川西北高山峡谷区森林碳储量及空间分布研究——以四川洛须自然保护区为例

吴胜义 ，王飞 *，徐干君 ，马浩 ，党禹杰 ，吴菲

1.国家林业和草原局西北调查规划院，陕西 西安 710048；2.旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室，陕西 西安 710048

森林是陆地生态系统主体，不仅为人类提供了丰富的林木资源，而且发挥着涵养水源、保持水土、维护生物多样性、调节气候等生态功能，被称为地球之肺。森林植物利用光合作用吸收 CO2、释放O2，并将碳固定在植物的根、茎、叶、果实内，同时又通过植物和土壤呼吸释放出一部分CO2，具有碳汇和碳源双重属性。森林是陆地生态系统最大碳库，储存了陆地生态系统地上部分碳储量的76%—98%，其碳储量的增减影响着大气中 CO2浓度变化，森林状况的好坏很大程度上决定了陆地生物圈是碳源还是碳汇（傅伯杰等，2005；胡会峰等，2006；田汉勤等，2007；杨晓菲等，2011；王兴昌等，2015）。因此，森林在达成本世纪末全球升温控制在 2 ℃以内、实现我国碳达峰碳中和目标起着十分关键的作用。

随着全球气温持续上升，近几十年来森林碳汇功能逐渐成为森林生态学、植物学、地球科学等学科研究的热点，我国学者在区域性大尺度范围持续开展了森林生态服务功能、固碳能力、碳库动态变化等研究（方精云等，2001；王效科等；2001；余新晓等，2005；李海奎等，2010；李世东等，2013）。森林储存碳的能力不仅取决于各类森林面积的大小，而且还受森林碳密度的影响（胡会峰等，2006）。当前，利用森林资源连续清查数据，以森林蓄积量、生物量为基础，建立森林植被碳储量估算方法，计算宏观尺度的碳储量、碳密度已得到广泛应用。如燕腾等（2016）应用该方法了估算了西南5省市区森林碳储量、碳密度，邵波等（2017）估算了四川省森林碳储量与碳密度等。随着GIS技术的快速发展，林业经营管理单位层面的森林碳储量与空间分布已经有了一些初步探索，如肖阳等（2013）应用GIS分析了海南毛瑞林场天然次生林碳汇价值，徐少君等（2012）通过 RS/GIS技术研究了重庆缙云山森林植被碳储量空间格局。估算森林碳储量对于分析研究森林生态系统在全球和区域碳循环所起的作用意义重大（王会荣等，2019），提升森林碳汇功能是人类减缓和适应气候变化的重要途径（刘淑琴等，2017）。洛须自然保护区地处川西北高山峡谷区，分布着典型的高原山地森林，是川西北地区重要的固碳场所。采用GIS空间分析技术手段，探索该区域森林碳储量分布规律，对于维护川西北地区森林生态系统稳定和碳平衡具有重要意义。

洛须省级自然保护区地处金沙江北岸、青藏高原东南缘，属于川滇森林及生物多样性生态功能区，区内不仅有白唇鹿（Przewalskium albirostris）、马麝（Moschus chrysogaster）、雪豹（Panthera uncia）等珍稀野生动物，也分布着云杉（Picea likiangensisvar.rubescens）、高山柏（Juniperussquamata）等重要的地带性森林资源，生态地位重要，生态敏感度高。本文以四川洛须自然保护区为研究范围，以森林资源规划设计调查成果为基础，叠加森林矢量数据与DEM数据，通过应用生物量转换和扩展方法，并结合GIS空间分析，分析研究各类森林碳储量、碳密度及其空间分布，为川西北高山峡谷区森林生态系统保护管理和碳汇决策提供参考。

1 研究区概况

研究区地处四川省甘孜藏族自治州石渠县西南角，面积 155350.00 hm2，地理位置介于 97°21′6″—97°57′11″E，32°29′10″—32°59′26″N。地貌属高山峡谷区，地势高峻，河谷深切狭窄，岭谷高差在200 m以上，地貌类型主要为中山和高山，最低海拔3320 m，最高海拔5255 m。气候属高原山地气候区，垂直地带性差异明显。年均降雨量529 mm，集中在6月—9月，年均蒸发量1699.2 mm；年均相对湿度为55%，平均无霜期69.4 d；年均气温0.8—5.6 ℃之间，大于0 ℃积温2438 ℃。河流呈树枝或羽状分布，均属金沙江流域。溪河众多，金沙江一级支流有 32条，其中较大的支流有栽胡、安扣、洛绒陇等。土壤以高山碳酸盐草甸土为主，另有高山灌丛草甸土、高山寒漠土等。森林植被以暗针叶林为主，天然林占98.1%。保护区有维管植物78科290属926种，脊椎动物34目70科275种。

