大嶺山森林公園植被碳儲(chǔ)量空間分異特征

吳小芳，馮曉麗，沈德才

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2.建設(shè)用地再開發(fā)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642； 3.東莞林業(yè)科學(xué)研究所信息室，廣東 東莞 510665)

大嶺山森林公園植被碳儲(chǔ)量空間分異特征

吳小芳1，2，馮曉麗1，沈德才3

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2.建設(shè)用地再開發(fā)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642； 3.東莞林業(yè)科學(xué)研究所信息室，廣東 東莞 510665)

以大嶺山森林公園植被為研究對(duì)象，根據(jù)森林植被生物量及碳儲(chǔ)量估算方法，估測樣地的植被碳儲(chǔ)量，采用反距離加權(quán)插值模型，得到整個(gè)大嶺山森林公園植被碳儲(chǔ)量分布情況，運(yùn)用GIS空間分析方法，結(jié)合坡向、坡度、海拔及優(yōu)勢樹種等因素對(duì)碳儲(chǔ)量的空間分異特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明：大嶺山森林公園植被碳儲(chǔ)量隨經(jīng)度的增加而增加，隨海拔的升高而增加，在海拔200 m達(dá)到最大值，之后隨著海拔上升而減少；碳儲(chǔ)量隨坡度等級(jí)的變化近似于正態(tài)變化規(guī)律，由平坡到斜坡碳儲(chǔ)量呈上升趨勢，而后由斜坡到急坡逐漸下降；7種優(yōu)勢樹種中，速相思、荔枝碳儲(chǔ)量含量最高，桉樹、硬闊混交林次之，馬尾松、灌木、闊葉混交林最少。桉樹、速相思在海拔100～200 m、陽坡、斜坡和緩坡的立地條件下，碳儲(chǔ)量最大；荔枝在海拔0～200 m、緩坡的立地條件下碳儲(chǔ)量最大；硬闊混交林、馬尾松、闊葉混交林在海拔100～200 m、緩坡的立地條件下碳儲(chǔ)量最大；灌木在海拔200～300 m、斜坡的立地條件下，碳儲(chǔ)量最大。

GIS；反距離加權(quán)插值；空間分析；空間分異

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的最大碳庫，在全球碳平衡過程中起著舉足輕重的作用。如何準(zhǔn)確估算森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其分布特征已受到普遍關(guān)注。針對(duì)該問題，許多專家學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究。方精云等[1]研究了我國森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度的時(shí)空變異性。黃從德等[2]根據(jù)實(shí)測的林分含碳量和區(qū)域生物量蓄積量回歸模型計(jì)算了四川省森林植被碳儲(chǔ)量，分析其空間分異特征。趙明偉等[3]提出基于HASM的森林植被碳儲(chǔ)量模擬方法，模擬生成中國陸地森林碳儲(chǔ)量分布情況。張玥[5]基于固定樣地測定數(shù)據(jù)，估算碳儲(chǔ)量，并從坡向、坡度、海拔等角度探討碳儲(chǔ)量與立地因子的關(guān)系，并對(duì)空間分布特征進(jìn)行分析。劉剛等[4]對(duì)東莞市不同的森林群落類型進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，研究森林凋落物的碳儲(chǔ)量及其空間分布。

針對(duì)前人的研究，考慮到森林碳儲(chǔ)量的分布存在空間自相關(guān)性與空間異質(zhì)性[6]，本文從坡向、坡度、海拔及優(yōu)勢樹種等多因素對(duì)大嶺山森林公園的植被碳儲(chǔ)量空間分異特征進(jìn)行研究。采用GIS技術(shù)、空間疊置及空間插值模型，探討了碳儲(chǔ)量隨坡向、坡度、海拔等地形因子變化的空間分布規(guī)律，并著重研究7種優(yōu)勢樹種與碳儲(chǔ)量、地形因子的空間相關(guān)性，分析得出7種優(yōu)勢樹種在哪種最適合地形條件下具有最高的碳儲(chǔ)量含量。依據(jù)分析結(jié)果，對(duì)今后大嶺山森林公園植被的管理、撫育提出合理建議，以期保持碳儲(chǔ)量和碳密度上升的趨勢，最大化地發(fā)揮其生態(tài)效益。

