2003—2013年衡陽盆地森林植被碳儲量的變化及其對LUCC的響應(yīng)

夏 栗，吳晟揚，魏 甫，劉大逵，盛孝前，姚 輝，文計力

(1.湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計研究總院，長沙 410007； 2.國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，長沙 410014； 3.石門縣林業(yè)局，湖南 石門 415305)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，與其他陸地生態(tài)系統(tǒng)相比，森林具有較高的生產(chǎn)力，單位面積森林碳儲量是農(nóng)田的20～100倍[1]，森林每年固碳約占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的2/3[2-3]，每年通過光合作用和呼吸作用與大氣進行的碳交換量占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)碳交換量的90%[4-7]。森林植被碳儲量占陸地植被碳儲量的77%[4，8]，因此，森林植被碳儲量在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

土地利用變化(LUCC)是人類活動行為與自然生態(tài)系統(tǒng)相互作用最為直接的表現(xiàn)形式[9]。隨著社會的發(fā)展，人口增長，生產(chǎn)技術(shù)飛速進步，人類生產(chǎn)和生活方式的變化嚴重影響土地利用狀況發(fā)生改變。近年來，隨著國家對生態(tài)環(huán)境的重視，生態(tài)學界專家學者逐漸開始重視LUCC在區(qū)域尺度上的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

目前，脆弱生態(tài)區(qū)LUCC及其環(huán)境影響是全球及區(qū)域環(huán)境變化研究的熱點，是地理信息科學研究的重要方面。衡陽盆地是極具代表性的紅層盆地，是我國南方著名的“干旱走廊”，生態(tài)環(huán)境相對脆弱，以紫色土丘陵坡地為主的衡陽盆地被認為是湖南省環(huán)境最惡劣的地區(qū)之一[10]。因而衡陽盆地森林植被碳儲量變化與LUCC之間的關(guān)聯(lián)性研究具有重要意義。

1 研究區(qū)域概況

衡陽盆地位于26°20′—27°15′N， 112°05′—112°58′E，是湖南省中部盆地群的西部板塊，在湖南省中東部，南岳衡山之南，屬湘江中下游流域轉(zhuǎn)折地帶。衡陽盆地大致范圍為：東臨荊紫山，西抵大云山，北至衡山南部，南達陽明山與大義山北端，由西南至東北跨度約108.5 km，自西北至東南跨度約77 km。地勢四周高中間低，且由西南往東北傾斜，因中部條狀山脈呈斷續(xù)狀縱向切入，使盆地平面形狀呈蝴蝶型[11-12]。

本文選取的研究區(qū)域具有高度代表性，地貌以紅巖丘陵為主，生態(tài)環(huán)境相對脆弱，是我國華南地區(qū)紅層盆地的典型代表區(qū)域[13]。從行政區(qū)劃上看，衡陽盆地面積約占衡陽地區(qū)面積的三分之二，按照以往的劃分方式為：以湖南省衡南縣云集鎮(zhèn)為中心，同時涵蓋衡東縣、衡陽縣、衡南縣、祁東縣、衡山縣、耒陽市和常寧市6地全部或大部分地區(qū)。筆者選取整個衡陽地區(qū)作為衡陽盆地的劃分區(qū)域，即包括常寧市，衡東縣、衡南縣、衡陽市、衡陽縣、耒陽縣、衡山縣、南岳區(qū)和祁東縣等9個市縣區(qū)，國土面積1 530 278.0 hm2，林地面積777 428.5 hm2。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

主要數(shù)據(jù)為2003年和2013年兩期森林資源二類調(diào)查小班數(shù)據(jù)，均來源于湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計研究總院森林資源監(jiān)測中心信息處理科。

2.2 研究方法

2.2.1 LUCC分析

根據(jù)2003年和2013年森林資源二類小班調(diào)查數(shù)據(jù)，以及遙感影像解譯判讀結(jié)果進行統(tǒng)計分析。各類土地利用類型面積及變化詳見表1。

