城步苗族自治县林地碳储量及碳密度研究

张 超

(国家林业和草原局中南调查规划设计院，长沙 410014)

森林生态系统是整个陆地生态系统的主体[1-2]，是维持全球生态平衡的核心[3]，有相关研究表明，每年整个陆地生态系统约有2/3的碳固定是由森林生态系统完成的[4]，也有研究表明陆地植被的碳储量值绝大部分由森林植被的碳储量组成[5-6]，因此，森林在维持全球碳平衡方面发挥着极为关键的作用。尤其在当今工业革命空前繁荣的今天，全球碳排放的峰值也在不断刷新，如何提高森林植被的碳储量，减缓因碳排放超标而引起的温室效应、热岛效应等气候、环境压力是当前不容忽视的问题[7-8]。

当前许多学者认为森林碳储量是衡量大气含碳量变化的重要参数[9]，并有为数较多的林业科研人员从不同尺度对森林植被碳储量及碳密度进行估算和分析，如方精云等[10]、徐新良等[11]以国家森林资源清查数据为依据估算了中国森林植被碳储量，其研究成果为国内的碳汇研究开启了新的思路和方法。本文在此基础上进一步拓展，对城步县的碳储量和碳密度进行了估算和分析，以期为加强该地区的生态服务功能，并为湖南省森林植被的碳汇计算提供基础数据。

1 研究区概况

城步县地处湖南省西南边陲，地处雪峰山脉与南岭之首越城岭山脉交汇之处，沅江支流巫水上游。平均海拔696.8 m，以山地为主，丘陵、岗地、溪谷平原兼有；属中亚热带山地气候，四季分明，雨量充沛，山地逆温效应明显；年日照时数为1 134.6～1 601.5 h，年平均气温为16.1 ℃，年平均降水量1 218.5 mm；境内有野生植物1 700余种，其中乔灌木树种107科921种，牧草63科262种，药用植物352种，野生经济果木、淀粉、纤维、烤胶原料植物80余种。

2 材料与方法

本研究以2017年城步苗族自治县的林地变更数据为基础，将研究区的优势树种归纳为：杉木组、松木组、柏木组、速生阔叶树、中生阔叶树、慢生阔叶树、阔叶混、竹木组、经济林组、灌木林组10大类，各优势树种组成详情见表1。

经统计，城步苗族自治县林地总面积216 167.04 hm2，蓄积量为2 841 695.82 m3，其中杉木组的林地面积和蓄积量最大，面积为59 959.26 hm2，占林地总面积27.74%，蓄积量为1 552 409 m3，占总蓄积量的 54.63%；其他优势树种组面积和蓄积量详见表2，空间分布状况见图1。

表2 城步苗族自治县林地优势树种面积与蓄积统计优势树种组面积/hm2 占比/%蓄积/m3占比/%杉木组59 959.2627.74 1 552 40954.63松树组25 256.5211.68 467 489.216.45 柏木组441.040.20 7 794.980.27 速生阔叶树组2 511.321.16 44 943.171.58 中生阔叶树组3 080.991.43 38 522.821.36 慢生阔叶树组22 691.8810.50 217 042.87.64阔叶混43 078.0219.93 513 493.8518.07竹木组26 838.2812.42 经济林组2 945.601.36灌木组29 364.1313.58 合计216 167.04100.00 2 841 695.82100.00

图1 优势树种组空间分布图

通过生物量换算因子连续函数法估算城步苗族自治县的林分生物量，再将生物量乘以国际通用的含碳系数(本研究为0.5%)，计算出研究区的碳储量以及碳密度。不同林分类型生物量换算因子系数见表3。竹林、经济林及灌木林的生物量则通过平均生物量法计算，具体参数为：经济林为23.7 t /hm2，竹林中毛竹为81.9 mg /hm2，其他竹子为53.1 mg /hm2，灌木林为19.76 t /hm2。

