大兴安岭地区落叶松林碳密度空间分布1)

赵文洁 李凤日 庄 宸 王树芳

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (大兴安岭松岭林业局)

大兴安岭地区落叶松林碳密度空间分布1)

赵文洁 李凤日 庄 宸 王树芳

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (大兴安岭松岭林业局)

以黑龙江省大兴安岭地区落叶松天然林为研究对象，利用65株生物量样木的含碳率测定数据，以及2005—2010年复测的285块固定样地数据，采用克里格(Kriging)插值法，基于ArcGIS平台分析了该地区落叶松林碳密度及其空间分布特征。研究结果表明：落叶松林碳密度的变化范围为1.2～101.1 t/hm2，平均值为37.0 t/hm2。落叶松林乔木(全树)、地上(干、枝、叶)和地下(根)部分碳密度在海拔901～1 100 m内最大；落叶松林碳密度在不同坡位上的分布规律从大到小顺序为：上坡、脊、中坡、下坡、谷、平地。落叶松林各部分碳密度在斜坡(坡度15°～24°)最大，乔木和地上部分在平坡(坡度<5°)最小，而地下部分在陡坡(坡度25°～34°)时最小；落叶松林碳密度在不同坡向上的分布规律从大到小顺序为：阳坡、无坡向、半阴坡、半阳坡、阴坡。大兴安岭地区落叶松林年平均固碳量为1.05 t·hm-2·a-1，其中地上部分年平均固碳量为0.81 t·hm-2·a-1，地下部分年平均固碳量为0.24 t·hm-2·a-1。

大兴安岭；落叶松天然林；森林碳密度；空间分布

With the data of carbon content rates for 65 biomass sample trees and 285 permanent sample plots from natural larch forest of 2005-2010 in the Daxing’an Mountain of Heilongjiang Province, we measured the carbon density and spatial distribution for Larch forests by Kriging spatial interpolation and ArcGIS spatial analysis. The carbon density of larch forest is 1.2 t/hm2-101.1 t/hm2with the mean of 37.0 t/hm2. The forest carbon density of total tree, aboveground, and underground (roots) reaches the maximum at 901-1 100 m asl. The distribution of the carbon density for larch forest at different slope position is uphill>ridge>middle>downhill>valley>flat. The maximum of carbon density for three part is at the slope of 15°-24° and the maximum is at <5° for total tree and aboveground, and 25°-34° for underground. The distribution at different slope aspect is sunny-slope>none>half shady-slope>half sunny-slope>shady-slope. In the Daxing’an Mountain, the mean carbon sequestration of larch forest per year for total tree, aboveground and underground are 1.05, 0.81 and 0.24 t/hm2, respectively.

森林生态系统作为陆地生态系统中最大的碳库，不仅在调节全球碳平衡、减缓大气中温室气体浓度及维护全球气候等方面有着不可代替的作用，而且对区域生态环境有着重要的意义。对森林生态系统中碳储量、碳密度的研究也对陆地生态系统中CO2的“源”和“汇”有着重要的意义[1]。森林作为最大的动态碳库，其质量也决定了森林储存碳的能力，而森林碳密度是森林质量评价的一个重要指标[2]。近年来，国内外众多学者对碳储量、碳密度方面做了很多的研究，王效科等[3]根据我国38种优势树种的蓄积量估算出森林生态系统的植物碳总贮量是3 724.5 Tg，各森林类型的碳密度差异较大介于6.47～118.14 Mg/hm2。焦燕等[4]利用全国六次森林资源清查资料计算黑龙江省森林碳储量、碳密度，总体呈增长趋势。1973—1998年五次清查资料计算得到的碳密度分别为31.74、35.46、36.40、36.5、35.41 t/hm2，均比全国森林碳密度高。众多学者对不同地区、不同森林类型进行了碳储量和碳密度的研究，但由于采用的研究方法、分析仪器和选取区域尺度的等的不同，在结果上存在一定的差异。

