杉木、马尾松等不同树种组碳储量与碳密度研究

彭建都，刘 青，龚文彬，黄志韧，张 志，陶超武

（1.安化县芙蓉国有林场，湖南 安化 413500； 2.安化县林业局，湖南 安化 413500；3.安化县柘溪国有林场，湖南 安化 413500）

杉木、马尾松等不同树种组碳储量与碳密度研究

彭建都1，刘 青2，龚文彬1，黄志韧2，张 志2，陶超武3

（1.安化县芙蓉国有林场，湖南 安化 413500； 2.安化县林业局，湖南 安化 413500；3.安化县柘溪国有林场，湖南 安化 413500）

以新化县森林资源为研究对象，基于 2014 年新化县森林资源二类调查数据，借助 Arcgis 空间分析，利用生物量转换因子连续函数法计算出不同树种组的碳储量以及碳密度。结果表明：（1）各树种组碳储量的大小排序为：杉木组＞马尾松组＞竹木组＞柏木组＞慢生阔叶树组＞中生阔叶树组＞灌木组＞国外松组＞果树组＞速生阔叶树组＞食用原料树种组＞药用树种组＞杨树组＞林化原料树种组；（2）各树种组碳密度的大小排序为：中生阔叶树组＞速生阔叶树组＞柏木＞国外松组＞竹木组＞杨树组＞杉木组＞慢生阔叶树组＞马尾松组＞果树组＝食用原料树种组＝林化原料树种组＞灌木组＞药用树种组。

新化县；生物量转换因子连续函数法；森林碳储量；碳密度

自工业革命以来，人类向大气排放的 CO2等温室气体持续增加［1-2］，导致全球气候变暖，这一现象引发了全球范围内的广泛关注，因为全球变暖将威胁到人类的生存和社会经济的可持续发展［3-6］。对此，中国做出了回应：党的十八大报告把积极开展碳排放权交易试点纳入大力推进生态文明制度建设的重要内容。碳汇林业与碳排放权交易有着十分密切的关系，因此碳汇林业发展前景广阔。新化县作为湖南省重点林区县、湖南省杉木林基地县、竹林面积 2.2 万 hm2以上的省重点毛竹基地县、林业重点生态工程建设县，其森林资源十分丰富。因此开展新化县杉木、马尾松等不同树种组碳储量及碳密度研究，对新化县现有的森林碳汇价值估算具有重要意义，可为新化县更好地发展碳汇林业提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新化县隶属于湖南省娄底市，位于湖南中部偏西、娄底市西部，资水中游，雪峰山东南麓，地处东经 110°45'～111°41'，北纬 27°31'～28°14'，全县总面积 364 253.17 hm2，占全省面积的 1.69%，占娄底市面积的 43.94%，且素有“湘中宝地”的美称。境内群山起伏，地貌类型多样，如丘陵、山地、盆地、准平原均有所分布。新化县属于中亚热带季风湿润气候，具有光温丰富的大陆性气候以及空气湿润、雨水充沛的海洋性气候两种特征，阳光充足，气候温暖，全年平均降水量为 1 473.1 mm，年平均湿度 78%。研究区内森林资源丰富，大部分为乔木植物，其次是草本植物。乔木林主要是杉木、松树及竹林等，其林种结构以用材林为主，总蓄积量高达5.12×106 m3，占活立木蓄积的 93.09%；经济林主要是柑桔、板栗、杜仲、油茶以及茶叶等，总面积为 1.2×104 hm2；楠竹是新化县第三大类乔木林，总面积达 2.2×104 hm2，合计 4 800 万株。草本植物属于山地稀疏草丛，多数为可饲牧草，诸如黄茅、小糠草、马唐、蟋蟀草、鹅冠花等。

1.2 数据来源与处理

以湖南省新化县 2014 年森林资源二类调查数据为基础，用 Arcgis 筛选出新化县不同树种组的分布范围，其空间分布图如图1 所示。

图1 新化县不同树种组的空间分布图Fig.1 The spatial distribution of different tree species in Xinhua County

1.3 研究方法

根据新化县森林资源二类调查数据，乔木林有：杉木组、马尾松组、国外松组、柏木组、杨树组、速生阔叶树、中生阔叶树、慢生阔叶树、药用树种组；经济林有：林化原料树组、果树组、食用原料树组；竹林有竹木组；灌木林有灌木林与盐肤木。

1.3.1 乔木林生物量估算 估算森林碳储量的常用方法主要有生物量模型法、涡度协方差法［7-8］以及生物量换算因子连续函数法等等。本研究采用方精云等［9］提出的生物量换算因子连续函数法进行估算，其计算公式为：

