成都市森林植被碳储量及空间分布格局*

任德智，廖兴勇，肖前刚，赖长鸿，宋放，孟思淼，彭雪芹

(1.成都市农林科学院林业研究所，四川 成都 611130;2.四川省林业和草原生态监测中心，四川 成都 610081;3.成都兴绿林业科技发展有限公司，四川 成都 611130)

森林资源清查是我国现有最全面和最有效的森林资源数据获取手段，也是提取不同尺度森林资源碳储量信息的重要手段[1-5]。四川省在森林植被[6-8]、土壤[9-10]、森林类型[11-13]以及森林生态系统碳储量[14]等许多方面均取得了一定的研究成果。但是，作为省会城市和新一线城市的成都，基于小班尺度估算森林碳储量尚未见专题研究报道，已有成果多以县、市级尺度估算总量的形式散见于相关研究报道中，如唐霄等[15]基于四川省2004年各县森林资源清查汇总数据估算出成都市森林植被碳储量7.189 3×106t、碳密度19.87 t/hm2，骆宗诗等[8]基于四川省2007年森林资源监测数据得出成都市林分碳储量1.0×107t、碳密度42.34 t/hm2等。因此，本研究利用成都市2017年森林资源规划设计调查(以下简称“二调”)资料，基于小班尺度估算全市森林植被的碳储量和碳密度，并探讨其空间分布格局，成果将为成都市森林价值及服务功能估算、碳汇能力提升等提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及材料

成都市地处四川盆地西部岷江中游地段(102°54′～104°53′E，30°05′～31°26′N)，国土面积14 335 km2，境内人口密度为1 143.39 人/km2[16]。海拔介于359～5 364 m之间，地势总体呈西北向东南倾斜，西部以深丘和山地、中部以平原、东部以台地和低山丘陵为主，形成了平原、丘陵、高山各占三分之一的独特地貌。气候属于亚热带湿润季风气候区[6]，年平均降水量873～1 265 mm，年平均气温在15.2～16.6 ℃左右。土壤类型多样，平原以灰色及灰棕色潮土的平原冲积土为主，低山及丘陵以紫色土为主，山区以山地黄壤、黄棕壤为主。全市2018年度森林覆盖率39.50%，森林面积566 233.33 hm2，活立木总蓄积量3 506.48×104m3，其中，森林蓄积量3 123.53×104m3。

1.2 研究方法

1.2 .1 数据来源

以成都市2017年森林资源规划设计调查小班矢量数据为数据源，估算全市森林植被碳储量，主要包括乔木林(包括乔木层、灌木层和草本层)、疏林、灌木林、竹林、散生木和四旁树等活植被的地上和地下部分碳储量。

1.2.2 森林生物量的估算

采用转换因子连续函数法估测森林植被生物量[4,17]，生物量模型及参数按成都市为首选，结合四川省相应或近似植被生物量模型及参数的原则进行选取，参考已有研究成果[6-7,15,18]，本研究选取的生物量回归方程及参数见表1。

1.2.3 含碳率

含碳率按成都市为首选，结合四川省相应或近似植被含碳率的原则选取。参考已有研究成果[6-7,15,18-19]，本研究选取的含碳率见表1。

表1 生物量转换方程[6-7,15,18]及含碳率[6-7,15,18-19]Tab.1 Biomass conversion equation and carbon content rate

1.2.4 碳储量和碳密度的计算

(1)小班碳储量

小班碳储量计算公式如下。

①

其中：C小班表示小班碳储量(t)；Wi表示小班内第i种植被(类型)的生物现存量(t)；Ri表示小班内第i种植被(类型)的含碳率(%)；n表示小班内植被(类型)的数量(种)。

