趙文潔 李鳳日 莊 宸 王樹芳

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (大興安嶺松嶺林業(yè)局)

大興安嶺地區(qū)落葉松林碳密度空間分布1)

趙文潔 李鳳日 莊 宸 王樹芳

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (大興安嶺松嶺林業(yè)局)

以黑龍江省大興安嶺地區(qū)落葉松天然林為研究對象，利用65株生物量樣木的含碳率測定數(shù)據(jù)，以及2005—2010年復(fù)測的285塊固定樣地數(shù)據(jù)，采用克里格(Kriging)插值法，基于ArcGIS平臺分析了該地區(qū)落葉松林碳密度及其空間分布特征。研究結(jié)果表明：落葉松林碳密度的變化范圍為1.2～101.1 t/hm2，平均值為37.0 t/hm2。落葉松林喬木(全樹)、地上(干、枝、葉)和地下(根)部分碳密度在海拔901～1 100 m內(nèi)最大；落葉松林碳密度在不同坡位上的分布規(guī)律從大到小順序為：上坡、脊、中坡、下坡、谷、平地。落葉松林各部分碳密度在斜坡(坡度15°～24°)最大，喬木和地上部分在平坡(坡度<5°)最小，而地下部分在陡坡(坡度25°～34°)時最?。宦淙~松林碳密度在不同坡向上的分布規(guī)律從大到小順序為：陽坡、無坡向、半陰坡、半陽坡、陰坡。大興安嶺地區(qū)落葉松林年平均固碳量為1.05 t·hm-2·a-1，其中地上部分年平均固碳量為0.81 t·hm-2·a-1，地下部分年平均固碳量為0.24 t·hm-2·a-1。

大興安嶺；落葉松天然林；森林碳密度；空間分布

With the data of carbon content rates for 65 biomass sample trees and 285 permanent sample plots from natural larch forest of 2005-2010 in the Daxing’an Mountain of Heilongjiang Province, we measured the carbon density and spatial distribution for Larch forests by Kriging spatial interpolation and ArcGIS spatial analysis. The carbon density of larch forest is 1.2 t/hm2-101.1 t/hm2with the mean of 37.0 t/hm2. The forest carbon density of total tree, aboveground, and underground (roots) reaches the maximum at 901-1 100 m asl. The distribution of the carbon density for larch forest at different slope position is uphill>ridge>middle>downhill>valley>flat. The maximum of carbon density for three part is at the slope of 15°-24° and the maximum is at <5° for total tree and aboveground, and 25°-34° for underground. The distribution at different slope aspect is sunny-slope>none>half shady-slope>half sunny-slope>shady-slope. In the Daxing’an Mountain, the mean carbon sequestration of larch forest per year for total tree, aboveground and underground are 1.05, 0.81 and 0.24 t/hm2, respectively.

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，不僅在調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩大氣中溫室氣體濃度及維護全球氣候等方面有著不可代替的作用，而且對區(qū)域生態(tài)環(huán)境有著重要的意義。對森林生態(tài)系統(tǒng)中碳儲量、碳密度的研究也對陸地生態(tài)系統(tǒng)中CO2的“源”和“匯”有著重要的意義[1]。森林作為最大的動態(tài)碳庫，其質(zhì)量也決定了森林儲存碳的能力，而森林碳密度是森林質(zhì)量評價的一個重要指標[2]。近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對碳儲量、碳密度方面做了很多的研究，王效科等[3]根據(jù)我國38種優(yōu)勢樹種的蓄積量估算出森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳總貯量是3 724.5 Tg，各森林類型的碳密度差異較大介于6.47～118.14 Mg/hm2。焦燕等[4]利用全國六次森林資源清查資料計算黑龍江省森林碳儲量、碳密度，總體呈增長趨勢。1973—1998年五次清查資料計算得到的碳密度分別為31.74、35.46、36.40、36.5、35.41 t/hm2，均比全國森林碳密度高。眾多學(xué)者對不同地區(qū)、不同森林類型進行了碳儲量和碳密度的研究，但由于采用的研究方法、分析儀器和選取區(qū)域尺度的等的不同，在結(jié)果上存在一定的差異。

