伊 鋒

（山西省呂梁山國有林管理局，山西 臨汾 041000）

山西太岳山森林碳密度及空間分布格局研究

伊 鋒

（山西省呂梁山國有林管理局，山西 臨汾 041000）

森林植被是陸地生物圈的主體，森林碳儲量和碳密度的研究對森林碳匯及全球氣候變化都具有重要的理論和實踐意義。根據(jù)山西省太岳山2010，2015年2期森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)，采用TWINSPAN方法對太岳山135個有林樣地的森林植被進(jìn)行群系分類，并運用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法，對太岳山森林植被碳密度的變化進(jìn)行了動態(tài)分析，同時對太岳山森林碳密度的空間格局進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，太岳山森林植被可分為9個群系，9個群系的碳密度差距明顯，其中，遼東櫟+鵝耳櫪群系的碳密度最高，而刺槐群系的碳密度最低。2010—2015年太岳山森林碳密度顯著增加，5 a間碳密度增加了6.91 t/hm2，以1.38 t/（hm2·a）的速率增加。太岳山森林碳密度分布總體呈現(xiàn)西高東低的格局，碳密度隨著海拔的升高而升高，最低為6.17 t/hm2，最高為62.24 t/hm2；太岳山有林樣地以斜坡和陡坡為主，陡坡碳密度最高，緩坡碳密度最低；太岳山有林樣地以上、中2個坡位為主，平地碳密度最高，中坡位碳密度最低；太岳山有林樣地主要集中在半陰坡和陽坡，碳密度以陰坡最高，以陽坡最少。

太岳山；碳儲量；碳密度；空間分布格局

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在區(qū)域碳循環(huán)和全球碳循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用[1-3]。國外關(guān)于森林生物量、碳儲量和碳密度的研究較早，主要集中在全球或國家大尺度上[4-5]。國內(nèi)研究多結(jié)合森林資源連續(xù)清查資料，對國內(nèi)或省級尺度的生物量和碳儲量進(jìn)行估算[6-8]。近年來，關(guān)于不同區(qū)域、不同植被類型森林生物量、碳儲量和碳密度的研究也逐漸增多[9-11]。本研究基于太岳山國有林管理局2010年（八期）和2015年（九期）2期森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)，通過將太岳山135個有林樣地利用TWINSPAN方法進(jìn)行分類，再利用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法對太岳山各群系的森林生物量、碳儲量和碳密度進(jìn)行動態(tài)分析，分析了各群系不同齡組碳儲量和碳密度的現(xiàn)狀，并研究了太岳山森林碳儲量和碳密度的空間分布格局，為山西省森林植被的碳匯研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在一定程度上反映了山西太岳山森林的固碳潛力，也為太岳山的森林經(jīng)營和結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了科學(xué)的參考依據(jù)。

1 研究地區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

太岳林區(qū)是山西九大林區(qū)之一，地理坐標(biāo)為北緯 36°20′～37°15′，東經(jīng) 111°40′～112°40′，南北長約150 km，東西寬60余km，最高海拔2 566.6 m。該區(qū)屬于暖溫帶的大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷晴燥，年均氣溫在4～8℃，而年均降水量則在550～670 mm，7—9月份降水量占全年的65%以上，相對濕度60%～65%，年均日照2 500～2 700 h，無霜期120～200 d[12-14]。研究區(qū)的地帶性土壤為褐土，優(yōu)勢樹種有遼東櫟（Quercus wutaishansea Mary）、油松（Pinus tabuliformis Carrière）、鵝耳櫪（Carpinus turczaninowii Hance）、楓樹（Acer）、白樺（Betula platyphylla Suk.）、山楊（Populus davidiana）、白皮松（Pinus bungeana Zucc.Ex Endl.）、華北落葉松（Larix principis-rupprechtii Mayr）、刺槐（Robinia pseudoacacia L.）等。

