湖南省2014年森林植被碳儲量、碳密度及其區(qū)域空間分布格局

李雷達(dá) ，方 晰 ，2，李 斌 ，3，劉兆丹

（1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004；3. 國家林業(yè)局，北京 100714）

湖南省2014年森林植被碳儲量、碳密度及其區(qū)域空間分布格局

李雷達(dá)1，方 晰1，2，李 斌1，3，劉兆丹1

（1. 中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004；3. 國家林業(yè)局，北京 100714）

為明晰湖南省現(xiàn)有森林植被碳儲量區(qū)域分布格局，基于湖南省2014年森林資源年度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合材積源生物量法估算了湖南省現(xiàn)有森林植被碳儲量、碳密度及其區(qū)域空間分布格局。結(jié)果表明：（1）湖南省喬木林植被碳儲量為145.23×106t，其中闊葉林植被碳儲量占47.52%，幼齡林和中齡林植被碳儲量之和占69.49%；湖南省喬木林植被平均碳密度為16.26 t·hm-2。（2）湖南省現(xiàn)有森林植被碳儲量為196.95×106t，其中喬木林植被碳儲量占73.73%，湖南省現(xiàn)有森林植被平均碳密度為16.31 t·hm-2，比1995年湖南省森林植被碳密度提高了1.16 t·hm-2。（3）湖南省現(xiàn)有森林植被碳儲量、碳密度區(qū)域空間分布格局不一致，碳儲量呈現(xiàn)出湘西南懷化、邵陽和湘南永州、郴州較高，而碳密度則呈現(xiàn)出益陽、常德、邵陽、郴州較高。森林植被碳儲量較高地區(qū)，通過封山育林保護(hù)措施穩(wěn)定和提高該區(qū)域森林碳儲量；而碳儲量較低的地區(qū)，通過增加地帶性樹種，優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)組成，提高該區(qū)域森林碳儲量。

森林植被；碳儲量；碳密度；區(qū)域空間分布；湖南省

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的最大碳庫，年固定碳量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)的2/3，在維持全球碳平衡和減緩全球氣候變化等方面起著不可替代的作用[1]，即使其生物量微小的變化，也將會引起全球碳平衡的顯著波動[2]。準(zhǔn)確評估區(qū)域尺度森林植被固碳能力及其變化趨勢，探討不同森林類型固碳能力的空間異質(zhì)性及其影響因素，對實(shí)現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營和固碳增匯具有重要意義[3]。20世紀(jì)70年代以來，中國實(shí)施了大規(guī)模的人工造林、天然林資源保護(hù)、退耕還林（草）、長江流域防護(hù)林體系等系列林業(yè)生態(tài)工程，各地區(qū)森林恢復(fù)迅速，無論是森林面積，還是森林組成及其質(zhì)量均已發(fā)生了顯著的變化，亟需及時(shí)地更新森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的估算結(jié)果，以準(zhǔn)確評價(jià)現(xiàn)有森林的固碳現(xiàn)狀、速率及潛力。