我國森林類型多樣，分布范圍廣，楊曉梅等[5]研究認為在森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯等研究中區(qū)域尺度起著橋梁和紐帶作用，單個生態(tài)系統(tǒng)是起點和根本。因此，研究小尺度上某一種森林類型的碳儲量和碳密度是極為重要的，以便為更加準確的估計大尺度森林的碳匯功能提供可靠的依據(jù)。本文以大興安嶺地區(qū)落葉松(Larixgmelinii)林為對象，利用落葉松含碳率數(shù)據(jù)及固定樣地復(fù)測數(shù)據(jù)，通過計算落葉松林的碳密度，采用克里格(Kriging)插值法研究其碳密度空間分布及動態(tài)空間分布。

1 研究區(qū)概況

黑龍江省大興安嶺林區(qū)位于中國東北部邊陲，坐落于北緯50°05′～53°33′，東經(jīng)121°11′～127°01′，北部和東北部以黑龍江為界與俄羅斯相望，西鄰內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)，南接內(nèi)蒙古大楊樹林業(yè)局和黑龍江省黑河地區(qū)。橫貫林區(qū)的大興安嶺山脈，是抵御鄂霍次克海和太平洋濕潤季風(fēng)東進、北上，屹立在松嫩平原北側(cè)的巨大天然屏障，生態(tài)地位極為重要。全區(qū)總面積835萬hm2，南北長約365 km，東西寬335 km，地勢伏不大，西部、中部高，東部、北部低，平均海拔537 m，平均坡度9.5°，屬于低山丘陵緩坡地形。

大興安嶺林區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫-2.8 ℃，年積溫為1 100～2 000 ℃，無霜期90～110 d，年平均降水量474 mm，多集中在4—8月份，占全年的70%。本區(qū)土壤主要為棕色針葉林土和暗棕壤。棕色針葉林土分布面積最廣，占林區(qū)總面積的72.8%，適宜興安落葉松、樟子松、山楊、白樺等樹種地生長。

根據(jù)2011年統(tǒng)計，黑龍江省大興安嶺林區(qū)總經(jīng)營面積835萬hm2，林地面積為799.3萬hm2，森林面積676萬hm2(約占總面積的81%)，林木總蓄積量5.27億m3，森林覆蓋率達到80.95%。大興安嶺主要的森林類型主要林分類型為落葉松林、樟子松林、云杉林、白樺林、山楊林、蒙古櫟林、楊樺林、針葉混交林、針闊混交林和闊葉混交林等。

本研究所用的285塊落葉松林標準地，分別來源于黑龍江大興安嶺林區(qū)的10個林業(yè)局(加格達奇、松嶺、新林、呼中、塔河、十八站、韓家園、阿木爾、圖強及西林吉林業(yè)局)及8個保護區(qū)(呼中、綽那河、多布庫爾、南翁河、盤中、雙河、松峰及松嶺保護區(qū))。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 樣地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文的研究數(shù)據(jù)來源于黑龍江省大興安嶺林區(qū)調(diào)查的兩期固定樣地數(shù)據(jù)(2005—2010年)，共285塊(樣地面積均為0.06 hm2)。每塊樣地調(diào)查了起源、地理位置(GPS坐標)、地形因子(海拔、坡度、坡向、坡位等)，進行了每木檢尺，并計算了林分年齡、樹種組成，平均胸徑、平均樹高，每公頃株數(shù)、每公頃蓄積等林分變量(見表1)。

表1 大興安嶺地區(qū)落葉松林生物量和碳密度統(tǒng)計

注：樣地數(shù)量為285塊。

2.2 單木生物量及含碳率的測定

林木生物量和含碳率的精確測量與估計，是得到準確的碳密度數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。2011—2012年，在天然落葉松林中共設(shè)置了28塊標準地(塔河林業(yè)局12塊，面積0.06 hm2；塔河林業(yè)局16塊，面積0.10 hm2)，各標準地進行每木檢尺，并按2 cm徑階統(tǒng)計后，每塊標準地選取2株落葉松生物量和含碳率測定樣木(優(yōu)勢木和平均木各1株)，共56株。

將生物量和含碳率樣木伐倒后，按1 m區(qū)分段測定樹干的鮮質(zhì)量。將樹冠分為3層，每層都選取3～5個標準枝，稱其枝、葉的鮮質(zhì)量。樹根采用“全挖法”，按照大于5、2～5 cm和小于2 cm分成3組，分別記錄鮮質(zhì)量。每株樣木，分別樹干、樹枝、樹葉和3個部分的樹根取100 g左右作為樣品，在105 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，記錄其干質(zhì)量。采用干質(zhì)量/鮮質(zhì)量比例，推算立木的樹干、樹枝、樹葉和樹根的生物量。

