長沙縣森林碳儲量動態變化研究
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摘要：以長沙縣為例，采用生物量換算因子連續函數法和克里格插值法計算了2004年、2009年和2014年3期森林碳儲量的空間分布和變化情況，結果表明：②2004年、2009年和2014年森林碳儲量總量分別為749605.16t、1034059.15t和1426868.66t，平均森林碳儲量分別為7.55t/hm2.10.42t/hm2和14.37t/hm2。2004-2009年、2009-2014年期間森林碳儲量的增長值分別為284453.99t和392809.51t，增長率分別為37.95%～37.99%。②長沙縣森林碳儲量總體呈穩步增加趨勢，但森林碳儲量水平較低，受多種因素干擾的影響。③森林碳儲量的空間分布特征是北部森林碳儲量較大，中南部森林碳儲量較小，北部總體大于南部。④森林碳儲量的變化復雜，城市發展和森林經營管理對森林碳儲量的變化起決定性作用。
關鍵詞：森林;碳儲量;動態變化;長沙縣
隨著全球氣候變暖現象的出現，大氣碳含量、碳交易等逐漸被世界各地所關注，森林作為陸地最大的碳庫，一直是碳儲量研究的熱點。碳的固定主要是通過光合作用，森林植被將二氧化碳進行固定，形成多種類型的有機質，進而實現碳的循環。不同的森林類型因樹種、林種、林分結構不同而具有各不相同的碳儲量特征，在空間上存在相應的分布規律，因此從空間分布的角度研究碳儲量，進而理解陸地碳循環過程，掌握碳儲量的變化規律，對森林經營管理具有重要意義。
長沙是湖南省的政治、文化、經濟中心，是我國“兩型”城市試點地區之一，近年來長沙市發展迅速，城市范圍不斷擴大，長沙縣作為長沙市發展的外圍地區長期受城市發展的影響，森林碳儲量在空間上表現出獨特性。在長沙市全面創建森林城市的背景下，研究長沙縣森林碳儲量的變化趨勢有助于了解分析長沙發展對城市周邊地區森林資源的影響，為推動森林城市和生態環境建設提供科學決策依據，促進區域協調可持續發展。
1數據來源及處理
1.1研究區概況
長沙縣位于湖南省東北部，隸屬于長沙市，位于27°54’47”～28°40’ 08”N.112°56’13”～113°30’6”E，總面積1998.98km2。長沙縣屬長衡丘陵盆地北部，地處幕阜山、連云山與大龍山余脈的南端，株洲隆起帶的北緣，境內最高海拔659m，地勢由北、東、南三面逐漸向中西部傾斜，成“畚箕”形。境內有變質巖、沙礫巖、灰巖、紅巖、紅土、砂頁巖、花崗巖7種巖層及崗地、平原、山地、丘陵、水面5類地貌，以崗地平原為主。氣候為大陸.1生季風濕潤氣候，四季分明，寒冷期短，炎熱期長。長沙縣平均氣溫18.2%，年平均日照1510.9h，年平均風速2.0nds，最多風向為西北風。境內水源充足，年均降水量1472.9mm，年平均蒸發量1194.9mmm，有湘江水系和汨羅江水系，河網密布，植被以亞熱帶常綠闊葉林為主，森林覆蓋率較高，為50.70%，其中人工林占多數，人工林以木材生產為主，主要樹種為馬尾松、杉木等速生用材林。天然林主要為公益林，分布在距離城市較偏遠的地區，主要優勢樹種有樟、楠以及青岡等櫟類。
1.2數據來源
以一類清查數據和二類調查數據為研究數據。一類清查數據為長沙縣2004年、2009年和2014年的數據，二類調查數據為2014年長沙縣的二類調查數據。為保證數據分析的可比性和一致性，統一用2014年二類調查數據確定行政區和森林的范圍。結合一類清查數據的準確性和二類調查數據的空間特征進行長沙縣森林碳儲量的動態變化研究。
1.3研究方法
1.3.1森林類型歸并。長沙縣的森林起源多為人工林，優勢樹種類型較多，其中如樟樹、楠木等優勢樹種數量相對較少，為方便統計分析，參照《湖南省二類技術規定》，根據林分的起源、優勢樹種、林種等屬性，將優勢樹種進行歸并，得到馬尾松、杉木、慢生闊葉樹、中生闊葉樹、速生闊葉樹、竹類和其他樹種7種森林類型，其中竹林沒有蓄積量，分布數量相比其他類型較少，因此不參與森林碳儲量計算。
1.3.2森林碳儲量計算。各類森林的碳儲量主要根據一類清查數據的蓄積量進行計算。根據已有研究，利用因子連續函數法計算森林碳儲量。首先選擇合理的生物量與蓄積量換算公式，再計算森林的生物量，最后根據換算公式計算森林碳儲量。生物量與碳儲量的換算公式如表1。
對一類清查數據進行克里格差值分析，計算森林碳儲量的空間預測，碳儲量的計算步驟分3步：①利用克里格插值法預測出長沙縣森林碳儲量的空間分布;②利用自然斷裂法對碳儲量數值進行分級，取每級的平均值，與該級的面積的乘積即為該級的碳儲量總量;③各級碳儲量總量相加得研究區的碳儲量總量。
