湖南省森林植被碳储量及其空间格局特征

夏 栗，张 慧，李 科

（1.中南大学信息物理工程学院，中南大学空间信息技术与可持续发展研究中心，湖南 长沙 410083；2.湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南 长沙 410007； 3.岳阳市林业科学研究所，湖南 岳阳 414000）

湖南省森林植被碳储量及其空间格局特征

夏 栗1,2，张 慧2，李 科3

（1.中南大学信息物理工程学院，中南大学空间信息技术与可持续发展研究中心，湖南 长沙 410083；2.湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南 长沙 410007； 3.岳阳市林业科学研究所，湖南 岳阳 414000）

根据湖南省森林资源二类调查数据，运用生物量清单法和平均生物量法，对湖南省森林植被碳储量分乔木林碳库、竹林碳库、经济林碳库和灌木林碳库 4 大碳库分别进行估算并分析其空间格局的差异与特征。结果表明：湖南省 2016 年森林植被碳储量为 253.359 TgC，平均碳密度为 24.266 t/hm2。全省 14 个市州中，怀化市的森林植被碳储量最大，为 36.863 TgC，其次是邵阳市、永州市和郴州市，常德市的森林植被碳密度最高，为 40.584 t/hm2；不同森林植被类型中，阔叶树碳储量最大，三杉碳密度最高。

碳储量；森林植被；空间格局；湖南

温室效应、气候变暖问题影响到全人类的生存和发展，减少 CO2排放和通过生物措施增加碳汇是实现全球碳平衡的主要途径。陆地生态系统是一个巨型碳库，全球陆地生态系统碳储量估算为 2 500 PgC，是大气碳储量（750 PgC）的 3 倍［1］。森林是陆地生态系统的主体，与其他陆地生态系统相比，森林具有较高的生产力，单位面积森林碳储量是农田的 20 ～ 100 倍［2］，森林每年固定的碳约占整个陆地生态系统的 2/3［3,4］，每年通过光合作用和呼吸作用与大气进行的碳交换量占整个陆地生态系统碳交换量的 90%［5-8］。森林植被碳储量占陆地植被碳储量的 77%［5,9］，中国森林植被碳汇量占森林总碳汇量的 44.4% ～ 63.2%［8］。因此，森林植被碳汇在全球碳循环中发挥着关键作用。

目前，全球森林植被碳储量的估算值约为359 ～ 744 PgC［10］。较多资料显示，北半球中高纬度的森林植被是一个重要的碳汇［11-13］。中国作为最大的亚洲国家，其森林植被碳汇功能对研究本区域碳循环至关重要。2000 年以来，我国森林植被碳储量的估算结果差异较大，范围在3.255 ～ 6.868 PgC［14-18］。为更准确估算全国森林植被碳储量，开展省域尺度的森林植被碳储量研究具有重要意义。

湖南省是我国南方重点林区之一，森林资源丰富。数据来源不一致、植被分类系统不完整、估算方法不统一等，导致了湖南省森林植被碳储量估算结果的不确定性［19-21］。为此，我们以《湖南省 2016 年度森林资源统计年报》为数据基础，运用生物量清单法［17］和平均生物量法［22］，对湖南省森林植被碳储量分 4 大碳库进行估算并分析其空间格局差异与特征，为估算全国尺度的森林植被碳储量提供数据支持。

1 研究区概况

湖南省位于长江中游的荆江河南岸，地理坐标为东经 108°47'～114°15'，北纬 24°38'～30°08'，土地总面积约 2 118.35 万 hm2，其中 51.2% 为山地，13.9% 为盆地，13.1% 为平原，15.4% 为丘陵，6.4% 为水域。地貌轮廓大体上东、南、西三面为山地环绕，中部和北部地势低平，呈复式马蹄型丘陵性盆地的地貌格局［23］。湖南为大陆性中亚热带季风湿润气候，光、热、水资源丰富，天然林更新能力强。2016 年湖南省林业用地总面积 1 300.61万 hm2，森林覆盖率59.64%，活立木总蓄积量52 620.72 万 m3。

湖南省乔木林优势树种主要有杉木、马尾松、阔叶树（杨树、桉树以外的阔叶树，下同）、柏木、国外松、杨树、桉树和三杉［24］8 种。其中：杉木、马尾松和阔叶树面积约占全省有林地面积的74.29%，怀化市分布最多；经济林树种主要是油茶，油茶面积约占全省经济林面积的 78.47%；竹林种类基本为毛竹，益阳市分布最多。