表1 2003年和2013年土地利用類型面積km2年份草地耕地建設(shè)用地林地水域未利用地園地總計20031 125.034 935.60103.457 616.39366.721 160.541.2115 308.962013832.536 591.14516.886 876.48486.702.702.5315 308.96變化幅度-292.501 655.53413.43-739.91119.98-1 157.851.32

在IDRISI17.0軟件支持下，利用衡陽盆地2003年和2013年土地利用矢量數(shù)據(jù)進行空間疊加運算，得出土地利用類型空間轉(zhuǎn)移矩陣(表2)，進而計算得出土地利用變化類型及其結(jié)構(gòu)變化。

2.2.2 碳儲量估算法

喬木林生物量采用目前國內(nèi)常用的生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法，其中杉木、馬尾松、闊葉樹等植被生物量參考方精云等[14]專家學者的模擬成果；經(jīng)濟林生物量采用經(jīng)濟林平均生物量法估算其生物量，平均生物量為23.52 t/hm2；竹林采用竹林總株數(shù)與單株平均生物量推算，平均生物量為22.5 kg/株；國內(nèi)對灌木林生物量研究較少，因此本研究灌木林生物量采用灌木林面積和灌木林單位面積平均生物量進行估算，平均生物量為19.76 t/hm2。[14]

表2 衡陽盆地土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣km2年份土地利用類型2013年草地耕地建設(shè)用地林地水域未利用地園地草地87.40273.3010.01507.2323.630.26耕地173.272 810.19100.061 113.4775.280.13建設(shè)用地0.5316.3477.066.121.772003年林地419.661 830.43100.194 445.59145.210.612.03水域5.43186.2515.9444.2552.66未利用地74.871 569.72193.68694.67145.941.43園地0.020.98 注:行表示2003年土地利用類型,列表示2013年土地利用類型,其中各地類中的第一行表示2003年土地利用類型轉(zhuǎn)移變化為2013年土地利用類型的面積。

為使區(qū)域植被碳儲量得到更精確的估算，根據(jù)衡陽盆地林木資源特點，充分運用森林資源二類清查小班數(shù)據(jù)，根據(jù)二類數(shù)據(jù)中各小班的屬性字段，將衡陽盆地森林植被碳儲量分為喬木林、竹林、經(jīng)濟林和灌木林4大碳庫。其中喬木林按優(yōu)勢樹種分為杉木、馬尾松、闊葉樹(楊樹、桉樹以外的其他闊葉樹)、柏木、濕地松、楊樹、桉樹和三杉(水杉、池杉、落羽杉)等8類[15]。計算方法見表3。

表3 森林植被碳儲量計算植被類型樹種碳儲量/t生物量/t相關(guān)系數(shù)含碳系數(shù)/(g/g)杉木馬尾松闊葉樹喬木林柏木濕地松楊樹桉樹三杉經(jīng)濟林竹林灌木林C=B*PC(B為生物量,PC為含碳系數(shù))B=0.399 9 V+22.541 00.970.508B=0.52 V-0.520B=1.035 7 V+8.059 10.910.500B=0.612 9 V+26.145 10.980.551B=0.516 8 V+33.237 80.970.515B=0.475 4 V+30.603 40.930.494B=0.789 3 V+6.930 61.000.494B=0.415 8 V+41.331 80.940.508B=A經(jīng)*S經(jīng)(A經(jīng)為單位面積生物量,S經(jīng)為經(jīng)濟林面積)—0.484B=(A竹*N竹)/1 000(A竹為單株平均生物量,N竹為竹子株數(shù))—0.486B=A灌*S灌(A灌為單位面積生物量,S灌為灌木林面積)—0.484

3 結(jié)果與分析

3.1 森林植被碳儲量空間分布特征

3.1.1 小班尺度森林碳儲量分布特征

依據(jù)2003年衡陽盆地森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)和表4可知，該區(qū)域共有305 147個小班，總面積1503 896.15 hm2，總碳儲量13 298 506 t，約13.3 TgC，該區(qū)域平均碳密度為7.85 t/hm2。

