基于穆棱市下属林场的森林碳储量估算及空间分布的研究

王维芳 陈彩艳 王薇淇 隋傲 高小龙 刘索名

摘 要：利用黑龙江省穆棱市下属的3个林场2012年、2016年两期森林资源固定样地调查数据，研究森林固碳情况以及树种、平均胸径、平均树高、每公顷株数、海拔和坡度等因素对森林碳储量的影响情况。结合生物量相容性模型以及不同树种含碳系数估算各林场内样地碳储量情况，使用ArcGIS的普通克里金插值方法，空间插值得到并分析两期碳储量空间分布格局及其动态变化。分析碳储量与海拔、坡度等地形因子和树高、胸径等林分因子之间的关系，并得到碳储量估算模型。结果表明：研究区域碳储量总量呈上升趋势，森林碳汇功能不断增强，中西部碳储量明显高于其他地区，东南部碳储量相对较低，阔叶混交林、柞树和人工落叶松在该区域森林植被碳汇功能中扮演重要角色。结果表明：森林固碳情况良好，应更加注重森林资源的保护及分布平衡等问题。

关键词：ArcGIS;森林碳储量;空间分布;影响因素;动态变化

中图分类号：S7-9;S792;S757    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2019）05-0027-05

Abstract：In order to study the carbon sequestration of forests and its influencing factors such as tree species， mean DBH， average tree height， stems per hectare， altitude， slope and so on， this paper used two types of the forest resources permanent sample plot survey data from three typical forest farms in Muling City， Heilongjiang Province in 2012 and 2016. The carbon storage capacity of each forest farm was estimated by combining the biomass compatibility model and the carbon content of different tree species. Using ArcGISs ordinary Kriging interpolation method， spatial interpolation was used to obtain and analyze the spatial distribution pattern and dynamic changes of the two phases of carbon storage. The relationship between carbon storage and topographic factors such as elevation and slope， and forest stand factors such as tree height and DBH were analyzed， and a carbon storage estimation model was obtained. The results showed that the total carbon storage in the study area was on the rise， the forest carbon sink function was strengthening， the carbon storage in the central and western regions was significantly higher than those in other regions， and the carbon storage in the southeast was relatively low， the broad-leaved mingled forest， oak trees and artificial larch all played an important role in the carbon sink function of forest vegetation in this region. Conclusion： forest carbon sequestration was in good condition， and more attention should be paid to the protection and distribution balance of forest resources.

Keywords：ArcGIS; forest carbon storage; spatial distribution; influencing factors; dynamic changes

0 引言

森林生物量、碳儲量是森林生态系统的最基本数量特征，是研究森林生态系统物质及能量循环的基础，一直是森林资源监测及林业科学研究中的一项重要内容，也是人类可持续利用和发展森林生态系统的前提。森林碳储量估测方法目前主要有3类： 样地清查法、通量观测法和基于遥感技术的模型法[1-2]。 其中样地清查法为最常用的森林碳储量估测方法相较于其他碳储量估算方法，更为直接、明确及操作简单，主要包括IPCC 法、BEF 为常数的生物量转换因子法、转换因子连续函数法和加权生物量回归模型法等[3]。样地清查法中的各类方法均为直接或间接测定森林植被的生物量再乘以转换比率（ 即干物质中碳的比重） 来估算碳储量[4]。本研究根据黑龙江省穆棱市下属的3个林场2012年、2016年两期森林资源固定样地调查数据，结合相容性生物量模型及不同树种的含碳系数，完成研究地区碳储量的估算，并分析其碳密度分布格局及动态变化，以及得到森林碳储量估算模型，以期更好地了解森林固碳情况及主要影响因素，为更好地发挥森林固碳功能及相关研究提供依据。

1 研究地区和研究方法

1.1 研究地区概况

磨刀石林场位于穆棱市西南部106 km，牡丹江市东部45 km，隶属于穆棱市林业局。地理坐标为东经129°43′-130°00′，北纬43°32′-44°39′。林场地处张广才岭东坡，肯特阿岭余脉，以山区丘陵地貌为主，东北高、西南低，最高海拔710 m，最低海拔260 m，平均海拔450 m，平均坡度14°。属长白山植物区，主要树种有柞、黑桦、椴、山、色树和人工落叶松、樟子松和红松等。林场经营总面积4 019 hm2，林业用地面积4 006 hm2，其中有林地面积1 374 hm2，活立木总蓄积量44 730 m3。疏林地22 hm2，未成林造林地42 hm2，无林地2 563 hm2，苗圃用地5 hm2。

