甘肃省祁连山林区林地碳储量的分布特征和动态变化

赵方圆，王琼芳，赵万奎，程小云

（1.甘肃省生态资源监测中心，兰州 730020；2.甘肃省林业调查规划院，兰州 730020）

甘肃省祁连山国家级自然保护区生态环境治理事关国家生态安全，对推动甘肃省和河西走廊的可持续发展具有重大战略意义。祁连山生态环境问题较早已经引起关注，保护也一直在推进。1980 年祁连山森林被确定成为国家重点水源涵养林，1988 年5 月国务院批准成立甘肃省祁连山国家级自然保护区，2008 年11 月《国务院关于支持青海等省藏区经济发展的若干意见》中明确提出启动祁连山水源涵养区生态环境保护和综合治理规划研究，2012 年12月28 日国家发展改革委正式批复《祁连山生态保护与综合治理规划》［1，2］，以上措施一定程度上减缓了祁连山地区生态环境的恶化，但生态问题仍然很严峻。20 世纪50 年代，祁连山森林覆盖率为22.4%，到2017 年减少到14.4%，林草质量和数量下降［3］。70 年代后批建的产业发展活动与现行的相关环境保护方法有较大的出入导致一部分林业用地被占用，且因投入大导致较难退出且恢复周期较长；区域民生与生态承载力矛盾突出；生态环境基础相关现状数据的缺失和共享不畅均是祁连山生态环境恶化的根源［4］。2017 年祁连山国家级自然保护区生态环境破坏问题引发社会各界广泛关注，针对存在的问题，林业部门作出了一系列的生态治理举措［5-7］。上述各项政策的核心思想在于全面加强林业系统自然保护区生态环境保护管理，遏制保护区人为生态破坏，提升生态环境质量。

国内外学者进行了大量、系统的碳储量相关研究，国内有关碳储量的研究成果多数集中于东部和沿海发达地区，且以市、县等行政区划或者自然保护区为范围［8-15］。在研究方法上，以生物量法、蓄积量法、生物量换算因子连续函数法和微气象学法为主［16-27］。本研究以甘肃省祁连山林区为对象，综合运用生物量扩展因子法、单位面积生物量法、土地利用类型转移矩阵法对研究区主要林地碳储量进行测算，综合探究该区域土地转移情况及碳储量时空变化特征，分析已实施的祁连山地区生态治理政策的落实情况，为该区域后续区域土地利用规划和碳增汇研究提供参考。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

祁连山林区地处张掖、武威、金昌、兰州、山丹马场境内，总面积1.86万km2，地理坐标36°45′—39°44′N、97°23′—103°45′E。由于地域辽阔，相对高差悬殊，气候的垂直分布差异明显，属高原大陆性气候。水系发育良好，分属黄河和内陆河两大水系，水资源使用和生态受益区包括河西走廊的武威、金昌、张掖、酒泉、嘉峪关和永登。人文资源丰富，民族文化多样。在祁连山保护区管理范围内有22 万多人（保护区与周边区居民），居住有藏族、裕固族、回族、土族、汉族等17 个民族，其中藏族和裕固族为居住人数最多的两个少数民族。近年来由于人类活动和气候变化等原因，祁连山生态环境发生了较大变化，生态系统原有的碳循环和碳平衡有所变化，生态环境脆弱问题突出。

1.2 数据来源与处理

本研究使用的原始数据是2016 年、2019 年森林资源管理年度更新数据。参考的遥感影像数据采用的是高分一号及高分二号卫星拍摄的结果，分辨率为2.0～2.5 m。在基础数据的基础上，针对地类和植被覆盖类型发生明显变化的图斑，结合林业资源管理资料以及实地调查和验证进行修正，在Arc-GIS10.6 软件支持下，对图斑数据进行分类、提取、合并等操作，建立了祁连山林区土地类型及碳汇计量基础数据库，数据具备准确性和实效性，满足后续分析需要。

2 研究方法

运用生物量扩展因子法计算乔木林地和疏林地的碳储量，采用单位面积生物量法计算灌木林地的碳储量。结合研究区土地利用类型转移矩阵综合分析2016—2019 年土地利用变化对研究区碳储量变化的影响。

2.1 乔木林地、疏林地、灌木林地的碳储量和年碳汇量计算

乔木林地、疏林地碳储量为地上地下生物量碳储量、林下碳储量（灌木层和枯落物）、林地碳储量三者之和，公式如式（1）、式（2）所示；灌木林地碳储量计算如式（3）所示；碳密度和年均碳汇量的计算式见式（4）、式（5）［28］。

式（1）、式（2）中，C乔为乔木层碳储量；i为优势树种；n为优势树种总数；Ai为林地面积；Vi为林木蓄积量；BEFi为林木地上生物量与树干生物量的比；Di为木材基本密度；Ri为树种根茎比；CFi为生物量含碳率；C为林地全部固碳量；α为林下植物碳转换系数；β为林地碳转换系数。式（3）中，C灌为灌木林碳储量；A为灌木林面积；B为生物量密度参数；CF为生物量含碳率。式（4）中，Qc为碳密度；C为碳储量；S为林地面积。式（5）中，ΔC为年碳汇量；Ct2、Ct1分别为t2和t1时间的碳储量；t2和t1分别为变化末期和初期时间。

