成都市森林植被碳儲(chǔ)量及空間分布格局*

任德智，廖興勇，肖前剛，賴長(zhǎng)鴻，宋放，孟思淼，彭雪芹

(1.成都市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)研究所，四川 成都 611130;2.四川省林業(yè)和草原生態(tài)監(jiān)測(cè)中心，四川 成都 610081;3.成都興綠林業(yè)科技發(fā)展有限公司，四川 成都 611130)

森林資源清查是我國(guó)現(xiàn)有最全面和最有效的森林資源數(shù)據(jù)獲取手段，也是提取不同尺度森林資源碳儲(chǔ)量信息的重要手段[1-5]。四川省在森林植被[6-8]、土壤[9-10]、森林類型[11-13]以及森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量[14]等許多方面均取得了一定的研究成果。但是，作為省會(huì)城市和新一線城市的成都，基于小班尺度估算森林碳儲(chǔ)量尚未見專題研究報(bào)道，已有成果多以縣、市級(jí)尺度估算總量的形式散見于相關(guān)研究報(bào)道中，如唐霄等[15]基于四川省2004年各縣森林資源清查匯總數(shù)據(jù)估算出成都市森林植被碳儲(chǔ)量7.189 3×106t、碳密度19.87 t/hm2，駱宗詩等[8]基于四川省2007年森林資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出成都市林分碳儲(chǔ)量1.0×107t、碳密度42.34 t/hm2等。因此，本研究利用成都市2017年森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查(以下簡(jiǎn)稱“二調(diào)”)資料，基于小班尺度估算全市森林植被的碳儲(chǔ)量和碳密度，并探討其空間分布格局，成果將為成都市森林價(jià)值及服務(wù)功能估算、碳匯能力提升等提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及材料

成都市地處四川盆地西部岷江中游地段(102°54′～104°53′E，30°05′～31°26′N)，國(guó)土面積14 335 km2，境內(nèi)人口密度為1 143.39 人/km2[16]。海拔介于359～5 364 m之間，地勢(shì)總體呈西北向東南傾斜，西部以深丘和山地、中部以平原、東部以臺(tái)地和低山丘陵為主，形成了平原、丘陵、高山各占三分之一的獨(dú)特地貌。氣候?qū)儆趤啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)[6]，年平均降水量873～1 265 mm，年平均氣溫在15.2～16.6 ℃左右。土壤類型多樣，平原以灰色及灰棕色潮土的平原沖積土為主，低山及丘陵以紫色土為主，山區(qū)以山地黃壤、黃棕壤為主。全市2018年度森林覆蓋率39.50%，森林面積566 233.33 hm2，活立木總蓄積量3 506.48×104m3，其中，森林蓄積量3 123.53×104m3。

1.2 研究方法

1.2 .1 數(shù)據(jù)來源

以成都市2017年森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查小班矢量數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，估算全市森林植被碳儲(chǔ)量，主要包括喬木林(包括喬木層、灌木層和草本層)、疏林、灌木林、竹林、散生木和四旁樹等活植被的地上和地下部分碳儲(chǔ)量。

1.2.2 森林生物量的估算

采用轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法估測(cè)森林植被生物量[4,17]，生物量模型及參數(shù)按成都市為首選，結(jié)合四川省相應(yīng)或近似植被生物量模型及參數(shù)的原則進(jìn)行選取，參考已有研究成果[6-7,15,18]，本研究選取的生物量回歸方程及參數(shù)見表1。

1.2.3 含碳率

含碳率按成都市為首選，結(jié)合四川省相應(yīng)或近似植被含碳率的原則選取。參考已有研究成果[6-7,15,18-19]，本研究選取的含碳率見表1。

表1 生物量轉(zhuǎn)換方程[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 碳儲(chǔ)量和碳密度的計(jì)算