依據(jù)2013年衡陽盆地二類資源調(diào)查數(shù)據(jù)和表4可知，該區(qū)域共有375 512個小班，總面積1 503 896.15 hm2，總碳儲量13 416 609 t，約13.4 TgC，該區(qū)域平均碳密度為8.76 t/hm2。

衡陽盆地植被碳儲量的空間上分布不均衡，分散程度較大，2003—2013年植被總碳儲量和平均碳密度均呈上升趨勢。隨著小班碳儲量的增大，小班個數(shù)和小班面積逐漸減少，平均碳密度逐漸下降，且到2013年在2 001～8 500碳儲量區(qū)間的小班消失。這表明極少數(shù)小面積高質(zhì)量森林在10年間遭到了破壞，大面積森林結(jié)構(gòu)較完整，森林質(zhì)量高，林木生長受外界干擾程度低，有利于碳的積累，故大面積森林是衡陽盆地的重要植被碳庫。

表4 2003和2013森林植被碳儲量及碳密度分布表碳儲量區(qū)間/t小班數(shù)/個面積/ hm2碳儲量/t平均碳密度/(t/hm2)2003年2013年2003年2013年2003年2013年2003年2013年071 3138263886 152.95 1 348.960000 1～500 232 010365390552 676.12 1 151 080.0911 654 58112 066 42618.7310.48 501～1 0001 461168936 993.53 312 717.60973 6911 123 70523.383.591 001～1 50020213910 276.42 47 191.48240 683162 55020.803.441 501～2 00065205 683.48 9 855.23110 78933 94917.313.442 001～2 5003363 215.14 3 824.8272 24213 17619.963.442 501～3 0001621 839.33 1 590.7144 3255 47921.403.443 001～3 5001221 514.27 1 915.3338 9726 59822.863.443 501～4 000131 668.85 49 15326.164 001～4 500101 437.85 42 33526.154 501～5 00041651.23 1 371.9319 1684 72626.143.445 001～5 5002350.16 10 30526.145 501～6 0001193.75 5 70126.136 001～6 5001208.96 6 14826.136 501～7 0002463.99 13 64826.138 001～8 5002570.13 16 76526.12總計305 147375 5121 530 896.151 530 896.1513 298 50613 416 6097.858.76

將2003年和2013年碳儲量對比分析可知，衡陽盆地區(qū)域碳儲量整體呈現(xiàn)增加趨勢，碳儲量增加118 103 t，碳儲量為0的小班個數(shù)減少63 050個，小班平均碳密度提高了0.91 t/hm2。表明在2003—2013年間，衡陽盆地森林植被保護良好，區(qū)域森林質(zhì)量進一步提升，林分結(jié)構(gòu)更加完整。雖在此期間曾遭受2008年冰凍災(zāi)害影響[16]，但災(zāi)后修復、植樹造林、退耕還林、鞏固退耕還林等措施對區(qū)域森林的保護成效可見一斑。

3.1.2 不同區(qū)域植被碳儲量分布特征

基于Arcgis10.2.2平臺，對衡陽盆地區(qū)域內(nèi)的小班碳儲量按9個市縣區(qū)分別進行提取和計算分析，分別統(tǒng)計其面積、碳儲量和平均碳密度，結(jié)果見表5。

表5 2003年和2013年不同區(qū)域森林碳儲量及碳密度區(qū)域名稱碳儲量/t面積/hm2平均碳密度/(t/hm2)2003年2013年2003年2013年2003年2013年常寧市1 643 1011 729 703190 210.994 9190 210.994 98.649.09衡東縣1 875 9811 822 519177 658.536 1177 658.536 110.5610.26衡南縣2 276 5042 464 431328 867.203 3328 867.203 36.927.49衡山縣1 027 607859 72785 519.960 285 519.960 212.0210.05衡陽市197 092247 76235 601.256 935 601.256 95.546.96衡陽縣2 680 4282 179 112247 363.410 2247 363.410 210.848.81耒陽縣1 881 2242 044 663246 927.145 6246 927.145 67.628.28南岳區(qū)254 641206 15117 037.115 017 037.115 014.9512.10祁東縣1 461 9281 862 541174 710.527 81 747 10.527 88.3710.66總計13 298 50613 416 6091 503 896.150 01 503 896.150 08.848.92