2.2 土地利用类型转移矩阵

土地利用类型转移矩阵可以客观反映土地的转移情况，包括转化来源、去向及数量大小等信息［29］，其具体数学表达形式为：

式（6）中，Sij为研究初期和末期土地利用状态；n为土地类型数。

3 结果与分析

3.1 乔木林地、疏林地、灌木林地的分布

2016—2019 年主要林地（乔木林地、疏林地、灌木林地）土地面积占比从大到小依次为灌木林地、乔木林地、疏林地，平均占比分别为72.95%、24.64%、2.41%。灌木林地面积占比最大，乔木林地与灌木林地和疏林地镶嵌分布，主要集中于研究区的中部和东南部。

3.2 乔木林地、疏林地、灌木林地的碳储量变化情况

如表1 所示，2016 年、2019 年主要林地（乔木林地、疏林地、灌木林地）碳储量占比从大到小依次为乔木林地、灌木林地、疏林地，平均占比分别为82.60%、14.56%、2.84%。从碳储量变化情况来看，祁连山林区主要林地2019 年总碳储量为2 064.83 万t，比2016 年增加了19.20%，年均增加110.84 万t。其中，乔木林地碳储量增加了23.22%，占祁连山林区碳储量总增加值的98.26%，碳汇潜力巨大；疏林地和灌木林地也呈增长趋势，疏林地碳储量增长了9.63%，灌木林地增长了0.31%。从碳密度变化情况来看，2019 年比2016 年乔木林地碳密度增长了23.58%，疏林地碳密度增长了7.76%。碳密度的变化和分布情况如图1 所示，结合地类分布，碳密度的分布与与地类分布吻合，碳密度分布表现为乔木林地＞疏林地＞灌木林地。碳密度较高的林区主要集中在研究区中部和东南部。2019 年相对于2016 年乔木林和疏林地所在地区的碳储量有了较大的提高得益于二者平均碳密度的增加。以上结果表明，2016—2019 年以乔木林碳储量的增长最为显著，单位面积的储碳能力也明显提高。这在一定程度上反映了研究期间甘肃省实施的天然林资源保护工程、退耕还林工程、森林抚育等各类工程以及加大环境整改力度等措施对扩大林草面积、提高林草质量、提升碳汇增量发挥了积极作用。

图1 祁连山林区碳密度分布

表1 乔木林地、疏林地、灌木林地的碳储量和碳密度

3.3 乔木林地分龄组优势树种的碳储量

从龄组结构上看（图2），乔木林地近熟林碳储量最大，中龄林次之，过熟林最小。近熟林、中龄林、成熟林、幼龄林、过熟林碳储量在2016 年、2019 年占比分别为58.26%、58.49%，37.46%、38.51%，3.01%、2.24%，0.79%、0.81%，0.26%、0.19%。从变化情况看，2019 年幼龄林面积比2016 年增长了13.72%，近熟林面积增长了0.63%，过熟林面积减少了24.31%，成熟林面积减少了17.09%，中龄林面积减少了0.24%（图3）；中龄林、幼龄林、近熟林碳储量分别增长了26.7%、26.34%、22.74%，成熟林和过熟林碳储量分别减少了8.36%、12.52%。退耕还林、人工造林等生态恢复工程实施以来，树种多处于幼龄林和中龄林阶段，植物生长多处于旺盛生长期，可以吸收更多的二氧化碳，释放更多的氧气，对森林的碳汇功能有积极作用。

从优势树种看（图2），2016 年、2019 年云杉（Picea asperata）的碳储量最大，占比分别为85.39%、86.28%；其次是其他柏类（Cupressaceaespp.），占比分别为7.77%、6.73%。从变化量来看，3 年间云杉的碳储量增长量最大（294 万t），占乔木林碳储总增加值的90.09%。从变化速率看，面积增长率最大的是杨类（201.79%），其次是针阔混交林（117.24%），其他软阔类减少最快（-89.56%），阔叶混交林（-51.61%）次之（图3）；碳储量增长率最大的是针阔混交林（255.30%），其次是杨类（156.45%）、云杉（24.50%）、针叶混交林（15.06%）、白桦（11.56%）、红桦（11.31%），其他软阔类减少最快（-88.29%），阔叶混交林（-48.35%）次之，可见优势树种中针阔混交林、杨类、云杉、针叶混交林的碳储量增长较快，且以针叶混交林、针阔混交林、杨类的幼龄林增长显著，生态环境治理工程中林地占用整改措施中的原地植被恢复和天然林修复工程中的补植补造等措施是幼龄林碳储量增加的因素之一，在今后的造林规划中，针叶混交林、针阔混交林、杨类是可以优先考虑的树种。

