森林植被碳密度空間分布特征研究

李鳳霞，石 輝，撒利偉，劉明星，馮曉剛，李 萌

(1. 西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

隨著城市化進程的加快，城市熱島、交通擁堵、環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等多種生態(tài)環(huán)境問題日益突出.近年來，全球氣候變暖引起了學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注[1]，森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫，在調(diào)節(jié)全球氣候變化、維持全球碳平衡方面發(fā)揮著重要作用[2-6].科學(xué)精準(zhǔn)地計量森林植被碳密度是有效評價森林碳匯潛力的重要因素，可為提高應(yīng)對全球氣候變化的能力提供科學(xué)依據(jù).

目前，國內(nèi)外學(xué)者圍繞著森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量、碳密度做了大量研究工作，美國[7]、俄羅斯[8]、加拿大[9]等國家對森林植被碳循環(huán)及碳匯估算研究均有較大進展.基于森林資源清查資料，估算森林植被碳儲量、碳密度的方法主要有森林植被生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法[12,15]、運用海拔高度、郁閉度、胸徑、坡向、灌木層和草本層覆蓋度數(shù)據(jù)計算植被碳密度法[14]、利用森林喬木層生物量與蓄積量回歸模型估算森林植被碳儲量法[10-11,13,16].

歸納起來，這些研究均屬于大尺度、大范圍地估算森林植被碳儲量及碳密度.然而，由于區(qū)域研究對象的復(fù)雜性和廣泛性，森林植被具有地域性特點，不同學(xué)者的研究方法存在著一定的差異性，大尺度、大范圍估算森林植被碳儲量碳密度的研究結(jié)果仍存在很大的不確定性.為此，本研究結(jié)合森林植被地域特性，基于實測數(shù)據(jù)，利用異速生長模型，因地制宜地進行區(qū)域范圍森林植被碳儲量和碳密度的精準(zhǔn)計量.

西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，森林生態(tài)系統(tǒng)植被具有鮮明的地域性特點.而目前關(guān)于西安區(qū)域森林植被碳密度空間分布特征的研究報道較少.因此，本文以西安森林生態(tài)系統(tǒng)植被喬木林為研究對象，以高分辨率遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，結(jié)合樣地實測數(shù)據(jù)，采用異速生長模型與GIS空間分析相結(jié)合的方法，分析西安森林植被碳密度空間分布特征，旨在進一步精確估算森林植被碳密度，為區(qū)域森林碳匯評價提供科學(xué)依據(jù)、為城市各功能區(qū)的生態(tài)效益評價提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

西安地處我國西北東部、關(guān)中平原中部，地理坐標(biāo)位于北緯33°42′～34°45′，東經(jīng)107°40′～109°49′，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，平均海拔424 m, 1月平均氣溫 0.4℃，7月平均氣溫26.6℃，年平均溫度約13.3 ℃，平均降水量604.2 mm,平均濕度69.6%.其轄區(qū)包括雁塔區(qū)、碑林區(qū)、新城區(qū)、未央?yún)^(qū)、蓮湖區(qū)、灞橋區(qū)、長安區(qū)、臨潼區(qū)、閻良區(qū)、高陵區(qū)和鄠邑區(qū)，轄縣包括藍田縣和周至縣，即11區(qū)2縣, 占地面積10 108 km2.其中主城區(qū)包括新城區(qū)、雁塔區(qū)、碑林區(qū)、未央?yún)^(qū)、蓮湖區(qū)和灞橋區(qū)六區(qū)，面積822 km2.

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究以2015年西安SPOT遙感影像數(shù)據(jù)、Landsat TM、ETM+數(shù)據(jù)、30 m分辨率的數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)和1∶1萬、1∶5萬比例尺的地形圖數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、人口數(shù)據(jù)(包括人口密度和人口數(shù)量)及大量樣方實測等數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源.

1.3 研究方法

基于3S(GIS、RS、GPS) 技術(shù)，應(yīng)用遙感軟件ERDAS、Ecognition進行遙感影像分類，把西安森林植被喬木林劃分為風(fēng)景區(qū)綠地、居住區(qū)綠地、文教區(qū)綠地、工業(yè)區(qū)綠地及道路綠地，采用地理信息系統(tǒng)軟件ARCGIS解析西安城區(qū)不同類型森林植被碳密度空間分布特征，分析森林植被多樣性特征.

