森林能将大气中的CO2吸收,并将其固存到植被或土壤里[1],是生态系统中最大的碳库。当前全国CO2排放量增速放缓,但总量仍呈现上升趋势。为应对CO2排放导致的气候变化,森林固碳是关键一环。因此,定量评估森林固碳量及碳汇价值对保障人民的生产生活、合理开发利用森林资源、制定林业相关管理政策、促进碳汇生态产品价值实现等具有重要意义。

当前碳汇计量方法主要包括生物量法、蓄积量法、生物量回归方程和转换因子连续法等[2]。近年来,多位学者基于森林资源清查结果对全国或某一地区的森林固碳量展开研究[3],其中生物量转换因子连续函数法、蓄积量扩展法是使用较多的固碳量评估方法[4-5]。学者普遍认为以上两种方法的技术要求低且可行性较强,但生物量转换因子连续函数法仅对森林林木生物量固碳量进行估算[6],未考虑林下植被和林地固碳量,不能准确反映森林生态系统的固碳量,而蓄积量扩展法考虑的固碳量较为全面,但存在计算较为宏观、精度不高等缺点[7]。因此,基于蓄积量扩展法原理,对生物量转换因子连续函数法进行改进,不仅保障了计算精度且对森林固碳量的分析较为全面。

目前关于黄河流域森林固碳量的研究成果多是从国家和流域尺度获得的[8-11],针对流域特定省份的不同林种固碳量研究较少,现有的森林固碳研究不仅测算方法单一,且为2003、2008、2013年的森林固碳量数据[12-15],缺少近几年黄河流域的森林固碳量动态变化情况和碳汇价值的研究。河南省作为黄河中下游生态保护的重要主体和建设黄河流域生态屏障的坚实力量,2021年底,在《河南省“十四五”生态环境保护和生态经济发展规划》中提出,要坚持“双碳”引领,全力打造黄河流域生态保护和高质量发展示范区,增强生态系统固碳增汇能力。

鉴于此,本文基于第七次和第九次森林资源连续清查资料,结合蓄积量扩展法原理,运用改进后的生物量转换因子连续函数法,对2008年至2018年黄河中下游河南省森林固碳量变化及其空间分布情况进行评估分析,并运用造林成本法评估森林碳汇经济价值,为未来提升黄河流域森林经营管理水平、开展森林碳汇交易和制定生态补偿标准提供参考。

1 研究区域概况

河南省位于中国中部,地处黄河流域中下游,东部与安徽省、山东省接壤,北部与河北省、山西省相邻,西部与陕西省相连,南部与湖北省交界,全省总面积为16.7×104 km2,地势西高东低,境内有山地、平原、丘陵。据第九次森林资源连续清查资料,河南省森林面积为4.03 ×106 hm2,森林覆盖率和森林蓄积量分别达到了24.14%和2.07×108 m3。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 森林固碳量评估方法

综合考虑研究的可操作性、经济性与准确性等因素,选取生物量转换因子连续函数法测算河南省森林林木生物量固碳量,但在此方法基础上结合蓄积量扩展法原理,考虑林下植被(含凋落物)和林地固碳量。

生物量转换因子连续函数法是由Fang等[16]提出的,具体公式为

B=aV+b。

(1)

式中:B为森林单位面积生物量,t/hm2;V为森林单位面积蓄积量,m3/hm2;a、b为转换参数。

以往运用生物量转换因子连续函数法研究森林固碳量多采用Fang等[16]基于全国758个生物量样地拟合得到的21个林种生物量与蓄积量间的转换参数,存在样本数不足的缺陷。Zhang等[17]基于全国3 543个样地的实测生物量和体积数据,对转换参数进行拟合改进,极大地提高了估算精度[5]。故本文采用Zhang等[17]的相关研究,选取河南省10个森林蓄积量和面积具有优势的林种(柏木、栎类、杨树、马尾松、油松、硬阔类、软阔类、阔叶混、针阔混和针叶混),各林种的生物量与蓄积量转换参数见表1。

森林生物量乘以生物量碳转化系数即得到森林林木生物量固碳量,具体公式为

C0=δ∑BiAi。

(2)

式中:C0为森林林木生物量固碳量,t;Bi为第i类林种生物量,t;Ai为第i类林种的面积,hm2;δ为生物量碳转化系数,本研究选择国际上普遍使用的生物量碳转化系数0.5[18]来计算森林的固碳量。

