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全球气候变化对人类的生存和发展带来巨大的影响和挑战。如何控制温室气体排放,减少大气中以二氧化碳(CO2)为代表的温室气体浓度,减缓气候变化成为全球关注的热点。森林生态系统具有良好的固碳释氧功能,汇集了全球植被碳库的86%和土壤碳库的73%,在调节全球碳平衡以及应对气候变化方面具有不可替代的重要作用[1-3]。自2005年《京都议定书》生效以来,通过造林再造林、加强森林经营等措施来提高区域森林固碳能力和作为应对气候变化的重要手段,备受国际社会关注和认可[4]。中国政府提出“森林双增方案”,多次强调通过森林恢复和增长,增加森林碳汇,促进碳汇交易,以更好应对全球气候变化。竹林是中国南方地区十分重要的森林资源类型,适生能力强,广泛分布于浙江、福建、江西、湖南、安徽等16个省区,加工利用方便、综合效益良好、深受林农喜爱。竹林面积和竹产业快速增长,竹林在保护生态环境和促进山区经济发展中发挥着重要的作用。同时,竹林具有优良的固碳能力,毛竹Phyllostachys edulis林乔木层固碳量达5.097 t·hm-2·a-1,是速生阶段杉木Cunninghamia lanceolata的1.46倍、热带山地雨林的1.33倍和苏南27年杉木林的2.16倍[5-9]。根据毛竹林的碳水通量观测研究,毛竹林生态系统的年净固碳量甚至可以达到6.629 t·hm-2·a-1[10]。因此,在林业应对气候变化的背景下,以积累碳汇和实现碳汇交易为目的的毛竹林营造活动日益增多。无论是清洁发展机制(CDM)框架、国际核证碳减排标准(VCS),还是中国自愿减排项目(CCER),都要求对碳汇造林活动进行科学监测,提供精度可靠的年净碳量或年减排量数据,以满足可测量、可报告、可核查的要求,监测结果还需要进行不确定性分析,以此作为核减和签发碳减排量的依据。虽然周国模等[11-13],范叶青等[14],顾蕾等[15],周宇峰等[16]对毛竹林生态系统的碳积累、碳分配和碳转移特征等进行了大量研究,张文俊等[17],周伟等[18]对新疆杨树Populus alba var. pyramidalis,杉木等树种造林后的碳积累效果和综合效益也进行了相关研究,但是基于竹子造林项目活动,引起植被、土壤碳库变化并考虑活动过程的温室气体排放、泄漏的定期监测研究却少见报道。关于不确定性分析,在森林碳核算与碳监测领域,学者较多关注的是由单一监测变量所产生的不确定性问题[19-20],但由于竹子造林,会涉及多个碳层和植被、土壤等多个碳库,碳汇造林后总碳储量变化的不确定性来源于多个变量的监测误差,需要通过误差逐级传递分析才能获得[21]。作者主要研究毛竹造林活动的碳汇监测方法和初期净碳汇量的变动特征,探讨不同监测变量对总体不确定性的影响,以期为竹子碳汇造林活动和竹林碳汇交易提供借鉴。
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在造林前基线情景下,造林地根据原有土地覆盖利用情况和植被状况分为2个碳层。其中,BSL-1中含少量散生杉木,而BSL-2中则只有灌木和草本(表 1),2个碳层林地均属于无立木林地。造林后,根据毛竹造林模式的不同,项目地被划分为2个碳层(PROJ-1和PROJ-2),其中,PROJ-1以散状匀栽为主,PROJ-2以团状丛栽为主(表 2)。分碳层计量能达到用更少的样地数量得到可靠结果的目的。
碳层编号 散生木 灌木 草本 面积/hm2 优势树种 毛竹/(株·hm-2) 平均胸径/cm 平均树高/m 平均盖度/% 平均高度/m 平均盖度/% 平均高度/m BSL-1 杉木 480 5.2 3.0 25 1.2 10 0.7 33.66 BSL-2 35 1.2 10 0.7 14.06 Table 1. Baseline stratification before afforestation
碳层编号 造林树种 造林方式 混交方式 初植密度/(株·hm-2) 竹林复合肥/(kg·hm-2) 面积/hm2 PR0J-1 毛竹 散状匀栽 纯林 450 300 15.47 PR0J-2 毛竹 团状丛栽 纯林 450 450 32.25 Table 2. Project stratification after afforestation
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计算得到造林前1~5 a的基线碳储量变化(表 3)和造林后1~5 a试验地竹林碳储量变化(表 4)。其中,5 a的基线碳储量有292.51 t,而造林后竹林的碳储量为316.01 t,比基线累计增加了23.50 t。图 1和图 2分别表明了基线与项目2种情景下的每年碳储量的变化趋势,图 2表明了1~5 a期间的项目碳储量变化量并没有像基线预测(图 1)的那样呈逐年增长规律。
t/a 地上生物量/(t·hm-2) 基线碳储量/t 地上 地下 合计 1 0.69 16.56 3.64 20.20 2 1.16 27.93 6.15 34.08 3 1.81 43.48 9.57 53.04 4 2.64 63.53 13.98 77.51 5 3.67 88.25 19.42 107.67 合计 9.97 239.75 52.76 292.51 Table 3. The 1-5 years measurement result of carbon storage in the baseline scenario