(2)碳储量

基于小班碳储量为统计单元，进行逐级汇总，得到相应汇总单元的森林植被碳储量。

②

式中:Ct为统计单元碳储量(t)；Ci为小班碳储量(t)；m表示统计单元内的小班数量(个)。

(3)碳密度的计算

碳密度即单位面积碳储量。计算公式如下：

ρc=Ct/At

③

式中:ρc为统计单元碳密度(t/hm2) ；Ct为统计单元碳储量(t)；At为统计单元面积(hm2)。

1.2.5 空间分布格局分析

(1)在ARCGIS 10.5软件中建立碳储量矢量数据的链接字段，并按小班赋唯一值；

(2)运用ARCGIS 10.5的表格显示分区统计工具，分别提取碳储量矢量数据的小班平均海拔、小班平均坡度；

(3)通过链接字段将提取的小班平均海拔和小班平均坡度链接至碳储量矢量小班数据库；

(4)运用ARCGIS 10.5的重分类工具，按海拔和坡度分级标准进行重分类，得到海拔和坡度分级的碳储量矢量数据库；

(5)运用ARCGIS 10.5制作相应的空间分布格局图，探讨碳储量和碳密度的空间分布格局。

2 结果与分析

2.1 森林植被碳储量和碳密度

2.1.1 森林植被碳储量

(1)不同森林植被类型碳储量

从表2可知，成都市森林植被总碳储量为1.336 9×107t，其中：乔木林碳储量占78.50%；竹林碳储量次之，占15.11%；灌木林碳储量占4.00%；散生型植被碳储量占2.09%；疏林碳储量最低，仅占0.31%。

表2 成都市森林植被碳储量及森林植被碳密度统计

(2)乔木林碳储量

从表3可知，成都市有乔木林195种，其总碳储量1.049 4×107t，其中以柏木林最高为1.468 0×106t。不同森林类型间碳储量差异非常明显，其中，碳储量占全市储量百分比10%以上的乔木林有柏木、冷杉2种；5%～10%之间的有柳杉、青冈2种；1%～5%之间的有20种，依次为楠木>桦木>柑橘>马尾松>栎>云杉>枫杨>巨桉>灯台树>水杉>桃>桤木>厚朴>铁杉>杉木>喜树>桂花>枇杷>樟树>核桃；碳储量小于1%的乔木林有171种，累计碳储量占全市储量百分比仅为13.76%。

表3 成都市不同类型、龄组的乔木林碳储量和碳密度Tab.3 Carbon storage and carbon density during different type and age groups forest in Chengdu

全市乔木林按龄组统计碳储量(总碳储量占比)，从大到小依次为：中龄林(30.19%)>成熟林(27.68% )>近熟林(25.60% )>幼龄林(8.98%)>过熟林(7.55%)，总体呈近似“M”形分布规律，表明全市乔木林碳储量属于稳定持续增长型结构。成都市各主要林分类型碳储量按龄组分布的规律大体上与全市总体表现一致。

2.1.2 森林植被碳密度

从表2可知，成都市森林植被总碳密度11.71 t/hm2,不同植被类型碳密度介于9.64～29.97 t/hm2，其中，竹林最高，疏林最低。

全市乔木林总碳密度23.66 t/hm2，高于全市森林植被总碳密度(表2)。不同乔木林的碳密度差异非常明显(表3)：碳密度大于50 t/hm2的乔木林共3种，分别是铁杉林、云杉林、冷杉林； 40～50 t/hm2仅有马尾松林；30～40 t/hm2有2种，分别是柳杉林、杉木林；20～30 t/hm2有8种，按碳密度排序为楠木林>柏木林>青冈林>水杉林>栎林>樟树林>厚朴林>桦木林>喜树林>桤木林；其余林分碳密度均低于20 t/hm2。

全市乔木林按龄组统计(表3)，其碳密度大小依次为：成熟林36.43 t/hm2>过熟林34.95 t/hm2>中龄林22.26 t/hm2>近熟林19.70 t/hm2>幼龄林15.06 t/hm2，全市碳密度按龄组分布的规律与碳储量一样，呈近似于“M”形的分布规律。随龄组增大，各乔木林碳密度大多表现出波浪形增大的变化趋势。

2.2 森林植被碳储量和碳密度的空间分布

2.2.1 森林植被碳储量和碳密度的区域空间分布格局

运用ARCGIS 10.5制作成都市植被类型碳储量点密度图(1点=150 t)(图1)，图中点密度越高，表示碳储量越大，反之则表示越小。利用森林植被碳储量点密度空间分布特征结合地貌形态[17]可把成都市分为4个大区域，即西北部龙门山脉区域、中东部的龙泉山区域、中部平原区(龙泉山区域与龙门山脉中间的平原区域)以及龙泉山东侧丘陵台地区域。其中，西北部龙门山脉区域为高点密度集中分布区，是成都市森林植被的高碳储量区；中东部的龙泉山区域为较高点密度区域，但是其面积或点密度均明显低于龙门山脉区域，是成都市森林植被碳储量相对集中分布的另一个区域；中部平原区和龙泉山东侧丘陵台地区域均为低点密度区，且点较为分散，为分散型低碳区。

图1 成都市森林植被碳储量点密度的空间分布Fig.1 Spatial distribution of carbon storage point density of forest in Chengdu