所研究的森林固碳量包括森林林木生物、林下植物和林地的固碳量。该森林固碳量计算原理与蓄积量扩展法[19]相同,在蓄积量扩展法中,林木生物量固碳量分别与林下植物、林地相对应的碳转换系数相乘即可得到对应的固碳量。林木生物量固碳量即森林树木包括枝丫、树根等生物量的固碳量;林下植物固碳量即森林树木下生长的植物和树叶、树枝、枯木残体等凋落物的固碳量;林地固碳量即森林土壤固碳量[7],具体公式为

C=C0+C1+C2=C0+ηC0+λC0。

(3)

式中:C为森林总固碳量,t;C0为林木生物量固碳量,t;C1为林下植物固碳量,t;C2为林地固碳量,t;η为林下植物碳转换系数,取0.195;λ为林地碳转换系数,取1.244(以上系数取自国际通用的IPCC默认通用值[19])。

2.1.2 森林碳汇价值评估方法

当前中国森林碳汇价值评估未统一方法,而不同的方法得出的结果具有较大差异,使用较多的方法主要有造林成本法、市场价值法、碳税法[20]。本文选取从成本角度估算碳汇价值的造林成本法核算森林碳汇价值,具体公式为

U=C×M。

(4)

式中:U为森林碳汇价值,元;C为森林总固碳量,t;M为单位碳汇价格,元/t,选取造林成本279.73元/t[21]。

2.2 数据来源及处理

河南省各林种的面积、蓄积量数据来源于第七次和第九次森林资源连续清查资料,河南省各市的森林面积来源于河南省二类森林资源调查、第三次全国国土调查。由于河南省二类森林资源调查和第三次全国国土调查主要于2007年和2019年开展,与本文研究的2008年和2018年河南省固碳量年份较为接近,故将以上年份的各市森林面积代替所研究年份的数据。采用各市森林面积占全省森林面积的比重作为各市森林固碳的比例,以估算各市森林固碳量。

3 结果与分析

3.1 不同林种固碳量动态变化

2008—2018年河南省主要林种固碳量变化情况见表2。森林的固碳量和碳密度分别由2008年的1.76×108 t、63.14 t/hm2增加到2018年的2.78×108 t、85.94 t/hm2,高于贾松伟[13]利用生物量转换因子连续函数法计算得到的2008年森林固碳量0.70×108 t,接近张明珠[22]基于蓄积量扩展法得到的2008年森林固碳量约1.50×108 t,可见结果具有一定可靠性。

不同林种的固碳量及碳密度变化存在较大差异。在2008—2018年间,河南省主要林种的固碳量和碳密度均增加,仅硬阔类固碳量和针阔混碳密度略下降,不同林种的年均固碳量表现为阔叶混最大、硬阔类最小。

2008年河南省固碳量前4的林种为杨树、栎类、硬阔类和阔叶混;2018年为阔叶混、栎类、杨树和硬阔类,该4类林种因其面积和蓄积量优势,固碳量位于全省前列。相较于2008年,2018年阔叶混、栎类、杨树和硬阔类的固碳变化率分别为330.84%、19.97%、6.63%、-46.12%。相对于纯林,阔叶混交林树种组成多样化的特点可以使其提高韧性、降低风险,从而适应气候变化。河南省近年来加大了对混交林的种植力度,故其蓄积量和面积增加较多。而刺槐等硬阔类多是在20世纪50—60年代从国外栽植,多数已进入轮伐期;此外由于人地矛盾突出,伐刺槐等林种改种经济林等现象时有发生,导致近年来硬阔类面积和蓄积量减少,固碳能力下降。

3.2 各龄级林种固碳量动态变化

2008—2018年间河南省森林各龄级的面积、蓄积量、固碳量和碳密度变化情况见图1。

河南省森林面积、蓄积量、固碳量按龄级分布均表现为幼龄林>中龄林>近熟林>成熟林>过熟林。河南省2008年的森林碳密度按龄级分布状况与前者完全相反,2018年与前者相比有少许变化,表现为过熟林>成熟林>中龄林>近熟林>幼龄林。2008年和2018年幼龄林面积分别占各林龄总面积的60.07%和54.03%。2018年幼龄林蓄积量比2008年净增加了0.15×108 m3,固碳量增长率为47.53%。过熟林的碳密度从2008年的134.74 t/hm2减少至2018年的122.91 t/hm2,但均为龄级组中最高。2008—2018年,除中林龄面积减少了10.86%外,其余林龄的面积均增加,近熟林的面积增长最多,增长率为183.57%;各林龄的蓄积量和固碳量均增加,其中成熟林增长率最高,分别为281.07%和195.29%,过熟林的增长率最低,分别为13.48%和6.58%。

