戴 巍, 趙科理, 高智群, 劉康華, 張 峰, 傅偉軍,*

1 浙江農(nóng)林大學(xué),亞熱帶森林培育國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,臨安 311300 2 浙江農(nóng)林大學(xué),浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,臨安 311300 3 浙江臻善科技有限公司,杭州 310058 4 浙江大學(xué),浙江省亞熱帶土壤與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室,杭州 310058 5 浙江省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,杭州 310058

典型亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度及儲(chǔ)量空間變異特征

戴 巍1,2, 趙科理2,4, 高智群3, 劉康華1, 張 峰5, 傅偉軍1,*

1 浙江農(nóng)林大學(xué),亞熱帶森林培育國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,臨安 311300 2 浙江農(nóng)林大學(xué),浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,臨安 311300 3 浙江臻善科技有限公司,杭州 310058 4 浙江大學(xué),浙江省亞熱帶土壤與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室,杭州 310058 5 浙江省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,杭州 310058

以浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,基于GIS網(wǎng)格布點(diǎn),采集了838個(gè)森林樣地樣本(土壤、枯落物等),結(jié)合浙江省森林資源監(jiān)測(cè)中心相關(guān)數(shù)據(jù),利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和Moran′s I相結(jié)合的方法系統(tǒng)研究了浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度及碳儲(chǔ)量空間變異特征。結(jié)果表明：浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度為145.22 t/hm2,其中森林植被、土壤、枯落物和枯死木層碳密度分別為27.34、108.89、1.79、1.38 t/hm2?？死锔窨臻g插值和局部Moran′s I指數(shù)結(jié)果表明碳密度空間分布規(guī)律呈現(xiàn)從西南向東北方向逐漸遞減的趨勢(shì),與浙江省地形、地勢(shì)較為一致,受海拔、樹齡、森林類型、臺(tái)風(fēng)氣候等自然因素和人類活動(dòng)共同影響。浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量為877.19 Tg C,森林植被、土壤、枯落物和枯死木層碳儲(chǔ)量分別為203.88、656.20、10.84、6.27 Tg C,分別占總碳儲(chǔ)量的23%、75%、1.3%、0.7%。在浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間分布格局中,土壤層是森林生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù),約是森林植被層的3.22倍,是整個(gè)浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量最主要的貢獻(xiàn)者。浙江省森林資源豐富,大多數(shù)森林仍處于中幼齡林階段,碳密度水平較低,但是中幼齡林生長(zhǎng)速度較快,加強(qiáng)對(duì)全省中幼齡林的健康管理,是未來(lái)整體提升浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力的關(guān)鍵。

亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)；碳密度；碳儲(chǔ)量；空間變異；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；GIS；Moran′s I

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)最重要、最活躍的組成部分,在維護(hù)全球碳平衡和緩解氣候變化等方面發(fā)揮著日益重要的作用,其主要包括森林植被、土壤、枯落物和枯死木四大碳庫(kù)[1- 2]。由于森林生態(tài)系統(tǒng)的重要性和特殊性,近年來(lái)關(guān)于森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯的研究已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一[3- 5]。如Botkin等[3]針對(duì)北美溫帶落葉闊葉林森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳密度空間特征進(jìn)行了分析；Yolasigmaz等[4]研究了地中海地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)空間分布格局及其影響機(jī)制；我國(guó)學(xué)者王新闖等[5]討論了中國(guó)北方吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量、碳密度及其分布特征。

在眾多森林生態(tài)系統(tǒng)中,亞熱帶森林是其重要的組成部分,它在應(yīng)對(duì)全球氣候變化中的作用日益被人們所關(guān)注[6]。浙江省屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),森林資源豐富,固碳潛力巨大。目前已有一些學(xué)者開展了浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯的初步研究[7- 9]。張駿等[7]利用1999—2000年實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)估算了浙江省生態(tài)公益林碳儲(chǔ)量及其固碳潛力；張茂震等[8]基于森林資源連續(xù)清查資料分析了浙江省森林生物量和生產(chǎn)力的變化；張峰等[9]研究了浙江省森林植被碳儲(chǔ)量空間分布。由于浙江省森林類型多樣,森林生態(tài)系統(tǒng)空間變異性強(qiáng),使得研究結(jié)果差異性較大。因此,急需探明浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布特征,以此為精確估算該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量提供保障。地統(tǒng)計(jì)學(xué)是目前最為有效的空間變異分析工具[9],可與其他空間分析技術(shù)(Moran′s I, Neighborhood statistics等)[2]相結(jié)合研究環(huán)境變量的空間變異和分布格局,并且能夠提供具有統(tǒng)計(jì)意義的空間變異信息,已被廣泛應(yīng)用到生態(tài)學(xué)、地學(xué)以及環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域[2,10]。

