馮 健,蘇阿蘭,吳承禎,2,①,林勇明,2,洪 偉,2,李 鍵,2

(1.福建農林大學林學院,福建福州350002;2.武夷學院生態(tài)與資源工程學院,福建武夷山354300)

福建省毛竹林碳貯量的空間自相關分析

馮 健1,蘇阿蘭1,吳承禎1,2,①,林勇明1,2,洪 偉1,2,李 鍵1,2

(1.福建農林大學林學院,福建福州350002;2.武夷學院生態(tài)與資源工程學院,福建武夷山354300)

以1985年、1996年和2006年福建省毛竹〔Phyllostachys edulis(Carr.)J.Houz.〕林資源二類清查資料為基礎數據估算福建省毛竹林碳貯量,在此基礎上,采用空間自相關分析法對福建省毛竹林碳貯量的空間分布規(guī)律和空間自相關關系進行研究。結果表明:1985年、1996年和2006年福建省毛竹林碳貯量的空間分布特征相似,均呈現閩西和閩北區(qū)域較高、閩東和閩南區(qū)域較低的規(guī)律;并隨時間的推移毛竹林碳貯量逐漸增加。1985年、1996年和2006年福建省毛竹林碳貯量的全局空間自相關指數Moran’s I分別為0.36、0.38和0.41,Z值分別為4.98、5.32和5.57,說明福建省毛竹林碳貯量呈現顯著的正空間自相關性,具有明顯的集聚現象,且隨時間推移集聚現象越來越明顯。局部空間自相關分析結果表明:閩西和閩北區(qū)域毛竹林碳貯量的空間分布呈現顯著的“高-高”正相關集聚特點,而閩東和閩南區(qū)域則呈現顯著的“低-低”正相關集聚特點,其他少數區(qū)域則呈現“高-低”或“低-高”負相關集聚特點。研究結果顯示:福建省毛竹林碳貯量的分布格局與各地區(qū)毛竹林的發(fā)展狀況有關。

毛竹林;碳貯量;分布規(guī)律;空間自相關分析;集聚現象

Key words:Phyllostachys edulis(Carr.)J.Houz.forest;carbon storage;distribution regularity;spatial autocorrelation analysis;agglomeration phenomenon

森林是陸地生態(tài)系統的主要植被類型和重要有機碳庫,森林生態(tài)系統儲存了陸地生態(tài)系統地上部分有機碳總量的80%和地下部分有機碳總量的40%[1],其有機碳含量占陸地生態(tài)系統有機碳總量的76%～98%[2]。21世紀以來專家和學者開始注重關于全球森林生態(tài)系統碳平衡、碳循環(huán)及碳貯量的相關研究[3-5]。隨著溫室效應引發(fā)的一系列全球生態(tài)環(huán)境問題的日益突出,在全球范圍內開展碳循環(huán)研究,尤其是對森林生態(tài)系統的碳循環(huán)進行深入研究,不僅對實現生態(tài)系統的可持續(xù)發(fā)展十分重要,而且對闡明碳循環(huán)形成機制及其演變規(guī)律也具有重要意義。

毛竹〔Phyllostachys edulis(Carr.)J.Houz.〕林是中國南方重要的森林資源,年均固碳量可達到11.36 t·hm-2[6]。毛竹具有生長周期短、生態(tài)和經濟效益高等特點,并具有較強的固碳能力,近年來毛竹的種植面積不斷擴大,對毛竹林碳貯量的研究也逐漸引起研究者的關注。周國模等[7]對毛竹不同器官(包括莖、根以及葉)碳貯量的分配關系進行了比較分析,結果表明莖中碳貯量最高、葉中最低;肖復明等[8]和劉應芳等[9]則分別測定了湖南會同林區(qū)和蜀南竹海風景區(qū)毛竹林生態(tài)系統的碳貯量,兩地的毛竹林碳貯量分別為166.34和105.07 t·hm-2,差別較大,且兩地的毛竹林總碳貯量均以土壤層碳貯量為主,說明調查地土壤層的碳貯量是影響毛竹林生態(tài)系統碳貯量的最主要因素。