表3所示为2008年和2018年河南省10个林种不同龄级组的固碳量。不同林种各龄级的固碳量变化较大。2008—2018年间,柏木、软阔类、阔叶混和针叶混的幼龄林、中龄林、近熟林固碳量均增长,杨树、油松和硬阔类的幼龄林、中龄林固碳量呈现出减小趋势,杨树、马尾松和油松的近熟林、成熟林固碳量呈现增加趋势,栎类和阔叶混的成熟林固碳量均增加、过熟林均减小,硬阔类和软阔类的成熟林固碳量均减小、过熟林均增加。

同一龄级不同林种固碳变化量也具有较大差异。2008—2018年间,在幼龄林中,阔叶混、针阔混的固碳增长率较高,分别为367.75%和168.97%,杨树和马尾松的固碳降低较多,分别为-85.28%和-74.40%;在中龄林中,除栎类、杨树、油松、硬阔类的固碳量减少外,其余林种的固碳量均增加,其中阔叶混的固碳量增幅为364.90%;在近熟林中,杨树的固碳量增长最多,由2008年的5.35×106 t增长至2018年的2.71×107 t,而针阔混的降幅最高,为24.82%;在成熟林和过熟林中,固碳量增幅最高的林种均为杨树,其增幅分别达到了884.08%和552.37%,而成熟林中软阔类下降幅度最大,过熟林中栎类下降幅度最大。

近年来河南省注重优化树种结构,改变纯林现象,故加大了对混交林的科学营造力度。因此,在2008—2018年间,由于阔叶混、针阔混、针叶混等混交林林种的中幼龄林面积和蓄积量增加,故混交林的幼龄林、中龄林固碳量增幅较高。

3.3 森林固碳量空间分布动态变化

图2为河南省森林固碳量空间变化情况。由图2可知,河南省森林固碳量主要呈现“西、南高,东、北低”的空间格局,其中固碳量主要分布在南阳市、洛阳市和三门峡市,2018年这三市固碳总量为1.56×108 t,占全省总量55.90%,固碳量最小的为漯河市,其固碳量为81.42×104 t,仅占全省总量的0.29%,表明河南省森林固碳量存在较大的空间差异。这是由于河南省森林资源分布不均,50%以上林业用地、森林面积和森林蓄积分布在伏牛山区,故位于伏牛山区的地市固碳量占全省一半以上。2008—2018年,除商丘市、濮阳市和漯河市外,其余地市森林固碳量均增加,其中洛阳市增幅最大,为86.10%,平顶山市次之,为84.37%,而商丘市的降幅最大,达到了47.33%。主要原因可能在于10年间洛阳市、平顶山市扎实推进国土绿化行动,其山地和丘陵面积分别占全市土地总面积的80%和70%,是国土绿化提速行动的主要战场,故森林资源呈现数量增加、质量提高的态势,而商丘市是国家粮食生产核心示范区,土地资源首先要保障粮食供给,10年间由于林地面积减小而固碳量呈现下降态势。

此外,河南省各市森林固碳量等级高低与各龄级森林的固碳量强弱有直接关系,固碳量等级越高,其幼龄林和中林龄的固碳量占比越高。中龄林、幼龄林主要分布在三门峡、洛阳、南阳和信阳市,主要是因为豫西伏牛山区、豫南桐柏山和大别山区是省内科学开展国土绿化的重点区域,近年来通过在该区域进行造林工作,形成的中龄林、幼龄林面积较多,故未来应加强对该区域中龄林、幼龄林的抚育工作,优化林分结构,培育稳定的森林生态系统,以促进碳汇能力提升。

3.4 不同林种碳汇价值估算

基于造林成本法测算得到的河南省森林碳汇经济价值由2008年的492.47亿元增加至2018年的778.68亿元,单位面积森林碳汇价值在2008年和2018年分别为13 661.31元/hm2和24 040.00元/hm2,森林碳汇总价值和单位面积价值分别增长了286.21亿元和10 378.69元/hm2,不同林种的碳汇价值量见图3。

2008—2018年,10个林种的碳汇价值均增加,但不同林种的碳汇价值量变化具有较大差异,其中碳汇价值较高的林种由杨树>栎类>硬阔类(2008年)转变为阔叶混>栎类>杨树(2018年)。2018年森林碳汇的主要贡献者阔叶混、栎类和杨树的碳汇价值分别为300.59亿元、163.53亿元和158.31亿元,3个林种的碳汇价值总量占2018年森林碳汇总价值的79.93%,其中阔叶混的碳汇价值增长幅度最大。随着河南省森林固碳量的增加,其碳汇价值也随之增加,探索通过市场化方式实现森林碳汇价值是未来林业发展的方向和趋势。