我国森林类型多样，分布范围广，杨晓梅等[5]研究认为在森林生态系统的碳汇等研究中区域尺度起着桥梁和纽带作用，单个生态系统是起点和根本。因此，研究小尺度上某一种森林类型的碳储量和碳密度是极为重要的，以便为更加准确的估计大尺度森林的碳汇功能提供可靠的依据。本文以大兴安岭地区落叶松(Larixgmelinii)林为对象，利用落叶松含碳率数据及固定样地复测数据，通过计算落叶松林的碳密度，采用克里格(Kriging)插值法研究其碳密度空间分布及动态空间分布。

1 研究区概况

黑龙江省大兴安岭林区位于中国东北部边陲，坐落于北纬50°05′～53°33′，东经121°11′～127°01′，北部和东北部以黑龙江为界与俄罗斯相望，西邻内蒙古大兴安岭林区，南接内蒙古大杨树林业局和黑龙江省黑河地区。横贯林区的大兴安岭山脉，是抵御鄂霍次克海和太平洋湿润季风东进、北上，屹立在松嫩平原北侧的巨大天然屏障，生态地位极为重要。全区总面积835万hm2，南北长约365 km，东西宽335 km，地势伏不大，西部、中部高，东部、北部低，平均海拔537 m，平均坡度9.5°，属于低山丘陵缓坡地形。

大兴安岭林区属寒温带大陆性季风气候，年平均气温-2.8 ℃，年积温为1 100～2 000 ℃，无霜期90～110 d，年平均降水量474 mm，多集中在4—8月份，占全年的70%。本区土壤主要为棕色针叶林土和暗棕壤。棕色针叶林土分布面积最广，占林区总面积的72.8%，适宜兴安落叶松、樟子松、山杨、白桦等树种地生长。

根据2011年统计，黑龙江省大兴安岭林区总经营面积835万hm2，林地面积为799.3万hm2，森林面积676万hm2(约占总面积的81%)，林木总蓄积量5.27亿m3，森林覆盖率达到80.95%。大兴安岭主要的森林类型主要林分类型为落叶松林、樟子松林、云杉林、白桦林、山杨林、蒙古栎林、杨桦林、针叶混交林、针阔混交林和阔叶混交林等。

本研究所用的285块落叶松林标准地，分别来源于黑龙江大兴安岭林区的10个林业局(加格达奇、松岭、新林、呼中、塔河、十八站、韩家园、阿木尔、图强及西林吉林业局)及8个保护区(呼中、绰那河、多布库尔、南翁河、盘中、双河、松峰及松岭保护区)。

2 数据来源及研究方法

2.1 样地基础数据

本文的研究数据来源于黑龙江省大兴安岭林区调查的两期固定样地数据(2005—2010年)，共285块(样地面积均为0.06 hm2)。每块样地调查了起源、地理位置(GPS坐标)、地形因子(海拔、坡度、坡向、坡位等)，进行了每木检尺，并计算了林分年龄、树种组成，平均胸径、平均树高，每公顷株数、每公顷蓄积等林分变量(见表1)。

表1 大兴安岭地区落叶松林生物量和碳密度统计

注：样地数量为285块。

2.2 单木生物量及含碳率的测定

林木生物量和含碳率的精确测量与估计，是得到准确的碳密度数据的关键。2011—2012年，在天然落叶松林中共设置了28块标准地(塔河林业局12块，面积0.06 hm2；塔河林业局16块，面积0.10 hm2)，各标准地进行每木检尺，并按2 cm径阶统计后，每块标准地选取2株落叶松生物量和含碳率测定样木(优势木和平均木各1株)，共56株。

将生物量和含碳率样木伐倒后，按1 m区分段测定树干的鲜质量。将树冠分为3层，每层都选取3～5个标准枝，称其枝、叶的鲜质量。树根采用“全挖法”，按照大于5、2～5 cm和小于2 cm分成3组，分别记录鲜质量。每株样木，分别树干、树枝、树叶和3个部分的树根取100 g左右作为样品，在105 ℃条件下烘干至恒质量，记录其干质量。采用干质量/鲜质量比例，推算立木的树干、树枝、树叶和树根的生物量。

