森林植被碳密度空间分布特征研究

李凤霞，石 辉，撒利伟，刘明星，冯晓刚，李 萌

(1. 西安建筑科技大学 建筑学院，陕西 西安 710055；2. 西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西 西安 710055)

随着城市化进程的加快，城市热岛、交通拥堵、环境污染、温室效应等多种生态环境问题日益突出.近年来，全球气候变暖引起了学术界广泛关注[1]，森林生态系统是陆地生态系统的重要碳库，在调节全球气候变化、维持全球碳平衡方面发挥着重要作用[2-6].科学精准地计量森林植被碳密度是有效评价森林碳汇潜力的重要因素，可为提高应对全球气候变化的能力提供科学依据.

目前，国内外学者围绕着森林生态系统碳储量、碳密度做了大量研究工作，美国[7]、俄罗斯[8]、加拿大[9]等国家对森林植被碳循环及碳汇估算研究均有较大进展.基于森林资源清查资料，估算森林植被碳储量、碳密度的方法主要有森林植被生物量换算因子连续函数法[12,15]、运用海拔高度、郁闭度、胸径、坡向、灌木层和草本层覆盖度数据计算植被碳密度法[14]、利用森林乔木层生物量与蓄积量回归模型估算森林植被碳储量法[10-11,13,16].

归纳起来，这些研究均属于大尺度、大范围地估算森林植被碳储量及碳密度.然而，由于区域研究对象的复杂性和广泛性，森林植被具有地域性特点，不同学者的研究方法存在着一定的差异性，大尺度、大范围估算森林植被碳储量碳密度的研究结果仍存在很大的不确定性.为此，本研究结合森林植被地域特性，基于实测数据，利用异速生长模型，因地制宜地进行区域范围森林植被碳储量和碳密度的精准计量.

西北地区生态环境脆弱，森林生态系统植被具有鲜明的地域性特点.而目前关于西安区域森林植被碳密度空间分布特征的研究报道较少.因此，本文以西安森林生态系统植被乔木林为研究对象，以高分辨率遥感影像为基础数据源，结合样地实测数据，采用异速生长模型与GIS空间分析相结合的方法，分析西安森林植被碳密度空间分布特征，旨在进一步精确估算森林植被碳密度，为区域森林碳汇评价提供科学依据、为城市各功能区的生态效益评价提供理论依据.

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

西安地处我国西北东部、关中平原中部，地理坐标位于北纬33°42′～34°45′，东经107°40′～109°49′，属暖温带半湿润大陆性季风气候，平均海拔424 m, 1月平均气温 0.4℃，7月平均气温26.6℃，年平均温度约13.3 ℃，平均降水量604.2 mm,平均湿度69.6%.其辖区包括雁塔区、碑林区、新城区、未央区、莲湖区、灞桥区、长安区、临潼区、阎良区、高陵区和鄠邑区，辖县包括蓝田县和周至县，即11区2县, 占地面积10 108 km2.其中主城区包括新城区、雁塔区、碑林区、未央区、莲湖区和灞桥区六区，面积822 km2.

1.2 数据来源

本研究以2015年西安SPOT遥感影像数据、Landsat TM、ETM+数据、30 m分辨率的数字高程模型DEM数据和1∶1万、1∶5万比例尺的地形图数据、社会经济数据、人口数据(包括人口密度和人口数量)及大量样方实测等数据为数据源.

1.3 研究方法

基于3S(GIS、RS、GPS) 技术，应用遥感软件ERDAS、Ecognition进行遥感影像分类，把西安森林植被乔木林划分为风景区绿地、居住区绿地、文教区绿地、工业区绿地及道路绿地，采用地理信息系统软件ARCGIS解析西安城区不同类型森林植被碳密度空间分布特征，分析森林植被多样性特征.

