基于GIS的森林生态系统固碳释氧功能评估——以烟台市为例

孙中元，官静，苏爱锋，曹蓉芬，王正茂，曲宏辉，曹国玉，李洪涛，杨丽君，杨春欣

(1 烟台市自然资源和规划局，山东 烟台 264000；2 烟台市卫正房地产估价有限公司，山东 烟台 264000；3 北京市林业勘察设计院，北京100029)

森林生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，有着复杂的结构和丰富的物种资源，向人类提供种类繁多的物质产品和必要的环境服务，对维持全球气候稳定有着重要的作用[1-2]。森林生态系统的固碳释氧服务功能是指森林生态系统通过森林植被、土壤动物和微生物固 定碳素、释放氧气的功能[3]。在森林生态系统服务固碳释氧功能价值评估方面，Constanza、Pimentel 等国外专家学者，以及侯元兆、谢高地、欧阳志云、王兵、余新晓等国内专家学者，做出了大量的研究，均表明固碳释氧功能与年净生产力有直接关系[4-7]。基于此，原国家林业局[8]于2008年推出了《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721-2008)。目前，国内对于年净生产力的计算主要有3个方法：样地实测、建模估算、遥感模型测算，适用于不同评估层级，各有利弊[8-10]，但多集中在较宏观层次上[12-16]，一些数据采用均值，会造成一些误差，且大多缺乏空间分布研究。

以烟台市全域森林为研究对象，具体到每一个森林小班，利用森林资源变更数据、历年一类清查数据和标准地实测数据，进一步优化样地筛选方法，进行了森林生态功能的数据调整，以获取适合于市级、县级尺度的净生产力数据，提高准确性，并分析了森林生态系统固碳释氧服务功能的空间分布特征。

1 研究区概况

烟台市地处胶东半岛，南、北濒临黄海、渤海，土地总面积1.38万 km2，海岸线总长909 km，属低山丘陵区，只有部分平原分布于滨海地带及河谷两岸，低山占比36.6%，丘陵占比39.7%，平原占比23.7%，土壤以棕壤为主。烟台属暖温带季风型大陆性气候，受海洋的调节，具有雨水适中、空气湿润、气候温和的特点，年平均气温12.7 ℃，极端最高气温38 ℃，极端最低气温-17.6 ℃，平均日照时数2 698.4 h，年平均无霜期210 d。公益林资源主要分布在烟台“屋脊”海拔较高的低山区、丘陵区以及沿海防护林基干林带区域，用材林主要分布于丘陵区以及平原区(以莱阳市、莱州市为主)，经济林广泛分布于烟台市各县，以中、北部栖霞市、蓬莱市、福山区、龙口市、牟平区为代表。

2017年林地数据显示，烟台全市有林地面积为503 166.70 hm2，疏林1 783.31 hm2，灌木林11 000.53 hm2。全市主要有14个优势树种(组)，主要包括赤松、黑松、栎类、刺槐、杨树、针阔混交林、板栗、苹果、梨树、樱桃、其他经济树种(乔化)、其他乔木树种(榆树、楸树等树种统称)、灌木等，各优势树种(组)面积占比由大到小排序苹果(44.48%)、赤松(16.70%)、黑松(9.00%)、刺槐(5.47%)、栎类(4.94%)、樱桃(3.88%)、其他经济树种(乔化)(3.00%)、杨树(2.69%)、针阔混(2.33%)、其他乔木树种(2.18%)、灌木(2.06%)、板栗(1.51%)、梨树(1.47%)、疏林(0.29%)。

2 研究方法

2.1 评估公式

森林生态系统固碳释氧功能评估公式主要依据《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721-2008)[11]。针对主要森林资源类型，结合森林资源变更调查数据、历年一类清查数据，于2017年5月和2018年5月调查标准地林分立地条件及生长现状，确定不同树种在不同立地条件下的单位面积年净生产力。待测算单元指标确定后，应用Arcgis软件，对相同的生态单元进行属性融合，据此进行空间及数据分析。评估公式如下：

植被年固碳量计算公式为：

G碳=A·1.63R碳·B年

(1)

植被年释氧量计算公式为：

G氧气=1.19A·B年

(2)

植被年固碳价值计算公式为：

U碳=A·C碳·1.63R碳·B年·d

(3)

