Carbon storage and carbon sink capacity of major arbor forest types in Heilongjiang Province of northeastern China
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摘要:目的
黑龙江省是中国的林业大省，在碳达峰、碳中和战略中占有重要地位，估算全省主要乔木林类型的碳储量和碳汇能力，旨在为黑龙江省未来的森林经营提供理论支持。
方法基于黑龙江省主要乔木林类型的固定样地数据，计算样地碳密度，并运用空间代替时间法构建各类乔木林的林龄–碳密度的生长曲线，结合黑龙江省森林面积数据估算基准年和目标年各类乔木林各龄组的碳密度和碳储量。对各类样地按10年间隔进行分级，计算每级碳密度最高值与平均值之差，得到该级现实固碳潜力，利用样地数量加权计算得到该乔木林类型的总现实固碳潜力，并对计算结果进行分析。
结果（1）黑龙江省乔木林碳储量总量为878.73 Tg，其中中龄林和近熟林的碳储量占比最大，分别为37.85%和24.21%，乔木林总平均碳密度为52.599 t/hm2，总现实固碳潜力为27.719 t/hm2。（2）主要乔木林类型中，起始年份2015年时阔叶混交天然林总碳储量的占比最大，其次是蒙古栎天然林，分别占44.65%和17.02%；2060年碳储量最大的两个类型没有变化，但碳储量占比有所下降。2015年总平均碳密度最大的两类乔木林依次是蒙古栎天然林和阔叶混交天然林，总平均碳密度为82.545和60.699 t/hm2。2060年总平均碳密度最大的两类是蒙古栎天然林和山杨天然林，总平均碳密度分别为103.659和92.255 t/hm2。（3）各类乔木林中，山杨天然林、针叶混交人工林和樟子松人工林碳密度增长速度较高，到2060年时较起始年份的碳密度增长值分别为36.805、40.505、40.809 t/hm2。（4）各类乔木林的总现实固碳潜力中，阔叶混交天然林的总现实固碳潜力最高，为31.536 t/hm2，人工林中针阔混交人工林总现实固碳潜力最高，为27.674 t/hm2，各龄组中中龄林的总现实固碳潜力最高，为29.179 t/hm2。
结论本研究估算了黑龙江省主要乔木林2015年各类型各龄组的碳密度、碳储量和现实固碳潜力以及未来2060年时的碳密度、碳储量。对于碳储量和现实固碳潜力高、同时未来碳密度增长量较低的乔木林类型如阔叶混交天然林、针阔混交人工林等，应加强对林分的抚育以促进其碳密度增长。未来的新造林规划应在满足适地适树等条件的前提下，更多地选取未来碳密度增长量较高的人工林类型，如樟子松人工林、针叶混交人工林等，天然林的更新规划应以山杨天然林等未来碳密度增长量较高的天然林类型为重点。该结论对未来黑龙江省森林碳汇经营具有一定的理论指导意义。
Abstract:ObjectiveHeilongjiang Province in northeastern China is a major forestry province of China, which plays an important role in strategy of carbon peaking and carbon neutrality. The estimation of carbon storage and carbon sequestration capacity of major arbor forest types in Heilongjiang Province can provide theoretical support for future forest management of Heilongjiang Province.
MethodCarbon density was calculated based on the fixed sample plot data of major arbor forest types in Heilongjiang Province, and forest age-carbon density growth curves of various arbor forests were constructed by spatial-temporal method. Based on forest area data of Heilongjiang Province, the carbon density and carbon storage of each age group of various arbor forests in Heilongjiang Province were estimated in base year and target year. The sample plots were classified according to the 10-year interval, and the current carbon sequestration potential of each class was obtained by calculating the difference between the highest value and the average value of carbon density of each class. The average total current carbon sequestration potential of each arbor forest type was calculated by weighting of the number of sample plots, and the calculation results were analyzed.
Result(1) The total carbon storage of arbor forest in Heilongjiang Province was 878.73 Tg, in which the proportion of carbon storage of middle-aged forest and near-mature forest was the largest, accounting for 37.85% and 24.21%, respectively. The total average carbon density was 52.599 t/ha, and total current carbon sequestration potential was 27.719 t/ha. (2) Among the major arbor forest types, broadleaved mixed nature forest accounted for the largest proportion of total carbon storage in 2015, followed by Quercus mongolica natural forest, accounting for 44.65% and 17.02%, respectively. In 2060, the two types with the largest carbon storage did not change, but the proportion of carbon storage declined. In 2015, the two arbor forests with the highest total average carbon density was Quercus mongolica natural forest and broadleaved mixed natural forest, with carbon density of 82.545 and 60.699 t/ha. The two forests with the highest total average carbon density in 2060 were Quercus mongolica natural forest and Populus davidiana natural forest, with carbon density of 103.659 and 92.255 t/ha, respectively. (3) Among all kinds of arbor forests, Populus davidiana natural forest, coniferous mixed plantation, and Pinus sylvestris var. mongolica plantation had higher carbon density growth, and compared with the initial year, carbon density growth value of 2060 was 36.805, 40.505 and 40.809 t/ha, respectively. (4) The total current carbon sequestration potential of all kinds of arbor forest was the highest in broadleaved mixed natural forest (31.536 t/ha), and the highest was mixed coniferous and broadleaved plantation (27.674 t/ha). In all age groups, the total current carbon sequestration potential of middle-aged forest was the highest of 29.179 t/ha.
ConclusionThis study estimates the carbon density, carbon storage and current carbon sequestration potential of various age groups of major types of arboral forest in Heilongjiang Province from 2015 to 2060. For those arbor forests with high carbon storage and real carbon sequestration potential, but low carbon density growth in the future, such as broadleaved mixed natural forest and mixed coniferous and broadleaved plantation, it is necessary to strengthen the forest tending to promote the carbon density growth. The future new afforestation planning should be based on the conditions of suitable land and trees, and selecting more plantation types with higher carbon density growth in the future, such as Pinus sylvestris var. mongolica plantation and coniferous mixed plantation, etc. The renewal of natural forests should also focus on natural forest types with higher carbon density growth in the future, such as Populus davidiana natural forest. The conclusion can provide theoretical guidance for forest carbon sink management in Heilongjiang Province in the future.
