城步苗族自治縣林地碳儲量及碳密度研究

張 超

(國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，長沙 410014)

森林生態(tài)系統(tǒng)是整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體[1-2]，是維持全球生態(tài)平衡的核心[3]，有相關(guān)研究表明，每年整個陸地生態(tài)系統(tǒng)約有2/3的碳固定是由森林生態(tài)系統(tǒng)完成的[4]，也有研究表明陸地植被的碳儲量值絕大部分由森林植被的碳儲量組成[5-6]，因此，森林在維持全球碳平衡方面發(fā)揮著極為關(guān)鍵的作用。尤其在當(dāng)今工業(yè)革命空前繁榮的今天，全球碳排放的峰值也在不斷刷新，如何提高森林植被的碳儲量，減緩因碳排放超標(biāo)而引起的溫室效應(yīng)、熱島效應(yīng)等氣候、環(huán)境壓力是當(dāng)前不容忽視的問題[7-8]。

當(dāng)前許多學(xué)者認(rèn)為森林碳儲量是衡量大氣含碳量變化的重要參數(shù)[9]，并有為數(shù)較多的林業(yè)科研人員從不同尺度對森林植被碳儲量及碳密度進(jìn)行估算和分析，如方精云等[10]、徐新良等[11]以國家森林資源清查數(shù)據(jù)為依據(jù)估算了中國森林植被碳儲量，其研究成果為國內(nèi)的碳匯研究開啟了新的思路和方法。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展，對城步縣的碳儲量和碳密度進(jìn)行了估算和分析，以期為加強(qiáng)該地區(qū)的生態(tài)服務(wù)功能，并為湖南省森林植被的碳匯計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

城步縣地處湖南省西南邊陲，地處雪峰山脈與南嶺之首越城嶺山脈交匯之處，沅江支流巫水上游。平均海拔696.8 m，以山地為主，丘陵、崗地、溪谷平原兼有；屬中亞熱帶山地氣候，四季分明，雨量充沛，山地逆溫效應(yīng)明顯；年日照時數(shù)為1 134.6～1 601.5 h，年平均氣溫為16.1 ℃，年平均降水量1 218.5 mm；境內(nèi)有野生植物1 700余種，其中喬灌木樹種107科921種，牧草63科262種，藥用植物352種，野生經(jīng)濟(jì)果木、淀粉、纖維、烤膠原料植物80余種。

2 材料與方法

本研究以2017年城步苗族自治縣的林地變更數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將研究區(qū)的優(yōu)勢樹種歸納為：杉木組、松木組、柏木組、速生闊葉樹、中生闊葉樹、慢生闊葉樹、闊葉混、竹木組、經(jīng)濟(jì)林組、灌木林組10大類，各優(yōu)勢樹種組成詳情見表1。

經(jīng)統(tǒng)計，城步苗族自治縣林地總面積216 167.04 hm2，蓄積量為2 841 695.82 m3，其中杉木組的林地面積和蓄積量最大，面積為59 959.26 hm2，占林地總面積27.74%，蓄積量為1 552 409 m3，占總蓄積量的 54.63%；其他優(yōu)勢樹種組面積和蓄積量詳見表2，空間分布狀況見圖1。

表2 城步苗族自治縣林地優(yōu)勢樹種面積與蓄積統(tǒng)計優(yōu)勢樹種組面積/hm2 占比/%蓄積/m3占比/%杉木組59 959.2627.74 1 552 40954.63松樹組25 256.5211.68 467 489.216.45 柏木組441.040.20 7 794.980.27 速生闊葉樹組2 511.321.16 44 943.171.58 中生闊葉樹組3 080.991.43 38 522.821.36 慢生闊葉樹組22 691.8810.50 217 042.87.64闊葉混43 078.0219.93 513 493.8518.07竹木組26 838.2812.42 經(jīng)濟(jì)林組2 945.601.36灌木組29 364.1313.58 合計216 167.04100.00 2 841 695.82100.00

圖1 優(yōu)勢樹種組空間分布圖

通過生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法估算城步苗族自治縣的林分生物量，再將生物量乘以國際通用的含碳系數(shù)(本研究為0.5%)，計算出研究區(qū)的碳儲量以及碳密度。不同林分類型生物量換算因子系數(shù)見表3。竹林、經(jīng)濟(jì)林及灌木林的生物量則通過平均生物量法計算，具體參數(shù)為：經(jīng)濟(jì)林為23.7 t /hm2，竹林中毛竹為81.9 mg /hm2，其他竹子為53.1 mg /hm2，灌木林為19.76 t /hm2。