2 材料与方法

2.1 材料来源

材料来自石渠县 2019年森林资源规划设计调查成果，含森林小班数据库和DEM数据。研究区林地43268.28 hm2，森林36760.41 hm2，森林覆盖率23.27%，活立木总蓄积400297.0 m3。林地中，有林地面积12819.68 hm2，蓄积396096.8 m3，均为乔木林；灌木林地28176.21 hm2，其中国家特别规定灌木林28145.02 hm2，其它灌木林26.15 hm2；其它林地2272.39 hm2。乔木林中，针叶林12320.66 hm2，阔叶林303.97 hm2，针叶混交林50.74 hm2，阔叶混交林9.05 hm2，针阔混交林135.26 hm2。小班最小区划面积0.0667 hm2，DEM数据像元大小8.0 m×8.0 m。本研究仅对乔木林和灌木林碳储量及其空间分布进行分析，各森林分布见图1。

图1 各森林类型分布图Figure 1 Distribution map of forest types

2.2 研究方法

2.2.1 森林碳储量与碳密度计算

本研究以森林资源规划设计调查成果为基础，以小班为样本，通过生物量转换和扩展方法建立森林生物量与蓄积量之间对应关系，再根据各树种基本木材密度、含碳率、根茎比、生物量转换和扩展系数等（国家林业局造林绿化管理司等，2015；唐才富等，2017；邱书志等，2018），计算出研究区乔木林各森林类型碳储量。

式中：

RBCEF——树木地上生物量与树干蓄积量之比；

RBEF——树木地上生物量与树干生物量比值；

D——基本木材密度；

C——森林碳储量；

V——森林蓄积量；

RTREE_BSL——各树种根茎比；

RCF——生物量含碳率，乔木各树种组参数见表1（国家林业局造林绿化管理司等，2015）。研究区地处高原山地气候区，灌木林以及部分灌化无蓄积乔木林，采用平均生物量6.20 t·hm-2，含碳率0.4650（国家林业局造林绿化管理司等，2015）。

表1 乔木各树种组参数Table 1 Parameters of tree species

2.2.2 GIS空间数据分析

海拔、坡向和坡度是影响森林生态系统功能和森林植物生长的重要环境因素（祁建等，2007；赖家明等，2013；陈晨等，2015；李益敏等，2020；张静静等，2020；任德智等，2021）。GIS空间数据分析指应用 ArcGIS平台，叠加小班矢量图层与DEM 数据，对森林碳储量和碳密度空间分布进行分析，统计各海拔梯度、坡度级、坡向等地形区间数据，并用图形进行表达。

研究区森林分布介于海拔3300—5000 m，按200 m间隔划分成9个区间：3300—3500、3501—3700、3701—3900、3901—4100、4101—4300、4301—4500、4501—4700、4701—4900、4901—5000 m。坡度分为6个等级：平坡（0°—5°）、缓坡（6°—15°）、斜坡（16°—25°）、陡坡（26°—35°）、急坡（36°—45°）、险坡（46°以上）。坡向按方位角划分成5个主坡向：阳坡（157.5—247.5°）、半阳坡（112.5°—157.5°和 247.5°—292.5°）、阴坡（337.5°—360.0°和 0.0°—67.5°）、半阴坡（67.5°—112.5°和 292.5°—337.5°）、无坡向（坡度≤5°的地段）。海拔、坡度、坡向见图2—4。