植被年释氧价值计算公式为：

U氧=1.19C氧·A·B年·d

(4)

式中：G碳—实测林分年固碳量(t/a)；B年—实测林分年净生产力 t/(hm2·a)；R碳—二氧化碳中碳的含量；A—林分面积(hm2)；G氧气—实测林分年释氧量(t/a)；式中：U碳—实测林分年固碳价值(元/a)；C碳—固碳价格(元/t)；d—贴现率；U氧—实测林分年释氧价值(元/a)；C氧—制造氧气的价格(元/t)。

2.2 样地筛选

以树种、地形、龄组为评价因子确定基本生态测算单元，在统计面积比例之后，确定样地筛选类型，基本思路如图1所示。

图1 样地筛选示意图Figure 1 Schematic illustration of sample screening

确定样地筛选类型后计算各测算单元下的蓄积加权平均值。计算步骤如下：

1)以某树种i在某地形j情况下某龄组k平均蓄积Vi为赋分值Mi

2)以某树种i在某地形j情况下某龄组k面积为权重Ai

3)蓄积加权平均值X=(M1A1+M2A2+……)/(A1+A2+……)

在森林资源小班数据表中，筛选与蓄积加权值在树种、地形、龄组、蓄积、起源相近的小班，每种情况3～4个重复样地(即3～4个小班)，每个小班连续面积不小于0.667 hm2，每个小班内设置666.7 m2标准地进行树种每木检尺。经济树种年净生产力值通过实际调查果树专业合作社(每个树种3个标准化果园)、文献分析、走访果树专家来确定，灌木林采用样方收获法调查[17,30-31]。

2.3 生物量及生产力计算

研究针对赤松、黑松、栎类、刺槐、杨树、针阔混、其他乔木树种、板栗林，生物量测算及年净生产力测算采用IPCC推荐使用的生物量转换因子[18-21，24]。换算因子公式采用生物量转换因子连续函数法为：BEF=a+b/V，即B=BEF·V=aV+b,BEF为生物量换算因子[18-24]，a和b为常数，V为林分蓄积。

经济树种苹果、樱桃、梨树均调查3个标准化果园，收集果实产量数据、修剪枝条量、落叶生物量数据，同时测定果实、枝条、叶片含水量，初步确定年净生产力，并通过本地果树专家论证确定最终年净生产力。其他经济树种面积占比少，数据参考方精云数据[20]，以9.2 t作为平均年净生产力。

2.4 数据调整

现有的野外实测值不能代表同一生态单元同一目标林分类型的其他评估林分时，需要对其他小班进行生态功能修正，最大限度提高准确性[25-26]。生态系统的服务功能大小与该生态系统的生物量、蓄积量有密切关系，一般来说，生物量越大，生态服务功能越强[25-28]。本研究引入中国林业科学研究院王兵研究员的森林生态功能修正系数概念[25]，对森林小班进行内部生态功能调整，地类涉及乔木林地、疏林地和灌木林地资源。

乔木林、疏林采用生物量进行调整，公式为F=B/B0=BEF·V/B0，F为森林生态功能修正系数，BEF为蓄积量与生物量的转换因子[18-24]，B为林地变更森林资源小班估算生物量，B0为实测林分单位面积公顷生物量(kg/hm2)，V为评估林分单位面积公顷蓄积量(m3)。灌木林采用覆盖度[27,29-30]进行调整，公式为F=资源小班数据库中覆盖度/实测灌木林小班平均覆盖度。

3 结果与分析

3.1 不同树种固碳释氧功能物质量、价值量分析

测算得到年净初级生产力(以下用NPP表示)平均值如表1所示，灌木林、疏林NPP在2.3～2.4 t/(hm2·a)，赤松NPP在2.4～2.9 t/(hm2·a)之间，黑松NPP在3.0～3.9 t/(hm2·a)之间，栎类NPP在3.9～5.5 t/(hm2·a)之间，低山、丘陵以及平原区其他乔木树种在5.3～6.3 t/(hm2·a)，针阔混交林、板栗林NPP在6.1～7.0 t/(hm2·a)之间，杨树NPP在7.0～7.9 t/(hm2·a)之间。针对经济树种，通过实地调查和文献分析经济树种产量、根干叶的生长情况，确定烟台市苹果NPP为11.79 t/(hm2·a)，梨树为11.13 t/(hm2·a)，樱桃为12.27 t/(hm2·a)，与方精云、樊巍研究结果相近[24,31]。总体上，全市森林资源单位面积年净生产力为8.09 t/(hm2·a)，NPP整体排序由大到小为经济树种(樱桃、苹果、梨树、其他经济树种)、杨树、针阔混交林、其他乔木树种、刺槐、栎类、黑松、赤松、灌木、疏林，这与树种生长特性、立地条件及人工干预程度有较大的关系。

