徐凱健，謝錦升?，曾宏達，呂茂奎，任婕， 楊玉盛

(1．福建師范大學地理科學學院， 350007，福州； 2．濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地， 350007，福州)

?

生態(tài)恢復條件下典型紅壤侵蝕區(qū)馬尾松林碳儲量時空變化與驅動力分析

徐凱健1,2，謝錦升1,2?，曾宏達1,2，呂茂奎1,2，任婕1,2， 楊玉盛1,2

(1．福建師范大學地理科學學院， 350007，福州； 2．濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地， 350007，福州)

摘要：封山育林、人工造林等治理措施能夠有效改善土壤侵蝕區(qū)的生態(tài)環(huán)境，但伴隨產(chǎn)生的碳匯效益長期以來并沒有得到相應的重視。文章以福建省長汀縣水土保持項目治理區(qū)為研究對象，定量分析該區(qū)自2000年開展生態(tài)治理以來馬尾松林碳儲量的時空格局與碳增匯變化，同時借助2000—2013年政策治理數(shù)據(jù)以及社會統(tǒng)計資料，利用主成分分析法探討各主要驅動因素對森林碳增匯的影響。結果表明：1)2000—2013年該治理區(qū)總碳儲量由127.01萬t增加到189.96萬t，平均每年增長3.52%，遠高于全縣平均水平；當?shù)?000、2006和2013年的馬尾松林碳密度分別為27.95、32.82和41.72 t/hm2，區(qū)域碳匯能力正在不斷提高。2)在空間上，該區(qū)總碳儲量的增長主要表現(xiàn)在海拔600 m和坡度25°以下區(qū)域，總增長幅度分別達到41.6%和50.9%。馬尾松林碳密度隨海拔和坡度上升而明顯增加，表明其碳匯能力仍具備較大恢復潛力。3)主成分分析表明，治理區(qū)馬尾松林碳儲量變化的主要驅動因素是政策治理、經(jīng)濟結構調整和農(nóng)戶增收，其中政策治理是該區(qū)馬尾松林碳增匯能力提升的最顯著因子。

關鍵詞：紅壤侵蝕區(qū)； 生態(tài)恢復； 馬尾松； 碳儲量動態(tài)； 驅動力； 水土保持； 政策治理

森林碳匯能夠有效降低大氣中CO2濃度，是調節(jié)陸地碳循環(huán)過程的主要因子，在全球碳平衡中發(fā)揮著重要的作用[1-2]。我國是世界上受生態(tài)系統(tǒng)退化和土壤侵蝕影響最嚴重的國家之一[3]，土地侵蝕與退化大多伴隨著森林景觀破碎、生境質量下降和大量植物碳損失。我國南方紅壤丘陵區(qū)是僅次于黃土高原的水土流失退化區(qū)，封山育林、人工造林是該區(qū)水土流失治理的主要措施[4-6]。相關研究[7-10]表明，通過造林、再造林能夠使生態(tài)退化區(qū)轉變?yōu)楦呱a(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)，不但可以改善區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，還能有效緩和大氣CO2濃度上升，對我國林業(yè)碳增匯貢獻很大。目前，國內(nèi)外對基于區(qū)域尺度侵蝕地生態(tài)恢復與重建后的碳循環(huán)的研究逐漸受到重視，然而相關研究[11-14]主要集中于土壤碳庫及其相關碳組分變化等方面，對侵蝕區(qū)森林生態(tài)參數(shù)等研究較缺乏[15-17]，關于森林恢復具體碳固定的數(shù)量、區(qū)域林業(yè)工程碳增匯效應等問題仍亟待解決[18-19]。

長汀縣是福建省重點治理的水土流失區(qū)。自2000年來，福建省政府把長汀水土保持生態(tài)修復工程列入為民辦實事項目，規(guī)劃水土流失重點治理區(qū)(包括河田鎮(zhèn)、三洲鄉(xiāng)、濯田鎮(zhèn)和策武鄉(xiāng))，很大程度恢復了當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境[20-21]；因此，筆者以該治理區(qū)為研究對象，分析當?shù)刈?000年以來馬尾松林碳儲量的時空變化特征，揭示影響生態(tài)恢復碳固定的主要驅動因子，為水土流失治理區(qū)森林固碳能力恢復與生態(tài)治理建設提供基礎數(shù)據(jù)和決策依據(jù)。