(1)小班碳儲(chǔ)量

小班碳儲(chǔ)量計(jì)算公式如下。

①

其中：C小班表示小班碳儲(chǔ)量(t)；Wi表示小班內(nèi)第i種植被(類型)的生物現(xiàn)存量(t)；Ri表示小班內(nèi)第i種植被(類型)的含碳率(%)；n表示小班內(nèi)植被(類型)的數(shù)量(種)。

(2)碳儲(chǔ)量

基于小班碳儲(chǔ)量為統(tǒng)計(jì)單元，進(jìn)行逐級(jí)匯總，得到相應(yīng)匯總單元的森林植被碳儲(chǔ)量。

②

式中:Ct為統(tǒng)計(jì)單元碳儲(chǔ)量(t)；Ci為小班碳儲(chǔ)量(t)；m表示統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)的小班數(shù)量(個(gè))。

(3)碳密度的計(jì)算

碳密度即單位面積碳儲(chǔ)量。計(jì)算公式如下：

ρc=Ct/At

③

式中:ρc為統(tǒng)計(jì)單元碳密度(t/hm2) ；Ct為統(tǒng)計(jì)單元碳儲(chǔ)量(t)；At為統(tǒng)計(jì)單元面積(hm2)。

1.2.5 空間分布格局分析

(1)在ARCGIS 10.5軟件中建立碳儲(chǔ)量矢量數(shù)據(jù)的鏈接字段，并按小班賦唯一值；

(2)運(yùn)用ARCGIS 10.5的表格顯示分區(qū)統(tǒng)計(jì)工具，分別提取碳儲(chǔ)量矢量數(shù)據(jù)的小班平均海拔、小班平均坡度；

(3)通過鏈接字段將提取的小班平均海拔和小班平均坡度鏈接至碳儲(chǔ)量矢量小班數(shù)據(jù)庫；

(4)運(yùn)用ARCGIS 10.5的重分類工具，按海拔和坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重分類，得到海拔和坡度分級(jí)的碳儲(chǔ)量矢量數(shù)據(jù)庫；

(5)運(yùn)用ARCGIS 10.5制作相應(yīng)的空間分布格局圖，探討碳儲(chǔ)量和碳密度的空間分布格局。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度

2.1.1 森林植被碳儲(chǔ)量

(1)不同森林植被類型碳儲(chǔ)量

從表2可知，成都市森林植被總碳儲(chǔ)量為1.336 9×107t，其中：?jiǎn)棠玖痔純?chǔ)量占78.50%；竹林碳儲(chǔ)量次之，占15.11%；灌木林碳儲(chǔ)量占4.00%；散生型植被碳儲(chǔ)量占2.09%；疏林碳儲(chǔ)量最低，僅占0.31%。

表2 成都市森林植被碳儲(chǔ)量及森林植被碳密度統(tǒng)計(jì)

(2)喬木林碳儲(chǔ)量

從表3可知，成都市有喬木林195種，其總碳儲(chǔ)量1.049 4×107t，其中以柏木林最高為1.468 0×106t。不同森林類型間碳儲(chǔ)量差異非常明顯，其中，碳儲(chǔ)量占全市儲(chǔ)量百分比10%以上的喬木林有柏木、冷杉2種；5%～10%之間的有柳杉、青岡2種；1%～5%之間的有20種，依次為楠木>樺木>柑橘>馬尾松>櫟>云杉>楓楊>巨桉>燈臺(tái)樹>水杉>桃>榿木>厚樸>鐵杉>杉木>喜樹>桂花>枇杷>樟樹>核桃；碳儲(chǔ)量小于1%的喬木林有171種，累計(jì)碳儲(chǔ)量占全市儲(chǔ)量百分比僅為13.76%。

表3 成都市不同類型、齡組的喬木林碳儲(chǔ)量和碳密度Tab.3 Carbon storage and carbon density during different type and age groups forest in Chengdu

