湖南省2009年杉木林碳贮存量及未来固碳潜力分析

张胜利，项文化,2，邓湘雯,3，雷丕锋,2，方 晰,3

（1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；2. 湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站，湖南 会同 438107；3. 南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004）

湖南省2009年杉木林碳贮存量及未来固碳潜力分析

张胜利1，项文化1,2，邓湘雯1,3，雷丕锋1,2，方 晰1,3

（1.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南 长沙 410004；2. 湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站，湖南 会同 438107；3. 南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004）

利用文献数据建立杉木不同龄组（幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林）的生物量相对生长方程，计算杉木各龄组林分的平均生物量和碳贮量。根据2009年湖南省森林资源数据，估算湖南省及各地市（州）杉木林总生物量和碳贮存总量。从文献中选择生长较好的杉木林作为合理经营状态林分，分析该状态下杉木林各龄组的林分生物量，同时针对湖南省杉木林各龄组的面积分布现状，调整龄组面积结构，估算合理经营状态下和调整龄组结构后杉木林的碳贮量，分析湖南省杉木林的未来固碳潜力，为湖南省杉木林合理经营和生态功能区划提供科学依据。结果表明：2009年湖南省杉木林林分的碳贮量为0.50～227.01 t/hm2，林分平均碳贮量从幼龄林的5.94 t/hm2增加到过熟林的147.25 t/hm2。全省杉木林碳贮存总量为52.16×106t，其中湘潭市杉木林碳贮量最低，为0.42×106t，怀化市的最高，为11.97×106t。杉木幼龄林的碳贮存总量最小（1.94×106t），过熟林最大（13.12×106t）。如果采取合理经营措施，湖南省杉木林碳贮存总量可增加到103.83×106t，约为目前杉木林碳贮存总量的2倍。杉木林龄组结构调整后，湖南省杉木林各龄组碳贮量从幼龄林的1.91×106t增加至过熟林的47.37×106t，全省杉木林碳贮存总量可增加到81.10×106t，为目前杉木林碳贮存总量的1.55倍。可见，湖南省杉木林具有较大的固碳潜力，提高林分单位面积生产力和调整全省杉木林龄组面积结构是增加森林固碳潜力的有效途径。

杉木林；碳贮量；固碳潜力；湖南省；森林经营；龄组面积结构调整

全球气候变暖已成为科学界不争的事实，受到人们的广泛关注[1]。大气CO2浓度不断升高是全球气候变化的主要原因。根据IPCC报告，到2030年前后大气CO2浓度将达到550 μL/L，为产业革命前的两倍[2]。大气CO2浓度增加对全球碳循环影响的研究受到世界各国的高度重视[3]。通过减少人类在生产和生活中的CO2排放量[4]和增加陆地生态系统的固碳量来降低大气中CO2浓度已成为人类社会一项刻不容缓的任务[5]。

森林作为陆地生态系统的主体，在全球碳平衡中发挥着重要作用，同其它陆地生态系统相比，森林生态系统生产力较高，每年固定的碳量约占整个陆地生态系统的2/3[6]。因此，森林生态系统对当前及未来气候变化、碳平衡具有重要意义。21世纪以来，有关森林植被与碳平衡方面的研究越来越受到各国的重视[7]，我国也有大量关于国家和区域森林生态系统碳贮量的研究[8]。

杉木是我国南方重要的速生优良用材树种，已有近千年的栽培历史[9]。目前，我国杉木林的面积已超过1亿亩[10]，占全国人工林面积的26.55%[11]。因此，杉木林在木材生产、森林固碳和其它生态服务功能方面具有重要地位[12]。国内在省级尺度上森林碳贮量研究较多[13-15]。然而除造林和再造林增加碳汇外，还可通过森林可持续经营增加森林碳汇[16]。但目前对森林经营提高区域森林碳贮量的研究较少。考虑到杉木林经营水平较高，本研究以湖南省为例，探讨采取合理经营措施提高杉木林生产力和区域尺度上合理布局调整龄组面积结构对全省杉木林碳贮存总量的影响，分析区域森林的固碳潜力，为区域可持续经营和生态功能区划提供科学依据。

