孟祥江，何丙輝 ，馬正銳，王 蕾，何邦亮

中國作為《聯(lián)合國氣候變化框架公約》締約國，有義務(wù)提交國家信息通報和溫室氣體清單，其中土地利用、土地利用變化和林業(yè)(LULUCF)是其重要內(nèi)容之一。2011年，國務(wù)院提出要加快建立溫室氣體排放統(tǒng)計核算體系，建立健全包括土地利用變化與林業(yè)等領(lǐng)域的碳計量監(jiān)測方法，并開展全國范圍內(nèi)土地利用變化和林業(yè)碳匯計量監(jiān)測，以滿足國家溫室氣體清單編制以及實現(xiàn)控制溫室氣體排放考核等方面的工作需要［1-2］。

土地利用變化是引起陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯變化的主要原因之一，是估測全球碳儲量變化中最大的不確定因素［3-4］。國內(nèi)學者在土地利用變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫影響［5-6］、LULUCF碳計量監(jiān)測方法［1，7］等方面取得了諸多成果，但因資料來源、研究方法等不盡相同，這些研究結(jié)果間還存在較大差異，不能滿足國家宏觀政策制定方面的需要。

本研究參照《IPCC土地利用、土地利用變化和林業(yè)優(yōu)良做法指南》和全國林業(yè)碳匯計量監(jiān)測體系建設(shè)［2］的要求和方法，開展重慶市域范圍的土地利用變化與植被碳儲量變化關(guān)系研究，科學測算和評估2005－2013年土地利用變化與林業(yè)活動所引起的植被碳儲量變化情況，以期為林業(yè)應(yīng)對氣候變化、參與碳交易等工作提供有力支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

重慶市位于 105°11'－110°11'E，28°10'－32°13'N，面積824萬hm2，地貌類型以山地丘陵為主，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫16～18℃，年均降水量1 000～1 350 mm。主要森林類型有暖性針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林等，優(yōu)勢樹種(組)有馬尾松(Pinus massoniana)、柏木(Cupressus funebris)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、櫟類(Quercus)等［8-9］。

1.2 數(shù)據(jù)資料

1.2.1 省級林業(yè)碳匯專項調(diào)查 2012年，開展了全市林業(yè)碳匯專項調(diào)查，完成了100多個樣地外業(yè)調(diào)查和測算，形成優(yōu)勢樹種(組)不同齡組的喬、灌(草)及枯落物層生物量數(shù)據(jù)。

1.2.2 現(xiàn)有監(jiān)測成果資料收集 收集了重慶市2013年度林地變更調(diào)查報告數(shù)據(jù)資料［10］，并按遙感樣地對全市數(shù)據(jù)進行了切割處理，形成148個大樣地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2.3 遙感數(shù)據(jù)準備 遙感數(shù)據(jù)采用2013年資源3號衛(wèi)星影像和2005年TM影像。

1.3 研究方法

利用林地變更調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合遙感大樣地(4 km×4 km)的區(qū)劃判讀和地面驗證，獲得樣地中土地利用信息(林地、農(nóng)地等6大地類和子類);將2013年及2005年區(qū)劃結(jié)果相交，得出土地利用變化信息。通過樣地的屬性值對總體進行估算，結(jié)合植被生物量調(diào)查數(shù)據(jù)，對土地利用變化所引起的碳變化量進行測算。

1.3.1 遙感樣地布設(shè) 重慶為獨立總體，以公里網(wǎng)格為抽樣單元進行系統(tǒng)抽樣，抽樣間距為24 km×24 km，以每公里格網(wǎng)中心點作為遙感大樣地的中心點進行布點，共布設(shè)148個碳匯監(jiān)測樣地(圖1)。

1.3.2 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理 對2013年資源3號影像校正，剪切形成2013年分樣地的柵格數(shù)據(jù);2005年TM影像以2013年影像為基礎(chǔ)影像，通過選取明顯同名地物點進行幾何配準［11］，將2005年TM影像(WGS84坐標)配準到西安80坐標系。

1.3.3 樣地內(nèi)地類區(qū)劃與調(diào)查 將2013年度林地變更數(shù)據(jù)(SHP格式)與資源3號影像進行疊加，以林班界、山脊線、道路、河流等形成的主要分界線，結(jié)合權(quán)屬、林種、起源、優(yōu)勢樹種等區(qū)劃條件，對小班邊界進行調(diào)整，對于漏繪圖斑進行補繪，對于錯繪圖斑重新判讀。進而生成新的土地利用邊界信息(類型、面積)，利用GIS技術(shù)及數(shù)據(jù)庫對圖斑主要屬性數(shù)據(jù)進行完善更新;外業(yè)驗證調(diào)查重點對遙感區(qū)劃時不清晰的圖斑和區(qū)域，進行土地利用類型及邊界、優(yōu)勢樹種、公頃蓄積、公頃株數(shù)等調(diào)查，修改完善后形成2013年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫。