1.2 數(shù)據(jù)來源及生物量、碳密度估算方法

利用2010，2015年2期山西省太岳山國有林管理局森林資源連續(xù)清查資料，樣地為每隔4 km隨機(jī)選取的667 m2的正方形面積，喬木的起測徑階為5 cm[15]。本研究從山西省太岳山國有林管理局24個林場和3個保護(hù)區(qū)的246個樣地中，選取2期共有的有林樣地135個，可利用的連清數(shù)據(jù)主要包括每木檢尺記錄表中樹種、胸徑、平均樹高等數(shù)據(jù)和樣地因子調(diào)查記錄表中的海拔、坡度、坡位、坡向等環(huán)境因子。

山西太岳山森林生物量的估算采用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法[16]，其森林生物量估計回歸方程如下。

式中，B表示單位面積生物量（t/hm2）；V表示單位面積蓄積量（m3/hm2），其值為各樣地單株材積之和，單株樹木的材積依據(jù)其胸徑值通過《山西省林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編》中的立木一元材積表查得；a，b為常數(shù)，本研究所需的樹種或樹種組參數(shù)直接參照劉國華等[17]的標(biāo)準(zhǔn)。森林碳儲量和森林生物量的換算公式如下。

式中，C為森林植被碳儲量（t）；W為森林植被生物量（t）；Wc為森林植被生物中碳的轉(zhuǎn)化率。國際上根據(jù)不同植被類型采用的含碳率大多為0.44～0.53，本研究采用國際上常用的喬木含碳率轉(zhuǎn)換系數(shù)0.5[18]。碳密度的單位為t/hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 太岳山森林植被TWINSPAN分類結(jié)果

利用太岳山36×135（物種×樣地）的重要值矩陣，采用TWINSPAN方法將太岳山135個有林樣地的森林植被分為9個群系，分別是：（1）白皮松＋側(cè)柏群系；（2）油松群系；（3）遼東櫟＋油松群系；（4）遼東櫟群系；（5）遼東櫟＋鵝耳櫪群系；（6）遼東櫟＋楓樹群系；（7）白樺＋遼東櫟＋山楊群系；（8）白樺＋華北落葉松群系；（9）刺槐群系。其中，遼東櫟+鵝耳櫪群系的碳密度最高，為71.33 t/hm2，刺槐群系最低，為2.6 t/hm2。各群系2010—2015年碳密度均有所增加，其中，白樺+華北落葉松群系的增長率最高，為2.56 t/（hm2·a）；白皮松+側(cè)柏群系增長率最低，為0.44 t/（hm2·a）。

2.2 太岳山森林植被生物量、碳儲量和碳密度分析

太岳山森林植被總生物量在2010，2015年分別為601.7萬，713.4萬t，平均生物量分別為74.43，88.26 t/hm2。森林碳儲量分別是300.8萬，356.7萬t，碳密度分別為37.22，44.13 t/hm2。5 a間碳密度增加了6.91 t/hm2，以1.38 t/（hm2·a）的速率增加。各群系2010—2015年碳密度均有所增加，2015年各群系的碳密度介于2.6～71.33 t/hm2。

2.3 太岳山各森林群系不同齡級的碳儲量和碳密度分析

表1 135個樣地各群系不同齡級的分布 個

由表1可知，太岳山135個固定有林樣地中包括幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林，沒有過熟林。其中，以中齡林和近熟林為主，近熟林最多，為49個，中齡林43個，幼齡林22個，成熟林最少（21個）。群系（9）只有中齡林，群系（5）只有中齡林和成熟林，群系（1）只有幼齡林和中齡林，而群系（4）沒有成熟林。