表3 不同林分類型生物量換算因子系數(shù)林分類型系數(shù)a/(mg/m3)b/mgR杉木組0.399 922.541 00.95松木組0.691 412.626 00.92柏木組0.490 430.427 00.96闊葉混0.739 343.210 00.97慢生闊葉樹組1.035 78.059 10.73速生闊葉樹組1.328 8-3.899 91.00中生闊葉樹組0.625 591.001 30.93

3 結(jié)果與分析

根據(jù)生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法，計算出城步苗族自治縣按齡組劃分的各優(yōu)勢樹種組的森林碳儲量和碳密度，詳見表4和表5。

3.1 各齡組碳儲量與碳密度結(jié)構(gòu)特征分析

各個齡組的碳儲量(不包括經(jīng)濟(jì)林、竹林和灌木林)分布情況如表4所示，各齡組碳儲量排序由大到小依次為：中齡林>成熟林>近熟林>幼齡林>過熟林，之所以會出現(xiàn)中齡林的碳儲量在各林組中最大，而過熟林的碳儲量最小的情況是因為中齡林在各齡組中所占的林地面積最大，占林地面積的29.63%，而過熟林僅占林地的3.6%。但所占面積不是決定碳儲量的唯一因素，碳儲量大小與不同樹種的固碳能力以及齡組存在緊密聯(lián)系，如中齡林面積為46 525.03 hm2，成熟林面積為43 192.84 hm2，分別占喬木林地面積的29.63%和27.51%，但二者的碳儲量分別為3181 389.46 t和3 079 887.18 t，僅相差1.01%，這是因為中生闊葉樹有較大部分是中齡林，而成熟林則以杉木組和松木組等針葉林為主；又如研究區(qū)的幼林齡面積為29 194.63 hm2，為整個喬木林地面積的18.59%，其碳儲量僅有1 045 686.42 t，不足整個喬木林地碳儲量的11%。這都表明林地的碳儲量是由多種因素綜合決定的。

表4 優(yōu)勢樹種組各齡組碳儲量優(yōu)勢樹種組碳儲量/t合計幼齡林中齡林近熟林成熟林過熟林杉木組3 117 548.51286 174.46250 152.57463 307.851 715 719.73402 193.9柏木組14 750.422 774.11 462.2810 514.04速生闊葉樹163 571.994 700.1234 400.1316 124.8294 151.3114 195.61中生闊葉樹359 493.36108 883.04124 586.9626 084.7995 548.294 390.28慢生闊葉樹1 460 665.68122 790.52671 587.45486 007.34176 834.413 445.96闊葉混3 384 685.17492 095.751 874 633.04791 220.45223 371.473 364.47經(jīng)濟(jì)林組69 810.83竹木組2 193 358.51灌木組580 235.38合計11 344 119.851 017 417.992 956 822.431 793 259.292 305 625.21427 590.22

表5 優(yōu)勢樹種組各齡組碳密度優(yōu)勢樹種組碳密度/(t/hm2)幼齡林中齡林近熟林成熟林過熟林杉木組24.5546.0942.9863.8776.82松木組23.9944.1659.2872.2272.55柏木組37.6167.2630.43速生闊葉樹10.7341.7103.77102.9779.5中生闊葉樹93.59122.46135.76140.67152.15慢生闊葉樹22.863.41100.2898.6445.72闊葉混52.9179.5899.28100.44124.29

圖2 各齡組碳密度分布

從圖2可知，城步苗族自治縣林地中的碳密度隨著齡組的遞增呈現(xiàn)上升趨勢，這符合林木的生長規(guī)律，因為碳儲量和碳密度均和林分的生物量存在緊密聯(lián)系，在自然環(huán)境下林分的生物量隨著年齡的增長而不斷增加。但在本研究中，碳密度隨齡級增長的規(guī)律也存在其他特征，主要體現(xiàn)在中齡林、近熟林、過熟林的碳密度基本相近，究其原因還是中齡林這個階段有較大一部分中生闊葉樹等，而成熟林則以杉木、松木等針葉樹為主，闊葉樹的固碳能力要強(qiáng)于針葉樹，此消彼長之下就形成了當(dāng)前這種現(xiàn)象。

