山西太岳山森林碳密度及空间分布格局研究

伊 锋

（山西省吕梁山国有林管理局，山西 临汾 041000）

山西太岳山森林碳密度及空间分布格局研究

伊 锋

（山西省吕梁山国有林管理局，山西 临汾 041000）

森林植被是陆地生物圈的主体，森林碳储量和碳密度的研究对森林碳汇及全球气候变化都具有重要的理论和实践意义。根据山西省太岳山2010，2015年2期森林资源连续清查数据，采用TWINSPAN方法对太岳山135个有林样地的森林植被进行群系分类，并运用生物量转换因子连续函数法，对太岳山森林植被碳密度的变化进行了动态分析，同时对太岳山森林碳密度的空间格局进行了研究。结果表明，太岳山森林植被可分为9个群系，9个群系的碳密度差距明显，其中，辽东栎+鹅耳枥群系的碳密度最高，而刺槐群系的碳密度最低。2010—2015年太岳山森林碳密度显著增加，5 a间碳密度增加了6.91 t/hm2，以1.38 t/（hm2·a）的速率增加。太岳山森林碳密度分布总体呈现西高东低的格局，碳密度随着海拔的升高而升高，最低为6.17 t/hm2，最高为62.24 t/hm2；太岳山有林样地以斜坡和陡坡为主，陡坡碳密度最高，缓坡碳密度最低；太岳山有林样地以上、中2个坡位为主，平地碳密度最高，中坡位碳密度最低；太岳山有林样地主要集中在半阴坡和阳坡，碳密度以阴坡最高，以阳坡最少。

太岳山；碳储量；碳密度；空间分布格局

森林是陆地生态系统的主体，在区域碳循环和全球碳循环中起着至关重要的作用[1-3]。国外关于森林生物量、碳储量和碳密度的研究较早，主要集中在全球或国家大尺度上[4-5]。国内研究多结合森林资源连续清查资料，对国内或省级尺度的生物量和碳储量进行估算[6-8]。近年来，关于不同区域、不同植被类型森林生物量、碳储量和碳密度的研究也逐渐增多[9-11]。本研究基于太岳山国有林管理局2010年（八期）和2015年（九期）2期森林资源连续清查数据，通过将太岳山135个有林样地利用TWINSPAN方法进行分类，再利用生物量转换因子连续函数法对太岳山各群系的森林生物量、碳储量和碳密度进行动态分析，分析了各群系不同龄组碳储量和碳密度的现状，并研究了太岳山森林碳储量和碳密度的空间分布格局，为山西省森林植被的碳汇研究提供了基础数据，在一定程度上反映了山西太岳山森林的固碳潜力，也为太岳山的森林经营和结构调整提供了科学的参考依据。

1 研究地区与方法

1.1 研究区域概况

太岳林区是山西九大林区之一，地理坐标为北纬 36°20′～37°15′，东经 111°40′～112°40′，南北长约150 km，东西宽60余km，最高海拔2 566.6 m。该区属于暖温带的大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷晴燥，年均气温在4～8℃，而年均降水量则在550～670 mm，7—9月份降水量占全年的65%以上，相对湿度60%～65%，年均日照2 500～2 700 h，无霜期120～200 d[12-14]。研究区的地带性土壤为褐土，优势树种有辽东栎（Quercus wutaishansea Mary）、油松（Pinus tabuliformis Carrière）、鹅耳枥（Carpinus turczaninowii Hance）、枫树（Acer）、白桦（Betula platyphylla Suk.）、山杨（Populus davidiana）、白皮松（Pinus bungeana Zucc.Ex Endl.）、华北落叶松（Larix principis-rupprechtii Mayr）、刺槐（Robinia pseudoacacia L.）等。