图2 海拔梯度图Figure 2 Map of altitude gradient

图3 坡度分级图Figure 3 Map of slope grades

图4 坡向分级图Figure 4 Map of aspect grades

3 结果与分析

3.1 森林碳储量和碳密度

3.1.1 森林类型结构

根据研究区 2019年森林资源规划设计调查成果中各森林类型小班数、面积、蓄积，估算出森林碳储量和碳密度，见表2和图5。研究区森林碳储量232305.2 t，碳密度5.7 t·hm-2，其中乔木林碳储量151076.3 t，碳密度11.8 t·hm-2；灌木林碳储量81228.9 t、碳密度2.9 t·hm-2。在各森林类型中，针叶林面积12320.66 hm2，碳储量138067.7 t，占研究区森林碳储量的59.4%，固碳量最大；灌木林面积28176.21 hm2，碳储量81228.9 t，占35.0%，固碳量次之；阔叶林、针阔混交林、针叶混交林、阔叶混交林面积和蓄积均较小，森林碳储量也较小。结果表明，针叶林和灌木林在研究区森林结构和森林碳储量中占重要地位。

表2 各森林类型碳储量及碳密度Table 2 Carbon storage and carbon density of forest type

图5 森林碳密度分布图Figure 5 Distribution map of carbon density

3.1.2 树种（组）结构

（1）乔木林

乔木林共分为 8个树种（组），各树种（组）碳储量及碳密度见表 3。碳储量排前两位的为川西云杉、高山柏，合计碳储量138067.7 t，占乔木碳储量的91.4%，处于主导地位，贡献了乔木林最大的碳储量。其它树种（组）碳储量合计仅13008.6 t，仅占8.6%，比重较低。按碳密度比较，针叶混碳密度最大，碳密度50.4 t·hm-2；其次为川西云杉，碳密度 33.9 t·hm-2；杨树（Populusspp.）、高山柏和阔叶混碳密度较低。详见表3。

表3 乔木各树种组碳储量及碳密度Table 3 Carbon storage and carbon density of each dominant tree species

（2）灌木林

灌木林树种主要有高山柳（Salix cupularis）、小叶杜鹃（Rhododendron parvifolium）、锦鸡儿（Caragana tibctica）、金露梅（Potentilla fruticosa）、鲜卑花（Sibiraea angustata）、沙棘（Hippophe thibetana）、小蘖（Berberis kawakamii）、绣线菊（Spiraea alpina）等。其中小叶杜鹃面积13459.43 hm2、碳储量38803.1 t，高山柳面积10160.45 hm2、碳储量29291.2 t，两者碳储量合计占灌木林碳储量的83.8%。

3.1.3 乔木各龄组结构

根据研究区 2019年森林资源规划设计调查成果中乔木林各龄组面积、蓄积量可估算各龄组碳储量和碳密度。按碳储量规模比较，成熟林碳储量最大，占乔木碳储量42.2%；幼龄林次之，占19.2%；近熟林碳储量最小。按碳密度比较，森林碳密度随林龄增长呈上升趋势。近、成、过熟林碳密度均高于乔木平均碳密度11.8 t·hm-2，中龄林碳密度略低于平均值，幼龄林碳密度最小。详见表4。

表4 乔木各龄组碳储量及碳密度Table 4 Carbon storage and carbon density of tree age groups

乔木幼龄林面积 7147.40 hm2，中龄林面积2589.49 hm2，幼、中龄林面积占乔木林面积的76.0%，表明研究区具有较好的后备森林资源，森林碳汇前景较好。

3.2 空间分布

3.2.1 海拔

森林碳储量集中在3701—4500 m之间，占总碳储量的 88.6%。碳储量按海拔梯度分，3901—4100 m区间84410.4 t，占36.3%，比例最高；4101—4300 m区间51464.5 t，次之；3701—3900 m区间37494.3 t，排第3位；海拔4700 m以上森林碳储量很小。碳密度按海拔梯度分，3901—4100 m区间10.8 t·hm-2，密度最高；3701—3900 m区间8.7 t·hm-2，次之；4101—4300 m 区间 5.3 t·hm-2，排第3。详见图6、表5。

表5 各海拔梯度森林碳储量和碳密度Table 5 Forest carbon storage and carbon density at different altitudes

图6 不同海拔梯度森林碳储量和碳密度Figure 6 Carbon storage and carbon density of different altitudes

主要森林类型中，针叶林森林碳储量集中在3701—4300 m之间，占针叶林总碳储量的95.2%；3901—4100、3701—3900、4101—4300 m区间森林碳储量位列针叶林前3位。阔叶叶林碳储量集中在 3701—4100 m之间，占阔叶林总碳储量的78.9%；3901—4100、3701—3900 m区间森林碳储量和碳密度居阔叶林前2位。灌木林碳储量集中在 4101—4700 m之间，占灌木林总碳储量的79.7%；4301—4500、4101—4300、4501—4700 m区间碳储量居灌木林总碳储量前3位。