根据城市森林分布特点及公园、道路、居住区、文教区、工业区的规模等实际情况，确定外业实地调查的地点及样方数量.公园样方的大小设置为20 m×20 m，相邻两个样方之间的间距不得小于150 m，共调查了兴庆宫公园、城市运动公园、丰庆公园等20个公园的40个样方；对于道路样方的设置，是根据道路的长度及其植被的配置，调查道路两侧100 m×10 m内树木的具体情况，调查了友谊路、太乙路、文景路等113条道路共计140个样方；关于居住区样方的设置，每个样方包含一栋住宅楼及其周围的行道树和绿化带，样地的面积则根据实际情况来确定，共调查了东方雅苑、鼎新花园、海荣阳光城等23个住宅小区的23个样方；学校样方的大小设置为20 m×20 m，设置方法同公园样地的设置，一共调查了西安建筑科技大学、西安体育学院、西安交通大学等18个学校的31个样方；工业区样地的设置是20 m×20 m，共调查了中国石油长庆油田集团、中国标准工业集团、西安机电车辆配件厂等6个工业区.

1.3.1 森林植被多样性指标

(1)物种多样性指数

Simpson指数Ds，是对多样性的相反面，即集中性的量度，也叫集中性概率指数，

(1)

其中：Ni是第i种物种的个体数；N是个体总数；S是群落中物种数目.

Shannon-Wiener指数H′，是以信息出现的不确定性来反映种的个体的多样性，也叫信息指数.

(2)

其中，Pi是第i种比例多度.

(2)物种丰富度指数

Margalef指数

da=(S-1)/lnN，

(3)

Patrick指数

(S)=S

(4)

其中，S是群落中物种数目，N是个体总数.

(3) 物种均匀度指数

(5)

其中，H′是多样性指数，S是群落中的物种数目.

1.3.2 森林植被碳密度计算

碳密度是指单位面积的碳储量，即碳储量与相应的面积之比.本研究采用城市绿化树种异速生长方程计算植物生物量，利用生物量与含碳率估算城市森林的碳储量，含碳率采用目前国际上常用的数值0.5[19].由于乔木林是森林植被碳储量的最主要贡献者，因此本文主要研究西安主城区乔木林的碳储量、碳密度及其空间分布特征.

2 结果与分析

基于高分辨率遥感影像数据，首先应用遥感软件易康、ERDAS对遥感影像进行分类，把土地利用类型划分为绿地和非绿地两大类，然后再使用ARCGIS软件提取西安城市绿地信息(表1)，结合大量的样地实测数据，定量分析西安不同类型森林植被多样性水平及其碳密度空间分布特征.

表1 西安主城区绿地数据统计Tab.1 Data statistics of green space in Xi′an urban are/m2

由表1可知，西安主城区绿地中，风景区绿地面积所占比例最大，风景区绿地共计172个斑块，最小斑块面积为3 741 m2，最大斑块面积为2 256 168 m2，平均斑块面积为165 405 m2，风景区绿地面积总和为28 449 692 m2；工业区绿地所占面积比例最小、绿地斑块最少，工业区绿地总面积为5 293 384 m2；道路绿地分布比较均匀，面积总和为15 633 211 m2；居住区绿地斑块最多，达到了460个，平均斑块面积为25 579 m2，最小斑块面积仅为996 m2，绿地面积总和为11 766 371 m2；文教区绿地面积为80 526 m2，集中分布在西安南郊，这与居住区绿地的分布有相似之处，是因为西安南郊的小学、中学、大学院校偏多，南郊碑林区的常住人口密度最大，达到了26 701人/km2.

2.1 西安森林植被乔木林多样性分析

表2 西安城市绿地多样性指数Tab.2 Diversity index of Xi′an city green space

综上所述，五种绿地类型中风景区绿地的丰富度、均匀度及多样性水平最高，植物的多样性比较丰富，植物的配置科学合理，这与园林绿化设计有关，同时，风景区绿地园林植物的增长已趋于稳定.然而，西安城市道路乔木的生物多样性水平较低，丰富度指数偏低，树种比较单一，缺乏植物的多样化，因此西安道路绿化有待进一步改善，首先应该更新行道树，合理选择植物，建设具有地方特色的植物景观，在道路两侧建设更多的生态景观林带，营造更加丰富的道路植物景观，同时需注重色彩与层次的搭配；其次，通过合理、科学的复层结构关系，增加城市三维绿量，从而有效提高绿地的生态景观效益；最后仍需进一步加强道路绿化的后期养护管理，为创建西安森林城市做出贡献.

