桉樹人工林不同樹種土壤固碳價值評估*
——以廣西斯道拉恩索公司兩個原料林基地為例

陳書林，溫作民

(南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，南京 210037)

桉樹人工林不同樹種土壤固碳價值評估*
——以廣西斯道拉恩索公司兩個原料林基地為例

陳書林，溫作民

(南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，南京 210037)

在野外實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)、地統(tǒng)計學(xué)方法及生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)價值量評估方法估算了廣西斯道拉恩索公司兩個原料林基地桉樹人工林不同樹種有機(jī)碳儲量及其價值。研究結(jié)果表明：研究區(qū)3種樹種單位面積土壤有機(jī)碳儲量平均值由大到小排列為：桉樹(36.38 t/hm2)>馬尾松(35.02 t/hm2)>杉木(33.37 t/hm2)，結(jié)果與其他學(xué)者利用樣地調(diào)查方法估算的結(jié)果相一致；研究區(qū)森林土壤有機(jī)碳總儲量為7.03×105t，總固碳價值為842.61億元；3種樹種單位面積價值量由大到小排列為：桉樹(436.52 萬元/hm2)>馬尾松(420.28萬元/hm2)>杉木(400.47萬元/hm2)。

土壤固碳；價值核算；Kriging；空間格局；樹種

大氣CO2濃度受人類活動的影響自1750年開始持續(xù)增加。CO2作為最主要的、貢獻(xiàn)最大的溫室氣體[1]，其濃度的持續(xù)上升直接導(dǎo)致全球氣候變暖。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)非常重要的一種類型，其土壤碳庫在維持森林生產(chǎn)力和全球碳循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用，從而影響著全球氣候變化[2-4]。森林土壤碳庫由有機(jī)碳庫和無機(jī)碳庫兩大部分組成，且無機(jī)碳庫的比例較小[5]，因而森林生態(tài)系統(tǒng)土壤固定有機(jī)碳能力及其產(chǎn)生的價值量估算引起了生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)者的廣泛關(guān)注，并成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點問題之一[6]。中國人工林面積居世界首位，人工林在中國森林生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳服務(wù)功能上發(fā)揮著越來越重要的作用[7]，中國很多學(xué)者開展了森林土壤固碳的估算研究[4，8-13]。桉樹由于其可觀的經(jīng)濟(jì)效益，在廣西地區(qū)得到了大面積的種植，現(xiàn)已成為廣西地區(qū)營造工業(yè)人工林的重要樹種。然而，有研究表明，桉樹人工林會導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)的功能退化，并嚴(yán)重影響區(qū)域環(huán)境健康與可持續(xù)發(fā)展[14]。因此，結(jié)合不同樹種類型，研究桉樹人工林土壤固碳服務(wù)功能及其價值成為廣西營林管理部門迫切需要解決的問題，具有重要的現(xiàn)實意義。中國部分學(xué)者采用樣地調(diào)查方法估算了廣西桉樹人工林土壤固碳量[15，16]，但在較大區(qū)域尺度上用樣地調(diào)查方法估算森林土壤固碳相對較困難。在區(qū)域尺度上的廣西桉樹人工林土壤有機(jī)碳儲量及其價值估算的研究較少，而關(guān)于廣西斯道拉恩索公司(StoraEnso)2個原料林基地人工林不同樹種有機(jī)碳儲量的估算及其價值研究更是空白。地理信息系統(tǒng)技術(shù)和地統(tǒng)計學(xué)方法能提供區(qū)域尺度的信息，為森林土壤固碳服務(wù)功能及其價值量區(qū)域尺度的評價提供技術(shù)支撐，是研究森林土壤有機(jī)碳儲量的常用方法[8-12]。