根據(jù)城市森林分布特點及公園、道路、居住區(qū)、文教區(qū)、工業(yè)區(qū)的規(guī)模等實際情況，確定外業(yè)實地調(diào)查的地點及樣方數(shù)量.公園樣方的大小設(shè)置為20 m×20 m，相鄰兩個樣方之間的間距不得小于150 m，共調(diào)查了興慶宮公園、城市運動公園、豐慶公園等20個公園的40個樣方；對于道路樣方的設(shè)置，是根據(jù)道路的長度及其植被的配置，調(diào)查道路兩側(cè)100 m×10 m內(nèi)樹木的具體情況，調(diào)查了友誼路、太乙路、文景路等113條道路共計140個樣方；關(guān)于居住區(qū)樣方的設(shè)置，每個樣方包含一棟住宅樓及其周圍的行道樹和綠化帶，樣地的面積則根據(jù)實際情況來確定，共調(diào)查了東方雅苑、鼎新花園、海榮陽光城等23個住宅小區(qū)的23個樣方；學(xué)校樣方的大小設(shè)置為20 m×20 m，設(shè)置方法同公園樣地的設(shè)置，一共調(diào)查了西安建筑科技大學(xué)、西安體育學(xué)院、西安交通大學(xué)等18個學(xué)校的31個樣方；工業(yè)區(qū)樣地的設(shè)置是20 m×20 m，共調(diào)查了中國石油長慶油田集團、中國標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)集團、西安機電車輛配件廠等6個工業(yè)區(qū).

1.3.1 森林植被多樣性指標(biāo)

(1)物種多樣性指數(shù)

Simpson指數(shù)Ds，是對多樣性的相反面，即集中性的量度，也叫集中性概率指數(shù)，

(1)

其中：Ni是第i種物種的個體數(shù)；N是個體總數(shù)；S是群落中物種數(shù)目.

Shannon-Wiener指數(shù)H′，是以信息出現(xiàn)的不確定性來反映種的個體的多樣性，也叫信息指數(shù).

(2)

其中，Pi是第i種比例多度.

(2)物種豐富度指數(shù)

Margalef指數(shù)

da=(S-1)/lnN，

(3)

Patrick指數(shù)

(S)=S

(4)

其中，S是群落中物種數(shù)目，N是個體總數(shù).

(3) 物種均勻度指數(shù)

(5)

其中，H′是多樣性指數(shù)，S是群落中的物種數(shù)目.

1.3.2 森林植被碳密度計算

碳密度是指單位面積的碳儲量，即碳儲量與相應(yīng)的面積之比.本研究采用城市綠化樹種異速生長方程計算植物生物量，利用生物量與含碳率估算城市森林的碳儲量，含碳率采用目前國際上常用的數(shù)值0.5[19].由于喬木林是森林植被碳儲量的最主要貢獻者，因此本文主要研究西安主城區(qū)喬木林的碳儲量、碳密度及其空間分布特征.

2 結(jié)果與分析

基于高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，首先應(yīng)用遙感軟件易康、ERDAS對遙感影像進行分類，把土地利用類型劃分為綠地和非綠地兩大類，然后再使用ARCGIS軟件提取西安城市綠地信息(表1)，結(jié)合大量的樣地實測數(shù)據(jù)，定量分析西安不同類型森林植被多樣性水平及其碳密度空間分布特征.

表1 西安主城區(qū)綠地數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.1 Data statistics of green space in Xi′an urban are/m2

由表1可知，西安主城區(qū)綠地中，風(fēng)景區(qū)綠地面積所占比例最大，風(fēng)景區(qū)綠地共計172個斑塊，最小斑塊面積為3 741 m2，最大斑塊面積為2 256 168 m2，平均斑塊面積為165 405 m2，風(fēng)景區(qū)綠地面積總和為28 449 692 m2；工業(yè)區(qū)綠地所占面積比例最小、綠地斑塊最少，工業(yè)區(qū)綠地總面積為5 293 384 m2；道路綠地分布比較均勻，面積總和為15 633 211 m2；居住區(qū)綠地斑塊最多，達到了460個，平均斑塊面積為25 579 m2，最小斑塊面積僅為996 m2，綠地面積總和為11 766 371 m2；文教區(qū)綠地面積為80 526 m2，集中分布在西安南郊，這與居住區(qū)綠地的分布有相似之處，是因為西安南郊的小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)院校偏多，南郊碑林區(qū)的常住人口密度最大，達到了26 701人/km2.

2.1 西安森林植被喬木林多樣性分析

表2 西安城市綠地多樣性指數(shù)Tab.2 Diversity index of Xi′an city green space

綜上所述，五種綠地類型中風(fēng)景區(qū)綠地的豐富度、均勻度及多樣性水平最高，植物的多樣性比較豐富，植物的配置科學(xué)合理，這與園林綠化設(shè)計有關(guān)，同時，風(fēng)景區(qū)綠地園林植物的增長已趨于穩(wěn)定.然而，西安城市道路喬木的生物多樣性水平較低，豐富度指數(shù)偏低，樹種比較單一，缺乏植物的多樣化，因此西安道路綠化有待進一步改善，首先應(yīng)該更新行道樹，合理選擇植物，建設(shè)具有地方特色的植物景觀，在道路兩側(cè)建設(shè)更多的生態(tài)景觀林帶，營造更加豐富的道路植物景觀，同時需注重色彩與層次的搭配；其次，通過合理、科學(xué)的復(fù)層結(jié)構(gòu)關(guān)系，增加城市三維綠量，從而有效提高綠地的生態(tài)景觀效益；最后仍需進一步加強道路綠化的后期養(yǎng)護管理，為創(chuàng)建西安森林城市做出貢獻.

