羅 雷 王曉榮 陳 臻 徐 立 張 濤王 亮 謝 文 曹祖榮 劉少峰

(1.湖北省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院 武漢 430079；2.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院 武漢 430075； 3.湖北省速生豐產(chǎn)林工程研究中心 武漢 430075；4.恩施土家族苗族自治州林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院 恩施 445000； 5.秭歸縣林業(yè)局 宜昌 443600；6.湖北省林科院石首楊樹(shù)研究所 荊州 434400)

楊樹(shù)是楊柳科楊屬樹(shù)種，易于繁殖、速生、經(jīng)濟(jì)效益顯著，被稱作世界速生樹(shù)種之王[1]，也是中國(guó)平原地區(qū)重要的造林樹(shù)種之一。因其生長(zhǎng)快速、樹(shù)干挺直、葉大蔭濃，7～10 a可成材，輪伐期平均為10 a，被廣泛用作用材林、防風(fēng)林、行道樹(shù)等[2]。目前，中國(guó)是全球楊樹(shù)人工林第一大國(guó)，現(xiàn)存面積超過(guò)600萬(wàn)hm2，占全國(guó)人工林總面積的1/5，在中國(guó)林業(yè)生態(tài)建設(shè)和木材安全戰(zhàn)略中占有重要地位。

湖北省江漢平原具有十分優(yōu)越的水、土、溫、光等自然條件，是楊樹(shù)最適宜生長(zhǎng)的地區(qū)之一[3]。從20世紀(jì)末期，江漢平原開(kāi)始引種和發(fā)展楊樹(shù)人工林，根據(jù)湖北省第五次森林資源普查統(tǒng)計(jì)，楊樹(shù)面積已達(dá)21.46萬(wàn)hm2，蓄積達(dá)1 899.03萬(wàn)m3。楊樹(shù)產(chǎn)業(yè)已成為江漢平原的支柱產(chǎn)業(yè)之一[4]，并帶動(dòng)了運(yùn)輸、電力、通訊、化工、建筑、裝潢、金融等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展[5]。然而，隨著全國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)變遷和發(fā)展，中國(guó)林業(yè)已由木材生產(chǎn)為主向以生態(tài)建設(shè)為主轉(zhuǎn)變，提升林業(yè)多功能多目標(biāo)已經(jīng)成為中國(guó)林業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要要求。森林在減緩和適應(yīng)氣候變化中具有不可替代的作用，特別是中國(guó)碳達(dá)峰和碳中和戰(zhàn)略的提出，使得林業(yè)在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)中扮演越來(lái)越重要的角色。目前，中國(guó)把林業(yè)納入減緩和適應(yīng)氣候變化的重點(diǎn)領(lǐng)域，如何將人工林優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘紖R優(yōu)勢(shì)，將成為現(xiàn)階段中國(guó)林業(yè)發(fā)展中需要解決的重大課題。

林業(yè)碳匯是指森林管理等吸收空氣中二氧化碳，降低或防止森林中儲(chǔ)存的二氧化碳排放到空氣中[6]。楊樹(shù)快速生長(zhǎng)的特性決定了其具有較高的固碳能力，可在林業(yè)碳匯能力建設(shè)和森林碳匯管理中發(fā)揮重要作用。本研究以湖北省江漢平原的楊樹(shù)人工林為研究對(duì)象，采用固定樣地連年監(jiān)測(cè)的方法，構(gòu)建了楊樹(shù)生長(zhǎng)模型，估算了成熟楊樹(shù)林碳密度，并評(píng)估了楊樹(shù)人工林地理論最大固碳潛力，旨在為湖北省楊樹(shù)人工林碳匯功能計(jì)量監(jiān)測(cè)和林業(yè)碳匯建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江漢平原地區(qū)位于湖北省中南部，由長(zhǎng)江與漢江沖積而得名，是長(zhǎng)江中下游平原的重要組成部分，與洞庭湖平原合稱兩湖平原。地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°45′～114°16′，北緯29°26′～31°10，區(qū)域總面積達(dá)30 000 km2，海拔一般低于100 m，平均海拔僅27 m左右，是中國(guó)海拔最低的平原之一。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，具有雨量充沛、日照充足、四季分明等特點(diǎn)。年日照時(shí)數(shù)2 000 h左右，年均氣溫15～17 ℃，無(wú)霜期240～270 d，年降雨量1 100～1 300 mm[7]。湖北省楊樹(shù)85%以上分布于江漢平原，成為全省楊樹(shù)主栽區(qū)。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取

