長沙縣森林碳儲量動態(tài)變化研究

陸禹 羅改改 李龍 吳疆

摘要：以長沙縣為例，采用生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法和克里格插值法計算了2004年、2009年和2014年3期森林碳儲量的空間分布和變化情況，結(jié)果表明：②2004年、2009年和2014年森林碳儲量總量分別為749605.16t、1034059.15t和1426868.66t，平均森林碳儲量分別為7.55t/hm2.10.42t/hm2和14.37t/hm2。2004-2009年、2009-2014年期間森林碳儲量的增長值分別為284453.99t和392809.51t，增長率分別為37.95%～37.99%。②長沙縣森林碳儲量總體呈穩(wěn)步增加趨勢，但森林碳儲量水平較低，受多種因素干擾的影響。③森林碳儲量的空間分布特征是北部森林碳儲量較大，中南部森林碳儲量較小，北部總體大于南部。④森林碳儲量的變化復(fù)雜，城市發(fā)展和森林經(jīng)營管理對森林碳儲量的變化起決定性作用。

關(guān)鍵詞：森林;碳儲量;動態(tài)變化;長沙縣

隨著全球氣候變暖現(xiàn)象的出現(xiàn)，大氣碳含量、碳交易等逐漸被世界各地所關(guān)注，森林作為陸地最大的碳庫，一直是碳儲量研究的熱點(diǎn)。碳的固定主要是通過光合作用，森林植被將二氧化碳進(jìn)行固定，形成多種類型的有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而實現(xiàn)碳的循環(huán)。不同的森林類型因樹種、林種、林分結(jié)構(gòu)不同而具有各不相同的碳儲量特征，在空間上存在相應(yīng)的分布規(guī)律，因此從空間分布的角度研究碳儲量，進(jìn)而理解陸地碳循環(huán)過程，掌握碳儲量的變化規(guī)律，對森林經(jīng)營管理具有重要意義。

長沙是湖南省的政治、文化、經(jīng)濟(jì)中心，是我國“兩型”城市試點(diǎn)地區(qū)之一，近年來長沙市發(fā)展迅速，城市范圍不斷擴(kuò)大，長沙縣作為長沙市發(fā)展的外圍地區(qū)長期受城市發(fā)展的影響，森林碳儲量在空間上表現(xiàn)出獨(dú)特性。在長沙市全面創(chuàng)建森林城市的背景下，研究長沙縣森林碳儲量的變化趨勢有助于了解分析長沙發(fā)展對城市周邊地區(qū)森林資源的影響，為推動森林城市和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)決策依據(jù)，促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

1數(shù)據(jù)來源及處理

1.1研究區(qū)概況

長沙縣位于湖南省東北部，隸屬于長沙市，位于27°5447”～28°40 08”N.112°5613”～113°306”E，總面積1998.98km2。長沙縣屬長衡丘陵盆地北部，地處幕阜山、連云山與大龍山余脈的南端，株洲隆起帶的北緣，境內(nèi)最高海拔659m，地勢由北、東、南三面逐漸向中西部傾斜，成“畚箕”形。境內(nèi)有變質(zhì)巖、沙礫巖、灰?guī)r、紅巖、紅土、砂頁巖、花崗巖7種巖層及崗地、平原、山地、丘陵、水面5類地貌，以崗地平原為主。氣候為大陸.1生季風(fēng)濕潤氣候，四季分明，寒冷期短，炎熱期長。長沙縣平均氣溫18.2%，年平均日照1510.9h，年平均風(fēng)速2.0nds，最多風(fēng)向為西北風(fēng)。境內(nèi)水源充足，年均降水量1472.9mm，年平均蒸發(fā)量1194.9mmm，有湘江水系和汨羅江水系，河網(wǎng)密布，植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，森林覆蓋率較高，為50.70%，其中人工林占多數(shù)，人工林以木材生產(chǎn)為主，主要樹種為馬尾松、杉木等速生用材林。天然林主要為公益林，分布在距離城市較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，主要優(yōu)勢樹種有樟、楠以及青岡等櫟類。

1.2數(shù)據(jù)來源

以一類清查數(shù)據(jù)和二類調(diào)查數(shù)據(jù)為研究數(shù)據(jù)。一類清查數(shù)據(jù)為長沙縣2004年、2009年和2014年的數(shù)據(jù)，二類調(diào)查數(shù)據(jù)為2014年長沙縣的二類調(diào)查數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)分析的可比性和一致性，統(tǒng)一用2014年二類調(diào)查數(shù)據(jù)確定行政區(qū)和森林的范圍。結(jié)合一類清查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和二類調(diào)查數(shù)據(jù)的空間特征進(jìn)行長沙縣森林碳儲量的動態(tài)變化研究。