本研究主要以浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,結(jié)合浙江省森林資源監(jiān)測(cè)中心相關(guān)數(shù)據(jù),通過(guò)GIS網(wǎng)格布點(diǎn),利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)、克里格空間插值以及Moran′s I相結(jié)合的方法系統(tǒng)研究浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度及碳儲(chǔ)量空間變異特征,從而為區(qū)域尺度下的森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度及碳儲(chǔ)量時(shí)空變異研究和森林的健康管理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)和采樣地概況

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Spatial distribution map of sampling sites

浙江省地處中國(guó)東南沿海(圖1),長(zhǎng)江三角洲南翼,介于27°06′—31°11′N,118° 01′—123°10′E之間,屬于典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),季風(fēng)顯著、四季分明、雨熱同期。全省陸地面積10.18×104km2,約為全國(guó)面積的1.1%。地形較為復(fù)雜,西南部分以山地為主,平均海拔在1000 m以上；中部多為500 m以下的丘陵,大小盆地相間分布；東北部為海拔10 m以下的沖積平原,河網(wǎng)密布；全省地勢(shì)從西南向東北呈階梯下降趨勢(shì)。紅壤、黃壤和紅黃壤是全省主要的土壤類型,還分布少量紫色土、石灰土等[8]。浙江省森林資源豐富,森林面積達(dá)到604.06×104hm2,林木蓄積量2.82×108m3,森林覆蓋率59.34%,其中喬木林、經(jīng)濟(jì)林和竹林分別占森林總面積的68.90%、16.80%和14.30%[11]。

2012年基于浙江省資源監(jiān)測(cè)中心相關(guān)數(shù)據(jù)[12]在全省范圍內(nèi)采用系統(tǒng)抽樣4 km×6 km GIS網(wǎng)格布點(diǎn)選取838個(gè)森林樣地(圖1),每個(gè)樣地面積0.08 hm2,形狀為邊長(zhǎng)10 m×10 m的正方形,全部樣地均由GPS導(dǎo)航定位。在每個(gè)森林樣地設(shè)置的樣方內(nèi)按照植被層、土壤層、枯落物層進(jìn)行取樣測(cè)定,并記錄地形、地貌等周邊環(huán)境因子。由于野外采集的局限性本研究中枯死木層碳密度和碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)主要來(lái)源于浙江省森林資源監(jiān)測(cè)中心。

1.2 研究方法

1.2.1森林植被層碳密度、碳儲(chǔ)量計(jì)算

森林樣地主要包括喬木林、竹林、草本和灌木4種典型的亞熱帶森林植被類型,在每個(gè)森林樣地設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣方,大小為28.28m×28.28m,樣方內(nèi)測(cè)定喬木林每木檢尺、竹林每竹檢尺數(shù)據(jù),在每個(gè)樣方內(nèi)開展森林生物量小樣方調(diào)查,設(shè)置3個(gè),每個(gè)邊長(zhǎng)為2m×2m,記錄灌木(灌木樹種及高度<2m的喬木幼樹)的主要種名稱、株數(shù)、平均高、平均地徑,草本的主要種名稱、平均高、蓋度。袁位高等[13]依據(jù)浙江省重點(diǎn)生態(tài)公益林區(qū)域布設(shè)的典型樣地并結(jié)合林分類型、樹齡、群落結(jié)構(gòu)等條件構(gòu)建了硬闊1(Hard Broad1)、硬闊2(Hard Broad2)、軟闊(Soft Broad)、松類(Pine)、杉木(Chinese Fir)、竹子(Bamboo)等單株生物量模型和草本(Herbal)、灌木(Shrub)生物量模型(表1)。單株生物量模型由樹根、樹冠、樹干和總量構(gòu)成,其中H、L、D分別為樹高、冠長(zhǎng)和胸徑；草本模型中H為平均高,G為蓋度；灌木模型中H為高度,D為地徑。由于建模樣本均來(lái)自浙江省各地,因此具有較好的適用性。