近20年來，中國許多學(xué)者開展了多種尺度、不同森林植被碳儲量、碳密度和碳匯計(jì)量研究，揭示了中國森林植被碳庫大小，不同地區(qū)不同森林植被碳儲量、碳固定及其與森林結(jié)構(gòu)、林齡和生境條件的關(guān)系，在理論、技術(shù)和方法等方面取得了豐富成果[3-16]。但由于中國地域幅員遼闊，涵蓋多種生物氣候類型，森林類型復(fù)雜多樣，不同學(xué)者采用不同估算方法，而且各地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)完備程度也不同，在國家尺度上不同研究之間的估算結(jié)果差異較大，變化范圍在3 720～13 340 TgC（Tg=1012g=106t）之間[7-11]。因此，為了準(zhǔn)確估算國家尺度森林植被碳儲量，需要采用自下而上的方法，通過估算不同區(qū)域尺度森林植被碳儲量，然后計(jì)算國家尺度森林植被碳儲量[14]。森林植被生物量估算是準(zhǔn)確評估森林植被碳儲量的前提和基礎(chǔ)[17-18]。然而，由于小尺度標(biāo)準(zhǔn)地生物量難以直接用于推算區(qū)域森林生物量，區(qū)域尺度森林生物量準(zhǔn)確估算成為了制約區(qū)域森林植被碳匯能力評估科學(xué)性的重要因素[19-20]。研究表明，省域尺度森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)適用于大尺度森林生物量和生產(chǎn)力估算，而且建立了主要樹種（組）蓄積量轉(zhuǎn)換生物量的方法及其對應(yīng)參數(shù)[4，21-22]。目前，森林生物量的測算方法主要有平均生物量法[22-23]、生物量轉(zhuǎn)換因子法[4，21]、生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法[7，22]、生物量模型法和遙感方法[25-26]等。湖南省地處中國中南部，長江中游，自然條件優(yōu)越，關(guān)于湖南省森林植被碳儲量及其地理分布規(guī)律的研究也曾有報(bào)道[27]，但其估算結(jié)果是基于湖南省第四次（1990—1995年）森林資源清查數(shù)據(jù)。而近20多年來，隨著一系列林業(yè)生態(tài)工程的相繼實(shí)施，湖南省森林恢復(fù)迅速，森林類型趨于更復(fù)雜和多樣化，森林覆蓋率由1995年的50.70%增加到2014年的59.57%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國森林覆蓋率（21.63%）。迄今，關(guān)于湖南省現(xiàn)有森林植被碳庫及其區(qū)域空間分布格局的量化研究未見報(bào)道，仍無法準(zhǔn)確評估湖南省現(xiàn)有森林植被碳庫和各地區(qū)森林植被固碳能力的空間異質(zhì)性及其影響因子。本研究基于湖南省2014年度森林資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合生物量估算法，研究湖南省2014年森林植被碳儲量、碳密度及其地理空間區(qū)域分布特征，將有助于了解湖南省各地州市現(xiàn)有森林的生態(tài)功能和生產(chǎn)力狀況以及統(tǒng)一認(rèn)識湖南省森林植被的碳儲量、碳密度區(qū)域空間分布特征，為湖南省森林資源經(jīng)營管理、林業(yè)碳匯經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政府科學(xué)決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湖南省地處中國中南部（108°47′～114°15′E，24°38′～ 30°08′N），位于長江中游，東西寬667 km，南北長774 km，地貌復(fù)雜，東、南、西三面山嶺環(huán)峙，丘陵盆地內(nèi)嵌，向北平原敞開，大體呈“凹”狀的地表起伏態(tài)勢。土地總面積21.18萬 km2，約占國土總面積2.21%。屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，四季分明，春溫多變，陰濕多雨，夏熱期長，溫高濕重，秋季多旱，冬寒期短。地帶性土壤主要為紅壤、黃壤，武陵源雪峰山東麓一線以東紅壤為主，以西黃壤為主。原生植被為亞熱帶常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉林、山頂苔蘚矮林，植物區(qū)系成分復(fù)雜，據(jù)2014年統(tǒng)計(jì)，湖南省林地面積為1 299.89×104hm2，森林面積（未包括灌木林面積）為1 090.30×104hm2，森林覆蓋率達(dá)59.57%，活立木總蓄積為48 410.00萬m3，其中喬木林活立木總蓄積為45 941.52萬m3。全省管轄13個(gè)地級市（長沙、株洲、湘潭、衡陽、邵陽、岳陽、常德、張家界、益陽、郴州、永州、懷化、婁底）和1個(gè)自治州（湘西自治州）。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于湖南省林業(yè)廳森林資源與生態(tài)環(huán)境檢測中心2014年12月發(fā)布的湖南省2014年度森林資源統(tǒng)計(jì)年報(bào)。

2.2 研究方法

2.2.1 森林類型的確定

依據(jù)“中國森林資源資料的劃分”和“湖南省森林資源清查主要數(shù)據(jù)匯編”，森林包括三部分：喬木林（不包括喬木經(jīng)濟(jì)林）、經(jīng)濟(jì)林和竹林。為能準(zhǔn)確反映湖南省2014年森林植被碳儲量、碳密度，本研究也將灌木林列入估算范疇。其中，喬木林主要分為：杉木林、松木林、闊葉林、柏木林、國外松林、楊樹林、其它杉類林、桉樹林。國外松林、楊樹林、其它杉類林、桉樹林以人工林為主，馬尾松林有天然林和人工林，以天然林為主。

2.2.2 各森林類型生物量的估算

（1）喬木林生物量的估算 材積源—生物量法（Volume-biomass method）是目前估測森林生物量的常用方法[2，6]。近年來，以建立生物量與蓄積量關(guān)系為基礎(chǔ)的森林植被碳儲量估算方法已得到廣泛應(yīng)用[12，28]。由于湖南省松木林以馬尾松林為主，而國外松林以濕地松林為主，闊葉林以常綠闊葉樹種（樟、楠、櫧、栲、青岡、石櫟等）為主，因此，本研究采用材積源—生物量法和劉國華等[12]建立的杉木林，馬尾松林，樟、楠、櫧、栲、青岡組成的闊葉林，濕地松林，柏木林，楊樹林，柳杉、落羽杉、水杉組成其它杉類林，桉樹林生物量與蓄積量之間的回歸方程（見表1）估算湖南省喬木林生物量。