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自工业革命以来，全球环境受到了严重的破坏。有国际组织总结了当今十大环境问题，其中全球变暖位居首位[1]。目前主流观点认为，大气中二氧化碳浓度增加导致了全球变暖[2]。为了遏制全球变暖，世界各国签订了包括《联合国气候变化框架公约》《京都议定书》《哥本哈根协议》《巴黎协定》在内的多项公约，这些公约根据多种因素对世界各国应承担的减排责任和采取的减排措施提出了建议[3−6]。中国为了应对气候变化，在2020年提出了碳达峰、碳中和“双碳”战略目标，确立了减排增汇的战略规划[7]。陆地碳库包括森林、土壤、湿地等，在全球碳循环中发挥着重要作用，也是全球碳库中人类最容易干涉的部分。森林占陆地面积比例约30%，森林植被生物量约占全球植被生物量的80%[8]，每年固碳量约占陆地生态系统总固碳量的65%左右[9]，是陆地碳库中碳汇能力最强的部分。森林在减缓大气温室效应过程中发挥了重要作用，是应对气候变化影响的关键。
碳汇是从大气中清除CO2的过程或机制，森林碳汇能力是指森林从大气中吸收、固定碳的能力。森林碳储量和固碳潜力研究是森林碳汇能力研究的基础，对相关理论研究有着重要意义。森林碳储量估算方法是森林碳储量研究的基础[10]，当前研究中对森林碳储量的估算方法主要有样地清查法、微气象学法、遥感估算法和模型模拟法[11]，这4种方法分别基于样地清查数据、微气象监测数据、遥感数据和数学、生理过程等模型模拟结果对碳储量进行估算，4种方法各有其优势和不足之处。样地清查法经典可靠，对技术要求较低，但也有工作量大等缺点；微气象学法估算精度较高，但技术成本高，计算尺度较小[12]；遥感估测法适合大尺度计算[13]，但存在一定偏差，在计算时需要与实地数据结合进行校正；模型模拟法[14]同样适用于大尺度估计，但精度依赖于模型的准确性。在研究中，需要结合数据量、覆盖范围等特点，选择合适的方法提升碳储量的估算精度，从而提升整体研究的精度。森林固碳潜力是森林碳汇增长能力的体现，对于森林碳汇工作规划有着重要意义。目前学术界对固碳潜力有多种定义。于贵瑞等[15]将生态系统在特定条件下可能达到的固碳能力和基准情况下的固碳能力的差值定义为固碳潜力；Keith等[16]将森林生态系统在一般环境条件自然干扰下所能达到的最大碳储量与现实碳储量（包括人为干扰）之间的差别定义为固碳潜力；李斌等[17]将固碳潜力分为现实固碳潜力和未来固碳潜力两部分，现实固碳潜力为各龄组中以样地最大碳密度为标准估算的碳储量与现有碳储量的差值，未来固碳潜力指以同龄组单位面积最高年净固碳量为标准，估算现有林分达到成熟林时固碳量的变化量。前人基于对不同情景的设想提出多种固碳潜力定义，后继工作者可根据研究条件选取合适的方法以提升研究的准确性。通过对森林碳储量和固碳潜力的估算和分析，从而对森林碳汇能力进行研究分析。
黑龙江省拥有全国最大的国有林区[18]，其森林经营工作在未来“双碳”战略中占据重要地位。本文以黑龙江省主要乔木林类型为研究对象，建立林龄–碳密度生长曲线模型，预测未来乔木林的碳密度和碳储量，并估算乔木林的现实固碳潜力，从未来碳密度、碳储量和现实固碳潜力的角度分析乔木林碳汇能力。基于研究结果，为未来“双碳”战略规划中黑龙江现有林分的抚育及新造林树种的选择提供理论参考。
1. 研究区域概况与研究方法
1.1 研究区域概况
黑龙江省位于中国东北部（121°11′ ~ 135°05′E，43°25′ ~ 53°33′N），省内地貌复杂，地形崎岖，主要由山地、台地、平原和水面构成。黑龙江省森林资源丰富，是中国林业大省。黑龙江省林地面积总计2 617万hm2，居全国第4位；森林面积2 150万hm2，居全国第3位；森林覆被率达47.3%，居全国第9位。林业资源主要分布于大小兴安岭、长白山脉和完达山，省内东部、北部都有大量森林分布。
1.2 研究数据
基于黑龙江省内固定样地数据进行碳储量的计算和研究，并结合第九次全国森林资源清查黑龙江省森林面积数据估算全省乔木林碳储量。第九次全国森林资源清查黑龙江省于2015年完成，故而本研究起始年份为2015年[19]。本研究收集了黑龙江省内5 582块固定样地数据，其中幼龄林样地1 676块、中龄林2 342块、近熟林986块、成熟林490块、过熟林88块。样地主要分布于省内中部和东南部，调查时间集中在2010、2012和2013年。样地调查因子包括样地所处区域、坐标、地理特征、土壤特征、植被类型、平均年龄、平均胸径、平均树高、郁闭度等，每木检尺数据包括各立木树种、胸径、树高等。根据优势树种对样地进行分类，仅选取样地数量超过40块的乔木林类型作为研究对象，共11种类型，分别为落叶松（Larix spp.）人工林、樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）人工林、蒙古栎（Quercus mongolica）天然林、椴树（Tilia tuan）天然林、桦木（Betula spp.）天然林、山杨（Populus davidiana）天然林、杨类（Populus spp.）人工林、针阔混交人工林、针叶混交人工林、珍贵阔叶混交天然林和阔叶混交天然林。其中落叶松人工林样地513块，樟子松人工林204块，蒙古栎天然林1 185块、椴树天然林99块、桦木天然林359块、山杨天然林76块、杨类人工林64块、针阔混交人工林293块、针叶混交人工林90块、珍贵阔叶混交天然林49块、阔叶混交天然林2 650块。样地数据基本信息见表1，不同乔木林类型各龄组的样地数量、面积等信息见表2。
表 1 样地基本信息Table 1. Basic information of sample plots乔木林类型
Arbor forest type项目
Item胸径
DBH/cm树高
Tree height/m株密度/（株·hm−2）
Plant density/（tree·ha−1）年龄/a
Age/year落叶松人工林
Larix spp. plantation最大值 Max. value 31.9 25.0 4 050 55 最小值 Min. value 5.3 1.0 183 6 平均值 Mean value 14.2 11.5 1 130 26 标准差 SD 6.0 4.1 660 11 樟子松人工林
Pinus sylvestris var. mongolica plantation最大值 Max. value 33.1 19.5 3 617 55 最小值 Min. value 5.3 3.1 233 6 平均值 Mean value 18.3 11.1 1 130 32 标准差 SD 5.1 2.7 607 9 蒙古栎天然林
Quercus mongolica natural forest最大值 Max. value 49.5 19.9 4 633 106 最小值 Min. value 5.1 1.4 167 5 平均值 Mean value 12.6 10.0 1 629 39 标准差 SD 5.2 3.0 809 16 椴树天然林
Tilia tuan natural forest最大值 Max. value 30.2 17.7 3 233 75 最小值 Min. value 7.0 5.2 217 9 平均值 Mean value 14.8 12.0 1 386 40 标准差 SD 4.0 2.4 590 11 桦木天然林
Betula spp. natural forest最大值 Max. value 40.6 21.0 3 117 74 最小值 Min. value 5.7 3.9 200 8 平均值 Mean value 12.6 11.4 938 32 标准差 SD 4.7 2.9 542 13 山杨天然林
Populus davidiana natural forest最大值 Max. value 36.4 23.2 3 883 58 最小值 Min. value 5.7 4.0 200 8 平均值 Mean value 15.3 12.9 1 453 27 标准差 SD 7.5 3.9 748 11 杨类人工林
Populus spp. plantation最大值 Max. value 23.1 18.7 1 483 45 最小值 Min. value 5.9 3.5 183 5 平均值 Mean value 11.4 9.0 711 12 标准差 SD 4.6 3.6 362 10 针阔混交人工林
Mixed coniferous and broadleaved plantation最大值 Max. value 40.4 18.8 4 283 110 最小值 Min. value 5.7 5.0 200 9 平均值 Mean value 15.8 11.9 1 523 35 标准差 SD 6.3 3.0 700 16 针叶混交人工林
Coniferous mixed plantation最大值 Max. value 43.9 22.0 3 717 105 最小值 Min. value 6.2 4.6 233 9 平均值 Mean value 17.9 12.1 1 303 37 标准差 SD 5.9 3.3 610 15 珍贵阔叶混交天然林
Precious broadleaved mixed natural forest最大值 Max. value 34.8 18.4 1 783 90 最小值 Min. value 6.9 8.4 217 15 平均值 Mean value 17.0 13.2 973 47 标准差 SD 6.3 2.5 374 21 阔叶混交天然林
Broadleaved mixed natural forest最大值 Max. value 65.6 30.0 4 467 95 最小值 Min. value 5.2 2.0 167 3 平均值 Mean value 15.6 11.8 1 328 39 标准差 SD 6.6 3.1 633 15 表 2 各龄组基本信息Table 2. Basic information of each age group乔木林类型
Arbor forest type龄组
Age group样地数量
Sample plot number龄组划分标准/a
Age group division criteria/year龄组面积/（104 hm2）
Age group area/（104 ha）落叶松人工林
Larix spp. plantation幼龄林 Young forest 184 1 ~ 20 17.58 中龄林 Middle aged forest 137 21 ~ 30 123.08 近熟林 Near-mature forest 149 31 ~ 40 34.20 成熟林 Mature forest 43 41 ~ 60 26.24 过熟林 Overmature forest 0 > 60 19.84 樟子松人工林
Pinus sylvestris var. mongolica
plantation幼龄林 Young forest 19 1 ~ 20 1.92 中龄林 Middle aged forest 61 21 ~ 30 5.12 近熟林 Near-mature forest 100 31 ~ 40 2.56 成熟林 Mature forest 24 41 ~ 60 1.28 过熟林 Overmature forest 0 > 60 0.64 蒙古栎天然林
