陳書(shū)林，溫作民

(南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，南京 210037)

桉樹(shù)人工林不同樹(shù)種土壤固碳價(jià)值評(píng)估*
——以廣西斯道拉恩索公司兩個(gè)原料林基地為例

陳書(shū)林，溫作民

(南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，南京 210037)

在野外實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法及生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)價(jià)值量評(píng)估方法估算了廣西斯道拉恩索公司兩個(gè)原料林基地桉樹(shù)人工林不同樹(shù)種有機(jī)碳儲(chǔ)量及其價(jià)值。研究結(jié)果表明：研究區(qū)3種樹(shù)種單位面積土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量平均值由大到小排列為：桉樹(shù)(36.38 t/hm2)>馬尾松(35.02 t/hm2)>杉木(33.37 t/hm2)，結(jié)果與其他學(xué)者利用樣地調(diào)查方法估算的結(jié)果相一致；研究區(qū)森林土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量為7.03×105t，總固碳價(jià)值為842.61億元；3種樹(shù)種單位面積價(jià)值量由大到小排列為：桉樹(shù)(436.52 萬(wàn)元/hm2)>馬尾松(420.28萬(wàn)元/hm2)>杉木(400.47萬(wàn)元/hm2)。

土壤固碳；價(jià)值核算；Kriging；空間格局；樹(shù)種

大氣CO2濃度受人類活動(dòng)的影響自1750年開(kāi)始持續(xù)增加。CO2作為最主要的、貢獻(xiàn)最大的溫室氣體[1]，其濃度的持續(xù)上升直接導(dǎo)致全球氣候變暖。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)非常重要的一種類型，其土壤碳庫(kù)在維持森林生產(chǎn)力和全球碳循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，從而影響著全球氣候變化[2-4]。森林土壤碳庫(kù)由有機(jī)碳庫(kù)和無(wú)機(jī)碳庫(kù)兩大部分組成，且無(wú)機(jī)碳庫(kù)的比例較小[5]，因而森林生態(tài)系統(tǒng)土壤固定有機(jī)碳能力及其產(chǎn)生的價(jià)值量估算引起了生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)者的廣泛關(guān)注，并成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[6]。中國(guó)人工林面積居世界首位，人工林在中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳服務(wù)功能上發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[7]，中國(guó)很多學(xué)者開(kāi)展了森林土壤固碳的估算研究[4，8-13]。桉樹(shù)由于其可觀的經(jīng)濟(jì)效益，在廣西地區(qū)得到了大面積的種植，現(xiàn)已成為廣西地區(qū)營(yíng)造工業(yè)人工林的重要樹(shù)種。然而，有研究表明，桉樹(shù)人工林會(huì)導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)的功能退化，并嚴(yán)重影響區(qū)域環(huán)境健康與可持續(xù)發(fā)展[14]。因此，結(jié)合不同樹(shù)種類型，研究桉樹(shù)人工林土壤固碳服務(wù)功能及其價(jià)值成為廣西營(yíng)林管理部門(mén)迫切需要解決的問(wèn)題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。中國(guó)部分學(xué)者采用樣地調(diào)查方法估算了廣西桉樹(shù)人工林土壤固碳量[15，16]，但在較大區(qū)域尺度上用樣地調(diào)查方法估算森林土壤固碳相對(duì)較困難。在區(qū)域尺度上的廣西桉樹(shù)人工林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及其價(jià)值估算的研究較少，而關(guān)于廣西斯道拉恩索公司(StoraEnso)2個(gè)原料林基地人工林不同樹(shù)種有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算及其價(jià)值研究更是空白。地理信息系統(tǒng)技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法能提供區(qū)域尺度的信息，為森林土壤固碳服務(wù)功能及其價(jià)值量區(qū)域尺度的評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐，是研究森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的常用方法[8-12]。