空間自相關分析(spatial autocorrelation analysis, SAA)是用于檢測量化研究變量在多個觀察區(qū)域取值的空間依賴性的空間統計方法[10],反映了某個區(qū)域內的某一屬性值或某種地理現象與鄰近區(qū)域同一屬性值或同一現象的相關程度,距離越近說明相似性越高,即研究區(qū)域某一屬性值高,其鄰近區(qū)域對應的屬性值也高,表現為空間正相關;相反,則表現為空間負相關。目前,有關森林碳貯量的研究多數是對森林垂直方向上不同植被群落及其不同器官的碳貯量和碳密度的研究,而將空間自相關分析應用于森林植被碳貯量地理分布和動態(tài)變化研究的報道尚不多見。空間自相關分析考慮了空間因素對空間分布特征變化的影響,通過空間鄰接矩陣的計算能夠解決不同地區(qū)之間相互作用和影響的空間關系問題,因此,利用空間自相關分析方法來探討一定區(qū)域范圍內生態(tài)系統碳貯量的空間分布特征很有必要。一般情況下,空間自相關性可采用全局和局部2個指標度量。全局空間自相關指數Moran’s I可作為反映一定區(qū)域整體范圍內不同地區(qū)生態(tài)系統碳貯量在空間上平均差異的總體統計指標,但該指標并不能反映出局部的空間差異程度。為了反映局部的具體空間差異程度及確切的聚集地區(qū),則采用局部空間自相關指數Local Moran’s I[11]進行分析,該指數可用于衡量研究區(qū)域內生態(tài)系統碳貯量與周邊區(qū)域碳貯量之間的空間分布規(guī)律和差異。

作者根據野外調查結果并結合1985年、1996年和2006年福建省毛竹林資源二類清查資料,在縣市尺度上對福建省毛竹林的碳貯量進行估算,并使用ArcGIS 9.0軟件對相關數據進行空間自相關分析;在此基礎上,基于全局空間自相關指數Moran’s I和局部空間自相關指數Local Moran’s I對1985年、1996年和2006年福建省毛竹林碳貯量的空間分布格局進行分析。以期更有效地掌握福建省毛竹林碳貯量的地理分布情況,為從省級尺度上探討毛竹林碳貯量的空間分布規(guī)律以及評價毛竹林的碳匯功能和碳平衡功能提供參考依據。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

福建省地處中國東南沿海,位于北緯23°31′～28°18′、東經115°50′～120°43′之間,東北面與浙江接壤,西面靠近江西,西南面毗鄰廣東;屬亞熱帶海洋性季風氣候,全年雨量充沛,冬無嚴寒、夏少酷暑,年均氣溫17℃～21℃,年均降雨量1 400～2 000 mm;地貌以山地丘陵為主,地勢由西北向東南逐漸降低;土壤類型以紅壤、黃壤及磚紅壤性紅壤為主。全省森林面積達7.666×106hm2,森林覆蓋率達63.10%,位列全國第1位。全省植物種類豐富,高達5 000多種,地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林,主要樹種有多脈青岡(Cyclobalanopsis multinervis W.C.Cheng et T. Hong)、石櫟〔Lithocarpus glaber(Thunb.)Nakai〕、紅錐(Castanopsis hystrix Miq.)、栲樹(C.fargesii Franch.)、苦櫧〔C.sclerophylla(Lindl.et Pax.)Schott.〕和甜櫧〔C.eyrei(Champ.ex Benth.)Tutch.〕等數十種。人工植被以用材林為主,其次為毛竹林,其中人工林蓄積量為1.96×108m3,位列全國第1位。全省竹林面積達9.93×105hm2、種類數約140種,主要包括毛竹、剛竹(P.sulphurea var.viridis R.A.Young)、黃竹(DendrocalamusmembranaceusMunro)、黃麻竹〔Bambusa stenoaurita(W.T.Lin)T.H.Wen〕、綠竹(B.oldhamii Munro)、苦竹〔Pleioblastusamarus (Keng)P.C.Keng〕及方竹〔Chimonobambusa quadrangularis(Franceschi)Makino〕等。

1.2 數據收集和碳貯量計算方法

為保證數據的準確性與完整性,以福建省行政區(qū)劃圖為底圖,分別收集1985年、1996年和2006年福建省毛竹林資源二類清查資料的縣級數據(包含各縣毛竹林的面積和株數),并基于這些數據、按照公式“毛竹林總碳貯量=毛竹林總生物量×含碳量”對福建省毛竹林碳貯量進行計算。其中,毛竹林的含碳量以0.5[12-14]作為計算值;毛竹林總生物量=毛竹的單株生物量×該年毛竹的總株數,參考方精云等[15]的研究結果(毛竹的單株生物量即全株生物量,為地上部分生物量和地下部分生物量之和,變動范圍為22.35～22.62 kg),取毛竹全株生物量的平均值(22.50 kg)作為毛竹的單株生物量。

