湖南省森林植被碳儲量及其空間格局特征

夏 栗，張 慧，李 科

（1.中南大學(xué)信息物理工程學(xué)院，中南大學(xué)空間信息技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展研究中心，湖南 長沙 410083；2.湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410007； 3.岳陽市林業(yè)科學(xué)研究所，湖南 岳陽 414000）

湖南省森林植被碳儲量及其空間格局特征

夏 栗1,2，張 慧2，李 科3

（1.中南大學(xué)信息物理工程學(xué)院，中南大學(xué)空間信息技術(shù)與可持續(xù)發(fā)展研究中心，湖南 長沙 410083；2.湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410007； 3.岳陽市林業(yè)科學(xué)研究所，湖南 岳陽 414000）

根據(jù)湖南省森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，運用生物量清單法和平均生物量法，對湖南省森林植被碳儲量分喬木林碳庫、竹林碳庫、經(jīng)濟林碳庫和灌木林碳庫 4 大碳庫分別進(jìn)行估算并分析其空間格局的差異與特征。結(jié)果表明：湖南省 2016 年森林植被碳儲量為 253.359 TgC，平均碳密度為 24.266 t/hm2。全省 14 個市州中，懷化市的森林植被碳儲量最大，為 36.863 TgC，其次是邵陽市、永州市和郴州市，常德市的森林植被碳密度最高，為 40.584 t/hm2；不同森林植被類型中，闊葉樹碳儲量最大，三杉碳密度最高。

碳儲量；森林植被；空間格局；湖南

溫室效應(yīng)、氣候變暖問題影響到全人類的生存和發(fā)展，減少 CO2排放和通過生物措施增加碳匯是實現(xiàn)全球碳平衡的主要途徑。陸地生態(tài)系統(tǒng)是一個巨型碳庫，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量估算為 2 500 PgC，是大氣碳儲量（750 PgC）的 3 倍［1］。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，與其他陸地生態(tài)系統(tǒng)相比，森林具有較高的生產(chǎn)力，單位面積森林碳儲量是農(nóng)田的 20 ～ 100 倍［2］，森林每年固定的碳約占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的 2/3［3,4］，每年通過光合作用和呼吸作用與大氣進(jìn)行的碳交換量占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)碳交換量的 90%［5-8］。森林植被碳儲量占陸地植被碳儲量的 77%［5,9］，中國森林植被碳匯量占森林總碳匯量的 44.4% ～ 63.2%［8］。因此，森林植被碳匯在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

目前，全球森林植被碳儲量的估算值約為359 ～ 744 PgC［10］。較多資料顯示，北半球中高緯度的森林植被是一個重要的碳匯［11-13］。中國作為最大的亞洲國家，其森林植被碳匯功能對研究本區(qū)域碳循環(huán)至關(guān)重要。2000 年以來，我國森林植被碳儲量的估算結(jié)果差異較大，范圍在3.255 ～ 6.868 PgC［14-18］。為更準(zhǔn)確估算全國森林植被碳儲量，開展省域尺度的森林植被碳儲量研究具有重要意義。

湖南省是我國南方重點林區(qū)之一，森林資源豐富。數(shù)據(jù)來源不一致、植被分類系統(tǒng)不完整、估算方法不統(tǒng)一等，導(dǎo)致了湖南省森林植被碳儲量估算結(jié)果的不確定性［19-21］。為此，我們以《湖南省 2016 年度森林資源統(tǒng)計年報》為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，運用生物量清單法［17］和平均生物量法［22］，對湖南省森林植被碳儲量分 4 大碳庫進(jìn)行估算并分析其空間格局差異與特征，為估算全國尺度的森林植被碳儲量提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

湖南省位于長江中游的荊江河南岸，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 108°47'～114°15'，北緯 24°38'～30°08'，土地總面積約 2 118.35 萬 hm2，其中 51.2% 為山地，13.9% 為盆地，13.1% 為平原，15.4% 為丘陵，6.4% 為水域。地貌輪廓大體上東、南、西三面為山地環(huán)繞，中部和北部地勢低平，呈復(fù)式馬蹄型丘陵性盆地的地貌格局［23］。湖南為大陸性中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，光、熱、水資源豐富，天然林更新能力強。2016 年湖南省林業(yè)用地總面積 1 300.61萬 hm2，森林覆蓋率59.64%，活立木總蓄積量52 620.72 萬 m3。