太岳山9個群系各齡級間碳儲量和碳密度相差較大。從表2可以看出，太岳山森林碳儲量以中齡林和近熟林為主，占總森林碳儲量的73.6%，其中，近熟林碳儲量最多，為151.1萬t；幼齡林碳儲量最少，為31.2萬t。各群系不同齡林的碳儲量中，以遼東櫟群系（群系（4））的近熟林碳儲量最高，為66.1萬t，其次為油松群系（群系（2））的中齡林碳儲量26.8萬t和遼東櫟+鵝耳櫪群系（群系（5））的中齡林碳儲量25.4萬t。從幼齡林—中齡林—近熟林—成熟林，大部分群系碳密度呈上升趨勢，其中，白樺+遼東櫟+山楊群系（群系（7））的近熟林碳密度最高，為75.96 t/hm2；其次為群系（7）的成熟林，碳密度為74.75 t/hm2；刺槐群系（群系（9））的中齡林碳密度最低，為2.59 t/hm2。

表2 2015年各群系不同齡級的碳儲量和碳密度比較

2.4 太岳山森林碳儲量空間格局分析

太岳山森林碳密度分布總體呈現(xiàn)西高東低的格局，其中以太岳山西南端的大南坪林場經(jīng)營區(qū)森林碳密度最高，為72.34 t/hm2；以太岳山東南端的馬西林場經(jīng)營區(qū)森林碳密度最低，為25.72 t/hm2。研究區(qū)森林碳儲量和碳密度的空間分布格局受海拔、坡度、坡向、坡位等多種環(huán)境因子的影響。

2.4.1 海拔梯度分布 本研究區(qū)的海拔梯度介于1 000～2 200 m，每200 m一個梯度，把太岳山分為6 個海拔梯度，分別是：1 000～1 200，1 200～1 400，1 400～1 600，1 600～1 800，1 800～2 000，2 000～2 200 m。太岳山的135個有林樣地集中在1 200～2 000 m的海拔，其中，介于1 200～1 400 m海拔的樣地最多，為48個，占有林樣地的35.56%。太岳山的碳儲量主要集中在海拔1 200～2 000 m，其中以海拔1 200～1 400 m最高，為102.7萬t。碳密度隨著海拔的升高而升高，碳密度的最小值出現(xiàn)在1 000～1 200 m的海拔梯度，為33.83 t/hm2，最大值出現(xiàn)在2 000～2 200 m，為62.24 t/hm2。究其原因可能是因為隨著海拔的升高人為干擾因素少，而且隨著海拔的升高闊葉混交林居多，且大多以中齡林和近熟林為主。

2.4.2 坡度梯度分布 本研究區(qū)的坡度介于0～45°，坡度分為5個等級：平坡、緩坡、斜坡、陡坡、急坡，不存在險坡。太岳山135個有林樣地中，斜坡和陡坡所占的樣地數(shù)最多，分別為48，53個，共占有林樣地的74.8%。碳儲量也是斜坡和陡坡最多，分別為116.5萬，152.6萬t。碳密度從高到低分別為陡坡、急坡、平坡、斜坡、緩坡。陡坡碳密度最高，為48.09 t/hm2，緩坡碳密度最低，為40.25 t/hm2。通過比較可知，坡度對碳密度影響不大，陡坡碳密度高的原因可能是人為干擾少，闊葉混交林較多，林分密度大。

2.4.3 坡位梯度分布 本研究區(qū)的坡位分為6種：脊、上、中、下、谷、平地。太岳山135個有林樣地主要集中在上、中2個坡位，都為47個，共占有林樣地的70%。碳儲量也以上、中2個坡位為主，分別為125.7萬，113.3萬t。各坡位碳密度的排序從大到下依次是：平地（60.6 t/hm2）＞脊（55.64 t/hm2）＞谷（53.7 t/hm2）＞下（45.4 t/hm2）＞上（44.66 t/hm2）＞中（40.24 t/hm2）。平地碳密度高的原因是因為平地有利于水源涵養(yǎng)和水土保持，該樣地為闊葉混交林，齡組為近熟林。但受采集條件限制，該坡位只有一個樣地。