2.2 西安居住区森林植被乔木林碳密度分析

根据测量的树高H和胸径D，结合绿化树种的异速生长方程，以及居住区样地面积计算出每个居住区样地的单位面积碳储量，即碳密度.基于西安城市居住区森林植被乔木层样地碳储量数据结果，使用ARCGIS10.4地理信息系统分析软件的分析工具，绘制出西安城市居住区森林植被碳密度的空间分布图，如图1所示.

图1 西安城市居住区森林植被碳密度空间分布Fig.1 Forest vegetation carbondensity spatial distribution of Xi ′an city residential area

对西安城市居住区森林植被碳密度的空间分布特征进行地理空间分析.从图1可以看出，西安城市居住区乔木碳密度等级位于0～1.21的占3%，碳密度等级位于1.21～2.42的占41.1%，碳密度等级位于2.42～3.63的占41%，碳密度等级位于3.63～4.84的占10.1%，碳密度等级位于4.84～6.05的占3%，碳密度等级位于6.05～7.26的占1%，碳密度等级位于7.26～8.47的占0.3%，碳密度等级位于8.47～9.68的占0.2%，碳密度等级位于9.68～10.89的占0.1%，碳密度等级位于10.89～12.10的占0.1%，碳密度等级位于12.10～13.31的占0.1%.

由此可知，西安城市居住区森林植被乔木层碳密度集中分布在1.21 ～3.63 kg/m2，占总量的82%.其中，欧洲世家的单位面积碳储量最高，为13.215 kg/m2，而旭景兴园的单位面积碳储量最低，仅为0.198 kg/m2，这是因为欧洲世家是一个比较成熟的大居住区，绿化率高，乔木普遍比较高大粗壮，绿化面积大，且碳密度高，所以，其碳储量较高.而旭景兴园内的绿化主要为草地和灌木，乔木较少，而且偏小，所以，其碳密度低、碳储量小.总体来说，繁华区域居住区的碳储量比郊区的碳储量偏低，可见，人类活动是影响森林植被碳储量空间分布的一个因素.总之，西安居住区乔木平均碳密度为2.926 kg/m2，碳密度取值范围介于0.198 ～13.215 kg/m2，碳储量取值范围介于1.08 ～437.25 t.

2.3 西安风景区森林植被乔木林碳密度分析

基于外业GPS测量样点经纬度坐标及各风景区样地的森林植被碳密度，应用地理信息系统分析软件ARCGIS空间分析、插值分析等功能，以植被碳密度分布的标准差2.12作为碳密度分级标准，所绘制的西安风景区森林植被碳密度空间分布图，如图2所示.

图2 西安风景区森林植被碳密度空间分布Fig.2 Forest vegetation carbon density spatial distribution of Xi ′an scenic spot

由图2可知，西安风景区森林植被乔木层碳密度等级位于0～2.12的占0.02%，碳密度等级位于2.12～4.24的占7.3%，碳密度等级位于4.24～6.36的占46.5%，碳密度等级位于6.36～8.48的占23.2%，碳密度等级位于8.48～10.60的占18.8%，碳密度等级位于10.60～12.72的占3.53%，碳密度等级位于12.72～14.84的占0.65%，高碳密度区域主要集中于西安主城区的东南区域，其中纺织公园的碳密度最高，为13.64 kg/m2，其次碳密度比较高的有革命公园和西安博物馆，其碳密度皆为12.56 kg/m2，然而，永阳公园的碳密度仅为1.92 kg/m2, 可以看出，林龄与森林植被碳密度密切相关.

总之，西安城市风景区乔木平均碳密度为6.41 kg/m2，高于陕西省森林平均碳密度值3.092 kg/m2，西安城市风景区树木碳密度取值范围介于1.92～ 13.64 kg/m2，碳储量取值范围介于100.46～11 695.62 t.

