基于林業清查資料的桂西北植被碳空間分布及其變化特征

張明陽，羅為檢，劉會玉，章春華，岳躍民，王克林，*

(1.中國科學院亞熱帶農業生態研究所亞熱帶農業生態過程重點實驗室，長沙 410125;2.國家林業局中南林業調查規劃設計院，長沙 410014;3.南京師范大學地理科學學院，南京 210046;4.中國科學院環江喀斯特生態系統觀測研究站，環江 547100)

植被碳儲量是估算陸地生態系統與大氣間溫室氣體CO2交換量的關鍵因子，并成為多個重大科學計劃的研究主題［1］。喀斯特生態系統是陸地生態系統中的重要組成部分［2］，具有活躍的CO2-H2O-CaCO3系統生物/化學過程，在溫室氣體源匯關系效應中，既可能是匯，又可能是源，在全球碳循環中發揮著重要的作用［3］。我國西南喀斯特區土層淺薄、土壤總量少，植被碳占碳庫的比重遠遠高于其它類型區，植被碳儲蓄的時空變異特征成為喀斯特區域碳循環研究中迫切需要解決的科學問題。20世紀90年代以來，隨著國家八七扶貧計劃及西部大開發戰略的實施，實施了退耕還林(還草)、封山育林、生態移民等治理措施。到2010年1月廣西已投入石漠化治理資金超過5億元，封山育林、人工造林、加強管護、建沼氣池、砌墻保土、生態扶貧、異地搬遷、加工增收被作為綜合治理的8條基本經驗全面推廣［4］。隨著石漠化綜合治理試點工程的啟動，研究喀斯特區植被的固碳效應對評價石漠化綜合治理工程的效益具有重要的科學意義。我國不少學者對西南喀斯特區的碳循環進行了相關研究［5-8］，但一般集中于土壤有機碳的探討，且幾乎都是生態系統尺度的微觀研究，區域尺度的研究還剛剛開始，任道重遠。因此，探討喀斯特區域植被碳儲蓄，揭示典型喀斯特區域植被碳儲蓄的時空分異特征，不僅能為喀斯特石漠化綜合治理工程的效益評價提供科學參考，而且能為準確估算喀斯特區域碳儲量與減緩我國環境外交談判中來自碳排放方面的壓力提供基礎數據與科學依據。本文以進行了大規模生態環境移民的桂西北區(河池、百色共23個縣市)為研究區域，基于2005—2010年林業清查資料，結合相關文獻、統計數據和基礎地理數據，從碳儲量和密度的空間分布和年際變化的角度，對植被碳儲量及密度進行估算，旨在揭示桂西北植被碳庫大小以及在空間上的分布差異，為明確生態移民等石漠化治理措施效果和喀斯特生態系統碳循環研究提供數據支持和參考。

1 研究區概況

桂西北地處廣西西北邊陲、云貴高原南麓，介于104°29'—109°09'E，23°41'—25°37'N 之間(地理位置見圖1)。總面積約為6.94萬km2，包括廣西河池市11個縣(市)和百色市12個縣市。屬于中亞熱帶南緣季風氣候，年平均氣溫在19.5℃，年均降水在1000mm，時空分布不均。以山地、峰叢洼地為主，山區面積比例大(百色和河池分別為30%和59%)。海拔從2000多米降至100多米，呈西北向東南降低的空間分布，由西向東的地貌類型主要分為中山、低山和峰叢洼地。成土母巖主要有石灰巖、紫色巖等。喀斯特地貌廣為發育，是全國18個貧困地區之一，有19個國家級重點扶持貧困縣(百色10個，河池9個)。

2 數據與方法

2.1 資料來源

主要數據是2005—2010年林業清查數據(來源于中南林業勘測設計院)，具體做法是采用系統抽樣的方法，在五萬分之一的地形圖上，按照6km×8km的網格進行機械布點，以每個網格的西南交叉點為基準點布設25.82m×25.82m的正方形固定樣地，每個樣地面積0.0667hm2。本區域共總1444個樣地，有樣地號、優勢樹種、胸徑、林分蓄積等60多項因子。公益林等相關林業數據來源于廣西林業廳。

圖1 研究區域地理位置Fig．1 Location in the study area

2.2 研究方法

2.2.1 生物量

(1)喬木林生物量。基于森林資源清查資料的生物量估算方法已從材積比值法、蓄積量轉化法發展到生物量轉換因子法(BEF，也稱材積源轉換法)［9］，生物量轉換因子法是目前估測植物生物量的常用方法。蓄積量是生長的立地、氣候和年齡及其他各因素的綜合反映，在不同林分類型中二者存在著良好的回歸關系［10-11］。故采用材積源生物量法和已經建立的回歸方程［10-12］，計算喬木林的生物量。