1.2 数据来源及生物量、碳密度估算方法

利用2010，2015年2期山西省太岳山国有林管理局森林资源连续清查资料，样地为每隔4 km随机选取的667 m2的正方形面积，乔木的起测径阶为5 cm[15]。本研究从山西省太岳山国有林管理局24个林场和3个保护区的246个样地中，选取2期共有的有林样地135个，可利用的连清数据主要包括每木检尺记录表中树种、胸径、平均树高等数据和样地因子调查记录表中的海拔、坡度、坡位、坡向等环境因子。

山西太岳山森林生物量的估算采用生物量转换因子连续函数法[16]，其森林生物量估计回归方程如下。

式中，B表示单位面积生物量（t/hm2）；V表示单位面积蓄积量（m3/hm2），其值为各样地单株材积之和，单株树木的材积依据其胸径值通过《山西省林业标准汇编》中的立木一元材积表查得；a，b为常数，本研究所需的树种或树种组参数直接参照刘国华等[17]的标准。森林碳储量和森林生物量的换算公式如下。

式中，C为森林植被碳储量（t）；W为森林植被生物量（t）；Wc为森林植被生物中碳的转化率。国际上根据不同植被类型采用的含碳率大多为0.44～0.53，本研究采用国际上常用的乔木含碳率转换系数0.5[18]。碳密度的单位为t/hm2。

2 结果与分析

2.1 太岳山森林植被TWINSPAN分类结果

利用太岳山36×135（物种×样地）的重要值矩阵，采用TWINSPAN方法将太岳山135个有林样地的森林植被分为9个群系，分别是：（1）白皮松＋侧柏群系；（2）油松群系；（3）辽东栎＋油松群系；（4）辽东栎群系；（5）辽东栎＋鹅耳枥群系；（6）辽东栎＋枫树群系；（7）白桦＋辽东栎＋山杨群系；（8）白桦＋华北落叶松群系；（9）刺槐群系。其中，辽东栎+鹅耳枥群系的碳密度最高，为71.33 t/hm2，刺槐群系最低，为2.6 t/hm2。各群系2010—2015年碳密度均有所增加，其中，白桦+华北落叶松群系的增长率最高，为2.56 t/（hm2·a）；白皮松+侧柏群系增长率最低，为0.44 t/（hm2·a）。

2.2 太岳山森林植被生物量、碳储量和碳密度分析

太岳山森林植被总生物量在2010，2015年分别为601.7万，713.4万t，平均生物量分别为74.43，88.26 t/hm2。森林碳储量分别是300.8万，356.7万t，碳密度分别为37.22，44.13 t/hm2。5 a间碳密度增加了6.91 t/hm2，以1.38 t/（hm2·a）的速率增加。各群系2010—2015年碳密度均有所增加，2015年各群系的碳密度介于2.6～71.33 t/hm2。

2.3 太岳山各森林群系不同龄级的碳储量和碳密度分析

表1 135个样地各群系不同龄级的分布 个

由表1可知，太岳山135个固定有林样地中包括幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林，没有过熟林。其中，以中龄林和近熟林为主，近熟林最多，为49个，中龄林43个，幼龄林22个，成熟林最少（21个）。群系（9）只有中龄林，群系（5）只有中龄林和成熟林，群系（1）只有幼龄林和中龄林，而群系（4）没有成熟林。

太岳山9个群系各龄级间碳储量和碳密度相差较大。从表2可以看出，太岳山森林碳储量以中龄林和近熟林为主，占总森林碳储量的73.6%，其中，近熟林碳储量最多，为151.1万t；幼龄林碳储量最少，为31.2万t。各群系不同龄林的碳储量中，以辽东栎群系（群系（4））的近熟林碳储量最高，为66.1万t，其次为油松群系（群系（2））的中龄林碳储量26.8万t和辽东栎+鹅耳枥群系（群系（5））的中龄林碳储量25.4万t。从幼龄林—中龄林—近熟林—成熟林，大部分群系碳密度呈上升趋势，其中，白桦+辽东栎+山杨群系（群系（7））的近熟林碳密度最高，为75.96 t/hm2；其次为群系（7）的成熟林，碳密度为74.75 t/hm2；刺槐群系（群系（9））的中龄林碳密度最低，为2.59 t/hm2。

