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森林经营┃不同森林经营措施对木材产量和碳储量的影响

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为应对全球气候变化,国际社会先后制定了《联合国气候变化框架公约》、《京都议定书》等一系列与气候变化相关的协议,采取各种措施应对气候变化。气候变化主要表现在全球气候变暖、酸雨、臭氧层空洞等方面,其中以变暖为主要特征的全球气候变化已对自然生态系统和社会经济造成了严重影响, 成为当今世界各国面临的最严峻挑战之一。森林生态系统作为陆地生态系统的主体承载着巨大的碳库,占全球植被碳库的86%以上,占全球土壤碳库的73%,含碳量高达638 Gt。森林影响碳源或碳汇的相互转化关系很大程度上取决于造林、采伐、抚育等森林经营行为,地方或区域的管理决策可以显著改变森林气候,从而改变森林对气候变化的减缓能力。虽然由于各国社会、经济和文化发展背景的差异,林业的具体经营目标和重点千差万别,采取的森林管理方式各不相同,但总体思路和发展方向基本一致,都在不断重视生态环境的作用,兼顾生态与经济的协调。传统的森林经营偏重于以木材生产利用为主的经济效益,给生态建设带来巨大压力。然而有效的森林经营措施不仅能充分发挥林地自身的生产力,而且能带来可观的生态和社会效益。目前全球只有10%的森林处在有效管理中,大部分森林,尤其是次生林和人工林的固碳潜力还没有完全发挥出来。已有研究表明,如果采取合理的森林管理措施,能有效发挥森林的碳汇潜力。本文主要对国内外学者近年来研究不同营林措施对森林木材产量和碳储量影响的案例进行分析,并结合可持续林业的发展趋势评价不同经营模式框架下木材产量与碳储量之间的平衡,旨在为森林可持续发展、生态经营、经营措施落实以及经营方案的制定提供理论支撑。


1

不同经营措施对木材产量的影响

为了应对木材需求的增加和森林资源的匮乏,世界各国相继开展了以森林经营为主要活动的林业生产实践。木材收获是衡量森林经营效果的有效指标,可为森林经营和采伐利用提供依据。

1.1

影响木材产量的因素

国外对木材产量的研究较早,包括木材产量的生理学特性、基因学以及各树种的产量研究等,还研究了各种自然和社会因素包括干旱、气温、人口压力、森林病虫和火灾、气候变化等对木材产量的影响。Lilies等分析了影响单一纯林与混交林产量的主要因素是树种组成、林地类型、林龄、种植密度和模式等。国内主要借助环境库涅兹曲线模型和柯布道格拉斯函数来分析木材产量的影响因素,木材产量受林业用地面积、固定资产投资、从业人员数量和政策变化的影响显著。长期生产实践表明,择伐能充分发挥每株树木的生长潜力,最大限度地利用林地生产力,增加林分组成和结构的多样性。林分密度影响林木的生长和竞争,从而影响林分生物量的积累。合理的林分密度是抚育间伐和择伐的重要依据,在经营过程中若想培养大径材,林分密度可以趋近下限值;反之,可以趋近上限值。

1.2

研究实例

20世纪80年代在英国诺森帕兰郡的Kielder林中施了多目标经营计划,对森林进行功能区划分,分为低、中、高3区;在树种选择方面考虑生产力及林木的可销性等,将纯林改造为错落有致的异龄、多物种林分,使得非市场效益持续增加,并维持了高的生产力,提供了高价值的木材。营造林时恰当的树种选择与配置,既能提高造林成活率,又可以提高成林后的稳定性,从而发挥林分较好的经济效益和生态效益。Vila等以地中海地区森林为研究对象,发现该地区树种丰富度和木材产量具有很好的协调性,落叶松林比其他针叶松林和灌木丛林的产量更高,木材产量随着树种丰富度的增加而增加。Brienen Zuidema以及 Rozendaal 等都对亚马孙地区的热带林木材产量进行了预测,表明不同树种的增长差异显著,对不同树种用不同估算方法得出的产量预测比使用平均增长率计算的结果要高出36% -50%

为了使林分整体能充分利用地力和光能,并使各林层达到协调,同时保证每株林木有足够的营养空间,在营林以及林分生长过程中必须通过合理的密度管理使群体保持合理的密度结构,从而提高林分的经济和生态效益。d ' OliveiraGuarino等认为,较短的采伐周期、较低的采伐强度、轮换采伐树种等措施可以提高干扰频率,加上适当的经营规模,有利于促进亚马孙西部森林木材的可持续生产。有研究表明,不论何种立地条件,按强、中、弱程度间伐后6年间的林分生产力随间伐强度的降低而提高,中度间伐、弱度间伐与对照样地相差甚微。Kellomaki 等研究了芬兰南部气候变化条件下不同疏伐水平对欧洲赤松木材产量的影响,结果表明,在相同轮伐期,气温上升加上低强度的疏伐水平能最大限度的提高赤松的木材产量。惠刚盈、赵中华等以原始群落或地带性顶极群落为模板,从空间利用程度、物种多样性、建群种竞争态势、树种组成以及体现生产可行性的投入与产出等方面对甘肃省小陇山9种不同经营模式进行评价,结果表明,对天然林采用择伐最为有效,且带状割灌造林明显优于全面割灌造林。根据不同林龄、树种和立地条件采取适宜的经营措施, 保持合理的密度,是保证森林最大连续生长量的有效途径。