烟台市25个生态测算单元固碳释氧功能统计汇总如表1所示。

表1 各优势树种-生态单元固碳释氧功能物质量和价值量统计表Table 1 Statistical tables of the quality and value of dominant species-ecological units for carbon fixation and oxygen release

续表1

全市森林生态系统固碳量为187.451万t/a，年释氧量为501.836万t/a，固碳释氧的总价值量为259.225亿元/a。总固碳量、释氧量、价值量呈现一致规律，总的大小排序为苹果、樱桃、赤松、黑松、刺槐、其它经济树种(乔化)、杨树、栎类、梨树、针阔混、其它乔木树种、板栗、灌木林、疏林树种，固碳释氧的物质量、价值量结果与树种面积和树种NPP有直接关系。

全市单位面积森林资源的年固碳量3.60 t/hm2，年释氧量9.63 t/hm2，年固碳释氧价值量为4.97万元/hm2，单位面积固碳释氧能力由大到小排序为经济树种(樱桃、苹果、梨树、其他经济树种)、杨树、针阔混交林、其他乔木树种、刺槐、栎类、黑松、赤松、灌木、疏林，这与树种年净生产力直接关联。

烟台市森林资源分布面积，低山区、丘陵区、平原区森林资源分别占比9.71%、87.85%、2.45%。低山区、丘陵区、平原区森林资源总生产力分别为16万t/a、398.26万t/a、7.45万t/a，固碳释氧物质量分别为26.12万t/a、651.00万t/a、12.15万t/a，固碳释氧价值量分别为9.83亿元/a、244.80亿元/a、4.57亿元/a，贡献占比分别为3.78%、94.45%、1.77%。低山区、丘陵区、平原区森林资源单位面积生产力分别为3.16 t/a、8.70 t/a、5.84 t/a，固碳释氧物质量分别为5.16 t/a、14.22 t/a、9.52 t/a，固碳释氧价值量量分别为1.94万元/a、5.35万元/a、3.58万元/a。

3.2 不同县市区固碳释氧功能物质量、价值量分析

烟台市14个县市区森林资源固碳释氧功能物质量和价值量统计汇总如表3所示。

续表2

各县市区森林资源面积由大到小排序为栖霞市、 牟平区、 蓬莱市、海阳市、招远市、莱州市、龙口市、莱阳市、福山区、莱山区、昆嵛山、芝罘区、长岛县、开发区。各县市区单位面积NPP在4.09～9.62 t/(hm2·a)之间，单位面积固碳量在1.82～4.27 t/(hm2·a)之间，单位面积释氧量在4.87～11.44 t/(hm2·a)之间，单位面积固碳释氧价值量在2.52～5.91万元/(hm2·a)之间，单位面积固碳释氧能力排序为：莱阳市、蓬莱市、栖霞市、福山区、招远市、龙口市、开发区、莱山区、海阳市、牟平区、莱州市、芝罘区、长岛县、昆嵛山，福山区、莱阳市、蓬莱市、栖霞市在平均水平之上。

总生产力、固碳量、释氧量、总价值方面，均以栖霞市数值最大，分别为131.25万t/a、58.34万t/a、156.19万t/a、80.68亿元/a；长岛县最小，分别为1.45万t/a、0.65万t/a、1.73万t/a、0.89亿元/a；总的价值贡献占比由大到小排序为栖霞市(31.12%)、蓬莱市(11.54%)、牟平区(11.25%)、招远市(8.79%)、海阳市(7.70%)、莱阳市(7.29%)、龙口市(6.28%)、莱州市(5.78%)、福山区(5.09%)、莱山区(2.17%)、昆嵛山(1.06%)、开发区(0.80%)、芝罘区(0.78%)、长岛县(0.34%)。

