基于穆棱市下屬林場的森林碳儲量估算及空間分布的研究

王維芳 陳彩艷 王薇淇 隋傲 高小龍 劉索名

摘 要：利用黑龍江省穆棱市下屬的3個林場2012年、2016年兩期森林資源固定樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，研究森林固碳情況以及樹種、平均胸徑、平均樹高、每公頃株數(shù)、海拔和坡度等因素對森林碳儲量的影響情況。結(jié)合生物量相容性模型以及不同樹種含碳系數(shù)估算各林場內(nèi)樣地碳儲量情況，使用ArcGIS的普通克里金插值方法，空間插值得到并分析兩期碳儲量空間分布格局及其動態(tài)變化。分析碳儲量與海拔、坡度等地形因子和樹高、胸徑等林分因子之間的關(guān)系，并得到碳儲量估算模型。結(jié)果表明：研究區(qū)域碳儲量總量呈上升趨勢，森林碳匯功能不斷增強，中西部碳儲量明顯高于其他地區(qū)，東南部碳儲量相對較低，闊葉混交林、柞樹和人工落葉松在該區(qū)域森林植被碳匯功能中扮演重要角色。結(jié)果表明：森林固碳情況良好，應(yīng)更加注重森林資源的保護及分布平衡等問題。

關(guān)鍵詞：ArcGIS;森林碳儲量;空間分布;影響因素;動態(tài)變化

中圖分類號：S7-9;S792;S757 ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2019）05-0027-05

Abstract：In order to study the carbon sequestration of forests and its influencing factors such as tree species， mean DBH， average tree height， stems per hectare， altitude， slope and so on， this paper used two types of the forest resources permanent sample plot survey data from three typical forest farms in Muling City， Heilongjiang Province in 2012 and 2016. The carbon storage capacity of each forest farm was estimated by combining the biomass compatibility model and the carbon content of different tree species. Using ArcGISs ordinary Kriging interpolation method， spatial interpolation was used to obtain and analyze the spatial distribution pattern and dynamic changes of the two phases of carbon storage. The relationship between carbon storage and topographic factors such as elevation and slope， and forest stand factors such as tree height and DBH were analyzed， and a carbon storage estimation model was obtained. The results showed that the total carbon storage in the study area was on the rise， the forest carbon sink function was strengthening， the carbon storage in the central and western regions was significantly higher than those in other regions， and the carbon storage in the southeast was relatively low， the broad-leaved mingled forest， oak trees and artificial larch all played an important role in the carbon sink function of forest vegetation in this region. Conclusion： forest carbon sequestration was in good condition， and more attention should be paid to the protection and distribution balance of forest resources.

Keywords：ArcGIS; forest carbon storage; spatial distribution; influencing factors; dynamic changes

0 引言

森林生物量、碳儲量是森林生態(tài)系統(tǒng)的最基本數(shù)量特征，是研究森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)及能量循環(huán)的基礎(chǔ)，一直是森林資源監(jiān)測及林業(yè)科學(xué)研究中的一項重要內(nèi)容，也是人類可持續(xù)利用和發(fā)展森林生態(tài)系統(tǒng)的前提。森林碳儲量估測方法目前主要有3類： 樣地清查法、通量觀測法和基于遙感技術(shù)的模型法[1-2]。 其中樣地清查法為最常用的森林碳儲量估測方法相較于其他碳儲量估算方法，更為直接、明確及操作簡單，主要包括IPCC 法、BEF 為常數(shù)的生物量轉(zhuǎn)換因子法、轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法和加權(quán)生物量回歸模型法等[3]。樣地清查法中的各類方法均為直接或間接測定森林植被的生物量再乘以轉(zhuǎn)換比率（ 即干物質(zhì)中碳的比重） 來估算碳儲量[4]。本研究根據(jù)黑龍江省穆棱市下屬的3個林場2012年、2016年兩期森林資源固定樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合相容性生物量模型及不同樹種的含碳系數(shù)，完成研究地區(qū)碳儲量的估算，并分析其碳密度分布格局及動態(tài)變化，以及得到森林碳儲量估算模型，以期更好地了解森林固碳情況及主要影響因素，為更好地發(fā)揮森林固碳功能及相關(guān)研究提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)和研究方法

1.1 研究地區(qū)概況

磨刀石林場位于穆棱市西南部106 km，牡丹江市東部45 km，隸屬于穆棱市林業(yè)局。地理坐標(biāo)為東經(jīng)129°43′-130°00′，北緯43°32′-44°39′。林場地處張廣才嶺東坡，肯特阿嶺余脈，以山區(qū)丘陵地貌為主，東北高、西南低，最高海拔710 m，最低海拔260 m，平均海拔450 m，平均坡度14°。屬長白山植物區(qū)，主要樹種有柞、黑樺、椴、山、色樹和人工落葉松、樟子松和紅松等。林場經(jīng)營總面積4 019 hm2，林業(yè)用地面積4 006 hm2，其中有林地面積1 374 hm2，活立木總蓄積量44 730 m3。疏林地22 hm2，未成林造林地42 hm2，無林地2 563 hm2，苗圃用地5 hm2。