針對2005年影像不清、難以準確解譯的問題，復(fù)制2013年解譯成果數(shù)據(jù)，反推2005年大量不變的界線，如道路、水系、行政界線等，確保變化的真實性，并以此為基準，參考相關(guān)資料，對2005年樣地進行區(qū)劃，其屬性數(shù)據(jù)根據(jù)森林資源檔案更新數(shù)據(jù)和經(jīng)驗值獲得，形成2005年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫。

圖1 樣地分布Fig.1 Distribution of large-scale plots of Chongqing

最后將2013年度和2005年度數(shù)據(jù)疊加，進行空間分析處理，使2個年度的小班多邊形盡可能吻合，建立2005－2013年土地利用變化數(shù)據(jù)庫。

1.3.4 生物量碳變化量計算 生物量碳庫變化量采用庫-差別法進行計算，即采用2013年和2005年間的生物量碳庫差額，除以相應(yīng)年數(shù)。

1)喬木層碳儲量為各優(yōu)勢樹種(組)喬木層碳儲量之和，采用生物量擴展因子法，計算公式如下:

式中，Ai表示各優(yōu)勢樹種(組)的林地面積(hm2);Vi為相應(yīng)優(yōu)勢樹種(組)公頃蓄積量(m3·hm－2);i表示各優(yōu)勢樹種(組);D為木材密度(t·m－3);BEF為生物量擴展因子(即林木地上生物量與樹干生物量的比);R為根莖比;CF為含碳率(生物量中碳元素的質(zhì)量比)。其中A、V根據(jù)樣地遙感區(qū)劃與調(diào)查數(shù)據(jù)得出，D、BEF、R、CF 等參數(shù)參考周廣勝［12］等、張坤［13］、戴景晟［14］研究成果(表 1)。

表1 重慶優(yōu)勢樹種(組)生物量碳庫計算參數(shù)Table 1 The calculation parameters of vegetation carbon pool of dominant species

2)下層植被和枯落物層碳儲量計算公式如下:

式中，B為每公頃生物量(t·hm－2);B參考2012年林業(yè)碳匯專項調(diào)查中相近優(yōu)勢樹種(組)和齡組的數(shù)據(jù);CF參考黃從德［16］研究成果(表2)。

3)經(jīng)濟林、竹林、灌木林每公頃生物量及含碳率參數(shù)見表 3［15］。

表2 優(yōu)勢樹種(組)灌草層和枯落物層碳庫計算參數(shù)Table 2 The calculation parameters of carbon pool of litter layer and shrubs layer of dominant species

表3 經(jīng)濟林、竹林、灌木林單位面積生物量和含碳率Table 3 Biomass in unit area and carbon content rate of economic forest，bamboo and shrub

2 結(jié)果與分析

2.1 重慶市2005與2013年土地利用及其變化情況

2.1.1 遙感樣地地類統(tǒng)計及全市地類推算 根據(jù)遙感樣地中各地類面積占樣地總面積的比例，推算全市各土地利用類型的面積。全市總面積使用2013年林地變更中控制使用的國土面積824萬hm2，遙感樣地總面積為23.40萬hm2。遙感樣地地類統(tǒng)計及全市地類推算見表4。

2005、2013 年全市林地面積分別為 388.30、423.39 萬 hm2，增加 35.09 萬 hm2，年均增加量為 4.39 萬hm2;其中喬木林地增加38.53萬 hm2，年均增加量4.82萬hm2。農(nóng)地和其他土地面積分別減少21.37萬 hm2和 18.80 萬 hm2，而聚居地增加 5.31 萬 hm2。2.1.2 2005－2013年土地利用變化結(jié)果 全市土地利用類型面積轉(zhuǎn)移情況見表5，2005年257.24萬hm2的喬木林地中，242萬hm2仍為喬木林地(地類未發(fā)生變化)，其余的15.24萬hm2分別轉(zhuǎn)化為農(nóng)地、聚居地及灌木林地等，即為毀林。2013年295.77萬hm2的喬木林地中，除了保留的喬木林地242.00萬 hm2，其余的 53.77萬 hm2由農(nóng)地(退耕還林)、其他土地、灌木林地等轉(zhuǎn)化而來，即為造林。

2005年到2013年全市土地類型未發(fā)生變化的面積合計716.92萬hm2;發(fā)生變化的面積合計107.08萬hm2，占國土總面積的13%。

表4 遙感樣地土地利用類型面積統(tǒng)計及全市土地利用類型面積推算Table 4 The area of various land use types of plot and Chongqing 萬hm2

2.2 植被碳儲量測算結(jié)果

2.2.1 全市各土地利用類型植被碳儲量測算結(jié)果

2005年、2013年全市各土地利用類型植被碳儲量分別是7 887.24 萬t和12 051.49 萬 t(表6)，增加4 164.25萬t，增長率為52.80%。植被碳儲量分布特征表現(xiàn)為:喬木林地＞竹林地＞灌木林地＞疏林地＞未成林地，其中喬木林地碳儲量是植被碳儲量的最重要部分，其2005年、2013年碳儲量分別是6 135萬t和10 175.82萬t，分別占當年植被總碳儲量的77.78%和84.54%。

喬木林地碳儲量主要分布于馬尾松、櫟類、柏木和杉木等優(yōu)勢樹種(組)林分中(圖2)，其中馬尾松林碳儲量由2005年4 105.88萬t增加到2013年6 352.85 萬 t，增加 2 246.97 萬 t，占喬木林地增量的55.60%。

