生态恢复条件下典型红壤侵蚀区马尾松林碳储量时空变化与驱动力分析

徐凯健，谢锦升†，曾宏达，吕茂奎，任婕， 杨玉盛

(1．福建师范大学地理科学学院， 350007，福州； 2．湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地， 350007，福州)



生态恢复条件下典型红壤侵蚀区马尾松林碳储量时空变化与驱动力分析

徐凯健1,2，谢锦升1,2†，曾宏达1,2，吕茂奎1,2，任婕1,2， 杨玉盛1,2

(1．福建师范大学地理科学学院， 350007，福州； 2．湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地， 350007，福州)

摘要：封山育林、人工造林等治理措施能够有效改善土壤侵蚀区的生态环境，但伴随产生的碳汇效益长期以来并没有得到相应的重视。文章以福建省长汀县水土保持项目治理区为研究对象，定量分析该区自2000年开展生态治理以来马尾松林碳储量的时空格局与碳增汇变化，同时借助2000—2013年政策治理数据以及社会统计资料，利用主成分分析法探讨各主要驱动因素对森林碳增汇的影响。结果表明：1)2000—2013年该治理区总碳储量由127.01万t增加到189.96万t，平均每年增长3.52%，远高于全县平均水平；当地2000、2006和2013年的马尾松林碳密度分别为27.95、32.82和41.72 t/hm2，区域碳汇能力正在不断提高。2)在空间上，该区总碳储量的增长主要表现在海拔600 m和坡度25°以下区域，总增长幅度分别达到41.6%和50.9%。马尾松林碳密度随海拔和坡度上升而明显增加，表明其碳汇能力仍具备较大恢复潜力。3)主成分分析表明，治理区马尾松林碳储量变化的主要驱动因素是政策治理、经济结构调整和农户增收，其中政策治理是该区马尾松林碳增汇能力提升的最显著因子。

关键词：红壤侵蚀区； 生态恢复； 马尾松； 碳储量动态； 驱动力； 水土保持； 政策治理

森林碳汇能够有效降低大气中CO2浓度，是调节陆地碳循环过程的主要因子，在全球碳平衡中发挥着重要的作用[1-2]。我国是世界上受生态系统退化和土壤侵蚀影响最严重的国家之一[3]，土地侵蚀与退化大多伴随着森林景观破碎、生境质量下降和大量植物碳损失。我国南方红壤丘陵区是仅次于黄土高原的水土流失退化区，封山育林、人工造林是该区水土流失治理的主要措施[4-6]。相关研究[7-10]表明，通过造林、再造林能够使生态退化区转变为高生产力的生态系统，不但可以改善区域的生态环境，还能有效缓和大气CO2浓度上升，对我国林业碳增汇贡献很大。目前，国内外对基于区域尺度侵蚀地生态恢复与重建后的碳循环的研究逐渐受到重视，然而相关研究[11-14]主要集中于土壤碳库及其相关碳组分变化等方面，对侵蚀区森林生态参数等研究较缺乏[15-17]，关于森林恢复具体碳固定的数量、区域林业工程碳增汇效应等问题仍亟待解决[18-19]。

长汀县是福建省重点治理的水土流失区。自2000年来，福建省政府把长汀水土保持生态修复工程列入为民办实事项目，规划水土流失重点治理区(包括河田镇、三洲乡、濯田镇和策武乡)，很大程度恢复了当地的生态环境[20-21]；因此，笔者以该治理区为研究对象，分析当地自2000年以来马尾松林碳储量的时空变化特征，揭示影响生态恢复碳固定的主要驱动因子，为水土流失治理区森林固碳能力恢复与生态治理建设提供基础数据和决策依据。