湖南省喬木林優(yōu)勢樹種主要有杉木、馬尾松、闊葉樹（楊樹、桉樹以外的闊葉樹，下同）、柏木、國外松、楊樹、桉樹和三杉［24］8 種。其中：杉木、馬尾松和闊葉樹面積約占全省有林地面積的74.29%，懷化市分布最多；經(jīng)濟林樹種主要是油茶，油茶面積約占全省經(jīng)濟林面積的 78.47%；竹林種類基本為毛竹，益陽市分布最多。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)來源于在湖南省森林資源“十五”二類調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上更新形成的《湖南省 2016年度森林資源統(tǒng)計年報》。數(shù)據(jù)包括湖南省 2016年各市州喬木林（包括疏林、散生木和四旁樹中的喬木）8 大優(yōu)勢樹種的面積和蓄積、毛竹株數(shù)和面積、經(jīng)濟林、灌木林的面積和蓄積。

2.2 森林植被碳儲量及碳密度的估算方法

森林植被碳儲量的研究起步于 20 世紀(jì) 60 年代中后期［25］，森林碳儲量的計算方法主要有生物量法、蓄積量法、生物量清單法、渦旋相關(guān)法［26］以及遙感估測法［27］。我們將湖南省森林植被碳儲量分為喬木林碳庫、竹林碳庫、經(jīng)濟林碳庫、灌木林碳庫 4 大碳庫，其中喬木林按優(yōu)勢樹種分為8 類，因此，本研究分別估算全省 11 個森林植被類型的碳儲量，并以森林植被碳儲量與森林植被面積之比計算碳密度。

2.2.1 喬木林碳庫的估算方法 喬木林生物量采用顧凱平等［17］建立的生物量清單法計算。從張坤［28］的研究數(shù)據(jù)中篩選和整理出湖南省 8 大喬木優(yōu)勢樹種的樹干密度和含碳率（見表 1），并以此為參數(shù)估算喬木林各樹種碳儲量。計算公式為：

式中：C喬為喬木林碳庫，Vi為某樹種的蓄積量，Di為某樹種的樹干密度，R 為樹干生物量占喬木總生物量的比例，Ci是某樹種的含碳率。本研究R值取王效科等［29］對于中國森林生態(tài)系統(tǒng)生物量研究的結(jié)果之一，為 51.83%。與方精云等［30］采用的 BEF 連續(xù)函數(shù)法相比，該方法不再使用固定值作為植物含碳率，而是根據(jù)不同樹種的蓄積量、樹干密度及含碳率分別計算其碳儲量，準(zhǔn)確度更高，且更適用于本研究的數(shù)據(jù)源。

表1 湖南省喬木林8大優(yōu)勢樹種的樹干密度及含碳率Tab.1Trunk density and carbon rate of 8 dominant species of high-forest in Hunan

2.2.2 竹林碳庫的估算方法 竹林生物量采用竹林單株模型法計算［22］。計算公式為：

式中：B竹為竹林生物量，N竹為毛竹株數(shù)（毛竹占湖南竹類總數(shù)的 97% 以上，其他雜竹做灌木處理），N散為散生毛竹株數(shù)，CF竹為單株毛竹平均生物量，C竹為竹林碳庫，Ci為毛竹生物量含碳率。本研究 Ci值取 0.47（IPCC 2006 年調(diào)整參數(shù)，下同）；CF竹值取聶道平［31］、方精云等［22］的研究成果數(shù)據(jù) 22.5 kg/株。

2.2.3 經(jīng)濟林碳庫和灌木林碳庫的估算方法 經(jīng)濟林和灌木林生物量均采用單位面積平均生物量法計算［32,33］。計算公式為：

式中：B經(jīng)（灌）為經(jīng)濟林或灌木林生物量，A經(jīng)（灌）為經(jīng)濟林或灌木林的面積，CF經(jīng)（灌）為經(jīng)濟林或灌木林單位面積平均生物量，C經(jīng)（灌）為經(jīng)濟林或灌木林碳庫，Ci為經(jīng)濟林或灌木林的生物量含碳率。本研究 CF經(jīng)（灌）值取郭兆迪等［32］、金小華等［33］對中國森林植被生物量單位面積平均生物量的推算結(jié)果，即我國秦嶺淮河以南地區(qū)的經(jīng)濟林單位面積平均生物量為 23.7 t/hm2，灌木林單位面積平均生物量為 19.76 t/hm2。

3 結(jié)果與分析

3.1 湖南省森林植被碳庫

3.1.1 森林植被碳庫 湖南省 2016 年森林植被碳儲量的估算結(jié)果為 253.359 TgC（見表 2）。目前我國在全國尺度上的估算成果主要有：郭兆迪等［32］根據(jù) 1977 ～ 2008 年間的全國森林資源清查資料，得出湖南省 2004 ～ 2008 年森林碳庫為168.8 TgC；王效科［29］根據(jù)第 3 次全國森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)，得到湖南省 1984 ～ 1988 年森林植被碳庫為 38.72 TgC。在省區(qū)尺度上的估算成果主要有：黃方等［19］利用湖南省森林資源主要數(shù)據(jù)匯編得出湖南省 1999 ～ 2003 年主要森林類型的碳庫為94.935 TgC；焦秀梅等［20］基于湖南省第 4 次森林資源調(diào)查資料估算湖南省 1990 ～ 1995 年間森林植被碳庫為 173.974 TgC。