1.3.3克里格插值法。空間變異函數是克里格插值法的核心，通過綜合考慮已知點和未知點之間的空間位置和已知點的影響權重，來進行未知點屬性計算的最優無偏差估計擬合預測模型的計算公式可表示為：
空間事物之間存在相互關系，雖然影響的程度不一樣，但相互之間必然產生影響?？死锔癫逯捣梢愿鶕阎c的碳儲量預測未知點的碳儲量，進而預測整個區域的森林碳儲量。
2結果與分析
2.1森林碳儲量空間分布及總量預測
計算長沙縣2004年、2009年和2014年森林碳儲量的空間分布，利用自然斷裂法對3期預測結果進行分級，進而計算森林碳儲量的總量。為保證分析的統一，取各期森林碳儲量各級自然斷裂點的平均值進行分級。2004年、2009年和2014年森林碳儲量分別分為6類、10類和11類，分別計算各級森林碳儲量的均值，進而根據森林面積計算各級碳儲量，相加得到森林碳儲量總量。
2.1.1 2004年森林碳儲量的空間分布及總量預測。2004年長沙縣森林碳儲量分級情況見表2。第5級碳儲量的面積最大，碳儲量略高于森林碳儲量的平均水平，第2級森林碳儲量分布面積同樣較大，碳儲量的分布存在極化現象。長沙縣碳儲量普遍較低，2004年森林碳儲量的總量預測值為749605.16t，平均碳儲量為7.55t/hm2，遠低于國家平均水平，而存在的極化現象可能與人工林經營管理有關，碳儲量3、4級和2、5級上的分布面積相對穩定，這是人工林長期經營的結果。 2004年長沙縣森林碳儲量的總體分布呈現北部多、南部少的空間分布特征，碳儲量累積最大的6級位于長沙縣的中北部，主要為馬尾松、杉木和中生闊葉樹，馬尾松和杉木生長迅速，碳儲量積累速度快;中生闊葉樹主要位于遠郊生態屏障區，林分結構較為豐富，生物多樣性較高，森林的固碳功能較強。森林碳儲量最低的區域主要位于長沙縣中南部，該區域位于長沙市區發展的擴展軸上，農用地和建設用地分布較多，森林齡組多為幼齡林和中齡林，說明森林更新頻繁，人為干擾強烈。以長沙市區為中心，周邊森林的碳儲量隨距離的增加而上升，但長沙縣北部森林碳儲量水平不高，該區域距離長沙市區較遠，表明距離并不能決定森林碳儲量的空間分布，影響碳儲量的空間分布還有其他因素，如森林經營管理活動。
2.1.2 2009年森林碳儲量的空間分布及總量預測。2009年森林碳儲量分區的情況見表3。面積最大的為8級區域，其他森林碳儲量分級相對較為均衡，森林碳儲量表現為單極，表明2004年的森林碳儲量受到不同類型的干擾，導致雙極變化為單極。相比2004年，2009年的森林碳儲量有了較大增加，森林碳儲量的總量預測值為1034059.15t，平均碳儲量為10.42t/hm2，比2004年增加了2.87t/hm2，森林生長的整體情況較為良好。
2009年長沙縣森林碳儲量的總體分布趨勢與2004年一致，北部多、南部少，其中市區發展軸及周邊區域森林碳儲量幾乎沒發生變化，說明人為干擾強烈，森林生長受到嚴重干擾和限制。與2004年不同的是，長沙縣北部森林碳儲量分布較為均衡，森林碳儲量普遍增加，同時出現多極現象，表明2004～2009年期間森林長勢較好，碳儲量累積較多。距離長沙市區和湘江沿岸較遠的區域則森林碳儲量較大，反之則碳儲量較小。對比遙感影像，碳儲量與長沙市區及湘江的空間位置存在較強的相關性，距離越近碳儲量越小，主要是土地的開發利用導致的。
2.1.3 2014年森林碳儲量的空間分布及總量預測。2014年森林碳儲量分區的情況見表4。面積最大的為7級森林碳儲量分布區，該級碳儲量與平均碳儲量相近，各區面積由7區向兩側逐漸遞減，數據開始出現服從正態分布的趨勢，表明森林逐漸趨于自然狀態，森林資源的利用由單純的林木采伐轉向以保護為主，以發揮生態效益為主。2014年研究區森林碳儲量的總量預測值為1426868.66t，平均碳儲量為14.37t/hm2，相比2009年提升了3.9錢t/hm2。從2004～2014年，森林碳儲量提升速度逐漸加快，可能是兩方面原因產生的，一是森林資源保護卓有成效，在“兩型”社會建設和森林城市建設背景下，長沙縣加強了森林資源的保護，森林生長良好，從而大量固定碳;二是人工林處于快速生長時期，該階段加強了森林的經營管理，從而累積大量營養物質，實現碳的大量固定。
