武漢市環城林帶森林碳儲量及其動態變化

陳科屹, 劉潤華, 張 博, 何友均, 謝和生

(1.中國林業科學研究院 林業科技信息研究所, 北京 100091; 2.武漢市林業調查規劃設計院有限公司,武漢 430000; 3.北京林業大學 森林資源和環境管理國家林業局重點實驗室, 北京 100083)

氣候變化早已成為備受世界關注的熱點問題，森林在應對全球氣候變化過程中所發揮的不可替代的作用早已得到了社會各界的廣泛認同[1]。城市是溫室氣體排放的重要來源地之一，因此城市也自然成為了應對氣候變化的主要場所之一[2]。環城林帶是城市生態系統的重要組成部分，它對于改善城市生態狀況、提升人居環境以及美化景觀效果皆起著非常重要的作用，尤其是在維持城市生態系統的碳平衡方面具有重大的現實意義[3]。及時并準確地測算環城林帶的森林碳儲量，可以了解林分水平的固碳能力、收集碳收支相關參數，客觀反映環城林帶的森林結構和功能現狀，進而為城市及郊區森林資源的可持續經營管理提供重要的理論依據。

我國有關環城林帶的研究起于20世紀80年代[4]，目前主要涉及環城林帶的規劃與設計[5]、森林資源調查與分析[6-7]、生態服務功能評價等[8-9]方面，且多以單一時間節點作為研究背景，然而針對環城林帶碳儲量的估測及其動態變化規律方面的研究則鮮見報道。武漢市環城林帶是武漢市的重點工程項目，從開工至今已有近20 a的經營過程，目前已成為武漢市城區外圍重要的綠色生態屏障，其森林生長狀況備受社會各界關注。為此，本研究以武漢市環城林帶為研究對象，基于2008年和2018年兩期森林資源兩類調查數據，參照近似立地環境和相同氣候區域的實測數據和材積源生物量轉換模型，探究武漢市環城林帶的碳儲量、碳密度、空間分異以及近10 a來的動態變化情況，以期為促進城市森林固碳增匯，提升城市森林多功能經營、精準化經營水平提供理論依據和數據支撐。

1 研究區概況

武漢市環城林帶全長188 km、寬度200 m，位于武漢市外環高速公路兩側，介于東徑114°1′—114°35′，北緯30°18′—30°53′，林帶沿線跨越蔡甸區、東西湖區、江夏區、新洲區、黃陂區和東湖高新區。環城林帶地處北亞熱帶濕潤季風性氣候區，降水量分配不均，春夏多雨，秋冬多旱。沿線地形地貌涵蓋平原、丘陵、崗地，但總體坡度較小，其穿越長江、漢水、武湖、后湖等水系湖泊。沿線土地多農田和旱地，土壤類型主要包括水稻土、潮土、紅壤、黃紅壤，部分丘陵地區為黃棕壤，局部有黃紅壤。主要樹種包括香樟(Cinnamomumcamphora)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、池杉(Taxodiumascenden)、欒樹(Koelreuteriapaniculata)、杜英(Elaeocarpusdecipiens)、柏木(Cupressusfunebris)、楓香(Liquidambarformosana)、女貞(Ligustrumlucidum)、馬尾松(Pinusmassoniana)等20多個樹種。

2 材料與方法

2.1 數據來源與預處理

采用武漢市環城林帶2008年和2018年兩期森林資源二類調查數據資料，調查數據以小班作為基本單元，調查內容涵蓋地類、面積、植被類型、優勢樹種(組)、起源、齡級、蓄積等。考慮到森林碳儲量估算的基本要求和方法，并結合武漢市環城林帶森林資源2類調查數據資料的內容，將沿線植被劃分為15組群落類型，分別是樟樹、軟闊、硬闊、柏樹、水杉、柳杉、杉木、馬尾松、其他針葉類、闊葉混交林、針葉混交林、針闊混交林、疏林、灌木林、苗圃和竹類(表1)。齡組則按照《國家森林資源連續清查技術規定》(2014)的技術標準進行劃分(表2)。

2.2 研究方法

目前，森林碳儲量的估算方法包括樣地清查、遙感估測和模型模擬等諸多方法[10-11]，其中材積源生物量法(volume-derived biomass)在估算林分生物量方面具有良好的效果，是目前研究森林碳儲量的重要方法之一[12-13]。基于森林資源兩類調查數據的特點，本研究采用生物量轉換連續函數法計算武漢市環城林帶喬木林的生物量，其數學表達式如下：

Btotal=B·Atotal=(a·V+b)·Atotal

(1)