表3 不同林分类型生物量换算因子系数林分类型系数a/(mg/m3)b/mgR杉木组0.399 922.541 00.95松木组0.691 412.626 00.92柏木组0.490 430.427 00.96阔叶混0.739 343.210 00.97慢生阔叶树组1.035 78.059 10.73速生阔叶树组1.328 8-3.899 91.00中生阔叶树组0.625 591.001 30.93

3 结果与分析

根据生物量转换因子连续函数法，计算出城步苗族自治县按龄组划分的各优势树种组的森林碳储量和碳密度，详见表4和表5。

3.1 各龄组碳储量与碳密度结构特征分析

各个龄组的碳储量(不包括经济林、竹林和灌木林)分布情况如表4所示，各龄组碳储量排序由大到小依次为：中龄林>成熟林>近熟林>幼龄林>过熟林，之所以会出现中龄林的碳储量在各林组中最大，而过熟林的碳储量最小的情况是因为中龄林在各龄组中所占的林地面积最大，占林地面积的29.63%，而过熟林仅占林地的3.6%。但所占面积不是决定碳储量的唯一因素，碳储量大小与不同树种的固碳能力以及龄组存在紧密联系，如中龄林面积为46 525.03 hm2，成熟林面积为43 192.84 hm2，分别占乔木林地面积的29.63%和27.51%，但二者的碳储量分别为3181 389.46 t和3 079 887.18 t，仅相差1.01%，这是因为中生阔叶树有较大部分是中龄林，而成熟林则以杉木组和松木组等针叶林为主；又如研究区的幼林龄面积为29 194.63 hm2，为整个乔木林地面积的18.59%，其碳储量仅有1 045 686.42 t，不足整个乔木林地碳储量的11%。这都表明林地的碳储量是由多种因素综合决定的。

表4 优势树种组各龄组碳储量优势树种组碳储量/t合计幼龄林中龄林近熟林成熟林过熟林杉木组3 117 548.51286 174.46250 152.57463 307.851 715 719.73402 193.9柏木组14 750.422 774.11 462.2810 514.04速生阔叶树163 571.994 700.1234 400.1316 124.8294 151.3114 195.61中生阔叶树359 493.36108 883.04124 586.9626 084.7995 548.294 390.28慢生阔叶树1 460 665.68122 790.52671 587.45486 007.34176 834.413 445.96阔叶混3 384 685.17492 095.751 874 633.04791 220.45223 371.473 364.47经济林组69 810.83竹木组2 193 358.51灌木组580 235.38合计11 344 119.851 017 417.992 956 822.431 793 259.292 305 625.21427 590.22

表5 优势树种组各龄组碳密度优势树种组碳密度/(t/hm2)幼龄林中龄林近熟林成熟林过熟林杉木组24.5546.0942.9863.8776.82松木组23.9944.1659.2872.2272.55柏木组37.6167.2630.43速生阔叶树10.7341.7103.77102.9779.5中生阔叶树93.59122.46135.76140.67152.15慢生阔叶树22.863.41100.2898.6445.72阔叶混52.9179.5899.28100.44124.29

图2 各龄组碳密度分布

从图2可知，城步苗族自治县林地中的碳密度随着龄组的递增呈现上升趋势，这符合林木的生长规律，因为碳储量和碳密度均和林分的生物量存在紧密联系，在自然环境下林分的生物量随着年龄的增长而不断增加。但在本研究中，碳密度随龄级增长的规律也存在其他特征，主要体现在中龄林、近熟林、过熟林的碳密度基本相近，究其原因还是中龄林这个阶段有较大一部分中生阔叶树等，而成熟林则以杉木、松木等针叶树为主，阔叶树的固碳能力要强于针叶树，此消彼长之下就形成了当前这种现象。