1研究區(qū)概況

長汀縣地處福建省西南部閩贛交界區(qū)域，汀江上游，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，年均氣溫17.5～18.8 ℃，年降雨總量1 613.5 mm，其中4—6月降雨量約占全年1/2。該區(qū)地質構造復雜，花崗巖分布廣泛，以山地丘陵地貌為主，形成丘陵分布于盆谷周圍的獨特地貌，極易發(fā)生水土流失現(xiàn)象。長汀縣自新中國成立以來，受貧困、人口壓力以及生產(chǎn)手段單一等因素影響，植被遭到毀滅性破壞，大面積的土地退化嚴重，成為我國南方典型的紅壤侵蝕區(qū)[22]。目前，在全縣的森林資源中，天然林少、人工林多，且以馬尾松(Pinusmassoniana)單一樹種為主，該地區(qū)馬尾松林地約占其森林總面積的82%(2012年)，生態(tài)環(huán)境脆弱，其中以河田鎮(zhèn)、三洲鄉(xiāng)、濯田鎮(zhèn)和策武鄉(xiāng)地區(qū)的水土流失情況最為嚴重[20]。自2000年以來，福建省政府對以上地區(qū)開展集中治理，其主要措施包括封山育林、恢復林草、治理崩崗、改造低效林和推廣經(jīng)濟林等。同時，政府還對治理區(qū)受影響的農(nóng)戶制定補償政策，包括煤炭、沼氣池、經(jīng)濟林開發(fā)、梯田改造的補貼等。截至2013年底，當?shù)匾牙鄯e治理水土流失面積超過6萬hm2，約占全區(qū)總面積的70%，馬尾松林的固碳效益也得到顯著提升。

2研究方法

2.1樣方數(shù)據(jù)獲取與碳儲量計算

課題組于2010年11月對研究區(qū)內(nèi)分散設立的50個馬尾松林標準樣地(20 m×20 m)進行實地調查，詳細記錄各樣地內(nèi)的喬木樹種、胸徑和樹高等參數(shù)，使用Trimble Geo XH 2008分米級精度GPS設備準確記錄樣地中心的地理坐標。所選樣地包含不同恢復程度的馬尾松信息，其中林分密度為175～3 650株/hm2，林下蓋度為0.4～1.0，實測單位面積蓄積量在2.91～297.76 m3/hm2之間，林齡為21～35年，主要分布于河田盆地及其周邊地區(qū)。根據(jù)課題組同期利用解析木法建立的馬尾松異速生長模型計算出各樣地內(nèi)馬尾松生物量

Bs=0.029 2(D2H)+3.505，R2=0.953 7。

式中：Bs為馬尾松單株生物量，t/hm2；D為馬尾松胸徑, cm；H為馬尾松樹高, m；R為相關系數(shù)。

碳儲量的計算采用以生物量乘以含碳系數(shù)的方式，并以當?shù)貑沃犟R尾松各器官重量的加權平均碳含量[23]作為含碳系數(shù)，以提高碳儲量的估算精度。

Sc=0.219 6A+0.045 5B+0.088C+

0.081 5Dl+0.101 2E。

式中：Sc為單株馬尾松加權平均碳儲量，t/hm2；A為馬尾松主干碳儲量，t/hm2；B為馬尾松皮碳儲量，t/hm2；C為馬尾松枝碳儲量，t/hm2；Dl為馬尾松葉碳儲量，t/hm2；E為馬尾松樹根碳儲量，t/hm2。