表2 2015年各群系不同龄级的碳储量和碳密度比较

2.4 太岳山森林碳储量空间格局分析

太岳山森林碳密度分布总体呈现西高东低的格局，其中以太岳山西南端的大南坪林场经营区森林碳密度最高，为72.34 t/hm2；以太岳山东南端的马西林场经营区森林碳密度最低，为25.72 t/hm2。研究区森林碳储量和碳密度的空间分布格局受海拔、坡度、坡向、坡位等多种环境因子的影响。

2.4.1 海拔梯度分布 本研究区的海拔梯度介于1 000～2 200 m，每200 m一个梯度，把太岳山分为6 个海拔梯度，分别是：1 000～1 200，1 200～1 400，1 400～1 600，1 600～1 800，1 800～2 000，2 000～2 200 m。太岳山的135个有林样地集中在1 200～2 000 m的海拔，其中，介于1 200～1 400 m海拔的样地最多，为48个，占有林样地的35.56%。太岳山的碳储量主要集中在海拔1 200～2 000 m，其中以海拔1 200～1 400 m最高，为102.7万t。碳密度随着海拔的升高而升高，碳密度的最小值出现在1 000～1 200 m的海拔梯度，为33.83 t/hm2，最大值出现在2 000～2 200 m，为62.24 t/hm2。究其原因可能是因为随着海拔的升高人为干扰因素少，而且随着海拔的升高阔叶混交林居多，且大多以中龄林和近熟林为主。

2.4.2 坡度梯度分布 本研究区的坡度介于0～45°，坡度分为5个等级：平坡、缓坡、斜坡、陡坡、急坡，不存在险坡。太岳山135个有林样地中，斜坡和陡坡所占的样地数最多，分别为48，53个，共占有林样地的74.8%。碳储量也是斜坡和陡坡最多，分别为116.5万，152.6万t。碳密度从高到低分别为陡坡、急坡、平坡、斜坡、缓坡。陡坡碳密度最高，为48.09 t/hm2，缓坡碳密度最低，为40.25 t/hm2。通过比较可知，坡度对碳密度影响不大，陡坡碳密度高的原因可能是人为干扰少，阔叶混交林较多，林分密度大。

2.4.3 坡位梯度分布 本研究区的坡位分为6种：脊、上、中、下、谷、平地。太岳山135个有林样地主要集中在上、中2个坡位，都为47个，共占有林样地的70%。碳储量也以上、中2个坡位为主，分别为125.7万，113.3万t。各坡位碳密度的排序从大到下依次是：平地（60.6 t/hm2）＞脊（55.64 t/hm2）＞谷（53.7 t/hm2）＞下（45.4 t/hm2）＞上（44.66 t/hm2）＞中（40.24 t/hm2）。平地碳密度高的原因是因为平地有利于水源涵养和水土保持，该样地为阔叶混交林，龄组为近熟林。但受采集条件限制，该坡位只有一个样地。

2.4.4 坡向梯度分布 本研究区的坡向分为5类：阴坡、半阴坡、阳坡、半阳坡、无坡向。太岳山135个有林样地主要集中在半阴坡和阳坡，分别为54，44个，共占有林样地的72.6%。碳储量也以半阴坡和阳坡为主，分别为143.9万，104.9万t。碳密度以阴坡最高，为51.77t/hm2，以阳坡最少，为39.82t/hm2。究其原因可能是北方气候干燥，阴坡水分蒸发较少，比阳坡更有利于水分的保持。

