大興安嶺天然落葉松林碳密度空間分布研究

孫云霞，劉兆剛*，董靈波

(東北林業(yè)大學 林學院，哈爾濱 150040)

摘要：采用大興安嶺地區(qū)盤古林場2011及2012年天然落葉松林實測碳儲量數據，分析林木各器官(樹干、樹枝、樹葉、樹根)及全樹的碳密度與海拔、郁閉度、坡位及林分密度的關系。基于空間克里格插值原理，利用ArcGIS空間分析軟件分別繪制該地區(qū)各器官及全樹的碳密度空間分布圖。結果表明：天然落葉松林各器官及全樹的碳密度與海拔、郁閉度和坡位都有密切的關系。各器官及全樹均在633~683m的海拔范圍內達到最大值；在0.4~0.5的郁閉度范圍內達到最大值；不同坡位上各器官及全樹碳密度按下坡、山谷、平地、上坡的順序而逐漸降低；在林分密度為3022~3521株/hm`2的范圍內，各器官及總量的碳密度達到最大值。利用空間克里格插值能夠很好的進行空間林木各器官碳密度分布的估算，樹干的碳密度變化范圍是5.99~46.33 t/hm`2，樹枝的碳密度變化范圍是0.31~2..92 t/hm`2，樹葉的碳密度變化范圍是0.27~0.78 t/hm`2，樹根的碳密度變化范圍是2.25~20.39 t/hm`2，全樹的碳密度變化范圍為6.43~60.40 t/hm`2。綜上所述，大興安嶺地區(qū)天然落葉松不同器官的碳密度變化范圍是不同的，而且其變化規(guī)律與林分因子之間的關系也不同。因此，應該分器官研究其碳密度變化規(guī)律。

關鍵詞：大興安嶺；天然落葉松林；碳密度；克里格插值；空間分布

中圖分類號：S 791.22

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2015)02-0019-08

Abstract：Using the measured data for carbon storage of natural Larch forest in 2011 and 2012，the research analyzed the relationships between the carbon density of individual tree components(stems，branches，foliage and roots)and total tree and altitude，canopy density，slope position，and forest stand density.The spatial analysis software of ArcGIS was used to draw the carbon density distribution map for the stem，branch，foliage，root and the total tree in this area based on the Kriging theory.The results showed that the carbon density for the tree components and total tree was closely related to the altitude，canopy density，and slope position.The carbon density of the components and the total amount reached the maximum value at the elevation of 633-683m and at the canopy density of 0.4-0.5，respectively.Meanwhile，the carbon density for the individual tree components and total decreased with the sequence of downslope，valley，plain，and upslope.The carbon density for the components and total amount got the maximum value at the density of 3022-3521 trees per hectare.The Kriging method performed well in the computation of spatial carbon density distribution for the natural Larch forest.The variation range for the carbon density of the stem was 5.99-46.33 t/hm`2.The variation range for the carbon density of the branch was 0.31-2.92 t/hm`2.The variation range for the carbon density of the foliage was 0.27-0.78 t/hm`2.The variation range for the carbon density of the root was 2.25-20.39 t/hm`2 and the variation range for the carbon density of the total tree was 6.43-60.40 t/hm`2.To sum up，the variation regularity of carbon density for the components of the natural Larch was not the same，and the relationship between carbon density of differnet organs and forest stand factors was not the same.As a result，the carbon density of the organs should be studied seperately.

Keywords：Great Xing’an mountain；natural Larch forest；carbon density；Kriging；spatial distribution

收稿日期：2014-12-26

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD22B0202；2011BAD37B02)

作者簡介：第一孫云霞，碩士研究生。研究方向：森林經理。

通訊作者：*劉兆剛，博士，教授。研究方向：森林經理。

Study on the Spatial Distribution of Carbon Density forNaturalLarchForest in Great Xing’an Mountain

Sun Yunxia，Liu Zhaogang*，Dong Lingbo

(School of Forestry，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

E-mail：lzg19700602@ 163.com

引文格式：孫云霞，劉兆剛，董靈波.大興安嶺天然落葉松林碳密度空間分布研究[J].森林工程，2015，31(2)：19-26.

碳循環(huán)是生物圈中重要的物質轉化方式，準確掌握生物圈中CO2的含量極其重要[1-2]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林生態(tài)系統(tǒng)在調節(jié)全球碳平衡及全球氣候具有不可替代的作用[3-5]。作為森林與大氣之間碳交換的基本參數，準確的估計森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量，并且掌握其空間分布特征有助于更好的理解碳循環(huán)的整個過程和在不同區(qū)域間“碳源”和“碳匯”的形式[6-7]。因此，研究森林碳儲量具有重要意義，而探索森林碳密度的空間分布則是基礎。