表1 各喬木林類型生物量與蓄積量回歸方程[12，28]Table 1 The regression equation between biomass and volume with different forests

（2）經(jīng)濟(jì)林生物量的計(jì)算 目前區(qū)域尺度經(jīng)濟(jì)林碳儲量的研究，尚無生物量與蓄積量之間換算因子參數(shù)的相關(guān)報(bào)道。由于森林資源清查數(shù)據(jù)僅提供了經(jīng)濟(jì)林面積數(shù)據(jù)，本研究沿用方精云等[28]采用的經(jīng)濟(jì)林平均生物量法進(jìn)行估算湖南省經(jīng)濟(jì)林生物量。湖南省經(jīng)濟(jì)林主要包括油茶林、油桐林、杜仲林、厚樸林、果樹林、茶葉林等，其中油茶林面積占湖南省經(jīng)濟(jì)林面積的60%以上，因此，本研究根據(jù)湖南省油茶林生物量的研究結(jié)果[29-31]，取其算術(shù)平均值23.52 t·hm-2作為估算湖南省經(jīng)濟(jì)林生物量，計(jì)算公式如式（1）：

式中：W經(jīng)為經(jīng)濟(jì)林總生物量（t）；A經(jīng)為單位面積經(jīng)濟(jì)林生物量（t·hm-2）；S經(jīng)為經(jīng)濟(jì)林面積（hm2）。

（3）竹林生物量的計(jì)算 在森林資源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，湖南省竹林有毛竹和雜竹兩類，有面積和株數(shù)。以往研究中，竹林生物量主要由竹林總株數(shù)和平均單株生物量推算[28]。本研究也采用此方法，取竹林單株平均生物量22.5 kg·株-1[28]，估算湖南省竹林生物量，計(jì)算公式如式（2）：

式中：W竹為竹林總生物量（t）；A竹為竹林單株平均生物量（kg·株-1）；N竹為竹林總株數(shù)。

（4）灌木林生物量的計(jì)算方法 國內(nèi)有關(guān)灌木林生物量或蓄積量的數(shù)據(jù)極少[28]。在森林資源資源清查數(shù)據(jù)中，僅提供了灌木林的面積數(shù)據(jù)。以往研究中，灌木林生物量主要根據(jù)灌木林面積和灌木林單位面積平均生物量進(jìn)行估算[28]。本研究也沿用此方法估算湖南省灌木林的生物量，采用我國秦嶺淮河以南地區(qū)灌木林單位面積平均生物量19.76 t·hm-2[28]進(jìn)行估算湖南省灌木林生物量，計(jì)算公式如式（3）[28]：

式中：W灌為灌木林生物量（t）；A灌為單位面積灌木林生物量（t·hm-2）；S灌為灌木林總面積（hm2）。

2.2.3 森林植被碳儲量、碳密度的估算

森林植被碳儲量由喬木層、林下灌木層、草本層和死地被物層碳儲量組成。本研究中，森林植被碳儲量僅指林木的活生物量，未包括林下灌木層、草本層、死地被物層的碳儲量。森林植被碳儲量（t）為森林生物量（t）乘以其平均碳含量（g·g-1）。森林植被碳密度（t·hm-2）為森林碳儲量（t）除以森林面積（S）。湖南省各森林類型的碳含量算術(shù)平均值如表2所示[32]。對于桉樹林、其它杉類林、經(jīng)濟(jì)林的碳含量分別采用楊樹林、杉木林和灌木林的碳含量來估算其碳儲量和碳密度。

表2 湖南省現(xiàn)有森林植被的算術(shù)平均碳含量?Table 2 Arithmetical average carbon concentration of existing main forests in Hunan province

2.2.4 森林植被碳儲量、碳密度區(qū)域空間分布圖的繪制

應(yīng)用 Arcgis10.0 地理統(tǒng)計(jì)分析軟件，基于湖南省地區(qū)行政圖和各地州市森林植被碳儲量、碳密度數(shù)據(jù)，對湖南省森林植被碳儲量、碳密度進(jìn)行區(qū)域空間分析，得出湖南省2014年森林植被碳儲量、碳密度區(qū)域空間分布圖。