有學(xué)者以海南島尖峰嶺熱帶山地雨林為例，結(jié)合野外采樣數(shù)據(jù)和地統(tǒng)計學(xué)方法，探究研究區(qū)域土壤有機(jī)碳密度的空間分布特征[8]；在烏魯木齊市區(qū)及郊區(qū)利用地統(tǒng)計學(xué)方法分析土壤有機(jī)碳儲量的空間分布特征[9]；基于鹽源縣結(jié)合野外采樣數(shù)據(jù)和土壤第二次普查數(shù)據(jù)，利用地統(tǒng)計學(xué)方法，得到研究區(qū)域土壤表層(0～20 cm)有機(jī)碳時空分布特征，并在此基礎(chǔ)上分析影響土壤有機(jī)碳含量的因素[10]；結(jié)合森林資源二類調(diào)查資料以及土壤剖面野外采樣數(shù)據(jù)，使用地理信息系統(tǒng)技術(shù)估算廣西森林土壤有機(jī)碳儲量[11]；利用廣西土壤剖面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、土壤圖、數(shù)字高程數(shù)據(jù)，運用地理信息系統(tǒng)技術(shù)估算廣西壯族自治區(qū)表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳儲量，進(jìn)而分析了土壤類型對土壤有機(jī)碳密度的影響[12]。因此，以廣西典型的林漿紙一體化企業(yè)斯道拉恩索公司在高峰林場和七坡林場的原料林基地為例，在野外實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)、地統(tǒng)計學(xué)方法及生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)價值量評估方法估算了廣西人工林不同樹種有機(jī)碳儲量的估算及其價值，以期為桉樹人工林土壤固碳功能的研究提供科學(xué)依據(jù)，并對桉樹人工林的營林管理，特別是桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為斯道拉恩索公司在高峰林場和七坡林場的原料林基地，位于廣西南寧市，東經(jīng)107°58′～108°53′，北緯22°28′～23°16′。屬于濕潤的亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫約為21.60℃，年均降雨量達(dá)1 304.20 mm，平均相對濕度為79.00%，氣候特點是炎熱潮濕。研究區(qū)域總面積為2.24萬hm2，其中裸地及未利用地面積為2 995.38 hm2，有林地面積為1.94萬hm2，占研究區(qū)域總面積的86.65%。區(qū)域內(nèi)有3種主要樹種，分別為桉樹、馬尾松、杉木。研究區(qū)域絕大部分地區(qū)樹種為桉樹，其面積為1.65萬hm2，占研究區(qū)域總面積的73.60%，馬尾松面積為2 365.83 hm2，主要分布在研究區(qū)北部區(qū)域，占研究區(qū)總面積的10.55%，杉木面積為560.10 hm2，占研究區(qū)總面積的2.50%。研究區(qū)森林土壤以赤紅壤、紅壤、黃紅壤、磚紅壤為主，成土母巖以硅質(zhì)巖、泥巖、沙巖、巖漿巖等為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究主要數(shù)據(jù)來源有3個：⑴綜合考慮林地的樹種類型、坡度、坡向、海拔、土壤類型、巖石種類、林分郁閉度等因子，選取了207個典型樣本點。在每個樣本點區(qū)域上連續(xù)分層采樣3次，采樣深度分別為0～10 cm和10～30 cm，且這3個樣本盡量保證均勻分布在樣本點區(qū)域。實驗室內(nèi)，將土壤樣品自然風(fēng)干、過篩，在外加熱條件下，用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，用環(huán)刀法測定土壤容重。⑵2012年廣西林業(yè)集團(tuán)林地調(diào)查數(shù)據(jù)庫，包括土壤種類、土層厚度、石礫含量、成土母巖等。⑶國家林業(yè)局于2008年公布的固碳價格數(shù)據(jù)[17]。

1.3 分析方法

1.3.1 地統(tǒng)計學(xué)分析

地統(tǒng)計學(xué)分析方法基于區(qū)域化變量理論，用半方差函數(shù)來描述研究區(qū)域土壤有機(jī)碳儲量空間分布的隨機(jī)性和空間相關(guān)性特征。半方差函數(shù)可表示為[18]：

⑴

式中γ(h)為半方差函數(shù)；h為兩個土壤樣本點之間的距離(m)；n為距離為h的土壤樣本點對的數(shù)量(n對點)；z是土壤樣本點xi處的土壤有機(jī)質(zhì)含量。

