长株潭城市群植被碳贮量与碳密度研究

陈振雄，何 华

(1.国家林业局中南林业调查规划设计院，长沙 410014； 2.湖南工程职业技术学院，长沙 410002)

长株潭城市群植被碳贮量与碳密度研究

陈振雄1，何 华2

(1.国家林业局中南林业调查规划设计院，长沙 410014； 2.湖南工程职业技术学院，长沙 410002)

利用湖南2014年森林资源清查样地资料，采用系统抽样理论，综合运用回归模型方法对长株潭地区绿地植被(乔、灌、草)碳贮量与碳密度进行了研究，为建立碳汇计量监测体系提供可靠数据，以期为科学评价区域植被在碳平衡中的作用提供依据。研究结果表明：长株潭地区植被总碳贮量为47.31 Tg(1Tg=1012g)，森林植被碳贮量为39.22 Tg，占植被总量的89.73%，其中乔木层碳贮量占71.7%、灌木层碳贮量占22.8%、草本层碳贮量占5.5%；植被平均碳密度为16.9 t /hm2，森林植被平均碳密度为29.53 t/hm2；自然地理因子与植被碳密度具有明显相关性。

碳贮量；碳密度；森林资源清查；长株潭城市群

陆地植被是地球生态系统的主体，植物通过光合作用形成碳水化合物将大气中的CO2固定在陆地生态系统中。陆地植被碳库存量是陆地生态系统碳循环的主要组成部分，对维持区域乃至全球碳循环平衡和人类可持续发展都具有极其重要的作用。城市是人类生产经营活动最为集中的区域，研究表明人为二氧化碳排放的97%来自于城市地区[1]。随着我国城镇化进程的加速发展，城市地区工业、汽车等二氧化碳的排放量逐年上升，城市中的绿地植被可以通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，并把多余的碳转化为生物量，从而在调节气候变暖，减缓大气二氧化碳浓度增加的过程中发挥着至关重要的作用。因此，对城市植被(乔木、灌木、草本)碳贮量的定量估算研究对于了解城市绿地植被在碳循环中的作用具有十分重要意义。

目前，开展城市植被碳贮量与碳密度研究越来越受到国内外学者的重视，葛之葳等[2]对徐州市城市建成区绿地乔木层碳贮量进行了分析；姚正阳[1]以西安市城市绿地为研究对象，采用地面调查资料与遥感影像相结合的方式，对西安城市绿地灌木林碳贮量变化进行估测；黄博[3]通过高空间分辨率Quick Bird数据，建立了胸径大于5 cm的乔木林地上生物量估测模型，并用灌丛平均碳密度来估算义乌市绿地碳贮量。但城市植被碳贮量研究主要集中于对森林植被，或仅限于单一对乔木、灌木的估算，对森林林下植被、草本植被考虑不够，全面系统研究植被乔、灌、草的不多见。

长株潭作为我国中部地区重要的城市群之一，目前未见针对该区域碳贮量与碳密度的相关报道。鉴于陆地植被乔、灌、草均是城市生态系统的重要组成部分，因此本文在探讨估算植被碳贮量时，将乔木、灌木与草本一并纳入考虑。以2014年获取的湖南省森林资源清查样地数据为基础，采用系统抽样原理，应用回归模型法、平均数法估算了长株潭地区植被(乔、灌、草)碳贮量与碳密度，以期为建立完善的碳汇计量监测体系，科学评价该区域植被在碳平衡中的作用，同时也为制定绿色发展规划、林业方针政策和环境保护措施等提供科学依据。

1 研究区概况

长株潭城市群位于湖南省中东部，包括长沙、株洲、湘潭三市国土范围，总面积2.8万km2，占湖南全省面积的13.3%。长株潭城市群是湖南省经济发展与城市化的核心区域，2007年获批为全国资源节约型和环境友好型社会建设综合配套改革试验区。2015年长株潭地区生产总值12 548.3亿元[4]，占全省43.2%。