3.3 单位面积年净生产力(NPP)的空间分布

烟台市单位面积森林资源NPP空间分布如下图2所示。

图2 单位面积森林资源NPP空间分布Figure 2 Spatial distribution of annual net productivity of forest resources per unit area

如图2所示，单位面积NPP在2.3～2.9 t/(hm2·a)的区域占烟台市森林资源面积的19.06%，主要是分布于低山、丘陵区的赤松林、灌木林、疏林，在海拔较高的中部较为常见，譬如昆嵛山、大泽山、牙山、艾山、罗山、招虎山等山系；NPP在3.0～3.9 t/(hm2·a)的区域占比8.99%，主要包括低山、丘陵区的黑松林，沿海防护林区的黑松林在此区域内；NPP在3.9～5.9 t/(hm2·a)的区域占比12.19%，包括所有刺槐林、栎类，还有低山、丘陵区栎类、其它乔木树种(榆树林、楸树林等)，分布较为均匀；NPP在6.1～7.9 t/(hm2·a)的区域占比6.92%，主要包括低山、丘陵、平原区的针阔混交林、杨树林、板栗林，平原区的其他乔木树种；NPP在9.2～12.3 t/(hm2·a)的区域占比52.83%，主要覆盖丘陵区的苹果、梨树 、樱桃及其他乔化经济树种。

从表2可知，烟台市森林资源总净生产力大小为421.711万t/a，平均单位面积NPP为8.09 t/(hm2·a)，各个县市区每年的总净生产力以栖霞市最大，长岛县最小。各个县市区森林资源单位面积NPP由大到小排序为:莱阳市、蓬莱市、栖霞市、福山区、招远市、龙口市、开发区、莱山区、海阳市、牟平区、莱州市、芝罘区、长岛县、昆嵛山，与各县市区树种比例和面积有直接关系，经济林占比越大，NPP越高，单位面积固碳释氧能力越强，生态公益林占比较多的地方，NPP偏低，单位面积固碳释氧能力偏弱。统计显示，莱阳市、蓬莱市、栖霞市各县经济林资源占比分别为75.9%、74.9%、70.2%，位居烟台市前列，用材林资源占比分别为6.1%、0.5%、0.08%，3地NPP在9.0～10.0 t/(hm2·a)之间；昆嵛山、长岛县的经济林资源占比分别为14.24%、0.83%，处于烟台市末位，特种用途林资源占比分别为78.7%、 99.1%，位居烟台市前列，NPP在4.0～4.5 t/(hm2·a)之间，生产力偏低。

表2 各县市区固碳释氧功能统计表Table 2 Statistical table of carbon fixation and oxygen release function in each county

3.4 单位面积年固碳释氧量的空间分布

烟台市单位面积森林资源固碳释氧物质量空间分布如图3所示。

图3 单位面积森林资源固碳释氧物质量空间分布Figure 3 Spatial distribution of carbon sequestration and oxygen release from forest resources per unit area

森林资源单位面积年固碳释氧物质量=1.63R碳·B年+1.19·B年=1.635×B年，固碳释氧能力与年净生产力呈正相关，可知单位面积森林资源固碳释氧物质量的空间分布规律与单位面积NPP空间分布规律一致。由图3可知，平均年固碳释氧量在3.7～4.8 t/hm2、4.8～6.3 t/hm2、6.4～9.6 t/hm2、9.9～13.0 t/hm2区域分别占比19.06%、8.99%、12.19%、6.92%；经济树种平均年固碳释氧量9.2～12.3 t/hm2，占森林资源面积的52.83%。单位面积固碳释氧量由大到小排序为:经济树种(樱桃、苹果、梨树、其它经济树种)、杨树、针阔混交林、其他乔木树种、刺槐、栎类、黑松、赤松、灌木、疏林。总体上看，固碳释氧量的空间分布特征为，中部丘陵区经济林、平原区用材林、丘陵区用材林、平原区公益林、低山区公益林。

单位面积固碳释氧量与年净生产力呈现一致规律，如前所述，各个县市区单位面积(每公顷)年固碳释氧量大小排序为：莱阳市(15.72 t/a)、蓬莱市(15.63 t/a)、栖霞市(15.28 t/a)、福山区(14.18 t/a)、招远市(13.05 t/a)、龙口市(12.22 t/a)、开发区(12.04 t/a)、莱山区(11.84 t/a)、海阳市(11.25 t/a)、牟平区(11.21 t/a)、莱州市(10.32 t/a)、芝罘区(10.03 t/a)、长岛县(7.24 t/a)、昆嵛山(6.69 t/a)，烟台市森林资源年平均固碳释氧量为13.22 t/(hm2·a)。综上分析，就空间数据分析来看，各树种、各县市区之间单位面积生产力、固碳释氧量存在着较大差异。