Quercus mongolica natural forest幼龄林 Young forest 401 1 ~ 40 24.88 中龄林 Middle aged forest 547 41 ~ 60 44.08 近熟林 Near-mature forest 132 61 ~ 80 34.79 成熟林 Mature forest 98 81 ~ 120 55.74 过熟林 Overmature forest 7 > 120 21.67 椴树天然林
Tilia tuan natural forest幼龄林 Young forest 55 1 ~ 40 2.55 中龄林 Middle aged forest 41 41 ~ 60 12.15 近熟林 Near-mature forest 3 61 ~ 80 4.14 成熟林 Mature forest 0 81 ~ 120 0.96 过熟林 Overmature forest 0 > 120 0.32 桦木天然林
Betula spp. natural forest幼龄林 Young forest 198 1 ~ 30 88.51 中龄林 Middle aged forest 146 31 ~ 50 86.31 近熟林 Near-mature forest 12 51-60 68.69 成熟林 Mature forest 3 61 ~ 80 51.76 过熟林 Overmature forest 0 > 80 6.07 山杨天然林
Populus davidiana natural forest幼龄林 Young forest 25 1 ~ 20 11.50 中龄林 Middle aged forest 30 21 ~ 30 12.16 近熟林 Near-mature forest 14 31 ~ 40 5.75 成熟林 Mature forest 7 41 ~ 60 14.08 过熟林 Overmature forest 0 > 60 1.28 杨类人工林
Populus spp. plantation幼龄林 Young forest 46 1 ~ 10 1.91 中龄林 Middle aged forest 5 11 ~ 15 2.56 近熟林 Near-mature forest 3 16 ~ 20 2.53 成熟林 Mature forest 3 21-30 1.60 过熟林 Overmature forest 7 > 30 5.09 针阔混交人工林
Mixed coniferous and
broadleaved plantation幼龄林 Young forest 75 1 ~ 40 26.56 中龄林 Middle aged forest 117 41 ~ 60 88.93 近熟林 Near-mature forest 75 61 ~ 80 45.09 成熟林 Mature forest 23 81 ~ 120 18.22 过熟林 Overmature forest 3 > 120 4.79 针叶混交人工林
Coniferous mixed plantation幼龄林 Young forest 16 1 ~ 20 4.48 中龄林 Middle aged forest 24 21 ~ 30 22.08 近熟林 Near-mature forest 35 31 ~ 40 1.60 成熟林 Mature forest 13 41 ~ 60 0.32 过熟林 Overmature forest 2 > 60 0.32 珍贵阔叶混交天然林
Precious broadleaved mixed
natural forest幼龄林 Young forest 21 1 ~ 40 6.40 中龄林 Middle aged forest 19 41 ~ 60 8.64 近熟林 Near-mature forest 1 61 ~ 80 1.92 成熟林 Mature forest 8 81 ~ 120 1.28 过熟林 Overmature forest 0 > 120 0 阔叶混交天然林
Broadleaved mixed natural forest幼龄林 Young forest 636 1 ~ 40 119.24 中龄林 Middle aged forest 1 215 41 ~ 60 302.14 近熟林 Near-mature forest 462 61 ~ 80 139.31 成熟林 Mature forest 268 81 ~ 120 61.17 过熟林 Overmature forest 69 > 120 24.58 1.3 研究方法
1.3.1 乔木林碳储量计算方法
本研究选择样地清查法中的生物量经验模型法计算生物量，基于生物量经验估计模型（公式1）和含碳率计算各立木生物量和碳储量，立木碳储量相加并除以样地面积得到样地碳密度。模型各系数取值见参考文献[20−28]，各乔木林类型含碳率取值见参考文献[20−21,27]。
B=c0Dk0 (1) 式中：c0和k0是与森林类型相关的模型系数，D为立木胸径，B为立木生物量。
一些乔木类型未查阅到整体生物量公式，以树木部分生物量公式相加得到立木整体生物量，其中落叶松人工林中的少量天然林立木和杨类人工林以地上、地下两部分相加得到整体生物量。
B=c1Dk1+c2Dk2 (2) 式中：c1、k1为地上部分的模型系数，c2、k2为地下部分的模型系数，系数与树种相关。
樟子松人工林中的少量樟子松天然林立木以根、茎、叶、干4部分相加得到整体生物量。
B=c3Dk3+c4Dk4+c5Dk5+c6Dk6 (3) 式中：c3、k3为根部分的模型系数，c4、k4为茎部分的模型系数，c5、k5为叶部分的模型系数，c6、k6为干部分的模型系数，系数与树种相关。
1.3.2 乔木林生长曲线的构建和检验方法
根据样地碳密度和林龄数据，采用空间代替时间法构建各乔木林类型林龄–碳密度生长曲线模型，估算碳密度和碳储量。曲线模型构建完成后，根据龄组划分表确定龄组平均年龄，代入生长曲线计算该龄组的平均碳密度，并以对应龄组的面积乘以对应平均碳密度得到起始年份2015年乔木林碳储量数据。
本研究利用SPSS22.0软件进行曲线模型拟合，并用Origin2019软件绘制曲线图。结合前人研究结论，选取Logistic、Gompertz和Bertalanffy 3种S形生长曲线类型。
Logistic：
Y=A1+(BAkt) (4) Gompertz：
Y=Ae−Be(−kt) (5) Bertalanffy：
Y=A(1−Be−kt)3 (6) 式中：Y为碳密度估计值，A、B和k为通过拟合得到的与树种类型相关的曲线系数，t为年龄。
将样本按照3∶1的比例划分为拟合样本和检验样本，以拟合样本进行曲线拟合，检验样本进行曲线检验。采用R2值评估模型的拟合效果，并用平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）和相对均方根误差（rRMSE）评价模型的预测效果。在3种曲线中，首先选取R2较高的类型，若R2相同，则选取MAE、RMSE、rRMSE这3项指标较低的曲线类型。
通过Kolmogorov-Smirnov检验（简称D检验）和Shapro-Wilk检验（简称W检验）对模型进行残差正态性检验，一般认为D值和W值都大于0.05时说明数据符合正态分布。
1.3.3 乔木林未来碳储量及现实固碳潜力计算
利用模型估算得到起始年份黑龙江省各乔木林类型各龄组的碳密度和碳储量，将目标年和起始年年份差值加在各龄组平均年龄上，并重新代入曲线模型，估算目标年各龄组的平均碳密度，乘以对应乔木林类型龄组的面积得到目标年碳储量。考虑到进入成熟林阶段后，乔木林碳密度增速随年龄增长会大幅减缓，并且成熟林将会被主伐，因此当某个龄组平均年龄达到成熟林的平均年龄时，不再估算其碳密度增长情况。以15年为1个间隔，估算2015—2060年黑龙江省各乔木林类型的碳密度和碳储量。通过计算未来与现在的碳密度、碳储量的差值，分析现有林分在不考虑其他因素时碳密度随自然生长的变化量，将这部分视为森林在自然生长中增长的碳汇量。
本研究基于李斌等[17]提出的现实碳吸存潜力的概念，估算并分析现实固碳潜力，该方法以理想情景和现实情景下碳密度的差值作为现实固碳潜力。本研究将样地按10年间隔分级，用每级中碳密度最高的3个样地碳密度平均值代表理想情景下的碳密度，减去该级碳密度平均值得到该级样地的现实固碳潜力。将属于同一龄组的各级样地按样地数量进行加权计算，得到该龄组的现实固碳潜力。
根据未来碳密度、碳储量和现实固碳潜力计算结果，分析人为经营和自然生长对黑龙江省乔木林碳汇能力及影响，从而对碳汇经营策略提出优化建议。
2. 结果与分析
2.1 乔木林碳密度生长曲线的拟合和检验
利用拟合样本和检验样本，构建林龄–碳密度生长曲线。模型拟合结果及检验指标见表3，拟合曲线见图1。根据R2、MAE、RMSE、rRMSE的计算结果，樟子松人工林、椴树天然林、桦木天然林和针叶混交人工林采用Logistic方程形式，杨类人工林和珍贵阔叶混交天然林选择Gompertz方程形式，落叶松人工林、蒙古栎天然林、山杨天然林、针阔混交人工林和阔叶混交天然林选择Bertalanffy方程形式。表3显示：多数乔木林曲线的R2值都在0.6以上，表明模型的拟合效果较好，樟子松人工林和针阔混交人工林R2值在0.4 ~ 0.6之间，阔叶混交天然林、桦木天然林和椴树天然林的R2值在0.4以下。各类生长曲线rRMSE值均在0.5以下，说明预测精度较高。
表 3 各乔木林类型生长曲线参数及检验指标Table 3. Parameters and test indexes of growth curves for each arbor forest type乔木林类型
Arbor forest type曲线类型
Type of curveR2 MAE RMSE rRMSE A B k 落叶松人工林
Larix spp. plantationBertalanffy 0.642 10.42 12.86 0.359 101.30 0.788 0.037 樟子松人工林
Pinus sylvestris var. mongolica plantationLogistic 0.490 11.42 13.44 0.293 112.87 0.156 0.926 蒙古栎天然林
Quercus mongolica natural forestBertalanffy 0.626 12.30 15.10 0.304 133.12 0.644 0.022 椴树天然林
Tilia tuan natural forestLogistic 0.287 11.17 13.85 0.273 81.82 0.075 0.949 桦木天然林
Betula spp. natural forestLogistic 0.395 10.46 12.46 0.429 66.55 0.178 0.939 山杨天然林
Populus davidiana natural forestBertalanffy 0.685 14.21 17.80 0.354 132.91 0.833 0.039 杨类人工林
