甘肅省祁連山林區(qū)林地碳儲量的分布特征和動態(tài)變化

趙方圓，王瓊芳，趙萬奎，程小云

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

甘肅省祁連山國家級自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境治理事關(guān)國家生態(tài)安全，對推動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)境問題較早已經(jīng)引起關(guān)注，保護也一直在推進。1980 年祁連山森林被確定成為國家重點水源涵養(yǎng)林，1988 年5 月國務院批準成立甘肅省祁連山國家級自然保護區(qū)，2008 年11 月《國務院關(guān)于支持青海等省藏區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的若干意見》中明確提出啟動祁連山水源涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和綜合治理規(guī)劃研究，2012 年12月28 日國家發(fā)展改革委正式批復《祁連山生態(tài)保護與綜合治理規(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)問題仍然很嚴峻。20 世紀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)展活動與現(xiàn)行的相關(guān)環(huán)境保護方法有較大的出入導致一部分林業(yè)用地被占用，且因投入大導致較難退出且恢復周期較長；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 年祁連山國家級自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞問題引發(fā)社會各界廣泛關(guān)注，針對存在的問題，林業(yè)部門作出了一系列的生態(tài)治理舉措［5-7］。上述各項政策的核心思想在于全面加強林業(yè)系統(tǒng)自然保護區(qū)生態(tài)環(huán)境保護管理，遏制保護區(qū)人為生態(tài)破壞，提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

國內(nèi)外學者進行了大量、系統(tǒng)的碳儲量相關(guān)研究，國內(nèi)有關(guān)碳儲量的研究成果多數(shù)集中于東部和沿海發(fā)達地區(qū)，且以市、縣等行政區(qū)劃或者自然保護區(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)法和微氣象學法為主［16-27］。本研究以甘肅省祁連山林區(qū)為對象，綜合運用生物量擴展因子法、單位面積生物量法、土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣法對研究區(qū)主要林地碳儲量進行測算，綜合探究該區(qū)域土地轉(zhuǎn)移情況及碳儲量時空變化特征，分析已實施的祁連山地區(qū)生態(tài)治理政策的落實情況，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、山丹馬場境內(nèi)，總面積1.86萬km2，地理坐標36°45′—39°44′N、97°23′—103°45′E。由于地域遼闊，相對高差懸殊，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。在祁連山保護區(qū)管理范圍內(nèi)有22 萬多人（保護區(qū)與周邊區(qū)居民），居住有藏族、裕固族、回族、土族、漢族等17 個民族，其中藏族和裕固族為居住人數(shù)最多的兩個少數(shù)民族。近年來由于人類活動和氣候變化等原因，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)境脆弱問題突出。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

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)采用的是高分一號及高分二號衛(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地調(diào)查和驗證進行修正，在Arc-GIS10.6 軟件支持下，對圖斑數(shù)據(jù)進行分類、提取、合并等操作，建立了祁連山林區(qū)土地類型及碳匯計量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)具備準確性和實效性，滿足后續(xù)分析需要。

2 研究方法

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

2.1 喬木林地、疏林地、灌木林地的碳儲量和年碳匯量計算

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

式（1）、式（2）中，C喬為喬木層碳儲量；i為優(yōu)勢樹種；n為優(yōu)勢樹種總數(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時間的碳儲量；t2和t1分別為變化末期和初期時間。

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)化來源、去向及數(shù)量大小等信息［29］，其具體數(shù)學表達形式為：

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%。從碳儲量變化情況來看，祁連山林區(qū)主要林地2019 年總碳儲量為2 064.83 萬t，比2016 年增加了19.20%，年均增加110.84 萬t。其中，喬木林地碳儲量增加了23.22%，占祁連山林區(qū)碳儲量總增加值的98.26%，碳匯潛力巨大；疏林地和灌木林地也呈增長趨勢，疏林地碳儲量增長了9.63%，灌木林地增長了0.31%。從碳密度變化情況來看，2019 年比2016 年喬木林地碳密度增長了23.58%，疏林地碳密度增長了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 年相對于2016 年喬木林和疏林地所在地區(qū)的碳儲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 年以喬木林碳儲量的增長最為顯著，單位面積的儲碳能力也明顯提高。這在一定程度上反映了研究期間甘肅省實施的天然林資源保護工程、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擴大林草面積、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、灌木林地的碳儲量和碳密度

