湘乡市林地森林碳储量及碳密度研究

彭 玺，张亚威

(国家林业和草原局中南调查规划设计院, 长沙 410014)

森林不仅是陆生植物发挥光合效用的主体，也是优质生态环境的守护者[1-2]，还是陆地生态系统的主要组成部分[3]。森林强大的固碳能力更使得其成为生态系统中的最大碳库[4]，是维持全球碳循环和碳平衡的基础[5-6]。随着温室效应带来的气候变暖、冰川融化等生态负面问题的加剧,森林生态系统在全球生态环境退化方面的作用和地位正日益凸显，尤其是森林生态系统在碳减排和增汇领域的技术越来越受到人们的关注[7-8]。

碳循环是以森林生态系统为主导的生物圈以及大气圈之间的重要环节,是全球变化研究方面的热点问题之一[9-10]，而碳储量和碳密度是研究森林生态系统碳循环的基础[11]。因此，笔者以湘乡市为对象，研究其林地的森林碳储量与碳密度及其空间分布特征，为湘乡市森林生态系统碳循环的后续研究做好基础工作，以期为林业部门在今后的森林资源保护和经营管理中，提供理论依据和参考借鉴。

1 研究区概况

湘乡市位于湖南省中部，112° 30' 05"E， 27° 45' 10"N，地貌以丘陵山地为主，总面积为196700 hm2，其中林业用地面积为92866.67 hm2,为典型的亚热带季风湿润气候。

2 材料与方法

2.1 数据来源

基础数据采用以西安80坐标系为基准的湘乡市2014年森林资源二类调查数据，以小班为最小单位。将湘乡市的优势树种归纳为：杉木组、马尾松组、国外松组、慢生阔叶树组、中生阔叶树组、速生阔叶树组、竹木组、经济林组、灌木林组9大组类。其中钻天杨、毛白杨、欧美杨等杨树组树种因面积过小归并入速生阔叶树组。各优势树种组成详情和空间分布见表1、图1所示。

表1 优势树种组构成与面积、蓄积统计优势树种组面积/hm2百分比/%蓄积/m3百分比/%树种组成杉木组10956.9511.79510289.1615.23杉木、柳杉马尾松组33122.9335.641837271.1554.83马尾松国外松组5899.106.35278410.778.31国外松、湿地松速生阔叶树组544.030.5918087.450.54椿树、枫香、钻天杨、毛白杨、欧美杨、苦楝、桤木中生阔叶树组19521.5321.01563400.2516.81山槐类、木荷、酸枣、木兰慢生阔叶树组3312.163.56143325.954.28栎类、樟类、榆类、檀类竹木组8071.258.69——毛竹、杂竹经济林组7542.648.12——茶叶、板栗、厚朴、桑、柑桔、梨、桃、李、枣、枇杷、杨梅、油茶、杜仲、银杏、黄柏、金银花灌木组3960.004.26——盐肤木、白栎、檵木、南天竹、牡荆合计92930.59100.003350784.73100.00

图1 不同优势树种组的空间分布图

2.2 方法

1)乔木林生物量。采用方精云等[12]提出的生物量换算因子连续函数法，对湘乡市的林分生物量进行估算，其公式如下：

B=aV+b

(1)

B林=B×A

(2)

式中，B(Mg/hm2)表示单位面积生物量，V(m3/hm2)表示单位面积蓄积量，B林(Mg)表示某一森林类型的总生物量，A(hm2)表示某一森林类型的林分面积，a和b表示转换因子系数(表2)。

2)经济林、竹林及灌木林生物量。

目前，国内外研究者估算竹林、经济林及灌木林的生物量时大多采用平均生物量法。同时参照方精云等[13]关于竹林、经济林及灌木林生物量估算的研究成果。研究区湘乡市位于岭淮河以南地区，因此采用秦岭淮河以南地区的平均生物量，具体参数为：经济林为23.7 t/hm2，竹林为22.5 kg/株，灌木林为19.76 t/hm2。

表2 不同林分类型生物量换算因子系数林分类型系数a/(Mg/m3)b/MgnR杉木组0.399922.5410560.95马尾松组0.691412.6260120.92国外松组0.516833.2378150.97慢生阔叶树组1.03578.0591170.91速生阔叶树组1.3288-3.899931.00中生阔叶树组0.625591.0013190.93