2.2遙感影像預處理

遙感數(shù)據(jù)采用從USGS網(wǎng)站(http:∥glovis.usgs.gov/)獲取的2000、2006、2010年TM和2013年OLI衛(wèi)星影像，無云量。影像預處理過程主要包括幾何校正和輻射校正。首先以2010年TM影像為基準，通過同期GPS實地定位獲取的地面控制點進行幾何精校正，并依次對其他時間段的相影像采用二次多項式和最鄰近象元法進行配準，使RMS誤差均控制在0.35個像元內(nèi)。參考國際廣泛使用的日照大氣綜合校正模型(IACM)[24]進行輻射校正，同時使用G. Chander等[25]提出的模型算法和衛(wèi)星參數(shù)將2000、2006年TM影像的DN值轉換為像元在傳感器處的反射率(TOA)。對OLI影像的TOA轉換則采用N. Pahlevanet等[26]的方法進行。最后對生成的多時期影像統(tǒng)一采用偽不變地物法(PIF)進行相對輻射校正，以削弱不同時相遙感影像間的地物真實反射率差異。本文具體以2000、2006和2013年影像作為基礎數(shù)據(jù)進行分析，2010年影像為輔助數(shù)據(jù)。

2.3馬尾松林地信息提取與模型構建

依據(jù)長汀縣林業(yè)部門提供的森林小班數(shù)據(jù)直接獲取研究區(qū)2006、2010年的全部馬尾松林地信息，采用基于最大似然法的分層分類法[27]分別對當?shù)?000、2013年的馬尾松林邊界進行提取，同時結合野外實地調查資料和森林清查數(shù)據(jù)對結果進行驗證，二者提取精度分別達到81.54%和80.97%。

植被指數(shù)是進行森林參數(shù)遙感反演的常用方法[28]。通過項目組前期的研究發(fā)現(xiàn)[29]，修正的歸一化植被指數(shù)(Moditied Normalized Difference Vegetation Index，MNDVI)能夠較好區(qū)分當?shù)伛R尾松與林下植被芒萁的光譜值差異，從而顯著提高馬尾松碳儲量反演準確度，其公式[30]為

(1)

式中：M為植被指數(shù)MNDVI數(shù)值；R、N、S分別為TM3、TM4、TM5波段地表反射率；Smax和Smin分別為完全郁閉冠層和開放冠層環(huán)境下TM5波段反射率，運算時分別取TM5地表反射率直方圖兩端1%處的反射率值。

在50個樣地中隨機選擇45個作為樣本，建立MNDVI與馬尾松碳儲量的經(jīng)驗模型(圖1)，同時將剩余的5個樣地作為驗證樣本，并用決定系數(shù)R2和相對誤差RE進行精度分析。RE的計算公式如下：

(2)

式中：CEst,i和CObs,i分別表示第i個樣地的馬尾松林碳儲量的預測值和實測值，t/hm2；n為樣本總量，t/hm2。

結果表明，所建模型的預測值與樣地實測值之間的R2=0.983(圖2)，且RE=4%，反演模型在整體上具有較高精度；因此，進一步結合提取出的研究區(qū)馬尾松林邊界，完成對不同時期馬尾松林碳儲量的估算。

圖1　MNDVI與馬尾松林碳儲量指數(shù)回歸模型Fig.1　Exponential regression between carbon storage 　　　of the Pinus massoniana forest and MNDVI

圖2　樣地碳儲量的實測值與預測值比較Fig.2　Comparison between measured and predicted carbon 　　　storage of plots

2.4驅動因素選取與統(tǒng)計分析

侵蝕地的生態(tài)恢復過程與當?shù)卣攮h(huán)境、社會發(fā)展狀況等因素密切相關[31]。根據(jù)長汀縣水土流失治理區(qū)2000—2013年的相關數(shù)據(jù)，對各主要驅動力因素對馬尾松碳儲量變化的影響情況進行主成分分析。所用數(shù)據(jù)來自長汀縣水土保持事業(yè)局提供的2000—2013年研究區(qū)的生態(tài)治理記錄，以及長汀縣統(tǒng)計局提供的同時期統(tǒng)計年鑒等相關資料。

