全 文 ：植物生态学报 2016, 40 (4): 304–317 doi: 10.17521/cjpe.2016.0017
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2016-01-12 接受日期Accepted: 2016-03-30
* 通信作者Author for correspondence (E-mail: shengdu@ms.iswc.ac.cn)
甘肃省森林碳储量现状与固碳速率
关晋宏1,2 杜 盛1,3* 程积民1,3 吴春荣4 李国庆1,3 邓 磊2 张建国3
何秋月2 时伟宇5
1西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨凌 712100; 2西北农林科技大学林学院, 陕西杨凌 712100; 3中国科学院水利部
水土保持研究所, 陕西杨凌 712100; 4甘肃省治沙研究所, 兰州 730000; 5中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室, 西安 710075
摘 要 针对森林碳平衡再评估的重要性和区域尺度森林生态系统碳库量化分配的不确定性, 该研究依据全国森林资源连
续清查结果中甘肃省各森林类型分布的面积与蓄积比重以及林龄和起源等要素, 在甘肃省布设212个样地, 经野外调查与采
样、室内分析, 并对典型样地信息按照面积权重进行尺度扩展, 估算了甘肃省森林生态系统碳储量及其分布特征。结果表明:
甘肃省森林生态系统总碳储量为612.43 Tg C, 其中植被生物量碳为179.04 Tg C, 土壤碳为433.39 Tg C。天然林是甘肃省碳储
量的主要贡献者, 其值为501.42 Tg C, 是人工林的4.52倍。天然林和人工林的植被碳密度均表现为随林龄的增加而增加的趋
势, 同一龄组天然林植被碳密度高于人工林。天然林土壤碳密度从幼龄林到过熟林逐渐增加, 但人工林土壤碳密度最大值主
要为近熟林。全省森林植被碳密度均值为72.43 Mg C·hm–2, 天然林和人工林分别为90.52和33.79 Mg C·hm–2。基于森林清查资
料和标准样地实测数据, 估算出全省天然林和人工林在1996年的植被碳储量为132.47和12.81 Tg C, 2011年分别为152.41和
26.63 Tg C, 平均固碳速率分别为1.33和0.92 Tg C·a–1。甘肃省幼、中龄林面积比重较大, 占全省的62.28%, 根据碳密度随林龄
的动态变化特征, 预测这些低龄林将发挥巨大的碳汇潜力。
关键词 碳密度; 碳储量; 固碳速率; 森林生态系统; 甘肃省
引用格式: 关晋宏, 杜盛, 程积民, 吴春荣, 李国庆, 邓磊, 张建国, 何秋月, 时伟宇 (2016). 甘肃省森林碳储量现状与固碳速率. 植物生态学报, 40,
304–317. doi: 10.17521/cjpe.2016.0017
Current stocks and rate of sequestration of forest carbon in Gansu Province, China
GUAN Jin-Hong1,2, DU Sheng1,3*, CHENG Ji-Min1,3, WU Chun-Rong4, LI Guo-Qing1,3, DENG Lei2, ZHANG
Jian-Guo3, HE Qiu-Yue2, and SHI Wei-Yu5
1State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loess Plateau, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; 2College of
Forestry, Northwest A & F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; 3Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry
of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China; 4Gansu Desert Control Research Institute, Lanzhou 730000, China; and 5State Key Laboratory of Loess
and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710075, China
Abstract
Aims Carbon sequestration is the basic function and most primary service of forest ecosystems, and plays a vital
role in mitigating the global climate change. However, carbon storage and allocation in forest ecosystems have
been less studied at regional scales than at forest stand levels, and the results are subject to uncertainty due to in-
consistent methodologies. In this study we aim to obtain relatively accurate estimates of forest carbon stocks and
sequestration rate at a provincial scale (regional) based on plot surveys of plants and soils.
Methods In consideration of the areas and distributions of major forest types, 212 sampling plots, covering dif-
ferent age classes and origins (natural forests vs. planted forests), were surveyed in Gansu Province in northern
China. Field investigations were conducted for vegetation layers (trees, shrubs, herbs and litter), soil profiles, and
sampling of both plant materials and soils for laboratory analyses. Regional carbon stocks were calculated by
up-scaling the carbon densities of all forest types with their corresponding areas. Carbon sequestration rate was
estimated by referencing the reports of national forest inventory data for different periods.
Important findings Forest carbon stocks at the provincial scale were estimated at 612.43 Tg C, including 179.04
Tg C in biomass and 433.39 Tg C in soil organic materials. Specifically, natural forests stored 501.42 Tg C, ap-
proximately 4.52 times than that of the plantations. Biomass carbon density in both natural forests and plantations
showed an increasing trend with stand age classes, and was greater in natural forests than in plantations within the
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same age classes. Soil carbon density also increased with stand age classes in natural forests, but the highest value