表2 湖南省14個市州的11個森林植被類型碳儲量Tab.2 Carbon storage of the 11 forest vegetation types in 14 cities of Hunan（TgC）

3.1.2 區(qū)域分布特征 全省 14 個市州中，懷化市的森林植被碳儲量最大，為 36.863 TgC，占總量的 14.55%，其次依次是邵陽市、永州市和郴州市，森林植被碳儲量最小的是湘潭市，為 4.707 TgC（表 2）。

碳儲量大小與森林植被面積、活立木蓄積量的大小密切相關(guān)，懷化市森林植被面積和蓄積量均為全省最高（見表 3），其森林植被碳儲量

表3 湖南省14個市州森林植被面積、蓄積與碳儲量、碳密度Tab.3The vegetation area, volume, carbon storage and carbon density of each county

3.1.3 植被類型碳庫差異 從全省 11 個森林植被類型的碳儲量來看，闊葉樹碳儲量最大，為75.833 TgC，占總碳儲量的 29.93%，其次是杉木和馬尾松，碳儲量最小的是三杉（見表 2）。各樹種碳儲量與其面積和蓄積基本呈正相關(guān)關(guān)系，闊葉樹的面積、蓄積和碳儲量均為全省最高，其次為杉木、馬尾松和竹林，三杉在省內(nèi)分布最少，其碳儲量最小（見表 4）。

3.2 湖南省森林植被碳密度

3.2.1 森林植被碳密度 根據(jù)表 5 可知湖南省森林植被平均碳密度為 24.266 t/hm2。目前我國在全國尺度上的估算成果主要有：郭兆迪等［32］根據(jù)也最大。湘西北逆時針方向至湘東南區(qū)域（簡稱湘西北——東南區(qū)）的森林植被碳儲量顯著高于其他區(qū)域，該區(qū)域依次分布有西北的武陵山脈，西部的雪峰山脈，南部的五嶺山脈以及東南部的羅霄山脈，地貌輪廓決定了該區(qū)域是湖南省森林資源的集中分布區(qū)；湘北植被碳儲量僅次于湘西北——東南區(qū)，該區(qū)洞庭湖平原面積廣大，屬洞庭湖防護(hù)林區(qū)；湘中及湘東植被碳儲量最低，該區(qū)多為丘陵崗地，是包括長株潭在內(nèi)的城市擴張區(qū)，森林資源分布相對較少（圖 1）。1977 ～ 2008 年間的全國森林資源清查資料，得出湖南省 2004 ～ 2008 年森林碳密度為 23.2 t/hm2；王效科等［29］根據(jù)第 3 次全國森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)，得到湖南省 1984 ～ 1988 年森林植被碳密度小于 12.4 t/hm2。在省區(qū)尺度上的估算成果主要有：黃方等［19］利用湖南省森林資源主要數(shù)據(jù)匯編得出湖南省 1999 ～ 2003 年主要森林類型的平均碳密度為 18.667 t/hm2；焦秀梅等［20］基于湖南省第 4 次森林資源調(diào)查資料估算湖南省 1990 ～ 1995 年間森林植被平均碳密度為 15.882 t/hm2。

圖1 湖南省2016年森林植被碳儲量的地理分布Fig.1 Geographic distribution of forest carbon storage of Hunan in 2016

表4 各森林植被類型面積、蓄積、碳儲量與碳密度Tab.4The area, volume, carbon storage and carbon density of each species

表5 湖南省14個市州的11個森林植被類型碳密度Tab.5 Carbon density of the 11 forest vegetation types in 14 cities of Hunan（t/hm2）

圖2 湖南省2016年森林植被碳密度的地理分布Fig.2 Geographic distribution of forest carbon density of Hunan in 2016

3.2.2 區(qū)域分布特征 全省 14 個市州平均植被碳密度最高的是常德市，為 40.584 t/hm2，其次依次是益陽市、郴州市和邵陽市，平均植被碳密度最低的是株洲市，為 15.432 t/hm2（表 5）。碳密度值反映森林質(zhì)量情況，對比各市州森林植被碳儲量和碳密度發(fā)現(xiàn)，邵陽市森林資源豐富且森林質(zhì)量較高，岳陽市雖森林資源分布較少，但由于森林撫育得當(dāng)，森林質(zhì)量較高（圖 2）。

3.2.3 植被類型碳密度差異 從全省 11 個植被類型的碳密度來看，三杉平均碳密度最大，為44.537 t/hm2，其次依次為楊樹、桉樹和毛竹，灌木林平均碳密度最小，為 9.287 t/hm2（表 5）。樹種碳密度的差異不僅與樹種含碳率有關(guān)，更反映了樹種的生長情況。因此根據(jù)適地適樹的原則，適宜在湖南省推廣的樹種主要有三杉、楊樹和桉樹。