枯榆树林场位于穆棱市中部，距八面通镇43 km，离牡丹江市78 km，绥芬河口岸85 km，地理位置为东经130°20′01″-130°34′37″，北纬44°30′02″-44°41′23″。林场地处长白山山脉，太平岭西坡。地形以山区丘陵地貌为主，坡度较缓，平均坡度17°～25°之间，地势南高北低，最高海拔651 m，最低海拔295 m，平均海拔450 m。 属长白山植物区系。主要树种有柞树、黑桦、椴、山杨、色树和人工落叶松、樟子松和红松等，主要灌木以榛子、胡枝子、刺五加、杜鹃、珍珠梅和绣线菊等为主。经营总面积9 924 hm2，林业用地9 321 hm2，其中有林地面积3 881 hm2，未成林造林地490 hm2，苗圃用地4 hm2，无林地4 717 hm2，其它229 hm2，非林业用地603 hm2。

代马沟林场位于穆棱市西南，距市区85 km。地理坐标为东经129°56′44″-130°04′10″，北纬44°32′04″-44°39′46″。林场地处张广才岭东坡，以低山、丘陵地貌为主，地势南高北低，平均海拔690 m，最高处为代马沟北山，海拔757 m。属长白山植物区系，主要乔木有红松、云杉、冷杉、赤松、樟子松、落叶松、黄菠萝、水曲柳、胡桃楸、柞树、椴树、杨树，柳树、白桦、黑桦、榆树、枫桦、山槐、水冬瓜和色树等。林场经营总面积5 492 hm2，林业用地面积5 328 hm2，其中有林地面积3 984 hm2。未成林造林地214 hm2，无林地1 126 hm2，苗圃4 hm2。

1.2 数据来源

本文数据来自穆棱市下属的磨刀石林场、枯榆树林场、代马沟林场2012与2016年2期144块固定样地调查数据，分别调查了样地内林木的树种、立木类型、方位角、水平距、胸径和坡度等重要信息，并将各样地资料经过整理建立数据库，根据每木检尺数据计算样地各林分调查因子，计算样地的碳储量。其中，经过样地统计得出，以柞树、落叶松和樟子松为优势树种的样地占比较大，占总样地的90%以上。且由于数据库中没有枯死木、下木层、草本层、枯枝落叶层和土壤层等数据，因此，本研究不包括上述各类碳储量。

1.3 研究方法

本文根据董利虎的相容性生物量模型[5]，利用研究地区数据中的胸径、树高等数据计算得到研究地区样地内树木的干、枝、叶和根的生物量，与不同树种相应部分含碳率[6]相乘得到干、枝、叶和根的碳储量，将4部分碳储量相加得出整棵树的碳储量，从而求出每个样地的总碳储量[7-18]。每个样地的碳储量求和除以样地面积，得到样地每公顷碳储量。将样地碳储量信息与GPS信息导入ArcGIS，选用普通克里金法对样地碳储量进行空间插值，得到2012年、2016年穆棱市碳储量空间分布图，并对不同年份的碳储量空间分布特征进行空间分析及动态分析。利用R软件逐步回归的方法分析研究地区样地碳储量与林分、地形因子之间的相关关系，剔除不显著因子，建立碳储量预估模型。

2 结果与分析

2.1 样地碳储量计算

根据穆棱市枯榆树林场、代马沟林场、磨刀石林场3个林场的样地数据以及生物量、碳储量计算模型，计算得出3个林场2012年生物量总量为33 644.45 t，2016年生物量总量为63 326.23 t，生物量总量增加了29 681.78 t，2012年碳储量总量为5 607.41 t，2016年碳储量总量为10 554.37 t，碳储量总量增加了4 946.96 t。不同样地的碳储量之间存在稍许差异，其中样地每公顷碳储量中最大值为200.70 t，最小值为0.39 t，平均值为38.80 t，标准差为27.38 t。

不同树种所占碳储量也存在较大差异，从图1可以看出，研究地区内阔叶混交林、柞树和人工落叶松碳储量值占较大比例，2012年其碳储量分别为1 778.63、1 483.53、1 015.82 t，2016年其碳储量分别为2 820.12、2 361.24、2 531.31 t，不同树种的碳储量在2016年均有增长，阔叶混交林、柞树、人工落叶松涨幅较大。

2.2 碳储量空间分布

利用ArcGIS软件中普通克里金方法进行空间插值，获得2012年、2016年研究地区碳储量空间分布图，如图2和图3所示。

根据两期碳储量空间分布图，研究区域磨刀石林场与枯榆树林场北部地区碳储量明显高于其他地区。初步分析，由于穆棱市磨刀石林场等地区毗邻牡丹江国家森林公园，林木由此受到良好的保护，森林覆盖率高，碳储量高;同时，由于穆棱市辖区内的穆棱市区位于东北部，由此辐射的周围的人口聚居地导致东部的林场少，建筑物、耕地多，森林覆盖率低，碳储量明显低于中西部。

