杉木、馬尾松等不同樹種組碳儲量與碳密度研究

彭建都，劉 青，龔文彬，黃志韌，張 志，陶超武

（1.安化縣芙蓉國有林場，湖南 安化 413500； 2.安化縣林業(yè)局，湖南 安化 413500；3.安化縣柘溪國有林場，湖南 安化 413500）

杉木、馬尾松等不同樹種組碳儲量與碳密度研究

彭建都1，劉 青2，龔文彬1，黃志韌2，張 志2，陶超武3

（1.安化縣芙蓉國有林場，湖南 安化 413500； 2.安化縣林業(yè)局，湖南 安化 413500；3.安化縣柘溪國有林場，湖南 安化 413500）

以新化縣森林資源為研究對象，基于 2014 年新化縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，借助 Arcgis 空間分析，利用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法計算出不同樹種組的碳儲量以及碳密度。結(jié)果表明：（1）各樹種組碳儲量的大小排序為：杉木組＞馬尾松組＞竹木組＞柏木組＞慢生闊葉樹組＞中生闊葉樹組＞灌木組＞國外松組＞果樹組＞速生闊葉樹組＞食用原料樹種組＞藥用樹種組＞楊樹組＞林化原料樹種組；（2）各樹種組碳密度的大小排序為：中生闊葉樹組＞速生闊葉樹組＞柏木＞國外松組＞竹木組＞楊樹組＞杉木組＞慢生闊葉樹組＞馬尾松組＞果樹組＝食用原料樹種組＝林化原料樹種組＞灌木組＞藥用樹種組。

新化縣；生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法；森林碳儲量；碳密度

自工業(yè)革命以來，人類向大氣排放的 CO2等溫室氣體持續(xù)增加［1-2］，導(dǎo)致全球氣候變暖，這一現(xiàn)象引發(fā)了全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，因為全球變暖將威脅到人類的生存和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展［3-6］。對此，中國做出了回應(yīng)：黨的十八大報告把積極開展碳排放權(quán)交易試點納入大力推進生態(tài)文明制度建設(shè)的重要內(nèi)容。碳匯林業(yè)與碳排放權(quán)交易有著十分密切的關(guān)系，因此碳匯林業(yè)發(fā)展前景廣闊。新化縣作為湖南省重點林區(qū)縣、湖南省杉木林基地縣、竹林面積 2.2 萬 hm2以上的省重點毛竹基地縣、林業(yè)重點生態(tài)工程建設(shè)縣，其森林資源十分豐富。因此開展新化縣杉木、馬尾松等不同樹種組碳儲量及碳密度研究，對新化縣現(xiàn)有的森林碳匯價值估算具有重要意義，可為新化縣更好地發(fā)展碳匯林業(yè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新化縣隸屬于湖南省婁底市，位于湖南中部偏西、婁底市西部，資水中游，雪峰山東南麓，地處東經(jīng) 110°45'～111°41'，北緯 27°31'～28°14'，全縣總面積 364 253.17 hm2，占全省面積的 1.69%，占婁底市面積的 43.94%，且素有“湘中寶地”的美稱。境內(nèi)群山起伏，地貌類型多樣，如丘陵、山地、盆地、準平原均有所分布。新化縣屬于中亞熱帶季風濕潤氣候，具有光溫豐富的大陸性氣候以及空氣濕潤、雨水充沛的海洋性氣候兩種特征，陽光充足，氣候溫暖，全年平均降水量為 1 473.1 mm，年平均濕度 78%。研究區(qū)內(nèi)森林資源豐富，大部分為喬木植物，其次是草本植物。喬木林主要是杉木、松樹及竹林等，其林種結(jié)構(gòu)以用材林為主，總蓄積量高達5.12×106 m3，占活立木蓄積的 93.09%；經(jīng)濟林主要是柑桔、板栗、杜仲、油茶以及茶葉等，總面積為 1.2×104 hm2；楠竹是新化縣第三大類喬木林，總面積達 2.2×104 hm2，合計 4 800 萬株。草本植物屬于山地稀疏草叢，多數(shù)為可飼牧草，諸如黃茅、小糠草、馬唐、蟋蟀草、鵝冠花等。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

以湖南省新化縣 2014 年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用 Arcgis 篩選出新化縣不同樹種組的分布范圍，其空間分布圖如圖1 所示。

圖1 新化縣不同樹種組的空間分布圖Fig.1 The spatial distribution of different tree species in Xinhua County