4 结论与讨论

本研究系统地对烟台市14个优势树种(组)25个生态单元类型进行了固碳释氧功能的研究，借助Arcgis进行空间分析，得到如下结论：烟台市森林生态系统年固碳量为187.451万t/a，年释氧量为501.836万t/a，固碳释氧的总价值量为259.225亿元/a，占到当年烟台市GDP的3.3%。从树种来看，固碳释氧总物质量、价值量以苹果最大，疏林最小。单位面积的年固碳释氧能力由大到小排序为：樱桃、苹果、梨树、其他经济树种、杨树、针阔混交林、其他乔木树种、刺槐、栎类、黑松、赤松、灌木、疏林，这个差别主要是不同树种在不同立地条件下的年净生产力决定的。总体上看，固碳释氧能力空间分布上，由大到小为：中部丘陵区经济林、平原区用材林、丘陵区用材林、平原区公益林、低山区公益林。各个县市区对比来看，总固碳释氧物质量、价值量以栖霞市最大，长岛县最小。单位面积的固碳释氧能力以莱阳市最大，昆嵛山最小，由大到小排序为：莱阳市、蓬莱市、栖霞市、福山区、招远市、龙口市、开发区、莱山区、海阳市、牟平区、莱州市、芝罘区、长岛县、昆嵛山。

样地筛选的普遍性和特殊性。研究在样地筛选中，充分考虑了树种、面积、地形、龄级、蓄积因子，能够较大范围覆盖本地生态单元类型。抽样方法属于典型概率抽样中的分层抽样方法，不同于简单随机抽样以及大范围的固定样地[32-33]，充分考虑了共性的影响因素，适用于地市级的生态单元样地筛选。同时，也兼顾到海防林区域、经济林区域的特殊性，有较大的灵活性。

年净生产力的计算及样地监测。研究基于样地实测、每木检尺进行的蓄积量、生物量统计，蓄积量测算严格依据本地材积表，生物量测算采用IPCC推荐的蓄积量——生物量转换因子，属于材积源生物量法[20]。基于实测的数据能够反映1 a至2 a短期内的生产力值，因为人力、物力的原因，长期的动态监测难度较大。目前，广东鼎湖山、浙江古田山等地建成一批森林动态监测样地[34]，2008年杭州市启动了以固定样地监测为基础的森林及生态状况年度监测与公告工作[35]，在市县级层面上，把森林资源年度变更工作和固定样地监测、生物量生产力监测结合起来，是推动森林生态评估动态发展的便捷手段。此外，针对于苹果、梨树、樱桃，采用样地实测、文献分析、专家论证方式确定，没有采用方精云院士区域均值[20]，是本研究创新化、本地化的方面。

固碳释氧功能分布差异。烟台市森林资源固碳释氧单位面积价值达到了4.97万元/hm2，大于济南市[36]、 秦皇岛市[37]等地级市，与森林生产力、树种直接相关，同时与评估时间、物价等因子也有较大联系[38]。不同县市区的森林资源在固碳释氧功能方面存在较大差异，这与树种结构、面积比例、NPP、立地条件、人为干扰等因素有着极大的关联性[39]。通过数据及空间分析，笔者看到，各县市区森林资源在树种组成、生长状况上有着较大的差异，单位面积森林资源固碳释氧功能差异较大。长岛县、昆嵛山、沿海防护林区等的针叶树种存在着造林密度大、缺乏抚育、年净生产力低的情况，树种的固碳释氧功能受到限制，其他一些保护区、森林公园存在着类似的问题，建议加强抚育管理，提高森林质量，以提升单位面积服务价值[40-41]；栖霞市、蓬莱市森林资源面积较大，但是经济林资源占比过大，不同立地条件受人为干扰较重，表现出较强的生产力。基于此，基于GIS和烟台市森林资源数据的固碳释氧功能评估，能够帮助人们理性认识森林资源生态效益，同时为森林分类经营、抚育等提供一些参考。