式中：B為某一樹種(組)的單位面積生物量；V為某一樹種(組)的單位面積蓄積量；Atotal為某一樹種(組)的總面積；Btotal為某一樹種(組)的總生物量；a，b為參數。根據樹種(組)的類別,從方精云等[14-15]、曾偉生[16]、黃從德[17]已建立的不同森林類型森林蓄積量表示生物量的轉換參數中篩選適合本研究的參考數值,對于缺失對應模型的樹種(組),參照近似優勢樹種(組)參數作為替代(表3)。

由于灌木林、苗圃、竹林與喬木林的特征存在較大差異，因此采用區別于喬木林的生物量估算方法。其中，灌木林、苗圃的生物量采用平均生物量法，參照劉國華等[18]的方法按19.76 t/hm2進行估算，對于植被蓋度不足50%的按9.88 t/hm2進行估算。竹林的生物量參考《全國林業碳匯計量監測技術指南(試行)》(2011)發布的參數按10.44 kg/株進行估算，對于竹林平均高不足5 m的按5.22 kg/株進行估算。

表1 武漢市環城林帶主要群落類型

表2 武漢市環城林帶主要樹種齡組劃分

表3 武漢市環城林帶各樹種(組)生物量方程回歸參數及含碳系數

基于上述林分生物量的計算結果，根據對應的含碳系數計算林分碳儲量，表達式如下：

Ctotal=Btotal·Cc

(2)

式中：Ctotal為某一樹種(組)的總碳儲量；Cc某一樹種(組)的含碳系數。武漢市環城林帶各類喬木樹種的含碳系數參照李海奎等[19]的研究結果,而竹林、疏林、灌木林、苗圃林則統一采用常數0.5作為含碳系數。另外,需特別指出的是,本文所研究的環城林帶森林碳儲量是指林分中活立木的碳儲量,不包含下木層、草本層、枯木層、土壤層的碳儲量。碳密度即為單位面積的碳儲量。

年變化率是反映動態變化的重要指標，基于森林碳儲量和森林碳密度的測算結果，計算兩者的年變化率，計算公式如下：

(3)

式中：Cr為森林碳儲量或碳密度年變化率；Ct1，Ct2分別為在t1，t2時的森林碳儲量或碳密度。

3 結果與分析

3.1 碳儲量總體概況及其動態

由表4可知，截至2018年，武漢市環城林帶森林總碳儲量為119 789.961 3 t，是2008年64 692.413 3 t的1.85倍，10 a間凈增匯55 097.548 0 t，年均增長率為6.35%。2018年，環城林帶森林碳密度為47.243 4 t/hm2，是2008年27.389 7 t/hm2的1.72倍，10 a間每hm2單位面積凈增匯19.853 7 t，年均增長率為5.60%。根據湖北碳排放權交易中心發布的數據顯示，2018年湖北省碳排放交易平均價格為每噸CO222.47元。參照此標準概算可知，2018年武漢市環城林帶森林共計固定439 629.862 0 t CO2，總碳儲量理論價值約為987.85萬元。

3.2 碳儲量空間分布及其動態

從武漢市環城林帶森林碳儲量的空間分布來看(表5)，2008年森林碳儲量最多和最少的區域分別是江夏區(25 830.036 2 t)和東湖高新區(4 015.255 0 t)，最高者與最低者的碳儲量相差6.43倍。其余4個區域的碳儲量位列其間，具體排序為：東西湖區>黃陂區>蔡甸區>新洲區。相比之下，2018年森林碳儲量最多的區域仍然是江夏區(27 392.526 2 t)，但是其碳儲量占比已從2008年的39.93%下降到2018年的22.87%；森林碳儲量最少的區域轉變為新洲區(12 022.250 4 t)，但是其碳儲量占比則有所增加。其余4個區域的森林碳儲量排序為：東湖高新區>黃陂區>蔡甸區>東西湖區。

表4 武漢市環城林帶森林總碳儲量和平均碳密度

表5 武漢市環城林帶不同區域森林碳儲量和碳密度

在森林碳密度方面，2008年森林碳密度最大和最小的區域分別是東西湖區(32.026 2 t/hm2)和新洲區(23.117 2 t/hm2)，兩者相差1.39倍。其余各個區域森林碳密度排序為：東湖高新區>蔡甸區>江夏區>新洲區。然而到2018年，碳密度最大和最小的區域已分別轉變為蔡甸區(49.285 9 t/hm2)和黃陂區(43.255 9 t/hm2)，兩者相差1.14倍，經過10 a的生長演替，最大值與最小值之間的差距在縮小。其余各個區域的森林碳密度排序為：東湖高新區>江夏區>新洲區>東西湖區。此外，從各個區域的時間序列變化來看，無論是森林碳儲量還是森林碳密度都呈現出顯著的增長。