1.3 研究方法

根據(jù)新化縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，喬木林有：杉木組、馬尾松組、國外松組、柏木組、楊樹組、速生闊葉樹、中生闊葉樹、慢生闊葉樹、藥用樹種組；經(jīng)濟林有：林化原料樹組、果樹組、食用原料樹組；竹林有竹木組；灌木林有灌木林與鹽膚木。

1.3.1 喬木林生物量估算 估算森林碳儲量的常用方法主要有生物量模型法、渦度協(xié)方差法［7-8］以及生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法等等。本研究采用方精云等［9］提出的生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法進行估算，其計算公式為：

式中：B（t/hm2）為單位面積的生物量，V（m3/hm2）為相對應(yīng)的單位面積蓄積量，B林（t）為某一林分類型的總生物量，A（hm2）為相對應(yīng)的樹種面積，a 和 b 為轉(zhuǎn)換因子系數(shù)，不同林分類型轉(zhuǎn)換因子系數(shù)參照表 1。

表1 不同林分類型生物量換算因子系數(shù)Tab.1Biomass of different forest types of conversion factor coefficient

1.3.2 經(jīng)濟林、竹林及灌木林生物量 目前，國內(nèi)外研究者對經(jīng)濟林、竹林及灌木林生物量估算大多采用平均生物量法，因此本研究也采用平均生物量法，計算參數(shù)采取方精云［9］的研究成果，這也是目前我國大部分研究者基于大尺度估算林木生物量所采用的參數(shù)。本研究區(qū)為新化縣，因此采用秦嶺淮河以南地區(qū)的平均生物量，其具體參數(shù)為：經(jīng)濟林 23.7 t/hm2，竹林 22.5 kg/株，灌木林 19.76 t/hm2。對于散生木及四旁樹的生物量，由于散生木及四旁樹的數(shù)據(jù)獲取難度大，且所占比例小，對最終林木生物量的計算結(jié)果影響不大，故散生木及四旁樹不在本研究范圍內(nèi)。

1.3.3 森林碳儲量與碳密度 由林木生物量轉(zhuǎn)化為碳儲量一般根據(jù)植物干重中 C 所占的比例來進行計算。故森林碳儲量等于含碳系數(shù)與林木生物量的乘積，含碳系數(shù)為林木每克干重的碳含量。本研究采用目前國際上常用的、不分樹種的含碳系數(shù)—0.5進行計算，計算公式如下：

式中：C（t）表示碳儲量，B（t）表示與其對應(yīng)的林木生物量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種組碳儲量與碳密度分布特征

根據(jù)公式（1）—（3）計算新化縣不同樹種的森林碳儲量，結(jié)果如圖 2 所示。由圖 2 可知，不同樹種組其碳儲量按大小排序依次為：杉木組＞馬尾松組＞竹木組＞柏木組＞慢生闊葉樹組＞中生闊葉樹組＞灌木組＞國外松組＞果樹組＞速生闊葉樹組＞食用原料樹種組＞藥用樹種組＞楊樹組＞林化原料樹種組。新化縣作為湖南省重點杉木林基地縣，其杉木面積占全縣林地總面積的 34.05%，杉木蓄積量占全縣總蓄積量的 47.92%，故其碳儲量所占比重最大。新化縣是湖南省的松木出口大縣，其馬尾松面積僅次于杉木林，占全縣林地總面積的26.38%，其蓄積量占總蓄積量的 38.73%，故其碳儲量僅次于杉木。新化縣作為竹林面積 2.2 萬 hm2以上的省重點毛竹基地，其毛竹面積僅次于杉木與馬尾松，占總面積的 14.10%，從而竹木組碳儲量低于馬尾松組碳儲量。

圖2 新化縣不同樹種組的蓄積、碳儲量與碳密度Fig.2 The accumulation, carbon storage and carbon density of different tree species in Xinhua County

據(jù)新化縣森林碳儲量計算森林碳密度，其結(jié)果如圖 2 所示。由圖 2 可知，不同樹種組其碳密度按大小排序依次為：中生闊葉樹組＞速生闊葉樹組＞柏木＞國外松組＞竹木組＞楊樹組＞杉木組＞慢生闊葉樹組＞馬尾松組＞果樹組＝食用原料樹種組＝林化原料樹種組＞灌木組＞藥用樹種組。中生闊葉樹種組中木荷的碳密度高達 66.22 t/hm2，故中生闊葉樹組的碳密度最大；速生闊葉樹種組中各樹種的碳密度有高有低，故速生闊葉樹組的平均碳密度低于中生闊葉樹組；藥用樹種組以收獲其藥用價值為主，林分密度低，故其碳儲量含量低，碳密度最小。