根據(jù)樣地的優(yōu)勢(shì)樹種,選擇相應(yīng)的含碳系數(shù),將所計(jì)算的各樣地單位面積生物量與相應(yīng)的含碳系數(shù)相乘得到樣地碳密度[12]。利用樣地生物量碳密度數(shù)據(jù),通過(guò)地統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合ArcGIS10.2繪制森林植被生物量碳密度的空間分布圖,以此計(jì)算浙江省森林植被總碳儲(chǔ)量,其計(jì)算公式如下：

(1)

式中,FBCS為浙江省森林植被生物量總碳儲(chǔ)量(Tg C),n為總柵格數(shù),i為第i個(gè)柵格, FBCDi為第i個(gè)柵格森林樣地生物量碳密度(kg/m2),Areagrid為柵格區(qū)域面積(m2)。

表1 生物量模型結(jié)構(gòu)

W: 總生物量 Total biomass, (kg); 草本模型中H: 草本平均高 Herbal average height, (cm);G: 蓋度 Coverage; 灌木模型中H: 高度 Height, (m);D: 地徑 Ground diameter, (cm); 其余生物量模型中H: 樹高 Tree height, (m);L: 冠長(zhǎng) Crown length, (cm);D: 胸徑Diameter at breast height, (cm)

1.2.2土壤層碳密度、碳儲(chǔ)量計(jì)算

在選取的838個(gè)森林樣地進(jìn)行網(wǎng)格采樣,網(wǎng)格為4km×6km。采樣時(shí)采集土壤層剖面樣品,但要避免大樹及路溝等人為活動(dòng)痕跡,每個(gè)剖面分為0—10、10—30、30—60、60—100cm4層,并在各個(gè)土層分別取重量約1kg左右土樣。將采集的土壤樣品直接帶回實(shí)驗(yàn)室放在室溫下風(fēng)干,磨碎,過(guò)篩(2mm和0.25mm篩)后進(jìn)行土壤有機(jī)碳測(cè)定,土壤有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行[5,14]。土壤有機(jī)碳密度主要按照以下公式計(jì)算：

(2)

式中,SOCDih為樣地第i個(gè)柵格區(qū)域在土壤剖面h時(shí)的土壤有機(jī)碳密度(t/hm2),n為土壤層數(shù),Ti為土壤剖面第i層的土壤厚度(cm),Ci為土壤剖面第i層的土壤碳含量(g/kg),Pi為土壤剖面第i層的土壤容重(g/cm3),qi%為第i層的礫石含量系數(shù)(礫石直徑大于2mm)；浙江省森林土壤層碳儲(chǔ)量計(jì)算主要通過(guò)以下公式得出[15]：

(3)

式中,SOCSh為浙江省森林土壤剖面h時(shí)土壤有機(jī)碳的總儲(chǔ)量(Tg C),n為總的柵格數(shù),i為第i個(gè)柵格,SOCDih為第i柵格區(qū)域在土壤剖面h時(shí)的土壤有機(jī)碳密度(kg/m2),Areagrid為每個(gè)柵格區(qū)域的面積(m2)。

1.2.3枯落物層碳密度、碳儲(chǔ)量計(jì)算

在浙江省內(nèi)每個(gè)森林樣地設(shè)置3個(gè)1m×1m小樣方,將小樣方內(nèi)收集的枯落物樣品稱重帶回實(shí)驗(yàn)室并放入烘箱105°C烘干后,研磨粉碎,取0.5g左右放入有機(jī)元素分析儀(Vario MAX CN)測(cè)定枯落物樣品碳元素含量,將樣品碳含量計(jì)算轉(zhuǎn)換為森林樣地枯落物碳密度,而計(jì)算得出的樣地枯落物碳密度與對(duì)應(yīng)的樣地柵格區(qū)域面積相乘即為每個(gè)樣地水平下的枯落物碳儲(chǔ)量。針對(duì)計(jì)算得到的樣地枯落物碳儲(chǔ)量估算浙江省森林枯落物層總碳儲(chǔ)量,其計(jì)算流程與森林植被碳儲(chǔ)量相似。

