甘肅省祁連山林區(qū)林地碳儲(chǔ)量的分布特征和動(dòng)態(tài)變化

趙方圓，王瓊芳，趙萬(wàn)奎，程小云

（1.甘肅省生態(tài)資源監(jiān)測(cè)中心，蘭州 730020；2.甘肅省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，蘭州 730020）

甘肅省祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境治理事關(guān)國(guó)家生態(tài)安全，對(duì)推動(dòng)甘肅省和河西走廊的可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。祁連山生態(tài)環(huán)境問(wèn)題較早已經(jīng)引起關(guān)注，保護(hù)也一直在推進(jìn)。1980 年祁連山森林被確定成為國(guó)家重點(diǎn)水源涵養(yǎng)林，1988 年5 月國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)成立甘肅省祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，2008 年11 月《國(guó)務(wù)院關(guān)于支持青海等省藏區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的若干意見》中明確提出啟動(dòng)祁連山水源涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和綜合治理規(guī)劃研究，2012 年12月28 日國(guó)家發(fā)展改革委正式批復(fù)《祁連山生態(tài)保護(hù)與綜合治理規(guī)劃》［1，2］，以上措施一定程度上減緩了祁連山地區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化，但生態(tài)問(wèn)題仍然很嚴(yán)峻。20 世紀(jì)50 年代，祁連山森林覆蓋率為22.4%，到2017 年減少到14.4%，林草質(zhì)量和數(shù)量下降［3］。70 年代后批建的產(chǎn)業(yè)發(fā)展活動(dòng)與現(xiàn)行的相關(guān)環(huán)境保護(hù)方法有較大的出入導(dǎo)致一部分林業(yè)用地被占用，且因投入大導(dǎo)致較難退出且恢復(fù)周期較長(zhǎng)；區(qū)域民生與生態(tài)承載力矛盾突出；生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)相關(guān)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的缺失和共享不暢均是祁連山生態(tài)環(huán)境惡化的根源［4］。2017 年祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞問(wèn)題引發(fā)社會(huì)各界廣泛關(guān)注，針對(duì)存在的問(wèn)題，林業(yè)部門作出了一系列的生態(tài)治理舉措［5-7］。上述各項(xiàng)政策的核心思想在于全面加強(qiáng)林業(yè)系統(tǒng)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理，遏制保護(hù)區(qū)人為生態(tài)破壞，提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量、系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量相關(guān)研究，國(guó)內(nèi)有關(guān)碳儲(chǔ)量的研究成果多數(shù)集中于東部和沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，且以市、縣等行政區(qū)劃或者自然保護(hù)區(qū)為范圍［8-15］。在研究方法上，以生物量法、蓄積量法、生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法和微氣象學(xué)法為主［16-27］。本研究以甘肅省祁連山林區(qū)為對(duì)象，綜合運(yùn)用生物量擴(kuò)展因子法、單位面積生物量法、土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣法對(duì)研究區(qū)主要林地碳儲(chǔ)量進(jìn)行測(cè)算，綜合探究該區(qū)域土地轉(zhuǎn)移情況及碳儲(chǔ)量時(shí)空變化特征，分析已實(shí)施的祁連山地區(qū)生態(tài)治理政策的落實(shí)情況，為該區(qū)域后續(xù)區(qū)域土地利用規(guī)劃和碳增匯研究提供參考。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