1.3研究方法

1.3.1森林類型歸并。長沙縣的森林起源多為人工林，優(yōu)勢樹種類型較多，其中如樟樹、楠木等優(yōu)勢樹種數(shù)量相對較少，為方便統(tǒng)計分析，參照《湖南省二類技術(shù)規(guī)定》，根據(jù)林分的起源、優(yōu)勢樹種、林種等屬性，將優(yōu)勢樹種進(jìn)行歸并，得到馬尾松、杉木、慢生闊葉樹、中生闊葉樹、速生闊葉樹、竹類和其他樹種7種森林類型，其中竹林沒有蓄積量，分布數(shù)量相比其他類型較少，因此不參與森林碳儲量計算。

1.3.2森林碳儲量計算。各類森林的碳儲量主要根據(jù)一類清查數(shù)據(jù)的蓄積量進(jìn)行計算。根據(jù)已有研究，利用因子連續(xù)函數(shù)法計算森林碳儲量。首先選擇合理的生物量與蓄積量換算公式，再計算森林的生物量，最后根據(jù)換算公式計算森林碳儲量。生物量與碳儲量的換算公式如表1。

對一類清查數(shù)據(jù)進(jìn)行克里格差值分析，計算森林碳儲量的空間預(yù)測，碳儲量的計算步驟分3步：①利用克里格插值法預(yù)測出長沙縣森林碳儲量的空間分布;②利用自然斷裂法對碳儲量數(shù)值進(jìn)行分級，取每級的平均值，與該級的面積的乘積即為該級的碳儲量總量;③各級碳儲量總量相加得研究區(qū)的碳儲量總量。

1.3.3克里格插值法。空間變異函數(shù)是克里格插值法的核心，通過綜合考慮已知點(diǎn)和未知點(diǎn)之間的空間位置和已知點(diǎn)的影響權(quán)重，來進(jìn)行未知點(diǎn)屬性計算的最優(yōu)無偏差估計擬合預(yù)測模型的計算公式可表示為：

空間事物之間存在相互關(guān)系，雖然影響的程度不一樣，但相互之間必然產(chǎn)生影響。克里格插值法可以根據(jù)已知點(diǎn)的碳儲量預(yù)測未知點(diǎn)的碳儲量，進(jìn)而預(yù)測整個區(qū)域的森林碳儲量。

2結(jié)果與分析

2.1森林碳儲量空間分布及總量預(yù)測

計算長沙縣2004年、2009年和2014年森林碳儲量的空間分布，利用自然斷裂法對3期預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分級，進(jìn)而計算森林碳儲量的總量。為保證分析的統(tǒng)一，取各期森林碳儲量各級自然斷裂點(diǎn)的平均值進(jìn)行分級。2004年、2009年和2014年森林碳儲量分別分為6類、10類和11類，分別計算各級森林碳儲量的均值，進(jìn)而根據(jù)森林面積計算各級碳儲量，相加得到森林碳儲量總量。

2.1.1 2004年森林碳儲量的空間分布及總量預(yù)測。2004年長沙縣森林碳儲量分級情況見表2。第5級碳儲量的面積最大，碳儲量略高于森林碳儲量的平均水平，第2級森林碳儲量分布面積同樣較大，碳儲量的分布存在極化現(xiàn)象。長沙縣碳儲量普遍較低，2004年森林碳儲量的總量預(yù)測值為749605.16t，平均碳儲量為7.55t/hm2，遠(yuǎn)低于國家平均水平，而存在的極化現(xiàn)象可能與人工林經(jīng)營管理有關(guān)，碳儲量3、4級和2、5級上的分布面積相對穩(wěn)定，這是人工林長期經(jīng)營的結(jié)果。

2004年長沙縣森林碳儲量的總體分布呈現(xiàn)北部多、南部少的空間分布特征，碳儲量累積最大的6級位于長沙縣的中北部，主要為馬尾松、杉木和中生闊葉樹，馬尾松和杉木生長迅速，碳儲量積累速度快;中生闊葉樹主要位于遠(yuǎn)郊生態(tài)屏障區(qū)，林分結(jié)構(gòu)較為豐富，生物多樣性較高，森林的固碳功能較強(qiáng)。森林碳儲量最低的區(qū)域主要位于長沙縣中南部，該區(qū)域位于長沙市區(qū)發(fā)展的擴(kuò)展軸上，農(nóng)用地和建設(shè)用地分布較多，森林齡組多為幼齡林和中齡林，說明森林更新頻繁，人為干擾強(qiáng)烈。以長沙市區(qū)為中心，周邊森林的碳儲量隨距離的增加而上升，但長沙縣北部森林碳儲量水平不高，該區(qū)域距離長沙市區(qū)較遠(yuǎn)，表明距離并不能決定森林碳儲量的空間分布，影響碳儲量的空間分布還有其他因素，如森林經(jīng)營管理活動。