Populus spp. plantationGompertz 0.785 6.33 7.12 0.420 63.80 2.995 0.060 针阔混交人工林
Mixed coniferous and broadleaved plantationBertalanffy 0.520 11.71 14.47 0.326 111.55 0.555 0.022 针叶混交人工林
Coniferous mixed plantationLogistic 0.626 16.08 19.60 0.397 132.17 0.088 0.949 珍贵阔叶混交天然林
Precious broadleaved mixed natural forestGompertz 0.793 10.91 12.20 0.270 103.58 2.787 0.024 阔叶混交天然林
Broadleaved mixed natural forestBertalanffy 0.380 12.93 15.72 0.341 111.50 0.509 0.019 注：A、B和k为通过拟合得到的与树种类型相关的曲线系数。Note: A, B and k mean the curve coefficients related to tree species obtained by fitting. ![]()
图 1 各乔木林类型碳密度–林龄拟合曲线Figure 1. Carbon density-forest age fitting curves of each arbor forest type图1显示：各生长曲线中碳密度均随年龄增长明显增加，且在低年龄时碳密度增速随年龄而增长，接近临界值时增速逐渐趋近于零，呈S形增长趋势。其中R2较高、拟合效果较好的曲线中，碳密度随年龄增长的S形增长趋势较为明显；而在拟合效果略差的曲线中，S形增长趋势不明显。对于拟合效果稍差的曲线，樟子松人工林在临近临界值时的增速下降趋势不明显，椴树天然林、桦木天然林和阔叶混交天然林在低年龄时的碳密度增速增长趋势和之后的增速下降趋势都不明显。
对模型进行了残差正态性检验（表4），除桦木天然林外，其他乔木林的D值和W值均大于0.05，说明各生长曲线模型的标准化残差频率分布都符合正态分布，数据较为合理。
表 4 各乔木林类型模型标准化残差正态性检验结果Table 4. Results of normality test of standardized residual of each arborl forest type model乔木林类型
Arbor forest typeD值
D valueW值
W value落叶松人工林 Larix spp. plantation 0.20 0.33 樟子松人工林 Pinus sylvestris var. mongolica plantation 0.20 0.29 蒙古栎天然林 Quercus mongolica natural forest 0.20 0.37 椴树天然林 Tilia tuan natural forest 0.07 0.14 桦木天然林 Betula spp. natural forest 0.08 0.02 山杨天然林 Populus davidiana natural forest 0.20 0.99 杨类人工林 Populus spp. plantation 0.20 0.70 针阔混交人工林 Mixed coniferous and broadleaved plantation 0.20 0.51 针叶混交人工林 Coniferous mixed plantation 0.20 0.63 珍贵阔叶混交天然林 Precious broadleaved mixed natural forest 0.20 0.11 阔叶混交天然林 Broadleaved mixed natural forest 0.06 0.07 2.2 2015年各乔木林类型不同龄组碳密度和碳储量
根据生长曲线计算得到各乔木林类型各龄组起始年份2015年的平均碳密度。各龄组碳密度随幼龄林—过熟林的顺序稳定递增；天然林的总平均碳密度为57.248 t/hm2，高于人工林。各类乔木林平均碳密度从低到高顺序为杨类人工林 < 针叶混交人工林 < 桦木天然林 < 针阔混交人工林 < 珍贵阔叶混交天然林 < 落叶松人工林 < 樟子松人工林 < 山杨天然林 < 椴树天然林 < 阔叶混交天然林 < 蒙古栎天然林。蒙古栎天然林的总平均碳密度最高（82.545 t/hm2），其次是阔叶混交天然林（60.699 t/hm2）；而人工林中总平均碳密度最高的是樟子松人工林（43.041 t/hm2），为，杨类人工林的总平均碳密度最低，仅为28.099 t/hm2（表5）。
表 5 2015年各乔木林类型各龄组平均碳密度 t/hm2Table 5. Average carbon density of each arbor forest type and each age group in 2015t/ha 起源
Origin森林类型
Forest type幼龄林
Young
forest中龄林
Middle aged forest近熟林
Near-mature
forest成熟林
Mature
forest过熟林
Overmature
forest总平均碳密度
Total mean
carbon density人工林
Plantation落叶松人工林
Larix spp. plantation10.230 33.752 49.590 68.650 81.527 42.767 樟子松人工林
Pinus sylvestris var. mongolica plantation12.746 32.440 52.514 82.825 101.275 43.041 杨类人工林
Populus spp. plantation7.408 16.165 23.073 33.356 42.711 28.099 针阔混交人工林
Mixed coniferous and broadleaved plantation19.535 35.587 46.281 60.895 73.111 39.382 针叶混交人工林
Coniferous mixed plantation17.136 32.544 46.974 72.338 95.971 32.096 人工林平均值
Mean value of plantation15.521 34.103 47.113 64.906 74.336 40.310 天然林
Natural forest蒙古栎天然林
Quercus mongolica natural forest26.347 64.236 85.002 106.462 118.846 82.545 椴树天然林
Tilia tuan natural forest26.406 56.961 70.951 79.294 81.281 57.420 桦木天然林
Betula spp. natural forest12.176 34.557 48.928 58.371 63.110 35.924 山杨天然林
Populus davidiana natural forest11.863 44.017 65.873 91.745 109.594 55.450 珍贵阔叶混交天然林
Precious broadleaved
mixed natural forest18.847 45.192 61.999 80.683 91.721 40.208 阔叶混交天然林
Broadleaved mixed
natural forest31.376 58.193 72.612 88.169 97.878 60.699 天然林平均值
Mean value of natural forest22.913 53.739 67.656 85.518 102.571 57.248 总体平均值
Total mean value21.644 47.026 62.470 81.295 92.332 52.599 基于表5中碳密度数据和黑龙江省森林面积数据计算总碳储量，用各龄组平均碳密度乘以对应龄组面积，得到各类乔木林的碳储量（表6）。根据第九次森林资源清查资料森林面积数据，符合本研究的主要森林类型的总森林面积为1 670.61万hm2。各龄组中面积最大的是中龄林，占比42.33%，其次是近熟林和幼龄林，分别占比20.39%和18.29%。各乔木林类型中面积最大的是阔叶混交天然林，占比38.69%，其次是桦木天然林，占比18.04%，面积最小的是樟子松人工林，仅占比0.069%。2015年黑龙江省主要乔木林类型碳储量总和为878.73 Tg，各龄组碳储量从低到高的顺序为幼龄林 < 过熟林 < 成熟林 < 近熟林 < 中龄林；碳密度从低到高的顺序为幼龄林 < 中龄林 < 近熟林 < 成熟林 < 过熟林。各乔木林类型碳储量从低到高的顺序为杨类人工林 < 樟子松人工林 < 珍贵阔叶混交天然林 < 针叶混交人工林 < 椴树天然林 < 山杨天然林 < 针阔混交人工林 < 落叶松人工林 < 桦木天然林 < 蒙古栎天然林 < 阔叶混交天然林。总碳储量最高的乔木林类型是阔叶混交天然林，占比44.65%，其次是蒙古栎天然林，占比17.02%。此外落叶松人工林、针阔混交人工林和桦木天然林的碳储量也都较高。
表 6 2015年各乔木林类型各龄组碳储量Table 6. Carbon storage of each tree forest type and each age group in 2015Tg 起源
Origin乔木林类型
Arbor forest type幼龄林
Young
forest中龄林
Middle aged
forest近熟林
Near-mature
forest成熟林
Mature
forest过熟林
Overmature
forest总碳储量
Total carbon
storage人工林
Plantation落叶松人工林
Larix spp. plantation1.80 41.54 16.96 18.01 16.18 94.49 樟子松人工林
Pinus sylvestris var. mongolica plantation0.24 1.66 1.34 1.06 0.65 4.96 杨类人工林
Populus spp. plantation0.14 0.41 0.58 0.53 2.17 3.85 针阔混交人工林
Mixed coniferous and broadleaved plantation5.19 31.65 20.87 11.09 3.50 72.30 针叶混交人工林
Coniferous mixed plantation0.77 7.19 0.75 0.23 0.31 9.24 人工林总值
Total plantation value8.14 82.45 40.51 30.93 22.81 184.84 天然林
Natural forest蒙古栎天然林
Quercus mongolica natural forest6.56 28.32 29.57 59.34 25.75 149.54 椴树天然林
Tilia tuan natural forest0.67 6.92 2.94 0.76 0.26 11.55 桦木天然林
Betula spp. natural forest10.78 29.83 33.61 30.21 3.83 108.25 山杨天然林