2.2.5 碳豐度指數(shù)的計(jì)算

碳豐度指數(shù)為能定量描述碳在不同森林類型和不同區(qū)域中的分布特征，本研究引入碳豐度指數(shù)這一指標(biāo)，計(jì)算公式如式（4）：

式中：PCi為第i類森林植被碳儲量占湖南省森林植被總碳儲量的百分比（%）；PAi為第i類森林面積占湖南省森林總面積的百分比（%）。

3 結(jié)果與分析

3.1 喬木林植被碳儲量、碳密度

3.1.1 不同類型喬木林植被碳儲量、碳密度

從表3可以看出：湖南省2014年喬木林面積為893.35×104hm2，不同類型喬木林面積差異顯著，變化范圍在0.34×104～311.40×104hm2之間；其中，闊葉林面積最大，占全省喬木林面積的34.86%，其次是杉木林、松木林，分別占34.36%和23.05%，其他喬木林面積很小，僅占0.04%～3.87%之間。湖南省2014年喬木林植被碳儲量為145.23×106t，不同類型喬木林植被碳儲量差異顯著，在0.06×106～69.02×106t之間；其中，闊葉林最高，占全省喬木林植被碳儲量的47.52%，其次是杉木林、松木林，分別占25.36%和21.49%，而其他喬木林僅占0.04%～2.37%。各類型喬木林植被碳儲量與其面積呈極顯著的正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.941 3，n=8，P=0.000），表明湖南省各類型喬木林植被碳儲量隨其面積增加而增大，闊葉林、杉木林、松木林是湖南省現(xiàn)有喬木林植被碳儲量的主體。

表3 不同齡組喬木林植被面積（×104 hm2）、碳儲量（×106 t）和碳密度（t·hm-2）?Table 3 Area (×104 hm2), carbon storage (×106 t) and carbon density (t·hm-2) of different age groups arbor forest

如表3所示：湖南省2014年喬木林植被平均碳密度為16.26 t·hm-2，不同類型喬木林植被碳密度差異顯著，介于9.92～22.16 t·hm-2之間；其中，闊葉林最高，其次是桉樹林（18.09 t·hm-2）、其他杉類林（16.56 t·hm-2）、楊樹林（15.59 t·hm-2）、松木林（15.16 t·hm-2），而柏木林、杉木林較低，分別為12.26、12.00 t·hm-2，國外松林最低，僅為9.92 t·hm-2。闊葉林、桉樹林、其他杉木林植被碳密度均高于湖南省喬木林植被平均碳密度，表明湖南省不同類型喬木林林分之間質(zhì)量差異顯著，闊葉林、桉樹林、其他杉木林發(fā)育狀況相對較好，而柏木林、杉木林和國外松林發(fā)育狀況相對較差。

3.1.2 不同齡組喬木林植被碳儲量、碳密度

喬木林植被碳儲量、碳密度與其林分齡組密切相關(guān)。從表3可以看出，湖南省各齡組喬木林植被碳儲量從高至低依次為：中齡林＞成過熟林＞近熟林＞幼齡林，碳儲量主要集中在中齡林，占40.69%。幼、中齡林面積占全省喬木林面積的69.49%，兩者植被碳儲量之和占全省喬木林植被碳儲量的49.90%。近、成過熟林面積占全省喬木林面積的30.51%，兩者植被碳儲量之和占50.10%。與其所占的面積相比，近、成過熟林的碳儲量（碳豐度指數(shù)1.64）要高于中、幼齡林（0.72），是由于幼、中齡林的碳密度遠(yuǎn)低于近、成過熟林的碳密度。研究表明，全國森林植被碳儲量主要分布在成熟林中，雖然成熟林面積僅占森林總面積的19%～33%，但其碳儲量卻占整個(gè)森林碳儲量的40%～60%[33]。相比，湖南省幼、中齡林所占面積過大是導(dǎo)致湖南省喬木林植被碳儲量偏低的一個(gè)重要因素。

不同齡組喬木林植被碳密度差異較大，大小順序?yàn)椋撼蛇^熟林（29.59 t·hm-2）＞近熟林（24.25 t·hm-2）＞中齡林（18.00 t·hm-2）＞幼齡林（4.57 t·hm-2）（見表3）。成過熟林植被碳密度約為幼齡林的6倍多，表現(xiàn)出隨著齡組增大，喬木林植被碳密度增大，也由于幼齡林的面積過大，碳密度低，使得湖南省現(xiàn)有喬木林植被碳儲量、碳密度偏低，同時(shí)也表明了湖南省喬木林仍具有較大的固碳潛力。從幼齡林到近熟林或成過熟林，各類型喬木林植被碳密度逐漸增加，在成、過熟林達(dá)到最高。同一齡組不同類型喬木林植被碳密度差異明顯，在各齡組中，闊葉林植被碳密度均明顯高于其他喬木林。表明隨著林木生長，喬木林儲碳能力逐漸提高，而闊葉林儲碳能力優(yōu)于其他各種喬木林。

