福建省市域毛竹林碳儲量及其影響因子

朱清波 蘇阿蘭 林勇明 吳承禎

摘要： 森林碳匯能力是評價森林生態(tài)系統(tǒng)減緩全球氣候變暖的主要依據(jù)，該研究基于福建省9個地級市1985年、1996年、2006年的毛竹（Phyllostachys edulis）林碳儲量、氣溫、降雨量、人口、GDP等數(shù)據(jù)，運用相關性分析和線性回歸等方法，探討毛竹林碳儲量與主要影響因子之間的關系。結果表明：各因子對毛竹林碳儲量均存在不同程度的影響。（1）碳儲量隨降水增加而增加，但相關性不顯著（R = 0.281，P = 0.156）；隨氣溫上升而減少，相關性顯著（R = 0.748，P < 0.01），氣溫影響因子為 5.63，降水影響因子為1.46。（2）人口密度對碳儲量空間分布有顯著的負相關關系（R = 0.693，P < 0.01）。（3）GDP對碳儲量的空間分布具有相反的趨勢，表現(xiàn)為GDP等級高的地區(qū)，碳儲量相對偏低。該研究結果為提高區(qū)域毛竹林碳匯能力的立地選擇提供了理論依據(jù)，為碳交易市場界定提供借鑒信息。

關鍵詞： 森林生態(tài)， 毛竹林， 碳儲量， 氣溫， 降水， 人口密度， GDP

中圖分類號： Q948， S718.5 文獻標識碼： A文章編號： 10003142（2017）07089110

近兩個多世紀以來，大氣中CO2等溫室氣體濃度的不斷增加導致全球氣候變暖，這一現(xiàn)象正威脅著全球生態(tài)、環(huán)境和人類自身的生存與發(fā)展（王兵和魏文俊，2007）。森林是陸地上最大的生態(tài)系統(tǒng)，其能夠增加碳匯、吸收一部分CO2的排放、減緩溫室效應（劉華等，2005），對改善全球環(huán)境問題具有不可替代的作用；同時森林本身也是一個巨大的碳庫，約占全球植被碳庫的86%，并維持著全球土壤碳庫的73%，因而開展森林碳儲量研究對探究碳平衡變化規(guī)律以及減少全球碳排放具有重要意義（Post et al，1982）。國內(nèi)外學者對此進行了研究，其研究主要集中在大尺度區(qū)域（全球、區(qū)域、國家）（Fang & Chen，2001a；Rothstein et al，2004；徐小鋒和宋長春，2004；Sampson et al，2006）。森林植被受到氣候條件、植被類型、社會經(jīng)濟活動等因素的綜合影響，其碳儲量具有很大的不確定性和差異性，因此，為正確評價森林的碳匯能力，對某個小區(qū)域、某個樹種的研究同樣十分重要。

毛竹（Phyllostachys edulis）屬禾本科剛竹屬，異齡林，生長期短，可隔年接連采伐及永久利用，分布面積廣、生產(chǎn)效益高（周國模，2006），年均固碳量達11.36 t·hm2（王兵等，2009），在固定和平衡大氣CO2濃度中發(fā)揮重要作用。毛竹適生于年均溫在14 ℃以上、年降水量1 000 mm以上的地區(qū)，現(xiàn)已成為福建最主要的竹林種類之一（章朝聰?shù)龋?010）。鑒于此，國內(nèi)學者著手研究竹林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與碳匯能力，也取得了相應的研究成果（周國模，2006；申貴倉等，2013；張厚喜等，2014；張蕊等，2014）?，F(xiàn)今對毛竹的研究主要集中在毛竹林生態(tài)與經(jīng)濟效益（章朝聰?shù)龋?010）、毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的地帶性差異（季海寶等，2013）、不同經(jīng)營管理手段對毛竹生長的影響效應（朱琳琳等，2014）等方面，但從區(qū)域角度分析毛竹林碳儲量時空分布的差異及其影響因子的研究還不成熟，由于毛竹生長受到氣溫、降水、海拔、土壤養(yǎng)分等自然因素和人口密度、經(jīng)營方式、人類活動等人為因素以及林分狀況、郁閉度等林分條件的綜合影響，且各因子之間也相互影響，以上因素作用于毛竹碳儲量的作用過程與機理以及碳儲量的空間異質(zhì)性和時間復雜性，造成毛竹林碳儲量具有很大的不確定性和隨機性，很難得出解釋其綜合影響因子的答案（方精云等，1996；周玉榮等，2000；王效科等，2001）。因此，本研究擬以福建9個地級市在1985年、1996年、2006年的毛竹林為研究對象，對毛竹林碳儲量及其主要影響因子進行深入觀測與探究，旨在解釋福建毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的傳遞機理，從而為提高森林碳匯能力和估算我國東南地區(qū)森林植被碳儲量提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