2 研究方法

2.1 数据来源

本研究的数据来源于在湖南省森林资源“十五”二类调查数据基础上更新形成的《湖南省 2016年度森林资源统计年报》。数据包括湖南省 2016年各市州乔木林（包括疏林、散生木和四旁树中的乔木）8 大优势树种的面积和蓄积、毛竹株数和面积、经济林、灌木林的面积和蓄积。

2.2 森林植被碳储量及碳密度的估算方法

森林植被碳储量的研究起步于 20 世纪 60 年代中后期［25］，森林碳储量的计算方法主要有生物量法、蓄积量法、生物量清单法、涡旋相关法［26］以及遥感估测法［27］。我们将湖南省森林植被碳储量分为乔木林碳库、竹林碳库、经济林碳库、灌木林碳库 4 大碳库，其中乔木林按优势树种分为8 类，因此，本研究分别估算全省 11 个森林植被类型的碳储量，并以森林植被碳储量与森林植被面积之比计算碳密度。

2.2.1 乔木林碳库的估算方法 乔木林生物量采用顾凯平等［17］建立的生物量清单法计算。从张坤［28］的研究数据中筛选和整理出湖南省 8 大乔木优势树种的树干密度和含碳率（见表 1），并以此为参数估算乔木林各树种碳储量。计算公式为：

式中：C乔为乔木林碳库，Vi为某树种的蓄积量，Di为某树种的树干密度，R 为树干生物量占乔木总生物量的比例，Ci是某树种的含碳率。本研究R值取王效科等［29］对于中国森林生态系统生物量研究的结果之一，为 51.83%。与方精云等［30］采用的 BEF 连续函数法相比，该方法不再使用固定值作为植物含碳率，而是根据不同树种的蓄积量、树干密度及含碳率分别计算其碳储量，准确度更高，且更适用于本研究的数据源。

表1 湖南省乔木林8大优势树种的树干密度及含碳率Tab.1Trunk density and carbon rate of 8 dominant species of high-forest in Hunan

2.2.2 竹林碳库的估算方法 竹林生物量采用竹林单株模型法计算［22］。计算公式为：

式中：B竹为竹林生物量，N竹为毛竹株数（毛竹占湖南竹类总数的 97% 以上，其他杂竹做灌木处理），N散为散生毛竹株数，CF竹为单株毛竹平均生物量，C竹为竹林碳库，Ci为毛竹生物量含碳率。本研究 Ci值取 0.47（IPCC 2006 年调整参数，下同）；CF竹值取聂道平［31］、方精云等［22］的研究成果数据 22.5 kg/株。

2.2.3 经济林碳库和灌木林碳库的估算方法 经济林和灌木林生物量均采用单位面积平均生物量法计算［32,33］。计算公式为：

式中：B经（灌）为经济林或灌木林生物量，A经（灌）为经济林或灌木林的面积，CF经（灌）为经济林或灌木林单位面积平均生物量，C经（灌）为经济林或灌木林碳库，Ci为经济林或灌木林的生物量含碳率。本研究 CF经（灌）值取郭兆迪等［32］、金小华等［33］对中国森林植被生物量单位面积平均生物量的推算结果，即我国秦岭淮河以南地区的经济林单位面积平均生物量为 23.7 t/hm2，灌木林单位面积平均生物量为 19.76 t/hm2。

3 结果与分析

3.1 湖南省森林植被碳库

3.1.1 森林植被碳库 湖南省 2016 年森林植被碳储量的估算结果为 253.359 TgC（见表 2）。目前我国在全国尺度上的估算成果主要有：郭兆迪等［32］根据 1977 ～ 2008 年间的全国森林资源清查资料，得出湖南省 2004 ～ 2008 年森林碳库为168.8 TgC；王效科［29］根据第 3 次全国森林资源调查数据，得到湖南省 1984 ～ 1988 年森林植被碳库为 38.72 TgC。在省区尺度上的估算成果主要有：黄方等［19］利用湖南省森林资源主要数据汇编得出湖南省 1999 ～ 2003 年主要森林类型的碳库为94.935 TgC；焦秀梅等［20］基于湖南省第 4 次森林资源调查资料估算湖南省 1990 ～ 1995 年间森林植被碳库为 173.974 TgC。