occurred at the pre-mature stage in plantations. The weighted average of regional biomass carbon density was at
72.43 Mg C·hm–2, with the average value of 90.52 Mg C·hm–2 in natural forests and 33.79 Mg C·hm–2 in planta-
tions, respectively. In 1996, vegetation stored 132.47 Tg C in natural forests and 12.81 Tg C in plantations, re-
spectively, and the values increased to 152.41 and 26.63 Tg C in 2011, with the mean carbon sequestration rates of
1.33 and 0.92 Tg C·a–1. Given that young and middle-aged forests account for a large proportion (62.28%) of the
total forest areas, the region is expected to have substantial potential of carbon sequestration.
Key words carbon density; carbon storage; carbon sequestration rate; forest ecosystem; Gansu Province
Citation: Guan JH, Du S, Cheng JM, Wu CR, Li GQ, Deng L, Zhang JG, He QY, Shi WY (2016). Current stocks and rate of seques-
tration of forest carbon in Gansu Province, China. Chinese Journal of Plant Ecology, 40, 304–317. doi: 10.17521/cjpe.2016.0017
森林作为陆地生态系统的主体, 储存了80%的
地上碳储量和40%的地下碳储量, 在维持全球碳平
衡减缓气候变化中发挥着重要作用, 因此, 森林碳
固存已成为全球碳循环研究的热点(Dixon et al.,
1994; Houghton, 2005)。科学估测森林生态系统碳密
度、碳储量及其变化特征是充分认识森林生态系统
功能、评价区域森林碳汇潜力和应对气候变化的首
要任务。
近年来, 国内外学者采用多种研究手段, 针对
不同目标, 从林分(Ren et al., 2010; Zhang et al.,
2013b)、区域(Chen et al., 2009; Zhang et al., 2012)、
国家(Fang et al., 2001; Zhang et al., 2013a)及全球尺
度上(Houghton, 2005)对森林生态系统碳密度及碳
储量进行了研究报道, 揭示了不同气候条件下多种
森林类型的固碳现状及其动态变化。例如, Fang等
(2001)和方精云等(2007)基于生物量转化因子连续
函数法估算出我国森林植被碳储量在1998和2000年
分别为4.75和5.85 Pg C; 李海奎等(2011)用回归模
型估算法得出2006年我国森林植被碳储量为7.81
Pg C。其他学者也在不同时期深化研究了海南(Ren
et al., 2014)、广东(Ren et al., 2013)、吉林(王新闯等,
2011)、四川(黄从德等, 2008b)、陕西(崔高阳等,
2015)、宁夏(高阳等, 2014)等区域尺度的森林生态系
统碳库及其分配特征。然而, 由于我国气候带跨越热
带至寒温带, 涵盖从温润至干旱各个气候区, 森林
生态系统类型复杂多样, 导致植被和土壤碳积累过
程呈现区域性差异, 加之研究方法不同, 造成估算
结果存在较大误差(刘世荣等, 2011)。因此, 方法同一
化、时间同步化地估测区域尺度森林生态系统碳汇
及分配特征是探明我国森林碳汇现状的先决条件。
甘肃省作为西部欠发达省份和生态脆弱地区,
森林覆盖率在全国排第18位(徐济德, 2014)。但由于
特殊的地形气候特征, 甘肃省也是我国森林植被类
型比较复杂的省区之一, 森林植被有北亚热带常
绿、落叶阔叶林, 暖温带针叶、阔叶林, 寒温带(山
地)针叶林等多种类型, 在气候调节、水源涵养、水
土保持、生物多样性保护以及碳固存等方面起着不
可估量的作用。联合国反荒漠化大会认为半干旱区
森林及土壤在恰当的管理下可发挥显著的碳汇作用
(彭少麟等, 2002)。迄今为止, 针对甘肃省森林生态
系统碳密度及碳储量的报道仅见于个别树种(程堂
仁等, 2007b; 彭守璋等, 2011)、林区(程堂仁等,
2007a)及区域尺度活立木的简单估算(彭焕华等 ,
2010; Guan et al., 2015), 而区域尺度上森林生态系
统固碳特征尚不清楚, 尤其缺乏林下植被层及土壤
碳的信息。本文以甘肃省整个区域尺度主要森林生
态系统为研究对象, 在样地调查和室内分析的基础
上 , 分析各森林类型碳密度特征 , 并结合1996、
2001、2006和2011年4次森林资源连续清查资料, 估
算全省碳储量现状和固碳速率。研究结果可为森林
生态系统碳汇功能评价及可能开展的碳汇交易提供
参考依据。
1 研究区域和研究方法
1.1 研究区概况
甘肃省位于我国西北部 (32.18°–42.95° N,
92.22°–108.77° E), 地处黄河上游地区, 自西北向东
南狭长约1 350 km, 面积为45.3 × 104 km2, 占国土
总面积的4.7%。甘肃省具有明显的温带季风气候,
冬季寒冷漫长, 夏季短促温热。省内地区间气候差
异巨大 , 年平均气温在0–10 ℃, 年降水量36.6–
734.9 mm, 降水主要集中在6–9月, 由东南向西北
递减。气候从东南向西北也呈现序列性变化: 陇南
山地北部的暖温带湿润气候、陇中黄土高原的温带
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半湿润和半干旱气候、河西走廊温带干旱气候和北
山极干旱气候。受水热条件交互作用, 甘肃省森林
植被类型丰富多样, 分布有亚热带常绿阔林带、暖
温带落叶阔叶林带、温带草原带和温带荒漠带。
据《第八次全国森林资源清查甘肃省森林资源
清查成果》①, 甘肃省现有森林②面积507.45 × 104
hm2, 森林覆盖率11.28% (徐济德, 2014)。其中, 乔
木林面积和蓄积量分别为247.19 × 104 hm2和214.54
× 106 m3。甘肃省中南部和东部分布有多个典型森
林的国有林区, 例如小陇山林区、白龙江林区、子
午岭林区等; 也有白水江(南部)、太子山(中部)、祁
连山(西北部)等多个以森林为主的自然保护区。甘
肃全省天然林比重较大, 面积和蓄积分别为168.38
× 104 hm2和186.22 × 106 m3, 占全省的68.12%和
86.80%。天然林中面积最大的为中龄林, 占33.15%。
天然林类型主要以栎类(Quercus spp.)、阔叶混交林
(broad-leaved mixed forest)、云杉(Picea asperata)林、
冷杉(Abies fabri)林为主, 面积和蓄积分别占天然林
的59.54%和72.60%。人工林中以幼龄林居多, 占人
工林面积的 61.64%。人工阔叶林主要以杨树
(Populus spp.)林和刺槐(Robinia pseudoacacia)林为
主 , 面积和蓄积分别占全省人工林的56.45%和
63.79%; 人工针叶林以云杉林、落叶松 (Larix
gmelinii)林、油松(Pinus tabuliformis)林为主, 面积和
蓄积分别占全省人工林的19.50%和21.37%。
1.2 研究方法
1.2.1 样地设置及取样方法
本研究依托中国科学院战略性先导科技专项
(碳专项), 按照《生态系统固碳现状、速率、机制和
潜力》项目制定的统一要求(生态系统固碳项目技术
规范编写组, 2015), 并结合甘肃省第七次森林资源
清查成果, 充分考虑全省各森林类型(优势种)分布
面积与蓄积比重、林龄、起源等情况, 在全省布设
涵盖该省17种主要森林类型的标准地212个(表1)。
样地面积设置标准为20 m × 50 m, 但因地形破碎及
林分面积限制, 部分标准地设置为20 m × 30 m。其
中, 铁杉(Tsuga chinensis)没有布设相应样地, 以云
杉、冷杉和柏木(Cupressus funebris)的加权平均值来