1研究区概况

长汀县地处福建省西南部闽赣交界区域，汀江上游，属亚热带季风气候区，年均气温17.5～18.8 ℃，年降雨总量1 613.5 mm，其中4—6月降雨量约占全年1/2。该区地质构造复杂，花岗岩分布广泛，以山地丘陵地貌为主，形成丘陵分布于盆谷周围的独特地貌，极易发生水土流失现象。长汀县自新中国成立以来，受贫困、人口压力以及生产手段单一等因素影响，植被遭到毁灭性破坏，大面积的土地退化严重，成为我国南方典型的红壤侵蚀区[22]。目前，在全县的森林资源中，天然林少、人工林多，且以马尾松(Pinusmassoniana)单一树种为主，该地区马尾松林地约占其森林总面积的82%(2012年)，生态环境脆弱，其中以河田镇、三洲乡、濯田镇和策武乡地区的水土流失情况最为严重[20]。自2000年以来，福建省政府对以上地区开展集中治理，其主要措施包括封山育林、恢复林草、治理崩岗、改造低效林和推广经济林等。同时，政府还对治理区受影响的农户制定补偿政策，包括煤炭、沼气池、经济林开发、梯田改造的补贴等。截至2013年底，当地已累积治理水土流失面积超过6万hm2，约占全区总面积的70%，马尾松林的固碳效益也得到显著提升。

2研究方法

2.1样方数据获取与碳储量计算

课题组于2010年11月对研究区内分散设立的50个马尾松林标准样地(20 m×20 m)进行实地调查，详细记录各样地内的乔木树种、胸径和树高等参数，使用Trimble Geo XH 2008分米级精度GPS设备准确记录样地中心的地理坐标。所选样地包含不同恢复程度的马尾松信息，其中林分密度为175～3 650株/hm2，林下盖度为0.4～1.0，实测单位面积蓄积量在2.91～297.76 m3/hm2之间，林龄为21～35年，主要分布于河田盆地及其周边地区。根据课题组同期利用解析木法建立的马尾松异速生长模型计算出各样地内马尾松生物量

Bs=0.029 2(D2H)+3.505，R2=0.953 7。

式中：Bs为马尾松单株生物量，t/hm2；D为马尾松胸径, cm；H为马尾松树高, m；R为相关系数。

碳储量的计算采用以生物量乘以含碳系数的方式，并以当地单株马尾松各器官重量的加权平均碳含量[23]作为含碳系数，以提高碳储量的估算精度。

Sc=0.219 6A+0.045 5B+0.088C+

0.081 5Dl+0.101 2E。

式中：Sc为单株马尾松加权平均碳储量，t/hm2；A为马尾松主干碳储量，t/hm2；B为马尾松皮碳储量，t/hm2；C为马尾松枝碳储量，t/hm2；Dl为马尾松叶碳储量，t/hm2；E为马尾松树根碳储量，t/hm2。

2.2遥感影像预处理

遥感数据采用从USGS网站(http:∥glovis.usgs.gov/)获取的2000、2006、2010年TM和2013年OLI卫星影像，无云量。影像预处理过程主要包括几何校正和辐射校正。首先以2010年TM影像为基准，通过同期GPS实地定位获取的地面控制点进行几何精校正，并依次对其他时间段的相影像采用二次多项式和最邻近象元法进行配准，使RMS误差均控制在0.35个像元内。参考国际广泛使用的日照大气综合校正模型(IACM)[24]进行辐射校正，同时使用G. Chander等[25]提出的模型算法和卫星参数将2000、2006年TM影像的DN值转换为像元在传感器处的反射率(TOA)。对OLI影像的TOA转换则采用N. Pahlevanet等[26]的方法进行。最后对生成的多时期影像统一采用伪不变地物法(PIF)进行相对辐射校正，以削弱不同时相遥感影像间的地物真实反射率差异。本文具体以2000、2006和2013年影像作为基础数据进行分析，2010年影像为辅助数据。

2.3马尾松林地信息提取与模型构建

依据长汀县林业部门提供的森林小班数据直接获取研究区2006、2010年的全部马尾松林地信息，采用基于最大似然法的分层分类法[27]分别对当地2000、2013年的马尾松林边界进行提取，同时结合野外实地调查资料和森林清查数据对结果进行验证，二者提取精度分别达到81.54%和80.97%。

植被指数是进行森林参数遥感反演的常用方法[28]。通过项目组前期的研究发现[29]，修正的归一化植被指数(Moditied Normalized Difference Vegetation Index，MNDVI)能够较好区分当地马尾松与林下植被芒萁的光谱值差异，从而显著提高马尾松碳储量反演准确度，其公式[30]为

(1)

