長株潭城市群植被碳貯量與碳密度研究

陳振雄，何 華

(1.國家林業局中南林業調查規劃設計院，長沙 410014； 2.湖南工程職業技術學院，長沙 410002)

長株潭城市群植被碳貯量與碳密度研究

陳振雄1，何 華2

(1.國家林業局中南林業調查規劃設計院，長沙 410014； 2.湖南工程職業技術學院，長沙 410002)

利用湖南2014年森林資源清查樣地資料，采用系統抽樣理論，綜合運用回歸模型方法對長株潭地區綠地植被(喬、灌、草)碳貯量與碳密度進行了研究，為建立碳匯計量監測體系提供可靠數據，以期為科學評價區域植被在碳平衡中的作用提供依據。研究結果表明：長株潭地區植被總碳貯量為47.31 Tg(1Tg=1012g)，森林植被碳貯量為39.22 Tg，占植被總量的89.73%，其中喬木層碳貯量占71.7%、灌木層碳貯量占22.8%、草本層碳貯量占5.5%；植被平均碳密度為16.9 t /hm2，森林植被平均碳密度為29.53 t/hm2；自然地理因子與植被碳密度具有明顯相關性。

碳貯量；碳密度；森林資源清查；長株潭城市群

陸地植被是地球生態系統的主體，植物通過光合作用形成碳水化合物將大氣中的CO2固定在陸地生態系統中。陸地植被碳庫存量是陸地生態系統碳循環的主要組成部分，對維持區域乃至全球碳循環平衡和人類可持續發展都具有極其重要的作用。城市是人類生產經營活動最為集中的區域，研究表明人為二氧化碳排放的97%來自于城市地區[1]。隨著我國城鎮化進程的加速發展，城市地區工業、汽車等二氧化碳的排放量逐年上升，城市中的綠地植被可以通過光合作用吸收大氣中的二氧化碳，并把多余的碳轉化為生物量，從而在調節氣候變暖，減緩大氣二氧化碳濃度增加的過程中發揮著至關重要的作用。因此，對城市植被(喬木、灌木、草本)碳貯量的定量估算研究對于了解城市綠地植被在碳循環中的作用具有十分重要意義。

目前，開展城市植被碳貯量與碳密度研究越來越受到國內外學者的重視，葛之葳等[2]對徐州市城市建成區綠地喬木層碳貯量進行了分析；姚正陽[1]以西安市城市綠地為研究對象，采用地面調查資料與遙感影像相結合的方式，對西安城市綠地灌木林碳貯量變化進行估測；黃博[3]通過高空間分辨率Quick Bird數據，建立了胸徑大于5 cm的喬木林地上生物量估測模型，并用灌叢平均碳密度來估算義烏市綠地碳貯量。但城市植被碳貯量研究主要集中于對森林植被，或僅限于單一對喬木、灌木的估算，對森林林下植被、草本植被考慮不夠，全面系統研究植被喬、灌、草的不多見。

長株潭作為我國中部地區重要的城市群之一，目前未見針對該區域碳貯量與碳密度的相關報道。鑒于陸地植被喬、灌、草均是城市生態系統的重要組成部分，因此本文在探討估算植被碳貯量時，將喬木、灌木與草本一并納入考慮。以2014年獲取的湖南省森林資源清查樣地數據為基礎，采用系統抽樣原理，應用回歸模型法、平均數法估算了長株潭地區植被(喬、灌、草)碳貯量與碳密度，以期為建立完善的碳匯計量監測體系，科學評價該區域植被在碳平衡中的作用，同時也為制定綠色發展規劃、林業方針政策和環境保護措施等提供科學依據。

1 研究區概況

長株潭城市群位于湖南省中東部，包括長沙、株洲、湘潭三市國土范圍，總面積2.8萬km2，占湖南全省面積的13.3%。長株潭城市群是湖南省經濟發展與城市化的核心區域，2007年獲批為全國資源節約型和環境友好型社會建設綜合配套改革試驗區。2015年長株潭地區生產總值12 548.3億元[4]，占全省43.2%。