① 国家林业局西北森林资源监测中心, 甘肃省林业厅, 甘肃省林业调查
规划院 (2012). 《第八次全国森林资源清查甘肃省森林资源清查成果》.
② 该森林面积数据包括了国家特别规定的灌木林和竹林面积。本文研
究的森林为乔木林。
③ 森林固碳课题办公室 (2014). 中国森林生态系统固碳现状、速率、
机制和潜力课题《生物量估算方程》.
求得该类森林生态系统各组分碳密度。本研究涉及
的栎类主要包括锐齿槲栎 (Quercus aliena var.
acuteserrata)、辽东栎(Quercus wutaishanica)、栓皮
栎(Quercus variabilis)等栎属优势树种; 杨树主要包
括山杨(Populus davidiana)、新疆杨(Populus alba
var. pyramidalis)、二白杨(Populus gansuensis)等; 桦
木主要包括红桦(Betula albosinensis)和白桦(Betula
platyphylla)。
本研究各森林类型包括幼龄林、中龄林、近熟
林、成熟林和过熟林5个龄组。不同森林类型生长速
度及其寿命因树种、起源而异, 各龄组的划分标准
不一, 具体见表2。此外, 本研究各项野外调查、样
品采集、成分分析均依据《生态系统固碳现状、速
率、机制和潜力》项目制定的统一标准(生态系统固
碳项目技术规范编写组, 2015)展开。
1.2.2 乔木层碳密度测定
对样地内所有胸径≥2 cm的乔木进行每木检
尺, 并记录地形、地貌、经营管理措施等因子。样
地内乔木单株生物量通过每木检尺所测的胸径和树
高结合异速生长方程求得。按大、中、小径级选择3–5
株样木, 采集样地内优势乔木树种各器官(叶、枝、
干、根)样品各300 g, 用以有机碳含量分析。利用分
析测定乔木层各器官的有机碳含量分别乘以各自的
单位面积生物量, 对其求和即为乔木层碳密度。对
异速生长方程的选择则以地形、气候条件等相近的
优势树种为筛选原则, 对所选方程进行模拟, 选出
适合该省区优势树种的最优方程(表3)。其中, 其他
硬阔类指鹅耳枥(Carpinus turczaninowii)、千金榆
(Carpinus cordata)、椴树(Tilia spp.)、华榛(Corylus
chinensis)等; 其他软阔类指白蜡(Fraxinus chinen-
sis)、青榨槭(Acer davidii)、稠梨(Padus racemosa)、
漆(Toxicodendron vernicifluum)等。树种1、2、3、5、
6、7、8和11生物量方程来源于程堂仁等(2007a), 树
种4、9、10和12生物量方程由森林固碳课题办公室
提供③。
1.2.3 林下植被层、枯落物层碳密度测定
林下植被包括灌木、草本和胸径<2 cm的幼树。
在上述样地内沿对角线设置3个2 m × 2 m的灌木小
样方, 并在每个灌木样方内设置1个1 m × 1 m的草
本小样方, 采用全收获法对灌木和草本进行采集。
全收获后, 灌木按叶、枝和根测定其生物量鲜质量,
草本分地上部分和地下部分测定其生物量鲜质量,
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表1 甘肃省样地信息表
Table 1 General information of survey plots in Gansu Province
土壤取样 Soil sampling森林类型
Forest type
森林起源
Forest origin
林龄组
Forest age group
样地数量
Number of
plots
样地分布区
Plot location
主要土壤类型
Main soil types 取样深度
Sampling
Depth (cm)
样地数量
Number of
plots
0–50 3 天然林
Natural forest
幼、中、成、过
YF, MAF, MF and
OMF
13 甘南
Gannan
山地棕壤、山地褐土、山地灰褐土
Mountainous brown earths, moun-
tainous cinnamon soils, and moun-
tainous grey cinnamon soils
0–100 10
冷杉
Abies fabri
人工林
Plantation
– – – – – –
0–30 1 天然林
Natural forest
幼、中、近、成、
过
YF, MAF, PMF,
MF and OMF
32 甘南、定西、张掖、兰州、
武威
Gannan, Dingxi, Zhangye,
Lanzhou, and Wuwei
山地棕壤、山地褐土、山地灰褐土
Mountainous brown earths, moutain-
ous cinnamon soils, and mountainous
grey cinnamon soils
0–100 31
0–30 2
云杉
Picea asperata
人工林
Plantation
幼、中、近、成
YF, MAF, PMF and
MF
16 甘南、定西
Gannan and Dingxi
山地棕壤、山地褐土、黄绵土
Mountainous brown earths, moutainous
cinnamon soils, and cultivated loess 0–100 14
天然林
Natural forest
中、成
MAF and MF
4 陇南、庆阳
Longnan and Qingyang
山地褐土、黄绵土Mountainous
cinnamon soils and cultivated loess
0–100 4 油松
Pinus
tabulaeformis 人工林
Plantation
幼、中、近、成
YF, MAF, PMF and
MF
20 临夏、陇南、庆阳、定西、
兰州
Linxia, Longnan, Qing-
yang, Dingxi, and Lanzhou
山地灰褐土、黄绵土、山地棕壤
Mountainous grey cinnamon soils,
cultivated loess, and mountainous
brown earths
0–100 20
天然林
Natural forest
近
PMF
1 天水
Tianshui
山地褐土
Mountainous cinnamon soils
0–100 1 华山松
Pinus
armandii 人工林
Plantation
近
PMF
3 陇南、天水
Longnan and Tianshui
山地棕壤、山地褐土
Mountainous brown earths and moun-
tainous cinnamon soils
0–100 3
天然林
Natural forest
– – – – – – 落叶松
Larix
gmelinii 人工林
Plantation
幼、中、近、成
YF, MAF, PMF and
MF
12 甘南、陇南、天水、定西
Gannan, Longnan,
Tianshui, and Dingxi
山地棕壤、山地褐土
Mountainous brown earths and moun-
tainous cinnamon soils
0–100 12
天然林
Natural forest
中
MAF
6 武威
Wuwei
山地灰褐土
Mountainous grey cinnamon soils
0–100 6 柏木
Cupressus
funebris 人工林
Plantation
– – – – – –
0–30 1
0–50 2
天然林
Natural forest
幼、中、近、成
YF, MAF, PMF and
MF
22 陇南、天水、庆阳
Longnan, Tianshui, and
Qingyang
山地褐土、山地棕壤
Mountainous cinnamon soils and
mountainous brown earths
0–100 19
栎类
Quercus spp.
人工林
Plantation
– – – – – –
天然林
Natural forest
近、成
PMF and MF
3 庆阳
Qingyang
黄褐土
Yellow cinnamon soils
0–100 3
0–50 2
杨树
Populus spp.
人工林
Plantation
幼、中、近、过
YF, MAF, PMF and
OMF
29 酒泉、金昌、张掖、武威、
兰州、白银
Jiuquan, Jinchang, Zhang-
ye, Wuwei, and Lanzhou
灰褐土、灌淤土、草甸土
Grey cinnamon soils, irrigation sedi-
ments, and meadow soils 0–100 27
天然林
Natural forest
幼、中
YF and MAF
6 甘南、天水、庆阳
Gannan, Tianshui, and
Qingyang
山地褐土、黄绵土
Mountainous cinnamon soils and
cultivated loess
0–100 6 桦木
Betula spp.
人工林
Plantation
– – – – – –
天然林
Natural forest
– – – – – – 刺槐
Robinia
pseudoacacia 人工林
Plantation
幼、中、近、成
YF, MAF, PMF and
MF
15 平凉、庆阳、白银
Pingliang, Qingyang, and
Baiyin
黄绵土、灰褐土
Cultivated loess and grey cinnamon
soils
0–100 15
天然林
Natural forest
– – – – – – 阔叶混交林
Broad-leaved
mixed forest 人工林
Plantation
幼
YF
2 张掖、兰州
Zhangye and Lanzhou
灌淤土
Irrigation sediments
0–100 2
天然林
Natural forest
中、成
MAF and MF
2 天水
Tianshui
黄棕壤
Yellow brown earths
0–100 2 针叶混交林
Coniferous-
mixed forest 人工林
Plantation
幼、成
YF and MF
2 陇南、兰州
Longnan and Lanzhou
山地褐土、灌淤土
Mountainous cinnamon soils and irriga-
tion sediments
0–50 2