國際上通用的樹木含碳率為0.4～0.5，但不同樹種含碳率也有差別[9]。本研究將烘干的樹干、樹枝、樹葉以及3部分根樣品用打磨機磨碎，分別選取20 mg的干樣品，放入Multi N/C分析儀采用燃燒法測定了落葉松各器官組分碳含量，測量數(shù)據(jù)全程由電腦自動記錄[10]。大興安嶺林區(qū)落葉松含碳率測定結(jié)果見表2。

表2 大興安嶺地區(qū)落葉松含碳率統(tǒng)計

注：樣木數(shù)為65株。

2.3 林分生物量估算

目前對森林生物量的估測方法主要有樣地調(diào)查、模型模擬和遙感反演等[6]，而生物量模型的研建是估算生物量的主要手段[7]，也是目前研究單木以及林分生物量的主要方法。單木生物量包括地上生物量和地下生物量。近年來，隨著立木相容性生物量模型的完善[9]，使單木各個器官(樹干、樹枝、樹葉、樹根)生物量估計成為可能。

本研究采用文獻[8]中所建立的黑龍江省主要樹種相容性立木生物量模型，基于固定樣地每木檢尺數(shù)據(jù)計算每株樹木的生物量，各樣木合計得到各樣地的生物量，并將林分生物量分為地上生物量(樹干、樹枝和樹葉生物量)、地下生物量(根系生物量)和喬木生物量(地上生物量+地下層生物量)。

2.4 碳密度計算

林木生物量乘以含碳率即為碳儲量，而單位面積上的碳儲量就是碳密度。基于各個樣地每木檢尺數(shù)據(jù)，利用落葉松生物量模型[8]和含碳率數(shù)據(jù)(見表1)計算每株樹木相應(yīng)器官的含碳量，各樣木合計并除以樣地面積(0.06 hm2)得到各樣地的碳密度。大興安嶺林區(qū)落葉松林地上、喬木生物量及碳密度統(tǒng)計量詳見表2。

2.5 克里格插值法

克里格(Kriging)插值又稱空間局部插值法，在有限區(qū)域?qū)^(qū)域化變量進行無偏最優(yōu)估計的一種方法。該方法最大限度地利用了空間取樣時提供的信息，也考慮了各鄰近點彼此之間的位置關(guān)系。跟其他普通的估計方法更精確、更符合實際，并且避免系統(tǒng)誤差的出現(xiàn)[11]。

該插值方法根據(jù)待插值點與臨近實測高程點的空間位置，對待插值點的高程值進行線性無偏最優(yōu)估計，通過生成一個關(guān)于高程的克里格插值圖來表達研究區(qū)域的原始地形。總的公式如下：

(1)

式中：Z(x0)表示未知樣點的值；Z(xi)表示未知樣點周圍的已知樣本點的值；N為已知樣本點的個數(shù)；λi為第i個樣本點的權(quán)重。Z(x0)的確定是通過半方差圖分析獲取的，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)上無偏和最優(yōu)的要求，利用拉格朗日極小化原理，可以推倒出權(quán)重值和半方差之間的公式[12]。

利用大興安嶺地區(qū)285塊落葉松林固定樣地兩期復(fù)測數(shù)據(jù)(2005—2010年)，統(tǒng)計估算了大興安嶺地區(qū)落葉松林碳密度，并使用克里格空間插值方法繪制其動態(tài)變化圖，分析落葉松林碳密度動態(tài)變化的空間分布規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 落葉松林碳密度

利用2010年在大興安嶺地區(qū)285塊落葉松林喬木層(含地上部分和地下部分)的碳密度數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS10.0制作的大興安嶺地區(qū)落葉松林喬木層碳密度的分布圖(見圖1)，并對落葉松林碳密度的空間分布進行初步分析。由圖1中可知，高密度碳區(qū)大量聚集在呼瑪縣，低密度碳區(qū)在漠河縣，呼中區(qū)與新林區(qū)邊界。

根據(jù)大興安嶺地區(qū)落葉松林喬木層碳密度分布圖及推算結(jié)果，碳密度1.154 5～101.065 t/hm2，平均值為36.99 t/hm2，變異系數(shù)為0.61。

3.2 大興安嶺地區(qū)落葉松林碳密度分布特征

森林碳密度與生物量和含碳率關(guān)系密切，而森林生物量與樹木胸徑、樹高關(guān)系密切[13]。利用2010年標準地復(fù)查收集并估算計算得到的落葉松林碳密度，本研究從不同立地因子(海拔、坡位、坡度及坡向等)的角度分析了大興安嶺落葉松林碳密度的空間分布特征。