1.3 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析是指同一個(gè)變量在不同空間位置上的分布、幅度及其相似性,主要度量空間單元屬性值集聚的程度[16]。Moran′s I指數(shù)是表征空間自相關(guān)分析的基本指標(biāo),一般包括全局和局部?jī)煞N指標(biāo),全局Moran′s I指數(shù)的取值一般在-1和1之間,大于0表示積極的正相關(guān),等于0表示不相關(guān),小于0表示負(fù)相關(guān)；局部Moran′s I指數(shù)主要識(shí)別局部空間聚類和進(jìn)行異常值分析[10],其公式是：

(4)

1.4 地統(tǒng)計(jì)分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)主要是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ),以變異函數(shù)為主要工具,研究在空間分布上既有隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性,或空間相關(guān)性和依賴性的自然現(xiàn)象的科學(xué)[17]。

克里格空間插值是地統(tǒng)計(jì)學(xué)最為核心的技術(shù),又稱為空間局部插值或空間局部估計(jì),其基本原理就是通過(guò)區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)對(duì)未采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量的取值進(jìn)行線性無(wú)偏最優(yōu)估計(jì)[18]。以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)建立起來(lái)的地統(tǒng)計(jì)學(xué)的函數(shù)即為半方差函數(shù)(semivariance),其表達(dá)式為：

(5)

式中,r(h)為半方差函數(shù)；h為樣點(diǎn)空間間隔距離,即為步長(zhǎng)；N(h)為當(dāng)間隔距離為h時(shí)的所有成對(duì)樣點(diǎn)的數(shù)量；變量Z(x)在樣點(diǎn)xi和xi+h的實(shí)測(cè)值分別為Z(xi)和Z(xi+h)。在實(shí)際應(yīng)用中,半方差圖和數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行擬合,描述某一區(qū)域變量的變異規(guī)律。指數(shù)模型、高斯模型、圓形模型和球狀模型等等是常用的半方差函數(shù)理論模型[18- 19]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2007和SPSS21.0對(duì)原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,計(jì)算以及描述統(tǒng)計(jì)分析。利用Geoda0.9.5-i識(shí)別高低值空間異常值和計(jì)算空間自相關(guān)系數(shù)；利用ArcGIS10.2對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值和地統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度統(tǒng)計(jì)特征

表2是浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度為145.22t/hm2,其中森林植被、土壤、枯落物和枯死木層平均碳密度分別為27.34、108.89、1.79、1.38t/hm2,各部分碳密度低于全國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)[20]對(duì)應(yīng)的植被層57.07t/hm2、土壤層193.55t/hm2、枯落物層8.21t/hm2,但植被層碳密度略高于江西省[21]的26.27t/hm2、遼寧省[22]的25.08t/hm2,土壤層碳密度與王紹強(qiáng)等[23]研究的中國(guó)土壤有機(jī)碳密度105.30t/hm2較為相近。浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度水平明顯低于全國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度[20]258.83t/hm2,也低于海南省[24]的163.70t/hm2,四川省[25]的232.81t/hm2,吉林省[5]的225.30t/hm2。主要原因可能由于浙江省大多數(shù)森林處于中幼齡林階段,全省森林面積中約有76.76%為中幼齡林,加上改革開放以來(lái)浙江省社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,森林開發(fā)利用比較嚴(yán)重[11,12,26],不利于森林生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán),因此碳密度處于較低水平。

表2 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)分析/(t/hm2)

變異系數(shù)主要用來(lái)描述研究變量的變異程度,根據(jù)Zhang等[27]對(duì)變異程度的分類,當(dāng)變異系數(shù)<10%時(shí)為弱變異性；當(dāng)10%≤變異系數(shù)≤100%時(shí)為中等變異性；變異系數(shù)>100%時(shí)為強(qiáng)變異性,從表2可以看出森林植被、土壤、枯落物層的變異系數(shù)分別為73.69%、71.75%、66.48%,表明屬于中等變異程度。