Populus davidiana natural forest1.36 5.35 3.79 12.92 1.40 24.82 珍贵阔叶混交天然林
Precious broadleaved mixed natural forest1.21 3.90 1.19 1.03 0.00 7.33 阔叶混交天然林
Broadleaved mixed natural forest37.41 175.83 101.16 53.93 24.06 392.39 天然林总值
Total natural forest value57.99 250.14 172.25 158.20 55.31 693.89 总计 Total 66.13 332.59 212.76 189.13 78.11 878.73 2.3 不同乔木林类型未来碳密度和碳储量预测
2060年时全省乔木林总平均碳密度由2015年的52.599 t/hm2增长到了76.292 t/hm2，增长量为23.693 t/hm2，其中天然林碳密度增长量为22.972 t/hm2，人工林碳密度增长量为25.600 t/hm2，略高于天然林（表7）。人工林在前期普遍增长较快，但增长量增速下降更快，天然林增长量不及人工林，但增速下降更慢。人工林在短期内有增速优势，而天然林有着长期维持碳密度增长的优势。2060年碳密度最高的乔木林类型是蒙古栎天然林，从2015年的82.545 t/hm2增长到了2060年的103.659 t/hm2；碳密度第二高的是山杨天然林，2060年时碳密度为92.255 t/hm2，具有较好的碳密度增长预期。2060年碳密度最高的人工林类型是樟子松人工林，碳密度增长量在人工林中最高，2015—2060增长量为40.809 t/hm2；其次是针叶混交人工林林，碳密度增长量为40.505 t/hm2；而天然林的碳密度增长量普遍较低（表7）。
表 7 2015—2060年主要乔木林类型总平均碳密度和总碳储量估算值Table 7. Estimated total average carbon density and total carbon storage of major arbor forest types from 2015 to 2060起源
Origin乔木林类型
Arbor forest type指标
Index2015 2030 2045 2060 人工林
Plantation落叶松人工林
Larix spp. plantation总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）42.767 60.348 68.852 69.806 总碳储量
Total carbon storage/Tg94.49 133.33 152.12 154.23 樟子松人工林
Pinus sylvestris var. mongolica plantation总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）43.041 66.783 80.599 83.850 总碳储量
Total carbon storage/Tg4.96 7.69 9.29 9.66 杨类人工林
Populus spp. plantation总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t.ha−1）28.099 35.889 36.834 36.834 总碳储量
Total carbon storage/Tg3.85 4.91 5.04 5.04 针阔混交人工林
Mixed coniferous and broadleaved plantation总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）39.382 52.947 59.838 61.213 总碳储量
Total carbon storage/Tg72.30 97.20 109.86 112.38 针叶混交人工林
Coniferous mixed plantation总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t.ha−1）32.096 53.242 69.929 72.601 总碳储量
Total carbon storage/Tg9.24 15.33 20.14 20.91 人工林总值
Total plantation value总体平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t.ha−1）40.310 56.370 64.650 65.910 总碳储量
Total carbon storage/Tg184.84 258.48 296.44 302.22 天然林
Natural forest蒙古栎天然林
Quercus mongolica natural forest总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t.ha−1）82.545 91.431 98.962 103.659 总碳储量
Total carbon storage/Tg149.54 165.64 179.28 187.79 椴树天然林
Tilia tuan natural forest总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）57.420 67.319 73.909 77.486 总碳储量
Total carbon storage/Tg11.55 13.54 14.87 15.59 桦木天然林
Betula spp. natural forest总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）35.924 45.758 52.986 56.799 总碳储量
Total carbon storage/Tg108.25 137.89 159.67 171.16 山杨天然林
Populus davidiana natural forest总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）55.450 75.594 88.093 92.255 总碳储量
Total carbon storage/Tg24.82 33.84 39.44 41.30 珍贵阔叶混交天然林
Precious broadleaved mixed natural forest总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）40.208 51.861 62.779 71.551 总碳储量
Total carbon storage/Tg7.33 9.46 11.45 13.05 阔叶混交天然林
Broadleaved mixed natural forest总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）60.699 70.336 78.521 84.065 总碳储量
Total carbon storage/Tg392.39 454.68 507.59 543.43 天然林总值
Total natural forest value总体平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）57.248 67.245 75.268 80.220 总碳储量
Total carbon storage/Tg693.89 815.05 912.30 972.32 总计 Total 总体平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）52.599 64.260 72.354 76.292 总碳储量
Total carbon storage/Tg878.73 1073.53 1 208.75 1 274.54 2060年总碳储量为1 274.54 Tg，较2015年增长了395.81 Tg。起始年和目标年的天然林总碳储量均明显高于人工林。各类乔木林中碳储量增长量最多的是阔叶混交天然林，从2015年的392.39 Tg增长到了2060年的543.43 Tg，增长量为151.04 Tg，其次是桦木天然林，增长量为62.91 Tg。落叶松人工林、针阔混交人工林、蒙古栎天然林、桦木天然林和阔叶混交天然林的碳储量明显高于其他类乔木林，2060年时这5类森林的碳储量之和占总量的91.72%。黑龙江省乔木林碳储量和增长量主要来自这5类森林，但这5类乔木林的平均碳密度增长量并不突出，碳储量增长量优势主要来自于现有的存量，而碳密度增长量较高的乔木林类型如樟子松人工林、山杨天然林等现有面积都较低（表7）。
2.4 各乔木林类型现实固碳潜力估算
乔木林现实固碳潜力平均值为27.719 t/hm2，其中天然林现实固碳潜力明显高于人工林，天然林平均值和人工林平均值的总现实固碳潜力差值为6.099 t/hm2；中龄林的现实固碳潜力总平均值最高，达到了29.179 t/hm2，其次则是幼龄林（27.032 t/hm2）和近熟林（27.800 t/hm2），这3个龄组具有较好的碳密度增长前景（表8）。人工林的现实固碳潜力有着较为明显的随龄组增加而增长的趋势，而天然林中这种趋势并不明显。天然林中龄林的现实固碳潜力最高，成熟林的现实固碳潜力较低。起始年份时各乔木林类型的平均固碳潜力从低到高的顺序为杨类人工林 < 珍贵阔叶混交天然林 < 椴树天然林 < 山杨天然林 < 针叶混交人工林 < 樟子松人工林 < 桦木天然林 < 落叶松人工林 < 针阔混交人工林 < 蒙古栎天然林 < 阔叶混交天然林，阔叶混交天然林的总现实固碳潜力最大（31.536 t/hm2），其次是蒙古栎天然林（27.689 t/hm2）。人工林中针阔混交人工林的总现实固碳潜力最高（27.674 t/hm2）；杨类人工林是现实固碳潜力最小的森林类型，总现实固碳潜力仅有9.342 t/hm2（表8）。
表 8 主要乔木林类型现实固碳潜力 t/hm2Table 8. Current carbon sequestration potential of major arbor forest typest/ha 起源
Origin乔木林类型
Arbor forest type幼龄林
Young
forest中龄林
Middle aged
forest近熟林
Near-mature
forest成熟林
Mature
forest过熟林
Overmature
forest总现实固碳潜力
Total current carbon
sequestration potential人工林
Plantation落叶松人工林 Larix spp. plantation 15.356 26.965 27.612 29.848 23.257 樟子松人工林
Pinus sylvestris var. mongolica plantation10.409 18.275 22.096 24.163 20.068 杨类人工林 Populus spp. plantation 10.578 1.839 6.578 9.342 针阔混交人工林