1 碳儲(chǔ)量估算及插值

1.1 樣地設(shè)置

大嶺山森林公園位于東莞市南部，珠江口的東北部，處于珠江三角洲開發(fā)區(qū)的中心地帶。面積約74 km2，是廣東省重要的森林基地之一。樹木種類繁多，據(jù)初步調(diào)查，共有維管植物105科247屬346種，天然林面積少，人工林面積多，占總面積約70%，園內(nèi)主要以人工種植的馬尾松林、杉木林、桉樹林、荔枝林、相思林為主，還有次生林以及鄉(xiāng)土樹種等。

依據(jù)大嶺山森林公園林分分布情況，結(jié)合海拔、坡向、坡位等條件，選定灌木林，闊葉混交林、荔枝、硬闊混交林、速相思、桉樹、針闊混交林等森林類型為研究對(duì)象，選擇林相相對(duì)整齊、地形相對(duì)完整、具有一定代表性的地段作為標(biāo)準(zhǔn)樣地，根據(jù)各種林分所占比例和優(yōu)勢樹種，布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)樣地20塊，呈星狀分布于大嶺山森林公園的各個(gè)位置，標(biāo)準(zhǔn)樣地分布見圖1。

1.2 碳儲(chǔ)量估測

目前，對(duì)森林植被碳儲(chǔ)量的估算都是先估算森林植被的生物量，然后將森林植被的生物量乘以含碳率計(jì)算出各類森林植被的碳儲(chǔ)量，國際上根據(jù)不同植被類型采用的含碳率大多為0.44～0.53之間。為了方便與其他研究成果比較，本文采用目前國際上常用的轉(zhuǎn)換系數(shù)0.5[7]，計(jì)算的碳儲(chǔ)量包括各種森林資源類型的喬木層、林下層及凋落物3部分，其中林下層指下木層、灌木、草本植物的總稱，得出各樣地生物量及碳儲(chǔ)量值(表1)。

1.3 碳儲(chǔ)量插值

根據(jù)研究區(qū)樣地的分布情況，分別選取反距離加權(quán)插值、樣條函數(shù)法、克里格法3種方法對(duì)碳儲(chǔ)量值進(jìn)行插值計(jì)算。通過對(duì)比與分析，發(fā)現(xiàn)克里格法的插值表面比較平滑，同時(shí)在邊緣區(qū)域?qū)︵徲蚓嚯x不敏感，形成大片光滑表面，插值精度不高；而樣條函數(shù)法與反距離加權(quán)插值相比，反距離加權(quán)插值結(jié)果更接近樣地區(qū)間，誤差值更小，整體效果最好。因此本文選擇反距離加權(quán)插值對(duì)樣地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行插值，獲得整個(gè)大嶺山森林公園植被碳儲(chǔ)量分布圖，見圖2。

表1 樣地的生物量及碳儲(chǔ)量

由圖2可知：大嶺山森林公園碳儲(chǔ)量整體表現(xiàn)為自西向東逐漸升高，碳儲(chǔ)量隨著經(jīng)度的增加而增加，具有明顯的經(jīng)向地帶性；南北方向上東南部碳儲(chǔ)量較高。這是因?yàn)闁|北部地勢較高，而大水瀝游覽區(qū)和蓮花山森林核心區(qū)內(nèi)地勢較平坦，一般在海拔100～300 m之間，瀏覽區(qū)內(nèi)林木茂盛，光照、溫度、水分都非常充足，為碳儲(chǔ)量的增長提供良好的自然條件。

2 碳儲(chǔ)量空間分異特征

2.1 碳儲(chǔ)量與海拔關(guān)聯(lián)分析

首先按照高度情況，對(duì)大嶺山森林公園海拔圖進(jìn)行重分類，將海拔劃分為 6 個(gè)等級(jí)：<100、100～200、200～300、300～400、400～500、>500 m，構(gòu)建海拔梯度圖，見圖3。將海拔梯度圖(圖3)與碳儲(chǔ)量圖(圖2)進(jìn)行疊加，運(yùn)用 ArcGIS 空間分析模塊，獲得碳儲(chǔ)量的垂直分布狀況(表2)。