2

森林碳储量

木材永续收获和法正林模型代表了以木材永续收获为主的森林经营目标和理论。从木材永续收获经营到可持续经营,不论在森林经营目标上,还是森林经营理论上都发生了根本性变化。随着森林生态价值逐渐被人们认识,生态环境效益因子的地位在森林经营中愈加突显,其中与气候变化密切相关的森林碳汇作用尤其受到关注,将碳储存在森林和林木产品中通常被看作是减缓气候变化影响的极为有效的策略。

2.1

森林碳储量的来源与形成过程

森林生态系统中的绿色植物通过光合作用将大气中的CO2转变为有机物储存起来,而森林中的动植物遗体、排泄物和森林枯落物被各种微生物分解, 其中大部分有机物通过腐殖化和非腐殖化过程进入土壤成为其中的有机碳。在物质循环和能量流动过程中光合作用产物被重新分配到森林生态系统的生物量碳库、土壤有机碳库、枯落物碳库和动物碳库4个碳库中。森林作为陆地生态系统的主体,以其巨大的生物量储存着大量的碳,森林植被中的碳含量约占植被干重的50%。不同的森林管理措施都可能会增加林分中的生物量和碳累积,这些方式包括防火、病虫害防治、轮伐期(采伐)延长、树木密度控制、营养状况改善、物种和基因型选择、生物技术使用、采伐后残留物管理方式改变等。

2.2

不同营林措施对碳储量的影响

已有研究表明,改变物种组成、轮伐期长度和疏伐体系以及保护森林、增加森林面积和保护土壤等经营管理措施都可用于增加森林中的碳汇量。针叶树单位生物量中碳的比例高于阔叶树,林分最佳物种组成选择取决于多种因素(如管理目标、立地特征等),但CO2存储应视为其中的一个目标,可通过更新树种选择、疏伐或其他林分抚育管理方式来改变林地的树种组成。轮伐对森林碳储存的影响并不明确,如果选择的轮伐期比生物学轮伐期要长,最后阶段采伐木材中碳储量相比中间阶段采伐的要大。相对于林分总碳储量来说,轮伐期越长,最终一次采伐时林分碳储量比例就越高。综上所述,增加碳储量的森林经营管理策略可归纳为如下几个方面: 通过减少毁林和森林退化、人工造林以及林地的自然扩张来维持或增加森林面积,通过适宜的营林技术(如优化物种组成、部分采伐、疏伐)来维持或增加林分水平的碳密度,通过森林保护、轮伐期延长、火灾管理和病虫害防治来维持或增加景观水平的碳密度。

BravoDiaz - Baleiro指出,与传统的短期轮伐期经营管理体系相比,延长轮伐期会导致采伐率降低。在这种情况下,一些部分的碳库会增加(如立木中的碳),而其他部分的碳库则会减少(如林木产品中的碳)。因此,应从更大的时间和空间尺度上来分析碳库的动态。疏伐是营林中主要的人为干预措施。Ra等对海岸松林不同疏伐情景进行研究发现,任何疏伐体系的固碳量均比未疏伐的情况要多, 但不同疏伐体系间存在一定的差异。Balboa - Muavs等与PohjolaValsta研究发现,低强度的经营管理可以促进林分的碳固定。苏少川等对9种经营模式下的天然林碳储量进行比较分析,证明采育结合的经营方式更有利于提高天然林树干、树枝和根系的碳储量,但各种经营方式下的树叶碳储量差距不大。总体来看,作为一种关键的营林措施,疏伐将影响中途和最终采伐时林木的径材范围及其质量,进而影响林木产品的碳储量。

3

森林碳储量与木材产量之间的平衡

森林不同功能间有时候是矛盾的,人们需要在这些功能之间进行取舍,如森林固碳功能与木材生产功能之间的博弈。有关木材产量和碳储量方面的森林生产力研究已有100多年的历史,森林经营行为的目标就是利用森林的自我保护和再生能力,在选择不同的经营管理体系时一个需要考虑的主要问题是增加碳储量可能会导致机会成本的发生。因此,如何用可持续的方法对森林进行经营管理以确保木材产量和碳汇量间的平衡是一个十分重要的问题。

