湘鄉(xiāng)市林地森林碳儲量及碳密度研究

彭 璽，張亞威

(國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 長沙 410014)

森林不僅是陸生植物發(fā)揮光合效用的主體，也是優(yōu)質(zhì)生態(tài)環(huán)境的守護(hù)者[1-2]，還是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分[3]。森林強(qiáng)大的固碳能力更使得其成為生態(tài)系統(tǒng)中的最大碳庫[4]，是維持全球碳循環(huán)和碳平衡的基礎(chǔ)[5-6]。隨著溫室效應(yīng)帶來的氣候變暖、冰川融化等生態(tài)負(fù)面問題的加劇,森林生態(tài)系統(tǒng)在全球生態(tài)環(huán)境退化方面的作用和地位正日益凸顯，尤其是森林生態(tài)系統(tǒng)在碳減排和增匯領(lǐng)域的技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注[7-8]。

碳循環(huán)是以森林生態(tài)系統(tǒng)為主導(dǎo)的生物圈以及大氣圈之間的重要環(huán)節(jié),是全球變化研究方面的熱點(diǎn)問題之一[9-10]，而碳儲量和碳密度是研究森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的基礎(chǔ)[11]。因此，筆者以湘鄉(xiāng)市為對象，研究其林地的森林碳儲量與碳密度及其空間分布特征，為湘鄉(xiāng)市森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的后續(xù)研究做好基礎(chǔ)工作，以期為林業(yè)部門在今后的森林資源保護(hù)和經(jīng)營管理中，提供理論依據(jù)和參考借鑒。

1 研究區(qū)概況

湘鄉(xiāng)市位于湖南省中部，112° 30' 05"E， 27° 45' 10"N，地貌以丘陵山地為主，總面積為196700 hm2，其中林業(yè)用地面積為92866.67 hm2,為典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用以西安80坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的湘鄉(xiāng)市2014年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，以小班為最小單位。將湘鄉(xiāng)市的優(yōu)勢樹種歸納為：杉木組、馬尾松組、國外松組、慢生闊葉樹組、中生闊葉樹組、速生闊葉樹組、竹木組、經(jīng)濟(jì)林組、灌木林組9大組類。其中鉆天楊、毛白楊、歐美楊等楊樹組樹種因面積過小歸并入速生闊葉樹組。各優(yōu)勢樹種組成詳情和空間分布見表1、圖1所示。

表1 優(yōu)勢樹種組構(gòu)成與面積、蓄積統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢樹種組面積/hm2百分比/%蓄積/m3百分比/%樹種組成杉木組10956.9511.79510289.1615.23杉木、柳杉馬尾松組33122.9335.641837271.1554.83馬尾松國外松組5899.106.35278410.778.31國外松、濕地松速生闊葉樹組544.030.5918087.450.54椿樹、楓香、鉆天楊、毛白楊、歐美楊、苦楝、榿木中生闊葉樹組19521.5321.01563400.2516.81山槐類、木荷、酸棗、木蘭慢生闊葉樹組3312.163.56143325.954.28櫟類、樟類、榆類、檀類竹木組8071.258.69——毛竹、雜竹經(jīng)濟(jì)林組7542.648.12——茶葉、板栗、厚樸、桑、柑桔、梨、桃、李、棗、枇杷、楊梅、油茶、杜仲、銀杏、黃柏、金銀花灌木組3960.004.26——鹽膚木、白櫟、檵木、南天竹、牡荊合計(jì)92930.59100.003350784.73100.00

圖1 不同優(yōu)勢樹種組的空間分布圖

2.2 方法

1)喬木林生物量。采用方精云等[12]提出的生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法，對湘鄉(xiāng)市的林分生物量進(jìn)行估算，其公式如下：

B=aV+b

(1)

B林=B×A

(2)

式中，B(Mg/hm2)表示單位面積生物量，V(m3/hm2)表示單位面積蓄積量，B林(Mg)表示某一森林類型的總生物量，A(hm2)表示某一森林類型的林分面積，a和b表示轉(zhuǎn)換因子系數(shù)(表2)。