祁連山林區(qū)地處張掖、武威、金昌、蘭州、山丹馬場(chǎng)境內(nèi)，總面積1.86萬(wàn)km2，地理坐標(biāo)36°45′—39°44′N、97°23′—103°45′E。由于地域遼闊，相對(duì)高差懸殊，氣候的垂直分布差異明顯，屬高原大陸性氣候。水系發(fā)育良好，分屬黃河和內(nèi)陸河兩大水系，水資源使用和生態(tài)受益區(qū)包括河西走廊的武威、金昌、張掖、酒泉、嘉峪關(guān)和永登。人文資源豐富，民族文化多樣。在祁連山保護(hù)區(qū)管理范圍內(nèi)有22 萬(wàn)多人（保護(hù)區(qū)與周邊區(qū)居民），居住有藏族、裕固族、回族、土族、漢族等17 個(gè)民族，其中藏族和裕固族為居住人數(shù)最多的兩個(gè)少數(shù)民族。近年來(lái)由于人類活動(dòng)和氣候變化等原因，祁連山生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大變化，生態(tài)系統(tǒng)原有的碳循環(huán)和碳平衡有所變化，生態(tài)環(huán)境脆弱問(wèn)題突出。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究使用的原始數(shù)據(jù)是2016 年、2019 年森林資源管理年度更新數(shù)據(jù)。參考的遙感影像數(shù)據(jù)采用的是高分一號(hào)及高分二號(hào)衛(wèi)星拍攝的結(jié)果，分辨率為2.0～2.5 m。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)地類和植被覆蓋類型發(fā)生明顯變化的圖斑，結(jié)合林業(yè)資源管理資料以及實(shí)地調(diào)查和驗(yàn)證進(jìn)行修正，在Arc-GIS10.6 軟件支持下，對(duì)圖斑數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、提取、合并等操作，建立了祁連山林區(qū)土地類型及碳匯計(jì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)具備準(zhǔn)確性和實(shí)效性，滿足后續(xù)分析需要。

2 研究方法

運(yùn)用生物量擴(kuò)展因子法計(jì)算喬木林地和疏林地的碳儲(chǔ)量，采用單位面積生物量法計(jì)算灌木林地的碳儲(chǔ)量。結(jié)合研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣綜合分析2016—2019 年土地利用變化對(duì)研究區(qū)碳儲(chǔ)量變化的影響。

2.1 喬木林地、疏林地、灌木林地的碳儲(chǔ)量和年碳匯量計(jì)算

喬木林地、疏林地碳儲(chǔ)量為地上地下生物量碳儲(chǔ)量、林下碳儲(chǔ)量（灌木層和枯落物）、林地碳儲(chǔ)量三者之和，公式如式（1）、式（2）所示；灌木林地碳儲(chǔ)量計(jì)算如式（3）所示；碳密度和年均碳匯量的計(jì)算式見式（4）、式（5）［28］。

式（1）、式（2）中，C喬為喬木層碳儲(chǔ)量；i為優(yōu)勢(shì)樹種；n為優(yōu)勢(shì)樹種總數(shù)；Ai為林地面積；Vi為林木蓄積量；BEFi為林木地上生物量與樹干生物量的比；Di為木材基本密度；Ri為樹種根莖比；CFi為生物量含碳率；C為林地全部固碳量；α為林下植物碳轉(zhuǎn)換系數(shù)；β為林地碳轉(zhuǎn)換系數(shù)。式（3）中，C灌為灌木林碳儲(chǔ)量；A為灌木林面積；B為生物量密度參數(shù)；CF為生物量含碳率。式（4）中，Qc為碳密度；C為碳儲(chǔ)量；S為林地面積。式（5）中，ΔC為年碳匯量；Ct2、Ct1分別為t2和t1時(shí)間的碳儲(chǔ)量；t2和t1分別為變化末期和初期時(shí)間。

2.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣可以客觀反映土地的轉(zhuǎn)移情況，包括轉(zhuǎn)化來(lái)源、去向及數(shù)量大小等信息［29］，其具體數(shù)學(xué)表達(dá)形式為：

式（6）中，Sij為研究初期和末期土地利用狀態(tài)；n為土地類型數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 喬木林地、疏林地、灌木林地的分布

2016—2019 年主要林地（喬木林地、疏林地、灌木林地）土地面積占比從大到小依次為灌木林地、喬木林地、疏林地，平均占比分別為72.95%、24.64%、2.41%。灌木林地面積占比最大，喬木林地與灌木林地和疏林地鑲嵌分布，主要集中于研究區(qū)的中部和東南部。