2.2 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度正態(tài)性

研究表明,偏度、峰度和K-Sp值主要表示研究數(shù)據(jù)是否趨于正態(tài)分布[27- 28],表2中森林植被層偏度(1.72)和峰度(5.69)、土壤層偏度(4.52)和峰度(38.40)以及枯落物層偏度(1.76)和峰度(5.40)數(shù)值較大且均大于1,其中植被、土壤和枯落物層K-Sp值均小于0.05,表明原始數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布趨勢(shì),因此需要對(duì)森林植被、土壤和枯落物層的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。在經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換之后,K-Sp值分別為0.284、0.280和0.053均大于0.05,偏度和峰度值趨近于0表明處理后的數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布,可進(jìn)行插值分析。浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)各組成部分碳密度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前后的直方圖如圖2所示,原始數(shù)據(jù)的直方圖正態(tài)分布曲線向左偏斜,經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的直方圖趨于正態(tài)分布,分布曲線居中分布。

圖2 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度直方圖/(t/hm2)Fig.2 Histograms of Forest ecosystems carbon density in Zhejiang Province

2.3 空間聚類和空間異常值分析

圖3為浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)LISA局部自相關(guān)類型圖,其中森林植被、土壤和枯落物層碳密度全局Moran′s I值都大于0,分別為0.064、0.181和0.120,呈現(xiàn)極顯著正的空間自相關(guān)性(P<0.01),表明在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)森林植被、土壤和枯落物層的目標(biāo)值與它們附近的采樣點(diǎn)具有一定的相似性[10,29]。

局部Moran′s I空間分布特征揭示森林植被層的高值集聚區(qū)主要分布在浙江省的西南部,少數(shù)點(diǎn)出現(xiàn)在西北接壤地區(qū)；土壤層高值集聚區(qū)主要集中在浙江省的西北部,少數(shù)出現(xiàn)西南山區(qū)；枯落物層的高值集聚區(qū)比較分散,主要出現(xiàn)在浙江省西北部,在浙江省寧波-舟山一帶出現(xiàn)零星高值。低值集聚區(qū)主要分布在浙江省中部地區(qū),以土壤層較為明顯。出現(xiàn)高值集聚區(qū)主要因?yàn)楹０?、林分類型以及人為活?dòng)等因素有關(guān),海拔較高的地區(qū),人類活動(dòng)較少,主要以天然林為主,森林植被覆蓋率較高,原生植被保存較為完整,有利于碳匯的積累[30- 31]；低值集聚區(qū)可能該地區(qū)以經(jīng)濟(jì)林(山核桃林、板栗樹林等)、毛竹林為主,樹種結(jié)構(gòu)單一,人為活動(dòng)頻繁,改變?cè)械纳稚鷳B(tài)環(huán)境,忽視了森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力。研究發(fā)現(xiàn)在森林植被、土壤和枯落物層的高值集聚區(qū)附近出現(xiàn)低值空間異常值,可能與人類活動(dòng)有關(guān)；在低值集聚區(qū)的周邊區(qū)域出現(xiàn)高值空間異常值主要是由于當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、地勢(shì)高低、樹齡等因素造成的影響[5,30- 31],其他地區(qū)顯示不顯著。

2.4 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)的空間變異結(jié)構(gòu)特征

為了進(jìn)行浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)和變異特征分析,采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,對(duì)浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度進(jìn)行半方差函數(shù)擬合,并選取最優(yōu)模型。研究發(fā)現(xiàn)MS值越接近0,RMSS值越趨近于1,表明是最優(yōu)模型[32],經(jīng)過(guò)半方差函數(shù)最優(yōu)模型擬合后得出森林樣地中植被層、土壤層符合指數(shù)模型,枯落物層符合高斯模型(表3)。