运用ARCGIS 10.5对森林植被碳密度按6个等级(分级标准：1级0～11.71 t/hm2，2级11.71～20 t/hm2，3级20～40 t/hm2，4级40～60 t/hm2，5级60～80 t/hm2，6级大于80 t/hm2)制作碳密度等级图(图2)。从图2可以看出，龙门山脉区域为全市高碳密度区，各等级碳密度区呈斑块状镶嵌分布。其中，以2级和3级碳密度区为主，1级碳密度区分布范围相对较小，全市4级及以上碳密度区集中分布在该区域。中部平原区以1级低碳密度区占绝对优势，2级碳密度区有较小比例分布，3级以上碳密度区呈小斑块零星镶嵌分布。龙泉山区域2级碳密度区分布范围较大，且以西南部为主，3级碳密度区零星镶嵌分布，1级碳密度区以东北部呈相对集中分布。龙泉山东侧丘陵台地区呈以1级碳密度区为主，2级和3级碳密度区较为均匀镶嵌其中的分布格局。

图2 成都市森林植被碳密度空间分布 Fig.2 Spatial distribution of forest vegetation carbon density in Chengdu

2.2.2 森林植被碳储量和碳密度的海拔梯度空间分布格局

参照国家林业局2003年4月颁布的《森林资源规划设计调查主要技术规定》和第一次全国地理国情普查海拔分级标准，结合成都市0～1 000 m海拔区域面积较大且相对集中的特点，本研究将低海拔区域(0～1 000 m)进行进一步细分为0～500 m低海拔区域A和500～1 000 m低海拔区域B；中海拔区域为1 000～3 500 m；高海拔区域为3 500～5 000 m；极高海拔区域为>5 000 m。

从图3和图4可知，成都市森林植被碳储量和碳密度随海拔增加总体上呈以中海拔区域为最高的先增后减的变化趋势。不同海拔梯度碳储量大小依次为：中海拔区域>低海拔区域B>低海拔区域A>高海拔区域>极高海拔区域。碳密度的大小依次为：中海拔区域>高海拔区域>低海拔区域B>极高海拔区域>低海拔区域A。

图3 成都市森林植被碳储量和碳密度海拔分布统计 Fig.3 Statistical map of carbon storage and density of forest vegetation in Chengdu

图4 成都市森林植被碳储量与海拔叠加空间分布Fig.4 Spatial distribution map of forest vegetation carbon storage and altitude superposition in Chengdu

中海拔区域集中分布于龙门山区域，18.37%的森林面积贡献42.52%的碳储量，平均碳密度达到27.11 t/hm2，是全市森林植被碳储量贡献最大的高碳密度海拔区。低海拔区域B(500～1 000 m)主要分布在中部平原区西部和龙泉山区域，43.05%的森林面积贡献37.81%的碳储量，平均碳密度仅为10.29 t/hm2，总体属于高碳储量较低碳密度区。低海拔区域A(0～500 m)主要分布在中东部的龙泉山两侧区域，37.78%的森林面积贡献18.18%的碳储量，平均碳密度仅为5.64 t/hm2，属中碳储量低碳密度海拔区。高海拔区域主要分布在成都市最西部边缘及龙门山北部山区，碳储量点密度较高，平均碳密度达到较高21.85 t/hm2，但是其面积仅占0.80%，碳储量占总量百分比仅为1.49%，属于低碳储量较高碳密度海拔区。极高海拔区域呈零星分布在最西部边缘及龙门山北部山区，其面积、碳储量及平均碳密度(8.39 t/hm2)均较低，为全市低碳储量低碳密度区。

2.2.3 森林植被碳储量和碳密度的坡度空间分布

格局

从图5可知，成都市森林植被碳储量随坡度的增加，总体呈以缓坡为最高的先增后降的变化趋势，与面积变化趋势一致，其大小依次为：缓坡>斜坡>陡坡>平坡>急坡>险坡。碳密度随坡度的增加呈以陡坡为最高的先快速增加后缓慢降低的变化趋势，其大小依次为：陡坡>急坡>险坡>斜坡>缓坡>平坡。

图5 成都市森林植被碳储量和碳密度坡度的分布特征 Fig.5 Statistical chart of slope distribution characteristics of carbon storage and carbon density of forest vegetation in Chengdu