3)森林碳储量。碳储量是植物干重中碳的含量，植物的生物量需要乘以一个小于1的系数才能转化为植物碳储量，而这个小于1的系数一般被称为含碳系数，含碳系数为林木每克干质量的碳含量。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：C=B×0.5。式中，C(t)表示碳储量，B(t)表示与其对应的林木生物量。

3 结果与分析

3.1 碳储量与碳密度结构特征分析

利用生物量转换因子连续函数法，计算得出湘乡市基于不同龄组的不同优势树种的森林碳储量，详见表3、表4。

表3 不同优势树种组的碳储量t优势树种幼龄林中龄林近熟林成熟林过熟林合计杉木组57684.56101533.2543937.8615268.984926.92223351.58马尾松组31182.09386637.29329823.4258598.3332367.8838608.92国外松组34054.5856683.1644030.4928333.11532.16169977.93速生阔叶树2734.562267.99528.41042.996573.93中生阔叶树413341.95558489.4167787.3224827.091064445.77慢生阔叶树13025.4254373.58720.09526.25 76645.26经济林组 89380.28竹木组 228267.04灌木组 39124.8

表4 不同优势树种组的碳密度t/hm2优势树种幼龄林中龄林近熟林成熟林过熟林合计杉木组16.0021.0223.9328.3933.5520.38马尾松组11.1522.9729.9833.5843.3825.32国外松组19.9827.5732.6836.3443.5128.81速生阔叶树6.7323.6439.0536.79 12.08中生阔叶树48.1058.7264.6767.31 54.53慢生阔叶树8.7934.2737.1158.21 23.14经济林组 11.85竹木组 28.28灌木组 9.88

由表3可知，湘乡市各优势树种组碳储量按大小排序依次为：中生阔叶树组>马尾松组>杉木组>竹木组>国外松组>经济林组>慢生阔叶树组>灌木组>速生阔叶树组。其中碳储量最大的优势树种组为中生阔叶树组，占总碳储量的38.61%；其次为马尾松组、杉木组和竹木组，分别占30.42%，8.84%和8.28%。一般来说碳储量与优势树种的面积与蓄积量成正相关，但不同优势树种的碳储量也差别较大，湘乡市面积与蓄积量最大的优势树种组均为马尾松组，其面积占全县林地总面积的35.64%，而杉木蓄积量占全县总蓄积量的54.83%，但这2者的碳储量所占比重却不如中生阔叶树组。究其原因，一是中生阔叶树组面积与蓄积量居全市第二；二是中生和慢生阔叶树种生长速度较慢，但其木质结构紧实，木纤维较针叶树种和速生阔叶树种丰富，所持有的碳储量大。

由表4可知，湘乡市不同优势树种组的碳密度按大小排序依次为：中生阔叶树组>国外松组>竹木组>马尾松组>慢生阔叶树组>杉木组>经济林组>速生阔叶树组>灌木组，碳密度最大的仍是中生阔叶树种组。灌木组的碳密度仍为最小，这是由于其树种特性决定的，灌木林较乔木林矮小，林分结构单一，碳储量明显低于各乔木优势树种。在中生阔叶优势树种中木兰的碳密度为56.23 t/hm2，山槐类的碳密度55.26 t/hm2，木荷的碳密度54.44 t/hm2，其他中生阔叶树种也较这三者相差不大，与中生阔叶树组的碳密度最大相符；国外松组中湿地松碳密度为32.70 t/hm2，国外松碳密度低于湿地松，为28.90 t/hm2；竹木组碳储量估算的方法为平均生物量法，影响其碳密度的因素仅为平均面积内杂竹和毛竹的株数，其碳密度为28.28 t/hm2，仅低于中生阔叶树和国外松组，由此可知在湘乡市竹木的长势较好、质量较高；马尾松组中仅有马尾松一种树种，其碳密度为25.32 t/hm2；慢生阔叶树组中榆类树种的碳密度高达39.24 t/hm2，栎类树种的碳密度34.85 t/hm2，樟类树种的碳密度29.22 t/hm2；杉木组的优势树种成为杉木和柳杉，其中杉木的碳密度为21.02 t/hm2，柳杉的碳密度为18.93 t/hm2；速生阔叶优势树种中各树种的碳密度差异较大，其中钻天杨的碳密度为26.89 t/hm2，苦楝的碳密度为31.27 t/hm2，而桉树的碳密度仅为5.57 t/hm2，故速生阔叶树组的平均碳密度较低；经济林组受经营方式的影响其碳密度同样较低，仅为11.85 t/hm2。