有學(xué)者以海南島尖峰嶺熱帶山地雨林為例，結(jié)合野外采樣數(shù)據(jù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，探究研究區(qū)域土壤有機(jī)碳密度的空間分布特征[8]；在烏魯木齊市區(qū)及郊區(qū)利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的空間分布特征[9]；基于鹽源縣結(jié)合野外采樣數(shù)據(jù)和土壤第二次普查數(shù)據(jù)，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，得到研究區(qū)域土壤表層(0～20 cm)有機(jī)碳時(shí)空分布特征，并在此基礎(chǔ)上分析影響土壤有機(jī)碳含量的因素[10]；結(jié)合森林資源二類調(diào)查資料以及土壤剖面野外采樣數(shù)據(jù)，使用地理信息系統(tǒng)技術(shù)估算廣西森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量[11]；利用廣西土壤剖面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、土壤圖、數(shù)字高程數(shù)據(jù)，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)估算廣西壯族自治區(qū)表層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，進(jìn)而分析了土壤類型對(duì)土壤有機(jī)碳密度的影響[12]。因此，以廣西典型的林漿紙一體化企業(yè)斯道拉恩索公司在高峰林場(chǎng)和七坡林場(chǎng)的原料林基地為例，在野外實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法及生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)價(jià)值量評(píng)估方法估算了廣西人工林不同樹(shù)種有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算及其價(jià)值，以期為桉樹(shù)人工林土壤固碳功能的研究提供科學(xué)依據(jù)，并對(duì)桉樹(shù)人工林的營(yíng)林管理，特別是桉樹(shù)人工林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)樗沟览魉鞴驹诟叻辶謭?chǎng)和七坡林場(chǎng)的原料林基地，位于廣西南寧市，東經(jīng)107°58′～108°53′，北緯22°28′～23°16′。屬于濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫約為21.60℃，年均降雨量達(dá)1 304.20 mm，平均相對(duì)濕度為79.00%，氣候特點(diǎn)是炎熱潮濕。研究區(qū)域總面積為2.24萬(wàn)hm2，其中裸地及未利用地面積為2 995.38 hm2，有林地面積為1.94萬(wàn)hm2，占研究區(qū)域總面積的86.65%。區(qū)域內(nèi)有3種主要樹(shù)種，分別為桉樹(shù)、馬尾松、杉木。研究區(qū)域絕大部分地區(qū)樹(shù)種為桉樹(shù)，其面積為1.65萬(wàn)hm2，占研究區(qū)域總面積的73.60%，馬尾松面積為2 365.83 hm2，主要分布在研究區(qū)北部區(qū)域，占研究區(qū)總面積的10.55%，杉木面積為560.10 hm2，占研究區(qū)總面積的2.50%。研究區(qū)森林土壤以赤紅壤、紅壤、黃紅壤、磚紅壤為主，成土母巖以硅質(zhì)巖、泥巖、沙巖、巖漿巖等為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究主要數(shù)據(jù)來(lái)源有3個(gè)：⑴綜合考慮林地的樹(shù)種類型、坡度、坡向、海拔、土壤類型、巖石種類、林分郁閉度等因子，選取了207個(gè)典型樣本點(diǎn)。在每個(gè)樣本點(diǎn)區(qū)域上連續(xù)分層采樣3次，采樣深度分別為0～10 cm和10～30 cm，且這3個(gè)樣本盡量保證均勻分布在樣本點(diǎn)區(qū)域。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將土壤樣品自然風(fēng)干、過(guò)篩，在外加熱條件下，用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量，用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。⑵2012年廣西林業(yè)集團(tuán)林地調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)，包括土壤種類、土層厚度、石礫含量、成土母巖等。⑶國(guó)家林業(yè)局于2008年公布的固碳價(jià)格數(shù)據(jù)[17]。

1.3 分析方法

1.3.1 地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法基于區(qū)域化變量理論，用半方差函數(shù)來(lái)描述研究區(qū)域土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量空間分布的隨機(jī)性和空間相關(guān)性特征。半方差函數(shù)可表示為[18]：

⑴

式中γ(h)為半方差函數(shù)；h為兩個(gè)土壤樣本點(diǎn)之間的距離(m)；n為距離為h的土壤樣本點(diǎn)對(duì)的數(shù)量(n對(duì)點(diǎn))；z是土壤樣本點(diǎn)xi處的土壤有機(jī)質(zhì)含量。

空間自協(xié)方差最佳插值法(Kriging插值法)作為地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一種插值方法，于1951年首次提出，是一種求最優(yōu)、線形、無(wú)偏的空間內(nèi)插方法[19]。Kriging插值法考慮了土壤有機(jī)質(zhì)含量在研究區(qū)域的空間變異特征，計(jì)算影響待插值的像元點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量值的距離范圍，然后根據(jù)該距離范圍內(nèi)的樣本點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)，結(jié)合半方差函數(shù)來(lái)估計(jì)待插值的像元點(diǎn)土壤有機(jī)質(zhì)含量值。研究在ArcGIS 10.1中利用普通Kriging插值法，對(duì)157個(gè)樣本點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得到研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布。