2)經(jīng)濟(jì)林、竹林及灌木林生物量。

目前，國內(nèi)外研究者估算竹林、經(jīng)濟(jì)林及灌木林的生物量時大多采用平均生物量法。同時參照方精云等[13]關(guān)于竹林、經(jīng)濟(jì)林及灌木林生物量估算的研究成果。研究區(qū)湘鄉(xiāng)市位于嶺淮河以南地區(qū)，因此采用秦嶺淮河以南地區(qū)的平均生物量，具體參數(shù)為：經(jīng)濟(jì)林為23.7 t/hm2，竹林為22.5 kg/株，灌木林為19.76 t/hm2。

表2 不同林分類型生物量換算因子系數(shù)林分類型系數(shù)a/(Mg/m3)b/MgnR杉木組0.399922.5410560.95馬尾松組0.691412.6260120.92國外松組0.516833.2378150.97慢生闊葉樹組1.03578.0591170.91速生闊葉樹組1.3288-3.899931.00中生闊葉樹組0.625591.0013190.93

3)森林碳儲量。碳儲量是植物干重中碳的含量，植物的生物量需要乘以一個小于1的系數(shù)才能轉(zhuǎn)化為植物碳儲量，而這個小于1的系數(shù)一般被稱為含碳系數(shù)，含碳系數(shù)為林木每克干質(zhì)量的碳含量。本研究采用目前國際上常用的、不分樹種的含碳系數(shù)(0.5)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式：C=B×0.5。式中，C(t)表示碳儲量，B(t)表示與其對應(yīng)的林木生物量。

3 結(jié)果與分析

3.1 碳儲量與碳密度結(jié)構(gòu)特征分析

利用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法，計(jì)算得出湘鄉(xiāng)市基于不同齡組的不同優(yōu)勢樹種的森林碳儲量，詳見表3、表4。

表3 不同優(yōu)勢樹種組的碳儲量t優(yōu)勢樹種幼齡林中齡林近熟林成熟林過熟林合計(jì)杉木組57684.56101533.2543937.8615268.984926.92223351.58馬尾松組31182.09386637.29329823.4258598.3332367.8838608.92國外松組34054.5856683.1644030.4928333.11532.16169977.93速生闊葉樹2734.562267.99528.41042.996573.93中生闊葉樹413341.95558489.4167787.3224827.091064445.77慢生闊葉樹13025.4254373.58720.09526.25 76645.26經(jīng)濟(jì)林組 89380.28竹木組 228267.04灌木組 39124.8

表4 不同優(yōu)勢樹種組的碳密度t/hm2優(yōu)勢樹種幼齡林中齡林近熟林成熟林過熟林合計(jì)杉木組16.0021.0223.9328.3933.5520.38馬尾松組11.1522.9729.9833.5843.3825.32國外松組19.9827.5732.6836.3443.5128.81速生闊葉樹6.7323.6439.0536.79 12.08中生闊葉樹48.1058.7264.6767.31 54.53慢生闊葉樹8.7934.2737.1158.21 23.14經(jīng)濟(jì)林組 11.85竹木組 28.28灌木組 9.88

由表3可知，湘鄉(xiāng)市各優(yōu)勢樹種組碳儲量按大小排序依次為：中生闊葉樹組>馬尾松組>杉木組>竹木組>國外松組>經(jīng)濟(jì)林組>慢生闊葉樹組>灌木組>速生闊葉樹組。其中碳儲量最大的優(yōu)勢樹種組為中生闊葉樹組，占總碳儲量的38.61%；其次為馬尾松組、杉木組和竹木組，分別占30.42%，8.84%和8.28%。一般來說碳儲量與優(yōu)勢樹種的面積與蓄積量成正相關(guān)，但不同優(yōu)勢樹種的碳儲量也差別較大，湘鄉(xiāng)市面積與蓄積量最大的優(yōu)勢樹種組均為馬尾松組，其面積占全縣林地總面積的35.64%，而杉木蓄積量占全縣總蓄積量的54.83%，但這2者的碳儲量所占比重卻不如中生闊葉樹組。究其原因，一是中生闊葉樹組面積與蓄積量居全市第二；二是中生和慢生闊葉樹種生長速度較慢，但其木質(zhì)結(jié)構(gòu)緊實(shí)，木纖維較針葉樹種和速生闊葉樹種豐富，所持有的碳儲量大。