3.2 湖南省2014年森林植被碳儲量、碳密度

從表4可以看出，湖南省2014年森林面積（包括灌木林面積）為 1207.10×104hm2，其植被碳儲量為196.95×106t。其中，喬木林面積最大，占全省森林面積的74.01%，其植被碳儲量也最高，占全省森林植被碳儲量的73.73%，表明喬木林是湖南省森林植被碳儲量的主體，在維護(hù)區(qū)域碳氧平衡方面起著最重要的作用；盡管竹林面積明顯小于灌木林面積，但其植被碳儲量（30.53×106t）高于灌木林，占全省森林植被碳儲量的15.50%，表明竹林固碳潛力較大；經(jīng)濟(jì)林和灌木林面積分別占7.29%和9.68%，經(jīng)濟(jì)林植被碳儲量（10.02×106t）最低，占全省森林植被碳儲量的5.09%。湖南省森林植被平均碳密度為16.31 t·hm-2，不同森林類型植被碳密度差異明顯，竹林植被碳密度（28.03 t·hm-2）最高，其次是喬木林（16.26 t·hm-2），灌木林（9.56 t·hm-2）最低，表明不同森林類型固碳能力差異明顯。

表4 湖南省現(xiàn)有森林植被碳庫及其構(gòu)成?Table 4 Existing forest vegetation carbon pool and its components in Hunan province

3.3 湖南省2014年森林植被碳儲量、碳密度的地理空間分布格局

從圖1可知，湖南省森林植被碳儲量主要分布在湘西南的懷化、邵陽和湘南的永州、郴州，分別占全省森林植被碳儲量的14.52%、12.32%、11.80%和10.88%；其次為湘西北的湘西自治州、張家界，湘北的常德、益陽和湘東南的株洲，分別占全省森林植被碳儲量的7.87%、5.25%、7.41%、6.22%和5.29%，而湘中的婁底、湘東長沙及洞庭湖平原岳陽、湘南衡陽較低，僅占全省森林植被碳儲量的4.89%～2.75%，地處于湖南中部的湘潭最低，僅占全省森林植被碳儲量的1.79%，總體上呈現(xiàn)出西高東低、南高北低的區(qū)域空間分布格局。

湖南各地州市森林植被碳密度在13.97～20.11 t·hm-2之間，變化幅度不大。湖南省森林植被碳密度的區(qū)域空間分布格局與森林植被碳儲量不同，其中益陽最高，其次為邵陽、常德、郴州、永州、長沙和湘潭，分別為19.81、18.37、16.88、16.52、16.41、16.40 t·hm-2，其余地州市森林植被碳密度均低于湖南省森林植被平均碳密度值（16.31 t·hm-2），岳陽、衡陽最低，分別僅為13.97 和 14.24 t·hm-2（見圖 1）。

圖1 湖南省森林植被碳儲量、碳密度區(qū)域空間分布格局Fig. 1 Geographical spatial distribution pattern of carbon storage and carbon density of forests in Hunan province

4 討 論

4.1 湖南省森林植被碳儲量在中國森林植被碳儲量中的地位

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分，其植被固碳特征一直備受關(guān)注。郭兆迪等[6]估測中國2004—2008年森林（包括喬木林、經(jīng)濟(jì)林、竹林）植被碳儲量為6 868×106t，本研究以此為基準(zhǔn)，估測湖南省2014年森林（包括喬木林、經(jīng)濟(jì)林、竹林）植被碳儲量為185.78×106t，占中國森林植被碳儲量的2.71%，但湖南省森林面積為1 090.30×104hm2，僅 占 中 國 森 林 面 積（18 138×104hm2）[6]的6.01%。此外，湖南省2014年森林（包括喬木林、經(jīng)濟(jì)林、竹林）植被碳密度（17.04 t·hm-2）明顯低于中國平均水平的37.87 t·hm-2[6]，略高于廣西壯族自治區(qū)2010年森林（包括喬木林、經(jīng)濟(jì)林、竹林、灌木林）植被碳密度（15.41 t·hm-2）[34]，比1995年湖南省森林植被（包括喬木林、經(jīng)濟(jì)林、竹林）碳密度（15.88 t·hm-2）[28]提高了 1.16 t·hm-2，表明湖南省森林植被仍存在較大的固碳潛力，在中國森林植被碳儲量和提高中國森林植被碳匯功能中扮演著重要的角色。