式中：M为植被指数MNDVI数值；R、N、S分别为TM3、TM4、TM5波段地表反射率；Smax和Smin分别为完全郁闭冠层和开放冠层环境下TM5波段反射率，运算时分别取TM5地表反射率直方图两端1%处的反射率值。

在50个样地中随机选择45个作为样本，建立MNDVI与马尾松碳储量的经验模型(图1)，同时将剩余的5个样地作为验证样本，并用决定系数R2和相对误差RE进行精度分析。RE的计算公式如下：

(2)

式中：CEst,i和CObs,i分别表示第i个样地的马尾松林碳储量的预测值和实测值，t/hm2；n为样本总量，t/hm2。

结果表明，所建模型的预测值与样地实测值之间的R2=0.983(图2)，且RE=4%，反演模型在整体上具有较高精度；因此，进一步结合提取出的研究区马尾松林边界，完成对不同时期马尾松林碳储量的估算。

图1　MNDVI与马尾松林碳储量指数回归模型Fig.1　Exponential regression between carbon storage 　　　of the Pinus massoniana forest and MNDVI

图2　样地碳储量的实测值与预测值比较Fig.2　Comparison between measured and predicted carbon 　　　storage of plots

2.4驱动因素选取与统计分析

侵蚀地的生态恢复过程与当地政策环境、社会发展状况等因素密切相关[31]。根据长汀县水土流失治理区2000—2013年的相关数据，对各主要驱动力因素对马尾松碳储量变化的影响情况进行主成分分析。所用数据来自长汀县水土保持事业局提供的2000—2013年研究区的生态治理记录，以及长汀县统计局提供的同时期统计年鉴等相关资料。

根据研究区背景，分别从政策、经济、气候和土地4个方面共选取12个因子，即：X1为年均气温，℃；X2为年均降雨量，mm；X3为政策治理面积，hm2；X4为节水渠修建长度，km；X5为道路修建长度，km；X6为煤电补助户数，户；X7为人口总量；X8为农户人均纯收入，元；X9为工农业产值比重；X10为种植业产值，万元；X11为林果业产值，万元；X12为年末耕地面积，hm2。所选的12个因子数据均来自于长汀县社会统计年鉴与治理区项目实施情况统计表(2000—2013年)，并采用SPSS 19.0软件进行处理分析。

3结果与分析

3.1长汀县水土流失治理区马尾松林碳储量总体变化

经过近14年的生态治理，当地马尾松碳贮量和碳密度水平均得到明显提升(表1)。其中马尾松总碳储量由2000年的127.01万t，上升到2013年的189.96万t，增长了49.3%，平均每年增长3.52%，远高于全县的年均增长率1.76%。马尾松林碳密度也由27.95 t/hm2增加到41.72 t/hm2，固碳能力显著增强，在2006—2013期间的年均增长率达到3.88%。治理区的马尾松林碳储量上升速率明显超过全县平均水平，这主要由于全县非治理区大多是海拔较高的山区、植被基底较好，且人为扰动强度低，以自然速率演变；而植被条件较差的治理区由于历史破坏严重，从而导致集中治理后森林碳储量和变化率得到大幅上升，但治理区在固碳总量和碳密度方面仍与全县平均水平存在较大差距。

表1　2000—2013年研究区马尾松林碳储量变化统计

图3　治理区不同时期的马尾松林碳储量分布Fig.3　Spatial variations of the carbon storage of the Pinus massoniana forest in the study area

由图3示出，研究区四周影像颜色逐渐变蓝，且不断趋向中心，而河田盆地附近的低碳储量分布逐渐破碎，同时面积减少趋势明显。其中，碳储量低于40 t/hm2的马尾松林面积比例从65.74%(2000年)减少到41.25%(2013年)；而碳储量空间高于80 t/hm2的马尾松林面积比例则从17.51%(2000年)增加到35.76%(2013年)，表明碳储量空间结构得到明显优化。

3.2地形对马尾松林碳储量分布的影响

利用研究区DEM数据提取海拔和坡度信息并依据国家林业局《森林资源规划设计调查主要技术规定》进行分级。由表可知：当地马尾松林碳密度随海拔和坡度的增加而呈递增趋势，其原因在于海拔较低、坡度较缓的地区人类活动较密集，导致森林植被易遭受破坏，且马尾松林多为新种植的幼龄林和中林龄，碳密度水平较低；而随着地形升高和增陡，人类干扰程度低、成熟马尾松林比例增加，使其碳密度也不断上升[27]。但由于区域内高海拔、坡度区分布面积较少，其马尾松林的总碳储量约有80%仍分布在海拔小于600 m和坡度小于35°的地区。