2.4.4 坡向梯度分布 本研究區(qū)的坡向分為5類：陰坡、半陰坡、陽坡、半陽坡、無坡向。太岳山135個有林樣地主要集中在半陰坡和陽坡，分別為54，44個，共占有林樣地的72.6%。碳儲量也以半陰坡和陽坡為主，分別為143.9萬，104.9萬t。碳密度以陰坡最高，為51.77t/hm2，以陽坡最少，為39.82t/hm2。究其原因可能是北方氣候干燥，陰坡水分蒸發(fā)較少，比陽坡更有利于水分的保持。

3 討論

太岳山林區(qū)地處黃土高原-川滇生態(tài)屏障的核心區(qū)域，是我國山西省中南部甚至是整個華北地區(qū)在保證生態(tài)安全過程當(dāng)中一個非常重要的屏障，這一地區(qū)擁有著我國當(dāng)前保存最為完好的油松和遼東櫟天然林，具有重要的研究意義和保護(hù)價值。本試驗研究了山西太岳山的碳儲量及空間分布格局，與以往研究不同之處在于：本研究將太岳山森林植被利用TWINSPAN方法進(jìn)行分類，對太岳山各群系的森林生物量、碳儲量和碳密度進(jìn)行了動態(tài)分析，同時列出了各群系不同齡組碳儲量和碳密度的現(xiàn)狀，并研究了太岳山森林碳儲量的空間分布格局。而之前學(xué)者關(guān)于太岳山森林碳儲量的研究對象多為太岳林區(qū)的一塊區(qū)域或1種植被類型，也沒有將森林植被進(jìn)行群系分類。本研究將太岳山森林植被進(jìn)行群系分類，再對各群系的森林生物量、碳儲量和碳密度進(jìn)行動態(tài)分析，同時在研究的過程中也列出了太岳山各群系不同齡組的碳儲量以及碳密度現(xiàn)狀，同時對太岳山碳儲量和碳密度的空間分布格局也進(jìn)行了分析。這些研究在一定程度上反映了山西太岳山的森林植被結(jié)構(gòu)和固碳潛力，為太岳山的森林經(jīng)營和結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了參考依據(jù)，也為山西省林業(yè)可持續(xù)發(fā)展及碳匯功能評價提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

綜上所述，要提高太岳山的森林碳儲量和碳密度，森林撫育管理應(yīng)以海拔1 200～2 000 m、坡度16°～35°的陰坡為主，同時在管護(hù)較好、人為干擾少的平地和谷等坡位可大面積育林。遼東櫟材積大、分布較廣，撫育管理時應(yīng)以混交林為主，不宜純林。在中低海拔區(qū)，以遼東櫟+油松混交林為主，而在中高海拔，以遼東櫟+白樺+山楊混交林為主，中間可大面積培育遼東櫟+楓樹混交林和遼東櫟+鵝耳櫪混交林。在立地條件惡劣的低海拔山區(qū)，可考慮以白皮松+側(cè)柏混交林為主。

［1］方精云，陳安平，趙淑清，等.中國森林生物量的估算：對Fang等 Science一文（Science，2001，291：2320-2322）的若干說明[J].植物生態(tài)學(xué)報，2002，26（2）：243-249.

［2］方精云，劉國華，徐嵩齡.我國森林植被的生物量和凈生產(chǎn)量[J].生態(tài)學(xué)報，1996，16（5）：497-508.

［3］ BONAN G B.Forests and climate change:forcings，feedbacks，and the climate benefits offorests[J].Science，2008，320：1444-1449.

［4］KRANKINE O N，DIXON R K.Forest management option to conserve and sequester terrestrial carbon in the Russian Federation[J].World Resources Review，1994，6（1）：88-101.

［5］RENNIE P J.The uptake of nutrients by mature forest growth[J].Plant and Soil，1955，7：49-95.

［6］方精云，郭兆迪，樸世龍，等.1981—2000年中國陸地植被碳匯的估算[J].中國科學(xué)（D輯：地球科學(xué)），2007（6）：804-812.