由表5可知，衡陽盆地內(nèi)9個市縣區(qū)中衡南縣面積最大，衡陽縣和耒陽縣次之，南岳區(qū)面積最小。2003年衡陽盆地碳儲量分布與面積關(guān)系不明顯，衡陽縣碳儲量最高，碳儲量為2 680 428 t；衡南縣次之，碳儲量為2 276 504 t；南岳區(qū)碳儲量最少，碳儲量僅254 641 t。碳儲量密度與區(qū)域面積成反比，衡南縣面積最大，平均碳密度較?。荒显绤^(qū)面積最小，平均碳密度最大。

2013年該區(qū)域碳儲量分布與面積呈正相關(guān)，衡南縣面積最大，碳儲量最高；衡陽縣面積次之，碳儲量次之；南岳區(qū)面積最小，碳儲量最少。平均碳儲量密度與區(qū)域面積成反比，衡南縣面積最大，平均碳密度較??；南岳區(qū)面積最小，平均碳密度最大。

3.2 植被碳儲量變化分析

3.2.1 趨勢分析

基于2003年和2013年森林植被碳儲量的計算結(jié)果，運用Arcgis地統(tǒng)計方法對衡陽盆地平均碳密度結(jié)果進行空間模擬研究分析，同時利用Arcgis的地統(tǒng)計分析模塊對衡陽盆地2003年和2013年森林植被碳儲量空間插值點碳儲量進行空間探索分析，得出圖1所示的碳儲量空間分布三維透視圖。

由圖1可知，2003—2013年間，衡陽盆地森林植被碳儲量變化趨勢不明顯，東西方向和南北方向的投影值沒有明顯的線性趨勢，均表現(xiàn)為中部高，四周低的分布特征，其中2013年的中部區(qū)域波谷幅度較2003年有所降低。

圖1 衡陽盆地碳儲量空間分布三維透視圖

3.2.2 簡單克里格插值結(jié)果與分析

克里格法(Kriging)是地統(tǒng)計學的主要內(nèi)容之一，是從變量相關(guān)性和變異性出發(fā)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量的取值進行無偏、最優(yōu)估計的一種方法[17]。衡陽盆地2003—2013年森林植被碳儲量平面分布圖如圖2所示。

2003年衡陽盆地森林植被的碳儲量分布不均勻，從總體上看，東北部、西部、西北部植被碳儲量較高，中部和西南部植被碳儲量較低。分析可知，碳儲量較低的區(qū)域?qū)儆谀显绤^(qū)、衡山縣的城鎮(zhèn)和市區(qū)所在地；西北部碳儲量較高區(qū)域主要為山脈和原生森林植被所在處，森林植被良好，人為破壞較低。2013年衡陽盆地森林碳分布相對集中，該區(qū)域中部、西部、南部和東部的碳儲量相對較高，所在區(qū)域多為林區(qū)或林場；西南部、西北部和東南部碳儲量較低，所在區(qū)域為人為活動密集區(qū)。

綜合分析衡陽盆地2003年和2013年森林植被碳儲量分布趨勢可知，總體分布趨勢表現(xiàn)為：自然演替→自然演替為主、人為干擾演替為輔→人為干擾演替→人為干擾演替為主、自然演替為輔。2013年較2003年相比，波谷和波峰分布區(qū)域基本沒有發(fā)生變化，趨勢等高線有所疏緩，相對碳儲量差距有所減小，且三個波谷處碳儲量均有所增加，南部波谷所在地增幅尤其較大。