从图5、图6可知，缓坡、斜坡和陡坡3个坡度共同贡献总碳储量的81.62%，平坡、急坡、险坡贡献总碳储量的18.38%，其中：缓坡森林植被碳储量主要分布在中部平原区域、龙泉山东侧丘陵台地区域，53.97%的森林植被面积贡献33.21%的碳储量，平均碳密度7.21 t/hm2，为高储量低密度坡度；斜坡主要分布在龙门山西南部及其向东部与平原区的交接区域、龙泉山区域，14.02%的森林植被面积贡献27.21%的碳储量，为较高碳储量高碳密度坡度；陡坡主要镶嵌分布在西北龙门山脉的西北部和西部，9.10%森林植被面积贡献21.20%的碳储量，平均碳密度27.29 t/hm2，为较高碳储量高碳密度坡度；平坡主要分布在平原区的西部近边缘区域及龙泉山两侧相邻区域，其森林植被面积占总森林植被面积的18.25%，仅贡献7.96%的碳储量，属低碳储量和低碳密度坡度；急坡和险坡主要集中分布在龙门山脉的西部和西北部，属低碳储量较高碳密度坡度。

图6 成都市森林植被碳储量坡度空间分布格局Fig.6 Spatial pattern of carbon storage distribution in different slope forest in Chengdu City

2.3 森林植被类型碳储量和碳密度空间分布特征

从图1、2、4、6可知，乔木林碳储量在各海拔梯度和坡度均有分布，且面积最大，分布范围最广，其空间分布规律与全市森林植被碳储量分布规律基本一致；灌木林碳储量主要分布在龙门山脉的西、北部的低海拔陡坡和急坡区域、西南部蒲江县和邛崃市交界、龙泉山西侧的平原过渡区(龙泉驿区)的低海拔平坡区域，点密度较低且分布较分散，分布面积相对较小；竹林碳储量主要分布在龙门山脉与中部平原区过度的低海拔(500～1 000 m)的缓坡和斜坡区域，其中以西南部邛崃市分布最为集中、点密度最高，其他区域竹林碳储量多为零散或小面积集中分布；散生型植被碳储量主要分布在龙泉山两侧低海拔(0～500 m)的平、缓坡区域，总体为低点密度的分散分布，其中以北部新都区和东北部金堂县的缓坡区分布范围较大，点密度相对较高，也相对集中；疏林碳储量在最西部高海拔、陡坡区域有小块相对集中分布，其余因碳储量小且较为分散，在图中未能表现。

3 讨论与结论

(1)成都市森林植被固碳能力 碳密度是森林固碳能力的重要量化指标之一[6]。从成都市碳密度分布来看，固碳能力呈现明显的区域不均。龙门山区域地形多属高山，区域内海拔较高、水热和立地条件均较好，人口密度低，且自然保护地面积占比较大，因此，森林资源丰富且林分质量较高，故表现为高固碳能力区；平原区和丘陵台地区，属农、林、城镇的交错区，人为活动剧烈，各类用地矛盾突出，森林资源多为固碳能力较弱的零星人工林、四旁及城市绿化资源，因此，表现为较低固碳能力；龙泉山区地形为低丘陵区，区域内海拔较低、大型城镇较少，人口密度相对较低，但受立地条件及水资源的制约，森林资源相对丰富但质量总体不高，因而，固碳能力一般。

(2)成都市森林植被增汇潜力 森林生态系统在碳源与汇[21-22]的动态中调节和维护区域及全球碳平衡[23]。已有研究表明[24-25]，森林增汇主要策略有：减源增汇、提质增汇和面积增汇等。其中，减源增汇主要是通过减少森林资源耗损的策略完成增汇；提质增汇通过森林经营等手段提升单位面积碳汇能力达到增汇目的；面积增汇通过造林、增绿等增加森林面积的方式进行增汇。本研究结合成都市的地形地貌和社会经济发展认为：龙门山区域宜以提质增汇和减源增汇为主，即与保护地管理相结合，通过增强管控和保护力度，减少现有资源损耗，同时加强科学营林，达到增汇目标；平原区和丘陵台地区，可与美丽宜居公园城市建设和成都市的东进战略等相结合，以面积增汇和提质增汇为主，重点加大城市公园、小区、道路、河道等绿化、农田林网建设以及人居环境提升等，做到应绿尽绿，优化植被配置模式，以提高植被吸碳能力，实现增汇；龙泉山区域则宜以减源增汇、面积增汇及提质增汇等多方式相结合，即依托龙泉山城市森林公园建设，因地制宜，分别采用低质低效林改造、景观提升和规划新增生态空间造林、增绿等方式提升碳汇能力，严格执行公园管理条例保护森林资源实现减源增汇。