结果表明，海拔4500 m以上区域针叶林分布极少；阔叶林多分布在4100 m以下区域；灌木林比针叶林和阔叶林具有更强的海拔适应性，4501—4700 m也有较大规模分布，分布范围也比针、阔叶林更广泛。

3.2.2 坡度

森林碳储量集中在陡、急坡，即26°—45°之间，占总碳储量的80.9%。森林碳储量按坡度级分，急坡碳储量117252.0 t，占50.5%，比例最高；陡坡碳储量70714.2 t，占比次之；险坡碳储量27880.5 t，排第3位；平坡、缓坡森林碳储量较小。森林碳密度按坡度级分，险坡碳密度8.1 t·hm-2，密度最高；急坡碳密度 6.3 t·hm-2，次之；陡坡碳密度 4.9 t·hm-2，排第3位；平、缓、斜坡森林碳密度较低。详见图7、表6。

表6 各坡度级森林碳储量和碳密度Table 6 Forest carbon storage and carbon density of different slopes

图7 各坡度级森林碳储量和碳密度Figure 7 Carbon storage and carbon density of different slopes

主要森林类型中，针叶林森林碳储量集中在陡、急、险坡，即坡度 26°以上，占针叶林森林总碳储量的97.2%；急坡、陡坡、险坡森林碳储量和碳密度均位列针叶林分列前3位。阔叶叶林森林碳储量集中在急坡，占阔叶林森林总碳储量的54.3%。灌木林碳储量集中在陡、急坡，即26°—45°之间，占灌木林总碳储量的80.3%；急坡、陡坡、斜坡碳储量居灌木林总碳储量前3位。

由此可见，针叶林、阔叶林、灌木林主要分布在地势陡峭的高山峡谷地带，灌木林在斜坡也有一定规模分布，平缓地区森林规模则较少。

3.2.3 坡向

森林碳储量在阴坡、半阴坡、半阳坡分布较多，阳坡规模稍低。碳储量按坡向分，半阴坡森林碳储量68287.2 t，占比最高；半阳坡森林碳储量64592.6 t，次之；阴坡森林碳储量63717.4 t，排第3位；阳坡森林碳储量 33341.0 t；无坡向森林碳储量较小。森林碳密度按坡向分，阳坡、半阳坡、阴坡、半阴坡碳密度几乎相当，在5.5—5.8 t·hm-2之间；无坡向森林碳密度较低，为3.4 t·hm-2。详见图8、表7。

表7 各坡向森林碳储量和碳密度Table 7 Forest carbon storage and carbon density of different aspects

图8 各坡向森林碳储量和碳密度Figure 8 Carbon storage and carbon density of different aspects

主要森林类型中，针叶林森林碳储量在阳坡、半阳坡与阴坡、半阴坡比例接近，分别为 51.5%、48.5%；阴坡、半阴坡碳密度明显高于阳坡、半阳坡。阔叶叶林森林碳储量集中在阴坡、半阴坡，占阔叶林森林总碳储量的 75.8%。灌木林碳储量集中在阴坡、半阴坡，占灌木林总碳储量的67.4%；阴坡、半阴坡、半阳坡碳储量居灌木林总碳储量前3位。

针叶林主要树种是川西云杉、高山柏，川西云杉较喜荫，高山柏喜阳光充足，因此两者在坡向上几乎呈交错分布。阔叶林、灌木林则较多分布在阴坡、半阴坡，以喜荫植物为主。

4 结论与讨论

4.1 讨论

气候变化和人类生产持续不断改变陆地生态系统结构，影响了碳的固定，造成了陆地生态系统碳源与碳汇格局的重新分配。相反，通过造林绿化和提高森林生态系统的经营管理质量，又能重塑良好的陆地生态系统碳源与碳汇的新格局（田汉勤等，2007；李蔓等，2013）。加强保护区森林碳储量研究，对于提高森林科学经营管理水平及估测川西北高山峡谷区森林生态系统碳循环有着重要意义（巫明焱等，2020）。本研究表明，洛须自然保护区拥有较高的森林碳储量，是区域重要的碳库，发挥了重要的碳汇功能。本着因地制宜、遵循自然的原则，以自然恢复为主、人工修复为辅，根据不同森林类型、不同生态空间特性制定科学合理的经营管理措施。随着保护管理水平进一步提升，保护区受干扰森林生态系统得以修复，森林面积和森林质量不断增长，森林生物量向更高发展，森林储碳能力将继续提高，将为川西北高山峡谷区发挥更大的固碳作用。

