长沙县森林碳储量动态变化研究

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　　摘要：以长沙县为例，采用生物量换算因子连续函数法和克里格插值法计算了2004年、2009年和2014年3期森林碳储量的空间分布和变化情况，结果表明：②2004年、2009年和2014年森林碳储量总量分别为749605.16t、1034059.15t和1426868.66t，平均森林碳储量分别为7.55t/hm2.10.42t/hm2和14.37t/hm2。2004-2009年、2009-2014年期间森林碳储量的增长值分别为284453.99t和392809.51t，增长率分别为37.95%～37.99%。②长沙县森林碳储量总体呈稳步增加趋势，但森林碳储量水平较低，受多种因素干扰的影响。③森林碳储量的空间分布特征是北部森林碳储量较大，中南部森林碳储量较小，北部总体大于南部。④森林碳储量的变化复杂，城市发展和森林经营管理对森林碳储量的变化起决定性作用。
　　关键词：森林;碳储量;动态变化;长沙县
　　随着全球气候变暖现象的出现，大气碳含量、碳交易等逐渐被世界各地所关注，森林作为陆地最大的碳库，一直是碳储量研究的热点。碳的固定主要是通过光合作用，森林植被将二氧化碳进行固定，形成多种类型的有机质，进而实现碳的循环。不同的森林类型因树种、林种、林分结构不同而具有各不相同的碳储量特征，在空间上存在相应的分布规律，因此从空间分布的角度研究碳储量，进而理解陆地碳循环过程，掌握碳储量的变化规律，对森林经营管理具有重要意义。
　　长沙是湖南省的政治、文化、经济中心，是我国“两型”城市试点地区之一，近年来长沙市发展迅速，城市范围不断扩大，长沙县作为长沙市发展的外围地区长期受城市发展的影响，森林碳储量在空间上表现出独特性。在长沙市全面创建森林城市的背景下，研究长沙县森林碳储量的变化趋势有助于了解分析长沙发展对城市周边地区森林资源的影响，为推动森林城市和生态环境建设提供科学决策依据，促进区域协调可持续发展。
　　1数据来源及处理
　　1.1研究区概况
　　长沙县位于湖南省东北部，隶属于长沙市，位于27°54’47”～28°40’ 08”N.112°56’13”～113°30’6”E，总面积1998.98km2。长沙县属长衡丘陵盆地北部，地处幕阜山、连云山与大龙山余脉的南端，株洲隆起带的北缘，境内最高海拔659m，地势由北、东、南三面逐渐向中西部倾斜，成“畚箕”形。境内有变质岩、沙砾岩、灰岩、红岩、红土、砂页岩、花岗岩7种岩层及岗地、平原、山地、丘陵、水面5类地貌，以岗地平原为主。气候为大陆.1生季风湿润气候，四季分明，寒冷期短，炎热期长。长沙县平均气温18.2%，年平均日照1510.9h，年平均风速2.0nds，最多风向为西北风。境内水源充足，年均降水量1472.9mm，年平均蒸发量1194.9mmm，有湘江水系和汨罗江水系，河网密布，植被以亚热带常绿阔叶林为主，森林覆盖率较高，为50.70%，其中人工林占多数，人工林以木材生产为主，主要树种为马尾松、杉木等速生用材林。天然林主要为公益林，分布在距离城市较偏远的地区，主要优势树种有樟、楠以及青冈等栎类。
　　1.2数据来源
　　以一类清查数据和二类调查数据为研究数据。一类清查数据为长沙县2004年、2009年和2014年的数据，二类调查数据为2014年长沙县的二类调查数据。为保证数据分析的可比性和一致性，统一用2014年二类调查数据确定行政区和森林的范围。结合一类清查数据的准确性和二类调查数据的空间特征进行长沙县森林碳储量的动态变化研究。
　　1.3研究方法
　　1.3.1森林类型归并。长沙县的森林起源多为人工林，优势树种类型较多，其中如樟树、楠木等优势树种数量相对较少，为方便统计分析，参照《湖南省二类技术规定》，根据林分的起源、优势树种、林种等属性，将优势树种进行归并，得到马尾松、杉木、慢生阔叶树、中生阔叶树、速生阔叶树、竹类和其他树种7种森林类型，其中竹林没有蓄积量，分布数量相比其他类型较少，因此不参与森林碳储量计算。
　　1.3.2森林碳储量计算。各类森林的碳储量主要根据一类清查数据的蓄积量进行计算。根据已有研究，利用因子连续函数法计算森林碳储量。首先选择合理的生物量与蓄积量换算公式，再计算森林的生物量，最后根据换算公式计算森林碳储量。生物量与碳储量的换算公式如表1。
　　对一类清查数据进行克里格差值分析，计算森林碳储量的空间预测，碳储量的计算步骤分3步：①利用克里格插值法预测出长沙县森林碳储量的空间分布;②利用自然断裂法对碳储量数值进行分级，取每级的平均值，与该级的面积的乘积即为该级的碳储量总量;③各级碳储量总量相加得研究区的碳储量总量。