根據毛竹林總生物量和總碳貯量的計算結果獲得3個年份福建省毛竹林碳貯量的空間分布數據;在此基礎上,以福建省行政區(qū)劃圖為底圖、采用ArcGIS 9.0軟件對福建省毛竹林碳貯量的空間地域分布進行作圖和分析。

1.3 統計及分析方法

通過對空間自相關指數的估算分析福建省毛竹林碳貯量的空間差異及關聯程度。選取較為常用的空間自相關指數Moran’s I和Local Moran’s I作為衡量指標,計算公式見文獻[16];同時,采用Z統計量作為標準化量進行Moran’s I指數的顯著性檢驗,計算公式見文獻[17]。

依據Moran’s I指數的取值范圍([-1,1])[18]及其絕對值大小判斷空間關聯程度。若Moran’s I指數顯著為正,則說明毛竹林碳貯量較高的地區(qū)或毛竹林碳貯量較低的地區(qū)在空間上顯著集聚;絕對值越靠近1,說明全省范圍內毛竹林碳貯量的空間差異越小,即不同地區(qū)毛竹林碳貯量的空間自相關性較強,或者鄰近區(qū)域的毛竹林碳貯量具有較強的相似性。相反,如果Moran’s I指數顯著為負,則說明全省范圍內毛竹林碳貯量的空間差異顯著,或者表明全省不同地區(qū)與周邊地區(qū)的毛竹林碳貯量在空間上有顯著性差異;絕對值越靠近1,說明其差異性越大。

在給定置信水平下進行局部空間自相關分析時,可將空間關聯模式分為4種類型[19],其中正空間關聯包括“高-高”關聯和“低-低”關聯2種類型,負空間關聯包括“高-低”關聯和“低-高”關聯2種類型。“高-高”關聯指空間自身高于屬性值均值的空間單位被屬性值高于均值的空間單位所包圍,即研究區(qū)域與周邊區(qū)域的毛竹林碳貯量均較高;“低-低”關聯指空間自身低于屬性值均值的空間單位被屬性值低于均值的空間單位所包圍,即研究區(qū)域與周邊區(qū)域的毛竹林碳貯量均較低;“高-低”關聯指空間自身高于屬性值均值的空間單位被屬性值低于均值的空間單位所包圍,即毛竹林碳貯量在研究區(qū)域較高而在周邊區(qū)域較低;“低-高”關聯指毛竹林碳貯量在研究區(qū)域較低而在周邊區(qū)域較高。

2 結果和分析

2.1 福建省毛竹林碳貯量的空間分布特征分析

1985年、1996年和2006年福建省毛竹林碳貯量的分布狀況見圖1。由圖1可見:這3年福建省毛竹林碳貯量的分布格局具有一定的相似性。福建省毛竹林碳貯量的主要分布區(qū)域是包括南平、三明和龍巖在內的閩北和閩西地區(qū),且均表現出東部低、西部高和南部低、北部高的分布特征。其中,3個年份的福建省毛竹林碳貯量最大的地區(qū)均為南平,而龍巖和三明的毛竹林碳貯量也很豐富,以廈門為代表的閩南地區(qū)的毛竹林碳貯量則均較低。對比3個年份福建省毛竹林碳貯量,可見隨時間的推移,福建省大部分縣市的毛竹林碳貯量均有所增加。

2.2 福建省毛竹林碳貯量的全局空間自相關分析

利用ArcGIS 9.0軟件對1985年、1996年和2006年福建省毛竹林碳貯量進行全局空間自相關分析,結果顯示:1985年、1996年和2006年福建省毛竹林碳貯量的Moran’s I指數分別為0.36、0.38和0.41,均為正值,且其絕對值逐漸遞增;Moran’s I指數的統計檢驗值Z分別為4.98、5.32和5.57,均大于1.96,超出0.05水平的置信區(qū)間范圍(-1.96,1.96),說明福建省毛竹林碳貯量在這3個年份中均表現出顯著的正空間自相關性,聚集現象顯著,且隨時間推移集聚現象越來越明顯。

圖1 1985年(A)、1996年(B)和2006年(C)福建省毛竹林碳貯量的分布Fig.1 Distribution of carbon storage of Phyllostachys edulis(Carr.)J.Houz.forest of Fujian Province in 1985(A),1996(B)and 2006(C)