枯榆樹林場位于穆棱市中部，距八面通鎮(zhèn)43 km，離牡丹江市78 km，綏芬河口岸85 km，地理位置為東經(jīng)130°20′01″-130°34′37″，北緯44°30′02″-44°41′23″。林場地處長白山山脈，太平嶺西坡。地形以山區(qū)丘陵地貌為主，坡度較緩，平均坡度17°～25°之間，地勢南高北低，最高海拔651 m，最低海拔295 m，平均海拔450 m。 屬長白山植物區(qū)系。主要樹種有柞樹、黑樺、椴、山楊、色樹和人工落葉松、樟子松和紅松等，主要灌木以榛子、胡枝子、刺五加、杜鵑、珍珠梅和繡線菊等為主。經(jīng)營總面積9 924 hm2，林業(yè)用地9 321 hm2，其中有林地面積3 881 hm2，未成林造林地490 hm2，苗圃用地4 hm2，無林地4 717 hm2，其它229 hm2，非林業(yè)用地603 hm2。

代馬溝林場位于穆棱市西南，距市區(qū)85 km。地理坐標(biāo)為東經(jīng)129°56′44″-130°04′10″，北緯44°32′04″-44°39′46″。林場地處張廣才嶺東坡，以低山、丘陵地貌為主，地勢南高北低，平均海拔690 m，最高處為代馬溝北山，海拔757 m。屬長白山植物區(qū)系，主要喬木有紅松、云杉、冷杉、赤松、樟子松、落葉松、黃菠蘿、水曲柳、胡桃楸、柞樹、椴樹、楊樹，柳樹、白樺、黑樺、榆樹、楓樺、山槐、水冬瓜和色樹等。林場經(jīng)營總面積5 492 hm2，林業(yè)用地面積5 328 hm2，其中有林地面積3 984 hm2。未成林造林地214 hm2，無林地1 126 hm2，苗圃4 hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來自穆棱市下屬的磨刀石林場、枯榆樹林場、代馬溝林場2012與2016年2期144塊固定樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，分別調(diào)查了樣地內(nèi)林木的樹種、立木類型、方位角、水平距、胸徑和坡度等重要信息，并將各樣地資料經(jīng)過整理建立數(shù)據(jù)庫，根據(jù)每木檢尺數(shù)據(jù)計算樣地各林分調(diào)查因子，計算樣地的碳儲量。其中，經(jīng)過樣地統(tǒng)計得出，以柞樹、落葉松和樟子松為優(yōu)勢樹種的樣地占比較大，占總樣地的90%以上。且由于數(shù)據(jù)庫中沒有枯死木、下木層、草本層、枯枝落葉層和土壤層等數(shù)據(jù)，因此，本研究不包括上述各類碳儲量。

1.3 研究方法

本文根據(jù)董利虎的相容性生物量模型[5]，利用研究地區(qū)數(shù)據(jù)中的胸徑、樹高等數(shù)據(jù)計算得到研究地區(qū)樣地內(nèi)樹木的干、枝、葉和根的生物量，與不同樹種相應(yīng)部分含碳率[6]相乘得到干、枝、葉和根的碳儲量，將4部分碳儲量相加得出整棵樹的碳儲量，從而求出每個樣地的總碳儲量[7-18]。每個樣地的碳儲量求和除以樣地面積，得到樣地每公頃碳儲量。將樣地碳儲量信息與GPS信息導(dǎo)入ArcGIS，選用普通克里金法對樣地碳儲量進行空間插值，得到2012年、2016年穆棱市碳儲量空間分布圖，并對不同年份的碳儲量空間分布特征進行空間分析及動態(tài)分析。利用R軟件逐步回歸的方法分析研究地區(qū)樣地碳儲量與林分、地形因子之間的相關(guān)關(guān)系，剔除不顯著因子，建立碳儲量預(yù)估模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣地碳儲量計算

根據(jù)穆棱市枯榆樹林場、代馬溝林場、磨刀石林場3個林場的樣地數(shù)據(jù)以及生物量、碳儲量計算模型，計算得出3個林場2012年生物量總量為33 644.45 t，2016年生物量總量為63 326.23 t，生物量總量增加了29 681.78 t，2012年碳儲量總量為5 607.41 t，2016年碳儲量總量為10 554.37 t，碳儲量總量增加了4 946.96 t。不同樣地的碳儲量之間存在稍許差異，其中樣地每公頃碳儲量中最大值為200.70 t，最小值為0.39 t，平均值為38.80 t，標(biāo)準差為27.38 t。

不同樹種所占碳儲量也存在較大差異，從圖1可以看出，研究地區(qū)內(nèi)闊葉混交林、柞樹和人工落葉松碳儲量值占較大比例，2012年其碳儲量分別為1 778.63、1 483.53、1 015.82 t，2016年其碳儲量分別為2 820.12、2 361.24、2 531.31 t，不同樹種的碳儲量在2016年均有增長，闊葉混交林、柞樹、人工落葉松漲幅較大。