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表1 (续) Table 1 (continued)
土壤取样 Soil sampling森林类型
Forest type
森林起源
Forest origin
林龄组
Forest age group
样地数量
Number of
plots
样地分布区
Plot location
主要土壤类型
Main soil types 取样深度
Sampling
Depth (cm)
样地数量
Number of
plots
0–30 1 天然林
Natural forest
幼、中、近
YF, MAF and PMF
23 甘南、天水、陇南、庆阳
Gannan, Tianshui, Long-
nan, and Qingyang
山地褐土、黄褐土、黄棕壤
Mountainous cinnamon soils, yellow
cinnamon soils, and yellow brown
earths
0–100 22
针阔混交林
Coniferous and
broad-leaved
mixed forest
人工林
Plantation
中
MAF
1 天水
Tianshui
山地褐土
Mountainous cinnamon soils
0–100 1
天然林
Natural forest
112 合计
Total
人工林
Plantation
100
表中幼、中、近、成和过分别指幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林。
YF, MAF, PMF, MF and OMF refer to young forest, middle-aged forest, pre-mature forest, mature forest and over-mature forest, respectively.


表2 甘肃省主要森林类型林龄组划分标准④
Table 2 Criteria of forest age group classification for major forest types in Gansu Province
林龄组 Forest age group 森林类型
Forest type
森林起源
Forest origin 幼龄林
Young
forest
中龄林
Middle-
aged forest
近熟林
Pre-mature
forest
成熟林
Mature
forest
过熟林
Over-mature
forest
天然林 Natural forest ≤60 61–100 101–120 121–160 ≥161 冷杉、柏木
Abies fabri and Cupressus funebris 人工林 Plantation ≤40 41–60 61–80 81–120 ≥121
天然林 Natural forest ≤40 41–80 81–100 101–140 ≥141 云杉
Picea asperata 人工林 Plantation ≤20 21–30 31–40 41–60 ≥61
天然林 Natural forest ≤30 31–50 51–60 61–80 ≥81 油松、华山松、落叶松
Pinus tabulaeformis, Pinus armandii and Larix gmelinii 人工林 Plantation ≤20 21–30 31–40 41–60 ≥61
天然林 Natural forest ≤20 21–30 31–40 41–60 ≥61 杨、白桦、其他软阔类
Populus spp., Betula platyphylla and other soft broad-leaved species 人工林 Plantation ≤10 11–15 16–20 21–30 ≥31
天然林 Natural forest ≤30 31–50 51–60 61–80 ≥81 刺槐、红桦
Robinia pseudoacacia and Betula albosinensis 人工林 Plantation ≤20 21–30 31–40 41–60 ≥61
天然林 Natural forest ≤40 41–60 61–80 81–120 ≥121 栎类、其他硬阔类
Quercus spp. and other hard broad-leaved species 人工林 Plantation ≤20 21–40 41–50 51–70 ≥71


并分别取约300 g用于含水率和有机碳含量的测定。
在各样地内沿对角线设置3个1 m × 1 m的枯落物小
样方,收集所有枯落物并称其鲜质量, 保留约300 g
测定其含水率和有机碳含量。林下植被层和枯落物
层生物量根据各器官含水率换算为其干质量并分别
乘以各器官对应的有机碳含量求得相应的碳密度。
1.2.4 土壤碳密度测定
在调查样地周围选择未受人为干扰、植被结构
和土壤具代表性的地段, 挖掘土壤剖面, 每层取2个
重复, 不够100 cm的土壤剖面以实际深度计算。按
照0–10 cm、10–20 cm、20–30 cm、30–50 cm、50–100
cm不同深度, 用环刀采集各层土壤后带回实验室
105 ℃烘干24 h至恒质量, 计算各土层土壤容重。从
________________________
④ 甘肃省林业厅 (2012). 甘肃省林地落界实施细则.
环刀内拣出>2 mm以上的砾石, 洗净、烘干称质量。
同时, 在每个草本样方内按0–10 cm、10–20 cm、
20–30 cm、30–50 cm、50–100 cm取样, 将同一层土
壤样品按质量比例混合, 带回实验室尽早进行处理,
拣出砾石、植物根系等杂物, 自然风干、磨碎、过
筛, 用重铬酸钾硫酸氧化法测定土壤有机碳含量。
土壤各层有机碳密度结合土壤各层容重、有机碳含
量、砾石含量、土层深度求得, 各层碳密度相加即
为0–100 cm土壤有机碳密度。
土壤有机碳密度(soil organic carbon density,
SOCD, Mg C·hm–2)计算公式为:
=1
( ) (1 /100) /10
n
i i i i
i
SOCD C BD D R= × × × −∑
式中: Ci为第i层土壤有机碳含量(g·kg–1); BDi为该层
土壤平均容重(g·cm–3); Di为该层土壤厚度(cm), Ri为
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关晋宏等: 甘肃省森林碳储量现状与固碳速率 309

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表3 甘肃省主要优势树种及主要伴生树种生物量方程
Table 3 Biomass equation of dominant and associate tree species in Gansu Province
树种 Tree species 干 Stem (kg·ind.–1) 枝 Branch (kg·ind.–1) 叶 Leaves (kg·ind.–1) 根 Roots (kg·ind.–1) 皮 Barks (kg·ind.–1)
1. 云、冷杉 Picea asperata
and Abies fabri
exp(–3.9744)(D2H)0.9434 exp(–4.6350)(D2H)0.9257 exp(–5.9391)(D2H)0.9257 exp(–5.2791)(D2H)0.9457 exp(–5.5587)(D2H)0.8930
2. 油松
Pinus tabulaeformis
exp(–3.8828)(D2H)0.9359 exp(–6.3807)(D2H)1.1242 exp(–5.3277)(D2H)0.8812 exp(–4.7557)(D2H)0.9204 exp(–5.1129)(D2H)0.8649
3. 锐齿栎 Quercus aliena
var. acuteserrata
exp(–4.0347)(D2H)0.9953 exp(–8.4741)(D2H)1.3674 exp(–8.4170)(D2H)1.0888 exp(–3.3630)(D2H)0.7773 exp(–4.5914)(D2H)0.8657
4. 柏木
Cupressus funebris
0.0427(D2H)0.8545 0.0128(D2H)0.8916 0.0258(D2H)0.7037 0.0079(D2H)0.9385 –
5. 杨、桦 Populus spp. and
Betula spp.
exp(–3.8023)(D2H)0.9631 exp(–5.9070)(D2H)1.0903 exp(–3.9108)(D2H)0.6104 exp(–3.2756)(D2H)0.7692 exp(–5.8330)(D2H)0.9682
6. 落叶松 Larix gmelinii exp(–3.6844)(D2H)0.9303 exp(–7.6840)(D2H)1.2554 exp(–12.0638)(D2H)1.4968 exp(–5.1872)(D2H)0.9709 exp(–5.0754)(D2H)0.8708
7. 华山松
Pinus armandii
exp(–3.9041)(D2H)0.9630 exp(–4.0957)(D2H)0.9186 exp(–4.8359)(D2H)0.7936 exp(–8.3710)(D2H)1.3456 exp(–4.6176)(D2H)0.8060
8. 栓皮栎
Quercus variabilis
exp(–3.7447)(D2H)0.9679 exp(–4.8449)(D2H)1.0013 exp(–3.3569)(D2H)0.6050 exp(–2.9066)(D2H)0.8144 exp(–3.2565)(D2H)0.7156
9. 辽东栎
Quercus wutaishanica
0.0493(D2H))0.8514 0.0026(D2H)1.1887 0.0119(D2H)0.835 0.1009(D2H)0.6879 –
10. 刺槐
Robinia pseudoacacia
0.0302(D2H)0.9474 0.004(D2H)1.0868 0.006(D2H)0.8403 0.0119(D2H)0.9501 –
11. 其他硬阔类 Other hard
broad-leaved species
exp(–3.8852)(D2H)0.9803 exp(–5.6360)(D2H)1.0851 exp(–4.5320)(D2H)0.7377 exp(–3.1575)(D2H)0.7758 exp(–4.4480)(D2H)0.7713
12. 其他软阔类 Other soft
broad-leaved species
0.021(D2H)0.9642 0.0011(D2H)1.1909 0.0022(D2H)0.8595 0.053(D2H)0.7452 –
D为单株乔木胸径(cm); H为单株乔木高度(m)。
D and H refer to tree diameter at breast height (cm) and tree height (m), respectively.