空間自協(xié)方差最佳插值法(Kriging插值法)作為地統(tǒng)計學(xué)中的一種插值方法，于1951年首次提出，是一種求最優(yōu)、線形、無偏的空間內(nèi)插方法[19]。Kriging插值法考慮了土壤有機(jī)質(zhì)含量在研究區(qū)域的空間變異特征，計算影響待插值的像元點土壤有機(jī)質(zhì)含量值的距離范圍，然后根據(jù)該距離范圍內(nèi)的樣本點土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)，結(jié)合半方差函數(shù)來估計待插值的像元點土壤有機(jī)質(zhì)含量值。研究在ArcGIS 10.1中利用普通Kriging插值法，對157個樣本點的土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得到研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布。

1.3.2 土壤有機(jī)碳儲量估算

土壤有機(jī)碳儲量是指區(qū)域內(nèi)土壤中所包含的有機(jī)碳的總量，計算公式為[12-13]：

Ci=0.58SiHiOiWi

⑵

式中Ci為第i個像元點的碳儲量(t)；0.58為Bemmelen系數(shù)，即土壤有機(jī)質(zhì)含量轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳儲量的系數(shù)[12]；Si為第i個像元點面積(hm2)；土壤有機(jī)質(zhì)專題圖空間分辨率為30 m，故每個像元點的面積為0.09 hm2；Hi為第i個像元點土壤的厚度(cm)；Oi為第i個像元點的土壤有機(jī)質(zhì)含量(%)；Wi為第i個像元點的土壤容重(g/cm3)。

1.3.3 森林土壤固碳服務(wù)功能價值量評估

研究依據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》(LY/T 1721-2008)[17]，評估研究區(qū)森林土壤固碳服務(wù)功能價值量(Ui)，公式為：

Ui=C碳×Ci

⑶

式中C碳為固碳價格(元/t)，國家林業(yè)局公布的固碳價格為1 200元/t。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量空間特征

圖 1 土壤有機(jī)質(zhì)實測與Kriging插值模擬結(jié)果的精度Figure 1 Comparison of the simulated soil organic carbon storage with sampling plots data

研究對207個樣本點用重鉻酸鉀容量法測定了土壤有機(jī)質(zhì)含量，并將其分成兩部分。第一部分有157個樣本點，用以在ArcGIS 10.1中進(jìn)行Kriging空間插值；第二部分有50個樣本點，用以對插值出的結(jié)果的精度進(jìn)行評價。對第一部分157個樣本點利用普通Kriging插值法進(jìn)行空間插值，從而得到的斯道拉恩索公司高峰林場和七坡林場原料林基地土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布數(shù)據(jù)。將空間插值的結(jié)果與50個樣本點實測的土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析的結(jié)果如圖1所示。也就是說，Kriging插值模擬結(jié)果與土壤有機(jī)質(zhì)含量實測的數(shù)據(jù)相一致(R=0.81，p<0.000 1)，模擬結(jié)果的均方根誤差僅為0.20%。結(jié)果表明：Kriging空間插值的結(jié)果具有較好的可信度。

研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布特征呈現(xiàn)西南部偏低，東北部偏高的趨勢(圖2)。研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量最低值為0.78%，最高值為10.63%，平均

圖 2 研究區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布專題圖Figure 2 The spatial pattern of the soil organic carbon storage in Stora Enso’s raw material forest base

值為4.57%。對插值后的土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)保留小數(shù)點后2位有效位數(shù)，統(tǒng)計每個土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)的像元點個數(shù)。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量有94.86%分布在2.75%～6.38%之間，峰值出現(xiàn)在4.46%，像素點個數(shù)達(dá)到5 390，面積達(dá)到485.10 hm2。

2.2 土壤有機(jī)碳儲量估算

利用估算出的土壤有機(jī)質(zhì)含量Kriging插值模擬結(jié)果，根據(jù)式⑵計算出斯道拉恩索公司高峰林場和七坡林場原料林基地土壤有機(jī)碳儲量空間分布特征為：研究區(qū)土壤有機(jī)碳儲量西南部區(qū)域較低，造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于西南部區(qū)域位于南寧市市轄區(qū)市郊，受人為干擾較嚴(yán)重。