对两期碳储量动态变化进行分析，发现研究區域碳储量整体呈增加趋势，其中磨刀石林场地区增加尤为显著。初步分析，由于磨刀石林场靠近牡丹江国家森林公园，林木得到有效保护，同时国家在2012-2016年期间一直在推行生态文明建设，因此，林木采伐得到有效控制，全辖区都在加大林木的种植与保护力度，所以整体在增加，而由于磨刀石林场本来就具有良好的基础，更适合林木快速生长，因此增加最快。

2.3 碳储量预估模型

运用R软件分析研究区域中每公顷碳储量与海拔（x1）、坡向（x2）、坡度（x3）、平均胸径（x4）、平均树高（x5）、郁闭度（x6）和每公顷样地株数（x7）等的相关关系，采用逐步筛选的方法筛选出与之相关性较强的变量，剔除相关关系弱的变量，确定不同变量的模型系数，比较不同模型，最终选择模型拟合程度最好，自变量之间独立性更强的模型为碳储量预估模型：

y=-45 950.749+62.407x1+431.486x3+1 708.476x4+1 925.242x5+8.954x7

根据逐步回归法得到的碳储量预估模型，AIC为4 214.81，R2adj为0.4 794，具有较为显著的相关关系，而且通过表1可以明显表示出研究区域的每公顷碳储量与海拔（x1）、坡度（x3）、平均胸径（x4）、平均树高（x5）和每公顷样地株数（x7）等因素呈明显正相关关系，且与海拔（x1）、平均胸径（x4）、平均树高（x5）相关程度较大，因此选用此模型为碳储量预估模型。在得到有关参数时便可以根据此模型对研究区域进行有关碳储量的估算以及相关分析等操作，为相关研究打下理论基础。

3 结论与讨论

本文采用相容性生物量模型及不同树种含碳系数对穆棱市下属林场样地碳储量进行估算，并利用ArcGIS运用普通克里金法插值得到研究区域的整体碳储量分布情况，经过分析表明，研究地区磨刀石林场碳储量较高。并对2012年、2016年两期碳储量的空间分布进行动态分析，得出研究地区碳储量的变化趋势：整体上升，磨刀石林场增加更为显著，可能由于本身林分条件较好以及后续生态保护的实行。对林分、地形因子对于碳储量分布的影响进行了统计分析，并据此建立碳储量预估模型，更深入了解森林固碳情况及主要影响因素，为更好地发挥森林固碳功能及相关研究提供依据。

本次研究也存在着优势与不足：本研究在研究区域局部的分析和估计可信度较高，在整个地区碳储量的估计中可借鉴此研究思路与方法。同时由于所选林场样地大致分布在整个地区的北、西、中、东北几个方向上，接近整个穆棱地区区域面积近半数以上，对于空间动态分析也具有较高的可靠性。但由于本次调查所采用的样地样本容量并不大，且不均匀分布在穆棱地区各处，空间插值的预估情况可能与现实情况有些许偏差。

通过此次研究可以发现，虽然通过近几年国家政策的要求生态环境有所改善，穆棱市的植被资源整体也呈良好上升趋势，但穆棱市地区的森林等植被资源仍有待加强保护。在巩固国家森林公园保护区的林木资源的同时应注重市区周围的林木种植及绿化。且南北和东西方向上森林植被的覆盖差异较大，有着不平衡的状况。在未来的生态建设中在整体上稳步上升的同时，应逐渐缓解南北和东西方向上的植被分布不均，最终使碳储量分布达到平衡状态。

【参 考 文 献】

[1]戴小华，余世孝.遥感技术支持下的植被生产力与生物量研究进展[J].生态学杂志，2004，23（4）：92-98.

DAI X H， YU S X. Research progress on vegetation productivity and biomass supported by remote sensing technology[J]. Journal of Ecology， 2004， 23（4）：92-98.

[2]樊晓亮，闫平.森林固碳能力估测方法及其研究进展[J].防护林科技，2010，28（1）：60-63.

FAN X L， YAN P. Estimation methods and research progress of forest carbon sequestration capacity[J]. Shelterbelt Science and Technology， 2010， 28（1）： 60-63.

[3]毕君，王超.木兰围场森林固碳能力及其特征[J].东北林业大学学报，2011，39（2）：45-46.

BI J， WANG C. Carbon sequestration capacity and characteristics of Mulan enclosure forest[J]. Journal of Northeast Forestry University， 2011， 39（2）： 45-46.

[4]于振良，周玉荣，赵士洞.我国主要森林生态系统碳贮量和碳平衡[J].植物生态学报，2000，24（5）：518-522.

YU Z L， ZHOU Y R， ZHAO S D. Carbon storage and carbon balance of main forest ecosystems in China[J]. Journal of Plant Ecology， 2000， 24（5）：518-522.