3 讨论

太岳山林区地处黄土高原-川滇生态屏障的核心区域，是我国山西省中南部甚至是整个华北地区在保证生态安全过程当中一个非常重要的屏障，这一地区拥有着我国当前保存最为完好的油松和辽东栎天然林，具有重要的研究意义和保护价值。本试验研究了山西太岳山的碳储量及空间分布格局，与以往研究不同之处在于：本研究将太岳山森林植被利用TWINSPAN方法进行分类，对太岳山各群系的森林生物量、碳储量和碳密度进行了动态分析，同时列出了各群系不同龄组碳储量和碳密度的现状，并研究了太岳山森林碳储量的空间分布格局。而之前学者关于太岳山森林碳储量的研究对象多为太岳林区的一块区域或1种植被类型，也没有将森林植被进行群系分类。本研究将太岳山森林植被进行群系分类，再对各群系的森林生物量、碳储量和碳密度进行动态分析，同时在研究的过程中也列出了太岳山各群系不同龄组的碳储量以及碳密度现状，同时对太岳山碳储量和碳密度的空间分布格局也进行了分析。这些研究在一定程度上反映了山西太岳山的森林植被结构和固碳潜力，为太岳山的森林经营和结构调整提供了参考依据，也为山西省林业可持续发展及碳汇功能评价提供了基础数据。

综上所述，要提高太岳山的森林碳储量和碳密度，森林抚育管理应以海拔1 200～2 000 m、坡度16°～35°的阴坡为主，同时在管护较好、人为干扰少的平地和谷等坡位可大面积育林。辽东栎材积大、分布较广，抚育管理时应以混交林为主，不宜纯林。在中低海拔区，以辽东栎+油松混交林为主，而在中高海拔，以辽东栎+白桦+山杨混交林为主，中间可大面积培育辽东栎+枫树混交林和辽东栎+鹅耳枥混交林。在立地条件恶劣的低海拔山区，可考虑以白皮松+侧柏混交林为主。

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Study on Forest Carbon Density and Spatial Distribution Pattern of Taiyue Mountain in Shanxi Province

YI Feng
（The State-owned Forest Administration in LüliangMountain ofShanxi Province，Linfen 041000，China）

Forest vegetation is the main body of the terrestrial biosphere,the research of carbon reserve and carbon density has important theoretical and practical significance for forest carbon sinks and global climate change.Based on the data from the continues forest inventory in 2010 and 2015,the forest vegetation of Taiyue Mountain in Shanxi province was classified using TWINSPAN method.The forest carbon density of Taiyue Mountain was analyzed by the variable biomass expansion factor function（BEFF）method.And the spatial pattern of forest carbon density in Taiyue Mountain was studied.The results showed that the forest vegetation of Taiyue Mountain was divided into nine formations,the carbon density of the nine formations was different.The carbon density of Form.Quercus wutaishanica＋Carpinus turczaninowii Hance was the highest,the minimum was Form.Robinia pseudoacacia L.The forest carbon density of Taiyue Mountain had a significant increase from 2010 to 2015.The carbon density increased by 6.91 t/hm2in five years，and the growth rate ofcarbon density was 1.38 t/（hm2·a）.The forest carbon density ofTaiyue Mountain appeared to west high east low.The carbon density of Taiyue Mountain as the altitude rose,the minimum was 6.17 t/hm2,the highest was 62.24 t/hm2.The forest land of Taiyue Mountain gave priority to with slope and steep,the carbon density of steep was the highest,the carbon density of gentle slope was the lowest.The carbon densityofTaiyue Mountain gave prioritytowith up,middle slope positions.The carbon densityofTaiyue Mountain was the highest in the plain and the lowest was in the middle slope.The forest land of Taiyue Mountain gave priority to with the half cloudyslope and sunnyslope,the cloudywas the highest and the sunnyslope was the least.

Taiyue mountain;carbon reserve;carbon density;spatial distribution pattern

S718.5

A

1002-2481（2017）11-1814-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.11.20

2017-07-18

伊 锋（1991-），男，山西临汾人，硕士，主要从事林业勘察设计工作。