3.2 喬木林地、疏林地、灌木林地的碳儲(chǔ)量變化情況

如表1 所示，2016 年、2019 年主要林地（喬木林地、疏林地、灌木林地）碳儲(chǔ)量占比從大到小依次為喬木林地、灌木林地、疏林地，平均占比分別為82.60%、14.56%、2.84%。從碳儲(chǔ)量變化情況來(lái)看，祁連山林區(qū)主要林地2019 年總碳儲(chǔ)量為2 064.83 萬(wàn)t，比2016 年增加了19.20%，年均增加110.84 萬(wàn)t。其中，喬木林地碳儲(chǔ)量增加了23.22%，占祁連山林區(qū)碳儲(chǔ)量總增加值的98.26%，碳匯潛力巨大；疏林地和灌木林地也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，疏林地碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)了9.63%，灌木林地增長(zhǎng)了0.31%。從碳密度變化情況來(lái)看，2019 年比2016 年喬木林地碳密度增長(zhǎng)了23.58%，疏林地碳密度增長(zhǎng)了7.76%。碳密度的變化和分布情況如圖1 所示，結(jié)合地類分布，碳密度的分布與與地類分布吻合，碳密度分布表現(xiàn)為喬木林地＞疏林地＞灌木林地。碳密度較高的林區(qū)主要集中在研究區(qū)中部和東南部。2019 年相對(duì)于2016 年喬木林和疏林地所在地區(qū)的碳儲(chǔ)量有了較大的提高得益于二者平均碳密度的增加。以上結(jié)果表明，2016—2019 年以喬木林碳儲(chǔ)量的增長(zhǎng)最為顯著，單位面積的儲(chǔ)碳能力也明顯提高。這在一定程度上反映了研究期間甘肅省實(shí)施的天然林資源保護(hù)工程、退耕還林工程、森林撫育等各類工程以及加大環(huán)境整改力度等措施對(duì)擴(kuò)大林草面積、提高林草質(zhì)量、提升碳匯增量發(fā)揮了積極作用。

圖1 祁連山林區(qū)碳密度分布

表1 喬木林地、疏林地、灌木林地的碳儲(chǔ)量和碳密度

3.3 喬木林地分齡組優(yōu)勢(shì)樹種的碳儲(chǔ)量

從齡組結(jié)構(gòu)上看（圖2），喬木林地近熟林碳儲(chǔ)量最大，中齡林次之，過(guò)熟林最小。近熟林、中齡林、成熟林、幼齡林、過(guò)熟林碳儲(chǔ)量在2016 年、2019 年占比分別為58.26%、58.49%，37.46%、38.51%，3.01%、2.24%，0.79%、0.81%，0.26%、0.19%。從變化情況看，2019 年幼齡林面積比2016 年增長(zhǎng)了13.72%，近熟林面積增長(zhǎng)了0.63%，過(guò)熟林面積減少了24.31%，成熟林面積減少了17.09%，中齡林面積減少了0.24%（圖3）；中齡林、幼齡林、近熟林碳儲(chǔ)量分別增長(zhǎng)了26.7%、26.34%、22.74%，成熟林和過(guò)熟林碳儲(chǔ)量分別減少了8.36%、12.52%。退耕還林、人工造林等生態(tài)恢復(fù)工程實(shí)施以來(lái)，樹種多處于幼齡林和中齡林階段，植物生長(zhǎng)多處于旺盛生長(zhǎng)期，可以吸收更多的二氧化碳，釋放更多的氧氣，對(duì)森林的碳匯功能有積極作用。

從優(yōu)勢(shì)樹種看（圖2），2016 年、2019 年云杉（Picea asperata）的碳儲(chǔ)量最大，占比分別為85.39%、86.28%；其次是其他柏類（Cupressaceaespp.），占比分別為7.77%、6.73%。從變化量來(lái)看，3 年間云杉的碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)量最大（294 萬(wàn)t），占喬木林碳儲(chǔ)總增加值的90.09%。從變化速率看，面積增長(zhǎng)率最大的是楊類（201.79%），其次是針闊混交林（117.24%），其他軟闊類減少最快（-89.56%），闊葉混交林（-51.61%）次之（圖3）；碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)率最大的是針闊混交林（255.30%），其次是楊類（156.45%）、云杉（24.50%）、針葉混交林（15.06%）、白樺（11.56%）、紅樺（11.31%），其他軟闊類減少最快（-88.29%），闊葉混交林（-48.35%）次之，可見優(yōu)勢(shì)樹種中針闊混交林、楊類、云杉、針葉混交林的碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)較快，且以針葉混交林、針闊混交林、楊類的幼齡林增長(zhǎng)顯著，生態(tài)環(huán)境治理工程中林地占用整改措施中的原地植被恢復(fù)和天然林修復(fù)工程中的補(bǔ)植補(bǔ)造等措施是幼齡林碳儲(chǔ)量增加的因素之一，在今后的造林規(guī)劃中，針葉混交林、針闊混交林、楊類是可以優(yōu)先考慮的樹種。