BEF值(fBEF)隨著林齡、立地、林分密度、林分狀況不同而異，而林分蓄積量綜合反映了這些因素的變化，林分蓄積量(V)與fBEF具有如下函數關系［10］:

式中，a和b為轉換因子參數(常數)。按照BEF的定義，林分的公頃生物量(B，t/hm2)可以由公頃蓄積量(V，m3/hm2)和所對應的換算因子相乘得到，即:

因此林分生物量(W)可以用下式表示:

式中，i為優勢樹種，Ai、Vi、FBEFi分別為第i優勢樹種的林分面積、平均蓄積量和對應換算因子。

(2)非喬木林生物量。根據文獻［10-14］，疏林、灌木林和竹林生物量采用平均生物量，疏林取23.70 t/hm2，灌木林取19.79 t/hm2，竹林取22.50 t/hm2。

2.2.2 植物碳含量及其碳儲量

植物碳含量也稱含碳率，其計算方法主要有常數法［15］、直接測定法［16］、分子式推導法［14］。此次選用常值0.50作為碳含量的計數值。

植被碳儲量以植被生物量(W)乘以碳含量(Cc)推算求得植被的碳儲量(C)，其計算公式為:

植被碳密度為單位面積的植被碳儲量，即植被的碳儲量除以其總面積。此次試驗的碳儲量僅指植被的碳儲量，不包括凋落物層和土壤層的碳。

2.2.3 數據統計

采用《國家森林資源連續清查技術規定》的技術標準以及成數法、均數法［13］對數據進行均數與總量的統計與分析，保持前后期數據的連續可比性。運用ARCGIS 9.3、Microsoft Excel 2003軟件。根據樣點生物量轉化求得樣點植被碳儲量，在ARCGIS 9.3進行空間分析，得到區域各二級地類碳儲量及其變化統計情況。

3 結果與分析

3.1 區域植被碳儲量和密度及其變化

研究區域從2005年到2010年，呈現碳匯變化趨勢，植被碳密度從29.04t/hm2增加到29.57 t/hm2(表1)，相應地，植被碳儲量由4.19×104t增加到4.27×104t，增幅為1.84%。與全國植被碳密度38.05t/hm2［17］相比，研究區域植被碳密度偏低。與其它學者的研究結果相比，研究區域植被碳密度低于福建省(32.85 t/hm2)［18］和海南省(32.59 t/hm2)［19］，高于北部的湖南省(18.53 t/hm2)［20］和四川省(18.47t/hm2)［21］，與江西省(25.38t/hm2)［11］森林植被碳密度值較為接近。

表1 研究區域2005—2010年植被碳儲量和密度及其變化Table 1 Vegetation carbon storage and density and its change in the study area in 2005 and 2010

各地類植被碳密度，2005年和2010年都是喬木林地的碳密度最大(分別37.16 t/hm2和37.21 t/hm2)，其次為竹林地(分別為29.35 t/hm2和28.52 t/hm2)，植被碳密度少的是建設用地、城鎮居民用地，幾乎都沒超過25 t/hm2。各地類植被碳儲量，2005年和2010年碳儲量最大的依然是喬木林地(分別為1.81×104t和2.03×104t)，分別占各自年份總植被碳儲量的43.26%和47.59%。

由于樣地是固定樣地，樣地數量變化在一定程度上可以表明區域植被轉換狀況。在2005年到2010年期間，喬木林和特灌林增加不少(分別為58個和17個)，宜林荒山地、未利用地、耕地等減少最多(表1)。至2010年6月底，廣西已完成工程建設902666.70 hm2，其中退耕還林232666.70 hm2，荒山荒地造林581333.3 hm2，封山育林88666.67 hm2①廣西退耕還林工作情況匯報.自治區退耕還林工作領導小組辦公室.2010.11.。喬木林地和特灌林地增加、荒山地和未利用地及耕地的大量減少，說明區域植被覆蓋條件趨于好轉，退耕還林生態環境治理措施效果明顯。