2009～2014年長沙縣森林碳儲量得到了全面提升，森林碳儲量累積量迅速增加，在北部和東部均出現極化現象，且市區發展軸及周邊區域的森林碳儲量也有明顯提升，表明森林碳儲量的增加主要是加強了森林資源的保護產生的。長沙縣森林碳儲量增加速度最快的區域為北部，北部為用材林區域，樹種以馬尾松和杉木為主，林木生長迅速，碳儲量累積速度較快。中北部的森林碳儲量先迅速增加，后增加速度相對有所下降，主要是林分開始進入近熟林，對森林進行了撫育間伐，因此在短期內森林碳儲量增加速度相對減緩。綜上所述，人為干擾，不管是對森林生長有益還是有害，都會影響森林碳儲量的空間變化。
2.2森林碳儲量的動態變化分析
2004年～2014年長沙縣森林碳儲量呈不同程度的增長趨勢，2009年相比2004年增加284453.99t，漲幅37.95%;2014年相比2009年增加392809.515t，漲幅37.99%，2個階段森林碳儲量增加幅度相當，表明森林碳儲量自2004年起受干擾較為穩定，森林碳儲量呈穩步增長的過程。計算各期森林碳儲量相對前一期的空間分布變化（圖4、圖5），同時計算研究末期相對研究初期的森林碳儲量空間分布變化（圖6），利用自然斷裂法對碳儲量空間變化進行分類，以直觀表現森林碳儲量的變化。
根據圖4可知，2004～2009年森林碳儲量的空間總體變化情況為北部和中北部增加最快，南部增加最慢，森林碳儲量變化的分層現象明顯。森林碳儲量增加較快的區域主要以馬尾松和杉木為主，兩者均為用材林，生長迅速，森林碳儲量增加速度較快。森林碳儲量增加較慢的區域主要位長沙市區發展軸及周邊區域，主要受城市發展建設和農業生產的影響。
由圖5可知，2009～2014年長沙縣森林碳儲量空間變化主要特征為增加和減少并存，主要分布在長沙縣中部和北部，增加和減少森林碳儲量最大的區域相互交錯，表明對森林進行了具有針對性的不同類型的經營管理措施。調查表明，期間對長沙縣中北部區域的森林進行了撫育間伐以及部分采伐更新，導致森林碳儲量有所降低。長沙縣北部和中南部的森林碳儲量穩步上升，北部森林主要是進入快速生長時期而大量積累碳儲量，而中南部則是加強了森林資源的保護和生態修復，森林碳儲量逐漸緩慢地增加。
2004～2014年長沙縣森林碳儲量空間變化主要特征為北部增長最為迅速，其他區域均有一定程度的增加，但增加速度較慢。北部偏遠地區因為干擾較少，森林碳儲量得到較大累積，中部則因為城市森林建設和區域生態修復、撫育間伐、采伐更新等產生了森林碳儲量的變化。從空間上看，森林碳儲量的變化有明顯的分層現象，對比長沙縣的地形地貌，森林碳儲量的變化與地形地貌存在一定的相關性，地形起伏較大的區域森林碳儲量增加較快，人為干擾相對較少，而森林碳儲量增加速度較慢的區域距離長沙市區較近，受城市擴張和生態環境保護的雙重影響，森林碳儲量變化較為復雜。
總體來看，2004～2014年長沙縣森林碳儲量處于增加趨勢，增加趨勢較為平穩，表明區域森林保護及生態修復取得了一定成效，森林的固碳水平逐漸提升，為提升區域生態安全提供了巨大助力。
3結論與討論
長沙縣森林碳儲量總體呈穩步增加趨勢，但森林碳儲量水平較低，受多種干擾的影響。2004年、2009年和2014年森林碳儲量總量分別為749605.16t、1034059.15t和1426868.66t，平均森林碳儲量分別為7.55t/hm2、10.42t/hm2和14.37t/hm2，相比全國平均的35～39t/hm2是較低的。2004～2009年、2009～2014年期間森林碳儲量的增長值分別為284453.99t和392809.51t，增長率分別為37.95%和37.99%，但森林碳儲量的變化情況有所不同，主要受市區發展擴張、農業生產、森林經營措施等多重因素干擾的共同影響。
森林碳儲量的空間分布具有明顯的地域特征，森林碳儲量總體分布趨勢是：北部森林碳儲量較大，中南部森林碳儲量較小，北部總體大于南部，森林碳儲量的變化明顯分層，到市區的距離并不能決定森林碳儲量的變化，森林經營管理措施同樣對森林碳儲量的變化影響巨大。
長沙縣的森林碳儲量變化情況較為復雜，主要反映在中北部地區。2004～2009年中部和北部森林碳儲量普遍快速增加，南部增加速度較慢;2009～2014年中北部森林碳儲量增加與減少并存，主要受森林經營管理的影響。2004～2014年研究區的碳儲量在絕大部分區域有所增加，其中北部增加量最大，城市發展軸線及周邊地區、森林采伐更新及撫育間伐地區森林碳儲量相對增長較慢，城市發展和森林經營管理對森林碳儲量的變化起決定性作用，可通過協調城市的發展和采取合理的森林經營管理措施調節控制森林碳儲量的變化。
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