圖2 1985年(A)、1996年(B)和2006年(C)福建省毛竹林碳貯量的局部空間關聯分布Fig.2 Distribution of local spatial associations of carbon storage of Phyllostachys edulis(Carr.)J.Houz.forest of Fujian Province in 1985(A),1996(B)and 2006(C)

2.3 福建省毛竹林碳貯量的局部空間自相關分析

基于Local Moran’s I指數、運用ArcGIS 9.0軟件繪制1985年、1996年和2006年福建省毛竹林碳貯量的局部空間關聯分布圖,結果見圖2。由圖2可見:福建省毛竹林碳貯量在這3個年份均表現出顯著的局部空間集聚現象(P≤0.05),具體特征如下:1)閩東南區(qū)域(包括廈門市的集美區(qū)和同安區(qū)以及福州市的臺江區(qū)和鼓樓區(qū)等)與周邊區(qū)域的毛竹林資源較不豐富,表現出顯著的“低-低”正相關集聚特點;2)閩西北區(qū)域(主要是龍巖、南平和三明地區(qū))是福建省毛竹林的主要產區(qū),自然條件優(yōu)越,適合毛竹生長,且與相鄰縣市的差異不明顯,表現為“高-高”正相關集聚特點;3)其他少數縣市因對毛竹林的經營管理較為重視,因而這些區(qū)域的毛竹資源較豐富,與其相鄰區(qū)域毛竹林資源缺乏的現象形成鮮明對比,表現出明顯的“高-低”負相關集聚特點。總體而言,在1985年、1996年和2006年福建省毛竹林碳貯量空間分布呈正相關集聚特點的地區(qū)多于呈負相關集聚特點的地區(qū),還有部分地區(qū)的分布關系不顯著。各縣市毛竹林碳貯量呈局部空間集聚現象,表現為明顯的空間二元結構,即福建省西北區(qū)域毛竹林的發(fā)展狀況較好,而東南區(qū)域毛竹林的發(fā)展狀況卻較差。

由圖2還可見:在閩北和閩西的大部分縣市(以南平和龍巖為主),毛竹林碳貯量大且與周邊區(qū)域的差異較小,呈現明顯的“高-高”正相關集聚特點,并且在1985年和1996年呈現這種正相關集聚特點的區(qū)域包括建陽、長汀、沙縣等8個縣市,而到了2006年遞減到7個縣市,其中尤溪縣與周邊區(qū)域的毛竹林碳貯量不再呈現“高-高”正相關集聚特點;以福建省東南部地區(qū)為主的大部分縣市與周邊區(qū)域的毛竹林碳貯量呈現“低-低”正相關集聚特點,在1985年呈現這種關聯的縣市包括泉州市的洛江區(qū)和泉港區(qū)、惠安縣、金門縣以及廈門市的杏林區(qū)和同安區(qū)等共20個區(qū)縣,到了1996年遞減到只有廈門市的同安區(qū)、集美區(qū)和思明區(qū)以及金門縣等8個區(qū)縣,到了2006年則遞減至6個區(qū)縣;“高-低”負相關區(qū)域主要包括永安、上杭和新羅等縣市,而武平、連城和漳平等縣市則屬于“低-高”負相關區(qū)域。

3 討論和結論

不同地區(qū)間的相互影響導致福建省各地區(qū)的毛竹林碳貯量存在一定的相關性。傳統的毛竹林碳貯量空間分布特征研究方法忽視了各地區(qū)的空間位置因素,無法真正反映由于地區(qū)差異引起的空間分布特征的變化。采用以空間關聯測度為核心的空間自相關分析方法,可以通過計算空間鄰接矩陣解決不同地區(qū)之間相互作用和影響的空間關系問題。本研究主要通過全局和局部的空間自相關分析方法對1985年、1996年和2006年福建省毛竹林碳貯量的空間分布特征進行初步探討和分析?？傮w上看,在1985年、1996年和2006年福建省毛竹林碳貯量的分布規(guī)律均呈現“西高東低”和“北高南低”的特征,且以閩北地區(qū)的碳貯量最大、閩西地區(qū)次之、閩南地區(qū)最低;全省不同地區(qū)毛竹林碳貯量的分布差異較大,但這3個年份間的分布規(guī)律差別不大,總體上均呈現逐漸增加的趨勢。