植被的密度與其年齡密切相關。2005年不同齡組的碳密度依次為:成熟林＞中齡林＞過熟林＞近熟林＞幼齡林(表2)，2010年不同齡組的碳密度依次為:成熟林＞近熟林＞中齡林＞過熟林＞幼齡林 (表2)。碳密度高的主要集中在成熟林、中齡林和近熟林，其中成熟林在2005年和2010年的碳密度分別為66.06 t/hm2和61.66 t/hm2，而幼齡林的碳密度相對最低(2005年和2010年分別為29.79和30.56t/hm2)。從植被碳密度在2005—2010年期間的變化來看，近成熟林的碳密度上升明顯，達10.12t/hm2，同時幼齡林和非林地的碳密度也有少量增加;而過熟林、成熟林和中熟林的碳密度減少明顯(表2)。由于樣地是固定樣地，從樣地的數量變化，在一定程度上可以表明區域植被覆蓋林組轉換狀況。在2005—2010年期間，中齡林和幼齡林增加明顯(分別29個和22個)，相應地，非林地大量減少(減少64個)，在一定程度上表明研究區域植被覆蓋條件好轉，退耕還林和植樹造林等生態建設效果明顯。

表2 林分各齡組的植被碳密度及其變化Table 2 Vegetation carbon density and its change of vegetation types by age group

研究區域各起源植被碳密度，從總體情況來講，純天然林和植苗的人工林碳密度大(表3)，均超過30t/hm2。不管是天然的萌生還是人工的萌生，植被碳密度均相對較小，在2005年分別是27.16 t/hm2和27.89 t/hm2，在2010年分別為26.55 t/hm2和32.28 t/hm2。人工林中直播的碳密度最小，在2005年和2010年分別僅為25.89 t/hm2和25.94 t/hm2。從各起源的植被碳密度變化來看，從2005年到2010年，人工的植苗、直播、飛播和萌生方式都是增加的，尤其是飛播和萌生方式增加明顯(分別為4.01 t/hm2和4.39t/hm2)。天然林中除了純天然的有所增加外(0.35 t/hm2)，天然中的人工促進和萌生兩種方式都呈下降的變化趨勢。這在很大程度上表明，人工造林措施在區域的植被影響較大，而且是正面影響。應該繼續目前的人工造林措施，從而保證區域植被狀況好轉，使得區域植被碳儲量增加和碳匯增強。

表3 林分各起源的植被碳密度及其變化Table 3 Vegetation carbon density and its change of vegetation types of different origins

2.2 石漠化治理措施下植被碳密度及其變化

從不同工程類別區的植被碳密度來看(圖2)，省級和國家級自然保護區的植被碳密度最大，均超過40 t/hm2;而珠江防護林退耕還林工程、其它林業工程的植被碳密度都相對較低，絕大多數為20多t/hm2(2005年珠江防護林25.13 t/hm2，退耕還林工程24.68 t/hm2，其它林業工程27.27 t/hm2;2010年珠江防護林30.77 t/hm2，退耕還林27.68 t/hm2，其它林業工程35.05 t/hm2)。不同工程類別植被碳密度變化，除了省級自然保護區的植被碳密度輕微減少外(減少0.37 t/hm2)，其他工程類別的植被碳密度均呈明顯增長變化趨勢，其中退耕還林工程的植被碳密度增加3.00 t/hm2，珠江防護林的植被碳密度增加5.64 t/hm2。截至2011年3月20日，廣西石漠化綜合治理完成封山育林71100hm2，人工造林2040 hm2，其中2010年度完成封山育林30160 hm2，完成人工造林780 hm2①廣西石漠化綜合治理工程林業建設工作匯報.廣西壯族自治區林業廳.2011年3月28日。這在很大程度上表明，通過實施退耕還林、封山育林、生態移民等措施，西南喀斯特地區退化生態系統的恢復重建取得了成效。

從不同類型林種的植被碳密度看(圖3)，水源涵養林和國防特種用途林的植被碳密度相對較高，均超過30 t/hm2(2005年水源涵養林36.49 t/hm2，國防特種用途林34.73 t/hm2;2010年水源涵養林38.65 t/hm2，國防特種用途林36.22 t/hm2)。從變化來看，所有林種的植被碳密度都呈不同程度的增長變化趨勢，其中尤其是用材林、水源涵養林和國防特種用途林，分別增加7.79、2.15 t/hm2和1.50 t/hm2。

圖2 不同工程類別區的植被碳密度(t/hm2)Fig．2 Vegetation carbon density of different types of construction

圖3 不同類型林種的植被碳密度(t/hm2)Fig．3 Vegetation carbon density of different types of vegetation species