在像元尺度上(每個像元點的面積均為0.09 hm2)，土壤有機(jī)碳儲量最小值為0.53 t，最大值為7.55 t，平均值為3.24 t。在研究區(qū)區(qū)域尺度上，土壤有機(jī)碳總儲量為7.03×105t，單位面積平均土壤有機(jī)碳儲量為36.03 t/hm2。

對不同樹種土壤有機(jī)碳儲量進(jìn)行分析，研究區(qū)桉樹林土壤有機(jī)碳總儲量最大，為6.01×105t，占研究區(qū)土壤有機(jī)碳總儲量的85.54%，這主要是由于桉樹林面積最大，且桉樹林單位面積土壤有機(jī)碳儲量較大。杉木林土壤有機(jī)碳總儲量較小，其值為0.19×105t，占研究區(qū)土壤有機(jī)碳總儲量的2.66%，低于馬尾松的土壤有機(jī)碳總儲量0.83×105t，這主要是由于杉木林所占面積最小，且杉木林單位面積土壤有機(jī)碳儲量較小。3種樹種單位面積土壤有機(jī)碳儲量平均值由大到小排列為：桉樹(36.38 t/hm2)>馬尾松(35.02 t/hm2)>杉木(33.37 t/hm2)。研究結(jié)果與其他學(xué)者利用樣地調(diào)查方法估算的結(jié)果相一致[15-16]。由此可見，桉樹是土壤固碳能力較強(qiáng)的速生豐產(chǎn)樹種，其土壤固碳能力高于馬尾松和杉木。

2.3 森林土壤固碳價值量核算

表 1 不同樹種土壤固碳價值量

Table 1 The value of the forest ecosystem service function of soil carbon sequestration in Stora Enso’s raw material forest base

樹種土壤固碳價值/億元單位面積價值/萬元·hm-2桉樹 720.75436.52馬尾松99.43420.28杉木 22.43400.47

研究根據(jù)計算出的研究區(qū)域土壤有機(jī)碳儲量空間分布以及不同樹種分布，利用式⑶估算研究區(qū)森林土壤固碳價值量如表1所示。研究區(qū)森林土壤總固碳價值為842.61億元，其中桉樹林土壤總固碳價值最高，杉木林土壤總固碳價值最低。3種樹種單位面積價值量由大到小排列為：桉樹>馬尾松>杉木。

3 結(jié)論與討論

森林生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳能力及其產(chǎn)生的價值量估算一直是生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家關(guān)心的熱點問題之一。桉樹人工林的生態(tài)退化問題已經(jīng)引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注，但在區(qū)域尺度上的廣西桉樹人工林有機(jī)碳儲量及其價值估算的研究還沒有，尤其是人工林不同樹種土壤有機(jī)碳儲量在空間上的分布特征更是空白。因此，研究廣西人工林不同樹種有機(jī)碳儲量及其價值估算成為林業(yè)管理部門急需解決的問題。

以廣西典型的林漿紙一體化企業(yè)斯道拉恩索公司在高峰林場和七坡林場的原料林基地為例，結(jié)合野外樣地調(diào)查、林地二類調(diào)查數(shù)據(jù)、權(quán)威部門公布的社會公共數(shù)據(jù)，估算了研究區(qū)域不同樹種土壤固碳服務(wù)功能，并對其價值進(jìn)行了核算。研究表明，土壤有機(jī)碳總儲量為7.03×105t，3種樹種單位面積土壤有機(jī)碳儲量平均值由大到小排列為：桉樹(36.38 t/hm2)>馬尾松(35.02 t/hm2)>杉木(33.37 t/hm2)。研究區(qū)森林土壤總固碳價值為842.61億元，3種樹種單位面積價值量由大到小排列為：桉樹(436.52萬元/hm2)>馬尾松(420.28萬元/hm2)>杉木(400.47萬元/hm2)。

研究有助于加大人們對廣西地區(qū)造紙企業(yè)原料林基地森林土壤固碳服務(wù)價值的認(rèn)識，將為政府部門及造紙企業(yè)營造人工林提供決策依據(jù)，進(jìn)而從整體上有利于廣西地區(qū)森林資源的保護(hù)和恢復(fù)。

[1]張翀，任志遠(yuǎn)．陜北地區(qū)土地生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧價值量動態(tài)測評[J]．地理研究，2015，34(8)：1522-1534．