4.2 湖南省現(xiàn)有森林植被碳儲量、碳密度特征

研究表明，作為森林的主體，中國喬木林面積占森林總面積的84.4%～89.5%，貯存了森林總生物量碳庫的93.2%～94.9%[6]。本研究中，湖南省各森林類型植被碳儲量差異顯著，其中喬木林植被碳儲量最大，占湖南2014年森林植被碳儲量的73.73%，經(jīng)濟(jì)林、竹林、灌木林分別占5.09%、15.50%、5.67%，是由于各森林類型面積以及林分質(zhì)量差異明顯所致，例如喬木林面積占湖南省森林面積的74.01%，占有絕對的優(yōu)勢，而經(jīng)濟(jì)林、竹林、灌木林分別僅占7.29%、9.02%和9.68%。表明喬木林作為森林的主體，在湖南省森林植被碳匯功能中起著主導(dǎo)作用。湖南省喬木林植被碳儲量主要集中在闊葉林、杉木林和松木林，總體來說，闊葉林植被碳儲量、碳密度均高于針葉林，與全國喬木林植被碳儲量的分布[7]基本一致。

研究表明，中國森林喬木層平均碳密度為38.65 ～ 40.12 t·hm-2[5，35]，呈現(xiàn)從東南向東北和西增加的趨勢。中國森林植物碳密度較高的省區(qū)為黑龍江、吉林、西藏和海南，低于53.11 t·hm-2；植物碳密度較小的省區(qū)包括廣東、廣西、湖北、湖南、江西、浙江、江蘇、安徽和山東，低于12.4 t·hm-2。森林植物碳密度分布規(guī)律與我國人口密度的變化趨勢呈顯著的對數(shù)相關(guān)關(guān)系，我國實(shí)際森林植物碳密度大小首先取決于人類活動干擾的程度[11]。本研究中，湖南省2014年各類型喬木林植被平均碳密度為9.92～22.16 t·hm-2，顯著低于中國近時(shí)期喬木林平均碳密度[6]，原因可能在于：①湖南省喬木林主要以幼、中齡林為主，幼、中齡林占全省喬木林面積的69.49%，發(fā)育水平較低，森林質(zhì)量不高，多數(shù)原始森林已經(jīng)退化為人工林和次生林，幼齡林植被碳密度大多在6 t·hm-2以下，而中齡林植被碳密度大多在20 t·hm-2以下；②由于人工林普遍存在樹種單一，結(jié)構(gòu)簡單，功能脆弱，病蟲害頻繁發(fā)生，人工林植被碳儲量、碳密度較低。湖南省2014年人工喬木林面積為475.43×104hm-2，占湖南省喬木林面積的53.22%；③人口密集，人地矛盾尖銳，人類活動干擾程度大，且目前人工林經(jīng)營水平不高，林分質(zhì)量較低，直接導(dǎo)致湖南省喬木林植被碳密度較低。

本研究中，湖南省森林植被平均碳密度（16.31 t·hm-2）略高于喬木林。其原因可能是：①喬木林植被碳密度采用蓄積量轉(zhuǎn)換為生物量碳儲量估算，而經(jīng)濟(jì)林、灌木林則采用平均生物量法估算，導(dǎo)致喬木林植被碳密度隨著林分蓄積量的變化而變化，經(jīng)濟(jì)林、灌木林不變；②通常選擇較好的立地生產(chǎn)竹林（主要毛竹林），且近年來對竹林多采用集約經(jīng)營管理措施，林分質(zhì)量得到明顯提高，竹林植被碳密度高于喬木林，導(dǎo)致全省森林植被碳密度略高于喬木林。

4.3 湖南省森林植被碳儲量、碳密度的區(qū)域空間格局

湖南省森林植被碳儲量、碳密度區(qū)域空間分布格局不一致，碳儲量以湘西南的懷化、邵陽和湘南的永州、郴州較高，而碳密度則以益陽、常德、邵陽、郴州較高。究其原因是由于各地州市森林面積不同，例如盡管懷化、永州森林植被碳密度（14.95、16.52 t·hm-2）處于較低水平，但兩個(gè)地區(qū)森林面積較大，分別占全省森林面積的15.85%、11.66%（分別為191.36和140.75萬hm2），使得懷化、永州森林植被碳儲量較大。表明要提高森林植被碳儲量不僅要對現(xiàn)有林地合理經(jīng)營撫育提高森林質(zhì)量，還要通過造林再造林以增加森林面積，除益陽、常德、邵陽、郴州、長沙、湘潭、永州外，其余地州市森林植被碳密度均低于全省平均水平，因此未來可通過合理的撫育管理措施提高林地生產(chǎn)力，進(jìn)一步提升湖南省森林植被固碳潛力。