该层土壤>2 mm砾石所占百分比(%)。
1.2.5 全省尺度森林碳储量估算
对某一样地, 将调查求得各组分(乔木层、灌木
层、草本层、枯落物层和土壤层)的碳密度求和得到
该样地的森林生态系统碳密度(Mg C·hm–2)。甘肃全
省森林碳储量现状基于《第八次全国森林资源清查
甘肃省森林资源清查成果》进行估算, 该清查资料
代表2011年的森林资源状况。由于20世纪60年代以
来的乱砍滥伐, 甘肃全省约有3.0 × 107 hm2的森林
受到严重破坏, 导致调查过程中部分森林类型过熟
林样地重复较少, 因此本研究以同一林型各龄组的
加权平均碳密度代替该林型平均碳密度进行比较。
以某一森林类型为例, 根据样地调查先求得该林型
同一龄组森林生态系统各组分的平均碳密度, 之后
按不同龄组面积加权分别计算全省水平该森林生态
系统各组分的碳密度。全省天然林和人工林平均碳
密度分别按照不同植被类型面积加权平均求得。全
省尺度上的碳储量由不同林型各组分的碳密度乘以
相对应的面积加和求得。
1.2.6 固碳速率的估算
本研究固碳速率的估算仅涉及植被碳储量的固
碳速率。在样地调查和碳储量现状估算的基础上,
结合4次森林资源清查资料(1996、2001、2006和2011
年状况), 通过4个时期的全省植被碳储量变化估算
其固碳速率(ΔCs, Tg C·a–1), 公式如下:
2 1
2 1
( )
( )
s s
s
C CC
t t
−Δ = −
式中, Cs1、Cs2分别代表t1、t2时间的碳储量(Tg C)。
2 结果和分析
2.1 甘肃省天然林、人工林生态系统碳密度及垂直
结构
甘肃省天然林森林生态系统土壤平均有机碳密
度最高, 为207.28 Mg C·hm–2, 植被层各层平均碳密
度大小顺序为乔木层(86.75 Mg C·hm–2) >枯落物层
(2.25 Mg C·hm–2) >灌木层(1.02 Mg C·hm–2) >草本层
(0.50 Mg C·hm–2)(表4)。不同天然林类型中, 乔木
层、灌木层、草本层和枯落物层碳密度分别介于
36.03–179.92、0.34–1.38、0.36–0.85和1.47–8.35 Mg
C·hm–2之间, 变异系数分别为75.52%、121.92%、
121.40%和96.80%。其中, 乔木层中碳密度较大的林
型为冷杉、云杉、铁杉寒温性针叶林, 最小林型为
杨树林, 灌木层碳密度最大和最小林型分别为冷杉
林和其他软阔类, 草本层碳密度最大和最小林型分
别为云杉林和冷杉林, 枯落物层碳密度最大和最小
的林型分别为其他松类和冷杉林。对土壤有机碳密

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表4 甘肃省天然林森林生态系统不同组分碳密度
Table 4 Carbon density in different components of natural forest ecosystems in Gansu Province
碳密度 Carbon density (Mg C·hm–2) 森林类型
Forest type 乔木层
Tree layer
灌木层
Shrub layer
草本层
Herb layer
枯落物层
Litter layer
土壤层
Soil layer
冷杉 Abies fabri 179.92 1.38 0.36 1.47 383.18
云杉 Picea asperata 107.06 1.26 0.85 1.96 369.90
铁杉 Tsuga chinensis 125.71 0.99 0.44 2.93 391.91
落叶松 Larix gmelinii 102.61 0.87 0.71 2.75 296.44
油松 Pinus tabulaeformis 75.93 0.42 0.51 6.92 179.99
华山松 Pinus armandii 71.33 0.39 0.78 2.17 215.78
其他松类 Other pines 83.23 0.49 0.57 8.35 216.50
柏木 Cupressus funebris 64.15 0.57 0.54 1.54 362.56
栎类 Quercus spp. 88.85 1.34 0.41 1.79 152.00
桦木 Betula spp. 63.85 0.75 0.40 2.75 160.11
杨树 Populus spp. 36.03 0.49 0.73 2.39 118.20
其他硬阔类 Other hardwood broad-leaved species 84.31 1.20 0.40 1.98 144.56
其他软阔类 Other softwood broad-leaved species 44.42 0.34 0.52 2.64 125.38
针叶混交林 Mixed coniferous forest 106.54 0.83 0.60 3.79 293.39
阔叶混交林 Mixed broad-leaved forest 71.09 1.01 0.47 2.34 155.40
针阔混交林 Mixed coniferous and broad-leaved forest 58.23 0.54 0.40 3.80 159.94
加权平均 Weighted average 86.75 1.02 0.50 2.25 207.28


表5 甘肃省人工林森林生态系统不同组分碳密度
Table 5 Carbon density in different components of plantations in Gansu Province
碳密度 Carbon density (Mg C·hm–2) 森林类型
Forest type 乔木层
Tree layer
灌木层
Shrub layer
草本层
Herb layer
枯落物层
Litter layer
土壤层
Soil layer
冷杉 Abies fabri 25.79 0.77 0.53 1.39 272.30
云杉 Picea asperata 28.52 1.26 0.53 0.78 338.34
落叶松 Larix gmelinii 33.13 0.69 0.52 1.54 218.36
油松 Pinus tabulaeformis 44.93 0.45 0.29 2.69 141.24
华山松 Pinus armandii 57.79 1.17 0.48 2.53 174.25
其他松类 Other pines 36.82 0.79 0.41 2.14 179.19
柏木 Cupressus funebris 22.38 0.77 0.62 0.90 232.82
栎类 Quercus spp. 48.35 0.01 0.43 2.23 53.90
桦木 Betula spp. 30.08 0.01 1.08 0.88 69.63
杨树 Populus spp. 59.44 0.01 0.55 0.81 90.25
刺槐 Robinia pseudoacacia 15.48 0.02 1.14 1.36 52.39
其他硬阔类 Other hardwood broad-leaved species 27.59 0.01 0.85 1.19 72.02
其他软阔类 Other softwood broad-leaved species 45.76 0.01 0.58 2.60 100.66
针叶混交林 Mixed coniferous forest 36.37 0.16 0.68 0.72 51.12
阔叶混交林 Mixed broad-leaved forest 27.18 0.01 0.72 1.07 34.28
针阔混交林 Mixed coniferous and broad-leaved forest 70.10 1.14 0.15 2.39 328.21
加权平均 Weighted average 31.39 0.22 0.81 1.37 107.07