全市喬木林按齡組統(tǒng)計(jì)碳儲(chǔ)量(總碳儲(chǔ)量占比)，從大到小依次為：中齡林(30.19%)>成熟林(27.68% )>近熟林(25.60% )>幼齡林(8.98%)>過熟林(7.55%)，總體呈近似“M”形分布規(guī)律，表明全市喬木林碳儲(chǔ)量屬于穩(wěn)定持續(xù)增長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)。成都市各主要林分類型碳儲(chǔ)量按齡組分布的規(guī)律大體上與全市總體表現(xiàn)一致。

2.1.2 森林植被碳密度

從表2可知，成都市森林植被總碳密度11.71 t/hm2,不同植被類型碳密度介于9.64～29.97 t/hm2，其中，竹林最高，疏林最低。

全市喬木林總碳密度23.66 t/hm2，高于全市森林植被總碳密度(表2)。不同喬木林的碳密度差異非常明顯(表3)：碳密度大于50 t/hm2的喬木林共3種，分別是鐵杉林、云杉林、冷杉林； 40～50 t/hm2僅有馬尾松林；30～40 t/hm2有2種，分別是柳杉林、杉木林；20～30 t/hm2有8種，按碳密度排序?yàn)殚玖?柏木林>青岡林>水杉林>櫟林>樟樹林>厚樸林>樺木林>喜樹林>榿木林；其余林分碳密度均低于20 t/hm2。

全市喬木林按齡組統(tǒng)計(jì)(表3)，其碳密度大小依次為：成熟林36.43 t/hm2>過熟林34.95 t/hm2>中齡林22.26 t/hm2>近熟林19.70 t/hm2>幼齡林15.06 t/hm2，全市碳密度按齡組分布的規(guī)律與碳儲(chǔ)量一樣，呈近似于“M”形的分布規(guī)律。隨齡組增大，各喬木林碳密度大多表現(xiàn)出波浪形增大的變化趨勢(shì)。

2.2 森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度的空間分布

2.2.1 森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度的區(qū)域空間分布格局

運(yùn)用ARCGIS 10.5制作成都市植被類型碳儲(chǔ)量點(diǎn)密度圖(1點(diǎn)=150 t)(圖1)，圖中點(diǎn)密度越高，表示碳儲(chǔ)量越大，反之則表示越小。利用森林植被碳儲(chǔ)量點(diǎn)密度空間分布特征結(jié)合地貌形態(tài)[17]可把成都市分為4個(gè)大區(qū)域，即西北部龍門山脈區(qū)域、中東部的龍泉山區(qū)域、中部平原區(qū)(龍泉山區(qū)域與龍門山脈中間的平原區(qū)域)以及龍泉山東側(cè)丘陵臺(tái)地區(qū)域。其中，西北部龍門山脈區(qū)域?yàn)楦唿c(diǎn)密度集中分布區(qū)，是成都市森林植被的高碳儲(chǔ)量區(qū)；中東部的龍泉山區(qū)域?yàn)檩^高點(diǎn)密度區(qū)域，但是其面積或點(diǎn)密度均明顯低于龍門山脈區(qū)域，是成都市森林植被碳儲(chǔ)量相對(duì)集中分布的另一個(gè)區(qū)域；中部平原區(qū)和龍泉山東側(cè)丘陵臺(tái)地區(qū)域均為低點(diǎn)密度區(qū)，且點(diǎn)較為分散，為分散型低碳區(qū)。

圖1 成都市森林植被碳儲(chǔ)量點(diǎn)密度的空間分布Fig.1 Spatial distribution of carbon storage point density of forest in Chengdu