2.1.2 2009年森林碳儲量的空間分布及總量預(yù)測。2009年森林碳儲量分區(qū)的情況見表3。面積最大的為8級區(qū)域，其他森林碳儲量分級相對較為均衡，森林碳儲量表現(xiàn)為單極，表明2004年的森林碳儲量受到不同類型的干擾，導(dǎo)致雙極變化為單極。相比2004年，2009年的森林碳儲量有了較大增加，森林碳儲量的總量預(yù)測值為1034059.15t，平均碳儲量為10.42t/hm2，比2004年增加了2.87t/hm2，森林生長的整體情況較為良好。

2009年長沙縣森林碳儲量的總體分布趨勢與2004年一致，北部多、南部少，其中市區(qū)發(fā)展軸及周邊區(qū)域森林碳儲量幾乎沒發(fā)生變化，說明人為干擾強(qiáng)烈，森林生長受到嚴(yán)重干擾和限制。與2004年不同的是，長沙縣北部森林碳儲量分布較為均衡，森林碳儲量普遍增加，同時出現(xiàn)多極現(xiàn)象，表明2004～2009年期間森林長勢較好，碳儲量累積較多。距離長沙市區(qū)和湘江沿岸較遠(yuǎn)的區(qū)域則森林碳儲量較大，反之則碳儲量較小。對比遙感影像，碳儲量與長沙市區(qū)及湘江的空間位置存在較強(qiáng)的相關(guān)性，距離越近碳儲量越小，主要是土地的開發(fā)利用導(dǎo)致的。

2.1.3 2014年森林碳儲量的空間分布及總量預(yù)測。2014年森林碳儲量分區(qū)的情況見表4。面積最大的為7級森林碳儲量分布區(qū)，該級碳儲量與平均碳儲量相近，各區(qū)面積由7區(qū)向兩側(cè)逐漸遞減，數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)服從正態(tài)分布的趨勢，表明森林逐漸趨于自然狀態(tài)，森林資源的利用由單純的林木采伐轉(zhuǎn)向以保護(hù)為主，以發(fā)揮生態(tài)效益為主。2014年研究區(qū)森林碳儲量的總量預(yù)測值為1426868.66t，平均碳儲量為14.37t/hm2，相比2009年提升了3.9錢t/hm2。從2004～2014年，森林碳儲量提升速度逐漸加快，可能是兩方面原因產(chǎn)生的，一是森林資源保護(hù)卓有成效，在“兩型”社會建設(shè)和森林城市建設(shè)背景下，長沙縣加強(qiáng)了森林資源的保護(hù)，森林生長良好，從而大量固定碳;二是人工林處于快速生長時期，該階段加強(qiáng)了森林的經(jīng)營管理，從而累積大量營養(yǎng)物質(zhì)，實現(xiàn)碳的大量固定。

2009～2014年長沙縣森林碳儲量得到了全面提升，森林碳儲量累積量迅速增加，在北部和東部均出現(xiàn)極化現(xiàn)象，且市區(qū)發(fā)展軸及周邊區(qū)域的森林碳儲量也有明顯提升，表明森林碳儲量的增加主要是加強(qiáng)了森林資源的保護(hù)產(chǎn)生的。長沙縣森林碳儲量增加速度最快的區(qū)域為北部，北部為用材林區(qū)域，樹種以馬尾松和杉木為主，林木生長迅速，碳儲量累積速度較快。中北部的森林碳儲量先迅速增加，后增加速度相對有所下降，主要是林分開始進(jìn)入近熟林，對森林進(jìn)行了撫育間伐，因此在短期內(nèi)森林碳儲量增加速度相對減緩。綜上所述，人為干擾，不管是對森林生長有益還是有害，都會影響森林碳儲量的空間變化。

2.2森林碳儲量的動態(tài)變化分析

2004年～2014年長沙縣森林碳儲量呈不同程度的增長趨勢，2009年相比2004年增加284453.99t，漲幅37.95%;2014年相比2009年增加392809.515t，漲幅37.99%，2個階段森林碳儲量增加幅度相當(dāng)，表明森林碳儲量自2004年起受干擾較為穩(wěn)定，森林碳儲量呈穩(wěn)步增長的過程。計算各期森林碳儲量相對前一期的空間分布變化（圖4、圖5），同時計算研究末期相對研究初期的森林碳儲量空間分布變化（圖6），利用自然斷裂法對碳儲量空間變化進(jìn)行分類，以直觀表現(xiàn)森林碳儲量的變化。