由表2可知，大嶺山森林公園碳儲(chǔ)量隨海拔梯度變化總體表現(xiàn)為：隨海拔的升高而增加，在海拔200 m時(shí)達(dá)到最大值，之后隨海拔上升而減少，在海拔500 m范圍內(nèi)達(dá)到最小值。主要原因是海拔梯度0～200 m范圍內(nèi)，植物生長環(huán)境好，水分、光照充足，使得這一海拔梯度林分植被具有最大的碳密度；而海拔500 m以上地區(qū)，森林面積較少，高海拔地區(qū)光、熱資源不足，氣溫下降，森林質(zhì)量下降。

2.2 碳儲(chǔ)量與坡度關(guān)聯(lián)分析

運(yùn)用ArcGIS將等高線生成DEM，再利用空間分析模塊提取坡度，將坡度按照分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分為平坡(0～5°)、緩坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°)、陡坡(26°～35°)、急坡(36°～45°)、險(xiǎn)坡(>46°)共6級(jí)，由于研究區(qū)最高坡度小于45°，所以無險(xiǎn)坡，得出大嶺山森林公園坡度等級(jí)梯度見圖4。

表2 大嶺山森林公園碳儲(chǔ)量垂直分布

將坡度圖與碳儲(chǔ)量圖進(jìn)行疊加，獲得碳儲(chǔ)量的坡度分布狀況，見表3。碳儲(chǔ)量隨坡度等級(jí)的變化近似于正態(tài)變化規(guī)律，由平坡到斜坡碳儲(chǔ)量呈上升趨勢，而后由斜坡到急坡逐漸下降。主要與各坡度等級(jí)上植被的分布有很大關(guān)系，在斜坡和陡坡處主要分布植被類型為風(fēng)景林和果樹林，植被類型具有較高的生物量，碳儲(chǔ)量含量較高；而在急坡區(qū)域，主要分布為自然保護(hù)區(qū)，土層薄、水分少、無機(jī)鹽易淋失，土壤多呈酸性，因此植被生長受到限制，碳儲(chǔ)量含量較低。

表3 大嶺山森林公園碳儲(chǔ)量坡度分布情況

2.3 碳儲(chǔ)量與優(yōu)勢樹種空間關(guān)聯(lián)分析

考慮到優(yōu)勢樹種中杉木、荷木、南洋楹、濕地松、雜竹、木本果樹、苗圃面積少，含碳儲(chǔ)量也少，對(duì)森林的空間分異影響較小，因此本文選取比較有代表性的速相思、荔枝、桉樹、硬闊混交林、馬尾松、灌木、闊葉混交林7個(gè)優(yōu)勢樹種進(jìn)行分析，分別研究其與坡度、坡向、海拔及碳儲(chǔ)量的空間分布關(guān)系。

2.3.1 不同坡度上優(yōu)勢樹種的碳儲(chǔ)量分布規(guī)律 利用ArcGIS空間分析，將林班圖層、坡度圖層以及碳儲(chǔ)量圖層進(jìn)行疊置分析，對(duì)7個(gè)優(yōu)勢樹種進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)，得到7種優(yōu)勢樹種在各坡度上的碳儲(chǔ)量分布(圖5)。由圖5可知，7個(gè)優(yōu)勢樹種均表現(xiàn)為平坡和陡坡碳儲(chǔ)量較少，緩坡和斜坡碳儲(chǔ)量上升，其中速相思在斜坡和緩坡碳儲(chǔ)量值最大，荔枝在緩坡碳儲(chǔ)量值尤為突出，成為所有優(yōu)勢樹種分布最高值。灌木林在斜坡碳儲(chǔ)量值最大，除荔枝和灌木林外，其他優(yōu)勢樹種在緩坡和斜坡的碳儲(chǔ)量分布差異不大。