運(yùn)用ARCGIS 10.5對(duì)森林植被碳密度按6個(gè)等級(jí)(分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：1級(jí)0～11.71 t/hm2，2級(jí)11.71～20 t/hm2，3級(jí)20～40 t/hm2，4級(jí)40～60 t/hm2，5級(jí)60～80 t/hm2，6級(jí)大于80 t/hm2)制作碳密度等級(jí)圖(圖2)。從圖2可以看出，龍門山脈區(qū)域?yàn)槿懈咛济芏葏^(qū)，各等級(jí)碳密度區(qū)呈斑塊狀鑲嵌分布。其中，以2級(jí)和3級(jí)碳密度區(qū)為主，1級(jí)碳密度區(qū)分布范圍相對(duì)較小，全市4級(jí)及以上碳密度區(qū)集中分布在該區(qū)域。中部平原區(qū)以1級(jí)低碳密度區(qū)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，2級(jí)碳密度區(qū)有較小比例分布，3級(jí)以上碳密度區(qū)呈小斑塊零星鑲嵌分布。龍泉山區(qū)域2級(jí)碳密度區(qū)分布范圍較大，且以西南部為主，3級(jí)碳密度區(qū)零星鑲嵌分布，1級(jí)碳密度區(qū)以東北部呈相對(duì)集中分布。龍泉山東側(cè)丘陵臺(tái)地區(qū)呈以1級(jí)碳密度區(qū)為主，2級(jí)和3級(jí)碳密度區(qū)較為均勻鑲嵌其中的分布格局。

圖2 成都市森林植被碳密度空間分布 Fig.2 Spatial distribution of forest vegetation carbon density in Chengdu

2.2.2 森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度的海拔梯度空間分布格局

參照國(guó)家林業(yè)局2003年4月頒布的《森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》和第一次全國(guó)地理國(guó)情普查海拔分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合成都市0～1 000 m海拔區(qū)域面積較大且相對(duì)集中的特點(diǎn)，本研究將低海拔區(qū)域(0～1 000 m)進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分為0～500 m低海拔區(qū)域A和500～1 000 m低海拔區(qū)域B；中海拔區(qū)域?yàn)? 000～3 500 m；高海拔區(qū)域?yàn)? 500～5 000 m；極高海拔區(qū)域?yàn)?5 000 m。

從圖3和圖4可知，成都市森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度隨海拔增加總體上呈以中海拔區(qū)域?yàn)樽罡叩南仍龊鬁p的變化趨勢(shì)。不同海拔梯度碳儲(chǔ)量大小依次為：中海拔區(qū)域>低海拔區(qū)域B>低海拔區(qū)域A>高海拔區(qū)域>極高海拔區(qū)域。碳密度的大小依次為：中海拔區(qū)域>高海拔區(qū)域>低海拔區(qū)域B>極高海拔區(qū)域>低海拔區(qū)域A。

圖3 成都市森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度海拔分布統(tǒng)計(jì) Fig.3 Statistical map of carbon storage and density of forest vegetation in Chengdu

圖4 成都市森林植被碳儲(chǔ)量與海拔疊加空間分布Fig.4 Spatial distribution map of forest vegetation carbon storage and altitude superposition in Chengdu

中海拔區(qū)域集中分布于龍門山區(qū)域，18.37%的森林面積貢獻(xiàn)42.52%的碳儲(chǔ)量，平均碳密度達(dá)到27.11 t/hm2，是全市森林植被碳儲(chǔ)量貢獻(xiàn)最大的高碳密度海拔區(qū)。低海拔區(qū)域B(500～1 000 m)主要分布在中部平原區(qū)西部和龍泉山區(qū)域，43.05%的森林面積貢獻(xiàn)37.81%的碳儲(chǔ)量，平均碳密度僅為10.29 t/hm2，總體屬于高碳儲(chǔ)量較低碳密度區(qū)。低海拔區(qū)域A(0～500 m)主要分布在中東部的龍泉山兩側(cè)區(qū)域，37.78%的森林面積貢獻(xiàn)18.18%的碳儲(chǔ)量，平均碳密度僅為5.64 t/hm2，屬中碳儲(chǔ)量低碳密度海拔區(qū)。高海拔區(qū)域主要分布在成都市最西部邊緣及龍門山北部山區(qū)，碳儲(chǔ)量點(diǎn)密度較高，平均碳密度達(dá)到較高21.85 t/hm2，但是其面積僅占0.80%，碳儲(chǔ)量占總量百分比僅為1.49%，屬于低碳儲(chǔ)量較高碳密度海拔區(qū)。極高海拔區(qū)域呈零星分布在最西部邊緣及龍門山北部山區(qū)，其面積、碳儲(chǔ)量及平均碳密度(8.39 t/hm2)均較低，為全市低碳儲(chǔ)量低碳密度區(qū)。