在2000—2013期间，马尾松林碳密度增加速率随海拔和坡度的增加而逐渐降低，直至达到稳定状态。马尾松林碳储量的增加主要表现在海拔600 m以下或坡度25°以下的地区，其中海拔600 m以下地区碳储量增加41.6%，而坡度25°以下地区则增加50.9%；主要由于海拔较低、坡度较缓的地区人类活动密集、导致水土流失现象严重。该区是集中治理的重点区域；因此该地马尾松林碳储量恢复效果十分显著，且随着治理程度不断加深，其恢复速度也在不断提升。

表2　马尾松林碳储量在不同海拔和坡度的分布特征

3.3主要驱动因素影响分析

研究区马尾松碳储量变化受到多种因素的综合影响，各驱动因子的主成分分析结果见表3和表4。在表3中，由于前2个主成分已经包含原始变量85.39%的总信息，且特征值均>1，故只需保留第一、第二主成分进行分析即可[32-33]；进一步得出主成分载荷矩阵(表4)，其中表内主成分所对应的系数越大，其包含原变量的成分则越高。

政策治理面积(X3)、节水渠修建长度(X4)、煤电补助户数(X6)、农户人均纯收入(X8)和工农业产值比重(X9)为第1主成分的主要贡献因子，其相关性均达到0.8以上；因此，第1主成分可以看作是政策治理范围和经济发展程度的代表。其中政策治理面积(X3)和煤电补助户数(X6)的相关性达到0.9以上，说明政策治理及其包含的生态补偿内容是最关键的因子。由于禁扰封育政策，研究区森林遭受的人为干扰大大减弱，其大量次生裸地和稀疏林地逐渐向次生马尾松林地演化，对该区森林碳增汇效应具有显著影响。第2主成分与道路修建长度(X5)、农户人均纯收入(X8)和工农业产值比重(X9)有较高的相关性，这些变量与社会建设、经济结构、居民收入水平有关，可以看作是社会经济发展的代表。其中，经济结构的转变使得传统农业生产方式发生改变，减少对耕地面积的需求。当地居民生活水平提高则使得人们对居住环境产生更高的要求；而道路的修建则带动当地旅游等新兴产业的快速发展，这些改变均有利地推动当地生态环境的恢复和林业碳汇的增长。

表3　主成分的特征值及其贡献率

表4　主成分得分载荷矩阵

以上结果表明，研究区马尾松碳汇变化的主导因素是政策治理范围不断扩大、社会经济结构转变和居民生活水平提高，其中政策治理对该区马尾松碳增汇能力的提升具有关键作用，而气温、降水等自然因素的影响则相对有限。

4结论

1) 当地生态治理工程开展至今成效明显，治理区马尾松林的总碳储量和碳密度均呈逐步上升的趋势。其中，马尾松总碳储量由原先的127.01万t(2000年)上升到189.96万t(2013年)，年均增长率为3.52%，远高于全县的年均增长率1.76%。同时2000、2006和2013年的马尾松林碳密度分别为27.95、32.82和41.72 t/hm2，表明研究区的马尾松林碳汇能力正在不断提升。

2) 研究区马尾松林碳储量的增加主要集中在海拔600 m以下和坡度25°以下区域，其总碳储量增加率分别达到41.6%和50.9%。同时，马尾松林碳密度随海拔和坡度的增加而呈递增趋势，但其增加速率伴随海拔和坡度的增加而不断降低，表明在地势低平的人口密集区，其森林碳汇能力仍具备较大的提升潜力。

3) 主成分分析表明，影响马尾松林碳储量变化的主要驱动因素是政策治理、经济结构调整和农户增收，其中政策治理的影响效果最为明显，而作为自然环境因子的气温、降水等作用则较弱。

由于受研究条件限制，笔者在选取驱动因子时对自然因素的考量仍不够全面，未来需要进一步在地形、土壤等要素方面开展更加深入的研究。

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(责任编辑：程云郭雪芳)