長株潭地處典型的低矮丘陵區，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，氣候溫和，年均氣溫在15～19 ℃之間，雨水充沛，年均降水在1300～1600 mm之間，土壤主要為水稻土和紅壤。區域森林具有十分明顯的常綠闊葉林地帶植被特征，植物群落多達110種以上，森林植被具有明顯的復層結構(喬—灌—草)，喬木樹種主要有樟樹、楓香、杜英、青岡櫟、馬尾松、杉木，灌木主要有油茶、烏飯、杜鵑、楊桐、山胡椒，草本主要有淡葉竹、海金沙、鱗毛橛、五節芒、野菊花等。

2 數據來源

研究數據來源于湖南2014年森林資源清查樣地資料。長株潭地區按4 km×8 km間距系統機械布設666.67 m2的方形樣地875個，長沙市布設樣地370個，株州市布設樣地347，湘潭市布設樣地158個，如圖1。對每一個樣地，調查自然立地狀況，記載喬木郁閉度、優勢樹種、平均胸徑與平無樹高，對樣地中所有5 cm以上喬木林、竹林進行每木檢尺量測胸徑，并調查樣地中灌木、草本(含農作物、藤本)平均蓋度與平均高度值等。

3 研究方法

計算的植被包括生長在陸地上的喬木、灌木、草本(含農作物、藤本)及林下植被。植被的碳貯量、碳密度包括地上和地下部分，每個樣地的碳貯量為喬木層碳貯量+灌木層碳貯量+草本層碳貯量。

3.1 喬木層碳貯量計算方法

3.1.1 喬木林碳貯量計算方法

利用森林資源清查樣地中喬木林優勢樹種、蓄積量數據,用材積源生物量法計算喬木層生物量。對于喬木幼林、四旁樹等類型樣地中胸徑不足5 cm的喬木林，依據調查的平均胸徑、平均樹高、林木株數等，用相應樹種的立木材積方程計算該部分喬木蓄積。喬木層生物量估算引用方精云等[5]、曾偉生[6]提出的不同森林類型生物量與蓄積量轉換關系模型來計算。喬木碳貯量與生物量之間的轉換系數統一采用國際上常用的0.5進行換算。喬木林生物量與蓄積量轉換關系回歸模型結構如下：

B=aV+b

(1)

式中：B為每公頃生物量，V為每公頃蓄積量，a和b為模型參數。參數a和b的具體數值參考表1。

表1 長株潭地區主要喬木優勢樹種生物量與蓄積量轉換模型參數表優勢樹種參數ab馬尾松、國外松、濕地松0.51011.0451杉木0.399922.541柳杉0.415841.3318櫟類1.14538.5473樟木、榆樹、木荷、楓香0.79750.4204硬闊、雜木0.75648.3103楊樹、軟闊0.475430.6034針葉混0.589424.5151闊葉混0.83929.4157針闊混0.714316.9654

3.1.2 竹林碳貯量計算方法

根據樣地調查等到的每株毛竹胸徑，計算單株竹林生物量，匯總得到樣地毛竹林總生物量。單株竹子總生物量采用公式[7]：W=0.768 3D1.411 7(R2=0.901 1)，式中D為毛竹胸徑。毛竹林碳貯量與生物量之間的轉換系數統一采用0.484[8]進行計算。

3.2 灌木層、草本層碳貯量計算方法

分別選取具有代表性的2 m×2 m灌木和草本樣方35個，調查樣方優勢灌木、草本名稱，記錄灌木總蓋度、草本總蓋度、平均高度、冠幅和株(叢)數等因子。并在樣方地內選擇3～5株(叢)標準灌木(草)，將其干、枝、葉和根全部取出稱其鮮質量，隨后進行烘干測定其含水率，得到干物質質量，從而得到樣方的生物量。分別采用0.5和0.45作為灌木和草本碳貯量與生物量之間的轉換系數，換算得到其單位面積碳密度。最后分別建立以總蓋度和平均高度為自變量的灌木、草本單位面積碳密度回歸模型，根據回歸模型計算樣地的灌木、草本碳貯量。

3.3 碳貯量統計方法

1)樣本平均數：

(2)

式中，Vij為第i類型第j個樣地碳貯量。

2)樣本方差：

(3)

(4)

3)總體總量估計值：

(5)

4) 總體總量估計值的誤差限：

(6)

5)抽樣精度：

(7)