1 研究区概况

湖 南 省（108°47′～ 114°15′E，24°38′～30°08′N）位于我国中南部，地处长江中游地区，为云贵高原、南岭山脉向江南丘陵、江汉平原的过度地带。全省土地总面积为21.18×104km2，其中山地占51%，盆地占7%，平原占13%，其余29%为丘陵。海拔为50～2000 m，以中低山和丘陵地貌为主，海拔在100～800 m土地约占90%，主要山脉有武陵山脉、雪峰山脉、南岭山脉和罗霄山脉。土壤类型多样，主要有红壤、黄壤、黄棕壤、紫色土、水稻土、石灰土、石质土、粗骨土、潮土和山地草甸土等。本区域属于亚热带大陆性季风湿润气候，年平均气温为16～19℃，最低月（1月）月均气温2.7～7.9℃，最高月（7月）月均气温27.0～29.5℃，极限低温-8℃，极限高温40℃，日照时数1 300～1 800 h，年降水量1 350～1 450 mm。森林植被以常绿阔叶林、常绿落叶阔混交林、落叶阔叶林和山顶苔藓矮林为主。全省森林覆盖率为57.01%，居全国第5位。杉木林约占全省森林面积的38.54%，蓄积量占41.25%。

2 数据来源及研究方法

2.1 杉木林林分生物量的计算

利用文献收集到杉木单株各器官生物量数据[17]，分龄组（幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林）建立相对生长方程：W=a（D2H）b，式中W为杉木各器官生物量（kg/株），D胸径（cm），H树高（m），a和b方程参数。各龄组杉木不同器官的参数a、b值见表1。单株杉木生物量（kg/株）为各器官生物量之和，林分生物量（t/hm2）为样地内所有单株生物量之和。

2.2 湖南省2009年杉木林碳贮存总量的计算

在已有的杉木林调查样地中选取年龄分布较均匀和地理分布相对分散的样地160个（其中幼龄林62个，中龄林50个，近熟林和成熟林各21个，过熟林6个），所选样地的杉木林年龄为1～47 a，林分平均胸径为2.0 cm～23.3 cm，平均树高为1.5 m ～17.1 m，林分密度为900～3 765 株/hm2。根据样地数据，用相对生长方程估算林分生物量，然后计算各龄组林分生物量的均值。根据2009年湖南省森林资源数据，用全省和各地市（州）杉木各龄组森林面积，乘以各龄组平均生物量，计算出杉木林各龄组及总的生物量，用0.5作为转换系数，计算各龄组碳贮量，各龄和地市（州）的杉木碳贮存量求和即为湖南省杉木林碳贮存总量。

表1 杉木单株各器官生物量估算的相对生长方程W=a(D2H)b参数Table 1 Parameters of allometric equations W=a(D2H)b for estimating component biomass of C. lanceolata tree

2.3 湖南省杉木林未来固碳潜力分析

从文献中收集各龄组杉木林生物量数据，选择生物量较大的林分作为合理经营条件下基准值，构成潜力分析的第一个假设条件，即通过加强林分尺度上的森林经营管理，提高林分生产力来提高森林固碳潜力。该条件不考虑各龄组面积结构转移，用该条件下林分生物量计算湖南省及各地市（州）杉木林碳贮存总量，与2009年估算值生物量比较，分析杉木林未来的固碳潜力。

第二假设条件是在区域尺度上考虑林分的龄组结构合理。根据法正林理论，在一定区域上各龄组的面积相等。因此，本研究对湖南省各地市（州）的杉木林总面积按龄组均分，计算各地市（州）的杉木林碳贮存总量，求和计算湖南省各龄组杉木林碳贮存总量，与2009年估算值比较，分析杉木林未来的固碳潜力。该假设假定全省的杉木林总面积不变，忽略经营管理水平。

3 结果与分析

3.1 湖南省2009年杉木林碳贮存量

选取的160个样地计算出杉木幼龄林的平均碳贮量为5.94 t/hm2，中龄林22.83 t/hm2，近熟林38.45 t/hm2，成熟林37.66 t/hm2，过熟林147.25 t/hm2。利用这些数据，根据2009年湖南省杉木林总面积（160.84×104hm2）和各龄组的面积（幼龄林占20.26%，中龄林34.01%，近熟林21.08%，成熟林19.11%，过熟林5.54%），计算出全省杉木林碳贮量为52.16×106t，碳贮量随龄组增加而增大，其中幼龄林碳贮量较低，为5.94 t/hm2，近熟林的最高，为13.12×106t（表2），表明杉木林龄组面积调整将增加森林碳贮存量。

全省14个地市（州）杉木林碳贮量为0.41×106t～11.97×106t，受面积和龄组结构的影响差距较大（表2）。其中，怀化市杉木林的碳贮量最高，为11.97×106t，占全省杉木林总碳贮量的22.93%；其次为邵阳市，碳贮量为9.19×106t，占全省的17.59%；湘潭市和娄底市的杉木林碳贮量最低，分别为0.42×106t和0.66×106t，仅占全省杉木林总碳贮量的0.80%和1.27%。在全省域内，杉木林碳贮量基本呈现出西高东低、南高北低的局面。各龄组杉木林在各地市（州）碳贮量也有较大差异，怀化市的中龄林、近熟林、成熟林碳贮量较高，邵阳市过熟林碳贮量较高（表2）。