根據(jù)圖4可知，2004～2009年森林碳儲量的空間總體變化情況為北部和中北部增加最快，南部增加最慢，森林碳儲量變化的分層現(xiàn)象明顯。森林碳儲量增加較快的區(qū)域主要以馬尾松和杉木為主，兩者均為用材林，生長迅速，森林碳儲量增加速度較快。森林碳儲量增加較慢的區(qū)域主要位長沙市區(qū)發(fā)展軸及周邊區(qū)域，主要受城市發(fā)展建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

由圖5可知，2009～2014年長沙縣森林碳儲量空間變化主要特征為增加和減少并存，主要分布在長沙縣中部和北部，增加和減少森林碳儲量最大的區(qū)域相互交錯，表明對森林進(jìn)行了具有針對性的不同類型的經(jīng)營管理措施。調(diào)查表明，期間對長沙縣中北部區(qū)域的森林進(jìn)行了撫育間伐以及部分采伐更新，導(dǎo)致森林碳儲量有所降低。長沙縣北部和中南部的森林碳儲量穩(wěn)步上升，北部森林主要是進(jìn)入快速生長時期而大量積累碳儲量，而中南部則是加強(qiáng)了森林資源的保護(hù)和生態(tài)修復(fù)，森林碳儲量逐漸緩慢地增加。

2004～2014年長沙縣森林碳儲量空間變化主要特征為北部增長最為迅速，其他區(qū)域均有一定程度的增加，但增加速度較慢。北部偏遠(yuǎn)地區(qū)因為干擾較少，森林碳儲量得到較大累積，中部則因為城市森林建設(shè)和區(qū)域生態(tài)修復(fù)、撫育間伐、采伐更新等產(chǎn)生了森林碳儲量的變化。從空間上看，森林碳儲量的變化有明顯的分層現(xiàn)象，對比長沙縣的地形地貌，森林碳儲量的變化與地形地貌存在一定的相關(guān)性，地形起伏較大的區(qū)域森林碳儲量增加較快，人為干擾相對較少，而森林碳儲量增加速度較慢的區(qū)域距離長沙市區(qū)較近，受城市擴(kuò)張和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的雙重影響，森林碳儲量變化較為復(fù)雜。

總體來看，2004～2014年長沙縣森林碳儲量處于增加趨勢，增加趨勢較為平穩(wěn)，表明區(qū)域森林保護(hù)及生態(tài)修復(fù)取得了一定成效，森林的固碳水平逐漸提升，為提升區(qū)域生態(tài)安全提供了巨大助力。

3結(jié)論與討論

長沙縣森林碳儲量總體呈穩(wěn)步增加趨勢，但森林碳儲量水平較低，受多種干擾的影響。2004年、2009年和2014年森林碳儲量總量分別為749605.16t、1034059.15t和1426868.66t，平均森林碳儲量分別為7.55t/hm2、10.42t/hm2和14.37t/hm2，相比全國平均的35～39t/hm2是較低的。2004～2009年、2009～2014年期間森林碳儲量的增長值分別為284453.99t和392809.51t，增長率分別為37.95%和37.99%，但森林碳儲量的變化情況有所不同，主要受市區(qū)發(fā)展擴(kuò)張、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、森林經(jīng)營措施等多重因素干擾的共同影響。

森林碳儲量的空間分布具有明顯的地域特征，森林碳儲量總體分布趨勢是：北部森林碳儲量較大，中南部森林碳儲量較小，北部總體大于南部，森林碳儲量的變化明顯分層，到市區(qū)的距離并不能決定森林碳儲量的變化，森林經(jīng)營管理措施同樣對森林碳儲量的變化影響巨大。

長沙縣的森林碳儲量變化情況較為復(fù)雜，主要反映在中北部地區(qū)。2004～2009年中部和北部森林碳儲量普遍快速增加，南部增加速度較慢;2009～2014年中北部森林碳儲量增加與減少并存，主要受森林經(jīng)營管理的影響。2004～2014年研究區(qū)的碳儲量在絕大部分區(qū)域有所增加，其中北部增加量最大，城市發(fā)展軸線及周邊地區(qū)、森林采伐更新及撫育間伐地區(qū)森林碳儲量相對增長較慢，城市發(fā)展和森林經(jīng)營管理對森林碳儲量的變化起決定性作用，可通過協(xié)調(diào)城市的發(fā)展和采取合理的森林經(jīng)營管理措施調(diào)節(jié)控制森林碳儲量的變化。