2.2.3 森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度的坡度空間分布

格局

從圖5可知，成都市森林植被碳儲(chǔ)量隨坡度的增加，總體呈以緩坡為最高的先增后降的變化趨勢(shì)，與面積變化趨勢(shì)一致，其大小依次為：緩坡>斜坡>陡坡>平坡>急坡>險(xiǎn)坡。碳密度隨坡度的增加呈以陡坡為最高的先快速增加后緩慢降低的變化趨勢(shì)，其大小依次為：陡坡>急坡>險(xiǎn)坡>斜坡>緩坡>平坡。

圖5 成都市森林植被碳儲(chǔ)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

從圖5、圖6可知，緩坡、斜坡和陡坡3個(gè)坡度共同貢獻(xiàn)總碳儲(chǔ)量的81.62%，平坡、急坡、險(xiǎn)坡貢獻(xiàn)總碳儲(chǔ)量的18.38%，其中：緩坡森林植被碳儲(chǔ)量主要分布在中部平原區(qū)域、龍泉山東側(cè)丘陵臺(tái)地區(qū)域，53.97%的森林植被面積貢獻(xiàn)33.21%的碳儲(chǔ)量，平均碳密度7.21 t/hm2，為高儲(chǔ)量低密度坡度；斜坡主要分布在龍門山西南部及其向東部與平原區(qū)的交接區(qū)域、龍泉山區(qū)域，14.02%的森林植被面積貢獻(xiàn)27.21%的碳儲(chǔ)量，為較高碳儲(chǔ)量高碳密度坡度；陡坡主要鑲嵌分布在西北龍門山脈的西北部和西部，9.10%森林植被面積貢獻(xiàn)21.20%的碳儲(chǔ)量，平均碳密度27.29 t/hm2，為較高碳儲(chǔ)量高碳密度坡度；平坡主要分布在平原區(qū)的西部近邊緣區(qū)域及龍泉山兩側(cè)相鄰區(qū)域，其森林植被面積占總森林植被面積的18.25%，僅貢獻(xiàn)7.96%的碳儲(chǔ)量，屬低碳儲(chǔ)量和低碳密度坡度；急坡和險(xiǎn)坡主要集中分布在龍門山脈的西部和西北部，屬低碳儲(chǔ)量較高碳密度坡度。

圖6 成都市森林植被碳儲(chǔ)量坡度空間分布格局Fig.6 Spatial pattern of carbon storage distribution in different slope forest in Chengdu City

2.3 森林植被類型碳儲(chǔ)量和碳密度空間分布特征

從圖1、2、4、6可知，喬木林碳儲(chǔ)量在各海拔梯度和坡度均有分布，且面積最大，分布范圍最廣，其空間分布規(guī)律與全市森林植被碳儲(chǔ)量分布規(guī)律基本一致；灌木林碳儲(chǔ)量主要分布在龍門山脈的西、北部的低海拔陡坡和急坡區(qū)域、西南部蒲江縣和邛崍市交界、龍泉山西側(cè)的平原過渡區(qū)(龍泉驛區(qū))的低海拔平坡區(qū)域，點(diǎn)密度較低且分布較分散，分布面積相對(duì)較小；竹林碳儲(chǔ)量主要分布在龍門山脈與中部平原區(qū)過度的低海拔(500～1 000 m)的緩坡和斜坡區(qū)域，其中以西南部邛崍市分布最為集中、點(diǎn)密度最高，其他區(qū)域竹林碳儲(chǔ)量多為零散或小面積集中分布；散生型植被碳儲(chǔ)量主要分布在龍泉山兩側(cè)低海拔(0～500 m)的平、緩坡區(qū)域，總體為低點(diǎn)密度的分散分布，其中以北部新都區(qū)和東北部金堂縣的緩坡區(qū)分布范圍較大，點(diǎn)密度相對(duì)較高，也相對(duì)集中；疏林碳儲(chǔ)量在最西部高海拔、陡坡區(qū)域有小塊相對(duì)集中分布，其余因碳儲(chǔ)量小且較為分散，在圖中未能表現(xiàn)。