　　1.3.3克里格插值法。空间变异函数是克里格插值法的核心，通过综合考虑已知点和未知点之间的空间位置和已知点的影响权重，来进行未知点属性计算的最优无偏差估计拟合预测模型的计算公式可表示为：
　　空间事物之间存在相互关系，虽然影响的程度不一样，但相互之间必然产生影响。克里格插值法可以根据已知点的碳储量预测未知点的碳储量，进而预测整个区域的森林碳储量。
　　2结果与分析
　　2.1森林碳储量空间分布及总量预测
　　计算长沙县2004年、2009年和2014年森林碳储量的空间分布，利用自然断裂法对3期预测结果进行分级，进而计算森林碳储量的总量。为保证分析的统一，取各期森林碳储量各级自然断裂点的平均值进行分级。2004年、2009年和2014年森林碳储量分别分为6类、10類和11类，分别计算各级森林碳储量的均值，进而根据森林面积计算各级碳储量，相加得到森林碳储量总量。
　　2.1.1 2004年森林碳储量的空间分布及总量预测。2004年长沙县森林碳储量分级情况见表2。第5级碳储量的面积最大，碳储量略高于森林碳储量的平均水平，第2级森林碳储量分布面积同样较大，碳储量的分布存在极化现象。长沙县碳储量普遍较低，2004年森林碳储量的总量预测值为749605.16t，平均碳储量为7.55t/hm2，远低于国家平均水平，而存在的极化现象可能与人工林经营管理有关，碳储量3、4级和2、5级上的分布面积相对稳定，这是人工林长期经营的结果。 　　2004年长沙县森林碳储量的总体分布呈现北部多、南部少的空间分布特征，碳储量累积最大的6级位于长沙县的中北部，主要为马尾松、杉木和中生阔叶树，马尾松和杉木生长迅速，碳储量积累速度快;中生阔叶树主要位于远郊生态屏障区，林分结构较为丰富，生物多样性较高，森林的固碳功能较强。森林碳储量最低的区域主要位于长沙县中南部，该区域位于长沙市区发展的扩展轴上，农用地和建设用地分布较多，森林龄组多为幼龄林和中龄林，说明森林更新频繁，人为干扰强烈。以长沙市区为中心，周边森林的碳储量随距离的增加而上升，但长沙县北部森林碳储量水平不高，该区域距离长沙市区较远，表明距离并不能决定森林碳储量的空间分布，影响碳储量的空间分布还有其他因素，如森林经营管理活动。
　　2.1.2 2009年森林碳储量的空间分布及总量预测。2009年森林碳储量分区的情况见表3。面积最大的为8级区域，其他森林碳储量分级相对较为均衡，森林碳储量表现为单极，表明2004年的森林碳储量受到不同类型的干扰，导致双极变化为单极。相比2004年，2009年的森林碳储量有了较大增加，森林碳储量的总量预测值为1034059.15t，平均碳储量为10.42t/hm2，比2004年增加了2.87t/hm2，森林生长的整体情况较为良好。
　　2009年长沙县森林碳储量的总体分布趋势与2004年一致，北部多、南部少，其中市区发展轴及周边区域森林碳储量几乎没发生变化，说明人为干扰强烈，森林生长受到严重干扰和限制。与2004年不同的是，长沙县北部森林碳储量分布较为均衡，森林碳储量普遍增加，同时出现多极现象，表明2004～2009年期间森林长势较好，碳储量累积较多。距离长沙市区和湘江沿岸较远的区域则森林碳储量较大，反之则碳储量较小。对比遥感影像，碳储量与长沙市区及湘江的空间位置存在较强的相关性，距离越近碳储量越小，主要是土地的开发利用导致的。
　　2.1.3 2014年森林碳储量的空间分布及总量预测。2014年森林碳储量分区的情况见表4。面积最大的为7级森林碳储量分布区，该级碳储量与平均碳储量相近，各区面积由7区向两侧逐渐递减，数据开始出现服从正态分布的趋势，表明森林逐渐趋于自然状态，森林资源的利用由单纯的林木采伐转向以保护为主，以发挥生态效益为主。2014年研究区森林碳储量的总量预测值为1426868.66t，平均碳储量为14.37t/hm2，相比2009年提升了3.9钱t/hm2。从2004～2014年，森林碳储量提升速度逐渐加快，可能是两方面原因产生的，一是森林资源保护卓有成效，在“两型”社会建设和森林城市建设背景下，长沙县加强了森林资源的保护，森林生长良好，从而大量固定碳;二是人工林处于快速生长时期，该阶段加强了森林的经营管理，从而累积大量营养物质，实现碳的大量固定。
