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《京都议定书》第3.3条款规定《联合国气候变化框架公约》(简称《公约》,UNFCCC)附件Ⅰ缔约方可以选择计量1990年以来人为活动(如森林管理,农田管理,放牧地管理及植被恢复森林管理)引起的温室气体源排放或汇清除,其中,森林管理活动包括除造林、再造林和毁林之外的可以引起森林碳储量变化的一切活动,并可以用于抵消其承诺期的温室气体减限排指标[1]。《公约》中森林管理定义:“森林管理”是一个林地利用和作业系统,其目的是可持续地实现森林相关的生态(包括生物多样性)、经济和社会功能[2]。1997年联合国粮食与农业组织(FAO)在森林信息记录中,规范了森林可持续管理的定义和指南,指出森林管理包括影响天然林和人工林的一系列管理的、经济的、法律的、社会的、技术的和科学的行为[3]。森林管理意指规划并实施森林管理计划,能够帮助控制和调节专有物种的收获和可持续利用,或者提高并维持森林的环境功能。
森林管理参考水平是计量森林碳汇的基准,也是评价森林管理活动碳汇效益的前提条件,涉及的因素包括:人为活动源排放、报告要求、所有森林管理的关键活动、一致性和包含的所有碳汇源[4]。森林参考水平建议考虑以下5个碳库,包括地上生物量、地下生物量、枯落物、死有机物以及土壤。我国对生物量最早的研究是针对湖南会同杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.)林的估算[5],之后冯宗炜等[6]、田大伦等[7]也对湖南会同的杉木林进行了相关的研究报道。
近几年,国内外对森林管理活动产生的碳汇量进行了大量的研究,赵坤等[8]基于会同杉木人工林生态站,计算了31年生湖南省杉木的生物量,碳(C)储量达186.973 t·hm-2。张骏等[9]对浙江省杉木优势林和混交林的生物量和碳储量进行了比较分析,杉木优势林在前10年的生物量达47 t·hm-2,生物量随林龄的增加而减少,而杉木混交林的生物量随林龄的增加而增多。Wang等[10]用FORECAST软件对中国东南部不同种植密度的楠木林进行不同轮伐期和采伐强度的森林管理活动,认为能够固定最大碳储量的最适林分密度是2 000~3 000株·hm-2。尽管推荐的能够固定最大碳汇量的轮伐期是40年,但是较长的轮伐期比短轮伐期固定的碳量多。同时,只采伐干材比全树采伐和完全采伐能更好的维持立地质量,且能固定更多的碳储量,其中,轮伐期对森林碳汇的影响远比种植密度和采伐强度大。
国际上对于森林管理活动产生的碳汇量主要是以现在的森林管理活动为基线,通过延长其轮伐期来预测未来森林的碳动态。Nunery等[11]通过增加一半轮伐期的方式表明,在160年中可以增加23%的二氧化碳当量。Seely等[12]研究表明,如果将轮伐期延长到原来的3倍,则该林分可以增加固定81%的二氧化碳当量。Plat等[13]基于1990—2000年的东南亚230万hm2·a-1树木被采伐的情景,研究该情景下最适合的森林管理活动,包括3种管理措施:延续当前的采伐速率和强度,采取长期有经济收益和对气候变化有益的管理手段,其结果表明:(1)基线情景下,2000—2050年天然林碳储量从8.9 Pg C下降到4.3 Pg C(1 Pg=1015 g),相当于每年下降92.0 Tg C(1 Tg=1012 g),即使每年商品林的碳储量增加13.3 Tg C,但总量仍然下降77.9 Tg C;(2)在长期经济收益的管理情景下,只有人工林的碳储量增加;(3)在对气候有益的管理情景下,碳储量从2000年的8.9 Pg增加到2050年的9.8 Pg,每年增加18.0 Tg。
本研究以1983年(30年生)和1990年(23年生)营造的杉木纯林作为研究对象,探索性的制定森林管理参考水平,核算会同生态站的杉木人工林森林管理活动产生的合格碳汇量以及估算湖南省怀化市会同县杉木人工林的森林管理活动所产生的合格碳汇量。
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图 1显示:30年生的杉木人工林于1998年即15年生时进行了强度为1 455株·hm-2的森林管理采伐,导致在该年出现了碳储量变化量的最小值-3.76 t二氧化碳当量·hm-2,在3年后碳储量变化量恢复到伐前状态,于4~5年后出现大幅度增长,在22年生时出现了增长缓慢的情况,之后的增长趋于平缓增加。30年生林分的碳储量变化量最大值为20.01 t二氧化碳当量·hm-2。
图 2显示:23年生的杉木人工林,在11年生时碳储量变化量最大,并于17年生和18年生时出现最小值,主要是因为在2007年进行了森林管理采伐,2年后碳储量变化量恢复到伐前值,最大值为28.33 t二氧化碳当量·hm-2。
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图 3表示:30年生杉木人工林在其生长到20年生时碳汇量达最大值75.97 t二氧化碳当量·hm-2,参考水平的最大值为22.88 t二氧化碳当量·hm-2。由于参考水平的林分没有实施森林管理活动,且在20年生时进行皆伐,因此参考水平的总碳汇量比30年生杉木人工林的总碳汇量小,30年生林分的总碳汇量为441.00 t二氧化碳当量·hm-2,参考水平在考虑了皆伐的碳排放后的净碳汇量为-82.79 t二氧化碳当量·hm-2。
图 4表示:23年生杉木人工林连年碳汇变化量与参考水平的差异比较明显,只在17和18年生时低于参考水平,主要因为2007年对23年生杉木人工林进行了森林管理采伐,并在采伐2年后即恢复到伐前值。23年生杉木人工林的总碳汇量为715.46 t二氧化碳当量·hm-2。
图 5表示: 30年生杉木人工林和23年生杉木人工林碳汇量分别与参考水平相减得到各自的实际合格的碳汇量。23年生杉木人工林的变化幅度较30年生的杉木人工林的小,30年生杉木人工林和23年生杉木人工林的实际合格总碳汇量分别为606.59、881.06 t二氧化碳当量·hm-2,而30年生的杉木人工林和23年生杉木人工林均在20年生时出现了碳汇量最大值,分别为158.77、135.88 t二氧化碳当量·hm-2。