式中：B（t/hm2）为单位面积的生物量，V（m3/hm2）为相对应的单位面积蓄积量，B林（t）为某一林分类型的总生物量，A（hm2）为相对应的树种面积，a 和 b 为转换因子系数，不同林分类型转换因子系数参照表 1。

表1 不同林分类型生物量换算因子系数Tab.1Biomass of different forest types of conversion factor coefficient

1.3.2 经济林、竹林及灌木林生物量 目前，国内外研究者对经济林、竹林及灌木林生物量估算大多采用平均生物量法，因此本研究也采用平均生物量法，计算参数采取方精云［9］的研究成果，这也是目前我国大部分研究者基于大尺度估算林木生物量所采用的参数。本研究区为新化县，因此采用秦岭淮河以南地区的平均生物量，其具体参数为：经济林 23.7 t/hm2，竹林 22.5 kg/株，灌木林 19.76 t/hm2。对于散生木及四旁树的生物量，由于散生木及四旁树的数据获取难度大，且所占比例小，对最终林木生物量的计算结果影响不大，故散生木及四旁树不在本研究范围内。

1.3.3 森林碳储量与碳密度 由林木生物量转化为碳储量一般根据植物干重中 C 所占的比例来进行计算。故森林碳储量等于含碳系数与林木生物量的乘积，含碳系数为林木每克干重的碳含量。本研究采用目前国际上常用的、不分树种的含碳系数—0.5进行计算，计算公式如下：

式中：C（t）表示碳储量，B（t）表示与其对应的林木生物量。

2 结果与分析

2.1 不同树种组碳储量与碳密度分布特征

根据公式（1）—（3）计算新化县不同树种的森林碳储量，结果如图 2 所示。由图 2 可知，不同树种组其碳储量按大小排序依次为：杉木组＞马尾松组＞竹木组＞柏木组＞慢生阔叶树组＞中生阔叶树组＞灌木组＞国外松组＞果树组＞速生阔叶树组＞食用原料树种组＞药用树种组＞杨树组＞林化原料树种组。新化县作为湖南省重点杉木林基地县，其杉木面积占全县林地总面积的 34.05%，杉木蓄积量占全县总蓄积量的 47.92%，故其碳储量所占比重最大。新化县是湖南省的松木出口大县，其马尾松面积仅次于杉木林，占全县林地总面积的26.38%，其蓄积量占总蓄积量的 38.73%，故其碳储量仅次于杉木。新化县作为竹林面积 2.2 万 hm2以上的省重点毛竹基地，其毛竹面积仅次于杉木与马尾松，占总面积的 14.10%，从而竹木组碳储量低于马尾松组碳储量。

图2 新化县不同树种组的蓄积、碳储量与碳密度Fig.2 The accumulation, carbon storage and carbon density of different tree species in Xinhua County

据新化县森林碳储量计算森林碳密度，其结果如图 2 所示。由图 2 可知，不同树种组其碳密度按大小排序依次为：中生阔叶树组＞速生阔叶树组＞柏木＞国外松组＞竹木组＞杨树组＞杉木组＞慢生阔叶树组＞马尾松组＞果树组＝食用原料树种组＝林化原料树种组＞灌木组＞药用树种组。中生阔叶树种组中木荷的碳密度高达 66.22 t/hm2，故中生阔叶树组的碳密度最大；速生阔叶树种组中各树种的碳密度有高有低，故速生阔叶树组的平均碳密度低于中生阔叶树组；药用树种组以收获其药用价值为主，林分密度低，故其碳储量含量低，碳密度最小。

2.2 杉木组碳储量与碳密度分布特征

依据新化县森林资源二类调查数据，研究区共有杉木小班 45 747 个，总面积 99 849.6 hm2，总碳储量 2 048 814.44 t。其中 0 - 240 t 的碳储量小班数占据主导地位，有 44 359 个，占杉木总小班数的 96.97%，其面积为 81 913.8 hm2，占新化县杉木总面积的 82.04%，其碳储量为 1 574 266.45 t，占新化县杉木总碳储量的 76.84%，此类杉木小班遍布杉木的所有区域；其次为 240 - 480 t 的碳储量小班，其小班个数 1 256 个，占 2.75%，其面积 14 931.2 hm2，占 14.95%，其碳储量393 333.03 t，占 19.20%，零散分布在圳上镇、荣华乡、奉家镇、天门乡、文田镇等区域；480 - 720 t 的碳储量小班个数 105 个，占 0.23%，其面积2 240.7 hm2，占 2.24%，其碳储量 58 316.96 t，占2.85%，零星分布在圳上镇、奉家镇、天门乡、文田镇等区域；720 - 860 t 的碳储量小班个数 18 个，占 0.04%，其面积 500.7 hm2，占 0.50%，其碳储量 14 199.42 t，占 0.69%，仅在荣华乡、水车镇、天门乡等区域零星分布；860 - 1126 t 的碳储量小班个数 9 个，仅占 0.02%，其面积 263.2 hm2，占 0.26%，其碳储量 8 698.64 t，占 0.42%，仅在天门乡等乡镇个别分布。