3.2 各優(yōu)勢樹種組碳儲量與碳密度結(jié)構(gòu)特征分析

由表4可知，城步苗族自治縣的林地碳儲量最大的優(yōu)勢樹種為闊葉混，占總碳儲量的26.31%；其次為杉木組和竹木組，分別占24.24%和17.05%；柏木組的碳儲量最小，僅占總碳儲量的0.11%。各優(yōu)勢樹種組碳儲量排序為：闊葉混>杉木組>竹木組>松木組>慢生闊葉樹組>灌木組>中生闊葉樹組>速生闊葉樹組>經(jīng)濟(jì)林組>柏木組。理論上說優(yōu)勢樹種的碳儲量與其面積、蓄積量有緊密聯(lián)系，但由于不同闊葉樹和針葉樹固碳能力的差異，并不是面積和蓄積量越大碳儲量越大，城步苗族自治縣林地面積和蓄積量排第一的優(yōu)勢樹種均為杉木組，其面積占全縣林地總面積的27.74%，蓄積量占全縣總蓄積量的54.63%，但其碳儲量卻低于闊葉混。究其原因一方面是闊葉混面積與蓄積量居全縣第二，有一定的基數(shù)優(yōu)勢；另一方面則是闊葉混以闊葉樹為主，其木纖維較針葉樹組豐富，再加上闊葉混主要集中在人跡罕至的次生林分布區(qū)域，該區(qū)域群落結(jié)構(gòu)完整，為頂級群落，因此闊葉混是城步苗族自治縣碳儲量最大的優(yōu)勢樹種。

圖3 優(yōu)勢樹種組碳密度分布

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，城步苗族自治縣的森林碳密度以中生闊葉樹最大，其次是竹木組和闊葉混，最小的為灌木組；不同優(yōu)勢樹種組的碳密度大小排序依次為：中生闊葉樹組>竹木組>闊葉混>速生闊葉樹組>慢生闊葉樹組>松木組>杉木組>柏木組>經(jīng)濟(jì)林組>灌木組。經(jīng)濟(jì)林組和灌木組碳密度偏低和兩者的經(jīng)營方式和生長環(huán)境息息相關(guān)，經(jīng)濟(jì)林由于經(jīng)營方式特殊，為保證作物樹種的生長優(yōu)勢，人為將作物樹種周邊的其他植株進(jìn)行了清除，導(dǎo)致其森林碳儲量偏低；灌木林多生于土地貧瘠之地，水肥因素難以補(bǔ)給喬木林的生長，故僅適合生長植株低矮的灌木，結(jié)構(gòu)較為單一，其碳儲量也相對較低。

4 結(jié)論與討論

采用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法，對城步苗族自治縣林地的碳儲量和碳密度進(jìn)行評估和分析，結(jié)果如下：從齡組分析，研究區(qū)的碳儲量和碳密度可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律，各齡組碳儲量排序由大到小依次為：中齡林>成熟林>近熟林>幼齡林>過熟林，究其原因還是中齡林在各齡組中所占林地面積最大，占全縣林地面積的29.63%，且在各樹種組中生物量最大的中生闊葉樹大部分都集中在中齡林階段，故中齡林的碳儲量最大，但各齡組的碳密度則是過熟林最大，這是因為生長時間越長，林木所累積的生物量越大。

從優(yōu)勢樹種分析，研究區(qū)的碳儲量與碳密度則有如下規(guī)律，各優(yōu)勢樹種組碳儲量排序為：闊葉混>杉木組>竹木組>松木組>慢生闊葉樹組>灌木組>中生闊葉樹組>速生闊葉樹組>經(jīng)濟(jì)林組>柏木組。從各優(yōu)勢樹種的分布面積可知闊葉混排名第2，但由于闊葉樹的固碳能力比針葉樹強(qiáng)，因此并非分布面積越大、蓄積量越大其碳儲量就越大，但毋庸置疑，碳儲量與面積和蓄積量同樣存在緊密聯(lián)系。不同優(yōu)勢樹種組的碳密度大小排序依次為：中生闊葉樹組>竹木組>闊葉混>速生闊葉樹組>慢生闊葉樹組>松木組>杉木組>柏木組>經(jīng)濟(jì)林組>灌木組，說明碳儲量和碳密度的大小與林分結(jié)構(gòu)和經(jīng)營方式有較大聯(lián)系。

不同林分類型生物量換算因子系數(shù)是決定生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法精確度的主要因素之一，雖然研究成果已比較成熟，可以在較小的范圍內(nèi)估算出林地的碳儲量和碳密度，但為了進(jìn)一步提高蓄積量轉(zhuǎn)換為生物量的精確度，增加生物量換算因子系數(shù)法的可靠性，理論上還需要針對城步苗族自治縣不同林分類型生物量換算因子系數(shù)的選取展開深入研究，這也是筆者后期需要著重探討的方向。