3.4 喬木林分齡組優(yōu)勢(shì)樹種的碳密度

從齡組結(jié)構(gòu)上看（圖4），2016 年、2019 年近熟林碳密度分別為106.11、129.43 t/hm2，成熟林碳密度分別為77.88、86.08 t/hm2，中齡林碳密度分別為64.99、82.53 t/hm2，過(guò)熟林碳密度分別為44.37、51.28 t/hm2，幼齡林碳密度分別為45.43、50.47 t/hm2。從變化情況來(lái)看，2016—2019 年中齡林、近熟林、過(guò)熟林、幼齡林、成熟林的碳密度分別增長(zhǎng)了27.00%、21.97%、15.58%、11.10%、10.53%。今后應(yīng)加大幼齡林撫育管理，減少成熟林人為干擾，增加兩者的固碳能力。

從優(yōu)勢(shì)樹種看（圖4），2016 年、2019 年油松（130.7 t/hm2）、云杉（103.55 t/hm2）、針葉混交林（88.95 t/hm2）、紅樺（79.81 t/hm2）的平均碳密度位居前四。碳密度增長(zhǎng)率從大到小依次為針闊混交林（63.55%）、云杉（24.98%）、落葉松（16.85%）、針葉混交林（13.99%）、其他軟闊類（12.14%）、紅樺（11.31%），減少的有楊類（-15.02%）。其中楊類碳密度減少說(shuō)明仍應(yīng)對(duì)其新增幼齡林和中齡林進(jìn)行合理的撫育，實(shí)現(xiàn)碳效益的提升。

3.5 土地利用類型時(shí)空變化分析

運(yùn)用ArcGIS 軟件將2016年、2019年的林地更新數(shù)據(jù)作相交處理，重新計(jì)算相交后小斑圖形面積，導(dǎo)出屬性表，在Exel 中通過(guò)數(shù)據(jù)透視表功能得出祁連山林區(qū)2016—2019年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣，具體各類土地轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出以及碳儲(chǔ)量變化情況如表2 所示。

表2 祁連山林區(qū)2016—2019 年土地利用類型轉(zhuǎn)移及碳儲(chǔ)量變化

土地利用類型的主要轉(zhuǎn)移方向是牧草地、未利用地、建設(shè)用地向林地的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出抵消后，牧草地轉(zhuǎn)移到林地的面積為1 109.84 hm2，轉(zhuǎn)移碳儲(chǔ)量為21 924.73 t；未利用地轉(zhuǎn)移到林地的面積為90.76 hm2，轉(zhuǎn)移碳儲(chǔ)量為383.41 t；建設(shè)用地轉(zhuǎn)移到林地的面積為10.38 hm2，轉(zhuǎn)移碳儲(chǔ)量為246.33 t?？傮w上來(lái)看，牧草地轉(zhuǎn)為灌木林和喬木林，碳儲(chǔ)量增加，未利用地和建設(shè)用地向林地碳儲(chǔ)量的轉(zhuǎn)移在一定程度上說(shuō)明生態(tài)治理工程加快了未利用土地的開發(fā)利用、部分被建設(shè)用地占用的林地資源得到恢復(fù)，林地保護(hù)得到重視。今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)建設(shè)用地向林地資源的恢復(fù)和未利用地的開發(fā)利用，同時(shí)提升喬木林的天然更新能力，減少現(xiàn)有喬木林地的流失，提高資源綜合利用水平。進(jìn)一步持續(xù)推進(jìn)祁連山生態(tài)環(huán)境問(wèn)題整治，加速天空地監(jiān)測(cè)體系一體化生態(tài)監(jiān)測(cè)體系建設(shè)，發(fā)揮祁連山大數(shù)據(jù)平臺(tái)三線五級(jí)監(jiān)測(cè)模式在生態(tài)保護(hù)監(jiān)測(cè)中的深入應(yīng)用，以生態(tài)保護(hù)、生態(tài)鞏固、生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)建設(shè)為核心，積極構(gòu)建現(xiàn)代生態(tài)環(huán)境治理體系。