由表4可知，湘鄉(xiāng)市不同優(yōu)勢樹種組的碳密度按大小排序依次為：中生闊葉樹組>國外松組>竹木組>馬尾松組>慢生闊葉樹組>杉木組>經(jīng)濟(jì)林組>速生闊葉樹組>灌木組，碳密度最大的仍是中生闊葉樹種組。灌木組的碳密度仍為最小，這是由于其樹種特性決定的，灌木林較喬木林矮小，林分結(jié)構(gòu)單一，碳儲量明顯低于各喬木優(yōu)勢樹種。在中生闊葉優(yōu)勢樹種中木蘭的碳密度為56.23 t/hm2，山槐類的碳密度55.26 t/hm2，木荷的碳密度54.44 t/hm2，其他中生闊葉樹種也較這三者相差不大，與中生闊葉樹組的碳密度最大相符；國外松組中濕地松碳密度為32.70 t/hm2，國外松碳密度低于濕地松，為28.90 t/hm2；竹木組碳儲量估算的方法為平均生物量法，影響其碳密度的因素僅為平均面積內(nèi)雜竹和毛竹的株數(shù)，其碳密度為28.28 t/hm2，僅低于中生闊葉樹和國外松組，由此可知在湘鄉(xiāng)市竹木的長勢較好、質(zhì)量較高；馬尾松組中僅有馬尾松一種樹種，其碳密度為25.32 t/hm2；慢生闊葉樹組中榆類樹種的碳密度高達(dá)39.24 t/hm2，櫟類樹種的碳密度34.85 t/hm2，樟類樹種的碳密度29.22 t/hm2；杉木組的優(yōu)勢樹種成為杉木和柳杉，其中杉木的碳密度為21.02 t/hm2，柳杉的碳密度為18.93 t/hm2；速生闊葉優(yōu)勢樹種中各樹種的碳密度差異較大，其中鉆天楊的碳密度為26.89 t/hm2，苦楝的碳密度為31.27 t/hm2，而桉樹的碳密度僅為5.57 t/hm2，故速生闊葉樹組的平均碳密度較低；經(jīng)濟(jì)林組受經(jīng)營方式的影響其碳密度同樣較低，僅為11.85 t/hm2。

3.2 各優(yōu)勢樹種組碳儲量空間特征分析

從湘鄉(xiāng)市林地各優(yōu)勢樹種碳儲量的空間分布(圖2)可知，杉木組、國外松組、慢生闊葉樹組、竹木組、經(jīng)濟(jì)林組和灌木組小班中的碳儲量主要處于0～100 t的區(qū)間；分別占各組小班總數(shù)的92.10%，87.43%，82.87%，89.09%，93.89%和93.66%。馬尾松組小班的碳儲量主要處于0～200 t區(qū)間，占該組小班總數(shù)的94.06%，此類馬尾松組小班基本遍布湘鄉(xiāng)市林地的所有區(qū)域；中生闊葉樹組小班的碳儲量主要處于0～300 t區(qū)間，占該組小班總數(shù)的83.98%；速生闊葉樹組小班的碳儲量主要處于0～50 t區(qū)間，占該組小班總數(shù)的79.19%。

杉木組碳儲量在300～700 t的有7個小班，占該組小班總數(shù)0.12%；面積為127.58 hm2，碳儲量為3165.26 t，占該組碳儲量的1.42%，僅在白田鎮(zhèn)、翻江鎮(zhèn)、金藪鄉(xiāng)等區(qū)域零星分布。馬尾松組碳儲量在600～900 t的有8個小班，占該組小班總數(shù)的0.07%；面積167.20 hm2，碳儲量為5 713.75 t，占該組碳儲量的0.68%，僅在月山鎮(zhèn)、虞塘鎮(zhèn)、金石鎮(zhèn)等區(qū)域零星分布。國外松組碳儲量在400～600 t的有6個小班，僅占該組小班總數(shù)0.17%；面積84.92 hm2，碳儲量為2 787.80 t，占該組碳儲量的1.64%，僅在棋梓鎮(zhèn)分布。