图3 新化县杉木组不同龄组的碳密度Fig.3 The carbon density of different age groups of Chinese fir in Xinhua County

由图 3 可知，新化县杉木组的碳密度随着年龄的增长而先增加后减少，符合杉木林的生长规律。杉木组的平均碳密度为 21.83 t/hm2，幼龄林与中龄林均低于平均碳密度，近熟林、成熟林与过熟林均高于平均碳密度。故为了提高杉木组的碳储量，可以采取相应的经营管理措施，加速林木的生长，使其从幼龄林与中龄林尽快过渡到近熟林、成熟林。此外，由于过熟林的林木枯萎，生长潜能大大降低，导致其碳密度反而低于成熟林，应及时砍伐，补充新的林分，既能更新换代，又能创造经济效益。

2.3 马尾松组碳储量与碳密度分布特征

依据新化县森林资源二类调查数据，研究区共有马尾松小班 35 222 个，总面积 88 493.7 hm2，总碳储量 1 107 437.42 t。其中 0 - 200 t 的碳储量小班数占据主导地位，有 34 386 个，占马尾松总小班数的 97.63%，其面积为 77 473.3 hm2，占新化县马尾松总面积的 87.55%，其碳储量为 859 757.18 t，占新化县马尾松总碳储量的77.63%，此类马尾松小班遍布马尾松的所有区域；其次为 200 - 400 t 的碳储量小班，其小班个数 741 个，占 2.10%，其面积 9 021.9 hm2，占10.19%，其碳储量 198 663.7 t，占 17.94%，零散分布在圳上镇、白溪镇、坐石乡、吉庆镇、水车镇、文田镇、油溪乡等区域；400 - 600 t 的碳储量小班个数 76 个，占 0.22%，其面积 1 588.6 hm2，占 1.80%，其碳储量 35 626.76 t，占 3.22%，零星分布在白溪镇、水车镇、文田镇、油溪乡等区域；600 - 800 t 的碳储量小班个数 14 个，占0.04%，其面积 297.8 hm2，占 0.34%，其碳储量8 963.53 t，占 0.81%，仅在圳上镇、吉庆镇、坐石乡、白溪镇等区域零星分布；800 - 970 t 的碳储量小班个数 5 个，仅占 0.01%，其面积 112.1 hm2，占 0.13%，其碳储量 4 426.27 t，占 0.40%，仅在吉庆镇、坐石乡等乡镇个别分布。

图4 新化县马尾松组不同龄组的碳密度Fig.4 The carbon density of different age groups of Pinus massoniana in Xinhua County

由图 4 可知，新化县马尾松组的碳密度随着年龄的增长而逐渐增加，符合马尾松林的生长规律。马尾松组的平均碳密度为 12.81 t/hm2，幼龄林与中龄林均低于平均碳密度，近熟林、成熟林与过熟林均高于平均碳密度。同比杉木林，以提高马尾松组的碳储量，可以采取相应的经营管理措施，加速马尾松林的生长速率，使其从幼龄林与中龄林尽快过渡到近熟林、成熟林。此外，由于马尾松林生长较杉木林缓慢，其衰老速度大大降低，故过熟林的碳密度比成熟林高，但其增加值比中龄林至近熟林、近熟林至成熟林大大降低，故为了最大限度的提高马尾松林的碳储量，可以对马尾松的过熟林有计划的砍伐。

3 结论与讨论

基于新化县 2014 年森林资源二类调查数据，利用生物量转换因子连续函数法［9］计算出不同树种组的碳储量及碳密度，各树种组碳储量的排序为：杉木组＞马尾松组＞竹木组＞柏木组＞慢生阔叶树组＞中生阔叶树组＞灌木组＞国外松组＞果树组＞速生阔叶树组＞食用原料树种组＞药用树种组＞杨树组＞林化原料树种组；各树种组碳密度的排序为：中生阔叶树组＞速生阔叶树组＞柏木＞国外松组＞竹木组＞杨树组＞杉木组＞慢生阔叶树组＞马尾松组＞果树组＝食用原料树种组＝林化原料树种组＞灌木组＞药用树种组。

森林是一个动态和发展的概念，不同时期、不同地域以及不同研究领域人们对森林的认识和需求都不尽相同，森林碳储量的研究方法［10-16］也都需要与时俱进地作相应的有建设性的调整。此外，森林碳储量的估算结果以及空间分布应更多地通过 GIS 的可视化体现出来，以此来直观地指导林业的生产与经营。

［1］Barnola JM，M Anklin，J Porcheron，et al.CO2evolution during the last millennium as recorded by Antarctic and Greenland ice［J］.Tellus，1995，47（B）：264-272.