表2 湖南省14个市州的11个森林植被类型碳储量Tab.2 Carbon storage of the 11 forest vegetation types in 14 cities of Hunan（TgC）

3.1.2 区域分布特征 全省 14 个市州中，怀化市的森林植被碳储量最大，为 36.863 TgC，占总量的 14.55%，其次依次是邵阳市、永州市和郴州市，森林植被碳储量最小的是湘潭市，为 4.707 TgC（表 2）。

碳储量大小与森林植被面积、活立木蓄积量的大小密切相关，怀化市森林植被面积和蓄积量均为全省最高（见表 3），其森林植被碳储量

表3 湖南省14个市州森林植被面积、蓄积与碳储量、碳密度Tab.3The vegetation area, volume, carbon storage and carbon density of each county

3.1.3 植被类型碳库差异 从全省 11 个森林植被类型的碳储量来看，阔叶树碳储量最大，为75.833 TgC，占总碳储量的 29.93%，其次是杉木和马尾松，碳储量最小的是三杉（见表 2）。各树种碳储量与其面积和蓄积基本呈正相关关系，阔叶树的面积、蓄积和碳储量均为全省最高，其次为杉木、马尾松和竹林，三杉在省内分布最少，其碳储量最小（见表 4）。

3.2 湖南省森林植被碳密度

3.2.1 森林植被碳密度 根据表 5 可知湖南省森林植被平均碳密度为 24.266 t/hm2。目前我国在全国尺度上的估算成果主要有：郭兆迪等［32］根据也最大。湘西北逆时针方向至湘东南区域（简称湘西北——东南区）的森林植被碳储量显著高于其他区域，该区域依次分布有西北的武陵山脉，西部的雪峰山脉，南部的五岭山脉以及东南部的罗霄山脉，地貌轮廓决定了该区域是湖南省森林资源的集中分布区；湘北植被碳储量仅次于湘西北——东南区，该区洞庭湖平原面积广大，属洞庭湖防护林区；湘中及湘东植被碳储量最低，该区多为丘陵岗地，是包括长株潭在内的城市扩张区，森林资源分布相对较少（图 1）。1977 ～ 2008 年间的全国森林资源清查资料，得出湖南省 2004 ～ 2008 年森林碳密度为 23.2 t/hm2；王效科等［29］根据第 3 次全国森林资源调查数据，得到湖南省 1984 ～ 1988 年森林植被碳密度小于 12.4 t/hm2。在省区尺度上的估算成果主要有：黄方等［19］利用湖南省森林资源主要数据汇编得出湖南省 1999 ～ 2003 年主要森林类型的平均碳密度为 18.667 t/hm2；焦秀梅等［20］基于湖南省第 4 次森林资源调查资料估算湖南省 1990 ～ 1995 年间森林植被平均碳密度为 15.882 t/hm2。

图1 湖南省2016年森林植被碳储量的地理分布Fig.1 Geographic distribution of forest carbon storage of Hunan in 2016

表4 各森林植被类型面积、蓄积、碳储量与碳密度Tab.4The area, volume, carbon storage and carbon density of each species

表5 湖南省14个市州的11个森林植被类型碳密度Tab.5 Carbon density of the 11 forest vegetation types in 14 cities of Hunan（t/hm2）

图2 湖南省2016年森林植被碳密度的地理分布Fig.2 Geographic distribution of forest carbon density of Hunan in 2016

3.2.2 区域分布特征 全省 14 个市州平均植被碳密度最高的是常德市，为 40.584 t/hm2，其次依次是益阳市、郴州市和邵阳市，平均植被碳密度最低的是株洲市，为 15.432 t/hm2（表 5）。碳密度值反映森林质量情况，对比各市州森林植被碳储量和碳密度发现，邵阳市森林资源丰富且森林质量较高，岳阳市虽森林资源分布较少，但由于森林抚育得当，森林质量较高（图 2）。

3.2.3 植被类型碳密度差异 从全省 11 个植被类型的碳密度来看，三杉平均碳密度最大，为44.537 t/hm2，其次依次为杨树、桉树和毛竹，灌木林平均碳密度最小，为 9.287 t/hm2（表 5）。树种碳密度的差异不仅与树种含碳率有关，更反映了树种的生长情况。因此根据适地适树的原则，适宜在湖南省推广的树种主要有三杉、杨树和桉树。