国际上通用的树木含碳率为0.4～0.5，但不同树种含碳率也有差别[9]。本研究将烘干的树干、树枝、树叶以及3部分根样品用打磨机磨碎，分别选取20 mg的干样品，放入Multi N/C分析仪采用燃烧法测定了落叶松各器官组分碳含量，测量数据全程由电脑自动记录[10]。大兴安岭林区落叶松含碳率测定结果见表2。

表2 大兴安岭地区落叶松含碳率统计

注：样木数为65株。

2.3 林分生物量估算

目前对森林生物量的估测方法主要有样地调查、模型模拟和遥感反演等[6]，而生物量模型的研建是估算生物量的主要手段[7]，也是目前研究单木以及林分生物量的主要方法。单木生物量包括地上生物量和地下生物量。近年来，随着立木相容性生物量模型的完善[9]，使单木各个器官(树干、树枝、树叶、树根)生物量估计成为可能。

本研究采用文献[8]中所建立的黑龙江省主要树种相容性立木生物量模型，基于固定样地每木检尺数据计算每株树木的生物量，各样木合计得到各样地的生物量，并将林分生物量分为地上生物量(树干、树枝和树叶生物量)、地下生物量(根系生物量)和乔木生物量(地上生物量+地下层生物量)。

2.4 碳密度计算

林木生物量乘以含碳率即为碳储量，而单位面积上的碳储量就是碳密度。基于各个样地每木检尺数据，利用落叶松生物量模型[8]和含碳率数据(见表1)计算每株树木相应器官的含碳量，各样木合计并除以样地面积(0.06 hm2)得到各样地的碳密度。大兴安岭林区落叶松林地上、乔木生物量及碳密度统计量详见表2。

2.5 克里格插值法

克里格(Kriging)插值又称空间局部插值法，在有限区域对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法。该方法最大限度地利用了空间取样时提供的信息，也考虑了各邻近点彼此之间的位置关系。跟其他普通的估计方法更精确、更符合实际，并且避免系统误差的出现[11]。

该插值方法根据待插值点与临近实测高程点的空间位置，对待插值点的高程值进行线性无偏最优估计，通过生成一个关于高程的克里格插值图来表达研究区域的原始地形。总的公式如下：

(1)

式中：Z(x0)表示未知样点的值；Z(xi)表示未知样点周围的已知样本点的值；N为已知样本点的个数；λi为第i个样本点的权重。Z(x0)的确定是通过半方差图分析获取的，根据统计学上无偏和最优的要求，利用拉格朗日极小化原理，可以推倒出权重值和半方差之间的公式[12]。

利用大兴安岭地区285块落叶松林固定样地两期复测数据(2005—2010年)，统计估算了大兴安岭地区落叶松林碳密度，并使用克里格空间插值方法绘制其动态变化图，分析落叶松林碳密度动态变化的空间分布规律。

3 结果与分析

3.1 落叶松林碳密度

利用2010年在大兴安岭地区285块落叶松林乔木层(含地上部分和地下部分)的碳密度数据，结合ArcGIS10.0制作的大兴安岭地区落叶松林乔木层碳密度的分布图(见图1)，并对落叶松林碳密度的空间分布进行初步分析。由图1中可知，高密度碳区大量聚集在呼玛县，低密度碳区在漠河县，呼中区与新林区边界。

根据大兴安岭地区落叶松林乔木层碳密度分布图及推算结果，碳密度1.154 5～101.065 t/hm2，平均值为36.99 t/hm2，变异系数为0.61。

3.2 大兴安岭地区落叶松林碳密度分布特征

森林碳密度与生物量和含碳率关系密切，而森林生物量与树木胸径、树高关系密切[13]。利用2010年标准地复查收集并估算计算得到的落叶松林碳密度，本研究从不同立地因子(海拔、坡位、坡度及坡向等)的角度分析了大兴安岭落叶松林碳密度的空间分布特征。