塊基比主要是指隨機(jī)性因素引起的空間變異性占系統(tǒng)總變異的比例,可以用來(lái)衡量空間變異性程度,又稱為基臺(tái)效應(yīng)[29]。Cambardella等[33]認(rèn)為當(dāng)塊基比比值<25%,表明變量具有很強(qiáng)的空間自相關(guān)性；比值介于25%—75%之間表明具有中等程度的空間相關(guān)性；比值>75%則表明空間弱相關(guān)性,變程主要反映在一定尺度下空間自相關(guān)性的作用范圍,它是半方差函數(shù)的另一重要指標(biāo)。表3顯示森林植被、土壤和枯落物層的塊基比分別為74.12%、65.79%、54.24%表明具有中等變異程度的空間相關(guān)性,說(shuō)明其受結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性雙重因素的影響。本研究中土壤層碳密度的變程最大,為137.28 km,表明土壤層碳密度受到土壤有機(jī)質(zhì)等結(jié)構(gòu)性因素的影響較大,而植被和枯落物層碳密度的變程分別為14.53 km和15.70 km,相對(duì)較小可能與人類活動(dòng)有一定關(guān)系。

表3 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度變異函數(shù)理論模型及其相關(guān)參數(shù)

MS: 標(biāo)準(zhǔn)平均值 Mean standardized; RMSS: 標(biāo)準(zhǔn)均方根預(yù)測(cè)誤差 Root mean square standardized

2.5 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布格局

通過(guò)普通克里格插值,繪制出浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度各部分空間分布圖(圖4),總體上浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布規(guī)律與浙江省地形、地勢(shì)[8,34]較為一致,呈現(xiàn)明顯的自西南向東北逐漸遞減的趨勢(shì)。從圖4中可以看出浙江省森林植被、土壤和枯落物層碳密度高值區(qū)空間分布具有一定的相似性,主要分布在浙江省西南和西北山區(qū),這些地區(qū)海拔較高,天然林分布廣泛,森林植被年齡悠久,喬、灌、草層次較為完整,生物量較大,人為活動(dòng)干擾較少,加之水熱條件較好,因此碳密度水平較高,但這些區(qū)域也是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū),森林一旦遭到破壞,其恢復(fù)難度較大,該結(jié)果與張峰等[9]研究結(jié)論較為相近。

森林植被層、土壤層碳密度空間分布低值出現(xiàn)在浙江省北部地區(qū),而枯落物層低值區(qū)出現(xiàn)在浙江省東北地區(qū)。浙江省北部地處杭嘉湖平原,森林植被覆蓋率僅僅9.18%,河網(wǎng)密集,地勢(shì)低平,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),人口密度集中[35- 36],不利于森林碳匯的積累。圖4顯示浙江省中部地區(qū)碳密度較低,浙江省中部地區(qū)包括金衢盆地,金衢盆地是浙江省主要的商品糧基地和傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)種植混合區(qū)[37],歷史悠久,土地大面積開發(fā),主要種植經(jīng)濟(jì)林和毛竹林等人工林,人為活動(dòng)較為頻繁。這表明海拔的高低、森林類型以及人類活動(dòng)干擾是影響浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間變異重要的因素。浙江省東南沿海一帶森林生態(tài)系統(tǒng)各部分碳密度水平普遍較低,可能由于氣候和人為因素共同造成的,夏秋季節(jié)的臺(tái)風(fēng)暴雨災(zāi)害不利于森林植被健康持久的生長(zhǎng),許多原生植被常綠闊葉林破壞嚴(yán)重,導(dǎo)致枯枝落葉輸入量減少,影響土壤層碳含量的增加,此外浙江省東南沿海地區(qū)開發(fā)較早,是浙江省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)之一,城鎮(zhèn)化進(jìn)程嚴(yán)重破壞了原生森林生態(tài)系統(tǒng)分布格局,目前森林類型多以人工林為主,且樹齡較低,而且人工林的碳儲(chǔ)能力明顯劣于天然林[12,30,38],間接導(dǎo)致這一地區(qū)碳匯能力較為低下。研究發(fā)現(xiàn)浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布特征與Moran′s I所揭示的分布格局較為一致。

圖4 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布圖Fig.4 Spatial distribution map of Forest ecosystems carbon density in Zhejiang Province