4 小結(jié)與討論

1）祁連山林區(qū)作為祁連山生態(tài)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題自查整改的重點(diǎn)區(qū)域，碳增匯一方面得益于研究區(qū)林地面積的增長(zhǎng)，從土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣看，牧草地、未利用地、建設(shè)用地向林地轉(zhuǎn)移碳儲(chǔ)量為2.26萬(wàn)t，生態(tài)建設(shè)加強(qiáng)后，牧草、未利用地、建設(shè)用地有向林地轉(zhuǎn)回的趨勢(shì)。整改治理中保護(hù)區(qū)部分經(jīng)營(yíng)項(xiàng)目和礦產(chǎn)的退出以及強(qiáng)制恢復(fù)林地原貌等舉措在一定程度上加快了未利用土地的開發(fā)利用、部分被建設(shè)用地占用的林地資源得到恢復(fù)。另一方面是林草質(zhì)量的提高，2016—2019 年研究區(qū)碳儲(chǔ)量穩(wěn)步提升，喬木林地、疏林地、灌木林地年均碳匯量達(dá)110.84 萬(wàn)t。其中喬木林碳儲(chǔ)量增加了23.22%，占祁連山主要林地碳儲(chǔ)量總增加值的98.26%。在增長(zhǎng)量上，云杉的碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)量最大（294 萬(wàn)t），占喬木林碳儲(chǔ)總增加值的90.09%，在增長(zhǎng)速率上，最具未來(lái)碳匯潛力的中齡林和幼齡林碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)最快，增長(zhǎng)率分別為26.70%和26.34%，保護(hù)政策中天然林資源保護(hù)工程、森林撫育、林地植被的恢復(fù)和退化林修復(fù)、補(bǔ)植改造等工程很大程度上提升了林地林木的質(zhì)量。因生態(tài)環(huán)境的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)化的長(zhǎng)期過(guò)程，后續(xù)仍需增大研究年限和樣本容量，針對(duì)治理措施對(duì)碳儲(chǔ)量的影響也應(yīng)該從定性層面的闡述引入更多定量方向的研究。

2）在喬木林地的碳儲(chǔ)量和碳密度計(jì)算方法上，對(duì)比西部地區(qū)喬木林地的碳密度，研究區(qū)的喬木林地碳密度偏高，2016 年和2019 年祁連山林區(qū)喬木林地碳密度分別為84.08 t/hm2和103.91 t/hm2，高于2010年甘肅省喬木林地平均碳密度51.80 t/hm2［30］。研究區(qū)云杉占比較大，2016年面積占比達(dá)80%，且其中中齡林和近熟林占比達(dá)98%，而云杉屬于寒溫性針葉林，森林碳儲(chǔ)量單位累積量較高，對(duì)比已有研究得出的祁連山青海省城內(nèi)云杉的碳密度為100.46 t/hm2［18］，更加證實(shí)了本研究碳密度偏高的客觀原因。此外灌木林在碳儲(chǔ)量計(jì)算時(shí)采用的是溫帶大陸氣候區(qū)的平均單位面積生物量和固定的含碳率，碳儲(chǔ)量與面積呈正相關(guān)，相對(duì)于喬木通過(guò)蓄積來(lái)推算碳儲(chǔ)量的方法來(lái)看，準(zhǔn)確度稍顯不足，后續(xù)依據(jù)甘肅省森林資源管理“一張圖”數(shù)據(jù)，設(shè)立樣地，精確調(diào)查植被蓄積量是下一步有效提升碳儲(chǔ)量計(jì)算精確度的方向。