度频度分析显示, 甘肃省天然林土壤有机碳密度变
化范围在118.20–391.91 Mg C·hm–2之间, 变异系数为
60.17%, 呈右偏态分布, 但经对数转化后, 符合K-S
正态性检验(p > 0.05)。各天然林类型中, 土壤有机碳
密度较大的林型为铁杉、冷杉、云杉、柏木寒温性针
叶林, 杨树林最小。各天然林林型中, 土壤有机碳密
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度是植被碳密度的1.64–5.43倍, 平均为2.63倍。
甘肃省人工林森林生态系统以土壤平均有机碳
密度最大, 为107.07 Mg C·hm–2, 植被层各层平均碳
密度大小顺序为乔木层(31.39 Mg C·hm–2) >枯落物
层(1.37 Mg C·hm–2) >草本层(0.81 Mg C·hm–2) >灌木
层(0.22 Mg C·hm–2) (表5)。不同人工林类型中, 乔木
层、灌木层、草本层和枯落物层碳密度分别介于
15.48–70.10、0.01–1.26、0.15–1.14和0.72–2.69 Mg
C·hm–2, 变异系数分别为86.34%、170.95%、80.24%
和118.56%。土壤有机碳密度变化范围在34.28–
338.34 Mg C·hm–2之间, 变异系数为75.91%, 呈右
偏态分布, 但经对数转化后, 符合K-S正态性检验
(p > 0.05)。各人工林类型中, 土壤有机碳密度最大
和最小的林型分别为云杉林和阔叶混交林, 土壤
有机碳密度是植被碳密度的1.06–10.88, 平均为
4.08倍。对同一优势种, 天然林土壤有机碳密度均
高于人工林, 平均高出107.79%, 除杨树林和其他
软阔类外, 天然林乔木层碳密度均高于人工林, 平
均高出178.02%, 说明天然林的固碳能力显著高于
人工林。
从龄组划分来看, 甘肃省天然林、人工林植被
碳密度均表现为过熟林>成熟林>近熟林>中龄林>
幼龄林, 且同一龄组天然林植被碳密度均高于人工
林(图1A)。天然林幼龄林、中龄林、近熟林、成熟
林和过熟林的植被碳密度分别为: 58.89、71.46、
89.73、118.70和176.61 Mg C·hm–2, 比人工林分别高
了147.42%、84.99%、100.85%、67.51%和102.55%。
随着林龄的增加, 天然林的植被固碳能力增幅逐渐
增加, 而人工林的固碳增幅从幼龄林到中龄林最
大。甘肃省天然林土壤有机碳密度随着林龄的增加
逐渐增加, 但近熟林略小于中龄林, 人工林土壤有
机碳密度在近熟林中达到最大(186.79 Mg C·hm–2),
在过熟林中最小(84.05 Mg C·hm–2) (图1B)。
2.2 甘肃省森林生态系统碳储量现状
甘肃全省森林生态系统总碳储量为612.43 Tg
C, 植被和土壤碳储量分别为179.04和433.39 Tg C,
占全省总碳储量的29.23%和70.77% (表6)。天然林
总碳储量为501.42 Tg C, 是人工林的4.52倍。在天
然林各森林类型中, 冷杉、云杉林较高的植被和土
壤碳密度导致了其较大的碳储量, 占天然林生态系
统碳储量的17.78%和18.51%。栎类和阔叶混交林面
积较大, 合计占天然林面积的38.73%, 因此, 对


图1 甘肃省天然林、人工林不同龄组植被碳密度(A)和土壤
有机碳密度(B)。
Fig. 1 Vegetation carbon density (A) and soil organic carbon
density (B) of different age groups in natural forests and planta-
tions in Gansu Province. YF, MAF, PMF, MF and OMF refer to
young forest, middle-aged forest, pre-mature forest, mature
forest and over-mature forest, respectively.


天然林生态系统碳储量的贡献也大, 分别达16.12%
和14.77%。在人工林各森林类型中, 面积分布大的
森林类型其碳储量也大, 刺槐、杨树和云杉人工林
面积合计占62.61%, 对人工林碳储量的贡献率分别
达20.22%、17.15%和16.14%。
2.3 甘肃省植被碳储量固碳速率
国家林业局自1994年森林资源清查时, 森林郁
闭度标准从0.3改为0.2, 为采用统一标准比较不同
时期森林固碳的动态变化, 本研究使用1996年、
2001年、2006年和2011年连续4次甘肃省森林资源清
查资料。此外, 由于土壤碳储量受植被类型及土壤
类型等多因素的共同影响, 本研究仅比较植被层碳
储量年变化及固碳速率。甘肃省天然林碳储量随时
间变化呈上升趋势, 在1996年、2001年、2006年和
2011年分别达到132.47、135.27、143.44和152.41 Tg
C, 且中龄林和成熟林碳储量在各个时期比重最大,
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表6 甘肃省森林生态系统碳储量
Table 6 Forest ecosystem carbon stocks in Gansu Province