3.2 各优势树种组碳储量空间特征分析

从湘乡市林地各优势树种碳储量的空间分布(图2)可知，杉木组、国外松组、慢生阔叶树组、竹木组、经济林组和灌木组小班中的碳储量主要处于0～100 t的区间；分别占各组小班总数的92.10%，87.43%，82.87%，89.09%，93.89%和93.66%。马尾松组小班的碳储量主要处于0～200 t区间，占该组小班总数的94.06%，此类马尾松组小班基本遍布湘乡市林地的所有区域；中生阔叶树组小班的碳储量主要处于0～300 t区间，占该组小班总数的83.98%；速生阔叶树组小班的碳储量主要处于0～50 t区间，占该组小班总数的79.19%。

杉木组碳储量在300～700 t的有7个小班，占该组小班总数0.12%；面积为127.58 hm2，碳储量为3165.26 t，占该组碳储量的1.42%，仅在白田镇、翻江镇、金薮乡等区域零星分布。马尾松组碳储量在600～900 t的有8个小班，占该组小班总数的0.07%；面积167.20 hm2，碳储量为5 713.75 t，占该组碳储量的0.68%，仅在月山镇、虞塘镇、金石镇等区域零星分布。国外松组碳储量在400～600 t的有6个小班，仅占该组小班总数0.17%；面积84.92 hm2，碳储量为2 787.80 t，占该组碳储量的1.64%，仅在棋梓镇分布。

慢生阔叶树组碳储量在400～600 t的有19个小班，占该组小班总数的1.51%；面积266.01 hm2，碳储量为9 289.99 t，占该组碳储量的12.12%，分布在虞塘镇和潭市镇。中生阔叶树组碳储量在1 200～1 500 t的有9个小班，占该组小班总数的0.13%；面积为217.94 hm2，碳储量12 197.74 t，占该组碳储量的1.12%，分布于栗山镇、翻江镇。速生阔叶树组碳储量在150～300 t的有9个小班，占该组小班总数的4.57%；面积75.80 hm2，碳储量为1 907.19 t，占该组碳储量的29.01%，零星分布于潭市镇、金薮乡等区域。

(a)杉木组

(b) 马尾松组

(c)国外松组

图2 各优势树种组碳储量的空间分布

(d) 慢生阔叶树组

(e)中生阔叶树组

(f)速生阔叶树组

(g)经济林组

(h) 竹木组

(i)灌木组

经济林组碳储量在300～400 t的有7个小班，占该组小班总数的0.23%；面积197.53 hm2，碳储量为2 340.73 t，占该组碳储量的2.62%，分布在翻江镇、金薮乡。竹木组碳储量在400～600 t的有39个小班，占该组小班总数的0.73%；其面积581.20 hm2，碳储量为18 063.42 t，占该组碳储量的7.91%，在栗山镇、中沙镇、虞塘镇等区域个别分布。灌木组碳储量在200～340 t的有5个小班，占灌木组小班总数的0.36%；面积133.17 hm2，碳储量为1 315.72 t，占该组碳储量的3.36%，仅分布在育塅乡境内。

4 结论与讨论

1)湘乡市林地碳储量最大的优势树种组为中生阔叶树组，占总碳储量的38.61%；碳储量最小的为速生阔叶树组，仅占总碳储量的0.24%。湘乡市各优势树种碳储量按大小排序依次为：中生阔叶树组>马尾松组>杉木组>竹木组>国外松组>经济林组>慢生阔叶树组>灌木组>速生阔叶树组。

2)湘乡市森林碳密度仍是中生阔叶树最大，不同优势树种其碳密度按大小排序依次为：中生阔叶树组>国外松组>竹木组>马尾松组>慢生阔叶树组>杉木组>经济林组>速生阔叶树组>灌木组。

3)除马尾松组和中生阔叶树组外，各优势树种小班的碳储量主要集中分布在0～100 t的区域内，且与人类活动呈负相关。

从上述结论可以看出湘乡市林地大部分小班的森林碳储量处于较低水平，要提高林地现有的碳储量和碳密度，不仅需要对以灌木林为主且林分结构较为简单的小班加强经营，也需要有计划的在针叶纯林内适当补植木荷等中生阔叶树种，在提高森林碳储量的同时还能优化林分空间结构，加强森林对外界干扰的抵抗能力。