圖1 大興安嶺地區(qū)落葉松林喬木層碳密度分布圖

3.2.1 不同海拔上落葉松林碳密度分布規(guī)律

將各樣地的海拔高度以100 m為單位劃分為10個等級，分別是h1(200～300 m)、h2(301～400 m)、h3(401～500 m)、h4(501～600 m)、h5(601～700 m)、h6(701～800 m)、h7(801～900 m)、h8(901～1 000 m)、h9(1 001～1 100 m)、h10(1 101～1 200 m)。從表3可以看出，各層碳密度在h9(1 001～1 100 m)海拔等級的碳密度最大，在h10(1 101～1 200 m)海拔等級的碳密度最小，在不同海拔等級上的喬木層、地上層和地下層碳密度分布規(guī)律基本一致。在海拔701～1 100 m的空間內(nèi)，碳密度隨著海拔增加而持續(xù)增加并在1 001～1 100 m達到最大值，之后隨著海拔的增長而減少，碳密度分布隨著海拔的進一步增加而在1 101～1 200 m段達到最低。

表3 落葉松林不同海拔等級上的碳密度分布 t·hm-2

3.2.2 不同坡位上落葉松林碳密度分布規(guī)律

將坡位分為平地、谷、上、中、下、脊等6個。從表4中可以看出，在上坡的落葉松林地上層、地下層和喬木層碳密度均達到最大，分別為37.551 7、11.181 8和48.733 5 t/hm2；在平地的時候各層碳密度值達到為最小，分別為9.674 8、2.833 2和12.508 t/hm2。在不同坡位上的落葉松林地上層、地下層和喬木層的碳密度分布規(guī)律基本一致，從大到小順序為：上、脊、中、下、谷、平地。

表4 落葉松林不同坡位上的碳密度分布 t·hm-2

3.2.3 不同坡度上落葉松林碳密度分布規(guī)律

將坡度分為平坡(坡度<5°)、緩坡(坡度5°～14°)、斜坡(坡度15°～24°)和陡坡(坡度25°～34°)。大興安嶺地區(qū)不同坡度上的落葉松林地上層、地下層和喬木層碳密度分布見表5。從表5看出，地上層、地下層和喬木層均在斜坡的碳密度最大，喬木層碳密度為50.772 t/hm2；地上層和喬木層在平坡時達到最小值分別為24.617 8和32.036 9 t/hm2，地下層則在陡坡時達到最小值為7.3571 t/hm2。在不同坡度上的落葉松林地上層和喬木層碳密度分布規(guī)律基本一致，從大到小順序為：斜坡、緩坡、陡坡、平坡，地下層碳密度分布規(guī)律，從大到小順序為：斜坡、緩坡、平坡、陡坡。

表5 落葉松林不同坡度上的碳密度分布 t·hm-2

3.2.4 不同坡向上落葉松林碳密度分布規(guī)律

將坡向分為無坡向、陰坡(北、東北)、半陰坡(東、西北)、陽坡(南、西南)、半陽坡(西、東南)[14]。大興安嶺地區(qū)不同坡向上的落葉松林地上層、地下層和喬木層碳密度分布見表6。從表6可以看出，在不同坡向上的落葉松林各層碳密度分布規(guī)律基本一致，從大到小順序為：陽坡、無坡向坡、半陰坡、半陽坡、陰坡。在陽坡上各層碳密度均達到最大值分別為31.160 9、9.218 5和40.379 4 t/hm2；在陰坡上各層均達到最小值分別為27.347 5、8.243 3和35.590 8 t/hm2。不同坡向上的落葉松林各層碳密度沒有太大的變化規(guī)律，基本趨于平穩(wěn)。

表6 落葉松林不同坡向上的碳密度分布 t·hm-2

3.3 大興安嶺地區(qū)落葉松林碳密度動態(tài)的空間分布

利用大興安嶺地區(qū)285塊落葉松林固定樣地兩期(2005—2010年)復(fù)測數(shù)據(jù)，結(jié)合ArcGIS的克里格(Kriging)插值空間分析功能，將落葉松林地上層(干、枝、葉)、地下層(根)和喬木層(全樹)的碳密度進行空間動態(tài)分析(見圖2、圖3和圖4)。