表2 2009年湖南省各地市（州）杉木林及分龄组碳贮量Table 2 Carbon storage of C. lanceolata forests in each prefecture of Hunan province

3.2 合理经营条件下湖南杉木林碳贮量

多种因素影响杉木林的生长，除立地条件外，合理经营措施会提高杉木林生产力，从而增加森林碳贮量。选取我国南方各地不同年龄生物量较高的杉木林作为合理经营条件下基准值（表3），根据基准值估算湖南省杉木林碳贮量，与2009年杉木林生物量对比，差值即为全省杉木林的固碳潜力。

从图1可看出，不同年龄湖南省杉木林碳贮量与合理经营的差距较大，并随着林龄增大而增加，因此杉木林有较大的固碳潜力。合理经营状态下全省杉木林碳贮量为103.83×106t（表4），为2009年实际值的2倍。幼龄林碳贮量增加幅度最大，为实际值的3.5倍；其次为成熟林、中龄林和近熟林，过熟林小于实际值。可见，对杉木林合理经营，可增加幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林的碳贮量。

表4 合理经营提高林分生产力后湖南省杉木林碳贮量Table 4 Carbon storage in C. lanceolata forests after production improvement due to management in Hunan

3.3 龄组面积结构调整后杉木林碳贮量

2009年湖南省杉木林幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林的面积分别占杉木林总面积的20.26%、34%、21.08%、19.11%和5.54%，中龄林的面积偏高。假设未来，通过经营调整，5个龄组杉木林的面积接近，均占总面积的20%。龄组面积结构调整后，湖南省杉木林碳贮总量增 至 81.10×106t（ 表5）， 为 2009年 实 际 值52.16×106t的1.55倍。除邵阳市外，其他各地市州杉木林碳贮量有较大增加，其中湘西州和张家界市增幅最大，分别为调整前的2.60和2.53倍，常德市、湘潭市、衡阳市、岳阳市、娄底市、益阳市、长沙市的增幅也高于湖南省的整体水平，说明这些市（州）杉木林各龄组面积结构不够合理，适当调整能增加杉木林碳贮量。

表5 龄组面积调整后湖南省各地市（州）杉木林碳贮量Table 5 Carbon storage C. lanceolata forests in Hunan province after area adjustment for age classes

全省14个地市（州）中，怀化市杉木林碳贮量潜力最大，达6.27×106t，其次为永州市（3.71×106t）（图2）。衡阳市由于其杉木林总面积仅为3.4×104hm2，碳贮量增加潜力值较低。邵阳市各龄组杉木林面积相差不大（幼龄林 3.86×104hm2， 中 龄 林 2.33×104hm2， 近 熟林 3.24×104hm2， 成 熟 林 5.80×104hm2， 过 熟林3.49×104hm2），龄组面积结构调整对杉木林碳贮量影响较小，调整前后杉木林碳贮量分别为9.19×106t和9.39×106t，增幅较小。

图2 龄组面积调整前后后湖南省及各地市（州）杉木林碳贮量比较Fig. 2 Comparison of carbon storage of C. lanceolata forests in Hunan province before and after area adjustment

4 结论与讨论

湖南省2009年杉木林碳贮总量为52.16×106t，与合理经营状态和龄组面积结构调整后的杉木林碳贮总量存在较大差距，未来湖南省杉木林固碳潜力为 51.67×106t和 29.94×106t，与李斌等[13]研究结果相比，虽然估算现实碳贮量和计算碳贮量潜力的方法不同，但结论基本一致，目前全省杉木林碳贮量偏低，仍有1/3以上的固碳潜力。

湖南省杉木林面积较大，其中幼龄林和中龄林面积分别为32.59×104hm2和54.69×104hm2，所占面积比例较高，达54.27%，而碳贮量则为1.94×106t和12.49×106t，仅占全省杉木林碳贮总量的27.65%。因此，为了提高杉木林固碳量，需要加强现有杉木林特别是中幼龄林的经营管理，同时需要调整杉木林龄组面积结构，适当禁止现有近熟林、成熟林和过熟林的采伐，培育大径材杉木，从而实现杉木经济效益和生态效益有益结合。