占50.10%–53.88% (图2A)。人工林碳储量随时间的
增加增幅较大, 从1996年到2011年增加了107.93%。
人工林各龄组中, 幼、中龄林碳储量比重较大, 各个
时期合计占人工林碳储量的63.70%–83.21% (图
2B)。各个时期不同龄组中, 天然林植被碳储量以中
龄林最高, 人工林以幼龄林最高。各个时期同一龄
组天然林碳储量占全省植被碳储量的比例均高于人
工林, 是人工林的5.53–10.34倍。天然林分别占同期
全省碳储量的91.18%、90.33%、84.68%和85.13%,
说明天然林是甘肃省森林植被碳汇功能的主要贡献
者, 同时人工林的碳汇功能正处于上升阶段。
甘肃省天然林从1996年到2011年平均每年固碳
1.33 Tg C, 比人工林高0.41 Tg C。天然林在1996–
2001年和2006–2011年两个5年期间平均固碳量均高
于人工林 , 分别高出 0.23和 1.65 Tg C。而在
2001–2006年期间, 人工林的平均固碳量高于天然
林, 这主要归因于1998年以来相继开展的“天然林
资源保护工程”和“退耕还林”等一系列林业工程,
甘肃省加大了人工林种植面积, 幼、中龄林面积在5
年期间共增加了86.04%, 使得人工林碳储量也相应
增加了86.94%。
3 讨论
3.1 甘肃省森林生态系统碳密度、碳储量现状
本研究通过样地调查结合森林资源清查资料,
得出甘肃省森林生态系统总碳储量为612.43 Tg C,
占我国森林生态系统的2.18%–3.74% (周玉荣等,
2000; 李克让等, 2003)。其中土壤碳为433.39 Tg C,
是植被碳储量的2.42倍, 约71%的碳储存于土壤中,
说明该区土壤碳库作为森林生态系统内最大的碳
库, 将对未来气候变化发挥重要作用。甘肃省乔木
层碳储量为170.80 Tg C, 比赵敏和周广胜(2004)
(76.69 Tg C, 1989–1993年)、王效科等(2001) (71.92
Tg C, 1984–1988年)、吴庆标等(2008) (78.77 Tg C,
1996–2000年)的估算分别提高了122.71%、137.49%、
116.83%, 表明甘肃省森林植被在近十几年来发挥
着可观的碳汇作用。
甘肃省森林乔木层平均碳密度为69.10 Mg
C·hm–2, 高于方精云等(2007)(41.0 Mg C·hm–2)和
Zhang等(2013a)(40.12 Mg C·hm–2)分别估算的全国
森林生态系统乔木层平均碳密度, 同时也高于同期
毗邻省区陕西(31.38 Mg C·hm–2)(崔高阳等, 2015)和
天然林碳储量
Natural forest carbon stock (Tg C)
人工林碳储量
Planted forest carbon stock (Tg C)
森林类型
Forest type
面积
Area (100 hm2)
植被层
Vegetation layer
土壤层
Soil layer
面积
Area (100 hm2)
植被层
Vegetation layer
土壤层
Soil layer
冷杉 Abies fabri 1 574 28.83 60.31 12 0.03 0.33
云杉 Picea asperata 1 929 21.44 71.35 485 1.51 16.41
铁杉 Tsuga chinensis 12 0.16 0.47 – – –
落叶松 Larix gmelinii 27 0.29 0.80 577 2.07 12.60
油松 Pinus tabulaeformis 292 2.45 5.26 475 2.30 6.71
华山松 Pinus armandii 544 4.06 11.74 156 0.97 2.72
其他松类 Other pines 9 0.08 0.19 9 0.04 0.16
柏木 Cupressus funebris 506 3.38 18.35 18 0.04 0.42
栎类 Quercus spp. 3 307 30.55 50.27 9 0.05 0.05
桦木 Betula spp. 1 813 12.28 29.03 6 0.02 0.04
杨树 Populus spp. 551 2.18 6.51 1 260 7.66 11.37
刺槐 Robinia pseudoacacia – – – 3 189 5.74 16.71
其他硬阔类 Other hardwood broad-leaved species 1 650 14.50 23.85 1 091 3.23 7.86
其他软阔类 Other softwood broad-leaved species 631 3.02 7.91 164 0.80 1.65
针叶混交林 Mixed coniferous forest 42 0.47 1.23 39 0.15 0.20
阔叶混交林 Mixed broad-leaved forest 3 215 24.08 49.96 193 0.56 0.66
针阔混交林 Mixed coniferous and broad-leaved forest 736 4.63 11.77 198 1.46 6.50
合计 Total 16 838 152.41 349.01 7 881 26.63 84.38
©植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology
关晋宏等: 甘肃省森林碳储量现状与固碳速率 313

doi: 10.17521/cjpe.2016.0017


图2 甘肃省天然林(A)、人工林(B)不同龄组植被层碳储量
随时间的变化。
Fig. 2 Changes in vegetation carbon stocks for different age
groups in natural forests (A) and plantations (B) with time of
the national forest inventory in Gansu Province. YF, MAF,
PMF, MF and OMF refer to young forest, middle-aged forest,
pre-mature forest, mature forest and over-mature forest, respec-
tively.


宁夏(18.53 Mg C·hm–2)(高阳等, 2014)。究其原因,
一方面是由于该区分布有大量云冷杉等寒温性针叶
林, 为本区演替的顶级群落, 其面积和蓄积合计占
全省森林的20.75%和39.19%, 森林碳储量在单位面
积的积累较高。另一方面是方法性的差异, 目前对
区域尺度的研究大多采用生物量转换因子连续函数
法推算乔木层生物量, 乘以0.45或0.5作为碳密度,
而忽略了树种及器官间的差异, 使得结果具有一定
差异(方精云等, 2007; Zhang et al., 2013a)。甘肃省天
然林乔木层平均碳密度为86.75 Mg C·hm–2, 而人工
林仅为31.39 Mg C·hm–2, 这是由于甘肃省人工林中
有83.85%的乔木林面积处于幼、中龄林阶段, 具有


图3 甘肃省天然林、人工林植被层年均固碳量。
Fig. 3 Mean annual carbon sequestration in natural forests
and plantations in Gansu Province.


较低的生物量碳。全国森林生物量碳有85.30%贮存
在中龄林和成熟林中, 随着林龄的增加, 幼、中龄林
在该区将发挥更大的碳汇潜力。甘肃省人工林平均
土壤有机碳密度(107.07 Mg C·hm–2)接近于我国人
工林平均水平(107.10 Mg C·hm–2)(刘世荣等, 2011)。
天然林平均土壤碳密度为207.28 Mg C·hm–2, 远高
于我国天然林平均水平(109.10 Mg C·hm–2) (刘世荣
等, 2011), 这是由于云冷杉、柏木等寒温性针叶林
具有较高的土壤有机碳密度, 利用其面积加权平均
后, 全省仍处在一个高土壤碳密度水平。本研究中
的云冷杉、柏木等寒温性针叶林的平均土壤有机碳
密度为373.75 Mg C·hm–2, 接近于周玉荣等(2000)对
全国云冷杉林土壤有机碳密度的估计值(360.79 Mg
C·hm–2)。本研究中云冷杉、柏木等寒温性针叶林分
布在海拔2 191–3 404 m, 且有部分森林为原始森
林, 地表枯落物厚、温度低、土壤相对湿度大、冻
结时间长, 土壤异养呼吸受到限制, 而有利于土壤
有机质的积累(Tewksbury & van Miegroet, 2007), 使
得该区土壤有机碳密度较高, 成为我国森林生态系
统重要的土壤碳库。
3.2 甘肃省森林植被固碳量及碳汇潜力预测
甘肃省天然林、人工林植被碳储量从1996年到
2011年分别增加了19.95、13.82 Tg C, 年平均固碳量
为1.33、0.92 Tg C·a–1, 高于同期山西省天然林(0.86
Tg C·a–1)和人工林(0.37 Tg C·a–1)年平均固碳量(王
宁, 2014), 也高于同期青藏高原高寒区阔叶林年平
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314 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2016, 40 (4): 304–317