3.4 乔木林分龄组优势树种的碳密度

从龄组结构上看（图4），2016 年、2019 年近熟林碳密度分别为106.11、129.43 t/hm2，成熟林碳密度分别为77.88、86.08 t/hm2，中龄林碳密度分别为64.99、82.53 t/hm2，过熟林碳密度分别为44.37、51.28 t/hm2，幼龄林碳密度分别为45.43、50.47 t/hm2。从变化情况来看，2016—2019 年中龄林、近熟林、过熟林、幼龄林、成熟林的碳密度分别增长了27.00%、21.97%、15.58%、11.10%、10.53%。今后应加大幼龄林抚育管理，减少成熟林人为干扰，增加两者的固碳能力。

从优势树种看（图4），2016 年、2019 年油松（130.7 t/hm2）、云杉（103.55 t/hm2）、针叶混交林（88.95 t/hm2）、红桦（79.81 t/hm2）的平均碳密度位居前四。碳密度增长率从大到小依次为针阔混交林（63.55%）、云杉（24.98%）、落叶松（16.85%）、针叶混交林（13.99%）、其他软阔类（12.14%）、红桦（11.31%），减少的有杨类（-15.02%）。其中杨类碳密度减少说明仍应对其新增幼龄林和中龄林进行合理的抚育，实现碳效益的提升。

3.5 土地利用类型时空变化分析

运用ArcGIS 软件将2016年、2019年的林地更新数据作相交处理，重新计算相交后小斑图形面积，导出属性表，在Exel 中通过数据透视表功能得出祁连山林区2016—2019年土地利用类型转移矩阵，具体各类土地转入、转出以及碳储量变化情况如表2 所示。

表2 祁连山林区2016—2019 年土地利用类型转移及碳储量变化

土地利用类型的主要转移方向是牧草地、未利用地、建设用地向林地的转移，转入、转出抵消后，牧草地转移到林地的面积为1 109.84 hm2，转移碳储量为21 924.73 t；未利用地转移到林地的面积为90.76 hm2，转移碳储量为383.41 t；建设用地转移到林地的面积为10.38 hm2，转移碳储量为246.33 t。总体上来看，牧草地转为灌木林和乔木林，碳储量增加，未利用地和建设用地向林地碳储量的转移在一定程度上说明生态治理工程加快了未利用土地的开发利用、部分被建设用地占用的林地资源得到恢复，林地保护得到重视。今后应进一步加强建设用地向林地资源的恢复和未利用地的开发利用，同时提升乔木林的天然更新能力，减少现有乔木林地的流失，提高资源综合利用水平。进一步持续推进祁连山生态环境问题整治，加速天空地监测体系一体化生态监测体系建设，发挥祁连山大数据平台三线五级监测模式在生态保护监测中的深入应用，以生态保护、生态巩固、生态恢复、生态建设为核心，积极构建现代生态环境治理体系。

4 小结与讨论

1）祁连山林区作为祁连山生态环境保护问题自查整改的重点区域，碳增汇一方面得益于研究区林地面积的增长，从土地利用类型转移矩阵看，牧草地、未利用地、建设用地向林地转移碳储量为2.26万t，生态建设加强后，牧草、未利用地、建设用地有向林地转回的趋势。整改治理中保护区部分经营项目和矿产的退出以及强制恢复林地原貌等举措在一定程度上加快了未利用土地的开发利用、部分被建设用地占用的林地资源得到恢复。另一方面是林草质量的提高，2016—2019 年研究区碳储量稳步提升，乔木林地、疏林地、灌木林地年均碳汇量达110.84 万t。其中乔木林碳储量增加了23.22%，占祁连山主要林地碳储量总增加值的98.26%。在增长量上，云杉的碳储量增长量最大（294 万t），占乔木林碳储总增加值的90.09%，在增长速率上，最具未来碳汇潜力的中龄林和幼龄林碳储量增长最快，增长率分别为26.70%和26.34%，保护政策中天然林资源保护工程、森林抚育、林地植被的恢复和退化林修复、补植改造等工程很大程度上提升了林地林木的质量。因生态环境的变化是一个动态化的长期过程，后续仍需增大研究年限和样本容量，针对治理措施对碳储量的影响也应该从定性层面的阐述引入更多定量方向的研究。

2）在乔木林地的碳储量和碳密度计算方法上，对比西部地区乔木林地的碳密度，研究区的乔木林地碳密度偏高，2016 年和2019 年祁连山林区乔木林地碳密度分别为84.08 t/hm2和103.91 t/hm2，高于2010年甘肃省乔木林地平均碳密度51.80 t/hm2［30］。研究区云杉占比较大，2016年面积占比达80%，且其中中龄林和近熟林占比达98%，而云杉属于寒温性针叶林，森林碳储量单位累积量较高，对比已有研究得出的祁连山青海省城内云杉的碳密度为100.46 t/hm2［18］，更加证实了本研究碳密度偏高的客观原因。此外灌木林在碳储量计算时采用的是温带大陆气候区的平均单位面积生物量和固定的含碳率，碳储量与面积呈正相关，相对于乔木通过蓄积来推算碳储量的方法来看，准确度稍显不足，后续依据甘肃省森林资源管理“一张图”数据，设立样地，精确调查植被蓄积量是下一步有效提升碳储量计算精确度的方向。