3.3 主要群落類型碳儲量及其動態

3.3.1 不同群落碳儲量及其動態 從群落類型來看(表6)，2008年武漢市環城林帶森林碳儲量排在前3位的群落類型分別是闊葉混交林(20 082.403 4 t)、樟樹(16 670.578 0 t)和針闊混交林(8 550.328 9 t)，三者之和占森林總碳儲量的比例為70.03%。森林碳儲量排在最末三位的群落類型分別是竹類(6.214 9 t)、灌木(44.620 1 t)和針葉混交林(111.405 5 t)，三者之和僅占森林總碳儲量的0.25%。相比之下，到2018年森林碳儲量排在前三位的群落類型已轉變為樟樹(50 487.256 9 t)、闊葉混交林(29 060.583 4 t)和軟闊(12 477.379 9 t)，且三者之和占森林總碳儲量的比例已高達76.83%，其中樟樹的碳儲量比例更是達到了42.15%。從變化趨勢來看，在環城林帶所劃分的15個群落類型中，僅樟樹、水杉和苗圃3個群落類型的碳儲量占比呈正向變化，其余類型除竹類的碳儲量占比保持持平以外，11個群落類型均呈負向變化(圖1)。可見，近10 a內環城林帶森林碳儲量正向少數幾個群落類型聚集。

在碳密度方面，2008年森林碳儲量排在前三位的群落類型分別是闊葉混交林(62.372 6 t/hm2)、針闊混交林(32.184 1 t/hm2)和柏樹(27.307 9 t/hm2)，排名最末的是竹類(0.574 2 t/hm2)，僅為針闊混交林碳密度的0.92%。相比之下，到2018年森林碳儲量排在前三位的群落類型已轉變為闊葉混交林(69.919 4 t/hm2)、樟樹(52.529 4 t/hm2)和針闊混交林(42.336 2 t/hm2)。碳密度最低的仍然是竹類(0.959 0 t/hm2)，僅為針闊混交林碳密度的1.37%。從變化趨勢來看，各群落類型碳密度的變化趨勢與上述碳儲量比例的變化趨勢相反。在15個群落類型中，僅針葉混交林的碳密度呈下降變化，其余14個群落類型的碳密度均在增加，其中漲幅最大的是樟樹(31.958 2 t/hm2)。

表6 武漢市環城林帶不同群落類型碳儲量和碳密度

圖1 武漢市環城林帶不同群落碳儲量和碳密度的變化

3.3.2 不同齡組林分碳儲量及其動態 從不同齡組的情況來看(表7)，2008年武漢市環城林帶森林碳儲量主要分布于幼齡林(48 619.061 6 t)和中齡林(16 067.136 8 t)，兩者之和占總碳儲量的99.99%。近熟林和成熟林中存在的極少量的碳主要是由生長較快的竹類所固定，其碳儲量比例極小。到2018年時，幼齡林仍然是環城林帶中面積最大的齡組，估算結果顯示森林碳儲量最多齡組的依然是幼齡林。但是，近熟林和成熟林的碳儲量已分別增長至4 702.556 9,18 100.947 5 t，其中成熟林的碳儲量比重(15.11%)已經超過中齡林的比重(14.32%)。雖然幼齡林和中齡林的碳儲量也呈現顯著增長，但其比例則有所下降。

表7 武漢市環城林帶不同齡組碳儲量和碳密度

在碳密度方面，2008年碳密度最大的齡組為中齡林(31.954 3 t/hm2)，是近熟林和成熟林碳密度的55.65倍。相比之下，到2018年時各齡組碳密度的情況已發生巨大變化。碳密度最大的齡組已轉變為近熟林(52.939 2 t/hm2)。而在2008年時碳密度最大的中齡林已成為碳密度相對最小的齡組(39.178 4 t/hm2)，其碳密度約為近熟林碳密度的74%。從變化趨勢來看，不同齡組的碳密度均呈現顯著增長，其中近熟林和成熟林的碳密度漲幅相對較大。