Mixed coniferous and broadleaved plantation19.947 29.589 30.199 28.229 23.064 27.674 针叶混交人工林 Coniferous mixed plantation 28.284 10.633 21.987 19.915 19.996 人工林平均值 Mean value of plantation 15.253 24.647 26.159 27.154 18.625 22.873 天然林
Natural forest蒙古栎天然林 Quercus mongolica natural forest 28.624 26.611 25.190 27.689 椴树天然林 Tilia tuan natural forest 20.191 17.437 19.002 桦木天然林 Betula spp. natural forest 19.275 24.352 15.479 7.060 21.307 山杨天然林 Populus davidiana natural forest 14.190 19.870 33.940 2.570 19.675 珍贵阔叶混交天然林
Precious broadleaved mixed natural forest9.394 11.036 8.385 9.876 阔叶混交天然林
Broadleaved mixed natural forest30.053 34.034 32.946 24.035 31.536 天然林平均值 Mean value of natural forest 28.401 30.074 29.816 14.257 28.972 总体平均值
Total mean value27.032 29.179 27.800 24.698 18.625 27.719 3. 讨 论
3.1 各乔木林类型碳储量、碳密度未来增长量和现实固碳潜力
本研究根据黑龙江省内样地数据构建主要乔木林类型的生长曲线模型，结合乔木林面积数据计算乔木林碳储量、碳密度及现实固碳潜力。碳密度、碳储量计算结果表明，起始年份黑龙江省主要乔木林类型中，阔叶混交天然林和蒙古栎天然林总碳储量和总平均碳密度最高，这与那雪迎[29]关于中国不同森林类型碳储量占比的研究结论一致；人工林中总平均碳密度最高的是樟子松人工林，这与孙辉祥等[18]的研究结论相近。未来碳密度计算结果表明，许多当前碳储量较大的乔木林类型未来碳密度增长量较低，如阔叶混交天然林和蒙古栎天然林的未来碳密度增长量仅有23.366和21.114 t/hm2，均低于全省平均碳密度增长量。而许多碳储量较低的乔木林类型未来碳密度增长量都较高，碳密度增长量最大的樟子松人工林和针叶混交人工林总碳储量大小仅排在所有乔木林类型中的第8名和第10名；天然林中碳密度增长量最高的是山杨天然林，为36.805 t/hm2，这几类乔木林在未来都有着较高的碳汇增长潜力。现实固碳潜力计算结果表明，许多当前碳储量较大的乔木林类型的现实固碳潜力也较高，如阔叶混交天然林和蒙古栎天然林，这两类乔木林的总现实固碳潜力分别为31.536和27.689 t/hm2，是现实固碳潜力最高的乔木林类型。而未来碳密度增长量较高的乔木林现实固碳潜力往往较低，如樟子松人工林、针叶混交人工林和山杨天然林，这3类的总现实固碳潜力仅有20.068、19.996和19.675 t/hm2。
许多当前碳储量较高的乔木林类型（如阔叶混交天然林、蒙古栎天然林等）具有未来碳密度增长量较低、总现实固碳潜力较高的特征，表明这类乔木林自然生长的碳汇能力较低，而通过经营增长的碳汇能力较高，这与郭同方等[30]对龙江森工集团国有林区的研究结果类似。郭同方在研究中指出，当前黑龙江省乔木林以这类乔木林为主，造林增汇潜力有限，重点应放在经营现有林分，以实现增汇。因此，未来应将现实固碳潜力较高的乔木林类型作为森林经营工作重点对象，进行林分抚育，以提高黑龙江省乔木林的碳汇能力。山杨天然林、樟子松人工林等乔木林类型具有较高的未来碳密度增长量和较低的总现实固碳潜力，说明这些乔木林有着较强的随自然生长的碳汇能力，适合作为人工林新造林和天然林更新树种，同时林分状态相对较好，不需要重点进行林分抚育。未来的新造林工作中，应在满足适地适树等条件的基础上，优先选取这类乔木林进行造林，以提升新造林地的碳汇能力。
3.2 各龄组碳密度、碳储量未来增长量和现实固碳潜力
本研究基于生长曲线模型对乔木林各龄组碳密度、碳储量进行估算。根据计算结果，乔木林碳储量主要集中在中龄林、近熟林和成熟林中，这与考青云等[31]的研究结果一致。各龄组碳密度从低到高的顺序则是幼龄林 < 中龄林 < 近熟林 < 成熟林 < 过熟林，这与考青云等[31]得到的研究结论有所不同。考青云在研究中发现，成熟林的碳密度明显低于近熟林和过熟林，并认为幼龄林和成熟林与下一生长阶段的碳密度差值较大，所以有较高的增汇潜力。2060年时中龄林与近熟林对应的林分的碳储量占比变化较小，而幼龄林所对应林分的碳储量占比显著增加，成熟林和过熟林所对应林分的碳储量占比明显降低。幼龄林增汇潜力明显，而成熟林并未表现出明显的碳汇潜力。现实固碳潜力估算结果表明，各龄组中现实固碳潜力最高的是中龄林，现实固碳潜力总体平均值超过了29 t/hm2，幼龄林和近熟林的现实固碳潜力与中龄林差距不大，总平均值都在27 t/hm2以上，这3个龄组的现实固碳潜力都较高。而成熟林和过熟林的现实固碳潜力总体平均值则相对较低。这与岳军伟[32]对甘肃省主要森林类型各龄组固碳潜力的研究结论一致。
本研究计算结果表明，中龄林和幼龄林同时具有较高的未来碳密度增长量和现实固碳潜力，增汇潜力显著；近熟林同样有着较高的现实固碳潜力，但由于平均年龄较高，未来碳密度增长量较低，随自然生长的增汇不明显。因此，未来森林经营应重点关注中龄林、幼龄林和近熟林，对其进行抚育，提升现有林分的碳汇能力。当近熟林平均年龄达到成熟林阶段时，应及时进行采伐，并在采伐后及时更新，以维持林分的生长状态，增加林分随自然生长的碳汇能力。成熟林和过熟林的现实固碳潜力较低，成熟林的当前碳储量占比较大，需对其进行抚育，维持其碳汇能力，防止其退化为碳源。
3.3 研究的局限性
本研究由于未能获得相关规划文件，故而在未来碳储量估算中未考虑新造林部分。此外，森林在达到成熟林阶段后理论上应按计划进行采伐，因此，当某龄组中树木平均年龄达到成熟林平均年龄后，本研究不再进一步计算其未来碳储量。但实际情况中，部分成熟林由于条件不符未进行采伐。前人研究[33]表明，即使进入成熟林阶段，森林仍可能具有碳汇能力，而这部分碳汇能力在本研究范畴之外。
4. 结 论
本研究建立了黑龙江省主要乔木林类型的碳储量生长模型，计算了碳储量、碳密度和现实固碳潜力。建立的各类型生长模型大部分R2值在0.6以上，具有较高的预测精度，适用于研究区域内乔木林碳密度的估算。2015年黑龙江省乔木林总平均碳密度和总碳储量分别为52.599 t/hm2和878.73 Tg，随着时间的推移呈增长趋势，到2060年预计将分别达到76.292 t/hm2和
1274.54 Tg，有较高的碳汇能力。其中，天然林的碳储量明显高于人工林，是碳汇的重要组成部分。各龄组中，碳密度值的从低到高的顺序为幼龄林 < 中龄林 < 近熟林 < 成熟林 < 过熟林，碳储量的顺序为幼龄林 < 过熟林 < 成熟林 < 近熟林 < 中龄林。各乔木林类型中，碳密度从高到低的顺序为杨类人工林 < 针叶混交人工林 < 桦木天然林 < 针阔混交人工林 < 珍贵阔叶混交天然林 < 落叶松人工林 < 樟子松人工林 < 山杨天然林 < 椴树天然林 < 阔叶混交天然林 < 蒙古栎天然林，碳储量顺序为杨类人工林 < 樟子松人工林 < 珍贵阔叶混交天然林 < 针叶混交人工林 < 椴树天然林 < 山杨天然林 < 针阔混交人工林 < 落叶松人工林 < 桦木天然林 < 蒙古栎天然林 < 阔叶混交天然林，碳储量与面积和碳密度有直接关系。本研究估算的黑龙江省乔木林碳储量和固碳潜力，有助于理解乔木林的固碳增汇功能在缓解气候变化中所起的巨大作用，并能为该地区碳汇造林树种的选择提供参考。对于现有林分面积较大、现实固碳潜力较高、未来碳密度增速较慢的乔木林类型，应以对现有林分的抚育为主，以促进现有林分碳密度增长。对于人工林新造林和天然林更新树种的选择，应在遵循适地适树等原则并考虑成本等问题的基础上，尽量选取未来碳密度增长量较高、总平均碳密度较高的树种，如针叶混交人工林、樟子松人工林、山杨天然林等。
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图 1 各乔木林类型碳密度–林龄拟合曲线
Figure 1. Carbon density-forest age fitting curves of each arbor forest type
表 1 样地基本信息
Table 1 Basic information of sample plots
乔木林类型
Arbor forest type项目
Item胸径
DBH/cm树高
Tree height/m株密度/（株·hm−2）
Plant density/（tree·ha−1）年龄/a
Age/year落叶松人工林
Larix spp. plantation最大值 Max. value 31.9 25.0 4 050 55 最小值 Min. value 5.3 1.0 183 6 平均值 Mean value 14.2 11.5 1 130 26 标准差 SD 6.0 4.1 660 11 樟子松人工林
Pinus sylvestris var. mongolica plantation最大值 Max. value 33.1 19.5 3 617 55 最小值 Min. value 5.3 3.1 233 6 平均值 Mean value 18.3 11.1 1 130 32 标准差 SD 5.1 2.7 607 9 蒙古栎天然林
Quercus mongolica natural forest最大值 Max. value 49.5 19.9 4 633 106 最小值 Min. value 5.1 1.4 167 5 平均值 Mean value 12.6 10.0 1 629 39 标准差 SD 5.2 3.0 809 16 椴树天然林
Tilia tuan natural forest最大值 Max. value 30.2 17.7 3 233 75 最小值 Min. value 7.0 5.2 217 9 平均值 Mean value 14.8 12.0 1 386 40 标准差 SD 4.0 2.4 590 11 桦木天然林
Betula spp. natural forest最大值 Max. value 40.6 21.0 3 117 74 最小值 Min. value 5.7 3.9 200 8 平均值 Mean value 12.6 11.4 938 32 标准差 SD 4.7 2.9 542 13 山杨天然林
Populus davidiana natural forest最大值 Max. value 36.4 23.2 3 883 58 最小值 Min. value 5.7 4.0 200 8 平均值 Mean value 15.3 12.9 1 453 27 标准差 SD 7.5 3.9 748 11 杨类人工林