4 结论与建议

(1)河南省森林固碳量由2008年的1.76×108 t上升至2018年的2.78×108 t,不同林种的年固碳量表现为阔叶混>栎类>软阔类>针阔混>杨树>柏木>针叶混>马尾松>油松>硬阔类,碳密度由2008年的63.14 t/hm2增加到2018年的85.94 t/hm2。

(2)河南省面积、森林蓄积量和固碳量按龄级分布状况均为幼龄林>中龄林>近熟林>成熟林>过熟林,碳密度按龄级分布状况为过熟林>成熟林>中龄林>近熟林>幼龄林。

(3)河南省森林固碳量的空间分布呈现“西、南高,东、北低”的格局,其中固碳量主要分布在南阳市、洛阳市和三门峡市,且固碳量等级越高的地市,其幼龄林和中林龄的固碳量占比也越高。

(4)河南省森林碳汇经济价值从2008年的492.47亿元增长到2018年的778.68亿元,年均增长28.62亿元。阔叶混、栎类和杨树是河南省森林碳汇的主要贡献者,2018年3个林种碳汇总价值占河南省森林碳汇总价值的79.93%。

(5)在未来的森林建设中,要充分考虑河南省区域地理条件,科学规划各区域林业建设,在保障土地供给与造林需求的基础上,多构建混交林,加大中幼龄林的抚育工作,提升现有森林质量促进森林碳汇功能增强。此外,要尽快探索开展“碳汇生态补偿”“碳汇交易”等碳汇价值实现路径,促进森林碳汇生态价值转化为经济价值。

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Evaluation of Carbon Sequestration and Carbon Sink Value of Forests in Henan Province

YU Luji1, ZHANG Yahui1, FAN Lei2, WANG Li1,3, LIU Yingying1

(1.School of Ecology and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2.Henan Province Land Consolidation Center, Zhengzhou 450003, China; 3.Research Centre of Engineering and Technology for Synergetic Control of Environmental Pollution and Carbon Emissions of Henan Province, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract：This study was carried out to understand the current status of forest carbon sequestration and carbon sink value in the middle and lower reaches of the Yellow River, and to contribute to the ecological protection and high-quality development of the Yellow River Basin. Based on the data of national forest inventory and land survey, the principle of accumulation conversion method and the improved continuous function method of biomass conversion factor were used to measure the dynamic changes of forest carbon sequestration and carbon sink value in Henan Province. The results showed that the forest carbon sequestration in Henan Province increased from 1.76×108 t to 2.78×108 t from 2008 to 2018, and the forest type with higher annual carbon sequestration was mixed broadleaf forest and quercus. The distribution of carbon sequestration by age class was the largest in young forests and the smallest in over mature forests. The spatial pattern of forest carbon sequestration was "high in the west and south, low in the east and north", mainly distributed in Nanyang, Luoyang and Sanmenxia. The value of forest carbon sinks increased from 49.247 billion yuan in 2008 to 77.868 billion yuan in 2018, an average annual increase of 2.862 billion yuan. The carbon sink value of mixed broadleaf forest, quercus and populus accounted for 79.93% of the carbon aggregation value in 2018. Finally, suggestions on carbon sequestration capacity and realization of forest carbon sink value were made, for the high-quality development in the Yellow River Basin.

Keywords：forest;carbon sequestration; carbon density; carbon sink value; stock volume; space distribution; value evaluation

中图分类号：X37;S719

文献标志码：A

doi：10.13705/j.issn.1671-6833.2023.06.002

收稿日期：2023-05-11;修订日期：2023-06-15

基金项目：中国工程院院地合作项目(2021HENZDA01);河南省自然资源厅资助项目(20210717A)

作者简介：于鲁冀(1962—),男,山东威海人,郑州大学教授,主要从事环境管理与经济研究,E-mail:yuluji@126.com。

引用本文：于鲁冀,张亚慧,樊雷,等. 河南省森林固碳量与碳汇价值评估[J]. 郑州大学学报(工学版),2024,45(3):7-13.(YU L J , ZHANG Y H , FAN L,et al. Evaluation of carbon sequestration and carbon sink value of forests in Henan Province[J]. Journal of Zhengzhou University (Engineering Science),2024,45(3):7-13.)

文章编号：1671-6833(2024)03-0007-07