长株潭地处典型的低矮丘陵区，属亚热带季风性湿润气候，气候温和，年均气温在15～19 ℃之间，雨水充沛，年均降水在1300～1600 mm之间，土壤主要为水稻土和红壤。区域森林具有十分明显的常绿阔叶林地带植被特征，植物群落多达110种以上，森林植被具有明显的复层结构(乔—灌—草)，乔木树种主要有樟树、枫香、杜英、青冈栎、马尾松、杉木，灌木主要有油茶、乌饭、杜鹃、杨桐、山胡椒，草本主要有淡叶竹、海金沙、鳞毛橛、五节芒、野菊花等。

2 数据来源

研究数据来源于湖南2014年森林资源清查样地资料。长株潭地区按4 km×8 km间距系统机械布设666.67 m2的方形样地875个，长沙市布设样地370个，株州市布设样地347，湘潭市布设样地158个，如图1。对每一个样地，调查自然立地状况，记载乔木郁闭度、优势树种、平均胸径与平无树高，对样地中所有5 cm以上乔木林、竹林进行每木检尺量测胸径，并调查样地中灌木、草本(含农作物、藤本)平均盖度与平均高度值等。

3 研究方法

计算的植被包括生长在陆地上的乔木、灌木、草本(含农作物、藤本)及林下植被。植被的碳贮量、碳密度包括地上和地下部分，每个样地的碳贮量为乔木层碳贮量+灌木层碳贮量+草本层碳贮量。

3.1 乔木层碳贮量计算方法

3.1.1 乔木林碳贮量计算方法

利用森林资源清查样地中乔木林优势树种、蓄积量数据,用材积源生物量法计算乔木层生物量。对于乔木幼林、四旁树等类型样地中胸径不足5 cm的乔木林，依据调查的平均胸径、平均树高、林木株数等，用相应树种的立木材积方程计算该部分乔木蓄积。乔木层生物量估算引用方精云等[5]、曾伟生[6]提出的不同森林类型生物量与蓄积量转换关系模型来计算。乔木碳贮量与生物量之间的转换系数统一采用国际上常用的0.5进行换算。乔木林生物量与蓄积量转换关系回归模型结构如下：

B=aV+b

(1)

式中：B为每公顷生物量，V为每公顷蓄积量，a和b为模型参数。参数a和b的具体数值参考表1。

表1 长株潭地区主要乔木优势树种生物量与蓄积量转换模型参数表优势树种参数ab马尾松、国外松、湿地松0.51011.0451杉木0.399922.541柳杉0.415841.3318栎类1.14538.5473樟木、榆树、木荷、枫香0.79750.4204硬阔、杂木0.75648.3103杨树、软阔0.475430.6034针叶混0.589424.5151阔叶混0.83929.4157针阔混0.714316.9654

3.1.2 竹林碳贮量计算方法

根据样地调查等到的每株毛竹胸径，计算单株竹林生物量，汇总得到样地毛竹林总生物量。单株竹子总生物量采用公式[7]：W=0.768 3D1.411 7(R2=0.901 1)，式中D为毛竹胸径。毛竹林碳贮量与生物量之间的转换系数统一采用0.484[8]进行计算。

3.2 灌木层、草本层碳贮量计算方法

分别选取具有代表性的2 m×2 m灌木和草本样方35个，调查样方优势灌木、草本名称，记录灌木总盖度、草本总盖度、平均高度、冠幅和株(丛)数等因子。并在样方地内选择3～5株(丛)标准灌木(草)，将其干、枝、叶和根全部取出称其鲜质量，随后进行烘干测定其含水率，得到干物质质量，从而得到样方的生物量。分别采用0.5和0.45作为灌木和草本碳贮量与生物量之间的转换系数，换算得到其单位面积碳密度。最后分别建立以总盖度和平均高度为自变量的灌木、草本单位面积碳密度回归模型，根据回归模型计算样地的灌木、草本碳贮量。

3.3 碳贮量统计方法

1)样本平均数：

(2)

式中，Vij为第i类型第j个样地碳贮量。

2)样本方差：

(3)

(4)

3)总体总量估计值：

(5)

4) 总体总量估计值的误差限：

(6)

5)抽样精度：

(7)