根據(jù)研究區(qū)背景，分別從政策、經(jīng)濟、氣候和土地4個方面共選取12個因子，即：X1為年均氣溫，℃；X2為年均降雨量，mm；X3為政策治理面積，hm2；X4為節(jié)水渠修建長度，km；X5為道路修建長度，km；X6為煤電補助戶數(shù)，戶；X7為人口總量；X8為農(nóng)戶人均純收入，元；X9為工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值比重；X10為種植業(yè)產(chǎn)值，萬元；X11為林果業(yè)產(chǎn)值，萬元；X12為年末耕地面積，hm2。所選的12個因子數(shù)據(jù)均來自于長汀縣社會統(tǒng)計年鑒與治理區(qū)項目實施情況統(tǒng)計表(2000—2013年)，并采用SPSS 19.0軟件進行處理分析。

3結果與分析

3.1長汀縣水土流失治理區(qū)馬尾松林碳儲量總體變化

經(jīng)過近14年的生態(tài)治理，當?shù)伛R尾松碳貯量和碳密度水平均得到明顯提升(表1)。其中馬尾松總碳儲量由2000年的127.01萬t，上升到2013年的189.96萬t，增長了49.3%，平均每年增長3.52%，遠高于全縣的年均增長率1.76%。馬尾松林碳密度也由27.95 t/hm2增加到41.72 t/hm2，固碳能力顯著增強，在2006—2013期間的年均增長率達到3.88%。治理區(qū)的馬尾松林碳儲量上升速率明顯超過全縣平均水平，這主要由于全縣非治理區(qū)大多是海拔較高的山區(qū)、植被基底較好，且人為擾動強度低，以自然速率演變；而植被條件較差的治理區(qū)由于歷史破壞嚴重，從而導致集中治理后森林碳儲量和變化率得到大幅上升，但治理區(qū)在固碳總量和碳密度方面仍與全縣平均水平存在較大差距。

表1　2000—2013年研究區(qū)馬尾松林碳儲量變化統(tǒng)計

圖3　治理區(qū)不同時期的馬尾松林碳儲量分布Fig.3　Spatial variations of the carbon storage of the Pinus massoniana forest in the study area

由圖3示出，研究區(qū)四周影像顏色逐漸變藍，且不斷趨向中心，而河田盆地附近的低碳儲量分布逐漸破碎，同時面積減少趨勢明顯。其中，碳儲量低于40 t/hm2的馬尾松林面積比例從65.74%(2000年)減少到41.25%(2013年)；而碳儲量空間高于80 t/hm2的馬尾松林面積比例則從17.51%(2000年)增加到35.76%(2013年)，表明碳儲量空間結構得到明顯優(yōu)化。

3.2地形對馬尾松林碳儲量分布的影響

利用研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)提取海拔和坡度信息并依據(jù)國家林業(yè)局《森林資源規(guī)劃設計調查主要技術規(guī)定》進行分級。由表可知：當?shù)伛R尾松林碳密度隨海拔和坡度的增加而呈遞增趨勢，其原因在于海拔較低、坡度較緩的地區(qū)人類活動較密集，導致森林植被易遭受破壞，且馬尾松林多為新種植的幼齡林和中林齡，碳密度水平較低；而隨著地形升高和增陡，人類干擾程度低、成熟馬尾松林比例增加，使其碳密度也不斷上升[27]。但由于區(qū)域內(nèi)高海拔、坡度區(qū)分布面積較少，其馬尾松林的總碳儲量約有80%仍分布在海拔小于600 m和坡度小于35°的地區(qū)。

在2000—2013期間，馬尾松林碳密度增加速率隨海拔和坡度的增加而逐漸降低，直至達到穩(wěn)定狀態(tài)。馬尾松林碳儲量的增加主要表現(xiàn)在海拔600 m以下或坡度25°以下的地區(qū)，其中海拔600 m以下地區(qū)碳儲量增加41.6%，而坡度25°以下地區(qū)則增加50.9%；主要由于海拔較低、坡度較緩的地區(qū)人類活動密集、導致水土流失現(xiàn)象嚴重。該區(qū)是集中治理的重點區(qū)域；因此該地馬尾松林碳儲量恢復效果十分顯著，且隨著治理程度不斷加深，其恢復速度也在不斷提升。