图1 大兴安岭地区落叶松林乔木层碳密度分布图

3.2.1 不同海拔上落叶松林碳密度分布规律

将各样地的海拔高度以100 m为单位划分为10个等级，分别是h1(200～300 m)、h2(301～400 m)、h3(401～500 m)、h4(501～600 m)、h5(601～700 m)、h6(701～800 m)、h7(801～900 m)、h8(901～1 000 m)、h9(1 001～1 100 m)、h10(1 101～1 200 m)。从表3可以看出，各层碳密度在h9(1 001～1 100 m)海拔等级的碳密度最大，在h10(1 101～1 200 m)海拔等级的碳密度最小，在不同海拔等级上的乔木层、地上层和地下层碳密度分布规律基本一致。在海拔701～1 100 m的空间内，碳密度随着海拔增加而持续增加并在1 001～1 100 m达到最大值，之后随着海拔的增长而减少，碳密度分布随着海拔的进一步增加而在1 101～1 200 m段达到最低。

表3 落叶松林不同海拔等级上的碳密度分布 t·hm-2

3.2.2 不同坡位上落叶松林碳密度分布规律

将坡位分为平地、谷、上、中、下、脊等6个。从表4中可以看出，在上坡的落叶松林地上层、地下层和乔木层碳密度均达到最大，分别为37.551 7、11.181 8和48.733 5 t/hm2；在平地的时候各层碳密度值达到为最小，分别为9.674 8、2.833 2和12.508 t/hm2。在不同坡位上的落叶松林地上层、地下层和乔木层的碳密度分布规律基本一致，从大到小顺序为：上、脊、中、下、谷、平地。

表4 落叶松林不同坡位上的碳密度分布 t·hm-2

3.2.3 不同坡度上落叶松林碳密度分布规律

将坡度分为平坡(坡度<5°)、缓坡(坡度5°～14°)、斜坡(坡度15°～24°)和陡坡(坡度25°～34°)。大兴安岭地区不同坡度上的落叶松林地上层、地下层和乔木层碳密度分布见表5。从表5看出，地上层、地下层和乔木层均在斜坡的碳密度最大，乔木层碳密度为50.772 t/hm2；地上层和乔木层在平坡时达到最小值分别为24.617 8和32.036 9 t/hm2，地下层则在陡坡时达到最小值为7.3571 t/hm2。在不同坡度上的落叶松林地上层和乔木层碳密度分布规律基本一致，从大到小顺序为：斜坡、缓坡、陡坡、平坡，地下层碳密度分布规律，从大到小顺序为：斜坡、缓坡、平坡、陡坡。

表5 落叶松林不同坡度上的碳密度分布 t·hm-2

3.2.4 不同坡向上落叶松林碳密度分布规律

将坡向分为无坡向、阴坡(北、东北)、半阴坡(东、西北)、阳坡(南、西南)、半阳坡(西、东南)[14]。大兴安岭地区不同坡向上的落叶松林地上层、地下层和乔木层碳密度分布见表6。从表6可以看出，在不同坡向上的落叶松林各层碳密度分布规律基本一致，从大到小顺序为：阳坡、无坡向坡、半阴坡、半阳坡、阴坡。在阳坡上各层碳密度均达到最大值分别为31.160 9、9.218 5和40.379 4 t/hm2；在阴坡上各层均达到最小值分别为27.347 5、8.243 3和35.590 8 t/hm2。不同坡向上的落叶松林各层碳密度没有太大的变化规律，基本趋于平稳。

表6 落叶松林不同坡向上的碳密度分布 t·hm-2

3.3 大兴安岭地区落叶松林碳密度动态的空间分布

利用大兴安岭地区285块落叶松林固定样地两期(2005—2010年)复测数据，结合ArcGIS的克里格(Kriging)插值空间分析功能，将落叶松林地上层(干、枝、叶)、地下层(根)和乔木层(全树)的碳密度进行空间动态分析(见图2、图3和图4)。