2.4 西安文教区森林植被乔木林碳储量分析

图3 西安城市文教区森林植被碳密度地理空间分布Fig.3 Forest vegetation carbon density spatial distribution of Xi ′an cultural district

由西安城市文教区森林植被乔木层碳密度地理空间分布图(图3)可以看出，西安文教区森林植被乔木层碳密度等级位于0～6.04的占2.1%，碳密度等级位于6.04～12.08的占62.1%，碳密度等级位于12.08～18.12的占14.3%，碳密度等级位于18.12～24.16的占13.6%，碳密度等级位于24.16～30.20的占6.8%，碳密度等级位于30.20～36.24的占0.8%，碳密度等级位于36.24～94.66的占0.4%.

可见，西安文教区树木碳密度主要集中于6.04 ～12.08 kg/m2之间，西安绝大部分高等院校分布在南郊区域，其中以西安交通大学为代表的样地乔木碳密度高达94.646 kg/m2，然而，陕西警官职业学院的碳密度仅为0.422 kg/m2，究其原因，西安交通大学建校历史悠久，已达120年之久，大部分乔木林为成熟林、过熟林，而陕西警官职业学院建校较晚，乔木林中的幼龄林较多，因此，森林植被碳密度和林龄有很大关系.总之，西安文教区森林植被乔木层碳密度分布整体呈现出南高北低的特点.西安城市文教区乔木平均碳密度为14.24 kg/m2，明显高于陕西省平均碳密度水平，西安城市文教区树木碳密度取值范围介于0.422～94.646 kg/m2，碳储量取值范围介于72.060～56 542.40 t.

3 结论

西安森林植被碳储量在区域碳平衡和碳循环中发挥着重要作用，本研究基于大量样方实测数据和高分辨率遥感影像数据，应用异速生长模型与GIS空间分析相结合的方法，更加直观、动态地探讨了西安森林植被碳密度空间分布特征及其多样性，得出以下结论：

(1) 西安五种绿地类型中风景区绿地的丰富度、均匀度及多样性水平最高，植物的多样性比较丰富，五类绿地中乔木综合指数D表现出：风景区绿地>文教区绿地>居住区绿地>工业区绿地>道路绿地.

(2) 西安不同类型森林植被乔木层碳密度存在一定差异，空间分布不均衡，文教区绿地碳密度最高，其次是风景区绿地，居住区绿地较小.人类活动是影响森林植被碳密度空间分布的一个重要驱动因素，同时，植物的丰富度、均匀度及多样性水平是森林植被碳储量的一个驱动因子，且西安森林植被乔木林碳储量与树木的胸径D、树高H近乎成正比，可见西安森林植被碳密度与林龄密切相关.

(3)西安风景区绿地乔木植物多样性水平最高，综合指数D为6.19，远远高于其它类型绿地，城市公园景观是高度人工化景观，这说明人对绿地的科学有效管理是影响城市生物多样性的重要因素.

保护和改善生态环境是西北地区社会经济可持续发展的前提，城市绿地作为城市生态系统的重要组成部分，具有重要的生态服务功能，是衡量城市文明程度和可持续发展的重要标志[20].城市迅速扩张及土地利用格局的演变对城市植物的生存环境条件具有深刻的影响，进一步影响着城市植物的分布格局、种类组成及其多样性水平[21].城镇用地的空间拓展将日益成为现在及未来几十年中国土地利用变化的主要特征[22].城市公园绿地维持较高水平的生物多样性，具有降低犯罪率的作用，同时可以减小由城市环境所导致的心理压力、弥补城市化带来的生物多样性流失[23].

研究发现，西安森林植被碳储量与碳密度相对较低，这是因为西安森林植被中中幼林所占比重比较大，未来西安森林植被具有巨大的固碳潜力.森林植被碳储量是计量森林生态效益的基础，是衡量生态建设的关键指标.西安森林植被的结构质量水平有待进一步提高，同时要加强城市物种多样性保护，从而更好地发挥森林城市的生态服务功能.