3.3 喬木林地分齡組優(yōu)勢樹種的碳儲量

從齡組結(jié)構(gòu)上看（圖2），喬木林地近熟林碳儲量最大，中齡林次之，過熟林最小。近熟林、中齡林、成熟林、幼齡林、過熟林碳儲量在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 年增長了13.72%，近熟林面積增長了0.63%，過熟林面積減少了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、近熟林碳儲量分別增長了26.7%、26.34%、22.74%，成熟林和過熟林碳儲量分別減少了8.36%、12.52%。退耕還林、人工造林等生態(tài)恢復工程實施以來，樹種多處于幼齡林和中齡林階段，植物生長多處于旺盛生長期，可以吸收更多的二氧化碳，釋放更多的氧氣，對森林的碳匯功能有積極作用。

從優(yōu)勢樹種看（圖2），2016 年、2019 年云杉（Picea asperata）的碳儲量最大，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%。從變化量來看，3 年間云杉的碳儲量增長量最大（294 萬t），占喬木林碳儲總增加值的90.09%。從變化速率看，面積增長率最大的是楊類（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）；碳儲量增長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)勢樹種中針闊混交林、楊類、云杉、針葉混交林的碳儲量增長較快，且以針葉混交林、針闊混交林、楊類的幼齡林增長顯著，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和天然林修復工程中的補植補造等措施是幼齡林碳儲量增加的因素之一，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。從變化情況來看，2016—2019 年中齡林、近熟林、過熟林、幼齡林、成熟林的碳密度分別增長了27.00%、21.97%、15.58%、11.10%、10.53%。今后應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明仍應對其新增幼齡林和中齡林進行合理的撫育，實現(xiàn)碳效益的提升。

3.5 土地利用類型時空變化分析

運用ArcGIS 軟件將2016年、2019年的林地更新數(shù)據(jù)作相交處理，重新計算相交后小斑圖形面積，導出屬性表，在Exel 中通過數(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)移碳儲量為383.41 t；建設用地轉(zhuǎn)移到林地的面積為10.38 hm2，轉(zhuǎn)移碳儲量為246.33 t?？傮w上來看，牧草地轉(zhuǎn)為灌木林和喬木林，碳儲量增加，未利用地和建設用地向林地碳儲量的轉(zhuǎn)移在一定程度上說明生態(tài)治理工程加快了未利用土地的開發(fā)利用、部分被建設用地占用的林地資源得到恢復，林地保護得到重視。今后應進一步加強建設用地向林地資源的恢復和未利用地的開發(fā)利用，同時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。進一步持續(xù)推進祁連山生態(tài)環(huán)境問題整治，加速天空地監(jiān)測體系一體化生態(tài)監(jiān)測體系建設，發(fā)揮祁連山大數(shù)據(jù)平臺三線五級監(jiān)測模式在生態(tài)保護監(jiān)測中的深入應用，以生態(tài)保護、生態(tài)鞏固、生態(tài)恢復、生態(tài)建設為核心，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)境保護問題自查整改的重點區(qū)域，碳增匯一方面得益于研究區(qū)林地面積的增長，從土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣看，牧草地、未利用地、建設用地向林地轉(zhuǎn)移碳儲量為2.26萬t，生態(tài)建設加強后，牧草、未利用地、建設用地有向林地轉(zhuǎn)回的趨勢。整改治理中保護區(qū)部分經(jīng)營項目和礦產(chǎn)的退出以及強制恢復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、部分被建設用地占用的林地資源得到恢復。另一方面是林草質(zhì)量的提高，2016—2019 年研究區(qū)碳儲量穩(wěn)步提升，喬木林地、疏林地、灌木林地年均碳匯量達110.84 萬t。其中喬木林碳儲量增加了23.22%，占祁連山主要林地碳儲量總增加值的98.26%。在增長量上，云杉的碳儲量增長量最大（294 萬t），占喬木林碳儲總增加值的90.09%，在增長速率上，最具未來碳匯潛力的中齡林和幼齡林碳儲量增長最快，增長率分別為26.70%和26.34%，保護政策中天然林資源保護工程、森林撫育、林地植被的恢復和退化林修復、補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)境的變化是一個動態(tài)化的長期過程，后續(xù)仍需增大研究年限和樣本容量，針對治理措施對碳儲量的影響也應該從定性層面的闡述引入更多定量方向的研究。

2）在喬木林地的碳儲量和碳密度計算方法上，對比西部地區(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80%，且其中中齡林和近熟林占比達98%，而云杉屬于寒溫性針葉林，森林碳儲量單位累積量較高，對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］，更加證實了本研究碳密度偏高的客觀原因。此外灌木林在碳儲量計算時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，碳儲量與面積呈正相關(guān)，相對于喬木通過蓄積來推算碳儲量的方法來看，準確度稍顯不足，后續(xù)依據(jù)甘肅省森林資源管理“一張圖”數(shù)據(jù)，設立樣地，精確調(diào)查植被蓄積量是下一步有效提升碳儲量計算精確度的方向。