[2]WANG H，HALL C A S．Modeling the effects of Hurricane Hugo on spatial and temporal variation in primary productivity and soil carbon and nitrogen in the Luquillo Experimental Forest，Puerto Rico[J]．PlantandSoil，2004，263(1)：69-84．

[3]耿玉清，余新曉，岳永杰，等．北京山地針葉林與闊葉林土壤活性有機(jī)碳庫的研究[J]．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009(5)：19-24．

[4]XIE Z B，ZHU J G，LIU G，et al．Soil organic carbon stocks in China and changes from 1980s to 2000s[J]．GlobalChangeBiology，2007，13(9)：1989-2007．

[5]LAL R．Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security[J]．Science，2004，304(5677)：1623-1627．

[6]王紹強(qiáng)，周成虎，李克讓，等．中國土壤有機(jī)碳庫及空間分布特征分析[J]．地理學(xué)報，2000，55(5)：533-544．

[7]朱美玲，王旭，王帥，等．海南儋州橡膠樹、桉樹人工林碳儲量及其動態(tài)變化[J]．生態(tài)科學(xué)，2016，35(3)：43-51．

[8]郭曉偉，駱土壽，李意德，等．海南尖峰嶺熱帶山地雨林土壤有機(jī)碳密度空間分布特征[J]．生態(tài)學(xué)報，2015，35(23)：7878-7886．

[9]張小萌，李艷紅，王盼盼．烏魯木齊城市土壤有機(jī)碳空間變異研究[J]．干旱區(qū)資源與環(huán)境，2016，30(2)：117-121．[10]李珊，李啟權(quán)，王昌全，等．鹽源縣耕層土壤有機(jī)碳時空變化及影響因素顯著性變化分析[J]．土壤通報，2015，46(5)：1063-1070．

[11]蔡會德，張偉，江錦烽，等．廣西森林土壤有機(jī)碳儲量估算及空間格局特征[J]．南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，38(6)：1-5．

[12]陳曦．廣西土壤有機(jī)碳儲量估算及與全國部分省區(qū)的比較研究[J]．地理科學(xué)，2014，34(10)：1247-1253．

[13]李斌，方晰，李巖，等．湖南省森林土壤有機(jī)碳密度及碳庫儲量動態(tài)[J]．生態(tài)學(xué)報，2015，35(13)：4265-4278．

[14]于?？?，黃新會，王克勤，等．桉樹人工林生態(tài)退化與恢復(fù)研究進(jìn)展[J]．中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2009，17(2)：393-398．

[15]HUANG X M，LIU S R，WANG H，et al．Changes of soil microbial biomass carbon and community composition through mixing nitrogen-fixing species with Eucalyptus urophylla in subtropical China[J]．SoilBiology&Biochemistry，2014，73(6)：42-48．

[16]史進(jìn)納，蔣代華，肖斌，等．不同連栽代次桉樹林土壤有機(jī)碳演變特征[J]．熱帶作物學(xué)報，2015，36(4)：748-752．

[17]國家林業(yè)局．森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范(LY/T 1721-2008)[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：1-12．

[18]張敏，賀鵬飛，陳偉強(qiáng)．基于 GIS 和地統(tǒng)計學(xué)的土壤養(yǎng)分空間變異分析[J]．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，41(3)：53-58．

[19]CRESSIE N．The origins of Kriging[J]．MathematicalGeology，1990，22(3)：239-252．

10.16832/j.cnki.1005-9709.2017.02.007

2016-08-02 基金項目：國家自然科學(xué)基金國際合作項目(31361130342)、教育部博士點基金博導(dǎo)類項目(20123204110015)

陳書林(1981-)，男，江蘇泰興人，講師，博士研究生，從事森林生態(tài)經(jīng)濟(jì)方面的研究，(電話)13611599434，(E-mail)chenshulin0923@163.com。

溫作民(1961-)，男，浙江杭州人，教授，博士，從事生態(tài)經(jīng)濟(jì)方面的研究，(電話)13851866458，(E-mail)zmwen@njfu.edu.cn。

F326.23

A

1005-9709(2017)02-0035-05