2.3.2 不同坡向上優(yōu)勢樹種的碳儲(chǔ)量分布規(guī)律 依據(jù)常規(guī)坡向劃分規(guī)則，將大嶺山森林公園坡向劃分為半陰坡、半陽坡、陽坡、陰坡4個(gè)等級(jí)，構(gòu)建坡向等級(jí)圖，然后將坡向等級(jí)圖與碳儲(chǔ)量圖層、林班圖層進(jìn)行疊加，運(yùn)用疊置分析和空間統(tǒng)計(jì)模塊，提取各優(yōu)勢樹種不同坡向等級(jí)的碳儲(chǔ)量值(圖6)。由圖6可知，陽坡碳儲(chǔ)量值大，速相思、桉樹和馬尾松均為陽坡最多，半陽坡和半陰坡其次，陰坡最少。荔枝在半陽坡和半陰坡碳儲(chǔ)量值居多，陽坡其次，陰坡最少。闊葉混交林在半陰坡分布最少，陰坡、陽坡、半陽坡分布差異不明顯。灌木林在陰坡和半陽坡分布較多，在陽坡和半陰坡分布較少。速相思和荔枝是碳儲(chǔ)量總量里分布較多的優(yōu)勢樹種，分別占總量的23.66%和22.2%。

圖5 不同優(yōu)勢樹種碳儲(chǔ)量在坡度上的分布規(guī)律圖6 不同優(yōu)勢樹種碳儲(chǔ)量在坡向上的分布規(guī)律

2.3.3 不同海拔高度上優(yōu)勢樹種的碳儲(chǔ)量分布規(guī)律 將坡度等級(jí)梯度與碳儲(chǔ)量圖層、林班圖層進(jìn)行疊加，運(yùn)用疊置分析和統(tǒng)計(jì)模塊，獲得優(yōu)勢樹種在不同海拔等級(jí)上的碳儲(chǔ)量分布情況(圖7)。由圖7可知：速相思、桉樹、硬闊混交林、馬尾松的碳儲(chǔ)量在海拔100～200 m達(dá)到峰值，而后隨著海拔的升高驟減。而荔枝、闊葉混交林則隨著海拔的增高碳儲(chǔ)量值呈遞減趨勢，灌木的碳儲(chǔ)量在200～300 m有小幅上升，但是碳儲(chǔ)量總體分布差異不大。總體上0～300 m海拔范圍內(nèi)碳儲(chǔ)量值最大，約占總碳儲(chǔ)量的93.6%；300 m以上海拔7個(gè)優(yōu)勢樹種的碳儲(chǔ)量僅為總量的6.4%。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本文從坡向、坡度、海拔及優(yōu)勢樹種等因素對(duì)大嶺山森林公園碳儲(chǔ)量的空間分異特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明：①大嶺山森林公園碳儲(chǔ)量整體表現(xiàn)為自西向東逐漸升高，隨著經(jīng)度的增加而增加，具有明顯的經(jīng)向地帶性。碳儲(chǔ)量在海拔0～200 m內(nèi)隨海拔的升高而增加，海拔200 m時(shí)達(dá)到最大值，之后隨海拔上升而減少，在海拔500 m時(shí)達(dá)到最小值。碳儲(chǔ)量隨坡度等級(jí)的變化近似于正態(tài)變化規(guī)律，由平坡到緩坡、斜坡碳儲(chǔ)量呈上升趨勢，而后由斜坡到陡坡、急坡逐漸下降。②7種優(yōu)勢樹種中，速相思、荔枝碳儲(chǔ)量含量最高，桉樹、硬闊混交林次之，馬尾松、灌木、闊葉混交林最少。桉樹、速相思在海拔100～200 m、陽坡、斜坡和緩坡的立地條件下，碳儲(chǔ)量最大；荔枝在海拔0～200 m、緩坡的立地條件下碳儲(chǔ)量分布最大；硬闊混交林、馬尾松、闊葉混交林在海拔100～200 m、緩坡的地形下，碳儲(chǔ)量最大；灌木在海拔200～300 m、斜坡的地形下，碳儲(chǔ)量最大。

3.2 建議

針對(duì)分析結(jié)果，對(duì)大嶺山森林公園的碳匯管理及可持續(xù)發(fā)展建議如下，首先應(yīng)充分利用海拔500 m以上區(qū)域，其面積高達(dá)50 hm2，進(jìn)行封山育林，提高其森林碳匯能力；其次海拔較低的斜坡、緩坡區(qū)域，依據(jù)研究結(jié)果中各優(yōu)勢樹種最適合的坡向、坡度和海拔等立地因子，根據(jù)實(shí)際地形條件，合理選擇種植或撫育的樹種，以加強(qiáng)各優(yōu)勢樹種的合理配置，最大化地發(fā)揮其生態(tài)和社會(huì)效益，保持防護(hù)林碳儲(chǔ)量和碳密度上升的趨勢，保障植被的碳匯能力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

[1]方精云，陳安平.中國森林植被碳庫的動(dòng)態(tài)變化及其意義[J].植物學(xué)報(bào)，2001，43(9)：967-973.