4 結果與分析

4.1 長株潭植被碳貯量與碳密度

長株潭植被總碳貯量為47.31 Tg(1Tg=1012g)，估算精度達93.2%。按植被垂直空間來分，喬木層32.75 Tg、灌木層10.16 Tg、草本層4.40 Tg，分別占69.23%，21.47%和9.30%。長株潭植被平均碳密度為16.90 t/hm2，喬木層平均碳密度為11.70 t/hm2，灌木層平均碳密度為3.63 t/hm2，草本層平均碳密度為1.57 t/hm2,詳見表2。

表2 長株潭綠地植被總碳貯量、碳密度一覽表植被類型碳貯量/Tg比例抽樣精度/%碳密度(t/hm2)喬木32.7569.2391.511.7灌木10.1621.4789.43.63草本4.49.394.11.57合計47.3110093.216.9

4.2 長株潭森林植被碳貯量與碳密度

長株潭森林植被總碳貯量為39.22 Tg，占植被總碳貯量的89.73%。森林植被中，闊葉混交林碳貯量最多,為9.82 Tg；櫟類最低，為0.95 Tg。森林植被中，喬木層碳貯量為28.11 Tg、灌木層碳貯量為8.95 Tg、草本層碳貯量為2.16 Tg，分別占森林植被碳貯量的71.7%，22.8%和5.5%。進一步分析喬木林(含竹林)(表1前8項優勢樹種)、灌木林垂直空間碳貯量分布情況，喬木林林下灌木和草本層碳貯量分別占其總量的18.72%和5.09%，灌木林林上散生喬木和林下草本碳貯量用別占其總量的27.34%和9.11%。

森林植被平均碳密度為29.53 t/hm2，喬木層平均碳密度為21.16 t/hm2，灌木層平均碳密度為6.73 t/hm2，草本層平均碳密度為1.63 t/hm2。櫟類碳密度最高為59.28 t/hm2，灌木林碳密度最低為20.16 t/hm2。詳見表3。

表3 長株潭不同森林植被碳貯量、碳密度表樹種組碳貯量/Tg碳密度/(t/hm2)合計喬木層灌木層草本層合計喬木層灌木層草本層松樹2.381.430.830.1223.9914.438.381.18杉樹6.644.831.230.5928.0620.385.182.50櫟類0.950.870.060.0259.2854.393.561.34針葉混2.011.670.220.1233.0427.393.622.03闊葉混9.827.611.860.3535.2627.336.681.25針闊混8.086.261.460.3631.9724.775.771.43其它闊葉樹1.150.780.280.0720.9614.375.221.37竹林4.133.550.430.1632.326.783.331.24灌木林4.061.112.580.3720.165.5112.821.83小計39.2228.118.952.1629.5321.166.731.63

4.3 自然地理因子與植被碳密度相關性分析

為分析自然地理因子與長株潭森林植被碳密度的相關性，選取樣地調查獲取的海拔、坡度、坡向與總植被碳密度、喬木層碳密度、灌木層碳密度、草本層碳密度進行相關性分析，分析的結果見表4。結果表明長株潭地區植被碳密度與海拔、坡度、坡向具有顯著相關性(0.01水平)，海拔高(山高)、坡度大，森林植被受人為活動干擾少，植被碳密度高。

以海拔(HP)、坡度(PD)、坡向(PX)為自變量，利用線性回歸方程建立了長株潭地區植被碳密度回歸模型(見表5)。擬合方程中以總植被碳密度擬合方程最優，復相關系數達0.72，為以后基于森林資源清查樣地數據快速估算區域森林植被碳貯量提供了新途徑。

表4 自然地理因子與森林植被碳密度的相關性系數一覽表碳密度海拔坡向坡度總植被0.459**-0.463**0.658**喬木層0.419**-0.383**0.565**灌木層0.284**-0.357**0.469**草本層-0.103**0.101** **表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。

表5 植被碳密度與自然地理因子線性回歸擬合結果碳密度/(t/hm2)方程復相關系數F檢驗Sig.植被總W=0.010HP+0.783PD+0.487PX0.72724.20.00喬木層Wq=0.009HP+0.539PD+0.274PX0.59424.70.00灌木層Wg=0.001HP+0.206PD+0.058PX0.43220.60.00草本層Wh=0.036PD+0.153PX0.52468.30.00