慢生闊葉樹組碳儲量在400～600 t的有19個小班，占該組小班總數(shù)的1.51%；面積266.01 hm2，碳儲量為9 289.99 t，占該組碳儲量的12.12%，分布在虞塘鎮(zhèn)和潭市鎮(zhèn)。中生闊葉樹組碳儲量在1 200～1 500 t的有9個小班，占該組小班總數(shù)的0.13%；面積為217.94 hm2，碳儲量12 197.74 t，占該組碳儲量的1.12%，分布于栗山鎮(zhèn)、翻江鎮(zhèn)。速生闊葉樹組碳儲量在150～300 t的有9個小班，占該組小班總數(shù)的4.57%；面積75.80 hm2，碳儲量為1 907.19 t，占該組碳儲量的29.01%，零星分布于潭市鎮(zhèn)、金藪鄉(xiāng)等區(qū)域。

(a)杉木組

(b) 馬尾松組

(c)國外松組

圖2 各優(yōu)勢樹種組碳儲量的空間分布

(d) 慢生闊葉樹組

(e)中生闊葉樹組

(f)速生闊葉樹組

(g)經(jīng)濟(jì)林組

(h) 竹木組

(i)灌木組

經(jīng)濟(jì)林組碳儲量在300～400 t的有7個小班，占該組小班總數(shù)的0.23%；面積197.53 hm2，碳儲量為2 340.73 t，占該組碳儲量的2.62%，分布在翻江鎮(zhèn)、金藪鄉(xiāng)。竹木組碳儲量在400～600 t的有39個小班，占該組小班總數(shù)的0.73%；其面積581.20 hm2，碳儲量為18 063.42 t，占該組碳儲量的7.91%，在栗山鎮(zhèn)、中沙鎮(zhèn)、虞塘鎮(zhèn)等區(qū)域個別分布。灌木組碳儲量在200～340 t的有5個小班，占灌木組小班總數(shù)的0.36%；面積133.17 hm2，碳儲量為1 315.72 t，占該組碳儲量的3.36%，僅分布在育塅鄉(xiāng)境內(nèi)。

4 結(jié)論與討論

1)湘鄉(xiāng)市林地碳儲量最大的優(yōu)勢樹種組為中生闊葉樹組，占總碳儲量的38.61%；碳儲量最小的為速生闊葉樹組，僅占總碳儲量的0.24%。湘鄉(xiāng)市各優(yōu)勢樹種碳儲量按大小排序依次為：中生闊葉樹組>馬尾松組>杉木組>竹木組>國外松組>經(jīng)濟(jì)林組>慢生闊葉樹組>灌木組>速生闊葉樹組。

2)湘鄉(xiāng)市森林碳密度仍是中生闊葉樹最大，不同優(yōu)勢樹種其碳密度按大小排序依次為：中生闊葉樹組>國外松組>竹木組>馬尾松組>慢生闊葉樹組>杉木組>經(jīng)濟(jì)林組>速生闊葉樹組>灌木組。

3)除馬尾松組和中生闊葉樹組外，各優(yōu)勢樹種小班的碳儲量主要集中分布在0～100 t的區(qū)域內(nèi)，且與人類活動呈負(fù)相關(guān)。

從上述結(jié)論可以看出湘鄉(xiāng)市林地大部分小班的森林碳儲量處于較低水平，要提高林地現(xiàn)有的碳儲量和碳密度，不僅需要對以灌木林為主且林分結(jié)構(gòu)較為簡單的小班加強(qiáng)經(jīng)營，也需要有計(jì)劃的在針葉純林內(nèi)適當(dāng)補(bǔ)植木荷等中生闊葉樹種，在提高森林碳儲量的同時還能優(yōu)化林分空間結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)森林對外界干擾的抵抗能力。