四川洪雅林场森林植被碳储量的空间分布特征研究

2016-11-30王洪荣黄从德

四川林业科技 2016年4期

关键词：洪雅灌木林乔木林

谢云，王洪荣，黄从德

（1.四川省林业调查规划院，四川成都 610081；2.四川农业大学，四川雅安 625014）

四川洪雅林场森林植被碳储量的空间分布特征研究

谢云1，王洪荣1，黄从德2*

（1.四川省林业调查规划院，四川成都 610081；2.四川农业大学，四川雅安 625014）

四川洪雅林场地处四川盆地西部边缘的洪雅县境内，植被丰富多样，气候特征垂直分布明显，地形地貌结构复杂，是研究地带性森林植被碳储量的理想区域。因此，本研究利用洪雅林场森林资源调查数据，在实测植物含碳率和建立生物量模型的基础上，研究了洪雅林场森林植被碳储量空间分布特征和近10 a森林植被碳储量动态。

洪雅林场；森林植被；碳储量；空间分布特征

1 研究区域概况

四川洪雅林场位于四川盆地西南边缘，地处邛崃山支脉、峨眉山系大相岭东北的青衣江支流周公河（烦灵河）西南岸，地形处于四川省盆地与康滇平行岭谷的交接部。洪雅林场始建于1956年，行政隶属眉山市洪雅县，是全国八大、四川省第一大国营林场，也是1984年世界银行贷款建设的三大商品林基地之一。场部设在距县城35 km的柳江镇。地理位置介于东经102°49′～103°32′，北纬29°24′～30°00′。洪雅林场总面积62 595.7 hm2，林地面积61 764.3 hm2。总蓄积7 860 990 m3，乔木林中，公益林面积45 330 hm2，蓄积5 812 942 m3，商品林面积7 617 hm2，蓄积2 047 400 m3，竹林中，公益林面积162.3 hm2，特灌经济林面积160.6 hm2，疏林地面积190.9 hm2，灌木林地8 049.3 hm2，未成林造林地181.8 hm2，非林业用地面积831.4 hm2。

2 研究方法

2.1 基础数据收集

（1）洪雅林场2003年森林资源二类调查数据和2013年森林资源更新数据；洪雅林场林地保护利用规划数据（2012年～2020年）；洪雅林场DEM数据。

（2）洪雅林场空间信息数据

在ArcGis9.0中提取洪雅林场范围DEM（分辨率90 m×90 m）模型数据，并统一转化为相同地理坐标（Beijing54）。运用ARCGIS中空间分析统计模块，提取洪雅林场范围内坡度、海拔、坡向信息并分级。

根据洪雅林场范围分布海拔最大值和最小值，以500 m为一个梯度，将其海拔分为5个等级（＜1 000 m，1 000 m～1 500 m，1 500 m～2 000 m，2 000 m～2 500 m，＞2 500 m）。

按磁方位角分为5个坡向：阴坡（北、东北）、半阴坡（东、西北）、阳坡（南、西南）、半阳坡（西、东南）以及无坡向。

按坡度分为5个坡度：急坡（≥36°）、陡坡（26°～35°）、斜坡（16°～25°）、缓坡（6°～15°）、平坡（0～5°）。

（3）森林类型的划分

为了充分利用森林资源调查资料，依据《四川省森林资源规划设计调查办法》（四川省林业厅，2011），按优势树种将洪雅林场森林大致合并划分为8个林分类型和6个灌木林地类型。

2.2 标准地设置和森林生物量测定

标准地设置，在同一乔木林类型中设置3～5个30 m×30 m的乔木林标准地；在灌木林地中设置3～10个5 m×5 m的样方；在各个标准地和样方中设置3个1 m×1 m的枯落物小样方。

单株乔木生物量根据标准地胸径调查结果，在每个径阶中选择1～2株样木进行生物量测定。生物量分树干、树枝、树叶和树根4类取样；灌木林地上生物量由标准株法获得。

2.3 单株乔木生物量回归模型的拟合

根据不同树种各器官生物量，分析样木调查基本因子胸径（DBH）、树高（H）和交互作用项（D2H）与各器官生物量的相关性，根据调查因子易测、实用性强、生物学意义等原则，初步选定自变量因子；模型形式选取一元或多元模型线性函数、对数函数（＾y＝aln（X）＋b）、二次项函数、幂函数、“S”型曲线和指数函数）等回归模型进行数据回归拟合。