2.2 杉木組碳儲量與碳密度分布特征

依據(jù)新化縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，研究區(qū)共有杉木小班 45 747 個，總面積 99 849.6 hm2，總碳儲量 2 048 814.44 t。其中 0 - 240 t 的碳儲量小班數(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位，有 44 359 個，占杉木總小班數(shù)的 96.97%，其面積為 81 913.8 hm2，占新化縣杉木總面積的 82.04%，其碳儲量為 1 574 266.45 t，占新化縣杉木總碳儲量的 76.84%，此類杉木小班遍布杉木的所有區(qū)域；其次為 240 - 480 t 的碳儲量小班，其小班個數(shù) 1 256 個，占 2.75%，其面積 14 931.2 hm2，占 14.95%，其碳儲量393 333.03 t，占 19.20%，零散分布在圳上鎮(zhèn)、榮華鄉(xiāng)、奉家鎮(zhèn)、天門鄉(xiāng)、文田鎮(zhèn)等區(qū)域；480 - 720 t 的碳儲量小班個數(shù) 105 個，占 0.23%，其面積2 240.7 hm2，占 2.24%，其碳儲量 58 316.96 t，占2.85%，零星分布在圳上鎮(zhèn)、奉家鎮(zhèn)、天門鄉(xiāng)、文田鎮(zhèn)等區(qū)域；720 - 860 t 的碳儲量小班個數(shù) 18 個，占 0.04%，其面積 500.7 hm2，占 0.50%，其碳儲量 14 199.42 t，占 0.69%，僅在榮華鄉(xiāng)、水車鎮(zhèn)、天門鄉(xiāng)等區(qū)域零星分布；860 - 1126 t 的碳儲量小班個數(shù) 9 個，僅占 0.02%，其面積 263.2 hm2，占 0.26%，其碳儲量 8 698.64 t，占 0.42%，僅在天門鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)個別分布。

圖3 新化縣杉木組不同齡組的碳密度Fig.3 The carbon density of different age groups of Chinese fir in Xinhua County

由圖 3 可知，新化縣杉木組的碳密度隨著年齡的增長而先增加后減少，符合杉木林的生長規(guī)律。杉木組的平均碳密度為 21.83 t/hm2，幼齡林與中齡林均低于平均碳密度，近熟林、成熟林與過熟林均高于平均碳密度。故為了提高杉木組的碳儲量，可以采取相應(yīng)的經(jīng)營管理措施，加速林木的生長，使其從幼齡林與中齡林盡快過渡到近熟林、成熟林。此外，由于過熟林的林木枯萎，生長潛能大大降低，導(dǎo)致其碳密度反而低于成熟林，應(yīng)及時砍伐，補充新的林分，既能更新?lián)Q代，又能創(chuàng)造經(jīng)濟效益。

2.3 馬尾松組碳儲量與碳密度分布特征

依據(jù)新化縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，研究區(qū)共有馬尾松小班 35 222 個，總面積 88 493.7 hm2，總碳儲量 1 107 437.42 t。其中 0 - 200 t 的碳儲量小班數(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位，有 34 386 個，占馬尾松總小班數(shù)的 97.63%，其面積為 77 473.3 hm2，占新化縣馬尾松總面積的 87.55%，其碳儲量為 859 757.18 t，占新化縣馬尾松總碳儲量的77.63%，此類馬尾松小班遍布馬尾松的所有區(qū)域；其次為 200 - 400 t 的碳儲量小班，其小班個數(shù) 741 個，占 2.10%，其面積 9 021.9 hm2，占10.19%，其碳儲量 198 663.7 t，占 17.94%，零散分布在圳上鎮(zhèn)、白溪鎮(zhèn)、坐石鄉(xiāng)、吉慶鎮(zhèn)、水車鎮(zhèn)、文田鎮(zhèn)、油溪鄉(xiāng)等區(qū)域；400 - 600 t 的碳儲量小班個數(shù) 76 個，占 0.22%，其面積 1 588.6 hm2，占 1.80%，其碳儲量 35 626.76 t，占 3.22%，零星分布在白溪鎮(zhèn)、水車鎮(zhèn)、文田鎮(zhèn)、油溪鄉(xiāng)等區(qū)域；600 - 800 t 的碳儲量小班個數(shù) 14 個，占0.04%，其面積 297.8 hm2，占 0.34%，其碳儲量8 963.53 t，占 0.81%，僅在圳上鎮(zhèn)、吉慶鎮(zhèn)、坐石鄉(xiāng)、白溪鎮(zhèn)等區(qū)域零星分布；800 - 970 t 的碳儲量小班個數(shù) 5 個，僅占 0.01%，其面積 112.1 hm2，占 0.13%，其碳儲量 4 426.27 t，占 0.40%，僅在吉慶鎮(zhèn)、坐石鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)個別分布。