3.2 各优势树种组碳储量与碳密度结构特征分析

由表4可知，城步苗族自治县的林地碳储量最大的优势树种为阔叶混，占总碳储量的26.31%；其次为杉木组和竹木组，分别占24.24%和17.05%；柏木组的碳储量最小，仅占总碳储量的0.11%。各优势树种组碳储量排序为：阔叶混>杉木组>竹木组>松木组>慢生阔叶树组>灌木组>中生阔叶树组>速生阔叶树组>经济林组>柏木组。理论上说优势树种的碳储量与其面积、蓄积量有紧密联系，但由于不同阔叶树和针叶树固碳能力的差异，并不是面积和蓄积量越大碳储量越大，城步苗族自治县林地面积和蓄积量排第一的优势树种均为杉木组，其面积占全县林地总面积的27.74%，蓄积量占全县总蓄积量的54.63%，但其碳储量却低于阔叶混。究其原因一方面是阔叶混面积与蓄积量居全县第二，有一定的基数优势；另一方面则是阔叶混以阔叶树为主，其木纤维较针叶树组丰富，再加上阔叶混主要集中在人迹罕至的次生林分布区域，该区域群落结构完整，为顶级群落，因此阔叶混是城步苗族自治县碳储量最大的优势树种。

图3 优势树种组碳密度分布

从图3可以发现，城步苗族自治县的森林碳密度以中生阔叶树最大，其次是竹木组和阔叶混，最小的为灌木组；不同优势树种组的碳密度大小排序依次为：中生阔叶树组>竹木组>阔叶混>速生阔叶树组>慢生阔叶树组>松木组>杉木组>柏木组>经济林组>灌木组。经济林组和灌木组碳密度偏低和两者的经营方式和生长环境息息相关，经济林由于经营方式特殊，为保证作物树种的生长优势，人为将作物树种周边的其他植株进行了清除，导致其森林碳储量偏低；灌木林多生于土地贫瘠之地，水肥因素难以补给乔木林的生长，故仅适合生长植株低矮的灌木，结构较为单一，其碳储量也相对较低。

4 结论与讨论

采用生物量转换因子连续函数法，对城步苗族自治县林地的碳储量和碳密度进行评估和分析，结果如下：从龄组分析，研究区的碳储量和碳密度可以发现以下规律，各龄组碳储量排序由大到小依次为：中龄林>成熟林>近熟林>幼龄林>过熟林，究其原因还是中龄林在各龄组中所占林地面积最大，占全县林地面积的29.63%，且在各树种组中生物量最大的中生阔叶树大部分都集中在中龄林阶段，故中龄林的碳储量最大，但各龄组的碳密度则是过熟林最大，这是因为生长时间越长，林木所累积的生物量越大。

从优势树种分析，研究区的碳储量与碳密度则有如下规律，各优势树种组碳储量排序为：阔叶混>杉木组>竹木组>松木组>慢生阔叶树组>灌木组>中生阔叶树组>速生阔叶树组>经济林组>柏木组。从各优势树种的分布面积可知阔叶混排名第2，但由于阔叶树的固碳能力比针叶树强，因此并非分布面积越大、蓄积量越大其碳储量就越大，但毋庸置疑，碳储量与面积和蓄积量同样存在紧密联系。不同优势树种组的碳密度大小排序依次为：中生阔叶树组>竹木组>阔叶混>速生阔叶树组>慢生阔叶树组>松木组>杉木组>柏木组>经济林组>灌木组，说明碳储量和碳密度的大小与林分结构和经营方式有较大联系。

不同林分类型生物量换算因子系数是决定生物量转换因子连续函数法精确度的主要因素之一，虽然研究成果已比较成熟，可以在较小的范围内估算出林地的碳储量和碳密度，但为了进一步提高蓄积量转换为生物量的精确度，增加生物量换算因子系数法的可靠性，理论上还需要针对城步苗族自治县不同林分类型生物量换算因子系数的选取展开深入研究，这也是笔者后期需要着重探讨的方向。