2.4 含碳率测定和碳储量计算

采集的植物样品使用烘箱在105℃恒温下杀青30 min，再在85℃恒温下烘5 h进行第1次称重，然后在85℃恒温下继续烘烤，每隔2h称重1次，当最近两次重量相对误差≤5.0%时停止烘烤，将样品冷却至室温后测定每个样品的干重。然后，使用粉碎机分别对植物干样进行粉碎。由于植物样品含碳量较高，一般在0.45左右，测定时称样量极少。因此需将已制备好的粉碎样取10 g～20 g于瓷研钵中再充分研细，全部通过100目筛（筛孔0.149mm）后混合均匀，用于植物样品有机碳含率测定。含碳率采用燃烧法（碳／氮元素分析仪）测定。

乔木林碳储量为乔木层、灌草层和枯落物层碳储量之和；灌木林地碳储量为灌草层和枯落物层碳储量之和。

2.5 碳汇／源计算

利用洪雅林场2003年和2013年森林资源调查数据，采用黄从德等建立的四川省生物量－蓄积量模型，计算出洪雅林场近10年来森林碳储量的变化情况，并通过洪雅林场采伐量数据，计算出碳的损失量。

2.6 数据分析与处理

数据分析、整理采用Access2007、Excel2007和SPSS19.0软件进行。

3 结果与分析

3.1 洪雅林场乔木林生物量回归模型

基于优势树种（组）实测各器官生物量数据，采用一元或多元多形式模型对乔木生物量模型进行回归拟合，结果如表1所示。根据参数的相关系数、残差平方和以及差异性检验（P＜0.05）综合考虑，确定幂模型W＝a（D2H）b是洪雅林场乔木生物量最优模型，以此估算洪雅林场乔木层生物量。

表1 优势树种各器官生物量回归模型

3.2 森林植被碳储量及碳密度

3.2.1 乔木林植被碳储量及碳密度

从表2可知，洪雅林场乔木林植被总碳储量为254.89×104t，其中乔木层、灌草层、枯落物层的碳储量分别为234.22×104t、5.51×104t和15.16× 104t，分别占碳储量的91.9%、2.2%和5.9%，各层碳储量大小顺序为乔木层＞枯落物层＞灌草层。不同林分类型碳储量介于5.51×104t～234.22×104t，其分配上也表现为乔木层碳储量最大，灌草层最小。不同林分类型中，栎类及其他硬阔林分碳储量最大，为93.61×104t，占碳储量的36.7%，其次为冷杉、云杉、铁杉林，碳储量为88.66×104t、占34.8%，第3是杉木、柳杉林分，碳储量为41.69×104t，占16.4%。这3种森林类型碳储量达223.96 ×104t，占洪雅林场总碳储量的87.9%；而其他森林类型仅占碳储量的12.1%。可见，栎类及其他硬阔林、冷杉、云杉、铁杉林、柳杉、杉木林是洪雅林场乔木林植被的主体，这些林分类型碳储量的动态变化将极大地影响到整个洪雅林场乔木林植被的碳动态。

表2 不同乔木林植被碳储量

3.2.2 灌木林碳密度和碳储量

由表3可见，洪雅林场灌木林地碳储量为13.79×104t，不同灌木林地类型之间差异较大，其他竹类灌木类型碳储量最高（8.24×104t），占灌木林地碳储量的59.8%，其次为高山杜鹃灌木类型（4.91×104t），占灌木林地碳储量的35.6%，两者之和占到灌木碳储量的95.4%，这与两者灌木林面积和具有较高的碳密度相关。不同灌木林地类型碳密度之间差异明显，介于1.47 t·hm－2～34.48 t· hm－2，平均16.73 t·hm－2，以水竹碳密度最高，而其他灌木类型的碳密度最低。