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均固碳量(0.64 Tg C·a–1)(王建等, 2016)。对不同时期
来说, 甘肃省植被年平均固碳量(2.25 Tg C·a–1)低于
四川省(含重庆)(6.05 Tg C·a–1, 1994–2003年)(黄从德
等, 2008a)、广东省(3.25 Tg C·a–1, 1997–2007年) (叶金
盛和佘光辉, 2010), 远高于黑龙江省(–2.28 Tg C·a–1,
1994– 2003年) (焦燕和胡海清, 2005)、辽宁省(1.91 Tg
C·a–1, 1995–2000年) (王雪军等, 2008)等其他省份。说
明甘肃省森林在全国森林中具有较强的碳汇功能,
在全国尤其是中西部森林碳库中占有重要地位。
造林和再造林是减缓CO2排放的主要途径之一
(Steffen et al., 1998), 我国人工林自20世纪70年代
末期以来导致的碳汇增加了0.45 Pg C, 对我国森林
总碳汇的贡献率超过80% (Fang et al., 2001)。有研究
表明, 在恰当的人为管理与经营下, 同一地区人工
林(203 Mg C·hm–2)比天然林(162 Mg C·hm–2)具有较
高的生物量碳密度(Baishya et al., 2009)。甘肃省
人工林面积达78.81 × 104 hm2, 且幼中龄林面积占
83.85%, 各植被类型植被层碳密度较小 (18.00–
73.78 Mg C·hm–2), 其碳储存密度尚未达到最大, 若
能减少人为破坏与干扰, 加强营林管理, 幼、中龄林
将是未来该区碳汇的最大潜力所在, 人工林在植被
碳储量中的比例会不断提高。
3.3 固碳估算结果的不确定性
森林碳汇的增加主要是来自森林再生长和增强
生长, 从而有更多的有机碳进入森林生态系统。然
而, 森林碳汇受自然和人为多种因素的影响, 如环
境污染(Schimel, 1995)、氮沉降(Vetter et al., 2005)、
森林采伐(Pennock & van Kessel, 1997)、土地覆被/
利用变化(Wiesmeier et al., 2015)、甚至昆虫灾害
(Kurz & Apps, 1999)等都会引起森林植被及土壤有
机碳库的变化。因此, 准确地估算大尺度碳汇量具
有一定难度, 需要在同一标准下更精细化的研究。
对森林生态系统碳库的估算, 首先是量化乔木层、
林下灌草层、枯落物层及土壤层的碳库分配特征。
然而, 早期的研究仅是针对乔木层的碳汇研究, 由
于方法间的差异, 使得对碳储量的估算具有一定的
不确定性, 此外, 林下灌草层、枯落物、土壤等信息
缺乏使得对森林生态系统碳库的动态研究成为难
点。以国家第三次森林资源清查资料(1989–1993年)
为基础, 方精云和陈安平(2001)、王效科等(2001)、
赵敏和周广胜(2004)、吴庆标等(2008)采用不同方法
估算甘肃省植被碳储量的结果分别为92.78、71.92、
76.69、74.25 Tg C, 误差达8.86%–17.58%。
甘肃全省植被和土壤有机碳密度均高于全国及
毗邻省区水平, 低于天山雪岭杉(Picea schrenkiana)
的植被(92.57 Mg·C hm–2)和土壤有机碳密度(452.00
Mg·C hm–2) (许文强等, 2016), 其中存在的不确定因
素较多。首先是来自土壤有机碳密度的误差, 土壤
有机碳的空间变异性较大, 其大小受土壤类型、地
形、气候、林龄及人为干扰等因素的共同影响。由
于甘肃省地形复杂, 海拔3 000 m以上的山原约占
全省土地总面积的20%, 森林分布具有很大的异质
性 , 本 研 究 中 约 有 37% 的 样 地 分 布 在 海 拔
2 000–3 400 m, 而海拔是导致针叶林土壤有机碳密
度变异的主导因子(解宪丽等, 2004)。甘肃全省212
个样地土壤有机碳密度范围为28.24–649.44 Mg
C·hm–2, 变异系数为70.21%, 所有剖面土壤有机碳
密度的频度分布呈右偏态分布, 但经过对数转化后
通过K-S正态性检验(p > 0.05), 因而中位数(154.29
Mg C·hm–2)在统计学上更能代表该省的土壤有机碳
密度平均水平, 但考虑到甘肃省森林分布的异质性,
本文在计算过程中使用了面积加权来计算各组分的
碳密度, 也是土壤有机碳密度偏大的原因之一。其
次, 本文虽遵循了《生态系统固碳现状、速率和潜
力研究调查规范》的样点布设方法, 但在实际操作
中并非完全随机布点, 而是倾向于调查易于接近和
林分状况较好的林型, 可能造成区域森林碳储量的
估算相对较高。另一方面由于20世纪60年代以来的
乱砍滥伐, 甘肃省森林大面积(3.0 × 107 hm2)受到严
重破坏, 因此在调查过程中天然林中仅云冷杉有过
熟林, 且样地较少, 共计3个。这3个样地的林龄分别
为: 170年、200年、220–270年左右的过熟林, 样地
内云冷杉平均胸径分别为32.35、22.01和18.05 cm,
平均树高为15.62、10.60和14.03 m, 样地内除有
60–90 cm的大径级乔木外, 林下更新情况较好, 存
在较多的幼树, 因而具有较高的生物量碳密度。加
之这3个样地海拔分别为: 3 191、3 404和3 268 m,
均为原始森林, 地表枯落物相对较厚, 温度低, 土
壤有机质分解缓慢, 因而土壤有机碳密度也相应较
高。第三, 森林清查资料仅记录了胸径≥5 cm以上
的乔木, 本研究乔木起测胸径为2 cm, 且2–5 cm胸
径的乔木碳储量占甘肃省全部乔木碳储量的
1.04%。也有研究表明, 20年以下人工林中胸径小于
10 cm的乔木占整个样地生物量的15.1% (Preece et
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关晋宏等: 甘肃省森林碳储量现状与固碳速率 315

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al., 2012), 若忽略胸径5 cm以下的乔木贡献量, 将
增加区域尺度碳汇现状的估算误差。此外, 对森林
生态系统碳库估算的另一误差是来自土壤剖面深度
的差异, 由于部分研究区域土壤土层较薄, 若全部
以1 m参考标准来估算区域尺度的土壤碳储量, 将
增加估算误差。因此, 方法标准化、时间同步化, 并
有效地结合不同时空尺度下的样地清查资料、野外
监测数据、遥感数据的空间特征以及模型模拟等,
将有效地降低森林固碳估算的不确定性, 以更准确
地反映区域及更大尺度的碳收支平衡。
基金项目 中国科学院战略性先导科技专项(XDA-
05050202)和中国博士后科学基金(2015M580877)。
致谢 感谢国家林业局西北林业调查规划设计院、
甘肃省林业厅和各市林业部门在野外采样过程中的
支持与配合。
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特邀编委: 李胜功 责任编辑: 李 敏



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