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表 1、2均表明:30年生杉木人工林和23年生杉木人工林的碳汇量与参考水平的差异均极显著(P<0.001)。表 3显示:30年生杉木人工林和23年生杉木人工林的实际合格碳汇量差异均显著(P<0.05)。根据表 1、2的检验结果可知:进行森林管理之后的林分碳汇量与未进行森林管理的差异显著,因此, 在林分生长的过程中应该对其实施森林管理活动。结合表 3的检验结果可知:实施森林管理活动时应结合林分的林龄、立地、生长情况、季节等以及该森林生态系统主要的功能来确定对林分进行森林管理的时间、形式以及管理强度等,以便实施合理的森林管理活动。
变异来源
Source平方和
Sum of
squaresdf 均方
Mean
squareF 显著性
Sig.组间
Between4 224.901 1 4 224.901 12.23 0.001 组内
Within16 236.901 47 345.466 总数
Total20 461.802 48 Table 1. Carbon sink and reference level diversity test of 30 years old Chinese fir plantation
变异来源
Source平方和
Sum of squaresdf 均方
Mean squareF 显著性
Sig.组间
Between9 002.105 1 9 002.105 12.753 0.001 组内
Within25 411.421 36 705.873 总数
Total34 413.526 37 Table 2. Carbon sink and reference level diversity test of 23 years old Chinese fir plantation
变异来源
Source平方和
Sum of squaresdf 均方
Mean squareF 显著性
Sig.组间
Between4 939.457 1 4 939.457 4.901 0.031 组内
Within51 403.327 51 1 007.908 总数
Total56 342.784 52 Table 3. Eligible carbon sink of 30 years old and 23 years old Chinese fir plantation
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湖南省会同县林业局提供的有关森林采伐和不可抗力的数据,没有细分到每个树种和林分的采伐情况以及不可抗力(火灾、病虫害、暴雪等)造成的损失,因此,在会同县杉木人工林碳汇的计量和核算中没有考虑木质林产品和不可抗力对湖南会同县杉木人工林碳汇的影响。
核算合格的碳汇量首先要制定一个参考水平。本研究制定2种不同的森林管理参考水平:第1种是基于湖南会同森林生态实验站第1代杉木人工林建立的参考水平,同样去掉森林采伐中木质林产品(参考水平中无不可抗力)对林分碳汇量的影响部分,建立新的参考水平。由于参考水平是在同龄林的数据基础上建立的,而核算的湖南会同县2008年至2013年杉木人工林的实际合格碳汇量,包含所有的林龄组的林木,因此,采用参考水平每公顷历年碳汇量变化量的平均值25.56 t二氧化碳当量来进行会同县杉木人工林合格碳汇量的核算。表 4为1992、2004—2013年基于第1种森林管理参考水平核算的合格的单位面积碳汇量,2008年湖南会同县杉木人工林的单位面积碳汇量较2007年的小,之后呈逐年增加趋势,且总体是2013年的最大。第2种是利用生态站2代杉木人工林制定的参考水平。
指标Index 年份year 1992 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 碳汇量Carbon sink/
(tCO2-eq·hm-2)6.60 9.73 10.36 11.27 16.84 13.13 15.77 19.02 22.54 23.70 27.35 Table 4. Carbon sink of Chinese fir in Huitong based on the first reference level
图 6表示:在第1种森林管理参考水平下,1992年、2004—2013年湖南会同杉木人工林的总碳汇量的变化趋势与单位面积碳汇量的变化趋势相同。2008年的碳汇量较2007年约少2.12×105 t二氧化碳当量,除了大面积采伐外,主要是由于2008年的冰雪自然灾害造成森林面积和蓄积量的损耗,导致森林碳汇量下降,其中, 2013年的碳汇量最大,为1.36×106 t二氧化碳当量。
在第2种参考水平下,由于参考水平是同龄林,因此, 采用参考水平历年来的每公顷碳储量变化的平均值-4.36 t二氧化碳当量,作为湖南会同县的参考值,进行湖南会同县杉木人工林合格碳汇量的核算。表 5是1992年、2004—2013年在第2种森林管理参考水平下核算的湖南省会同县杉木人工林的合格碳汇量。第2种参考水平下核算的合格碳汇量均比第1种参考水平下核算的每公顷约多30 t二氧化碳当量·hm-2,与第1种参考水平下的情况相同,也在2008年出现碳汇量的降低,之后又逐年增加。
指标Index 年份year 1992 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 碳汇量Carbon sink/
(tCO2-eq·hm-2)36.52 39.65 40.28 41.19 46.76 43.05 45.69 48.94 52.46 53.63 57.27 Table 5. Carbon sink of Chinese fir in Huitong based on the secod reference level
图 7是在第2种参考水平的核算情况下,湖南省会同县杉木人工林的合格碳汇量。这种变化趋势与第1种参考水平的核算情况相同,整体呈增加趋势,但除2008年出现降低之外(2008年较2007年减少了2.25×105 t二氧化碳当量),在2011年也出现了降低,比2010年减少了2.39×104 t二氧化碳当量,较2008年的降低幅度小,而2013年的碳汇量最多,为2.84×106 t二氧化碳当量。