表3 不同灌木林类型碳储量

3.2.3 总碳储量及碳密度

洪雅林场乔木林和灌木林总碳储量268.68× 104t，乔木林的碳储量普遍高于灌木林碳储量，这与乔木林普遍具有较高的碳密度和保留森林面积大小有关，详见表4。栎类及硬阔林碳储量最大为93.61 ×104t，其次为冷、云、铁杉林88.66×104t，第3是柳杉、杉木林为41.69×104t，三者主导着区域内林地类型碳储量的分配格局。

表4 洪雅林场各林型生态系统碳储量

3.3 森林植被碳储量空间分布特征

3.3.1 乔木林碳储量空间分布特征

（1）乔木层碳储量空间分布特征

根据海拔，乔木层碳储量随海拔梯度变化总体表现为：0～2 500 m碳储量随海拔梯度升高而增大，以后随着海拔梯度的升高而下降。碳储量在2 000 m～2 500 m达到最高，为84.41×104t，占总碳储量的36.0%；根据坡度，乔木层碳储量随坡度等级的增大表现出增加的规律，从平坡到急坡，碳储量呈不断上升趋势。不同坡度等级碳储量从大到小依次顺序为急坡＞陡坡＞斜坡＞平坡＞缓坡；根据坡向，乔木层碳储量总体表现为阴坡或半阴坡高于阳坡或半阳坡，以无坡向最小。不同坡向碳储量从大到小依次为阴坡＞半阴坡＞半阳坡＞阳坡，详见表5。

（2）灌草层碳储量空间分布特征

根据海拔，灌草层碳储量随海拔梯度变化总体表现为：在0～2 500 m范围，碳储量随海拔梯度升高而增大，在＞2 500 m后，碳储量随着海拔梯度的升高而下降；根据坡度，灌草层碳储量随坡度等级的递增表现出先减少后增加的规律，从平坡到缓坡灌草层碳储量下降，而后随着坡度的增加而逐渐增加；根据坡向，灌草层碳储量总体表现为阴坡或半阴坡高于阳坡或半阳坡，以无坡向最小，详见表5。

（3）枯落层碳储量空间分布特征

根据海拔，枯落物层碳储量随海拔梯度变化总体表现为：0～2 500 m碳储量随海拔梯度升高而增大，以后随着海拔梯度的升高而下降；根据坡度，枯落物层碳储量随坡度等级的递增表现出先减少后增加的规律，从平坡到缓坡灌草层碳储量下降，而后随着坡度的增加而逐渐增加。不同坡度等级枯落物层碳储量从大到小依次顺序为急坡＞陡坡＞平坡＞斜坡＞缓坡；根据坡向，枯落物层碳储量总体表现为阴坡或半阴坡高于阳坡或半阳坡，以无坡向最小，详见表5。

表5 不同海拔梯度、坡度、坡向的碳储量

3.3.2 总碳储量空间的分布特征

（1）森林植被碳储量的垂直分布特征

森林植被碳储量随海拔梯度变化总体表现为：在0～2 500 m范围内碳储量随海拔梯度升高而增大，≥2 500 m后，碳储量随着海拔梯度的升高而下降。碳储量在2 000 m～2 500 m达到最高，为92.98×104t，占总碳储量的36.5%，使得这一海拔梯度森林成为洪雅林场森林植被碳储量的主要组成部分。其他各海拔梯度碳储量从大到小依次为：≥2 500 m、1 500 m～2 000 m、1 000 m～1 500 m、≤1 000 m，分别为71.09×104t、49.13×104t、39.51×104t和2.18×104t，详见表6，分别占总碳储量的27.9%、19.3%、15.5%和0.8%。森林植被碳储量随海拔梯度变化的这种趋势与各海拔梯度的森林面积大小有关。

表6 不同海拔梯度的森林植被碳储量

（2）森林植被碳储量沿坡度分布特征

森林植被碳储量随坡度等级的递增表现出增加的规律。不同坡度等级生态系统碳储量从大到小依次顺序为急坡＞陡坡＞斜坡＞平坡＞缓坡，详见表7。碳储量分别为168.31×104t、50.66×104t、19.89×104t、8.46×104t和7.57×104t，分别占碳储量的66.0%、19.9%、7.8%、3.2%和3.1%。这主要与各坡度等级目前保留各种森林类型、面积大小以及人为活动程度有关。