2020年在江漢平原地區(qū)選擇立地條件、初值密度及人為經(jīng)營(yíng)活動(dòng)基本一致的楊樹(shù)人工林作為研究對(duì)象，品種為意楊214楊Populus×canadensis‘I-214’，共設(shè)置74個(gè)固定監(jiān)測(cè)樣地，其中荊州市26個(gè)、潛江市12個(gè)、天門(mén)市5個(gè)、武漢市7個(gè)、仙桃市10個(gè)、孝感市14個(gè)。采取角規(guī)測(cè)樹(shù)的調(diào)查方法，以固定調(diào)查點(diǎn)為圓心，每木檢尺測(cè)定林木個(gè)體胸徑、樹(shù)齡等測(cè)樹(shù)因子，齡組劃分參考《主要樹(shù)種齡級(jí)與齡組劃分》(LY/T 2908-2017)。隨后，選取樣地內(nèi)與平均胸徑最近的3株標(biāo)準(zhǔn)木調(diào)查樹(shù)高，其平均木樹(shù)高平均值作為樣地的平均樹(shù)高。樣地共監(jiān)測(cè)樣木1 514株，樹(shù)齡平均年份最小為4 a，最高為28 a，樣木胸徑最小8.9 cm，最大的72.5 cm(表1)。

表1 樣地立木統(tǒng)計(jì)基本情況

1.2.2 林木材積計(jì)算

采用湖北省通用的楊樹(shù)一元材積公式計(jì)算楊樹(shù)的材積，計(jì)算公式為：

V=0.000 137 428 808 384×D2.451 344 383 7；

式中，V為材積(m3)，D為胸徑(cm)。

1.2.3 生長(zhǎng)量方程擬合

根據(jù)樣地內(nèi)樹(shù)木檢尺測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制楊樹(shù)生長(zhǎng)規(guī)律和樣地公頃蓄積散點(diǎn)圖曲線。采用SPSS25.0軟件進(jìn)行回歸方程的擬合，利用相對(duì)誤差(RS) 、平均相對(duì)誤差(EE) 、平均相對(duì)誤差絕對(duì)值(RMA) 和預(yù)估精度(P)對(duì)模型的擬合精度進(jìn)行驗(yàn)證。其中RS，EE和RMA越接近0，P越接近1，表示模型擬合精度越高。

1.2.4 理論固碳潛力模擬

采用生物量轉(zhuǎn)換因子法，計(jì)算林分生物量，具體參數(shù)見(jiàn)表2。依據(jù)全省楊樹(shù)蓄積與面積等數(shù)據(jù)，計(jì)算出楊樹(shù)的碳儲(chǔ)量和平均碳密度。結(jié)合樣地公頃蓄積量，選擇模擬精度最高的生長(zhǎng)量方程，推算楊樹(shù)進(jìn)入成熟林年份的蓄積量，并計(jì)算楊樹(shù)成熟林的碳密度，評(píng)估江漢平原地區(qū)楊樹(shù)人工林地理論最大固碳潛力。具體計(jì)算公式為：

表2 主要評(píng)價(jià)指標(biāo)取值

C=V×BEF×(1+R) ×SVD×CF；

式中，C為楊樹(shù)成熟林的碳密度(t C/hm2)，V為推算成熟楊樹(shù)林公頃蓄積(m3)，BEF為生物量轉(zhuǎn)換系數(shù)，R為根冠比，SVD為基本木材密度，CF為含碳率。主要評(píng)價(jià)指標(biāo)取值來(lái)源于《中國(guó)第二次國(guó)家信息通報(bào)》中土地利用變化與林業(yè)溫室氣體清單。

2 結(jié)果與分析

2.1 楊樹(shù)林木個(gè)體平均胸徑與林齡的關(guān)系

以樣地平均胸徑和平均年齡擬合楊樹(shù)生長(zhǎng)模型，得到對(duì)數(shù)模型擬合方程為y=12.22In(x)-5.976 8，R2=0.956 5。可以看出，楊樹(shù)人工林個(gè)體平均年齡與平均胸徑間存在較好的相關(guān)性，平均胸徑與林齡呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，說(shuō)明隨著林齡的增加，個(gè)體胸徑不斷增大，年平均生長(zhǎng)量也相應(yīng)增大。楊樹(shù)林進(jìn)入成熟林階段后，仍舊保持著較高生長(zhǎng)量，這說(shuō)明成熟楊樹(shù)林仍具有很好的固碳能力(圖1)。

圖1 樣地平均胸徑與平均年齡關(guān)系圖

2.2 林分密度與林齡的關(guān)系

利用樣地內(nèi)平均年齡與公頃株數(shù)擬合相關(guān)關(guān)系，得到對(duì)數(shù)模型擬合方程為y=-412.4In(x)+1 577.6，R2=0.313 1?？梢钥闯觯址置芏扰c林齡存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。隨著林齡的增加，楊樹(shù)林分個(gè)體數(shù)量呈逐漸降低的趨勢(shì)。這與當(dāng)前該地區(qū)楊樹(shù)林受人為經(jīng)營(yíng)程度較高有關(guān)，不同時(shí)期人為間伐影響造成林木個(gè)體數(shù)量逐漸降低(圖2)。

