森林生态系统的碳汇功能已得到国际社会的广泛认可,在调节全球碳平衡和遏制全球气候变化等方面中发挥着积极的作用。退耕还林工程作为我国一项重大的生态恢复工程,所产生的碳汇功能和生态效益将会相当可观。本研究主要以河南省退耕还林工程为研究对象,通过历史资料收集、野外调查和室内分析相结合的方法,对人工林的碳汇能力进行研究。分析了两种典型人工林生态系统碳储量和碳密度在不同林龄和土层的分配格局;利用蓄积量生长方程和土壤碳储量变化模型对河南省退耕还林工程碳储量现状、固碳速率和潜力进行评估;同时研究了河南省60年来森林植被碳储量和碳密度的动态变化特征。这些研究对于科学评估退耕还林工程的碳汇效应具有重要的参考价值,同时为中原地区生态建设和经济可持续发展提供重要的科学依据。本研究取得的主要结论如下:(1)河南省自2000年实施退耕还林工程以来在退耕地造林、荒山造林和封山育林三种造林方式上均有树木种植,退耕还林对全省耕地面积变化的影响较小。2000-2012年河南省累计完成退耕地造林251.13千hm2,荒山造林699.72千hm2,封山育林128.30千hm2。2000-2012年河南省逐年造林面积分别占全国退耕还林造林面积比例为:4.39%、3.37%、3.22%、3.68%、4.93%、4.90%、3.89%、4.74%、4.08%、3.89%、3.61%、1.98%、2.33%。河南省退耕地造林面积呈现增加-降低-增加-降低波浪形变化。全省常用耕地面积基本保持在7200.00千hm2左右。(2)随着林龄的增加,人工林枯落物层和树木生物量碳储量增加,各土层碳储量随着林龄增加表现为减少-增加-减少的趋势,土壤碳储量主要在表层汇聚,并与土壤碳含量、氮含量和C/N明显相关。栎类林和侧柏林生物量碳储量随着林龄的增加而增大,枯落物层碳储量随着林龄增加也呈现增加的趋势。栎类林整个生态系统的碳储量按林龄大小依次为:60 a(275.82 Mg hm-2)>45 a(261.39 Mg hm-2)>26 a(163.82 Mg hm-2)>15 a(103.45 Mg hm-2)>3 a(52.04Mg hm-2)。侧柏林整个生态系统的碳储量按林龄大小依次为:60 a(279.81Mg hm-2)>40a(268.95 Mg hm-2)>20 a(148.06 Mg hm-2)>8 a(62.18 Mg hm-2)。两类树种的乔木层碳库和土壤层碳库在对整个生态系统碳储量的贡献中发挥主要作用。栎类和侧柏人工林土壤碳储量表层明显大于深层,土壤有机碳表聚现象明显。在造林前几年土壤碳储量下降,各土层土壤碳储量均小于农田,随着造林年限的增加同一土层有机碳储量逐渐增加。(3)河南省退耕还林工程表现出较大的碳汇潜力,由于不同地区造林面积和造林树种的不同,造成碳储量在空间分布上存在差异。2012年河南省退耕还林工程总碳汇量为21.20 Tg,五个地区的碳储量和整个省的碳储量变化一致,工程实施前期阶段(2000-2006)固碳量低于后期(2007-2012)。在2020、2030、2040、2050、2060年的全省退耕还林工程林木生物质碳库的固碳增汇潜力分别为31.48 Tg、46.82 Tg、52.47 Tg、55.56 Tg、57.71 Tg;土壤碳库的固碳增汇潜力分别为22.56Tg、57.41 Tg、76.77 Tg、81.41 Tg、81.62 Tg;工程林的固碳增汇潜力分别为54.04 Tg、104.23 Tg、129.23 Tg、136.97 Tg、139.33 Tg。(4)退耕还林工程造林地在采伐情景下具有较大的碳汇潜力,对退耕还林工程所种树木实施适度的采伐可以提高其碳汇能力。在无采伐情境下,嵩县工程林的固碳潜力逐渐增加,2020年、2030年、2040年、2050年的工程林的固碳增汇潜力分别为0.74 Tg、1.44 Tg、1.83 Tg、1.96 Tg;在采伐情境下,工程林的固碳潜力呈增加-下降-增加的趋势,2020年、2030年、2040年、2050年工程的固碳增汇潜力分别为0.74 Tg、1.23 Tg、1.64 Tg、1.98 Tg。工程林在2048年后采伐情景的固碳增汇潜力大于无采伐情景。对森林采伐后并进行及时的造林,林木经过一段时间的生长,其固碳能力将会赶上甚至超过未采伐地。对退耕还林工程林实施适度的采伐可以提高其碳汇能力。(5)河南省60年来森林植被碳储量明显增长,特别是在实施了退耕还林工程之后人工林碳储量显著增加。林分是森林植被碳汇的主要贡献者,且幼、中龄林所占比例较大,河南省森林植被将具有较大的碳汇潜力。河南省森林植被碳密度由1949年的14.90 Mg hm-2增加到2008年的19.86 Mg hm-2,森林植被碳储量由1949年的34.56 Tg提高到2008年80.31 Tg,提高了132.38%。1949-2008年,林分年平均碳汇量为0.674 Tg yr-1,林分碳储量增加了39.74 Tg,相当于森林植被1949-2008年总碳汇量的86.97%。1998-2008年,在实施了退耕还林工程之后人工林碳储量增加了33.70 Tg,相当于1949-2008年林分碳储量总增量的84.80%,1949-2008年,阔叶林碳储量高于针叶林,不同林龄阶段的林分碳密度大小排序为:老龄林>中龄林>幼龄林。随着幼、中龄林的生长,河南省森林将具有较大的碳汇潜力。(6)通过选择碳汇能力强的树种进行合理配置、加强对人工林地的经营管理可有效地提高人工林碳汇能力。退耕还林工程树种选择要结合当地气候、土壤等状况、选择碳汇能力强的树种并进行合理配置。加强对人工林地的经营管理提高人工林的质量和碳储量,主要包括合理的灌水和施肥,合理森林采伐,减少和阻止自然和人为因素对森林的干扰,加强对火灾、病虫害的预测和防治。