1.3.2 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量是指區(qū)域內(nèi)土壤中所包含的有機(jī)碳的總量，計(jì)算公式為[12-13]：

Ci=0.58SiHiOiWi

⑵

式中Ci為第i個(gè)像元點(diǎn)的碳儲(chǔ)量(t)；0.58為Bemmelen系數(shù)，即土壤有機(jī)質(zhì)含量轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的系數(shù)[12]；Si為第i個(gè)像元點(diǎn)面積(hm2)；土壤有機(jī)質(zhì)專題圖空間分辨率為30 m，故每個(gè)像元點(diǎn)的面積為0.09 hm2；Hi為第i個(gè)像元點(diǎn)土壤的厚度(cm)；Oi為第i個(gè)像元點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量(%)；Wi為第i個(gè)像元點(diǎn)的土壤容重(g/cm3)。

1.3.3 森林土壤固碳服務(wù)功能價(jià)值量評(píng)估

研究依據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》(LY/T 1721-2008)[17]，評(píng)估研究區(qū)森林土壤固碳服務(wù)功能價(jià)值量(Ui)，公式為：

Ui=C碳×Ci

⑶

式中C碳為固碳價(jià)格(元/t)，國(guó)家林業(yè)局公布的固碳價(jià)格為1 200元/t。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量空間特征

圖 1 土壤有機(jī)質(zhì)實(shí)測(cè)與Kriging插值模擬結(jié)果的精度Figure 1 Comparison of the simulated soil organic carbon storage with sampling plots data

研究對(duì)207個(gè)樣本點(diǎn)用重鉻酸鉀容量法測(cè)定了土壤有機(jī)質(zhì)含量，并將其分成兩部分。第一部分有157個(gè)樣本點(diǎn)，用以在ArcGIS 10.1中進(jìn)行Kriging空間插值；第二部分有50個(gè)樣本點(diǎn)，用以對(duì)插值出的結(jié)果的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)第一部分157個(gè)樣本點(diǎn)利用普通Kriging插值法進(jìn)行空間插值，從而得到的斯道拉恩索公司高峰林場(chǎng)和七坡林場(chǎng)原料林基地土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布數(shù)據(jù)。將空間插值的結(jié)果與50個(gè)樣本點(diǎn)實(shí)測(cè)的土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析的結(jié)果如圖1所示。也就是說(shuō)，Kriging插值模擬結(jié)果與土壤有機(jī)質(zhì)含量實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)相一致(R=0.81，p<0.000 1)，模擬結(jié)果的均方根誤差僅為0.20%。結(jié)果表明：Kriging空間插值的結(jié)果具有較好的可信度。

研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布特征呈現(xiàn)西南部偏低，東北部偏高的趨勢(shì)(圖2)。研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量最低值為0.78%，最高值為10.63%，平均

圖 2 研究區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布專題圖Figure 2 The spatial pattern of the soil organic carbon storage in Stora Enso’s raw material forest base

值為4.57%。對(duì)插值后的土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)保留小數(shù)點(diǎn)后2位有效位數(shù)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)土壤有機(jī)質(zhì)含量數(shù)據(jù)的像元點(diǎn)個(gè)數(shù)。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量有94.86%分布在2.75%～6.38%之間，峰值出現(xiàn)在4.46%，像素點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)到5 390，面積達(dá)到485.10 hm2。

2.2 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量估算

利用估算出的土壤有機(jī)質(zhì)含量Kriging插值模擬結(jié)果，根據(jù)式⑵計(jì)算出斯道拉恩索公司高峰林場(chǎng)和七坡林場(chǎng)原料林基地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量空間分布特征為：研究區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量西南部區(qū)域較低，造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于西南部區(qū)域位于南寧市市轄區(qū)市郊，受人為干擾較嚴(yán)重。

在像元尺度上(每個(gè)像元點(diǎn)的面積均為0.09 hm2)，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量最小值為0.53 t，最大值為7.55 t，平均值為3.24 t。在研究區(qū)區(qū)域尺度上，土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量為7.03×105t，單位面積平均土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為36.03 t/hm2。