［7］ZHAO M，ZHOU G S.Carbon storage of forest vegetation in China and its relationship with climatic factors[J].Climatic Change，2006，74：175-189.

［8］李?？诇Y才.中國森林植被生物量和碳儲量評估[M].北京：中國林業(yè)出版社，2010.

［9］趙娣，謝世友.基于GIS的森林植被碳儲量、碳密度分布：以酉陽土家族苗族自治縣為例 [J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（3）：553-557.

［10］任毅華，蔡靖，袁杰，等.秦嶺火地塘林區(qū)3種森林類型喬木層碳密度和碳儲量研究[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，44（9）：73-77.

［11］劉延男，聶永雄，周梓富，等.土貢優(yōu)良種源馬尾松生物量及生產(chǎn)力研究[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（10）：1247-1251.

［12］王希群，王治明，王占勤，等.山西省太岳山森林的保護(hù)價值分析[J].林業(yè)資源管理，2012（4）：29-32.

［13］烏吉斯古楞.太岳山森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評價研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2012.

［14］張金屯.山西太岳山植被地理 [J].山西大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1988（1）：83-90.

［15］盧景龍，梁守倫，劉菊.山西省森林植被生物量和碳儲量估算研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2012，28（31）：51-56.

［16］王軍才，劉濟(jì)明，閆國華，等.喀斯特森林優(yōu)勢樹種羅傘生物量研究[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，44（4）：125-130.

［17］劉國華，傅伯杰，方精云.中國森林碳動態(tài)及其對全球碳平衡的貢獻(xiàn)[J].生態(tài)學(xué)報，2000，20（5）：733-740.

［18］付達(dá)夫，宋慶安，李典軍.西藏墨脫縣森林植被生物量與碳儲量分析[J].湖南林業(yè)科技，2015，42（4）：68-72．

Study on Forest Carbon Density and Spatial Distribution Pattern of Taiyue Mountain in Shanxi Province

YI Feng
（The State-owned Forest Administration in LüliangMountain ofShanxi Province，Linfen 041000，China）

Forest vegetation is the main body of the terrestrial biosphere,the research of carbon reserve and carbon density has important theoretical and practical significance for forest carbon sinks and global climate change.Based on the data from the continues forest inventory in 2010 and 2015,the forest vegetation of Taiyue Mountain in Shanxi province was classified using TWINSPAN method.The forest carbon density of Taiyue Mountain was analyzed by the variable biomass expansion factor function（BEFF）method.And the spatial pattern of forest carbon density in Taiyue Mountain was studied.The results showed that the forest vegetation of Taiyue Mountain was divided into nine formations,the carbon density of the nine formations was different.The carbon density of Form.Quercus wutaishanica＋Carpinus turczaninowii Hance was the highest,the minimum was Form.Robinia pseudoacacia L.The forest carbon density of Taiyue Mountain had a significant increase from 2010 to 2015.The carbon density increased by 6.91 t/hm2in five years，and the growth rate ofcarbon density was 1.38 t/（hm2·a）.The forest carbon density ofTaiyue Mountain appeared to west high east low.The carbon density of Taiyue Mountain as the altitude rose,the minimum was 6.17 t/hm2,the highest was 62.24 t/hm2.The forest land of Taiyue Mountain gave priority to with slope and steep,the carbon density of steep was the highest,the carbon density of gentle slope was the lowest.The carbon densityofTaiyue Mountain gave prioritytowith up,middle slope positions.The carbon densityofTaiyue Mountain was the highest in the plain and the lowest was in the middle slope.The forest land of Taiyue Mountain gave priority to with the half cloudyslope and sunnyslope,the cloudywas the highest and the sunnyslope was the least.

Taiyue mountain;carbon reserve;carbon density;spatial distribution pattern

S718.5

A

1002-2481（2017）11-1814-04

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.11.20

2017-07-18

伊 鋒（1991-），男，山西臨汾人，碩士，主要從事林業(yè)勘察設(shè)計工作。