福建省位于23°33′～28°20′ N，115°50′～120°40′ E之間，屬亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤。年平均氣溫在17～21 ℃之間，大致從東南向西北遞減，年均降水量在1 400～2 000 mm之間，無霜期為240～330 d。土壤類型主要為紅壤、黃壤及磚紅壤性紅壤。自然植被類型主要有南亞熱帶季雨林、海岸紅樹林、中亞熱帶常綠闊葉林、常綠針葉林、亞熱帶濱海沙生植被、亞熱帶灌叢、竹林；人工植被類型主要有農(nóng)田植被、亞熱帶果樹、竹林、杉木林、馬尾松林、園藝作物等。全省森林面積為7.666×106 hm2，森林覆蓋率為63.10%（馮健等，2014），位于全國首位，是中國的“綠色寶庫”。福建省現(xiàn)有福州、廈門、泉州、莆田、三明、漳州、南平、寧德、龍巖9個地級市，各地經(jīng)濟條件發(fā)展不一。

1.2 研究方法

1.2.1 資料來源與計算方法基于研究需要，筆者對不同年代福建省各地級市毛竹林碳儲量分別與氣候因子（氣溫、降水）、人口密度和GDP進行收集與計算。

（1）毛竹林碳儲量計算：考慮到毛竹林各地生長條件的差異性，各個地級市資料的準確性和完整性，因此本研究擬用福建省1985年、1996年、2006年的森林資源二類清查資料總數(shù)據(jù)（包括各個地級市毛竹林面積和株數(shù)）計算相應地級市不同年份毛竹林碳儲量。本研究計算的碳儲量包括毛竹的喬木層、林下植被層、凋落物層和土壤層。

相關計算公式如下：

① 喬木層碳儲量（t）=喬木層總生物量（t）×含碳率；② 喬木層總生物量（t）=單位面積生物量（t·hm2）×毛竹面積（hm2）； ③ 林下植被碳儲量（t）=單位面積碳密度（t·hm2）×毛竹面積（hm2）； ④ 凋落物碳儲量（t）=單位面積碳密度（t·hm2）×毛竹面積（hm2）； ⑤ 土壤碳儲量（t）=土壤平均碳密度（t·hm2）×毛竹面積（hm2）。

（2）毛竹生物量有基于面積和株數(shù)兩種計算方法，在此以面積為基數(shù)進行相關參數(shù)的計算。福建省毛竹單位面積生物量為37.6 t·hm2（陳先剛等，2008）；毛竹林喬木層含碳量以0.5作為計算值（Fang，2000；Fang et al，2001b）；林下植被和凋落物的平均碳密度分別為0.161 t·hm2和0.594 t·hm2（蘇阿蘭，2011）；土壤的平均碳密度為124.815 t·hm2（蘇阿蘭，2011）。

（3）其他數(shù)據(jù)來源：氣象數(shù)據(jù)來源于福建省各個地級市的氣象資料、福建省氣象局網(wǎng)站以及相關文獻（包括氣溫和降水）；人口密度、GDP數(shù)據(jù)來源于福建省1986年、1997年、2007年統(tǒng)計年鑒；研究區(qū)邊界來源于福建省行政區(qū)劃圖（圖1），運用以上數(shù)據(jù)建立相關模型并分析它們之間的關系。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理線性回歸分析是描述一個因變量與一個或多個自變量間的線性關系，分為一元線性回歸（一個自變量）和多元線性回歸（兩個及其以上自變量）。

