等4种群落类型，在密度不变的情况下，林龄每增长1 年，碳密度分别增长1.696，1.881，1.406和2.459 t C·hm-2，反映了不同群落类型在生物量和碳积累上的能力；而在林龄不变时，密度在较低的水平(150～5 350 株·hm-2)下，密度每增长1 000 株·hm-2，碳密度分别增长18，9，11和15 t C·hm-2，表明在当下林龄和密度均不大的浙江中部地区，增加乔木密度可提高公益林的碳积累能力。

图 2 样地碳密度实测值和预测值的拟合度 Fig. 2 Reparameterization between measured and predicted carbon density
4 结论与讨论

生物量与碳储量的估算是评价公益林质量尤其是固碳能力的关键环节，目前在大尺度上对森林生物量的推算方法主要是平均生物量法、平均换算因子法和换算因子连续函数法，其中换算因子连续函数法被看作平均换算因子法的改进(方精云等，2002)。而在省级尺度仅有张茂震等(2009)利用换算因子连续函数法对浙江森林生物量及生产力进行估算，以及Zhang等(2007)利用平均生物量法对浙江公益林生物量及生产力估算。松林、杉木林、针阔混交林、阔叶林4种公益林群落林下层平均生物量均稳定在群落植被总生物量的1/3，换算因子连续函数法因其快速、简便、与资源清查数据有效结合而被广泛应用于大尺度上生物量与碳储量的估算，但其忽略了林下层生物量而常常导致估算结果偏小，客观地低估了我国森林生物量和碳储量总量。因而在省级尺度上平均生物量法对于公益林生物量和碳储量的估算更为精确，笔者认为在国家尺度上的估算，应采用各地的参数和按类型分类进行详尽的统计，这样得到的生物量和碳储量估算结果更可靠。

浙江中部地区原始地带性植被破坏最为严重，现存阔叶林多为天然次生演替而来，阔叶林的生物量低于浙江公益林整体水平；但由于植被恢复早，松林、杉木林和针阔混交林平均生物量均高于浙江全省平均水平，应用碳密度估算模型可推测浙江中部地区公益林恢复进程，同时对于指导全省公益林的经营管理也具有普遍意义。海拔、坡度、坡向、坡位等环境因子间接影响群落结构，例如密度，从而影响群落碳密度。

参考文献(References)
[1] 迟道才,孙号茗,崔屾,等. 2009. 半湿润地区旱涝灾害预测模型研究. 人民长江,40(1):24-26.(1)
[2] 方精云,陈安平. 2001. 中国森林植被碳库的动态变化及其意义. 植物学报,43(9):967-973.(1)
[3] 方精云,陈安平,赵淑清,等. 2002. 中国森林生物量的估算:对Fang等Science 一文(Science,2001,291:2320-2322)的若干说明.植物生态学报,26(2) :243-249.(2)
[4] 贾炜玮,李凤日,董利虎,等. 2012. 基于相容性生物量模型的樟子松林碳密度与碳储量研究. 北京林业大学学报,34(1):6-13.(1)
[5] 李海涛,王姗娜,高鲁鹏,等. 2007. 赣中亚热带森林植被碳储量.生态学报,27(2):693-704.(1)
[6] 刘其霞,常杰,江波,等. 2005. 浙江省常绿阔叶生态公益林生物量. 生态学报,25(9):2139-2144.(1)
[7] 刘晓梅,布仁仓,邓华卫,等. 2011. 基于地统计学丰林自然保护区森林生物量估测及空间格局分析. 生态学报,31 (16):4783-4790.(1)
[8] 彭守璋,赵传燕,郑祥霖,等. 2011. 祁连山青海云杉林生物量和碳储量空间分布特征. 应用生态学报,22(7):1689-1694.(1)
[9] 钱逸凡,伊力塔,钭培民,等. 2012. 浙江缙云公益林生物量及固碳释氧效益. 浙江农林大学学报,29(2):257-264.(1)
[10] 吴丹,邵全琴,李佳,等. 2012. 江西中南部红壤丘陵区主要造林树种碳固定估算. 生态学报,32(1):142-150.(1)
[11] 余树全. 2003. 浙江淳安天然次生林演替的定量研究. 林业科学,39(1):17-22.(1)
[12] 袁位高,江波,葛永金,等. 2009. 浙江省重点公益林生物量模型研究. 浙江林业科技,29(2):1-5.(1)
[13] 张茂震,王广兴,刘安兴. 2009. 基于森林资源连续清查资料估算的浙江省森林生物量及生产力. 林业科学,45(9)13-17.(1)
[14] 浙江省林业厅. 2007. 浙江省重点公益林建设与效益年报. 杭州:浙江省林业厅.(3)
[15] Ajtay G L, Ketner P, Duvigneaud P. 1979. Terrestrial primary production and phytomass. The Global Carbon Cycle,13:129-182.(1)
[16] Burrows W H,Henry B K,Back P V,et al. 2002. Growth and carbon stock change in eucalypt woodlands in northeast Australia:ecological and greenhouse sink implications. Global Change Biol,8 (8):769- 784.(1)
[17] Cornelissen J,Werger M,Zhang C Z. 1994. Effects of canopy gaps on the growth of tree seedlings from subtropical broad-leaved evergreen forests of southern China. Plant Ecol,110(1):43-54.(1)
[18] Dixon R K,Solomon A M,Brown S,et al. 1994. Carbon pools and flux of global forest ecosystems. Science,263(5144):185-190.(1)
[19] Du Y,Mi X,Liu X,et al. 2012. The effects of ice storm on seed rain and seed limitation in an evergreen broad-leaved forest in east China. Acta Oecologica,39(2):87-93.(1)
[20] Houghton R A. 2005. Aboveground forest biomass and the global carbon balance. Global Change Biology,11(6):945-958.(1)
[21] Houghton R A. 2007. Balancing the global carbon budget. Annual Review of Earth and Planetary Sciences,35(1):313-347.(1)
[22] Liu G H,Fu B J,Fang J Y. 2000. Carbon dynamics of Chinese forests and its contribution to global carbon balance. Acta Ecologica Sinica,20(5):733-740.(1)
[23] Kramer P J. 1981. Carbon dioxide concentration,photosynthesis,and dry matter production. Bioscience,31(1) :29-33.(1)
[24] Piao S,Fang J Y,Ciais P,et al. 2009. The carbon balance of terrestrial ecosystems in China. Nature,458(7241):1009-1013.(1)
[25] Yong C Y. 2006. A brief review of studies on differentiation of vegetation pattern along a topographic gradient in hilly regions. Journal of Plant Ecology,30(3):504-513.(1)
[26] Zhang J,Ge Y,Chang J,et al. 2007. Carbon storage by ecological service forest in Zhejiang Provinee, subtropical China. Forest Ecology and Management,245(1):64-75.(1)