Driving factors and spatiotemporal dynamics of carbon storage of aPinusmassonianaplantation in reddish soil erosion region with ecological restoration

Xu Kaijian1, 2, Xie Jinsheng1, 2, Zeng Hongda1, 2, Lyu Maokui1, 2, Ren Jie1, 2, Yang Yusheng1, 2

(1.College of Geographical Sciences, Fujian Normal University, 350007, Fuzhou, China; 2.Cultivation Base of State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology, 350007, Fuzhou, China)

Abstract:[Background] Measures such as closing hillsides for forest recovering and artificial afforestation can improve the ecological environment of soil erosion area, yet its accompanied benefits from carbon sink have not been given due attention for a long time. [Methods] Taking the ecological restoration area with a project of soil and water conservation in Changting County, Fujian Province as the study area, we quantitatively analysed the spatial and temporal patterns in carbon storage and the carbon sink enhancement dynamics of afforested Pinus massoniana forest since ecological restoration in 2000. Based on the Landsat satellite image sets from 2000 to 2013, forest subcompartment survey, on-site measurement, and the statistical yearbook of history, we extracted three periods of distribution maps for carbon storage of the P. massoniana forest from 2000 to 2013 and the different terrain characteristics (including height and slope), and then discussed the effects of main factors on the carbon sink enhancement with the method of the principle component analysis. [Results] 1) The inversion model (y=1.243 2e8.399 7x) of carbon storage of the P. massoniana forest, established by the vegetation index (MNDVI), has been proved to be effective by the practice test (R2= 0.869 2, RE=4%) in this study. 2) The carbon storage of the P. massoniana forest grew up from 127.01×104 t in 2000 to 189.63×104 t in 2013, accompanied by an increase of carbon density from 27.95 t/hm2 to 41.72 t/hm2 during the period. The average annual growth rate of carbon storage was 3.52%, much higher than that in the non-ecological-restoration areas with only an average annual growth rate of 1.76%. 3) The increasing of carbon storage of the P. massoniana forest mainly occurred in the area with an altitude of below 600 m and a slope of lower than 25° particularly in the last seven years from 2000 to 2013, with respective annual growth rate of 41.6% and 50.9%. 4) The results of the principle components analysis showed that the driving factors of carbon storage dynamics of the P. massoniana forest were the implementation of ecological restoration policy, the adjustment of economic structure and increased income of peasant households, especially that the ecological restoration by government policy and subsistence allowance played a pivotal role in the carbon sink enhancement of the P. massoniana forest in the study area. By contrast, the physical environment factors, such as temperature and precipitation, were insignificant. [Conclusions] There was a significant increase of the carbon sink of the P. massoniana forest in the soil and water conservation area after ecological restoration, and the carbon density of P. massoniana forest grew with the increasing of elevation and slope, showing that in the flat areas where always densely populated, there still has a great potential for forest carbon sequestration to be improved. This paper might provide some essential scientific basis for revealing the potential of carbon sequestration in reddish soil erosion region, quantifying the carbon storage that accumulated in the historical period of ecological management in China, as well as undertaking effective measures to enhance the accumulation of carbon storage in deteriorated lands.

Keywords:reddish soil erosion region; ecological restoration; Pinus massoniana; carbon storage dynamics; driving factors; water and soil conservation; policy governance

收稿日期：2015-05-25修回日期： 2016-01-15

第一作者简介：徐凯健(1991—)，男，硕士研究生。主要研究方向：侵蚀地生态与遥感监测。E-mail: phoenix-max@qq.com †通信 谢锦升(1972—)，男，博士，教授。主要研究方向：侵蚀地生态系统恢复。E-mail: jshxie@163.com

中图分类号：TP79

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2016)01-0089-08

DOI:10.16843/j.sswc.2016.01.011

项目名称： 国家重点基础研究发展计划(973计划)“亚热带红壤侵蚀区森林恢复与保护的碳汇功能及潜力”(2012CB722203)；国家自然科学基金“芒萁对退化红壤碳积累的贡献及关键影响机制”(31370465)；国家自然科学基金重点项目“常绿阔叶林人促更新对红壤有机质维持的作用机制”(31130013)