3 討論與結(jié)論

(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標(biāo)之一[6]。從成都市碳密度分布來看，固碳能力呈現(xiàn)明顯的區(qū)域不均。龍門山區(qū)域地形多屬高山，區(qū)域內(nèi)海拔較高、水熱和立地條件均較好，人口密度低，且自然保護(hù)地面積占比較大，因此，森林資源豐富且林分質(zhì)量較高，故表現(xiàn)為高固碳能力區(qū)；平原區(qū)和丘陵臺(tái)地區(qū)，屬農(nóng)、林、城鎮(zhèn)的交錯(cuò)區(qū)，人為活動(dòng)劇烈，各類用地矛盾突出，森林資源多為固碳能力較弱的零星人工林、四旁及城市綠化資源，因此，表現(xiàn)為較低固碳能力；龍泉山區(qū)地形為低丘陵區(qū)，區(qū)域內(nèi)海拔較低、大型城鎮(zhèn)較少，人口密度相對(duì)較低，但受立地條件及水資源的制約，森林資源相對(duì)豐富但質(zhì)量總體不高，因而，固碳能力一般。

(2)成都市森林植被增匯潛力 森林生態(tài)系統(tǒng)在碳源與匯[21-22]的動(dòng)態(tài)中調(diào)節(jié)和維護(hù)區(qū)域及全球碳平衡[23]。已有研究表明[24-25]，森林增匯主要策略有：減源增匯、提質(zhì)增匯和面積增匯等。其中，減源增匯主要是通過減少森林資源耗損的策略完成增匯；提質(zhì)增匯通過森林經(jīng)營(yíng)等手段提升單位面積碳匯能力達(dá)到增匯目的；面積增匯通過造林、增綠等增加森林面積的方式進(jìn)行增匯。本研究結(jié)合成都市的地形地貌和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展認(rèn)為：龍門山區(qū)域宜以提質(zhì)增匯和減源增匯為主，即與保護(hù)地管理相結(jié)合，通過增強(qiáng)管控和保護(hù)力度，減少現(xiàn)有資源損耗，同時(shí)加強(qiáng)科學(xué)營(yíng)林，達(dá)到增匯目標(biāo)；平原區(qū)和丘陵臺(tái)地區(qū)，可與美麗宜居公園城市建設(shè)和成都市的東進(jìn)戰(zhàn)略等相結(jié)合，以面積增匯和提質(zhì)增匯為主，重點(diǎn)加大城市公園、小區(qū)、道路、河道等綠化、農(nóng)田林網(wǎng)建設(shè)以及人居環(huán)境提升等，做到應(yīng)綠盡綠，優(yōu)化植被配置模式，以提高植被吸碳能力，實(shí)現(xiàn)增匯；龍泉山區(qū)域則宜以減源增匯、面積增匯及提質(zhì)增匯等多方式相結(jié)合，即依托龍泉山城市森林公園建設(shè)，因地制宜，分別采用低質(zhì)低效林改造、景觀提升和規(guī)劃新增生態(tài)空間造林、增綠等方式提升碳匯能力，嚴(yán)格執(zhí)行公園管理?xiàng)l例保護(hù)森林資源實(shí)現(xiàn)減源增匯。