2.6 浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間分布特征

周玉榮等[20]在廣泛收集資料的基礎(chǔ)上,估算我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量約為28.12×103Tg C,其中森林植被、土壤和枯落物層碳儲(chǔ)量依次為6.20×103、21.02×103、0.89×103Tg C。本研究結(jié)合浙江省森林資源監(jiān)測(cè)中心相關(guān)數(shù)據(jù),通過(guò)地統(tǒng)計(jì)學(xué)、克里格空間插值以及Moran′s I相結(jié)合的方法對(duì)浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間分布特征進(jìn)行了分析,結(jié)果表明浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量約為877.19 Tg C,約占全國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的3.12%,低于四川省[25]的2926.81 Tg C和吉林省[5]的1820.41 Tg C,高于陜西省[30]的790.75 Tg C和李銀等[39]研究的浙江省森林生態(tài)效統(tǒng)碳儲(chǔ)量602.73 Tg C(表4),可能與研究數(shù)據(jù)、方法有一定的關(guān)系。浙江省森林植被、土壤、枯落物和枯死木層碳儲(chǔ)量分別為203.88、656.20、10.84、6.27 Tg C,所占總儲(chǔ)量比例關(guān)系依次為23%、75%、1.3%、0.7%,這一比例關(guān)系與周玉榮等[20]研究的全國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分布格局較為一致。

在浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間分布格局中,森林植被層碳儲(chǔ)量約占全國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量的3.29%,低于福建省[40]的229.31 Tg C,也低于四川省[25]的491.41 Tg C,吉林省[5]的444.35 Tg C,這很大程度上取決于所在區(qū)域森林起源、樹齡、森林面積等因素。森林土壤層碳儲(chǔ)量在浙江省總碳儲(chǔ)量格局中所占比重最為顯著,約為植被層碳儲(chǔ)量的3.22倍,表明土壤碳庫(kù)是森林生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù),在森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和碳循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮非常重要的作用,對(duì)全球氣候變化的改善意義深遠(yuǎn),李銀等[39]研究表明浙江省森林土壤碳庫(kù)約為植被碳庫(kù)的3.23倍,本研究與其結(jié)論基本一致。研究表明森林枯落物碳儲(chǔ)量雖然相對(duì)較小,但卻是森林生態(tài)生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分之一,是土壤層碳循環(huán)和養(yǎng)分的重要來(lái)源[39]。一般水熱條件較好的地區(qū),人為干擾較小,枯落物輸入量較大,土壤動(dòng)物和微生物群體活性降低,從而使有機(jī)碳保留在土壤中,土壤碳儲(chǔ)量相對(duì)升高[20,25]。因此,保護(hù)好森林枯落物,減少人為因素的干擾能夠有效的促進(jìn)和維持整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡。本研究中枯落物層碳儲(chǔ)量約占全國(guó)枯落物層碳儲(chǔ)量的1.2%,碳密度平均值為1.79 t/hm2,低于全國(guó)水平(8.21 t/hm2),可能與當(dāng)?shù)氐乃疅嵋蜃雍偷赜蛱攸c(diǎn)等因素有關(guān)[20]。同時(shí),本研究添加了森林生態(tài)系統(tǒng)枯死木層碳儲(chǔ)量(6.27 Tg C),突破了以往森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的研究只針對(duì)植被、土壤和枯落物層的格局,從本研究可發(fā)現(xiàn),枯死木與枯落物碳儲(chǔ)量(10.84 Tg C)結(jié)果較為相近,表明枯死木碳庫(kù)也是森林生態(tài)系統(tǒng)中不容忽視的重要碳庫(kù),加深了森林生態(tài)系統(tǒng)各部分固碳功能的認(rèn)識(shí)。

表4 全國(guó)不同區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及碳密度

3 結(jié)論

浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度為145.22 t/hm2,其中植被層碳密度27.34 t/hm2,土壤層108.89 t/hm2,枯落物層1.79 t/hm2,枯死木層1.38 t/hm2。全省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布規(guī)律與地形、地勢(shì)變化相一致,呈現(xiàn)明顯的自西南向東北方向逐漸降低的趨勢(shì),碳密度空間變異主要受海拔、森林類型、樹齡、臺(tái)風(fēng)氣候以及人類活動(dòng)等因素影響。

浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量約為877.19 Tg C,其中森林植被、土壤、枯落物和枯死木層碳儲(chǔ)量分別為203.88、656.20、10.84、6.27 Tg C。目前浙江省大多數(shù)森林雖處于中幼齡林階段,但是中幼齡林生長(zhǎng)速度較快,通過(guò)建立健康可持續(xù)的森林管理政策,隨著時(shí)間的推移,浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力將會(huì)進(jìn)一步提升。