但值得注意的是，一些地州市森林總面積基本一致，但由于各森林類型的面積構(gòu)成不同，且同一森林類型碳密度也不同，例如長沙、岳陽兩地的森林面積相近（分別為58.74和58.17萬hm2），但長沙（喬木林、經(jīng)濟(jì)林、灌木林、竹林面積分別為46.62、4.53、1.62、5.96萬hm2，碳密度分別為16.14、11.38、9.56、24.26 t·hm-2）、岳陽（喬木林、經(jīng)濟(jì)林、灌木林、竹林面積分別為43.89、3.39、2.99、7.89萬 hm2， 碳 密 度 分 別 11.51、11.38、9.56、30.39 t·hm-2）面積構(gòu)成不同，同一森林類型碳密度也不同，導(dǎo)致兩地森林碳儲量、碳密度分別相差1.52×106t和2.44 t·hm-2?？梢?，在給定的森林面積條件下，當(dāng)一個(gè)地區(qū)碳密度較高的森林類型面積占較高比例時(shí)，該地區(qū)森林植被碳儲量、碳密度就高，反之，該地區(qū)森林植被碳儲量、碳密度就低。表明各地州市森林植被碳儲量、碳密度的差異不僅是由于各地州市森林面積、林分質(zhì)量的差異，更是由于各地州市森林面積構(gòu)成比例不同所致。因此，各地州市在有限的林業(yè)用地條件下，可通過增加碳密度較高的森林類型面積，減少碳密度較低的森林類型面積，調(diào)整現(xiàn)有森林面積的構(gòu)成比例，提高地區(qū)森林植被碳儲量、碳密度，是增強(qiáng)湖南省森林碳吸存能力的主要途徑。

湘南和湘西南地區(qū)在湖南省森林碳儲量中占主導(dǎo)地位，碳密度（除邵陽外）中等，林分質(zhì)量一般。這將影響到全省整個(gè)森林的碳匯功能，而此區(qū)域以杉木、馬尾松天然林為主，且大多為恢復(fù)初期的天然次生林。因此，采取封山育林等保護(hù)措施對提高該區(qū)域森林碳儲量是一條有效的途徑。湘中、湘東部和湘北部分布著較多的人工林和次生林，碳密度較高，但人工林普遍存在樹種單一、結(jié)構(gòu)和功能較差、病蟲害頻繁發(fā)生等問題，在這些地區(qū)通過增加地帶性樹種，優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)組成，對提高湖南省森林植被碳儲量及其固碳能力有著重要的作用。

4.4 區(qū)域森林植被碳儲量估算的展望

本研究是基于森林資源統(tǒng)計(jì)年報(bào)數(shù)據(jù)并結(jié)合主要樹種（組）碳含量的實(shí)測數(shù)據(jù)，運(yùn)用Fang等[4]、劉國華等[12]研究所得的生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法估算湖南省主要喬木林類型植被碳儲量、碳密度，為評價(jià)湖南省森林的碳匯功能提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但區(qū)域喬木林植被碳儲量的估算仍有較大的改進(jìn)空間。在建立主要喬木林類型生物量與蓄積量回歸方程時(shí)，大多采用基于國家尺度的蓄積量與生物量轉(zhuǎn)換公式，這會帶來一定誤差；另方面，一個(gè)回歸方程式涵蓋了多種喬木林類型，而各個(gè)類型之間的差異會很大，需要建立適合不同喬木林類型的生物量擴(kuò)展方程。

其次，經(jīng)濟(jì)林、竹林、灌木林植被碳儲量估算采用平均生物量法，盡管在方法上是可行的。但平均生物量法往往會因野外樣地測量選擇生長條件較好的森林，而獲得較高的生物量，從而高估了區(qū)域森林生物量[36-37]；另一方面森林資源清查數(shù)據(jù)與樣地生物量調(diào)查數(shù)據(jù)的時(shí)間不一致，以及樣地生物量調(diào)查數(shù)據(jù)不足，也是造成本研究估算結(jié)果的不精準(zhǔn)備的原因。森林植被碳庫研究是森林固碳速率、潛力及機(jī)制分析的重要基礎(chǔ)，也是正確評價(jià)森林在全球碳平衡、碳循環(huán)中作用和地位的重要手段。因此，應(yīng)加強(qiáng)區(qū)域樣地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測定、估算方法的研究與評價(jià)，以減少估算結(jié)果的誤差。

研究表明，林下灌草層、死地被物層也是森林植被碳庫的重要組成部分。本研究在估算各森林植被碳儲量時(shí)，僅對喬木層的碳儲量進(jìn)行了估算，未包括林下灌草層、死地被物層的碳儲量。為此，湖南省2014年森林植被碳密度明顯低于相鄰的江西省森林植被碳密度（26.27 t·hm-2）[15]和廣東省（22.60 t·hm-2）[38]。此外，盡管疏林、散生木、四旁樹和枯倒木碳儲量占的比例較小，總體上對碳儲量估算結(jié)果影響不大，但疏林、散生木、四旁樹及枯倒木等也是區(qū)域森林植被碳儲量估算的補(bǔ)充，對理解不同森林在區(qū)域碳儲量中的貢獻(xiàn)具有重要意義。本研究也未包括這些部分植被碳儲量估算在內(nèi)，因此估算結(jié)果比實(shí)際偏低。