通過對各自然因素綜合分析，求得熱量與水分是導致森林植被碳儲量空間分布差異的重要原因（張國斌，2008）。因此，本研究運用線性回歸的方法，探討9個地級市毛竹林碳儲量與氣溫和降水之間的線性關系。對相關數(shù)據(jù)進行均值化后，探討碳儲量與年降水量和年均溫的相關性，并建立線性回歸分析模型。

利用相關性分析毛竹碳儲量與人口密度和GDP的相關性與顯著性，并利用一元線性回歸建立毛竹碳儲量與人口密度線性關系。以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理均在Excel 2010、SPSS 19.0下進行。

2結果與分析

2.1 福建省9個地級市毛竹林面積及碳儲量時空動態(tài)變化

由表1可知，1985—1996年間，福建省毛竹碳儲量增加3 520.58 萬t，總增長率為41.20%，年增長3.75%；1996—2006年間，碳儲量增加2 252.98 萬t，總增長率為18.67%，年增長1.87%，增速較1985—1996年有所下降。在空間上，福建省毛竹面積分布不均， 主要分布在以南平、 龍巖和三明為主的閩西

北地區(qū)，總體上西部多、東部少；北部多、南部少。碳儲量最大的地區(qū)是南平市，其次是三明市和龍巖市，而閩東南地區(qū)碳儲量均偏少，尤其是廈門市。在時間上，莆田市1996年毛竹面積較1985年下降1 330 hm2，碳儲量相應減少19.20 萬t，到2006年毛竹面積較1996年增加988 hm2，碳儲量隨之增加14.26 萬t，但是總體而言毛竹面積和碳儲量均較1985年有所下降；福州市1996年毛竹面積較1985年下降587 hm2，其碳儲量減少8.48 萬t，到2006年，毛竹面積和碳儲量較1996年分別增長3 377 hm2和48.75 萬t，增幅較大，總體較1985年呈增長趨勢；另外7個地級市在1985—2006年間，毛竹林面積和碳儲量均呈增長趨勢?？傮w上，毛竹林面積原本較大的地區(qū)，其碳儲量增幅更快，以三明，龍巖，南平等地區(qū)表現(xiàn)最明顯，因此這些地區(qū)成為福建省的重要森林碳匯區(qū)。

2.2 氣候條件與毛竹林碳儲量動態(tài)變化的關系

氣候條件對植被的生長發(fā)育有重要影響，而這與植被碳密度和碳儲量密切相關，所以對福建省9個地級市氣候狀況對毛竹碳匯能力的影響進行探討尤為重要。首先對年均溫和年降水量與碳儲量進行相關性分析，結果表明年降水量與碳儲量呈正相關，但相關性不顯著（R = 0.281，P = 0.156），年均溫與碳儲量呈顯著負相關（R = 0.748，P < 0.01）。在線性回歸分析模型的基礎上，求出福建省9個地級市毛竹碳儲量（表1）與年均溫的關系得一元關系方程：

式中，y、x分別表示福建省9個地級市毛竹碳儲量和年均溫。通過標準誤差顯著性檢驗，表明回歸的整體效果較理想。根據(jù)標準系數(shù)法，從該回歸方程的系數(shù)可以看出，毛竹碳儲量隨氣溫上升而遞減。

利用因子分析法，求得氣溫，降水對福建省9個地級市毛竹碳儲量影響因子分別為5.63和1.46。影響因子越大，說明對福建省毛竹碳儲量貢獻越大，所以在福建省各地級市中，氣溫對毛竹林碳儲量的影響大于降水對它的影響。