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Spatialvariationcharacteristicsofcarbondensityandstorageinforestecosystemsinatypicalsubtropicalregion

DAI Wei1,2, ZHAO Keli2,4, GAO Zhiqun3, LIU Kanghua1, ZHANG Feng5, FU Weijun1,*

1TheNurturingStationfortheStateKeyLaboratoryofSubtropicalSilviculture,ZhejiangA&FUniversity,Lin′an311300,China2KeyLaboratoryofSoilContaminationBioremediationofZhejiangProvince,ZhejiangA&FUniversity,Lin′an311300,China3ZhejiangZhen-GoodTechnologyCo.,Ltd,Hangzhou310058,China4ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofSubtropicSoilandPlantNutrition,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China5SurveySchemeDesigningInstituteofZhejiangProvinceForestBureau,Hangzhou310058,China

Spatial pattern information of carbon density and storage in forest ecosystems plays an important role in the evaluation of carbon sequestration potentials and healthy forest management. Forest vegetation carbon, soil organic carbon, forest litter carbon and dead tree carbon are the four main carbon pools in forest ecosystems. Most of previous studies on carbon density and storage in forest ecosystems are based on the continuous forest inventory system in China or ecosystem models; however, there is little information on the spatial variation of forest ecosystems. Compared to traditional research methods, geostatistical methods combined with kriging spatial interpolation and Moran′s I have been regarded as an effective tool to explore spatial variation, which have been successfully used to investigate the spatial variability of environmental variables and to incorporate this information into mapping. Therefore, it is widely applied to analyze spatial heterogeneity of forest and soil variables. In 2012, based on the annual data from the Forest Resources Monitoring Center in Zhejiang Province, a total of 838 forest sample plots were established based on a 4 km (south-north) × 6 km (east-west) grid system in Zhejiang Province, and the area of each plot was 0.08 hm2. The portable global positioning system (GPS) was used to record the longitudes and latitudes. In this study, we analyzed the spatial variation characteristics of carbon density and storage of forest ecosystems in Zhejiang Province using geostatistical methods and Moran′s I. The results showed that the average carbon density of forest ecosystems in Zhejiang Province was 145.22 t/hm2, and the forest vegetation layer, soil layer, forest litter layer, and dead tree layer carbon densities were 27.34 t/hm2, 108.89 t/hm2, 1.79 t/hm2, and 1.38 t/hm2. Kriging spatial interpolation and Local Moran′s I showed that the spatial distribution of carbon density gradually decreased from southwest to northeast, similar to topographic changes in Zhejiang Province, which was influenced by both natural factors such as altitude, forest age, forest types, typhoon climate, and human activities. The carbon storage of forest ecosystems in Zhejiang Province was 877.19 Tg C, of which 203.88 Tg C was in the forest vegetation layer, 656.20 Tg C in the soil layer, 10.84 Tg C in the forest litter layer, and 6.27 Tg C in the dead tree layer, accounting for 23%, 75%, 1.3%, and 0.7% of the total carbon storage, respectively. The soil layer was the largest carbon pool in forest ecosystems, which was about three times as large as the forest vegetation layer, and which was the most important contributor to the carbon storage of forest ecosystems in Zhejiang Province. There are abundant forest resources in Zhejiang Province; most of the forests are young and middle-aged forests, which account for 76.76% of the total forest area in Zhejiang Province, and the young and middle-aged forests often have relatively low carbon density, but grow fast. Therefore, we should strengthen the healthy management of young and middle-aged forests and enhance the carbon sequestration potentials of forest ecosystems in Zhejiang Province in the future, in order to regulate the global carbon cycle, mitigate the increase in atmospheric CO2concentrations, and maintain global climate.

forest ecosystems; carbon density; carbon storage; spatial variation; Geostatistics; GIS; Moran′s I

浙江省科技計(jì)劃公益技術(shù)研究項(xiàng)目(2015C33051)；浙江省亞熱帶土壤與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室開放基金；浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(FSLAB2016006)；浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(FCLAB2015009)

2016- 09- 27; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 07- 12

*通訊作者Corresponding author.E-mail: fuweijun@zafu.edu.cn

10.5846/stxb201609271947

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