全局空間自相關分析結果表明:福建省毛竹林碳貯量表現出正空間自相關性,具有很強的集聚性,并且全局空間自相關指數Moran’s I隨時間的推移逐漸增大,說明集聚的強度越來越大。出現這種空間自相關關系的原因可能主要有以下2個方面:1)與20世紀末福建全省開始注重環(huán)境保護、提倡森林可持續(xù)經營和管理有關;2)由于毛竹具有較高的經濟和生態(tài)效益,因而直接影響福建省不同區(qū)域毛竹林的種植面積,從而導致全省毛竹林碳貯量在空間尺度上的自相關關系十分顯著。

局部空間自相關分析結果表明:1985年、1996年和2006年福建省毛竹林碳貯量均表現出明顯的局部空間集聚現象,毛竹林碳貯量主要分布在閩西和閩北地區(qū)且區(qū)域間的差異較小,這些地區(qū)優(yōu)良的地理環(huán)境和氣候條件為毛竹的生長提供了得天獨厚的外部條件,使這些區(qū)域的毛竹林碳貯量呈現明顯的“高-高”正相關集聚特點;而東南沿海地區(qū)由于毛竹資源較匱乏,表現出“低-低”正相關集聚特點;其他地區(qū)(包括永安、新羅、武平、連城等縣市)的毛竹林碳貯量則與相鄰區(qū)域的差異較大,表現出明顯的“高-低”或“低-高”負相關集聚特點。

采用空間自相關分析法研究福建省的毛竹林碳貯量空間分布特征,能更客觀地揭示福建省毛竹林碳貯量的空間分布規(guī)律及其聚集模式,更直觀地說明福建省毛竹林碳貯量的空間分布格局,為植被碳貯量空間分布特征研究提供了切實有效的研究方法。然而,雖然全局和局部自相關分析結果能夠反映植被碳貯量的空間分布規(guī)律及其集聚模式,但其僅能代表眾多數據統計關系中的一種,而實際上,導致森林生態(tài)系統碳貯量分布差異的因素有多種,如土壤碳貯量、水熱條件差異等[20-21]。因此,應該針對這些因素進行更全面而深入的研究。

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(責任編輯:佟金鳳)

Spatial autocorrelation analysis on carbon storage of Phyllostachys edulis forest in Fujian Province

FENG Jian1,SU Alan1,WU Chengzhen1,2,①,LIN Yongming1,2,HONG Wei1,2,LI Jian1,2(1.College of Forestry,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China;2.College of Ecology and Resource Engineering,Wuyi University,Wuyishan 354300,China),J.Plant Resour.&Environ. 2014,23(4):27-32

Taking secondary inventory data of Phyllostachys edulis(Carr.)J.Houz.forest resources of Fujian Province in 1985,1996 and 2006 as basic data,carbon storage of P.edulis forest in Fujian Province was estimated.On this basis,its spatial distribution regularity and spatial autocorrelation relation were researched by spatial autocorrelation analysis method.The results show that spatial distribution characteristics of carbon storage of P.edulis forest of Fujian Province in 1985,1996 and 2006 are similar with a regularity of higher in west and north areas of Fujian Province and lower in east and south areas of Fujian Province,and carbon storage of P.edulis forest increases gradually as time goes on.Global spatial autocorrelation index Moran’s I of carbon storage of P.edulis forest of Fujian Province in 1985,1996 and 2006 is 0.36,0.38 and 0.41,respectively,and their Z value is 4.98,5.32 and 5.57,respectively,meaning that carbon storage of P.edulis forest in Fujian Province appears significantly positive spatial autocorrelation,there is obvious agglomeration phenomenon and it is more and more obvious as time goes on.The results of local spatial autocorrelation analysis show that spatial distribution of carbon storage of P.edulis forest in west and north areas of Fujian Province appears significantly“high-high”positive correlative agglomeration feature,while that in east and south areas of Fujian Province appears significantly“l(fā)ow-low”positive correlative agglomeration feature,that in other minority regions appears“high-low”or“l(fā)ow-high”negative correlative agglomeration features.It is suggested that distribution pattern of carbon storage of P.edulis forest in Fujian Province is related to development status of P.edulis forest in each area.

Q946.92;S718.51;S795.7

A

1674-7895(2014)04-0027-06

10.3969/j.issn.1674-7895.2014.04.04

2014-04-15

福建省科技重大專項(2012NZ0001);福建省科技重點項目(2011N0002)

馮 健(1990—),男,福建上杭人,碩士研究生,主要從事森林生態(tài)學方面的研究工作。

①通信作者E-mail:fjwcz@126.com