当前森林碳储量估算仍存在较大不确定性（于贵瑞等，2003）。自然状态下，森林分布特征往往由植物种群生物学特性、种内种间关系以及周围环境所决定（吴胜义等，2022）。同时人为干扰对森林植被种群更新演替有着深远的影响。川西北地区海拔高、气候寒冷，森林植被生长期短，森林碳储量累积缓慢，影响其空间分布特征的因素很多，本研究仅从较大角度对森林碳储量和碳密度空间分布做了数量化分析，其深层次的原因和机理还需做进一步的探索。

4.2 结论

4.2.1 森林固碳功能强、碳汇潜力显著

森林类型、结构及空间分布影响森林固碳能力（侯芳等，2018）。洛须自然保护区森林资源总量虽小，但却是金沙江上游重要的水源涵养地和川西北重要的固碳区。暗针叶林是本地顶级地带性森林植被，川西云杉和高山柏是主要的树种。从研究结果看，高山柏和川西云杉乔木林面积大，森林碳储量较高，是重要的碳库，这表明处于森林生态系统演替过程中的先锋树种，过去已经储存了较多的CO2，起着重要的碳“汇”作用；同时乔木幼、中龄林面积占乔木林面积的76.0%，占比高，具有较好的碳汇潜力。灌木林也是本地重要森林资源，分布范围十分广泛，面积占森林面积68.7%，碳储量占森林总碳储量35.0%，具有较强的固碳能力，并有进一步向顶级群落演替的潜能。由上可知，洛须自然保护区森林仍具有较大碳汇潜力。

4.2.2 森林碳储量、碳密度空间分布格局

（1）森林碳储量和碳密度垂直分异明显

针叶林森林多分布在 3701—4300 m 海拔区间，森林碳储量占比大，森林碳密度也相对较高；阔叶林森林多分布在3701—4100 m之间；灌木林碳储量集中在4101—4700 m之间，占灌木林总碳储量的79.7%。总体而言，海拔3300—3700 m人为活动相对频繁，森林植被较为零散；海拔更高的地区，人为干扰较少，森林植被分布较集中。针叶林比阔叶林具有更好的高原气候和土壤的适应性，分布面积大，生长线也更高；灌木林多分布在乔木生长线以上，分布范围也更广，面积也更大。

（2）陡、急、险坡森林碳储量占比大，碳密度也较高

针叶林碳储量集中在陡、急、险坡，即坡度在26°以上，占针叶林总碳储量97.2%，该坡度范围碳密度大于10.0 t·hm-2。阔叶林碳储量集中在急坡，占阔叶林总碳储量54.3%。灌木林碳储量集中在陡、急坡，即坡度介于 26°—45°，占灌木林总碳储量80.3%。分析表明，研究区处在高山峡谷区，坡度整体较大，森林主要分布在陡坡、急坡和险坡；另一方面，坡度大，受人为干扰程度小，森林植被多保持自然状态，生长季长，生物量大，碳储量和碳密度也大。

（3）森林碳储量和碳密度各坡向分布整体均衡

针叶林森林碳储量在阳坡、半阳坡与阴坡、半阴坡比例接近，分别为51.5%、48.5%；阴坡、半阴坡碳密度明显高于阳坡、半阳坡。这主要因为森林碳密度随坡向变化趋势与不同坡向的森林植被类型密切相关，针叶林主要树种是川西云杉、高山柏，川西云杉耐寒、耐荫、喜湿润、碳密度高，多分布在阴坡、半阴坡，高山柏则耐寒、喜光和耐瘠薄、碳密度低，以阳坡、半阳坡为主，两者在各坡向呈现交错分布。阔叶林森林碳储量集中在阴坡、半阴坡，总量较小。灌木林碳储量多集中在阴坡、半阴坡、半阳坡，阳坡相对较少。