5 結論與討論

本研究利用森林資源清查樣地資料，對長株潭植被(喬、灌、草)的碳貯量與碳密度進行了估算，分析了植被碳密度與自然地理因子的相關關系，得出如下結論：

1) 長株潭植被總碳貯量為47.31 Tg，其中森林植被碳貯量為39.22 Tg，占89.73%，說明森林植被是碳貯量的主體；森林植被中，林下植被碳貯量所占比例達28.3%，說明林下植被在生態系統中的作用不容忽視，在估算植被碳貯量與碳密度時，應一并納入考慮，才能確保結果的客觀準確性。

2) 長株潭植被平均碳密度為16.90 t/hm2，森林植被平均碳密度為29.53 t/hm2。長株潭喬木林(不含林下植被)平均碳密度為23.97 t/hm2，低于湖南平均水平[8](29.16 t/hm2),更遠低于全國平均水平(42.82 t/hm2)。因此，切實保護長株潭的森林，提高林分質量，使森林植被碳密度增加，將大大提高森林的固碳能力。

3) 植被碳密度與海拔(HP)、坡度(PD)、坡向(PX)具有顯著相關性(0.01水平)，建立總植被碳密度與上述因子回歸方程復相關系數達0.72，為以后基于森林資源清查樣地數據快速估算區域森林植被碳貯量提供了新途徑。

由于缺乏湖南省不同樹種蓄積量與生物量的轉換模型及碳系數，本文采用全國相關的專題研究文獻資料，勢必會對估算的結果準確性產生影響。另外，森林資源清查是一種系統抽樣調查，得到的估算結果具有一定的可靠性，但不能很好的反映其植被碳密度空間分布特征，有待于做進一步研究。

[1] 姚正陽.西安城市綠地地上碳貯量估算研究[D].楊凌：西北農林科技大學,2015.

[2] 葛之葳,周丹燕,郝雨杉,等.徐州城市綠地喬木層碳貯量現狀分析[J].林業科技開發, 2013,27(6)：30-34.

[3] 黃博.義烏市市區綠好碳貯量遙感估算研究[D].杭州：浙江農林大學,2012.

[4] 湖南省統計局.湖南省2015年國民經濟和社會發展統計公報[R].長沙：湖南省統計局,2016.

[5]方精云,劉國華,徐高齡.我國森林植被的生物量和凈生產量[J].生態學報,1996,16(5);497-508.

[6]曾偉生. 云南省森林生物量與生產力研究[J].中南林業調查規劃,2005,24(4)：1-4.

[7] 孫天任.水竹(Phyllostachysheteroclada)人工林生物量結構研究[J].植物生態學與地植物學報,1986,10(3):190-198.

[8] 李?？?雷淵才,曾偉生.基于森林清查資料的中國森林植被碳儲量[J].林業科學,2011,47(7):7-12.

StudyonVegetationCarbonStorageandCarbonDensityofChangsha-Zhuzhou-XiangtanUrbanAgglomeration

CHEN Zhenxiong1，HE Hua2

(1.Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration，Changsha 410014，Hunan, China； 2.Hunan Engineering Polytechnic, Changsha 410002, Hunan, China)

In order to provide reliable data for the measurement and monitoring system of carbon sink, and evaluate the role of vegetation in the carbon balance.In this paper, based on original data of Hunan forest continuous inventory in 2014, the vegetation carbon storage and carbon density of Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration were studied.The results showed that: the total vegetation carbon storage was 47.31 Tg, forest vegetation carbon storage was 39.22 Tg, account for 89.73%; In forest vegetation storage, the carbon storage of tree layer, shrub layer, herb layer account were 71.7% and 22.8% and 5.5% respectively; the average vegetation carbon density was 16.9 t/hm2, the average carbon density of forest vegetation was 29.53 t/hm2.Natural geographical factors and vegetation carbon density had a significant correlation.

carbon storage; carbon density; forest inventory;Changsha-Zhuzhou-Xiangtan urban agglomeration

2016 — 05 — 27

湖南省教育廳科學研究項目——長株潭城市群綠地碳儲量時空變化研究(14C0300)

陳振雄(1979-)， 男，湖南新邵人，高級工程師，主要研究方向是森林經理、林業調查、林業數表。

S 718.55+6

A

1003 — 6075(2016)02 — 0049 — 05

10.16166/j.cnki.cn43 — 1095.2016.02.011