表2　馬尾松林碳儲量在不同海拔和坡度的分布特征

3.3主要驅動因素影響分析

研究區(qū)馬尾松碳儲量變化受到多種因素的綜合影響，各驅動因子的主成分分析結果見表3和表4。在表3中，由于前2個主成分已經(jīng)包含原始變量85.39%的總信息，且特征值均>1，故只需保留第一、第二主成分進行分析即可[32-33]；進一步得出主成分載荷矩陣(表4)，其中表內(nèi)主成分所對應的系數(shù)越大，其包含原變量的成分則越高。

政策治理面積(X3)、節(jié)水渠修建長度(X4)、煤電補助戶數(shù)(X6)、農(nóng)戶人均純收入(X8)和工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值比重(X9)為第1主成分的主要貢獻因子，其相關性均達到0.8以上；因此，第1主成分可以看作是政策治理范圍和經(jīng)濟發(fā)展程度的代表。其中政策治理面積(X3)和煤電補助戶數(shù)(X6)的相關性達到0.9以上，說明政策治理及其包含的生態(tài)補償內(nèi)容是最關鍵的因子。由于禁擾封育政策，研究區(qū)森林遭受的人為干擾大大減弱，其大量次生裸地和稀疏林地逐漸向次生馬尾松林地演化，對該區(qū)森林碳增匯效應具有顯著影響。第2主成分與道路修建長度(X5)、農(nóng)戶人均純收入(X8)和工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值比重(X9)有較高的相關性，這些變量與社會建設、經(jīng)濟結構、居民收入水平有關，可以看作是社會經(jīng)濟發(fā)展的代表。其中，經(jīng)濟結構的轉變使得傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)生改變，減少對耕地面積的需求。當?shù)鼐用裆钏教岣邉t使得人們對居住環(huán)境產(chǎn)生更高的要求；而道路的修建則帶動當?shù)芈糜蔚刃屡d產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，這些改變均有利地推動當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的恢復和林業(yè)碳匯的增長。

表3　主成分的特征值及其貢獻率

表4　主成分得分載荷矩陣

以上結果表明，研究區(qū)馬尾松碳匯變化的主導因素是政策治理范圍不斷擴大、社會經(jīng)濟結構轉變和居民生活水平提高，其中政策治理對該區(qū)馬尾松碳增匯能力的提升具有關鍵作用，而氣溫、降水等自然因素的影響則相對有限。

4結論

1) 當?shù)厣鷳B(tài)治理工程開展至今成效明顯，治理區(qū)馬尾松林的總碳儲量和碳密度均呈逐步上升的趨勢。其中，馬尾松總碳儲量由原先的127.01萬t(2000年)上升到189.96萬t(2013年)，年均增長率為3.52%，遠高于全縣的年均增長率1.76%。同時2000、2006和2013年的馬尾松林碳密度分別為27.95、32.82和41.72 t/hm2，表明研究區(qū)的馬尾松林碳匯能力正在不斷提升。

2) 研究區(qū)馬尾松林碳儲量的增加主要集中在海拔600 m以下和坡度25°以下區(qū)域，其總碳儲量增加率分別達到41.6%和50.9%。同時，馬尾松林碳密度隨海拔和坡度的增加而呈遞增趨勢，但其增加速率伴隨海拔和坡度的增加而不斷降低，表明在地勢低平的人口密集區(qū)，其森林碳匯能力仍具備較大的提升潛力。

3) 主成分分析表明，影響馬尾松林碳儲量變化的主要驅動因素是政策治理、經(jīng)濟結構調整和農(nóng)戶增收，其中政策治理的影響效果最為明顯，而作為自然環(huán)境因子的氣溫、降水等作用則較弱。

由于受研究條件限制，筆者在選取驅動因子時對自然因素的考量仍不夠全面，未來需要進一步在地形、土壤等要素方面開展更加深入的研究。

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(責任編輯：程云郭雪芳)

Driving factors and spatiotemporal dynamics of carbon storage of aPinusmassonianaplantation in reddish soil erosion region with ecological restoration