[2]黃從德，張健，楊萬勤，等.四川省森林植被碳儲(chǔ)量的空間分異特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29(9)：5115-5121.

[3]趙明偉，岳天祥，趙娜，等.基于HASM的中國森林植被碳儲(chǔ)量空間分布模擬[J].地理學(xué)報(bào)，2013，68(9)：1212-1224.

[4]劉剛，朱劍云，葉永昌，等.東莞主要森林群落凋落物碳儲(chǔ)量及其空間分布[J].山地學(xué)報(bào)，2010，28(1)：69-75.

[5]張玥.基于GIS的黑河市森林碳儲(chǔ)量空間分布特征研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2013.

[6]劉暢，李鳳日，甄貞.空間誤差模型在黑龍江省森林碳儲(chǔ)量空間分布的應(yīng)用[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，25(10)：2779-2786.

[7]郭純子，吳洋洋，倪健.天童國家森林公園植被碳儲(chǔ)量估算[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，25(11)：3099-3109.

Spatial Differentiation Characteristics of Forest Vegetation Carbon Storagein Da Ling Shan Forest Park

WU Xiao-fang1，2，F(xiàn)ENG Xiao-li1，SHEN De-cai3

(1.CollegeofNationalResourcesandEnvironment，SouthChinaAgriculturalUniversity，Guangzhou510642，Guangdong，China； 2.LandResourceMinistryKeyLaboratoryofConstructionlandimprovement，Guangzhou510642，Guangdong，China； 3.DongguanResearchInstituteofForestry，Dongguan510665，Guangdong，China)

In the paper，Da Ling Shan forest park is taken as the research region.The carbon storage of sample areas in this research region is estimated based on the forest vegetation biomass.By using the model of inverse distance weighted interpolation，the spatial distribution of carbon storage in this research region is obtained.Then by using GIS technology and spatial model，the spatial differentiation character of carbon storage is researched based on multi-factor analysis such as direction，slope，elevation and tree species so on.The result shows as follows.The carbon storage rises up with the increase of longitude in Da Ling Shan forest park.And it rises up with the increase of altitude from 0 to 200 meters and gets the maximum at 200 meters.Then it reduces 200 meters altitude later.The change of carbon storage with the slope grade is the normal distribution.The carbon storage increases from the flat slope to medium slope，and declines from the medium slope to the rapid slope gradually.In seven dominant tree species，the carbon storage ofLycheeandAcaciais maximum.The carbon storage ofEucalyptusand hard-mixed forest is medium，and the carbon storage ofPinusmassoniana，shrubs and broad-leaved mixed forest is least.The most suitable planting conditions ofAcacia，Eucalyptusare the gentle and medium slope，sunny slope and altitude from 100 to 200 meters.The most suitable planting conditions ofLycheeare the gentle slope and altitude from 0 to 200 meters.The most suitable planting conditions of hard-mixed forest，Pinusmassoniana，broad-leaved mixed forest are the gentle slope and altitude from 100 to 200 meters.The most suitable planting conditions of shrubs are the medium slope and altitude from 200 to 300 meters.Their carbon storage can get the maximum under these most suitable conditions especially.

geographic information system (GIS)；inverse distance weighted interpolation(IDW)；spatial analysis；spatial differentiation

2015-10-08；

2015-11-17

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014Y2-00038)

吳小芳(1979—)，女，湖北荊州人，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院副教授，博士，從事地圖制圖學(xué)，林業(yè)GIS和地理信息系統(tǒng)理論與方法研究。E-mail：somewxf@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.03.017

S718.55+6

A

1002-7351(2016)03-0080-05