2.3 人口密度與毛竹林碳儲量動態(tài)變化的關系

森林植被碳儲量空間差異與人類過度的不合理行為緊密相關，而人口密度在一定程度上揭示人類對森林的影響與破壞程度。廈門是全省人口密度（表2）最大的城市，其毛竹林碳儲量全省最低；福州是省會城市，其平均人口密度為全省第四，平均碳儲量位于全省第五；泉州、莆田、漳州人口聚集程度較高，碳儲量占全省的比例相對較?。蝗?、龍巖、南平地區(qū)人口密度較小，碳儲量所占比例卻很高。通過分析計算，福建省的人口密度為以廈門為主的東南沿海地區(qū)高于以南平為主的西北地區(qū)，而毛竹林碳儲量的分布情況卻與此相反。通過相關性分析可知，各個年份的毛竹林碳儲量分布規(guī)律與人口密度均呈負相關，且相關性顯著（P < 0.05）

人口密度與毛竹林碳儲量呈極顯著負相關關系（P < 0.01）。表明在空間差異上，毛竹碳儲量隨人口密度的提高會降低。

2.4 GDP與毛竹林碳儲量動態(tài)變化的關系

福建省三個年份GDP值與毛竹林碳儲量動態(tài)變化見表4。1985—2006年間，福建省經(jīng)濟實現(xiàn)快速發(fā)展，2006年GDP總量是1985年GDP總量的37.7倍，其中林業(yè)生產(chǎn)總值是1985年的11.58倍。但是毛竹碳儲量僅是1985年的1.68倍，可見福建省毛竹碳儲量增幅遠遠慢于GDP增幅和林業(yè)生產(chǎn)總值增幅。

通過表5（以1996年、2006年為例）可知，GDP等級越高的地區(qū)，其毛竹碳儲量相對偏低， 福州、泉州、廈門總產(chǎn)值在兩個年份均較高，三市總產(chǎn)值分別占當年全省GDP總產(chǎn)值的59.06%和62.65%。其余各市總產(chǎn)值均小于10%，除龍巖以外，剩余5市到2006年GDP所占份額均下降，其中以寧德產(chǎn)值最小且下降幅度最大。而在毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量中，南平、三明、龍巖等經(jīng)濟發(fā)展水平較低的地區(qū)碳儲量大于以廈門為主的經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)且增幅更快。通過相關性分析可知，GDP與碳儲量是負相關關系，但相關性不顯著（R = 0.317，P = 0.199）。從年際變化看，各地級市毛竹碳儲量隨GDP的增加而增加，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)GDP增速快，碳儲量增速慢，經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)，GDP增幅慢，碳儲量增幅快。

2.5 人口密度、GDP與毛竹面積的關系

以福建省1996年、2006年人口密度、GDP和毛竹面積為例（表6），綜合分析社會經(jīng)濟因素對毛竹生長的影響。本研究建立人口密度、GDP與毛竹面積之間的線性關系如下：

式中，x1、x2分別代表人口密度和GDP，y代表森林面積。該方程通過a=0.01的標準誤差顯著性檢驗，表明回歸的整體效果較好。從人口密度和GDP的回歸系數(shù)可以看出，人口密度和GDP對毛竹面積均是負相關關系，即人口密度和GDP等級越高的地區(qū)，毛竹面積越少。

根據(jù)因子分析法可知，人口密度對毛竹面積的影響是3.722，GDP對毛竹面積的影響是0.002。所以人口密度對毛竹面積的影響大于GDP對毛竹面積的影響。

3討論與結論

森林植被碳匯能力隨時間不斷增強（孫榮等，2010）。本研究發(fā)現(xiàn)，福建省毛竹碳儲量從1985—2006年共增長5 774 萬t，平均每年以3.22%遞增，表明福建省毛竹林起到碳匯作用。莆田市從1985—1996年，人口不斷增長，為了解決吃飯問題，農(nóng)業(yè)用地不斷擴大，從而導致森林面積減少；另一方面，為了促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，毀林開荒，使森林遭到破壞，種種原因導致這個時間段毛竹面積下降。從1996—2006年，毛竹面積又增長，是受國家“十五”計劃的影響，其中一個重點目標就是發(fā)展竹業(yè)經(jīng)濟，擴大毛竹林種植面積（宋天英等，2001）。福州市從1985—1996年，毛竹面積和碳儲量有所下降，很大一部分原因是迅速發(fā)展工業(yè)用材林和薪炭林的需要，這是當時福州林業(yè)發(fā)展的緊急任務，從而導致毛竹種植面積有所減少（謝知信，1987）；從1996—2006年，毛竹面積增幅較大是因為福州市自2003年后，全面推進集體林權改革，毛竹產(chǎn)量大增（林貞慶，2007）?？偟膩碚f，各個地級市毛竹面積和碳儲量呈增長趨勢，可能是因為自20世紀90年代以后，福建省重視生態(tài)環(huán)境的保護，對森林資源制定了良好的經(jīng)營管理政策。