4 结论与讨论

（1）湖南省 2016 年森林植被碳储量为253.359 TgC。全省 14 个市州中，怀化市森林植被碳储量最大，为 36.863 TgC，其次依次是邵阳市、永州市和郴州市，湘潭市森林植被碳储量最小，为 4.707 TgC。11 个森林植被类型中，阔叶树碳储量最大，为 75.833 TgC，其次是杉木和马尾松，三杉碳储量最小。

（2）湖南森林植被平均碳密度为 24.266 t/hm2。全省 14 个市州中，常德市平均植被碳密度最高，为 40.584 t/hm2，其次依次是益阳市、郴州市和邵阳市，株洲市平均植被碳密度最低，为15.432 t/hm2。11 个森林植被类型中，三杉平均碳密度最大，为 44.537 t/hm2，其次依次为杨树、桉树和毛竹，灌木林平均碳密度最小，为 9.287 t/hm2。

（3）本研究中乔木林碳库是 8 大优势树种的碳储量之和，这样的处理必然产生一定误差；由于数据的有限性，本研究对竹林、经济林和灌木林的碳库估算采用单株模型法和单位面积平均生物量法，这两种方法本身较生物量清单法的估算精度低；本研究计算乔木林生物量时，虽已包括疏林、散生木和四旁树中乔木的生物量，但未包含乔木林中无蓄积的林木生物量，如未成林造林地内的林木生物量和枯倒木生物量，这部分林木生物量所占比例虽小，但对于固定 CO2也起到一定作用，有待今后定量化研究。

（4）湖南省森林植被碳储量区域分布地带性明显，湘西北——东南片区森林植被碳储量是全省森林植被碳储量的主要贡献者，湘东北及湘中地区植被碳储量和碳密度相对较低，这说明该区森林资源匮乏且森林质量有待提升，碳增汇潜力大。因此，应在植被碳储量薄弱区推广碳密度高的造林树种（三杉、杨树、桉树）并加强森林抚育，尤其是长株潭生态敏感区域要协调城市扩张与城市绿地保护的关系，应实施生态绿心提质计划，提高森林植被碳汇能力。

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（文字编校：龚玉子）

Carbon storage of forest vegetation and the spatial pattern characteristics of Hunan Province

XIA Li1,2，ZHANG Hui2，LI Ke3
（1.School of Geoscience and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China；2.Hunan Prospecting Designing & Research General Institute for Agriculture & Forestry & Industry，Changsha 410007，China；3.Yueyang Forestry Science Research Institute，Yueyang 414000，China）

Basing on the forest resource inventory of Hunan Province，we estimated the forest vegetation carbon storage by biomass inventory method and average biomass method.Furthermore，we analyzed differences and characteristics of the carbon storage spatial pattern.In the present work，the forest vegetation carbon storage of Hunan was divided into four carbon pools，they were high-forest carbon pool，bamboo-forest carbon pool，economic-forest carbon pool and shrubforest carbon pool.The high-forest carbon pool was estimated by biomass inventory method，carbon pools of economicforest，shrub-forest and bamboo-forest were estimated by average biom ass method.It was shown by the res ults that carbon storage and carbon density of Hunan forest vegetation in 2016 was 253.359 TgC and 24.266 t/hm2respectively.Among the 14 states in Hunan, the forest vegetation carbon storage of Huaihua City was the largest with the value of 36.863 TgC，followed by Shaoyang City，Yongzhou City and Chenzhou City.Meanwhile，the forest carbon density of Changde City was the highest with the value of 40.584 t/hm2.Among the 11 fores t vegetation types，the forest carbon storage of broad-leaved tree was the largest，while the forest carbon density of mixed taxodiaceae（Metasequoia glyptostroboides,Taxodiumascenden, Taxodiumdistichum (L.) Rich, and Glyptostrobuspensilis) was the highest.

carbon storage；forest vegetation；spatial pattern；Hunan

S 718.5

A

1003-5710（2017）03-0001 -07

10.3969/j.issn.1003-5710.2017.03.001

2017-04-06

国家自然科学基金（41171326，41201386，41201383）

夏 栗（1985-），女，湖南省桃江县人，博士研究生，主要从事林业信息工程与地理信息系统研究