4 结果与分析

4.1 长株潭植被碳贮量与碳密度

长株潭植被总碳贮量为47.31 Tg(1Tg=1012g)，估算精度达93.2%。按植被垂直空间来分，乔木层32.75 Tg、灌木层10.16 Tg、草本层4.40 Tg，分别占69.23%，21.47%和9.30%。长株潭植被平均碳密度为16.90 t/hm2，乔木层平均碳密度为11.70 t/hm2，灌木层平均碳密度为3.63 t/hm2，草本层平均碳密度为1.57 t/hm2,详见表2。

表2 长株潭绿地植被总碳贮量、碳密度一览表植被类型碳贮量/Tg比例抽样精度/%碳密度(t/hm2)乔木32.7569.2391.511.7灌木10.1621.4789.43.63草本4.49.394.11.57合计47.3110093.216.9

4.2 长株潭森林植被碳贮量与碳密度

长株潭森林植被总碳贮量为39.22 Tg，占植被总碳贮量的89.73%。森林植被中，阔叶混交林碳贮量最多,为9.82 Tg；栎类最低，为0.95 Tg。森林植被中，乔木层碳贮量为28.11 Tg、灌木层碳贮量为8.95 Tg、草本层碳贮量为2.16 Tg，分别占森林植被碳贮量的71.7%，22.8%和5.5%。进一步分析乔木林(含竹林)(表1前8项优势树种)、灌木林垂直空间碳贮量分布情况，乔木林林下灌木和草本层碳贮量分别占其总量的18.72%和5.09%，灌木林林上散生乔木和林下草本碳贮量用别占其总量的27.34%和9.11%。

森林植被平均碳密度为29.53 t/hm2，乔木层平均碳密度为21.16 t/hm2，灌木层平均碳密度为6.73 t/hm2，草本层平均碳密度为1.63 t/hm2。栎类碳密度最高为59.28 t/hm2，灌木林碳密度最低为20.16 t/hm2。详见表3。

表3 长株潭不同森林植被碳贮量、碳密度表树种组碳贮量/Tg碳密度/(t/hm2)合计乔木层灌木层草本层合计乔木层灌木层草本层松树2.381.430.830.1223.9914.438.381.18杉树6.644.831.230.5928.0620.385.182.50栎类0.950.870.060.0259.2854.393.561.34针叶混2.011.670.220.1233.0427.393.622.03阔叶混9.827.611.860.3535.2627.336.681.25针阔混8.086.261.460.3631.9724.775.771.43其它阔叶树1.150.780.280.0720.9614.375.221.37竹林4.133.550.430.1632.326.783.331.24灌木林4.061.112.580.3720.165.5112.821.83小计39.2228.118.952.1629.5321.166.731.63

4.3 自然地理因子与植被碳密度相关性分析

为分析自然地理因子与长株潭森林植被碳密度的相关性，选取样地调查获取的海拔、坡度、坡向与总植被碳密度、乔木层碳密度、灌木层碳密度、草本层碳密度进行相关性分析，分析的结果见表4。结果表明长株潭地区植被碳密度与海拔、坡度、坡向具有显著相关性(0.01水平)，海拔高(山高)、坡度大，森林植被受人为活动干扰少，植被碳密度高。

以海拔(HP)、坡度(PD)、坡向(PX)为自变量，利用线性回归方程建立了长株潭地区植被碳密度回归模型(见表5)。拟合方程中以总植被碳密度拟合方程最优，复相关系数达0.72，为以后基于森林资源清查样地数据快速估算区域森林植被碳贮量提供了新途径。

表4 自然地理因子与森林植被碳密度的相关性系数一览表碳密度海拔坡向坡度总植被0.459**-0.463**0.658**乔木层0.419**-0.383**0.565**灌木层0.284**-0.357**0.469**草本层-0.103**0.101** **表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

表5 植被碳密度与自然地理因子线性回归拟合结果碳密度/(t/hm2)方程复相关系数F检验Sig.植被总W=0.010HP+0.783PD+0.487PX0.72724.20.00乔木层Wq=0.009HP+0.539PD+0.274PX0.59424.70.00灌木层Wg=0.001HP+0.206PD+0.058PX0.43220.60.00草本层Wh=0.036PD+0.153PX0.52468.30.00