圖2 樣地平均年齡與公頃株數(shù)關(guān)系圖

2.3 不同林齡楊樹(shù)林分碳密度分析

以5、10、15、20和25 a 5個(gè)林齡段計(jì)算不同年限下楊樹(shù)人工林測(cè)算理論碳密度，并比較模型擬合推算和樣地實(shí)測(cè)碳密度均值。楊樹(shù)林?jǐn)M合固碳能力較大的時(shí)間段主要出現(xiàn)在林齡15～20 a，平均碳密度為68.74t C/hm2。根據(jù)樣地實(shí)測(cè)碳密度平均值測(cè)算結(jié)果，林齡25 a的楊樹(shù)林碳密度為97.13 t C/hm2，說(shuō)明成熟楊樹(shù)人工林仍未到達(dá)到最大碳密度。另外，采用樣地中楊樹(shù)成熟林最大公頃蓄積量值553.14 m3/hm2，計(jì)算該楊樹(shù)林樣地的植被碳密度為167.50 t C/hm2，進(jìn)一步說(shuō)明楊樹(shù)林具有較大的固碳潛力(表3)。

表3 不同林齡楊樹(shù)人工林碳密度

2.4 固碳潛力分析

理論上，隨著森林的生長(zhǎng)發(fā)育，其植被和土壤碳密度將會(huì)達(dá)到一個(gè)飽和狀態(tài)，即存在碳密度上限或稱固碳潛力[8]。江漢平原地區(qū)楊樹(shù)林多以中幼林為主，占楊樹(shù)林總面積的47%以上，而目前湖北省楊樹(shù)林地平均碳密度僅為28.41 t C/hm2(來(lái)源于第五次湖北省二類資源清查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，未公布)。依據(jù)本研究中楊樹(shù)成熟林平均碳密度97.13t C/hm2和最大碳密度167.50 t C/hm2作為固碳潛力上限估算，假定目前江漢平原地區(qū)楊樹(shù)人工林未來(lái)都可以轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒炝郑颐娣e保持不變，整體固碳潛力分別可達(dá)1 474.73萬(wàn)t和2 984.87萬(wàn)t。

3 結(jié)論與討論

湖北省楊樹(shù)林一直作為用材林培育，在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的背景下，商品林停伐旨在發(fā)揮其多種生態(tài)效益。本研究中，江漢平原地區(qū)的楊樹(shù)林表現(xiàn)為隨著林齡的增加，植被碳密度持續(xù)增加，且進(jìn)入成熟林后生長(zhǎng)速率依舊較大，說(shuō)明其具有較高的固碳能力[9]。但就目前經(jīng)營(yíng)現(xiàn)狀而言，當(dāng)楊樹(shù)林進(jìn)入成熟林即會(huì)被采伐，這在一定程度限制了楊樹(shù)林碳匯功能的持續(xù)發(fā)揮。如若江漢平原地區(qū)楊樹(shù)人工林均以發(fā)揮碳匯效益為主要目標(biāo)來(lái)培育，其固碳增量可達(dá)到1 473.73萬(wàn)t，固碳潛力十分巨大。

同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)楊樹(shù)林林分密度與林齡存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著林齡的增加，楊樹(shù)個(gè)體數(shù)量呈逐漸降低的趨勢(shì)，進(jìn)一步說(shuō)明常規(guī)經(jīng)營(yíng)中楊樹(shù)林密度大小變化受人為選擇利用或間伐有關(guān)。已有研究表明，在95%的最大植被碳密度條件下，中國(guó)36種優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的植被碳密度達(dá)到飽和狀態(tài)的林齡為74.6 a[8]。然而，目前楊樹(shù)林一直以速生豐產(chǎn)用材林培育，成熟林林齡較短，林齡25 a的楊樹(shù)林在進(jìn)入成熟林時(shí)，其固碳能力并未達(dá)到最大狀態(tài)。因此，對(duì)于培育楊樹(shù)碳匯林，需延長(zhǎng)培育周期，合理調(diào)整林齡界限。

近年來(lái)，受木材市場(chǎng)價(jià)格降低的影響，林農(nóng)對(duì)楊樹(shù)林地管護(hù)意識(shí)和積極性嚴(yán)重下降，林木砍伐利用程度已明顯降低，這為發(fā)展楊樹(shù)人工林碳匯提供了契機(jī)。為了有效提升楊樹(shù)人工林固碳增匯能力，建議未來(lái)從以下幾方面加強(qiáng)對(duì)楊樹(shù)林的經(jīng)營(yíng)管理：一是要延長(zhǎng)楊樹(shù)林經(jīng)營(yíng)周期，合理控制采伐數(shù)量和頻率，一般碳匯計(jì)入期為20～60 a，作為速生闊葉樹(shù)種可用于發(fā)展中短期碳匯林；二是要強(qiáng)化科學(xué)經(jīng)營(yíng)管理措施，包括人工撫育、施肥、病蟲(chóng)害防治，維持楊樹(shù)林持續(xù)健康穩(wěn)定和高生產(chǎn)力；三是提倡選擇固碳能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)的樹(shù)種與楊樹(shù)合理配置，大力培育多層異齡混交林，以有效提升林分整體碳匯功能；四是加強(qiáng)人工林碳匯等生態(tài)價(jià)值宣傳和保護(hù)，防止人為破壞，以減少林木生物量損失，降低生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中造成的碳泄漏。