全省各地市（州）杉木林碳贮量差距较大，这与各地市（州）杉木林的面积、林分质量和龄组结构有关。怀化市作为湖南省杉木的主要产区，杉木林面积较大，2009年怀化市杉木林面积达36.16×104hm2，其中幼龄林面积18.18×104hm2，占全市杉木林总面积的50.27%，虽然其碳贮量远高于其他地市州，但仍有较大提升空间。

假定未来15年，湖南省杉木林过熟林面积维持现有水平，而近熟林和成熟林分别进入成熟林和过熟林，排除人为和自然因素的干扰，到2024年湖南省杉木林碳贮总量将达141.44×106t可增加89.28×106t，平均每年增加5.95×106t，年均增长率为11.41%，中龄林的固碳潜力最大。可见，杉木林将在湖南省乃至全国的森林碳贮量具有较大贡献，加强森林资源管理、增加森林面积和调整龄组结构，可充分发挥杉木林的固碳潜力。具体措施包括：（1）林分密度的合理调节，因为林分密度影响林木生长和竞争，从而影响林分生物量和生产力；（2）适时合理间伐强度，间伐可调节林分密度和林木生长环境，提高杉木林生产力和培育大径材；（3）加强管理，提高林地生产力。

该研究中杉木林碳贮量没有涉及林下植被、凋落物和土壤的碳贮量，而土壤占森林生态系统碳储量的2/3，将是今后杉木林生态系统碳贮量估算重要内容，因此加强对杉木林生态系统的经营管理不仅可缓解我国经济发展对木材需求增长的压力，而且在区域碳循环方面发挥重要作用。

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Carbon storage in 2009 and potential carbon sequestration in future of Cunninghamia lanceolata forests in Hunan province, China

ZHANG Sheng-li1, XIANG Wen-hua1,2, DENG Xiang-wen1,2, LEI Pi-feng1,2, FANG Xi1,3
(1. College of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. Huitong National Field Station for Scientif i c Observation and Research of Chinese Fir Plantation Ecosystem in Hunan Province,Huitong 438107, Hunan, China; 3. National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry & Ecology in Southern China, Changsha 410004, Hunan, China)

∶ Tree biomass data published in literature were derived to generate allometric equations for 5 age classes of Cunninghamia lanceolata (Chinese fi r) and then the equations were used to estimate stand biomass and carbon storage of 5 age classes. Based on stand area of 5 age classes recorded from forest inventory data in 2009, total carbon storage of C. lanceolata forests was determined for Hunan Province and its 14 subordinated prefectural cities. At the same time, we also selected the data in literature as baseline for the stand biomass at different age of C. lanceolata forests under appropriate management. The current status of stand area distribution of 5 age classes was analyzed for C. lanceolata forests in Hunan and normal forest rule was applied to adjust forest area to achieve an ideal stand area distribution. Consequently, potential carbon sequestration in future of C. lanceolata forests in Human was investigated on the condition of appropriate forest management and ideal area structure of forest age classes after adjustment. The results showed that stand carbon storage of C. lanceolata forests in 2009 accounted for 0.50～227.01 t/hm2, with average stand carbon storage ranging from 5.94 t/hm2for young forests to 147.25 t/hm2for over mature forests. Total carbon storage of C. lanceolata forests in Hunan reached 52.16× 106t, of which the lowest was 0.42×106t in Xiangtan City and the highest was 11.97 × 106t in Huaihua City. Total carbon storage in C. lanceolata forests showed an increasing tendency from 1.94 × 106t for young forests to 13.12 × 106t for over mature forests. If appropriate forest management was implemented, total carbon storage of C. lanceolata forests in Hunan would increase to 103.83 × 106t,which was about two times of the value in 2009. After stand area adjustment for age classes, total carbon storage C. lanceolata forests in Hunan would go up tp 81.10 × 106t (about 1.5 times of the values in 2009), with ranging from 1.91 × 106t for young forests to 47.37× 106t for over mature forests. Therefore, C. lanceolata forests in Hunan have a great potential to increase carbon sequestration in future if sustainable forest management is carried out. Our fi ndings provide useful information for C. lanceolata forest management and ecosystem functions division in Hunan Province.

∶ Cunninghamia lanceolata forest; carbon storage; potential of carbon sequestration; Hunan province; forest management;area adjustment of stand age class

S791.27

A

1673-923X(2014)06-0094-06

2014-01-28

国家林业公益性行业科研专项（201304317）的部分研究内容

张胜利（1983- ），男，湖南长沙人，硕士研究生，主要从事森林生态学研究工作；E-mail：csuftzsl@163.com

项文化（1967-），男，博士，教授，主要从事森林生态系统定位研究，E-mail：xiangwh2005@163.com

[本校编校：吴 彬]