5 結(jié) 論

湖南省喬木林植被碳儲量為145.23×106t，不同類型喬木林植被碳儲量差異顯著，其中闊葉林植被碳儲量占47.52%；湖南省喬木林植被平均碳密度為16.26 t·hm-2，不同類型喬木林之間差異顯著；湖南省喬木林以幼齡林和中齡林為主，兩者植被碳儲量之和占湖南省喬木林植被碳儲量的69.49%。

湖南省現(xiàn)有森林植被碳儲量為196.95×106t，其中喬木林植被碳儲量占73.73%，湖南省現(xiàn)有森林植被平均碳密度為16.31 t·hm-2，比1995年湖南省森林植被碳密度提高了1.16 t·hm-2，不同森林類型固碳能力差異明顯。

湖南省現(xiàn)有森林植被碳儲量、碳密度區(qū)域空間分布格局不一致，碳儲量呈現(xiàn)出湘西南懷化、邵陽和湘南永州、郴州較高，總體上呈現(xiàn)出西高東低、南高北低的區(qū)域空間分布格局，而碳密度則以益陽、常德、邵陽、郴州較高。

各地州市在有限的林業(yè)用地條件下，可通過增加碳密度較高的森林類型的面積、減少碳密度較低的森林類型的面積、調(diào)整現(xiàn)有森林面積的構(gòu)成比例來提高地區(qū)森林植被碳儲量和碳密度，這是增強(qiáng)湖南省森林碳吸存能力的主要途徑。此外，森林植被碳儲量較高地區(qū)，通過封山育林保護(hù)措施穩(wěn)定和提高該區(qū)域的森林碳儲量，而碳儲量較低的地區(qū)，通過增加地帶性樹種，優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)組成，提高該區(qū)域的森林碳儲量。

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Forest vegetation carbon storage, carbon density and spatial distribution pattern in 2014 in Hunan province

LI Leida1, FANG Xi1,2, LI Bin1,3, LIU Zhaodan1
(1. College of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan,China; 2. National Engineering Laboratory for Applied Forest Ecological Technology in Southern China, Changsha 410004,Hunan, China; 3. State Forestry Administration, Beijing 100714, China)

Regional spatial distribution pattern of carbon storage, carbon density were examined in existing forest vegetation in Hunan province of China, based on forest inventory data in 2014, biomass expansion factors (BEF) and carbon concentration of existing main forest types in this region. The result shows that: (1) carbon storage of arboreal forest vegetation was 145.23×106tC, the highest carbon storage was found in broad-leaved forest vegetation, accounting for 47.52%, and those of the sapling forest and immature forest accounted for 69.49% of the carbon storage of arbor forest. The average carbon density of arbor vegetation was up to 16.26 tC·hm-2.(2) Carbon storage of existing forest vegetation in Hunan (2014) was 196.95×106tC, the highest carbon storage reserves was found in the arboreal forest vegetation, accounted for 73.73% of the province’s forest vegetation. Carbon density was 16.31 tC·hm-2in the province’s forest vegetation, and increased 1.16 tC·hm-2by compared with 1995. (3) Spatial distribution pattern carbon storage and carbon density of the province’s forest vegetation was not consistent, the higher carbon storage was found in Huaihua and Shaoyang in the west-southern and Yongzhou and Chenzhou in the southern of Hunan province, while the higher carbon density was found in Yiyang,Changde, Shaoyang and Chenzhou. By taking closed forest protection measures to stabilize and improve the carbon storage in the high carbon storage area of forest vegetation, and increasing the zonal tree species, and optimizing the composition and structure of forest stand to improve carbon storage in the low carbon storage area of forest vegetation.

forest vegetation; carbon storage; carbon density; regional spatial distribution; Hunan province

S718.55

A

1673-923X(2017)01-0069-09

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.01.013

2016-01-10

國家林業(yè)局林業(yè)軟科學(xué)研究項(xiàng)目（2014-R11）；中南林業(yè)科技大學(xué)引進(jìn)高層次人才科研啟動基金項(xiàng)目（2014YJ019）

李雷達(dá)，碩士研究生 通訊作者：方 晰，教授，博士，博士生導(dǎo)師：E-mail：fangxizhang@sina.com

李雷達(dá)，方 晰，李 斌，等. 湖南省2014年森林植被碳儲量、碳密度及其區(qū)域空間分布格局[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017, 37(1): 69-77.

[本文編校：謝榮秀]