趙方圓,王瓊芳,趙萬(wàn)奎,程小云
(1.甘肅省生態(tài)資源監(jiān)測(cè)中心,蘭州 730020;2.甘肅省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,蘭州 730020)
甘肅省祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境治理事關(guān)國(guó)家生態(tài)安全,對(duì)推動(dòng)甘肅省和河西走廊的可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。祁連山生態(tài)環(huán)境問(wèn)題較早已經(jīng)引起關(guān)注,保護(hù)也一直在推進(jìn)。1980 年祁連山森林被確定成為國(guó)家重點(diǎn)水源涵養(yǎng)林,1988 年5 月國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)成立甘肅省祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),2008 年11 月《國(guó)務(wù)院關(guān)于支持青海等省藏區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的若干意見》中明確提出啟動(dòng)祁連山水源涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和綜合治理規(guī)劃研究,2012 年12月28 日國(guó)家發(fā)展改革委正式批復(fù)《祁連山生態(tài)保護(hù)與綜合治理規(guī)劃》[1,2],以上措施一定程度上減緩了祁連山地區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化,但生態(tài)問(wèn)題仍然很嚴(yán)峻。20 世紀(jì)50 年代,祁連山森林覆蓋率為22.4%,到2017 年減少到14.4%,林草質(zhì)量和數(shù)量下降[3]。70 年代后批建的產(chǎn)業(yè)發(fā)展活動(dòng)與現(xiàn)行的相關(guān)環(huán)境保護(hù)方法有較大的出入導(dǎo)致一部分林業(yè)用地被占用,且因投入大導(dǎo)致較難退出且恢復(fù)周期較長(zhǎng);區(qū)域民生與生態(tài)承載力矛盾突出;生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)相關(guān)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的缺失和共享不暢均是祁連山生態(tài)環(huán)境惡化的根源[4]。2017 年祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞問(wèn)題引發(fā)社會(huì)各界廣泛關(guān)注,針對(duì)存在的問(wèn)題,林業(yè)部門作出了一系列的生態(tài)治理舉措[5-7]。上述各項(xiàng)政策的核心思想在于全面加強(qiáng)林業(yè)系統(tǒng)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理,遏制保護(hù)區(qū)人為生態(tài)破壞,提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量、系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量相關(guān)研究,國(guó)內(nèi)有關(guān)碳儲(chǔ)量的研究成果多數(shù)集中于東部和沿海發(fā)達(dá)地區(qū),且以市、縣等行政區(qū)劃或者自然保護(hù)區(qū)為范圍[8-15]。在研究方法上,以生物量法、蓄積量法、生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法和微氣象學(xué)法為主[16-27]。本研究以甘肅省祁連山林區(qū)為對(duì)象,綜合運(yùn)用生物量擴(kuò)展因子法、單位面積生物量法、土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣法對(duì)研究區(qū)主要林地碳儲(chǔ)量進(jìn)行測(cè)算,綜合探究該區(qū)域土地轉(zhuǎn)移情況及碳儲(chǔ)量時(shí)空變化特征,分析已實(shí)施的祁連山地區(qū)生態(tài)治理政策的落實(shí)情況,為該區(qū)域后續(xù)區(qū)域土地利用規(guī)劃和碳增匯研究提供參考。