2.2 碳儲量空間分布

利用ArcGIS軟件中普通克里金方法進行空間插值，獲得2012年、2016年研究地區(qū)碳儲量空間分布圖，如圖2和圖3所示。

根據(jù)兩期碳儲量空間分布圖，研究區(qū)域磨刀石林場與枯榆樹林場北部地區(qū)碳儲量明顯高于其他地區(qū)。初步分析，由于穆棱市磨刀石林場等地區(qū)毗鄰牡丹江國家森林公園，林木由此受到良好的保護，森林覆蓋率高，碳儲量高;同時，由于穆棱市轄區(qū)內(nèi)的穆棱市區(qū)位于東北部，由此輻射的周圍的人口聚居地導(dǎo)致東部的林場少，建筑物、耕地多，森林覆蓋率低，碳儲量明顯低于中西部。

對兩期碳儲量動態(tài)變化進行分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域碳儲量整體呈增加趨勢，其中磨刀石林場地區(qū)增加尤為顯著。初步分析，由于磨刀石林場靠近牡丹江國家森林公園，林木得到有效保護，同時國家在2012-2016年期間一直在推行生態(tài)文明建設(shè)，因此，林木采伐得到有效控制，全轄區(qū)都在加大林木的種植與保護力度，所以整體在增加，而由于磨刀石林場本來就具有良好的基礎(chǔ)，更適合林木快速生長，因此增加最快。

2.3 碳儲量預(yù)估模型

運用R軟件分析研究區(qū)域中每公頃碳儲量與海拔（x1）、坡向（x2）、坡度（x3）、平均胸徑（x4）、平均樹高（x5）、郁閉度（x6）和每公頃樣地株數(shù)（x7）等的相關(guān)關(guān)系，采用逐步篩選的方法篩選出與之相關(guān)性較強的變量，剔除相關(guān)關(guān)系弱的變量，確定不同變量的模型系數(shù)，比較不同模型，最終選擇模型擬合程度最好，自變量之間獨立性更強的模型為碳儲量預(yù)估模型：

y=-45 950.749+62.407x1+431.486x3+1 708.476x4+1 925.242x5+8.954x7

根據(jù)逐步回歸法得到的碳儲量預(yù)估模型，AIC為4 214.81，R2adj為0.4 794，具有較為顯著的相關(guān)關(guān)系，而且通過表1可以明顯表示出研究區(qū)域的每公頃碳儲量與海拔（x1）、坡度（x3）、平均胸徑（x4）、平均樹高（x5）和每公頃樣地株數(shù)（x7）等因素呈明顯正相關(guān)關(guān)系，且與海拔（x1）、平均胸徑（x4）、平均樹高（x5）相關(guān)程度較大，因此選用此模型為碳儲量預(yù)估模型。在得到有關(guān)參數(shù)時便可以根據(jù)此模型對研究區(qū)域進行有關(guān)碳儲量的估算以及相關(guān)分析等操作，為相關(guān)研究打下理論基礎(chǔ)。

3 結(jié)論與討論

本文采用相容性生物量模型及不同樹種含碳系數(shù)對穆棱市下屬林場樣地碳儲量進行估算，并利用ArcGIS運用普通克里金法插值得到研究區(qū)域的整體碳儲量分布情況，經(jīng)過分析表明，研究地區(qū)磨刀石林場碳儲量較高。并對2012年、2016年兩期碳儲量的空間分布進行動態(tài)分析，得出研究地區(qū)碳儲量的變化趨勢：整體上升，磨刀石林場增加更為顯著，可能由于本身林分條件較好以及后續(xù)生態(tài)保護的實行。對林分、地形因子對于碳儲量分布的影響進行了統(tǒng)計分析，并據(jù)此建立碳儲量預(yù)估模型，更深入了解森林固碳情況及主要影響因素，為更好地發(fā)揮森林固碳功能及相關(guān)研究提供依據(jù)。

本次研究也存在著優(yōu)勢與不足：本研究在研究區(qū)域局部的分析和估計可信度較高，在整個地區(qū)碳儲量的估計中可借鑒此研究思路與方法。同時由于所選林場樣地大致分布在整個地區(qū)的北、西、中、東北幾個方向上，接近整個穆棱地區(qū)區(qū)域面積近半數(shù)以上，對于空間動態(tài)分析也具有較高的可靠性。但由于本次調(diào)查所采用的樣地樣本容量并不大，且不均勻分布在穆棱地區(qū)各處，空間插值的預(yù)估情況可能與現(xiàn)實情況有些許偏差。

通過此次研究可以發(fā)現(xiàn)，雖然通過近幾年國家政策的要求生態(tài)環(huán)境有所改善，穆棱市的植被資源整體也呈良好上升趨勢，但穆棱市地區(qū)的森林等植被資源仍有待加強保護。在鞏固國家森林公園保護區(qū)的林木資源的同時應(yīng)注重市區(qū)周圍的林木種植及綠化。且南北和東西方向上森林植被的覆蓋差異較大，有著不平衡的狀況。在未來的生態(tài)建設(shè)中在整體上穩(wěn)步上升的同時，應(yīng)逐漸緩解南北和東西方向上的植被分布不均，最終使碳儲量分布達到平衡狀態(tài)。

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