毛竹碳儲量存在明顯的時空分布差異，除了與政府的政策有關，也與自然環(huán)境和人類經(jīng)濟活動密切相關。對福建省各地水熱條件進行分析研究表明，碳儲量與年降水量呈正相關，但相關性不顯著，與年均溫呈顯著負相關。由于毛竹適生于年均溫14 ℃以上，降水量1 000 mm以上的地區(qū)，福建省大部分地區(qū)都滿足降水量要求，東部地區(qū)年均溫約20～21 ℃，西部地區(qū)年均溫約17～18 ℃，其溫度條件相對于東部而言更適合毛竹生長，東部地區(qū)溫度增加在一定程度上降低水分利用效率，最終影響毛竹的生長發(fā)育，抑制其固碳能力，降低碳儲量（林清山和洪偉，2009）。另外，水熱條件對毛竹林碳儲量的影響效應說明：年均溫對碳儲量的影響大于年降水量，這與蔣延齡和周廣勝（2002）、趙敏和周廣勝（2004）得出氣溫對森林植被碳儲量的貢獻大于降水的結論相似。

人類行為會影響到植被碳儲量和碳密度的累積（Fang et al，2001b）。對福建各市人口密度及其碳儲量的研究表明，福建毛竹碳儲量的分布空間差異顯著，即人口密度等級高的區(qū)域，其碳儲量偏少。究其原因，可能是由于人口密度較高區(qū)域，社會經(jīng)濟發(fā)展迅速，城市化進程快，人口過快增長，城市急劇擴展，致使森林用地不斷轉化為城市建設用地，忽視林業(yè)發(fā)展，從而導致碳儲量偏低，比如廈門、泉州等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)。反觀人口密度等級低的區(qū)域，其主要為山區(qū)，距發(fā)達地區(qū)遠，城市化水平低，且大量農(nóng)民外出謀生，減少了對森林的干擾和破壞，森林資源多處于原生狀態(tài)（胡序威，1997），如南平、三明等閩西北地區(qū)。這與楊昆等（2006）研究潭江流域、李紅梅等（2005）研究西雙版納的研究結果相似。研究還發(fā)現(xiàn)，高人口密度區(qū)域毛竹碳儲量增長緩慢，這是因為人口持續(xù)增長會導致建設用地面積不斷增加，會使更多的森林用地轉變成建設用地，從而使森林面積增長緩慢，導致碳儲量增長緩慢；也有可能是毛竹受到越來越多人為因素干擾，導致其林分質(zhì)量下降，從而使森林固碳能力下降。研究還表明，2006年人口密度與碳儲量的關系擬合效果較1985、1996年差，這可能由于低密度區(qū)域人口密度增長過慢，高密度區(qū)域人口密度增長過快，且各個地級市碳儲量增幅也不一樣。