［2］Etheridge DM，LP Steele，RL Langenfelds，et al.Natural and anthropogenic changes in atmospheric CO2over the la st 1000 years from air in Antarctic ice and firn［J］.Journal of Geophysical Research，1996（101）：4115-4128.

［3］张佳华，卞林根，延晓东，等.碳循环及其对气候变化和人类生存环境的影响［J］.气象科学，2006，26（3）：350-354.

［4］Rodhe H.A comparison of various gases to the greenhouse effect［J］.Science，1990（248）：1217-1219.

［5］Melillo JM，Prentice IC，Farquhar GD，et al.Terrestrial biotic responsesto environmental change and feedbacks to climate［A］.In：Houghton J.T，Meira Filho LG，Callander BA，et al eds.Climate Change 1995：The Science of Clim ate Change.Cambridge University Press，1996：444-481.

［6］Vitousek P.M，Mooney H.A，Lubchenco J，et al.Human domination of Earth's ecosystems［J］.Science，1997（227）：494-499.

［7］周嘉慧，黄晓霞.生态脆弱性评价方法评述［J］.云南地理环境研究，2008，2（1）：55- 59，71.

［8］戴亚南，彭检贵.江苏海岸带生态环境脆弱性及其评价体系构建［J］.海洋学研究，2009，27（1）：78-82.

［9］方精云，刘国华，徐嵩龄.我国森林植被的生物量和净生产值［J］.生态学报，1996，16（5）：497-508.

［10］王邵军，阮宏华.全球变化背景下森林生态系统碳循环及其管理［J］.南京林业大学学报：自然科学版，2011， 35（2）：113-116.

［11］巨文珍，农胜奇.森林生物量研究进展［J］.西南林业大学学报，2011，32（2）：78-83.

［12］葛立雯，潘 刚，任德智，等.西藏林芝地区森林碳储量、碳密度及其分布［J］.应用生态学报，2013，24（2）：319-325.

［13］胡海清，罗碧珍，魏书精，等.大兴安岭 5 种典型林型森林生物碳储量研究［J］.生态学报，2015，35（17）：1-21.

［14］胡海清，魏书精，魏书威，等.气候变暖背景下火干扰对森林生态系统碳循环的影响［J］.灾害学，2012，27（4）：37-41.

［15］覃连欢.广西森林植被碳储量及价值估算研究［D］.南宁：广西大学，2012.

［16］孟 伟.五指山市森林植被碳储量特征与固碳价值研究［D］.长沙：中南林业科技大学，2014.

（文字编校：张 珉）

Carbon storage and carbon density of different tree species

PENG Jiandou1，LIU Qing2，GONG Wenbin1，HUANG Zhiren2，ZHANG Zhi2，TAO Chaowu3
（1.The State-owned Furong Forestry Station of Anhua County，Anhua 413500，China；2.Forestry Bureau of Anhua County，Anhua 413500，China；3.The State-owned Zhexi Forestry Station of Anhua County，Anhua 413500，China）

Based on two types of forest resources in Xinhua County in 2014，the forest resources of Xinhua County were taken as the res earch object.The carbon storage and carbon density of different tree s pecies were calculated by us ing Arcgis spatial analysis and the method of biomass conversion factor continuous function.The results demonstrated that：carbon storage of the tree species in the size of the order：Chinese fir group ＞ Pinus massoniana group ＞ bamboo group＞ cypress group ＞ slow growing broad-leaved tree group ＞ broadleaf tree group ＞ shrub group ＞ foreign pine group ＞ fruit group ＞ fast-growing broad-leaved tree group ＞ edible raw m aterials species group ＞ medicinal species group ＞ poplar group ＞ forest chemical raw material forest s pecies group.The order of the s ort of various s pecies of carbon dens ity：broadleaf tree group ＞ fast-growing broad-leaved tree group ＞ cypress group ＞ foreign pine group ＞ bamboo group ＞ poplar group ＞ Cunninghamia lanceolata group ＞ slow growing broadleaf tree group ＞ Pinus massoniana group ＞ fruit group =edible raw materials species = forest chemical raw material species group ＞ shrubs group ＞ medicinal species group.

Xinhua County；biomass conversion factor continuous function method；forest carbon storage；carbon density

S 718.56

A

1003-5710（2017）03-0061 -05

10.3969/j.issn.1003-5710.2017.03.010

2017-03-07

湖南省科技计划重点项目（No.2012FJ4565）

彭建都（1970-），男，湖南省益阳市人，林业工程师，主要从事林业调查规划和森林资源经营研究