4 討 論

研究測算結果顯示，2008年和2018年武漢市環城林帶森林碳儲量分別為64 692.413 3,119 789.961 3 t，碳密度分別為27.389 7，47.243 4 t/hm2。這與李海奎等[19]基于全國第七次(2004—2008年)森林資源連續清查數據測算得出的湖北省全省森林碳密度結果(23.76 t/hm2)較為相近。與國內同緯度帶的杭州(30.25 t/hm2)[20]、南京(38.69 t/hm2)的森林碳密度[21]，以及全國的平均森林碳密度(41.32 t/hm2)[22]相比，均處于同一數量級上，表明估算的結果具有一定的科學性。而各研究結果之間存在的偏差部分可能源于以下單個或多個原因的疊加。一是基礎數據源的差異，包括估算所使用的數據在統計方式和調查時間節點上的差異；二是研究方法的差異，包括估算方法的差異，以及即便在同一方法下，模型和參數的選擇也會存在的差異；三是統計內容的差異，即估算森林碳儲量時是否包含林下層、枯落物、根系、土壤等要素。

近10 a間武漢市環城林帶森林碳儲量增幅明顯，在碳收支循環過程中扮演“匯”的作用。其森林碳儲量和森林碳密度的年均增幅可達6.35%，5.60%，遠高于安徽省皖南山區4.76%，2.72%的增長率[23]，以及江蘇、浙江、江西等省份的平均增長率[24]。這與不同地區森林的齡組分布情況有很大關系，由于環城林帶中絕大部分為中、幼齡林，碳儲量和碳密度的原始基數較小，因此目前所呈現出的高增長率包含有階段性特征，這種情況并不一定能長期保持。另外，高增長率與環城林帶所采取的集約經營模式也有直接關系。在環城林帶的養護監管方面，武漢市林業主管部門組建了專門的管理機構，在資金投入、科技支撐、人力資源配備方面均有較強的保障，為環城林帶的持續健康生長創造了客觀條件。

從數據顯示的結果看，經過10 a的生長發育，環城林帶各區域間的森林碳儲量差異在縮小。究其原因，各區域間在群落類型上的組成差異是10 a間森林碳儲量比例發生變化的主要原因。如森林碳儲量比例漲幅明顯的蔡甸區和新洲區，其主要貢獻是由于區域范圍內存在相對較多的軟闊類植被群落，此類樹種(組)在水熱條件適宜的情況下生長相對較快，對林分碳儲量的增長貢獻較大。另一方面，群落類型的組成差異也是造成碳儲量與碳密度變化幅度不一致的重要原因。除此以外，人為外部干擾因素也造成了統計上的差異，即由于東湖高新區和江夏區的區劃范圍的變化，使得兩者前后兩期森林資源二調數據的統計范圍也相應有所變動，致使其森林碳儲量比例出現了相對劇烈的變化。

雖然武漢環城林帶森林碳密度已經取得較大幅度的增長，但與世界平均碳密度(86 t/hm2)[18]相比還存在較大差距。根據目前環城林帶森林碳儲量的齡組分布來看，中、幼齡林的碳儲量超過總碳儲量的4/5。隨著林分的逐漸生長以及未成林地、疏林地、無林地陸續轉變為森林，環城林帶的碳匯水平還將進一步提高。由此可推測，環城林帶還處于快速生長發育的階段，在理論層面還具備較大的固碳潛力。但是，目前碳儲量向少數幾個群落類型集中的趨勢表明林分質量的穩定性面臨一定風險，有必要及時開展森林質量精準提升措施，特別需要加強對中幼齡林的撫育，促進林木生長；另外，在闊葉純林和闊葉混交林中可以適度補植含碳率更高的針葉樹種。對于在剩余宜林荒地新開展的植樹造林應該選取合適樹種營造針闊混交林，這既能提高環城林帶混交林的比重，又能進一步豐富物種多樣性，提高林帶穩定性。同時，還要繼續協調好環城林帶沿線的森林碳儲量的空間分布，進而有效釋放整個環城林帶森林的固碳潛能。

5 結 論

經過最近10 a的自然生長和持續的人工管護培育，武漢市環城林帶森林碳儲量和森林碳密度增幅明顯。到2018年時，森林碳儲量和森林碳密度已分別為119 789.961 3 t和47.243 4 t/hm2，森林碳儲量理論價值約為987.85萬元。10 a后，環城林帶森林碳儲量最多的區段一直是江夏區，但各區段之間的差異在進一步縮小。森林碳密度最大的區段已由東西湖區轉變為蔡甸區。碳儲量存在向少數幾個群落類型聚集的趨勢，目前樟樹的碳儲量已在環城林帶中占據絕對主體地位。近、成熟林的碳儲量和碳密度增幅明顯，但是幼齡林依然是環城林帶碳儲量的主體。綜合來看，有必要及時開展森林精準撫育，促進林木生長，進一步釋放環城林帶的森林固碳潛能，提升環城林帶的綜合效益。