祁連山林區(qū)地處張掖、武威、金昌、蘭州、山丹馬場(chǎng)境內(nèi),總面積1.86萬(wàn)km2,地理坐標(biāo)36°45′—39°44′N、97°23′—103°45′E。由于地域遼闊,相對(duì)高差懸殊,氣候的垂直分布差異明顯,屬高原大陸性氣候。水系發(fā)育良好,分屬黃河和內(nèi)陸河兩大水系,水資源使用和生態(tài)受益區(qū)包括河西走廊的武威、金昌、張掖、酒泉、嘉峪關(guān)和永登。人文資源豐富,民族文化多樣。在祁連山保護(hù)區(qū)管理范圍內(nèi)有22 萬(wàn)多人(保護(hù)區(qū)與周邊區(qū)居民),居住有藏族、裕固族、回族、土族、漢族等17 個(gè)民族,其中藏族和裕固族為居住人數(shù)最多的兩個(gè)少數(shù)民族。近年來(lái)由于人類活動(dòng)和氣候變化等原因,祁連山生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大變化,生態(tài)系統(tǒng)原有的碳循環(huán)和碳平衡有所變化,生態(tài)環(huán)境脆弱問(wèn)題突出。
本研究使用的原始數(shù)據(jù)是2016 年、2019 年森林資源管理年度更新數(shù)據(jù)。參考的遙感影像數(shù)據(jù)采用的是高分一號(hào)及高分二號(hào)衛(wèi)星拍攝的結(jié)果,分辨率為2.0~2.5 m。在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,針對(duì)地類和植被覆蓋類型發(fā)生明顯變化的圖斑,結(jié)合林業(yè)資源管理資料以及實(shí)地調(diào)查和驗(yàn)證進(jìn)行修正,在Arc-GIS10.6 軟件支持下,對(duì)圖斑數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、提取、合并等操作,建立了祁連山林區(qū)土地類型及碳匯計(jì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù),數(shù)據(jù)具備準(zhǔn)確性和實(shí)效性,滿足后續(xù)分析需要。
運(yùn)用生物量擴(kuò)展因子法計(jì)算喬木林地和疏林地的碳儲(chǔ)量,采用單位面積生物量法計(jì)算灌木林地的碳儲(chǔ)量。結(jié)合研究區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣綜合分析2016—2019 年土地利用變化對(duì)研究區(qū)碳儲(chǔ)量變化的影響。
喬木林地、疏林地碳儲(chǔ)量為地上地下生物量碳儲(chǔ)量、林下碳儲(chǔ)量(灌木層和枯落物)、林地碳儲(chǔ)量三者之和,公式如式(1)、式(2)所示;灌木林地碳儲(chǔ)量計(jì)算如式(3)所示;碳密度和年均碳匯量的計(jì)算式見式(4)、式(5)[28]。
式(1)、式(2)中,C喬為喬木層碳儲(chǔ)量;i為優(yōu)勢(shì)樹種;n為優(yōu)勢(shì)樹種總數(shù);Ai為林地面積;Vi為林木蓄積量;BEFi為林木地上生物量與樹干生物量的比;Di為木材基本密度;Ri為樹種根莖比;CFi為生物量含碳率;C為林地全部固碳量;α為林下植物碳轉(zhuǎn)換系數(shù);β為林地碳轉(zhuǎn)換系數(shù)。式(3)中,C灌為灌木林碳儲(chǔ)量;A為灌木林面積;B為生物量密度參數(shù);CF為生物量含碳率。式(4)中,Qc為碳密度;C為碳儲(chǔ)量;S為林地面積。式(5)中,ΔC為年碳匯量;Ct2、Ct1分別為t2和t1時(shí)間的碳儲(chǔ)量;t2和t1分別為變化末期和初期時(shí)間。
土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣可以客觀反映土地的轉(zhuǎn)移情況,包括轉(zhuǎn)化來(lái)源、去向及數(shù)量大小等信息[29],其具體數(shù)學(xué)表達(dá)形式為:
式(6)中,Sij為研究初期和末期土地利用狀態(tài);n為土地類型數(shù)。
2016—2019 年主要林地(喬木林地、疏林地、灌木林地)土地面積占比從大到小依次為灌木林地、喬木林地、疏林地,平均占比分別為72.95%、24.64%、2.41%。灌木林地面積占比最大,喬木林地與灌木林地和疏林地鑲嵌分布,主要集中于研究區(qū)的中部和東南部。
如表1 所示,2016 年、2019 年主要林地(喬木林地、疏林地、灌木林地)碳儲(chǔ)量占比從大到小依次為喬木林地、灌木林地、疏林地,平均占比分別為82.60%、14.56%、2.84%。從碳儲(chǔ)量變化情況來(lái)看,祁連山林區(qū)主要林地2019 年總碳儲(chǔ)量為2 064.83 萬(wàn)t,比2016 年增加了19.20%,年均增加110.84 萬(wàn)t。其中,喬木林地碳儲(chǔ)量增加了23.22%,占祁連山林區(qū)碳儲(chǔ)量總增加值的98.26%,碳匯潛力巨大;疏林地和灌木林地也呈增長(zhǎng)趨勢(shì),疏林地碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)了9.63%,灌木林地增長(zhǎng)了0.31%。從碳密度變化情況來(lái)看,2019 年比2016 年喬木林地碳密度增長(zhǎng)了23.58%,疏林地碳密度增長(zhǎng)了7.76%。碳密度的變化和分布情況如圖1 所示,結(jié)合地類分布,碳密度的分布與與地類分布吻合,碳密度分布表現(xiàn)為喬木林地>疏林地>灌木林地。碳密度較高的林區(qū)主要集中在研究區(qū)中部和東南部。2019 年相對(duì)于2016 年喬木林和疏林地所在地區(qū)的碳儲(chǔ)量有了較大的提高得益于二者平均碳密度的增加。以上結(jié)果表明,2016—2019 年以喬木林碳儲(chǔ)量的增長(zhǎng)最為顯著,單位面積的儲(chǔ)碳能力也明顯提高。這在一定程度上反映了研究期間甘肅省實(shí)施的天然林資源保護(hù)工程、退耕還林工程、森林撫育等各類工程以及加大環(huán)境整改力度等措施對(duì)擴(kuò)大林草面積、提高林草質(zhì)量、提升碳匯增量發(fā)揮了積極作用。
圖1 祁連山林區(qū)碳密度分布
表1 喬木林地、疏林地、灌木林地的碳儲(chǔ)量和碳密度
從齡組結(jié)構(gòu)上看(圖2),喬木林地近熟林碳儲(chǔ)量最大,中齡林次之,過(guò)熟林最小。近熟林、中齡林、成熟林、幼齡林、過(guò)熟林碳儲(chǔ)量在2016 年、2019 年占比分別為58.26%、58.49%,37.46%、38.51%,3.01%、2.24%,0.79%、0.81%,0.26%、0.19%。從變化情況看,2019 年幼齡林面積比2016 年增長(zhǎng)了13.72%,近熟林面積增長(zhǎng)了0.63%,過(guò)熟林面積減少了24.31%,成熟林面積減少了17.09%,中齡林面積減少了0.24%(圖3);中齡林、幼齡林、近熟林碳儲(chǔ)量分別增長(zhǎng)了26.7%、26.34%、22.74%,成熟林和過(guò)熟林碳儲(chǔ)量分別減少了8.36%、12.52%。退耕還林、人工造林等生態(tài)恢復(fù)工程實(shí)施以來(lái),樹種多處于幼齡林和中齡林階段,植物生長(zhǎng)多處于旺盛生長(zhǎng)期,可以吸收更多的二氧化碳,釋放更多的氧氣,對(duì)森林的碳匯功能有積極作用。
從優(yōu)勢(shì)樹種看(圖2),2016 年、2019 年云杉(Picea asperata)的碳儲(chǔ)量最大,占比分別為85.39%、86.28%;其次是其他柏類(Cupressaceaespp.),占比分別為7.77%、6.73%。從變化量來(lái)看,3 年間云杉的碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)量最大(294 萬(wàn)t),占喬木林碳儲(chǔ)總增加值的90.09%。