對(duì)不同樹(shù)種土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量進(jìn)行分析，研究區(qū)桉樹(shù)林土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量最大，為6.01×105t，占研究區(qū)土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量的85.54%，這主要是由于桉樹(shù)林面積最大，且桉樹(shù)林單位面積土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較大。杉木林土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量較小，其值為0.19×105t，占研究區(qū)土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量的2.66%，低于馬尾松的土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量0.83×105t，這主要是由于杉木林所占面積最小，且杉木林單位面積土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較小。3種樹(shù)種單位面積土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量平均值由大到小排列為：桉樹(shù)(36.38 t/hm2)>馬尾松(35.02 t/hm2)>杉木(33.37 t/hm2)。研究結(jié)果與其他學(xué)者利用樣地調(diào)查方法估算的結(jié)果相一致[15-16]。由此可見(jiàn)，桉樹(shù)是土壤固碳能力較強(qiáng)的速生豐產(chǎn)樹(shù)種，其土壤固碳能力高于馬尾松和杉木。

2.3 森林土壤固碳價(jià)值量核算

表 1 不同樹(shù)種土壤固碳價(jià)值量

Table 1 The value of the forest ecosystem service function of soil carbon sequestration in Stora Enso’s raw material forest base

樹(shù)種土壤固碳價(jià)值/億元單位面積價(jià)值/萬(wàn)元·hm-2桉樹(shù) 720.75436.52馬尾松99.43420.28杉木 22.43400.47

研究根據(jù)計(jì)算出的研究區(qū)域土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量空間分布以及不同樹(shù)種分布，利用式⑶估算研究區(qū)森林土壤固碳價(jià)值量如表1所示。研究區(qū)森林土壤總固碳價(jià)值為842.61億元，其中桉樹(shù)林土壤總固碳價(jià)值最高，杉木林土壤總固碳價(jià)值最低。3種樹(shù)種單位面積價(jià)值量由大到小排列為：桉樹(shù)>馬尾松>杉木。

3 結(jié)論與討論

森林生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳能力及其產(chǎn)生的價(jià)值量估算一直是生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。桉樹(shù)人工林的生態(tài)退化問(wèn)題已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注，但在區(qū)域尺度上的廣西桉樹(shù)人工林有機(jī)碳儲(chǔ)量及其價(jià)值估算的研究還沒(méi)有，尤其是人工林不同樹(shù)種土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在空間上的分布特征更是空白。因此，研究廣西人工林不同樹(shù)種有機(jī)碳儲(chǔ)量及其價(jià)值估算成為林業(yè)管理部門(mén)急需解決的問(wèn)題。

以廣西典型的林漿紙一體化企業(yè)斯道拉恩索公司在高峰林場(chǎng)和七坡林場(chǎng)的原料林基地為例，結(jié)合野外樣地調(diào)查、林地二類調(diào)查數(shù)據(jù)、權(quán)威部門(mén)公布的社會(huì)公共數(shù)據(jù)，估算了研究區(qū)域不同樹(shù)種土壤固碳服務(wù)功能，并對(duì)其價(jià)值進(jìn)行了核算。研究表明，土壤有機(jī)碳總儲(chǔ)量為7.03×105t，3種樹(shù)種單位面積土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量平均值由大到小排列為：桉樹(shù)(36.38 t/hm2)>馬尾松(35.02 t/hm2)>杉木(33.37 t/hm2)。研究區(qū)森林土壤總固碳價(jià)值為842.61億元，3種樹(shù)種單位面積價(jià)值量由大到小排列為：桉樹(shù)(436.52萬(wàn)元/hm2)>馬尾松(420.28萬(wàn)元/hm2)>杉木(400.47萬(wàn)元/hm2)。

研究有助于加大人們對(duì)廣西地區(qū)造紙企業(yè)原料林基地森林土壤固碳服務(wù)價(jià)值的認(rèn)識(shí)，將為政府部門(mén)及造紙企業(yè)營(yíng)造人工林提供決策依據(jù)，進(jìn)而從整體上有利于廣西地區(qū)森林資源的保護(hù)和恢復(fù)。

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2016-08-02 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作項(xiàng)目(31361130342)、教育部博士點(diǎn)基金博導(dǎo)類項(xiàng)目(20123204110015)

陳書(shū)林(1981-)，男，江蘇泰興人，講師，博士研究生，從事森林生態(tài)經(jīng)濟(jì)方面的研究，(電話)13611599434，(E-mail)chenshulin0923@163.com。

溫作民(1961-)，男，浙江杭州人，教授，博士，從事生態(tài)經(jīng)濟(jì)方面的研究，(電話)13851866458，(E-mail)zmwen@njfu.edu.cn。

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1005-9709(2017)02-0035-05