Xu Kaijian1, 2, Xie Jinsheng1, 2, Zeng Hongda1, 2, Lyu Maokui1, 2, Ren Jie1, 2, Yang Yusheng1, 2

(1.College of Geographical Sciences, Fujian Normal University, 350007, Fuzhou, China; 2.Cultivation Base of State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology, 350007, Fuzhou, China)

Abstract:[Background] Measures such as closing hillsides for forest recovering and artificial afforestation can improve the ecological environment of soil erosion area, yet its accompanied benefits from carbon sink have not been given due attention for a long time. [Methods] Taking the ecological restoration area with a project of soil and water conservation in Changting County, Fujian Province as the study area, we quantitatively analysed the spatial and temporal patterns in carbon storage and the carbon sink enhancement dynamics of afforested Pinus massoniana forest since ecological restoration in 2000. Based on the Landsat satellite image sets from 2000 to 2013, forest subcompartment survey, on-site measurement, and the statistical yearbook of history, we extracted three periods of distribution maps for carbon storage of the P. massoniana forest from 2000 to 2013 and the different terrain characteristics (including height and slope), and then discussed the effects of main factors on the carbon sink enhancement with the method of the principle component analysis. [Results] 1) The inversion model (y=1.243 2e8.399 7x) of carbon storage of the P. massoniana forest, established by the vegetation index (MNDVI), has been proved to be effective by the practice test (R2= 0.869 2, RE=4%) in this study. 2) The carbon storage of the P. massoniana forest grew up from 127.01×104 t in 2000 to 189.63×104 t in 2013, accompanied by an increase of carbon density from 27.95 t/hm2 to 41.72 t/hm2 during the period. The average annual growth rate of carbon storage was 3.52%, much higher than that in the non-ecological-restoration areas with only an average annual growth rate of 1.76%. 3) The increasing of carbon storage of the P. massoniana forest mainly occurred in the area with an altitude of below 600 m and a slope of lower than 25° particularly in the last seven years from 2000 to 2013, with respective annual growth rate of 41.6% and 50.9%. 4) The results of the principle components analysis showed that the driving factors of carbon storage dynamics of the P. massoniana forest were the implementation of ecological restoration policy, the adjustment of economic structure and increased income of peasant households, especially that the ecological restoration by government policy and subsistence allowance played a pivotal role in the carbon sink enhancement of the P. massoniana forest in the study area. By contrast, the physical environment factors, such as temperature and precipitation, were insignificant. [Conclusions] There was a significant increase of the carbon sink of the P. massoniana forest in the soil and water conservation area after ecological restoration, and the carbon density of P. massoniana forest grew with the increasing of elevation and slope, showing that in the flat areas where always densely populated, there still has a great potential for forest carbon sequestration to be improved. This paper might provide some essential scientific basis for revealing the potential of carbon sequestration in reddish soil erosion region, quantifying the carbon storage that accumulated in the historical period of ecological management in China, as well as undertaking effective measures to enhance the accumulation of carbon storage in deteriorated lands.

Keywords:reddish soil erosion region; ecological restoration; Pinus massoniana; carbon storage dynamics; driving factors; water and soil conservation; policy governance

收稿日期：2015-05-25修回日期： 2016-01-15

第一作者簡介：徐凱健(1991—)，男，碩士研究生。主要研究方向：侵蝕地生態(tài)與遙感監(jiān)測。E-mail: phoenix-max@qq.com ?通信 謝錦升(1972—)，男，博士，教授。主要研究方向：侵蝕地生態(tài)系統(tǒng)恢復。E-mail: jshxie@163.com

中圖分類號：TP79

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3007(2016)01-0089-08

DOI:10.16843/j.sswc.2016.01.011

項目名稱： 國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)“亞熱帶紅壤侵蝕區(qū)森林恢復與保護的碳匯功能及潛力”(2012CB722203)；國家自然科學基金“芒萁對退化紅壤碳積累的貢獻及關鍵影響機制”(31370465)；國家自然科學基金重點項目“常綠闊葉林人促更新對紅壤有機質維持的作用機制”(31130013)