3.1

影响木材产量与碳储量平衡关系的因素

经营管理方式包括种植更新、林分疏伐和轮伐期的选择等。从经营方式的变化来看,森林景观结构是影响森林经营管理中林木产量和碳储量的关键因子,而森林结构的变化是由疏伐、主伐、龄级分布和物种组成不同而引起的生长速率的差异来决定的。新近更新的林地可能会出现碳的净排放,而幼龄林则会汇集碳,在成熟林中碳储量会随着林木长势的衰弱而减少,过熟林可能会出现碳的净排放现象。即使林分初期龄级分布较为均匀,也会随着时间的变化而发生变化。森林景观要由不同发育阶段的林木组成,从而维持森林生态系统中的木材产量和碳储量。

3.2

研究与预测模型实例

Seidl Rammer 等以奥地利南部一个私人森林管理单位(FMU)为研究对象,利用PICUS   v1.4混合斑块模型和WPM( Wood Product Model)模型分析了在交替的森林管理策略下次生挪威云杉林的原地碳储量、木质林产品碳储量以及木材产量等关键指标间的相互关系,将森林经营管理与木材使用方案相结合来评价木材产量与碳储量间的平衡关系,结果表明,原地碳储量较大且易受森林管理措施的影响,无干扰模式的碳储量最高,不同经营模式下木质林产品碳库中都储存着大量的碳。OlschewskiBenitez研究了木材生产和碳汇对厄瓜多尔西北部速生树种最优轮伐期的影响表明,与以木材生产为目标的15 年最优轮伐期相比,综合考虑木材生产与碳汇会导致轮伐期延长1倍。PriceWillis研究表明,综合考虑碳汇价值和木材生产的最优轮伐期,比以木材价值为目标的轮伐期稍长,也比以碳汇价值为目标的轮伐期长。戎建涛等基于小班调查数据,以木材产量和碳增量净现值最大为规划目标,考虑采伐量不大于生长量均衡采伐生长模型等约束,建立了多目标规划模型。研究发现,增加碳储量要以减少木材采伐量为代价,整个规划期内木材采伐量随着碳价格的增加而减少,而碳贮增量则随着碳价格的增加而增加。刘杰等采用FSOS ( Forest Simulation and Optimization System)模型对森林多目标可持续经营方案的制定进行了尝试,结果表明,森林不适合长期禁伐,对森林进行功能区划,不同功能区采取不同的经营方案能够维持整体较高水平的可持续木材生产量和森林蓄积量,林龄结构比较均匀,具有较高的经济效益。

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研究展望

气候会影响到森林的生长、结构和功能,通过限制树木更新和生长等因子对森林生态系统造成影响。预测温度变化和其他区域尺度的气候变化包括风、降水尤其是一些极端天气事件的变化,可以使我们更好地估计不同排放模式下气候变暖及其他变化的趋势。森林在气候变化中扮演着十分重要的角色,原则上森林被看作是碳库,因此保护现有林并增加造林面积可以减少释放到大气中的二氧化碳,从而降低气候变化的速率。然而,由于植物对气候的自然适应缓慢,无法迅速抵消气候变化带来的影响等原因,有研究表明在不久的将来森林可能成为碳源而非碳汇。应对气候变化的经营措施不能依赖于单一的方案,最好的策略是在不同环境条件下配置不同的方案。也就是说,选择经营方式要有灵活的策略,经常性地重新评估环境状况,并在多种可供选择的措施中根据新的环境条件来进行选择。采取一系列短期和长期策略, 可提高森林生态系统的抵抗力和恢复力,并促进森林生态系统适应不可避免的气候变化。

木材在人口对原材料的需求中占有一定的份额,环境政策可以影响不同原材料的消费情况。考虑到全球对木材的需求量巨大,如何通过采伐使森林既有高的经济效益,又不损失生态效益、降低生物多样性与生态环境质量,正是科学的营林体系过去缺乏研究、现在还没有解决的重要问题。在森林采伐活动中,应重视森林生态系统的结构多样性和完整性,在取得一定木材收获量的同时,最大限度地改善林分结构,使森林生态系统始终维持在理想的结构状态,以保持生态系统的健康、活力和完整性,充分发挥系统的各种功能,实现森林的可持续经营。从整地到林分抚育,再到最终收获,任何森林经营管理活动都会对森林的碳动态产生影响,需要掌握森林经营管理活动的范围以及经营管理活动对碳库影响程度方面的信息。对不同经营管理体系导致的变化进行预测时,会因经营管理的影响与气候变化引起的物种分布及生长速率变化间的相互作用而变得异常复杂。因此,准确预测需要寻求能够反映林分变化的模型和向更大空间尺度转换的方法。在自然生长过程中,林分内部存在着比较稳定的结构和生长规律,探讨这些规律对森林经营有着极为重要的意义,尤其是从建立森林资源共享管理信息系统以来,林分生长过程的动态信息有助于模拟林分的生长、枯损、材种出材量及进行森林资源数据更新、预测森林的未来、制定合理的经营措施等。