從各石漠化分級強度區植被碳密度來看(圖4)，除了潛在石漠化分級區碳密度超過27t/hm2外，其它的輕度、中度、強度和中度石漠化分級區碳密度都25t/hm2左右，其中重度石漠化區植被碳密度最低(24.38 t/hm2)，這應該與重度石漠化區的低植被覆蓋度相關。從變化來看，中度與強度石漠化區植被碳密度增加，重度石漠化區植被碳密度幾乎不變，而潛在和輕度石漠化區植被碳密度減少，這一定程度上說明在中度和強度石漠化區由于石漠化治理措施的實施生態環境好轉，重度石漠化區由于植被破壞嚴重難以在短期內恢復而生態環境難以好轉。同時，從喀斯特區與非喀斯特區植被碳密度可以看出(圖5)，非喀斯特區植被碳密度明顯高于喀斯特區(2005年非喀斯特區31.80 t/hm2，喀斯特區26.49 t/hm2;2010年非喀斯特區32.49 t/hm2，喀斯特區26.90 t/hm2)，從2005年到2010年，無論非喀斯特區還是喀斯特區植被碳密度都處于增長變化趨勢，與前期分析區域生態環境好轉的結果一致［24-25］。

圖4 各石漠化分級強度區植被碳密度Fig．4 Vegetation carbon density of different grade of karst rocky desertification

圖5 喀斯特區與非喀斯特區植被碳密度Fig．5 Vegetation carbon density in karst areas and non-karst areas

2.3 植被碳密度空間分布及其變化

植被碳密度空間分布上，大致表現為西部高、中東部低，北部高、南部低(圖6，表4)。西部區不少樣點的植被碳密度超過40 t/hm2，而中東部區大量樣點的植被碳密度低于25 t/hm2。西部各行政區的植被碳密度主要集中在26—36 t/hm2，中東部各行政區的植被碳密度集中在25—30 t/hm2。這種分布趨勢，與植被凈第一性生產力和植被覆蓋度的空間分布相近(2005年，西部植被覆蓋度均值超過60%，凈第一性生產力(NPP)均值超過1000g/m2;中部地區植被覆蓋率均值約40%，NPP約500g/m2;北部和東部部分區域植被覆蓋率小于30%，NPP部分區域平均值在100g/m2以下)［24-25］。廣西石漠化土地2333333.30hm2，石漠化面積居全國第三位，在10個市76縣(市、區)均有分布［26］。主要分布于廣西桂中偏西和桂西南地區，如位于桂中偏西的平果、大化、都安、馬山、巴馬、東蘭、鳳山縣，位于桂西南的德保、田東縣［26］，而這些縣主要就是分布在本研究區域的中東部和南部區域。

圖6 研究區域2005年和2010年樣點植被碳密度分布情況Fig．6 Distributions of vegetation carbon density of samples in the study area in 2005 and 2010

從2005年到2010年植被碳密度變化在空間分布上，表現為絕大部分區域增加(圖7，表4)。從各行政區植被碳密度的絕對數變化來看，在23個行政區中僅有5個行政區有下降(西林、百色、宜州、羅城、田東)，除了西林下降幅度比較大之外(下降2.63 t/hm2)，其它4個行政區均輕微下降。相應地，表現在各行政區的植被碳密度等級分布空間圖上(圖7)，有16個行政區的植被碳密度維持在原有分級水平，有7個行政區有不同程度的升級，其中隆林、那坡、平果、東蘭、樂業、天峨、環江都由各自原屬等級上升為上一個植被碳密度等級(隆林、平果和東蘭由25—28 t/hm2等級提升為28—30 t/hm2等級，那坡由28—30 t/hm2等級提升為30—35 t/hm2等級，樂業和天峨由30—35 t/hm2等級提升為＞35 t/hm2等級，環江由28—30 t/hm2等級提升為30—35 t/hm2等級)。據林業廳2009年廣西公益林統計，隆林18893.33 hm2水源涵養林，樂業2920 hm2水源涵養林和960 hm2水土保持林，天峨1493.333 hm2水源涵養林和380 hm2水土保持林，環江5060 hm2水土保持林。

圖7 研究區域各縣市植被碳密度分布Fig．7 Distributions of vegetation carbon density of different counties in the study area

表4 研究區域各縣市2005—2010年植被碳密度及其變化Table 4 Vegetation carbon density and its change of different counties in the study area in 2005 and 2010