图2 大兴安岭地区落叶松林地上层碳密度动态空间分布

图3 大兴安岭地区落叶松林地下层碳密度动态空间分布

大兴安岭地区落叶松林碳密度年动态的空间分布，整体上东部大片区域、南部小片区域比较高。落叶松林地上层碳密度年动态最高值分布在呼玛县内和新林区、加格达奇交界处，最小的在漠河县内；地下层碳密度年动态最高值也分布在呼玛县境内和加格达奇地区北部，而最小的也在漠河县内；落叶松林乔木层碳密度年动态最高值分布于加格达奇地区内，最小的在漠河县内。影响碳密度年动态的因素能有地形、降雨量、温度、人为干扰和自然干扰(如火灾、风灾)等。

图4 大兴安岭地区落叶松林乔木层碳密度动态空间分布

由表7可知，在大兴安岭地区落叶松林乔木、地上和地下部分碳密度年平均增长量分别为1.045 5、0.807 6和0.237 9 t/(hm2·a)。换言之，大兴安岭地区落叶松林单位面积年平均固碳量为1.045 5 t/(hm2·a)，其中地上部分年平均固碳量为0.807 6 t/(hm2·a)，地下部分年平均固碳量为0.237 9 t/(hm2·a)。

表7 大兴安岭落叶松林各层碳密度年动态变化 t·hm-2·a-1

4 结论

本研究利用地理信息系统软件包ArcGIS对大兴安岭地区落叶松林碳密度的空间分布特征进行了分析，为准确估计该区域的碳汇功能提供了可靠的基础。

大兴安岭地区落叶松林碳密度的变化范围为1.15～101.07 t/hm2，平均值为36.99 t/hm2，变异系数为0.61。

落叶松林碳密度按海拔的分布规律为：海拔在1 001～1 100 m的各层碳密度最大，而且乔木层、地上层和地下层的碳密度在不同的海拔范围内分布规律基本一致；在海拔701～1 100 m的空间范围内，碳密度随着海拔增加而持续增加，并在1 001～1 100 m范围里达到最大值，之后随着海拔的增长而减少。

落叶松林乔木层、地上层和地下层碳密度按坡位的分布规律为：在上坡时达到最大，分别为37.55、11.18和48.73 t/hm2；在平地时最小，分别为9.67、2.83和12.51 t/hm2。在不同坡位上的落叶松林乔木层、地上层和地下层的碳密度分布规律基本一致，从大到小的顺序为：上、脊、中、下、谷、平地。

在不同的坡度上，落叶松林各层碳密度均在斜坡的碳密度最大，乔木层碳密度为50.77 t/hm2；地上层和乔木层在平坡时碳密度最小分别为24.62和32.04 t/hm2，地下层则在陡坡时达到最小值为7.36 t/hm2。

在不同的坡向上，落叶松林各层碳密度分布规律基本一致且趋于平稳，阳坡>无坡向>半阴坡>半阳坡>阴坡。乔木层、地上层和地下层均在阳坡达到最大值，分别为31.16、9.22和40.38 t/hm2；在阴坡达到最小值，分别为27.35、8.24和35.59 t/hm2。

大兴安岭地区落叶松林年平均固碳量为1.0456 t/(hm2·a)，其中地上部分年平均固碳量为0.8076 t/(hm2·a)，地下部分年平均固碳量为0.2379 t/(hm2·a)。

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Spatial Distribution of Carbon Density for Larch Forest in Daxing’an Mountain/

Zhao Wenjie, Li Fengri, Zhuang Chen(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China); Wang Shufang(Songling Forest Bureau of Daxing’an Mountain)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-1～5

Daxing’an Mountain; Natural larch forests; Forest carbon density; Spatial distribution

1) “十二五”国家科技支撑计划课题(2012BAD22B02)资助。

赵文洁，女，1989年6月生，东北林业大学林学院，硕士研究生。

李凤日，东北林业大学林学院，教授。 E-mail:fengrili@126.com。

2014年2月22日。

S758.1

责任编辑：潘 华。