5 结论与讨论

本研究利用森林资源清查样地资料，对长株潭植被(乔、灌、草)的碳贮量与碳密度进行了估算，分析了植被碳密度与自然地理因子的相关关系，得出如下结论：

1) 长株潭植被总碳贮量为47.31 Tg，其中森林植被碳贮量为39.22 Tg，占89.73%，说明森林植被是碳贮量的主体；森林植被中，林下植被碳贮量所占比例达28.3%，说明林下植被在生态系统中的作用不容忽视，在估算植被碳贮量与碳密度时，应一并纳入考虑，才能确保结果的客观准确性。

2) 长株潭植被平均碳密度为16.90 t/hm2，森林植被平均碳密度为29.53 t/hm2。长株潭乔木林(不含林下植被)平均碳密度为23.97 t/hm2，低于湖南平均水平[8](29.16 t/hm2),更远低于全国平均水平(42.82 t/hm2)。因此，切实保护长株潭的森林，提高林分质量，使森林植被碳密度增加，将大大提高森林的固碳能力。

3) 植被碳密度与海拔(HP)、坡度(PD)、坡向(PX)具有显著相关性(0.01水平)，建立总植被碳密度与上述因子回归方程复相关系数达0.72，为以后基于森林资源清查样地数据快速估算区域森林植被碳贮量提供了新途径。

由于缺乏湖南省不同树种蓄积量与生物量的转换模型及碳系数，本文采用全国相关的专题研究文献资料，势必会对估算的结果准确性产生影响。另外，森林资源清查是一种系统抽样调查，得到的估算结果具有一定的可靠性，但不能很好的反映其植被碳密度空间分布特征，有待于做进一步研究。

[1] 姚正阳.西安城市绿地地上碳贮量估算研究[D].杨凌：西北农林科技大学,2015.

[2] 葛之葳,周丹燕,郝雨杉,等.徐州城市绿地乔木层碳贮量现状分析[J].林业科技开发, 2013,27(6)：30-34.

[3] 黄博.义乌市市区绿好碳贮量遥感估算研究[D].杭州：浙江农林大学,2012.

[4] 湖南省统计局.湖南省2015年国民经济和社会发展统计公报[R].长沙：湖南省统计局,2016.

[5]方精云,刘国华,徐高龄.我国森林植被的生物量和净生产量[J].生态学报,1996,16(5);497-508.

[6]曾伟生. 云南省森林生物量与生产力研究[J].中南林业调查规划,2005,24(4)：1-4.

[7] 孙天任.水竹(Phyllostachysheteroclada)人工林生物量结构研究[J].植物生态学与地植物学报,1986,10(3):190-198.

[8] 李海奎,雷渊才,曾伟生.基于森林清查资料的中国森林植被碳储量[J].林业科学,2011,47(7):7-12.

StudyonVegetationCarbonStorageandCarbonDensityofChangsha-Zhuzhou-XiangtanUrbanAgglomeration

CHEN Zhenxiong1，HE Hua2

(1.Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration，Changsha 410014，Hunan, China； 2.Hunan Engineering Polytechnic, Changsha 410002, Hunan, China)

In order to provide reliable data for the measurement and monitoring system of carbon sink, and evaluate the role of vegetation in the carbon balance.In this paper, based on original data of Hunan forest continuous inventory in 2014, the vegetation carbon storage and carbon density of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration were studied.The results showed that: the total vegetation carbon storage was 47.31 Tg, forest vegetation carbon storage was 39.22 Tg, account for 89.73%; In forest vegetation storage, the carbon storage of tree layer, shrub layer, herb layer account were 71.7% and 22.8% and 5.5% respectively; the average vegetation carbon density was 16.9 t/hm2, the average carbon density of forest vegetation was 29.53 t/hm2.Natural geographical factors and vegetation carbon density had a significant correlation.

carbon storage; carbon density; forest inventory;Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration

2016 — 05 — 27

湖南省教育厅科学研究项目——长株潭城市群绿地碳储量时空变化研究(14C0300)

陈振雄(1979-)， 男，湖南新邵人，高级工程师，主要研究方向是森林经理、林业调查、林业数表。

S 718.55+6

A

1003 — 6075(2016)02 — 0049 — 05

10.16166/j.cnki.cn43 — 1095.2016.02.011