從變化速率看,面積增長(zhǎng)率最大的是楊類(201.79%),其次是針闊混交林(117.24%),其他軟闊類減少最快(-89.56%),闊葉混交林(-51.61%)次之(圖3);碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)率最大的是針闊混交林(255.30%),其次是楊類(156.45%)、云杉(24.50%)、針葉混交林(15.06%)、白樺(11.56%)、紅樺(11.31%),其他軟闊類減少最快(-88.29%),闊葉混交林(-48.35%)次之,可見優(yōu)勢(shì)樹種中針闊混交林、楊類、云杉、針葉混交林的碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)較快,且以針葉混交林、針闊混交林、楊類的幼齡林增長(zhǎng)顯著,生態(tài)環(huán)境治理工程中林地占用整改措施中的原地植被恢復(fù)和天然林修復(fù)工程中的補(bǔ)植補(bǔ)造等措施是幼齡林碳儲(chǔ)量增加的因素之一,在今后的造林規(guī)劃中,針葉混交林、針闊混交林、楊類是可以優(yōu)先考慮的樹種。
從齡組結(jié)構(gòu)上看(圖4),2016 年、2019 年近熟林碳密度分別為106.11、129.43 t/hm2,成熟林碳密度分別為77.88、86.08 t/hm2,中齡林碳密度分別為64.99、82.53 t/hm2,過(guò)熟林碳密度分別為44.37、51.28 t/hm2,幼齡林碳密度分別為45.43、50.47 t/hm2。從變化情況來(lái)看,2016—2019 年中齡林、近熟林、過(guò)熟林、幼齡林、成熟林的碳密度分別增長(zhǎng)了27.00%、21.97%、15.58%、11.10%、10.53%。今后應(yīng)加大幼齡林撫育管理,減少成熟林人為干擾,增加兩者的固碳能力。
從優(yōu)勢(shì)樹種看(圖4),2016 年、2019 年油松(130.7 t/hm2)、云杉(103.55 t/hm2)、針葉混交林(88.95 t/hm2)、紅樺(79.81 t/hm2)的平均碳密度位居前四。碳密度增長(zhǎng)率從大到小依次為針闊混交林(63.55%)、云杉(24.98%)、落葉松(16.85%)、針葉混交林(13.99%)、其他軟闊類(12.14%)、紅樺(11.31%),減少的有楊類(-15.02%)。其中楊類碳密度減少說(shuō)明仍應(yīng)對(duì)其新增幼齡林和中齡林進(jìn)行合理的撫育,實(shí)現(xiàn)碳效益的提升。
運(yùn)用ArcGIS 軟件將2016年、2019年的林地更新數(shù)據(jù)作相交處理,重新計(jì)算相交后小斑圖形面積,導(dǎo)出屬性表,在Exel 中通過(guò)數(shù)據(jù)透視表功能得出祁連山林區(qū)2016—2019年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣,具體各類土地轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出以及碳儲(chǔ)量變化情況如表2 所示。
表2 祁連山林區(qū)2016—2019 年土地利用類型轉(zhuǎn)移及碳儲(chǔ)量變化
土地利用類型的主要轉(zhuǎn)移方向是牧草地、未利用地、建設(shè)用地向林地的轉(zhuǎn)移,轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出抵消后,牧草地轉(zhuǎn)移到林地的面積為1 109.84 hm2,轉(zhuǎn)移碳儲(chǔ)量為21 924.73 t;未利用地轉(zhuǎn)移到林地的面積為90.76 hm2,轉(zhuǎn)移碳儲(chǔ)量為383.41 t;建設(shè)用地轉(zhuǎn)移到林地的面積為10.38 hm2,轉(zhuǎn)移碳儲(chǔ)量為246.33 t。總體上來(lái)看,牧草地轉(zhuǎn)為灌木林和喬木林,碳儲(chǔ)量增加,未利用地和建設(shè)用地向林地碳儲(chǔ)量的轉(zhuǎn)移在一定程度上說(shuō)明生態(tài)治理工程加快了未利用土地的開發(fā)利用、部分被建設(shè)用地占用的林地資源得到恢復(fù),林地保護(hù)得到重視。今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)建設(shè)用地向林地資源的恢復(fù)和未利用地的開發(fā)利用,同時(shí)提升喬木林的天然更新能力,減少現(xiàn)有喬木林地的流失,提高資源綜合利用水平。