4 結(jié)論與討論

（1）湖南省 2016 年森林植被碳儲量為253.359 TgC。全省 14 個市州中，懷化市森林植被碳儲量最大，為 36.863 TgC，其次依次是邵陽市、永州市和郴州市，湘潭市森林植被碳儲量最小，為 4.707 TgC。11 個森林植被類型中，闊葉樹碳儲量最大，為 75.833 TgC，其次是杉木和馬尾松，三杉碳儲量最小。

（2）湖南森林植被平均碳密度為 24.266 t/hm2。全省 14 個市州中，常德市平均植被碳密度最高，為 40.584 t/hm2，其次依次是益陽市、郴州市和邵陽市，株洲市平均植被碳密度最低，為15.432 t/hm2。11 個森林植被類型中，三杉平均碳密度最大，為 44.537 t/hm2，其次依次為楊樹、桉樹和毛竹，灌木林平均碳密度最小，為 9.287 t/hm2。

（3）本研究中喬木林碳庫是 8 大優(yōu)勢樹種的碳儲量之和，這樣的處理必然產(chǎn)生一定誤差；由于數(shù)據(jù)的有限性，本研究對竹林、經(jīng)濟林和灌木林的碳庫估算采用單株模型法和單位面積平均生物量法，這兩種方法本身較生物量清單法的估算精度低；本研究計算喬木林生物量時，雖已包括疏林、散生木和四旁樹中喬木的生物量，但未包含喬木林中無蓄積的林木生物量，如未成林造林地內(nèi)的林木生物量和枯倒木生物量，這部分林木生物量所占比例雖小，但對于固定 CO2也起到一定作用，有待今后定量化研究。

（4）湖南省森林植被碳儲量區(qū)域分布地帶性明顯，湘西北——東南片區(qū)森林植被碳儲量是全省森林植被碳儲量的主要貢獻(xiàn)者，湘東北及湘中地區(qū)植被碳儲量和碳密度相對較低，這說明該區(qū)森林資源匱乏且森林質(zhì)量有待提升，碳增匯潛力大。因此，應(yīng)在植被碳儲量薄弱區(qū)推廣碳密度高的造林樹種（三杉、楊樹、桉樹）并加強森林撫育，尤其是長株潭生態(tài)敏感區(qū)域要協(xié)調(diào)城市擴張與城市綠地保護(hù)的關(guān)系，應(yīng)實施生態(tài)綠心提質(zhì)計劃，提高森林植被碳匯能力。

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（文字編校：龔玉子）

Carbon storage of forest vegetation and the spatial pattern characteristics of Hunan Province

XIA Li1,2，ZHANG Hui2，LI Ke3
（1.School of Geoscience and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China；2.Hunan Prospecting Designing & Research General Institute for Agriculture & Forestry & Industry，Changsha 410007，China；3.Yueyang Forestry Science Research Institute，Yueyang 414000，China）

Basing on the forest resource inventory of Hunan Province，we estimated the forest vegetation carbon storage by biomass inventory method and average biomass method.Furthermore，we analyzed differences and characteristics of the carbon storage spatial pattern.In the present work，the forest vegetation carbon storage of Hunan was divided into four carbon pools，they were high-forest carbon pool，bamboo-forest carbon pool，economic-forest carbon pool and shrubforest carbon pool.The high-forest carbon pool was estimated by biomass inventory method，carbon pools of economicforest，shrub-forest and bamboo-forest were estimated by average biom ass method.It was shown by the res ults that carbon storage and carbon density of Hunan forest vegetation in 2016 was 253.359 TgC and 24.266 t/hm2respectively.Among the 14 states in Hunan, the forest vegetation carbon storage of Huaihua City was the largest with the value of 36.863 TgC，followed by Shaoyang City，Yongzhou City and Chenzhou City.Meanwhile，the forest carbon density of Changde City was the highest with the value of 40.584 t/hm2.Among the 11 fores t vegetation types，the forest carbon storage of broad-leaved tree was the largest，while the forest carbon density of mixed taxodiaceae（Metasequoia glyptostroboides,Taxodiumascenden, Taxodiumdistichum (L.) Rich, and Glyptostrobuspensilis) was the highest.

carbon storage；forest vegetation；spatial pattern；Hunan

S 718.5

A

1003-5710（2017）03-0001 -07

10.3969/j.issn.1003-5710.2017.03.001

2017-04-06

國家自然科學(xué)基金（41171326，41201386，41201383）

夏 栗（1985-），女，湖南省桃江縣人，博士研究生，主要從事林業(yè)信息工程與地理信息系統(tǒng)研究