2.2 西安居住區(qū)森林植被喬木林碳密度分析

根據(jù)測量的樹高H和胸徑D，結(jié)合綠化樹種的異速生長方程，以及居住區(qū)樣地面積計算出每個居住區(qū)樣地的單位面積碳儲量，即碳密度.基于西安城市居住區(qū)森林植被喬木層樣地碳儲量數(shù)據(jù)結(jié)果，使用ARCGIS10.4地理信息系統(tǒng)分析軟件的分析工具，繪制出西安城市居住區(qū)森林植被碳密度的空間分布圖，如圖1所示.

圖1 西安城市居住區(qū)森林植被碳密度空間分布Fig.1 Forest vegetation carbondensity spatial distribution of Xi ′an city residential area

對西安城市居住區(qū)森林植被碳密度的空間分布特征進行地理空間分析.從圖1可以看出，西安城市居住區(qū)喬木碳密度等級位于0～1.21的占3%，碳密度等級位于1.21～2.42的占41.1%，碳密度等級位于2.42～3.63的占41%，碳密度等級位于3.63～4.84的占10.1%，碳密度等級位于4.84～6.05的占3%，碳密度等級位于6.05～7.26的占1%，碳密度等級位于7.26～8.47的占0.3%，碳密度等級位于8.47～9.68的占0.2%，碳密度等級位于9.68～10.89的占0.1%，碳密度等級位于10.89～12.10的占0.1%，碳密度等級位于12.10～13.31的占0.1%.

由此可知，西安城市居住區(qū)森林植被喬木層碳密度集中分布在1.21 ～3.63 kg/m2，占總量的82%.其中，歐洲世家的單位面積碳儲量最高，為13.215 kg/m2，而旭景興園的單位面積碳儲量最低，僅為0.198 kg/m2，這是因為歐洲世家是一個比較成熟的大居住區(qū)，綠化率高，喬木普遍比較高大粗壯，綠化面積大，且碳密度高，所以，其碳儲量較高.而旭景興園內(nèi)的綠化主要為草地和灌木，喬木較少，而且偏小，所以，其碳密度低、碳儲量小.總體來說，繁華區(qū)域居住區(qū)的碳儲量比郊區(qū)的碳儲量偏低，可見，人類活動是影響森林植被碳儲量空間分布的一個因素.總之，西安居住區(qū)喬木平均碳密度為2.926 kg/m2，碳密度取值范圍介于0.198 ～13.215 kg/m2，碳儲量取值范圍介于1.08 ～437.25 t.

2.3 西安風(fēng)景區(qū)森林植被喬木林碳密度分析

基于外業(yè)GPS測量樣點經(jīng)緯度坐標(biāo)及各風(fēng)景區(qū)樣地的森林植被碳密度，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)分析軟件ARCGIS空間分析、插值分析等功能，以植被碳密度分布的標(biāo)準(zhǔn)差2.12作為碳密度分級標(biāo)準(zhǔn)，所繪制的西安風(fēng)景區(qū)森林植被碳密度空間分布圖，如圖2所示.

圖2 西安風(fēng)景區(qū)森林植被碳密度空間分布Fig.2 Forest vegetation carbon density spatial distribution of Xi ′an scenic spot

由圖2可知，西安風(fēng)景區(qū)森林植被喬木層碳密度等級位于0～2.12的占0.02%，碳密度等級位于2.12～4.24的占7.3%，碳密度等級位于4.24～6.36的占46.5%，碳密度等級位于6.36～8.48的占23.2%，碳密度等級位于8.48～10.60的占18.8%，碳密度等級位于10.60～12.72的占3.53%，碳密度等級位于12.72～14.84的占0.65%，高碳密度區(qū)域主要集中于西安主城區(qū)的東南區(qū)域，其中紡織公園的碳密度最高，為13.64 kg/m2，其次碳密度比較高的有革命公園和西安博物館，其碳密度皆為12.56 kg/m2，然而，永陽公園的碳密度僅為1.92 kg/m2, 可以看出，林齡與森林植被碳密度密切相關(guān).

總之，西安城市風(fēng)景區(qū)喬木平均碳密度為6.41 kg/m2，高于陜西省森林平均碳密度值3.092 kg/m2，西安城市風(fēng)景區(qū)樹木碳密度取值范圍介于1.92～ 13.64 kg/m2，碳儲量取值范圍介于100.46～11 695.62 t.