[5]董利虎，李凤日，贾炜玮，等.含度量误差的黑龙江省主要树种生物量相容性模型[J]. 应用生态学报，2011，22（10）：2653-2661.

DONG L H， LI F R， JIA W W， et al. Biomass compatibility model of main tree species in Heilongjiang Province with measurement errors[J]. Journal of Applied Ecology， 2011， 22（10）： 2653-2661.

[6]田勇燕，秦飛，言华， 等.我国常见木本植物的含碳率[J].安徽农业科学，2011，39（26）：16166-16169.

TIAN Y Y， QIN F， YAN H， et al. Carbon content of common woody plants in China[J]. Anhui Agricultural Science， 2011， 39（26）： 16166-16169.

[7]张玥.基于GIS的黑河市森林碳储量空间分布特征研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2013.

ZHANG Y. Study on spatial distribution characteristics of forest carbon storage in Heihe City based on GIS[D]. Harbin： Northeast Forestry University， 2013.

[8]LIU Y C， ZHANG Y D， LIU S R. Aboveground carbon stock evaluation with different restoration approaches using tree ring chrono sequences in Southwest China[J]. Forest Ecology and Management， 2012， 263：39-46.

[9]尉海东，马祥庆.不同发育阶段杉木人工林生态系统碳贮量研究[J].西北农林科技大学学报：自然科学版，2007，72（1）：171-174.

WEI H D， MA X Q. Study on carbon storage in Chinese fir plantation ecosystem at different development stages[J]. Journal of Northwest University of Agriculture and Forestry Science and Technology： Natural Science Edition， 2007， 72（1）： 171-174.

[10]尉海东，马祥庆.不同发育阶段楠木人工林生态系统碳贮量研究[J].烟台师范学院学报：自然科学版，2006，22（2）：130-133.

WEI H D， MA X Q. Study on carbon storage of Nanmu plantation ecosystem at different developmental stages[J]. Journal of Yantai Normal University： Natural Science Edition， 2006， 22（2）： 130-133.

[11]叶功富，郭瑞红，卢昌义，等.不同生长发育阶段术麻黄林生态系统的碳贮量[J].海峡科学，2008，35（10）：3-8.

YE G F， GUO R H， LU C Y， et al. Carbon storage of Ephedra sinensis forest ecosystem at different growth and development stages[J]. Strait Science， 2008，35（10）： 3-8.

[12]胡海清，孙龙，国庆喜，等.大兴安岭1980-1999年乔木燃烧释放碳量研究[J].林业科学，2007，43（11）：82-88.

HU H Q， SUN L， GUO Q X， et al. Carbon emissions from forest fires on main arbor species in Daxingan Mountains in Heilongjiang Province[J]. Forestry Science， 2007， 43（11）： 82-88.

[13]程堂仁，冯著，马钦彦，等.甘肃小陇山锐齿栋林生物量及其碳库研究[J].北京林业大学学报，2007，29（S2）：209-215.

CHENG T R， FENG Z， MA Q Y， et al. Study on biomass and carbon pool of sharp-toothed forest in Xiaolongshan， Gansu[J]. Journal of Beijing Forestry University， 2007， 29（S2）： 209-215.

[14]LUN F， LI W H， LIU Y. Complete forest carbon cycle and budget in China， 1999-2008[J]. Forest Ecology and Management， 2012， 264：81-89.

[15]程根偉，罗辑.贡嘎山亚高山林地碳的积累与耗散特征[J].地理学报，2003，58 （2）：179-185.

CHENG G W， LU J. Characteristics of carbon accumulation and dissipation in subalpine forest land of Gongga Mountain[J]. Journal of Geography， 2003， 58（2）： 179-185.

[16]马钦彦，陈遐林，工娟，等.华北主要森林类型建群种的含碳率分析[J].北京林业大学学报，2002，24（S1）：96-100.

MA Q Y， CHEN X L， GONG J， et al. Carbon content analysis of main forest types in North China[J]. Journal of Beijing Forestry University， 2002， 24 （S1）： 96-100.

[17]GONZALEZ P， BATTLES J J， COLLINS B M， et al. Aboveground live carbon stock changes of California wildland ecosystems， 2001-2010[J]. Forest Ecology and Management， 2015， 348：68-77.

[18]张扬，裴亚蒙，任昊晔，等.模拟氮沉降对长白山兴安落叶松林土壤有机碳库的短期影响[J].林业科技，2019，44（3）：22-25.

ZHANG Y，PEI Y M，REN H Y，et al.Response of soil total organic carbon and its fractions to short-term simulated nitrogen deposition in a Larix gmelinii plantation in Changbai Mountains[J].Forestry Science & Technology，2019，44（3）：22-25.