表7 不同坡度的森林植被碳储量

（3）森林生态系统碳储量沿坡向分布

森林植被碳储量总体表现为阴坡或半阴坡高于阳坡或半阳坡，以无坡向最小。不同坡向碳储量从大到小依次为阴坡＞半阴坡＞半阳坡＞阳坡，分别占碳储量的32.5%、29.9%、20.3%和17.3%。这与不同坡向等级上分布的森林面积大小和人为干扰程度有关，详见表8。

表8 不同坡向的碳储量

3.4 乔木林植被碳动态

根据洪雅林场2003到2012的资源更新数据包括有关造林、采伐、火灾和病虫害等林业动态资料，不同乔木林类型蓄积增长量，计量洪雅林场近10年来乔木林碳储量动态变化，详见表9。

从表9中可以看出，洪雅林场乔木林碳储量和固碳增量从2003年到2012年呈持续增加趋势，且增加幅度越来越大。10年间，碳储总量增加79.32 ×104t，折算吸收二氧化碳量（CO2）290.84×104t。

由表10可见，洪雅林场近10年间，通过森林光合吸收、固定二氧化碳（CO2）为290.84×104t，但由于采伐活动共计损失折算排放二氧化碳量（CO2）8.46×104t，净增固定二氧化碳量（CO2）283.15×104t，平均每年固定28.32×104t。可见，洪雅林场森林是一个重要的碳库和汇。

表9 洪雅林场10 a乔木林增长固定CO2（104t）

表10 洪雅林场10 a森林增长固定CO2

4 讨论与结论

（1）洪雅林场乔木林生物量回归模型

通过多模型拟合，建立以W＝a（D2H）b为洪雅县林场8个优势树种的生物量最优回归模型（式中：W为生物量，D为乔木胸径，H为树高，a、b为常数）。

（2）洪雅林场碳储量分布特征

洪雅林场植被总碳储量为268.68×104t。其中，乔木林碳储量为254.89×104t，占94.9%，灌木林碳储量为13.79×104t，占5.1%，乔木林平均碳密度为35.4 t·hm－2，灌木林平均碳密度16.73 t· hm－2。可见，乔木林碳储量在洪雅林场中占主导地位。

在乔木林中，乔木层、灌木层和枯落物层碳储量分别为234.22 t、5.51 t和15.16 t，碳密度分别47.4 t·hm－2、1.02 t·hm－2和2.8 t·hm－2。灌木林中，优势灌木层和枯落物层碳储量分别为13.79 t和0.80 t，碳密度分别为16.73 t·hm－2和0.97 t·hm－2。

在乔木林中，人工林和天然林43.54 t和190.68 t，碳密度分别为38.4 t·hm－2和45.3 t· hm－2。

在乔木林中，幼龄林、中龄林和成熟林碳储量分别为1.72 t、9.74 t和222.76 t，碳密度分别为5.6 t ·hm－2、21.5 t·hm－2和48.6 t·hm－2。可见，成熟林是洪雅碳汇组成的主要部分。

洪雅林场植被碳储量具有一定的垂直分布特征：在0～2 500 m范围，碳储量随海拔梯度升高而增加，＞2 500 m后随着海拔梯度的升高而降低，碳储量在2 000 m～2 500 m达到最高，为84.4×104t，占总碳储量的36.0%。碳储量随坡度等级的递增表现出增加的规律。碳储量坡向分布特征总体表现为阴坡或半阴坡碳储量高于阳坡或半阳坡，以无坡向最小。碳储量沿海拔、坡度、坡向的分布规律表明，林场中主体森林植被一旦被破坏，其恢复难度极大，因此，应减少人为破坏和消耗、进行可持续经营和管理。

（3）洪雅林场近10年碳汇／源动态

洪雅林场近10年碳汇功能明显。2003年到2012年间，洪雅林场碳储量从154.90×104tC增加到234.22×104tC，增加了79.32×104tC，年均增长率为0.5%。可见，洪雅林场森林植被起着“碳汇作用”。因此，减少人为对森林生态系统的干扰活动，加强对森林植被的保护以维持和增加植被层碳储量，对于减少碳排放、增加碳汇具有一定的意义。

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