圖4 新化縣馬尾松組不同齡組的碳密度Fig.4 The carbon density of different age groups of Pinus massoniana in Xinhua County

由圖 4 可知，新化縣馬尾松組的碳密度隨著年齡的增長而逐漸增加，符合馬尾松林的生長規(guī)律。馬尾松組的平均碳密度為 12.81 t/hm2，幼齡林與中齡林均低于平均碳密度，近熟林、成熟林與過熟林均高于平均碳密度。同比杉木林，以提高馬尾松組的碳儲量，可以采取相應(yīng)的經(jīng)營管理措施，加速馬尾松林的生長速率，使其從幼齡林與中齡林盡快過渡到近熟林、成熟林。此外，由于馬尾松林生長較杉木林緩慢，其衰老速度大大降低，故過熟林的碳密度比成熟林高，但其增加值比中齡林至近熟林、近熟林至成熟林大大降低，故為了最大限度的提高馬尾松林的碳儲量，可以對馬尾松的過熟林有計劃的砍伐。

3 結(jié)論與討論

基于新化縣 2014 年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，利用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法［9］計算出不同樹種組的碳儲量及碳密度，各樹種組碳儲量的排序為：杉木組＞馬尾松組＞竹木組＞柏木組＞慢生闊葉樹組＞中生闊葉樹組＞灌木組＞國外松組＞果樹組＞速生闊葉樹組＞食用原料樹種組＞藥用樹種組＞楊樹組＞林化原料樹種組；各樹種組碳密度的排序為：中生闊葉樹組＞速生闊葉樹組＞柏木＞國外松組＞竹木組＞楊樹組＞杉木組＞慢生闊葉樹組＞馬尾松組＞果樹組＝食用原料樹種組＝林化原料樹種組＞灌木組＞藥用樹種組。

森林是一個動態(tài)和發(fā)展的概念，不同時期、不同地域以及不同研究領(lǐng)域人們對森林的認識和需求都不盡相同，森林碳儲量的研究方法［10-16］也都需要與時俱進地作相應(yīng)的有建設(shè)性的調(diào)整。此外，森林碳儲量的估算結(jié)果以及空間分布應(yīng)更多地通過 GIS 的可視化體現(xiàn)出來，以此來直觀地指導(dǎo)林業(yè)的生產(chǎn)與經(jīng)營。

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（文字編校：張 珉）

Carbon storage and carbon density of different tree species

PENG Jiandou1，LIU Qing2，GONG Wenbin1，HUANG Zhiren2，ZHANG Zhi2，TAO Chaowu3
（1.The State-owned Furong Forestry Station of Anhua County，Anhua 413500，China；2.Forestry Bureau of Anhua County，Anhua 413500，China；3.The State-owned Zhexi Forestry Station of Anhua County，Anhua 413500，China）

Based on two types of forest resources in Xinhua County in 2014，the forest resources of Xinhua County were taken as the res earch object.The carbon storage and carbon density of different tree s pecies were calculated by us ing Arcgis spatial analysis and the method of biomass conversion factor continuous function.The results demonstrated that：carbon storage of the tree species in the size of the order：Chinese fir group ＞ Pinus massoniana group ＞ bamboo group＞ cypress group ＞ slow growing broad-leaved tree group ＞ broadleaf tree group ＞ shrub group ＞ foreign pine group ＞ fruit group ＞ fast-growing broad-leaved tree group ＞ edible raw m aterials species group ＞ medicinal species group ＞ poplar group ＞ forest chemical raw material forest s pecies group.The order of the s ort of various s pecies of carbon dens ity：broadleaf tree group ＞ fast-growing broad-leaved tree group ＞ cypress group ＞ foreign pine group ＞ bamboo group ＞ poplar group ＞ Cunninghamia lanceolata group ＞ slow growing broadleaf tree group ＞ Pinus massoniana group ＞ fruit group =edible raw materials species = forest chemical raw material species group ＞ shrubs group ＞ medicinal species group.

Xinhua County；biomass conversion factor continuous function method；forest carbon storage；carbon density

S 718.56

A

1003-5710（2017）03-0061 -05

10.3969/j.issn.1003-5710.2017.03.010

2017-03-07

湖南省科技計劃重點項目（No.2012FJ4565）

彭建都（1970-），男，湖南省益陽市人，林業(yè)工程師，主要從事林業(yè)調(diào)查規(guī)劃和森林資源經(jīng)營研究