圖2 大興安嶺地區(qū)落葉松林地上層碳密度動態(tài)空間分布

圖3 大興安嶺地區(qū)落葉松林地下層碳密度動態(tài)空間分布

大興安嶺地區(qū)落葉松林碳密度年動態(tài)的空間分布，整體上東部大片區(qū)域、南部小片區(qū)域比較高。落葉松林地上層碳密度年動態(tài)最高值分布在呼瑪縣內(nèi)和新林區(qū)、加格達奇交界處，最小的在漠河縣內(nèi)；地下層碳密度年動態(tài)最高值也分布在呼瑪縣境內(nèi)和加格達奇地區(qū)北部，而最小的也在漠河縣內(nèi)；落葉松林喬木層碳密度年動態(tài)最高值分布于加格達奇地區(qū)內(nèi)，最小的在漠河縣內(nèi)。影響碳密度年動態(tài)的因素能有地形、降雨量、溫度、人為干擾和自然干擾(如火災(zāi)、風(fēng)災(zāi))等。

圖4 大興安嶺地區(qū)落葉松林喬木層碳密度動態(tài)空間分布

由表7可知，在大興安嶺地區(qū)落葉松林喬木、地上和地下部分碳密度年平均增長量分別為1.045 5、0.807 6和0.237 9 t/(hm2·a)。換言之，大興安嶺地區(qū)落葉松林單位面積年平均固碳量為1.045 5 t/(hm2·a)，其中地上部分年平均固碳量為0.807 6 t/(hm2·a)，地下部分年平均固碳量為0.237 9 t/(hm2·a)。

表7 大興安嶺落葉松林各層碳密度年動態(tài)變化 t·hm-2·a-1

4 結(jié)論

本研究利用地理信息系統(tǒng)軟件包ArcGIS對大興安嶺地區(qū)落葉松林碳密度的空間分布特征進行了分析，為準確估計該區(qū)域的碳匯功能提供了可靠的基礎(chǔ)。

大興安嶺地區(qū)落葉松林碳密度的變化范圍為1.15～101.07 t/hm2，平均值為36.99 t/hm2，變異系數(shù)為0.61。

落葉松林碳密度按海拔的分布規(guī)律為：海拔在1 001～1 100 m的各層碳密度最大，而且喬木層、地上層和地下層的碳密度在不同的海拔范圍內(nèi)分布規(guī)律基本一致；在海拔701～1 100 m的空間范圍內(nèi)，碳密度隨著海拔增加而持續(xù)增加，并在1 001～1 100 m范圍里達到最大值，之后隨著海拔的增長而減少。

落葉松林喬木層、地上層和地下層碳密度按坡位的分布規(guī)律為：在上坡時達到最大，分別為37.55、11.18和48.73 t/hm2；在平地時最小，分別為9.67、2.83和12.51 t/hm2。在不同坡位上的落葉松林喬木層、地上層和地下層的碳密度分布規(guī)律基本一致，從大到小的順序為：上、脊、中、下、谷、平地。

在不同的坡度上，落葉松林各層碳密度均在斜坡的碳密度最大，喬木層碳密度為50.77 t/hm2；地上層和喬木層在平坡時碳密度最小分別為24.62和32.04 t/hm2，地下層則在陡坡時達到最小值為7.36 t/hm2。

在不同的坡向上，落葉松林各層碳密度分布規(guī)律基本一致且趨于平穩(wěn)，陽坡>無坡向>半陰坡>半陽坡>陰坡。喬木層、地上層和地下層均在陽坡達到最大值，分別為31.16、9.22和40.38 t/hm2；在陰坡達到最小值，分別為27.35、8.24和35.59 t/hm2。

大興安嶺地區(qū)落葉松林年平均固碳量為1.0456 t/(hm2·a)，其中地上部分年平均固碳量為0.8076 t/(hm2·a)，地下部分年平均固碳量為0.2379 t/(hm2·a)。

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Spatial Distribution of Carbon Density for Larch Forest in Daxing’an Mountain/

Zhao Wenjie, Li Fengri, Zhuang Chen(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China); Wang Shufang(Songling Forest Bureau of Daxing’an Mountain)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-1～5

Daxing’an Mountain; Natural larch forests; Forest carbon density; Spatial distribution

1) “十二五”國家科技支撐計劃課題(2012BAD22B02)資助。

趙文潔，女，1989年6月生，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。

李鳳日，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，教授。 E-mail:fengrili@126.com。

2014年2月22日。

S758.1

責(zé)任編輯：潘 華。