進(jìn)一步持續(xù)推進(jìn)祁連山生態(tài)環(huán)境問(wèn)題整治,加速天空地監(jiān)測(cè)體系一體化生態(tài)監(jiān)測(cè)體系建設(shè),發(fā)揮祁連山大數(shù)據(jù)平臺(tái)三線五級(jí)監(jiān)測(cè)模式在生態(tài)保護(hù)監(jiān)測(cè)中的深入應(yīng)用,以生態(tài)保護(hù)、生態(tài)鞏固、生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)建設(shè)為核心,積極構(gòu)建現(xiàn)代生態(tài)環(huán)境治理體系。
1)祁連山林區(qū)作為祁連山生態(tài)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題自查整改的重點(diǎn)區(qū)域,碳增匯一方面得益于研究區(qū)林地面積的增長(zhǎng),從土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣看,牧草地、未利用地、建設(shè)用地向林地轉(zhuǎn)移碳儲(chǔ)量為2.26萬(wàn)t,生態(tài)建設(shè)加強(qiáng)后,牧草、未利用地、建設(shè)用地有向林地轉(zhuǎn)回的趨勢(shì)。整改治理中保護(hù)區(qū)部分經(jīng)營(yíng)項(xiàng)目和礦產(chǎn)的退出以及強(qiáng)制恢復(fù)林地原貌等舉措在一定程度上加快了未利用土地的開發(fā)利用、部分被建設(shè)用地占用的林地資源得到恢復(fù)。另一方面是林草質(zhì)量的提高,2016—2019 年研究區(qū)碳儲(chǔ)量穩(wěn)步提升,喬木林地、疏林地、灌木林地年均碳匯量達(dá)110.84 萬(wàn)t。其中喬木林碳儲(chǔ)量增加了23.22%,占祁連山主要林地碳儲(chǔ)量總增加值的98.26%。在增長(zhǎng)量上,云杉的碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)量最大(294 萬(wàn)t),占喬木林碳儲(chǔ)總增加值的90.09%,在增長(zhǎng)速率上,最具未來(lái)碳匯潛力的中齡林和幼齡林碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)最快,增長(zhǎng)率分別為26.70%和26.34%,保護(hù)政策中天然林資源保護(hù)工程、森林撫育、林地植被的恢復(fù)和退化林修復(fù)、補(bǔ)植改造等工程很大程度上提升了林地林木的質(zhì)量。因生態(tài)環(huán)境的變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)化的長(zhǎng)期過(guò)程,后續(xù)仍需增大研究年限和樣本容量,針對(duì)治理措施對(duì)碳儲(chǔ)量的影響也應(yīng)該從定性層面的闡述引入更多定量方向的研究。
2)在喬木林地的碳儲(chǔ)量和碳密度計(jì)算方法上,對(duì)比西部地區(qū)喬木林地的碳密度,研究區(qū)的喬木林地碳密度偏高,2016 年和2019 年祁連山林區(qū)喬木林地碳密度分別為84.08 t/hm2和103.91 t/hm2,高于2010年甘肅省喬木林地平均碳密度51.80 t/hm2[30]。研究區(qū)云杉占比較大,2016年面積占比達(dá)80%,且其中中齡林和近熟林占比達(dá)98%,而云杉屬于寒溫性針葉林,森林碳儲(chǔ)量單位累積量較高,對(duì)比已有研究得出的祁連山青海省城內(nèi)云杉的碳密度為100.46 t/hm2[18],更加證實(shí)了本研究碳密度偏高的客觀原因。此外灌木林在碳儲(chǔ)量計(jì)算時(shí)采用的是溫帶大陸氣候區(qū)的平均單位面積生物量和固定的含碳率,碳儲(chǔ)量與面積呈正相關(guān),相對(duì)于喬木通過(guò)蓄積來(lái)推算碳儲(chǔ)量的方法來(lái)看,準(zhǔn)確度稍顯不足,后續(xù)依據(jù)甘肅省森林資源管理“一張圖”數(shù)據(jù),設(shè)立樣地,精確調(diào)查植被蓄積量是下一步有效提升碳儲(chǔ)量計(jì)算精確度的方向。