據2005年開展的石漠化監測調查結果，平果縣石山區面積156486.70 hm2，其中石漠化地83366.67 hm2，潛在石漠化地14860 hm2，通過努力，平果縣生態環境有了較大改觀，全縣植樹造林和封山育林45333.33 hm2，其中完成營造任豆樹14666.67 hm2、竹子7466.667 hm2，封山育林23793.33 hm2［4］。很大程度說明在這些行政區植被碳密度增加較多，植被覆蓋好轉較大，人工調控措施發生了一定的作用。研究結果表明研究區域生態環境治理措施效果顯著，區域生態環境好轉。前期研究結果顯示:在20世紀90年代，尤其是在1993—2002年，廣西進行了大規模的生態環境移民(約49133戶和232705人)，區域生態環境好轉，地處典型喀斯特區、石漠化顯著的平果和東蘭，單位面積生態服務功能顯著增加［24-25］。

研究區域植被碳密度隨平原-丘陵-低山-中山地貌植被碳密度逐漸遞增(圖8)。在中山區最高，超過30 t/hm2，在平原區最低，僅為25 t/hm2。2005年到2010年，植被碳密度在各地貌類型區的變化，除了平原區有輕微下降外，其它各個地貌類型區均有不同程度的增加。研究區域植被碳密度隨坡位分布與隨地貌分布的趨勢相似，也是高海拔的脊、上、中坡位植被碳密度高，而下坡、谷和平地的植被碳密度低(圖8)。這是低的部位(坡腳)人口密度大，擾動多。從2005年到2010年其植被碳密度的變化，是脊部和平地區有輕微下降，其它坡位區均呈不同程度的上升。這種空間分布及其變化趨勢，應該與區域的地表覆蓋狀況相關，區域屬于典型的典型喀斯特區域，建設用地與人類活動主要在峰叢洼地、低海拔平原區，而自然生態系統以及植被覆蓋較好的區域在人類活動干擾較少的高海拔區。

圖8 研究區域不同地形條件下的植被碳密度Fig．8 Vegetation carbon density of different terrain condition in the study area

4 小結

本文以林業清查資料為主要數據源，結合基礎數據和統計數據，采用生物量轉換因子法，運用3S技術估算并分析了桂西北(河池和百色市，共23個縣市)植被碳的空間分布及其變化。結果表明:

(1)研究區域從2005年到2010年呈現碳匯變化趨勢，植被碳密度從29.04t/hm2增加到29.57 t/hm2，植被碳儲量由4.19×104t增加到4.27×104t，增幅為1.84%。區域植被碳密度低于全國植被碳密度，與江西省森林植被碳密度值較為接近。

(2)從治理措施、林種起源方式及林種類型來看，自然保護區的植被碳密度最大，超過40 t/hm2。從2005年到2010年，人工植苗、直播、飛播和萌生方式植被碳密度增加，退耕還林工程的植被碳密度增加3.00 t/hm2，所有林種碳密度呈不同程度增長，無論是非喀斯特區還是喀斯特區的植被碳密度都處于增長的變化趨勢。結果表明，隨著國家西部大開發戰略的實施，退耕還林措施效果明顯。

(3)植被碳密度空間分布上，大致表現為西部高、中東部低，北部高、南部低。不少西部區的植被碳密度超過40 t/hm2，大部分中東部區植被碳密度低于25 t/hm2。隨平原-丘陵-低山-高山地貌植被碳密度逐漸遞增，高海拔的脊、上、中坡位植被碳密度高。從2005年到2010年植被碳密度變化在空間分布上表現為絕大部分區域增加，在23個行政區中有16個行政區的植被碳密度維持在原有分級水平，有7個行政區有不同程度的升級。植被碳密度的空間分布趨勢，與植被凈第一性生產力和植被覆蓋度的空間分布相近。植被碳密度變化在空間上的分布，說明研究區域植被碳密度增加，區域生態環境治理措施效果顯著，區域生態環境好轉。這與近年來研究區進行石漠化治理有很大的關系。近年來，河池市以封山植樹和保護為主要手段，較好地推進石漠化治理和和生態保護工程建設。2005年河池市有石漠化土地和潛在石漠化土地面積1576867 hm2，2008年開始，在都安、大化、鳳山、環江四縣實施石漠化綜合治理工程，平均每縣實施9000hm2綜合治理試點任務。以石漠化治理試點縣之一都安縣為例，2005年石漠化總面積為1896409.70hm2，而在2009年，石漠化土地面積遞減為333356.90hm2，并具有退耕還林工程面積5954.70hm2①都安瑤族自治縣森林資源規劃設計調查報告(2009).廣西壯族自治區林業勘測設計院，2010.12。

本文沒有考慮土壤碳庫，因此沒有估計整個森林生態系統的固碳能力，尚需進一步研究。生物量估算參照生物量轉換因子法，其不確定性也需要進一步研究。

致謝:感謝中國科學院亞熱帶農業生態研究所謝永宏研究員對寫作的幫助。

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