　　2009～2014年长沙县森林碳储量得到了全面提升，森林碳储量累积量迅速增加，在北部和东部均出现极化现象，且市区发展轴及周边区域的森林碳储量也有明显提升，表明森林碳储量的增加主要是加强了森林资源的保护产生的。长沙县森林碳储量增加速度最快的区域为北部，北部为用材林区域，树种以马尾松和杉木为主，林木生长迅速，碳储量累积速度较快。中北部的森林碳储量先迅速增加，后增加速度相对有所下降，主要是林分开始进入近熟林，对森林进行了抚育间伐，因此在短期内森林碳储量增加速度相对减缓。综上所述，人为干扰，不管是对森林生长有益还是有害，都会影响森林碳储量的空间变化。
　　2.2森林碳储量的动态变化分析
　　2004年～2014年长沙县森林碳储量呈不同程度的增长趋势，2009年相比2004年增加284453.99t，涨幅37.95%;2014年相比2009年增加392809.515t，涨幅37.99%，2个阶段森林碳储量增加幅度相当，表明森林碳储量自2004年起受干扰较为稳定，森林碳储量呈稳步增长的过程。计算各期森林碳储量相对前一期的空间分布变化（图4、图5），同时计算研究末期相对研究初期的森林碳储量空间分布变化（图6），利用自然断裂法对碳储量空间变化进行分类，以直观表现森林碳储量的变化。
　　根据图4可知，2004～2009年森林碳储量的空间总体变化情况为北部和中北部增加最快，南部增加最慢，森林碳储量变化的分层现象明显。森林碳储量增加较快的区域主要以马尾松和杉木为主，两者均为用材林，生长迅速，森林碳储量增加速度较快。森林碳储量增加较慢的区域主要位长沙市区发展轴及周边区域，主要受城市发展建设和农业生产的影响。
　　由图5可知，2009～2014年长沙县森林碳储量空间变化主要特征为增加和减少并存，主要分布在长沙县中部和北部，增加和减少森林碳储量最大的区域相互交错，表明对森林进行了具有针对性的不同类型的经营管理措施。调查表明，期间对长沙县中北部区域的森林进行了抚育间伐以及部分采伐更新，导致森林碳储量有所降低。长沙县北部和中南部的森林碳储量稳步上升，北部森林主要是进入快速生长时期而大量积累碳储量，而中南部则是加强了森林资源的保护和生态修复，森林碳储量逐渐缓慢地增加。
　　2004～2014年长沙县森林碳储量空间变化主要特征为北部增长最为迅速，其他区域均有一定程度的增加，但增加速度较慢。北部偏远地区因为干扰较少，森林碳储量得到较大累积，中部则因为城市森林建设和区域生态修复、抚育间伐、采伐更新等产生了森林碳储量的变化。从空间上看，森林碳储量的变化有明显的分层现象，对比长沙县的地形地貌，森林碳储量的变化与地形地貌存在一定的相关性，地形起伏较大的区域森林碳储量增加较快，人为干扰相对较少，而森林碳储量增加速度较慢的区域距离长沙市区较近，受城市扩张和生态环境保护的双重影响，森林碳储量变化较为复杂。
　　总体来看，2004～2014年长沙县森林碳储量处于增加趋势，增加趋势较为平稳，表明区域森林保护及生态修复取得了一定成效，森林的固碳水平逐渐提升，为提升区域生态安全提供了巨大助力。
　　3结论与讨论
　　长沙县森林碳储量总体呈稳步增加趋势，但森林碳储量水平较低，受多种干扰的影响。2004年、2009年和2014年森林碳储量总量分别为749605.16t、1034059.15t和1426868.66t，平均森林碳储量分别为7.55t/hm2、10.42t/hm2和14.37t/hm2，相比全国平均的35～39t/hm2是较低的。2004～2009年、2009～2014年期间森林碳储量的增长值分别为284453.99t和392809.51t，增长率分别为37.95%和37.99%，但森林碳储量的变化情况有所不同，主要受市区发展扩张、农业生产、森林经营措施等多重因素干扰的共同影响。
　　森林碳储量的空间分布具有明显的地域特征，森林碳儲量总体分布趋势是：北部森林碳储量较大，中南部森林碳储量较小，北部总体大于南部，森林碳储量的变化明显分层，到市区的距离并不能决定森林碳储量的变化，森林经营管理措施同样对森林碳储量的变化影响巨大。
　　长沙县的森林碳储量变化情况较为复杂，主要反映在中北部地区。2004～2009年中部和北部森林碳储量普遍快速增加，南部增加速度较慢;2009～2014年中北部森林碳储量增加与减少并存，主要受森林经营管理的影响。2004～2014年研究区的碳储量在绝大部分区域有所增加，其中北部增加量最大，城市发展轴线及周边地区、森林采伐更新及抚育间伐地区森林碳储量相对增长较慢，城市发展和森林经营管理对森林碳储量的变化起决定性作用，可通过协调城市的发展和采取合理的森林经营管理措施调节控制森林碳储量的变化。
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