經(jīng)濟發(fā)展趨勢與碳儲量空間分布趨勢相反（李惠敏等，2004）。本研究中，福建省毛竹碳儲量與GDP具有負相關關系，但相關性不顯著。在空間上，福建省毛竹碳儲量變化趨勢為隨GDP等級提高而逐漸降低，即在經(jīng)濟發(fā)展水平高的地方，其毛竹碳儲量相對偏低，可能是因為GDP等級較高的區(qū)域重點發(fā)展經(jīng)濟，忽視了林業(yè)發(fā)展，也可能是林業(yè)發(fā)展速度緩慢所導致。在年際變化上，GDP等級較低區(qū)域比GDP等級較高區(qū)域森林碳儲量增長更快（表5），造成這種現(xiàn)象可能是由于經(jīng)濟發(fā)展的需要，各種經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、經(jīng)濟發(fā)展試驗點相繼建立，這種方式使東南沿海地區(qū)經(jīng)濟迅速發(fā)展，而閩西北地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展減速，一方面有利于減少分散發(fā)展方式對森林資源的破壞，使各個地級市毛竹面積總體上均有不同程度的增長；另一方面經(jīng)濟活動更加集中在東南部經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，使西北部森林面積增加更快，碳儲量增幅更大，而 GDP等級較高的地區(qū)，本身的森林面積就相對偏少，再加上經(jīng)濟發(fā)展和城市化的需要，導致該區(qū)域用地緊張，森林面積增長緩慢，故而碳儲量增幅較小。研究還發(fā)現(xiàn)，福建省西北部毛竹碳儲量總體比東南部多，且增幅更快，關鍵原因是福建西北部存在大面積自然保護區(qū)和林場，再加上山地地形阻擋，距離較遠，其森林植被保存相對完好，而東南部是福建省經(jīng)濟發(fā)展的重心，重視經(jīng)濟發(fā)展，而森林資源則相對缺乏，林業(yè)資源分布兩極化趨勢愈加明顯，經(jīng)濟活動更加趨向于經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，西北部則大力發(fā)展林業(yè)。隨著經(jīng)濟發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整，經(jīng)濟增長方式轉變，對薪柴依賴性降低，從而增加了森林種植面積，提高了森林碳匯能力（王艷萍等，2005）。因此，1985—2006年間各個地級市毛竹碳儲量隨GDP增長呈遞增趨勢，說明福建省地市區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與森林植被保護相對較為協(xié)調(diào)。

人口密度與森林面積呈負相關，而GDP對森林面積影響不大（張清等，2013）。在本研究中，福建省人口密度對毛竹面積空間分布具有顯著的負相關關系，影響因子為3.722，說明人類活動影響森林的空間分布，主要表現(xiàn)為亂砍濫伐，毀林開荒，以及人為原因導致的森林火災等。在無人為因素影響的情況下，自然環(huán)境不同所導致的水熱條件的空間異質(zhì)性是不同地區(qū)森林植被產(chǎn)生差異的主要原因，隨著人類文明的發(fā)展和進步，人類對森林的破壞便是造成森林植被空間分布差異的一個重要原因；而GDP對福建省毛竹面積空間分布具有相反的趨勢，但影響因子僅為0.002，即對毛竹空間分布影響較小。福建省大部分地級市森林面積滿足隨GDP等級提高而減小，而另外一些地級市（如莆田市、寧德市），GDP等級較低，毛竹面積也偏少，說明GDP并不是影響福建省毛竹空間分布的主要因子。從年際變化看，9個地級市人口密度、GDP和毛竹面積均有不同程度的增長，這也驗證了區(qū)域林業(yè)合理規(guī)范經(jīng)營和人口、GDP相互協(xié)調(diào)發(fā)展可以共同實現(xiàn)。

毛竹林適生區(qū)域較普遍且碳匯能力強大，對其碳儲量時空分布規(guī)律及其影響因子進行分析論證，有助于深入探討毛竹林碳循環(huán)的原理。本文在研究氣候因子與碳儲量的關系時，筆者用該地級市的某幾個氣象站資料代表整個地級市的氣候，其結果具有一定的誤差和局限性。毛竹生長存在大小年的現(xiàn)象，本文未深入探討大小年對碳儲量的影響效應。在對毛竹林碳儲量時空分布的自然環(huán)境因子及經(jīng)濟社會原因分析方面，只考慮了氣溫、降水、人口密度、GDP等4個因子，未涉及其他自然因子如海拔、坡度、坡向，社會因子如土地利用方式等，今后還需進行更深入全面的研究，從而為探明區(qū)域性森林碳匯能力的影響因素提供理論依據(jù)。

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