t/a 地上生物量/(t·hm-2) 项目竹林碳储量/t 地上 地下 合计 1 0.49 5.91 1.85 7.76 2 4.02 56.24 17.62 73.86 3 2.80 33.68 10.55 44.23 4 3.44 47.81 14.97 62.79 5 7.20 96.99 30.38 127.37 合计 17.96 240.64 75.37 316.01 Table 4. The 1-5 years monitoring result of carbon storage in the project scenario
由2.3.3节中所述方法计算得到2008-2013年的土壤有机碳储量变化量为-79.88 t(表 5)。由于土壤是隔5 a测得,因此其年变化量由每年平均所得。
碳层 面积/hm2 2008年 2013年 土壤有机碳储量变化量/t 样地土壤有机碳储量/(t·hm-2) 土壤有机碳储量/t 样地土壤有机碳储量/(t·hm-2) 土壤有机碳储量/t PROJ-1 15.47 51.62±0.48 798.75 50.88±2.35 787.26 -11.49 PROJ-2 32.25 42.82±0.76 1 380.92 40.70±1.90 1 312.53 -68.39 合计 47.72 47.22±0.54 2 179.66 45.79±1.49 2 099.79 -79.88 Table 5. Change of soil carbon storage
由2.3.4节与3.3.5节所述方法计算得到项目边界内的温室气体排放的二氧化碳当量和泄漏的二氧化碳当量分别为19.00 t和8.27 t(表 6),其中2 a施1次肥,因此,第2年与第4年不产生排放和泄漏,而苗木运输只发生在第1年,所以第2~5年苗木运输的泄漏为0。
t/a 温室气体排放的二氧化碳当量 温室气体泄漏的二氧化碳当量 年排放/(t·a-1) 累计/t 肥料运输/(t·a-1) 苗木运输/(t·a-1) 合计 年泄漏/(t·a-1) 累计泄漏/t 1 6.33 6.33 1.24 4.55 5.79 5.79 2 6.33 5.79 3 6.33 12.66 1.24 1.24 7.03 4 12.66 7.03 5 6.33 19.00 1.24 1.24 8.27 Table 6. Greenhouse gas emissions and leakage within the project boundaries
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项目造林后1~5 a期间,项目净碳汇量变化结果见表 7。造林第1年由于造林活动对土壤扰动影响剧烈表现为“碳净排放”,约有116.31 t 二氧化碳排放到大气中去。从第2年开始,项目逐渐转换为“碳净吸收”。5 a后,项目累计净碳汇量二氧化碳当量为443.77 t,单位面积累计净碳汇量二氧化碳当量为9.30 t·hm-2。在对项目净碳汇量构成负面影响的3个主要变量中,土壤有机碳变化占了91.49%,而温室气体排放和泄漏则分别占了5.93%和2.58%。图 3中可以看出除了温室气体排放与泄漏变化不明显外,其他分量均呈现明显上升趋势,且变化越来越快。
t/a 碳储量二氧化碳当量 温室气体排放二氧化碳当量 泄漏二氧化碳当量 基线碳储量二氧化碳当量 净碳汇量二氧化碳当量 毛竹碳储量/(t·a-1) 土壤有机碳/(t·a-1) 累计/t 年变化/(t·a-1) 累计/t 年变化/(t·a-1) 累计/t 年变化/(t·a-1) 累计/t 年变化/(t·a-1) 累计/t 1 28.45 -58.58 -30.13 -6.33 -6.33 -5.79 -5.79 34.53 74.07 -76.78 -116.31 2 270.81 -58.58 182.11 0.00 -6.33 0.00 -5.79 50.89 124.96 161.34 45.03 3 162.19 -58.58 285.73 -6.33 -12.66 -1.24 -7.03 69.56 194.48 26.49 71.56 4 230.22 -58.58 457.36 0.00 -12.66 0.00 -7.03 89.69 284.20 81.95 153.47 5 467.04 -58.58 865.82 -6.33 -18.99 -1.24 -8.27 110.59 394.79 290.30 443.77 Table 7. Project of net carbon sink
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由2.4方法得到各监测变量标准差传递和项目总体不确定性结果(表 8)。对于项目碳层PROJ-1,单位面积竹林生物量碳储量(含地上、地下)变化的标准差为2.08 t·hm-2,单位面积土壤有机质碳储量(2013年)测定的标准差为2.35 t·hm-2;对于项目碳层PROJ-2,单位面积竹林生物量碳储量(含地上、地下)变化的标准差为3.21 t·hm-2,单位面积土壤有机质碳储量(2013年)测定的标准差为1.90 t·hm-2。根据各碳层和各碳库的样地监测结果,计算得到项目碳储量变化测定和监测的总体标准差为2.72 t·hm-2,在95.00%的可靠性水平下,项目总体监测结果不确定性为10.29%。
碳层 面积/hm2 单位面积土壤碳储量/(t·hm-2) 单位面积毛竹碳储量/(t·hm-2) 单位面积项目碳储量/(t·hm-2) 项目总体不确定性(95.00%的可靠性水平) PR0J-1 15.47 50.88±2.35 4.03±2.08 54.90±3.13 PR0J-2 32.25 40.70±1.90 7.87±3.21 48.57±3.73 合计 47.72 45.79±1.49 5.95±2.27 51.74±2.72 0.102 9 Table 8. Monitoring variables standard deviation and the overall uncertainty of the project