2.2.2 2005－2013年全市土地利用變化導(dǎo)致的植被碳儲量變化 全市土地利用變化導(dǎo)致的植被碳儲量變化見表7。2005－2013年間均為喬木林地的(地類未變化)，其植被碳儲量增加2 950.89萬t;而喬木林地轉(zhuǎn)化為農(nóng)地、聚居地及灌木林地等毀林過程，植被碳儲量均減少，減少量合計331.19萬t;農(nóng)地、其他土地、灌木林地等轉(zhuǎn)化成喬木林地等造林過程，植被碳儲量均增加，增加量合計1 459.07萬t。

2005－2013年間全市植被碳儲量增加4 164.25萬t，年變化量520.53萬t;其中變化地類的植被碳儲量增加1 208萬t，占植被碳儲量變化量的29%，年變化量151萬 t;未變化地類的植被碳儲量增加2 956.25萬t，占植被碳儲量變化量的71%，年變化量 369.53 萬 t。

表5 重慶市各土地利用類型面積轉(zhuǎn)移Table 5 Matrix of land use change萬hm2

表6 重慶市各土地利用類型植被碳儲量推算Table 6 The carbon stock of various land use types 萬t

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

重慶市2005－2013年土地類型未發(fā)生變化的面積716.92 萬 hm2，發(fā)生變化的面積107.08 萬 hm2，土地利用變化率為13%。林地面積從2005年的388.30萬 hm2增加到 2013 年的 423.39 萬 hm2，年均增加量 4.39萬 hm2;其中喬木林地增加 38.53萬hm2，年均增加量 4.82 萬 hm2。

2005、2013年植被碳儲量分別是7 887.24萬t和 12 051.49 萬 t，增加 4 164.25 萬 t，增長率為52.80%;其中土地利用變化與林業(yè)活動所引起的植被碳儲量增加1 208萬t，年增量151萬t，表明該區(qū)域土地利用變化對植被碳庫具有明顯的增匯效應(yīng)。

表7 全市土地利用變化導(dǎo)致的植被碳儲量變化Table 7 The forest carbon stock changes caused by land use change 萬t

圖2 喬木林地主要優(yōu)勢樹種(組)碳儲量變化Fig.2 The carbon stock changes condition of dominant species of arbor forest land

3.2 討論

本研究在重慶市范圍內(nèi)開展土地利用變化與植被碳儲量變化關(guān)系研究，基于全國林業(yè)碳匯計量監(jiān)測體系建設(shè)的方法體系和技術(shù)參數(shù)［2］，通過遙感樣地的區(qū)劃判讀和地面驗證的方法，獲得2005、2013年2個年度樣地中土地利用現(xiàn)狀、土地利用變化、蓄積量及生物量信息，進而對總體進行估算，得出重慶市2005、2013年土地利用變化情況及其引起的植被碳儲量變化量。

所得結(jié)果中2013年重慶市總植被碳儲量為12 051.49萬 t(1.21 億 t)，與孟祥江［9］等(1.59 億t)、劉倩楠［8］等(碳儲量 1.39 億 t)研究成果較一致，比較符合重慶市實際。2005－2013年間全市植被碳儲量增加4 164.25萬t，其中土地利用變化所導(dǎo)致的總固碳量1 208萬t，占總植被碳儲量增量的29%，是碳儲量增加的重要組成部分，土地利用變化對碳循環(huán)的影響總體表現(xiàn)為碳匯，與陳耀亮［6］等研究結(jié)果相似。2005－2013年間退耕還林、荒山荒地造林、疏林地和未成林地轉(zhuǎn)化等過程新增植被碳儲量1 459.07萬t，為植被碳儲量增加的主要來源，表現(xiàn)為碳匯;毀林、森林采伐和林地轉(zhuǎn)移等過程減少碳儲量331.19 萬 t，表現(xiàn)為碳源。

本研究在碳儲量測算過程中存在一定的不確定性:未考慮土壤碳儲量變化情況，研究表明［17-18］總碳儲量分層特征為:土壤層＞喬木層＞下層或枯落物層，其中土壤碳所占比例最大，但其變動量很小。植被碳儲量計算參數(shù)為非實測數(shù)據(jù)，參考相關(guān)成果，一定程度上導(dǎo)致數(shù)據(jù)精確度的降低;其中經(jīng)濟林、竹林、灌木林的每公頃生物量及含碳率參數(shù)為固定數(shù)值，若經(jīng)濟林、竹林、灌木林等土地利用類型未發(fā)生改變，則其植被碳儲量也未變化，故研究結(jié)果相對較為保守。

雖然本研究碳測算存在不確定性，但研究結(jié)果總體上能較好地反映出重慶市2005－2013年土地利用變化與植被碳儲量變化的關(guān)系，有利于我們加深土地利用變化和林業(yè)活動對陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的認識，將為區(qū)域林業(yè)應(yīng)對氣候變化、參與碳交易、林業(yè)可持續(xù)發(fā)展等工作提供有力支撐。