Populus spp. plantation最大值 Max. value 23.1 18.7 1 483 45 最小值 Min. value 5.9 3.5 183 5 平均值 Mean value 11.4 9.0 711 12 标准差 SD 4.6 3.6 362 10 针阔混交人工林
Mixed coniferous and broadleaved plantation最大值 Max. value 40.4 18.8 4 283 110 最小值 Min. value 5.7 5.0 200 9 平均值 Mean value 15.8 11.9 1 523 35 标准差 SD 6.3 3.0 700 16 针叶混交人工林
Coniferous mixed plantation最大值 Max. value 43.9 22.0 3 717 105 最小值 Min. value 6.2 4.6 233 9 平均值 Mean value 17.9 12.1 1 303 37 标准差 SD 5.9 3.3 610 15 珍贵阔叶混交天然林
Precious broadleaved mixed natural forest最大值 Max. value 34.8 18.4 1 783 90 最小值 Min. value 6.9 8.4 217 15 平均值 Mean value 17.0 13.2 973 47 标准差 SD 6.3 2.5 374 21 阔叶混交天然林
Broadleaved mixed natural forest最大值 Max. value 65.6 30.0 4 467 95 最小值 Min. value 5.2 2.0 167 3 平均值 Mean value 15.6 11.8 1 328 39 标准差 SD 6.6 3.1 633 15 
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表 2 各龄组基本信息
Table 2 Basic information of each age group
乔木林类型
Arbor forest type龄组
Age group样地数量
Sample plot number龄组划分标准/a
Age group division criteria/year龄组面积/（104 hm2）
Age group area/（104 ha）落叶松人工林
Larix spp. plantation幼龄林 Young forest 184 1 ~ 20 17.58 中龄林 Middle aged forest 137 21 ~ 30 123.08 近熟林 Near-mature forest 149 31 ~ 40 34.20 成熟林 Mature forest 43 41 ~ 60 26.24 过熟林 Overmature forest 0 > 60 19.84 樟子松人工林
Pinus sylvestris var. mongolica
plantation幼龄林 Young forest 19 1 ~ 20 1.92 中龄林 Middle aged forest 61 21 ~ 30 5.12 近熟林 Near-mature forest 100 31 ~ 40 2.56 成熟林 Mature forest 24 41 ~ 60 1.28 过熟林 Overmature forest 0 > 60 0.64 蒙古栎天然林
Quercus mongolica natural forest幼龄林 Young forest 401 1 ~ 40 24.88 中龄林 Middle aged forest 547 41 ~ 60 44.08 近熟林 Near-mature forest 132 61 ~ 80 34.79 成熟林 Mature forest 98 81 ~ 120 55.74 过熟林 Overmature forest 7 > 120 21.67 椴树天然林
Tilia tuan natural forest幼龄林 Young forest 55 1 ~ 40 2.55 中龄林 Middle aged forest 41 41 ~ 60 12.15 近熟林 Near-mature forest 3 61 ~ 80 4.14 成熟林 Mature forest 0 81 ~ 120 0.96 过熟林 Overmature forest 0 > 120 0.32 桦木天然林
Betula spp. natural forest幼龄林 Young forest 198 1 ~ 30 88.51 中龄林 Middle aged forest 146 31 ~ 50 86.31 近熟林 Near-mature forest 12 51-60 68.69 成熟林 Mature forest 3 61 ~ 80 51.76 过熟林 Overmature forest 0 > 80 6.07 山杨天然林
Populus davidiana natural forest幼龄林 Young forest 25 1 ~ 20 11.50 中龄林 Middle aged forest 30 21 ~ 30 12.16 近熟林 Near-mature forest 14 31 ~ 40 5.75 成熟林 Mature forest 7 41 ~ 60 14.08 过熟林 Overmature forest 0 > 60 1.28 杨类人工林
Populus spp. plantation幼龄林 Young forest 46 1 ~ 10 1.91 中龄林 Middle aged forest 5 11 ~ 15 2.56 近熟林 Near-mature forest 3 16 ~ 20 2.53 成熟林 Mature forest 3 21-30 1.60 过熟林 Overmature forest 7 > 30 5.09 针阔混交人工林
Mixed coniferous and
broadleaved plantation幼龄林 Young forest 75 1 ~ 40 26.56 中龄林 Middle aged forest 117 41 ~ 60 88.93 近熟林 Near-mature forest 75 61 ~ 80 45.09 成熟林 Mature forest 23 81 ~ 120 18.22 过熟林 Overmature forest 3 > 120 4.79 针叶混交人工林
Coniferous mixed plantation幼龄林 Young forest 16 1 ~ 20 4.48 中龄林 Middle aged forest 24 21 ~ 30 22.08 近熟林 Near-mature forest 35 31 ~ 40 1.60 成熟林 Mature forest 13 41 ~ 60 0.32 过熟林 Overmature forest 2 > 60 0.32 珍贵阔叶混交天然林
Precious broadleaved mixed
natural forest幼龄林 Young forest 21 1 ~ 40 6.40 中龄林 Middle aged forest 19 41 ~ 60 8.64 近熟林 Near-mature forest 1 61 ~ 80 1.92 成熟林 Mature forest 8 81 ~ 120 1.28 过熟林 Overmature forest 0 > 120 0 阔叶混交天然林
Broadleaved mixed natural forest幼龄林 Young forest 636 1 ~ 40 119.24 中龄林 Middle aged forest 1 215 41 ~ 60 302.14 近熟林 Near-mature forest 462 61 ~ 80 139.31 成熟林 Mature forest 268 81 ~ 120 61.17 过熟林 Overmature forest 69 > 120 24.58
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表 3 各乔木林类型生长曲线参数及检验指标
Table 3 Parameters and test indexes of growth curves for each arbor forest type
乔木林类型
Arbor forest type曲线类型
Type of curveR2 MAE RMSE rRMSE A B k 落叶松人工林
Larix spp. plantationBertalanffy 0.642 10.42 12.86 0.359 101.30 0.788 0.037 樟子松人工林
Pinus sylvestris var. mongolica plantationLogistic 0.490 11.42 13.44 0.293 112.87 0.156 0.926 蒙古栎天然林
Quercus mongolica natural forestBertalanffy 0.626 12.30 15.10 0.304 133.12 0.644 0.022 椴树天然林
Tilia tuan natural forestLogistic 0.287 11.17 13.85 0.273 81.82 0.075 0.949 桦木天然林
Betula spp. natural forestLogistic 0.395 10.46 12.46 0.429 66.55 0.178 0.939 山杨天然林
Populus davidiana natural forestBertalanffy 0.685 14.21 17.80 0.354 132.91 0.833 0.039 杨类人工林
Populus spp. plantationGompertz 0.785 6.33 7.12 0.420 63.80 2.995 0.060 针阔混交人工林
Mixed coniferous and broadleaved plantationBertalanffy 0.520 11.71 14.47 0.326 111.55 0.555 0.022 针叶混交人工林
Coniferous mixed plantationLogistic 0.626 16.08 19.60 0.397 132.17 0.088 0.949 珍贵阔叶混交天然林
Precious broadleaved mixed natural forestGompertz 0.793 10.91 12.20 0.270 103.58 2.787 0.024 阔叶混交天然林
Broadleaved mixed natural forestBertalanffy 0.380 12.93 15.72 0.341 111.50 0.509 0.019 注：A、B和k为通过拟合得到的与树种类型相关的曲线系数。Note: A, B and k mean the curve coefficients related to tree species obtained by fitting.