3.3 土地利用變化對植被碳儲量的影響

3.3.1 植被碳儲量變化與土地利用變化的關(guān)系

由表1可知，2003—2013年間，林地面積減少739.91 km2，而林地植被碳儲量增加118 103 t，林地植被碳密度上升了0.91 t/hm2，2013年林地植被碳密度較2003年碳密度增長了11.59%。

圖2 衡陽盆地植被碳儲量分布趨勢圖

從分析結(jié)果來看，2003—2013年間，衡陽盆地內(nèi)林地面積減少，但林地面積的減少并沒有導致其植被碳儲量和碳密度的下降，10年間該植被類型碳庫不降反升，表明該植被碳庫與其土地利用類型面積變化之間呈負相關(guān)關(guān)系，這一變化說明衡陽盆地10年間的森林提質(zhì)工作已見成效。

3.3.2 植被碳儲量對土地利用變化的響應(yīng)

在已劃分的7大土地利用類型中，林地植被毋庸置疑是最大的植被碳庫，因此，林地植被碳儲量是本文的主要分析內(nèi)容。在該項分析中，土地利用類型中的林地類型碳儲量和碳密度運用表6的計算結(jié)果，其他不同土地利用類型(草地、耕地、建設(shè)用地、水域、未利用地和園地)的碳儲量值來源于相關(guān)研究資料和相關(guān)文獻[18-20]，詳見表6。

通過分別統(tǒng)計土地利用類型間的轉(zhuǎn)化面積，以不同土地利用類型碳密度為參數(shù)，計算出2003—2013年間土地利用類型相互轉(zhuǎn)化過程引起的植被碳儲量變化，森林植被碳儲量變化對土地利用類型變化響應(yīng)，見表7。

2003—2013年間，在7個土地利用類型相互轉(zhuǎn)化的過程中，衡陽盆地植被碳儲量增加946.78 t，表明衡陽盆地2003—2013年間土地利用類型變化減少了碳排放，總體表現(xiàn)為碳匯。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文分別估算了衡陽盆地2003年和2013年的森林植被碳儲量，分析其變化特征，模擬其空間分布，研究其與土地利用類型變化的聯(lián)系，得出以下結(jié)論：

1)2003—2013年，在土地利用類型間相互轉(zhuǎn)化的過程中，衡陽盆地植被碳儲量增加946.78 t，衡陽盆地土地利用類型的變化減少了碳排放，總體表現(xiàn)為碳匯。

2)2003—2013年，衡陽盆地森林植被碳儲量和碳密度不減反增，證明了衡陽盆地林木質(zhì)量有大幅度提高，表明“退耕還林、鞏固退耕還林”、“災(zāi)后修復”等政策的實施對土地利用變化以及區(qū)域植被碳庫產(chǎn)生了良性影響。

3)耕地與林地之間的劇烈轉(zhuǎn)化，使碳儲量變化幅度較大，建設(shè)用地對林地的侵蝕得到有效控制，耕地對林地的侵占造成植被碳儲量大幅度減少的現(xiàn)象應(yīng)引起重視。

4.2 討論

1)本文采用的森林植被碳儲量計算方法是是目前最普遍最常見的碳儲量估算方法，該方法對衡陽盆地常見喬木樹種較為適用。但對于經(jīng)濟林和灌木林，本文采用單位面積平均生物量的計算方法較為粗略，因數(shù)據(jù)的有限性，無法將經(jīng)濟林和灌木林進行更細致的分類，這在統(tǒng)計分析植被碳儲量時，可能對統(tǒng)計結(jié)果會有一定的影響。

2)本文對碳儲量的估算僅限于地上部分，暫未對土壤部分進行碳儲量估算，下一步可通過收集相關(guān)數(shù)據(jù)，分析不同土地利用類型地上部分和地下部分碳儲總量的差異，并進一步展開土地利用變化對碳庫影響的定量研究。此外，可分別對喬木林碳庫、灌木林碳庫、經(jīng)濟林碳庫和竹林碳庫等4大碳庫，在2003—2013年間的變化進行分析研究，定量研究土地利用變化對不同碳庫帶來的影響差異。