2.4 西安文教區(qū)森林植被喬木林碳儲量分析

圖3 西安城市文教區(qū)森林植被碳密度地理空間分布Fig.3 Forest vegetation carbon density spatial distribution of Xi ′an cultural district

由西安城市文教區(qū)森林植被喬木層碳密度地理空間分布圖(圖3)可以看出，西安文教區(qū)森林植被喬木層碳密度等級位于0～6.04的占2.1%，碳密度等級位于6.04～12.08的占62.1%，碳密度等級位于12.08～18.12的占14.3%，碳密度等級位于18.12～24.16的占13.6%，碳密度等級位于24.16～30.20的占6.8%，碳密度等級位于30.20～36.24的占0.8%，碳密度等級位于36.24～94.66的占0.4%.

可見，西安文教區(qū)樹木碳密度主要集中于6.04 ～12.08 kg/m2之間，西安絕大部分高等院校分布在南郊區(qū)域，其中以西安交通大學(xué)為代表的樣地喬木碳密度高達94.646 kg/m2，然而，陜西警官職業(yè)學(xué)院的碳密度僅為0.422 kg/m2，究其原因，西安交通大學(xué)建校歷史悠久，已達120年之久，大部分喬木林為成熟林、過熟林，而陜西警官職業(yè)學(xué)院建校較晚，喬木林中的幼齡林較多，因此，森林植被碳密度和林齡有很大關(guān)系.總之，西安文教區(qū)森林植被喬木層碳密度分布整體呈現(xiàn)出南高北低的特點.西安城市文教區(qū)喬木平均碳密度為14.24 kg/m2，明顯高于陜西省平均碳密度水平，西安城市文教區(qū)樹木碳密度取值范圍介于0.422～94.646 kg/m2，碳儲量取值范圍介于72.060～56 542.40 t.

3 結(jié)論

西安森林植被碳儲量在區(qū)域碳平衡和碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，本研究基于大量樣方實測數(shù)據(jù)和高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，應(yīng)用異速生長模型與GIS空間分析相結(jié)合的方法，更加直觀、動態(tài)地探討了西安森林植被碳密度空間分布特征及其多樣性，得出以下結(jié)論：

(1) 西安五種綠地類型中風(fēng)景區(qū)綠地的豐富度、均勻度及多樣性水平最高，植物的多樣性比較豐富，五類綠地中喬木綜合指數(shù)D表現(xiàn)出：風(fēng)景區(qū)綠地>文教區(qū)綠地>居住區(qū)綠地>工業(yè)區(qū)綠地>道路綠地.

(2) 西安不同類型森林植被喬木層碳密度存在一定差異，空間分布不均衡，文教區(qū)綠地碳密度最高，其次是風(fēng)景區(qū)綠地，居住區(qū)綠地較小.人類活動是影響森林植被碳密度空間分布的一個重要驅(qū)動因素，同時，植物的豐富度、均勻度及多樣性水平是森林植被碳儲量的一個驅(qū)動因子，且西安森林植被喬木林碳儲量與樹木的胸徑D、樹高H近乎成正比，可見西安森林植被碳密度與林齡密切相關(guān).

(3)西安風(fēng)景區(qū)綠地喬木植物多樣性水平最高，綜合指數(shù)D為6.19，遠遠高于其它類型綠地，城市公園景觀是高度人工化景觀，這說明人對綠地的科學(xué)有效管理是影響城市生物多樣性的重要因素.

保護和改善生態(tài)環(huán)境是西北地區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的前提，城市綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有重要的生態(tài)服務(wù)功能，是衡量城市文明程度和可持續(xù)發(fā)展的重要標(biāo)志[20].城市迅速擴張及土地利用格局的演變對城市植物的生存環(huán)境條件具有深刻的影響，進一步影響著城市植物的分布格局、種類組成及其多樣性水平[21].城鎮(zhèn)用地的空間拓展將日益成為現(xiàn)在及未來幾十年中國土地利用變化的主要特征[22].城市公園綠地維持較高水平的生物多樣性，具有降低犯罪率的作用，同時可以減小由城市環(huán)境所導(dǎo)致的心理壓力、彌補城市化帶來的生物多樣性流失[23].

研究發(fā)現(xiàn)，西安森林植被碳儲量與碳密度相對較低，這是因為西安森林植被中中幼林所占比重比較大，未來西安森林植被具有巨大的固碳潛力.森林植被碳儲量是計量森林生態(tài)效益的基礎(chǔ)，是衡量生態(tài)建設(shè)的關(guān)鍵指標(biāo).西安森林植被的結(jié)構(gòu)質(zhì)量水平有待進一步提高，同時要加強城市物種多樣性保護，從而更好地發(fā)揮森林城市的生態(tài)服務(wù)功能.