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表 4 各乔木林类型模型标准化残差正态性检验结果
Table 4 Results of normality test of standardized residual of each arborl forest type model
乔木林类型
Arbor forest typeD值
D valueW值
W value落叶松人工林 Larix spp. plantation 0.20 0.33 樟子松人工林 Pinus sylvestris var. mongolica plantation 0.20 0.29 蒙古栎天然林 Quercus mongolica natural forest 0.20 0.37 椴树天然林 Tilia tuan natural forest 0.07 0.14 桦木天然林 Betula spp. natural forest 0.08 0.02 山杨天然林 Populus davidiana natural forest 0.20 0.99 杨类人工林 Populus spp. plantation 0.20 0.70 针阔混交人工林 Mixed coniferous and broadleaved plantation 0.20 0.51 针叶混交人工林 Coniferous mixed plantation 0.20 0.63 珍贵阔叶混交天然林 Precious broadleaved mixed natural forest 0.20 0.11 阔叶混交天然林 Broadleaved mixed natural forest 0.06 0.07
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表 5 2015年各乔木林类型各龄组平均碳密度 t/hm2
Table 5 Average carbon density of each arbor forest type and each age group in 2015
t/ha 起源
Origin森林类型
Forest type幼龄林
Young
forest中龄林
Middle aged forest近熟林
Near-mature
forest成熟林
Mature
forest过熟林
Overmature
forest总平均碳密度
Total mean
carbon density人工林
Plantation落叶松人工林
Larix spp. plantation10.230 33.752 49.590 68.650 81.527 42.767 樟子松人工林
Pinus sylvestris var. mongolica plantation12.746 32.440 52.514 82.825 101.275 43.041 杨类人工林
Populus spp. plantation7.408 16.165 23.073 33.356 42.711 28.099 针阔混交人工林
Mixed coniferous and broadleaved plantation19.535 35.587 46.281 60.895 73.111 39.382 针叶混交人工林
Coniferous mixed plantation17.136 32.544 46.974 72.338 95.971 32.096 人工林平均值
Mean value of plantation15.521 34.103 47.113 64.906 74.336 40.310 天然林
Natural forest蒙古栎天然林
Quercus mongolica natural forest26.347 64.236 85.002 106.462 118.846 82.545 椴树天然林
Tilia tuan natural forest26.406 56.961 70.951 79.294 81.281 57.420 桦木天然林
Betula spp. natural forest12.176 34.557 48.928 58.371 63.110 35.924 山杨天然林
Populus davidiana natural forest11.863 44.017 65.873 91.745 109.594 55.450 珍贵阔叶混交天然林
Precious broadleaved
mixed natural forest18.847 45.192 61.999 80.683 91.721 40.208 阔叶混交天然林
Broadleaved mixed
natural forest31.376 58.193 72.612 88.169 97.878 60.699 天然林平均值
Mean value of natural forest22.913 53.739 67.656 85.518 102.571 57.248 总体平均值
Total mean value21.644 47.026 62.470 81.295 92.332 52.599
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表 6 2015年各乔木林类型各龄组碳储量
Table 6 Carbon storage of each tree forest type and each age group in 2015
Tg 起源
Origin乔木林类型
Arbor forest type幼龄林
Young
forest中龄林
Middle aged
forest近熟林
Near-mature
forest成熟林
Mature
forest过熟林
Overmature
forest总碳储量
Total carbon
storage人工林
Plantation落叶松人工林
Larix spp. plantation1.80 41.54 16.96 18.01 16.18 94.49 樟子松人工林
Pinus sylvestris var. mongolica plantation0.24 1.66 1.34 1.06 0.65 4.96 杨类人工林
Populus spp. plantation0.14 0.41 0.58 0.53 2.17 3.85 针阔混交人工林
Mixed coniferous and broadleaved plantation5.19 31.65 20.87 11.09 3.50 72.30 针叶混交人工林
Coniferous mixed plantation0.77 7.19 0.75 0.23 0.31 9.24 人工林总值
Total plantation value8.14 82.45 40.51 30.93 22.81 184.84 天然林
Natural forest蒙古栎天然林
Quercus mongolica natural forest6.56 28.32 29.57 59.34 25.75 149.54 椴树天然林
Tilia tuan natural forest0.67 6.92 2.94 0.76 0.26 11.55 桦木天然林
Betula spp. natural forest10.78 29.83 33.61 30.21 3.83 108.25 山杨天然林
Populus davidiana natural forest1.36 5.35 3.79 12.92 1.40 24.82 珍贵阔叶混交天然林
Precious broadleaved mixed natural forest1.21 3.90 1.19 1.03 0.00 7.33 阔叶混交天然林
Broadleaved mixed natural forest37.41 175.83 101.16 53.93 24.06 392.39 天然林总值
Total natural forest value57.99 250.14 172.25 158.20 55.31 693.89 总计 Total 66.13 332.59 212.76 189.13 78.11 878.73
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表 7 2015—2060年主要乔木林类型总平均碳密度和总碳储量估算值
Table 7 Estimated total average carbon density and total carbon storage of major arbor forest types from 2015 to 2060
起源
Origin乔木林类型
Arbor forest type指标
Index2015 2030 2045 2060 人工林
Plantation落叶松人工林
Larix spp. plantation总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）42.767 60.348 68.852 69.806 总碳储量
Total carbon storage/Tg94.49 133.33 152.12 154.23 樟子松人工林
Pinus sylvestris var. mongolica plantation总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）43.041 66.783 80.599 83.850 总碳储量
Total carbon storage/Tg4.96 7.69 9.29 9.66 杨类人工林
Populus spp. plantation总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t.ha−1）28.099 35.889 36.834 36.834 总碳储量
Total carbon storage/Tg3.85 4.91 5.04 5.04 针阔混交人工林
Mixed coniferous and broadleaved plantation总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）39.382 52.947 59.838 61.213 总碳储量
Total carbon storage/Tg72.30 97.20 109.86 112.38 针叶混交人工林
Coniferous mixed plantation总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t.ha−1）32.096 53.242 69.929 72.601 总碳储量
Total carbon storage/Tg9.24 15.33 20.14 20.91 人工林总值
Total plantation value总体平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t.ha−1）40.310 56.370 64.650 65.910 总碳储量
Total carbon storage/Tg184.84 258.48 296.44 302.22 天然林
Natural forest蒙古栎天然林
Quercus mongolica natural forest总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t.ha−1）82.545 91.431 98.962 103.659 总碳储量
Total carbon storage/Tg149.54 165.64 179.28 187.79 椴树天然林
Tilia tuan natural forest总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）57.420 67.319 73.909 77.486 总碳储量
Total carbon storage/Tg11.55 13.54 14.87 15.59 桦木天然林
Betula spp. natural forest总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）35.924 45.758 52.986 56.799 总碳储量
Total carbon storage/Tg108.25 137.89 159.67 171.16 山杨天然林
Populus davidiana natural forest总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）55.450 75.594 88.093 92.255 总碳储量
Total carbon storage/Tg24.82 33.84 39.44 41.30 珍贵阔叶混交天然林
Precious broadleaved mixed natural forest总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）40.208 51.861 62.779 71.551 总碳储量
Total carbon storage/Tg7.33 9.46 11.45 13.05 阔叶混交天然林
Broadleaved mixed natural forest总平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）60.699 70.336 78.521 84.065 总碳储量
Total carbon storage/Tg392.39 454.68 507.59 543.43 天然林总值
Total natural forest value总体平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）57.248 67.245 75.268 80.220 总碳储量
Total carbon storage/Tg693.89 815.05 912.30 972.32 总计 Total 总体平均碳密度/（t·hm−2）
Total mean carbon density/（t·ha−1）52.599 64.260 72.354 76.292 总碳储量
Total carbon storage/Tg878.73 1073.53 1 208.75 1 274.54
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表 8 主要乔木林类型现实固碳潜力 t/hm2
Table 8 Current carbon sequestration potential of major arbor forest types
t/ha 起源
Origin乔木林类型
Arbor forest type幼龄林
Young
forest中龄林
Middle aged
forest近熟林
Near-mature
forest成熟林
Mature
forest过熟林
Overmature
forest总现实固碳潜力
Total current carbon
sequestration potential人工林
Plantation落叶松人工林 Larix spp. plantation 15.356 26.965 27.612 29.848 23.257 樟子松人工林
Pinus sylvestris var. mongolica plantation10.409 18.275 22.096 24.163 20.068 杨类人工林 Populus spp. plantation 10.578 1.839 6.578 9.342 针阔混交人工林
Mixed coniferous and broadleaved plantation19.947 29.589 30.199 28.229 23.064 27.674 针叶混交人工林 Coniferous mixed plantation 28.284 10.633 21.987 19.915 19.996 人工林平均值 Mean value of plantation 15.253 24.647 26.159 27.154 18.625 22.873 天然林
Natural forest蒙古栎天然林 Quercus mongolica natural forest 28.624 26.611 25.190 27.689 椴树天然林 Tilia tuan natural forest 20.191 17.437 19.002 桦木天然林 Betula spp. natural forest 19.275 24.352 15.479 7.060 21.307 山杨天然林 Populus davidiana natural forest 14.190 19.870 33.940 2.570 19.675 珍贵阔叶混交天然林
Precious broadleaved mixed natural forest9.394 11.036 8.385 9.876 阔叶混交天然林
Broadleaved mixed natural forest30.053 34.034 32.946 24.035 31.536 天然林平均值 Mean value of natural forest 28.401 30.074 29.816 14.257 28.972 总体平均值
Total mean value27.032 29.179 27.800 24.698 18.625 27.719
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