王效科于2001年利用我國38個優(yōu)勢樹種的森林蓄積量數據[8]，對我國森林生態(tài)系統(tǒng)的植被總碳儲量進行了估計，同時計算了總碳儲量在各個林分類型中的分配比例，得出中國森林生態(tài)系統(tǒng)植被總碳儲量是3 724.50 Tg。張亮等基于廣東省2007年森林資源清查數據[9]，采用材積源生物量法研究了廣東省森林植被碳儲量空間分布格局，廣東省森林植被碳儲量為246.35 Tg，碳密度為22.96 mg/hm2。N.Thevs等于2012年研究了東亞沙漠地區(qū)植被的碳儲量分布情況[10]，其中地上部分和地下部分的碳儲量分別為2.94×108、5.21×108t，截止目前為止，只剩余28%的碳儲量剩余。此外還有一些學者的研究都直接或間接的探索了森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量空間分布格局，對于了解整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳分布具有重要意義[11-13]。隨著電子計算機技術的高速發(fā)展，ArcGIS已經被廣泛應用于森林碳儲量的調查之中，而空間插值技術也被廣泛的應用。黃從德等利用我國森林資源清查資料的數據[14-15]，同時結合ArcGIS技術對我國四川地區(qū)森林植被碳儲量進行了深入探索。但存在的問題是，目前還沒有關于林木各個器官(樹干、樹枝、樹葉、樹根)及總量的碳密度的空間分布的相關研究出現，而對林木各個器官的碳密度與立地因子之間的關系及碳密度空間分布進行研究能夠為更加精確的掌握林木器官的碳密度的分布特征奠定基礎。

本文利用大興安嶺盤古林場東北部地區(qū)天然落葉松林樣地調查數據，結合盤古林場海拔、林分郁閉度、坡位及林分密度等立地因子，分別分析了天然落葉松林樹干、樹枝、樹葉、樹根及總量的碳密度的變化規(guī)律；基于ArcGIS平臺，采用空間克里格插值，繪制了該地區(qū)落葉松林各器官及總量的碳密度空間分布圖。對各器官碳密度的空間分布的差異進行分析，旨在為盤古林場的“碳匯”經營提供依據。

1數據收集與研究方法

1.1　研究地區(qū)概況

研究地區(qū)位于大興安嶺盤古林場東北部(如圖1的示)，林場位于北緯52°41′57.1″，東經123°51′56.5″。盤古地區(qū)的森林覆蓋率達到了88.86%，作業(yè)區(qū)面積為152.127 hm2。該地區(qū)為大陸性季風氣候，冬季寒冷，夏季溫暖干燥，降雨量較小。該地區(qū)年平均氣溫為-3℃，最高氣溫為36℃，最低氣溫為-53℃，相對濕度70%~75%。積雪期達5個月，林內雪深達30~50 cm。年均光照總時數為2 600 h。盤古林場的主要樹種有落葉松Larixgmelinii、樟子松Pinussylvestrisvar.mongolica、白樺Betulaplatyphylla、山楊Populusdavidiana、紅皮云杉Piceakoraiensis、魚鱗云杉Piceajezoensis等；灌木樹種有興安杜鵑Rhodendrondauricum、胡枝子Lespedezabicolor、紅瑞木Cornusalba和杜香Ledumpalustre等。

圖1　研究區(qū)域地形圖 Fig.1 Map of the study area

1.2　數據收集與整理

本研究所設置的天然落葉松林標準地分布在大興安嶺盤古林場東北部，設置標準地共30塊，其中2011年12塊，2012年18塊。每塊樣地均進行每木檢尺，測定樹高、胸徑及冠幅等林木因子。采用等斷面積徑級標準木法將樣地中的全部林木劃分成5個等級，每一個等級分別選取1株標準木作為解析木，總體上能夠代表該樣地的平均水平，本文共選取45株樣木進行樹干解析。對于每株解析木將從基部到樹梢按照1m段區(qū)分成若干段，不足1m的部分為梢頭。在每個1m段的下端截取圓盤，并從胸徑部位截取圓盤，對于所有圓盤都進行取樣；樹冠部分平均分成3層，從上層開始進行枝條解析，每一層分別選取1個枝條作為標準枝，同時進行枝葉分離，對于每一層的樹枝和樹葉都分別進行取樣；對于樹根部分，采用“全挖法”將樹根全部挖出，將樹根分成粗根(>5 cm)、中根(2~5 cm)和細根(<2 cm)，分3個部分進行取樣。所有樣品都記錄鮮重，并將所有樣品帶回實驗室，在105℃的條件下進行烘干并記錄干重。通過計算干重/鮮重進而推算樹干、樹枝、樹葉及樹根的生物量。所有樣品都利用C/N分析儀進行含碳率的測定。將所有解析木按照3∶1的比例分成建模數據和檢驗數據，建模和檢驗數據的因子統(tǒng)計情況詳見表1，盤古林場東北部天然落葉松林各項調查因子統(tǒng)計情況見表2。

表1　建模與檢驗數據統(tǒng)計表 Tab.1 Statistics of the data for fitting and validation

表2　盤古林場東北部落葉松林各調查因子統(tǒng)計表 Tab.2 Investigation of the factor of natural Larch forest in Northeast part of Pangu farm

1.3　研究方法

1.3.1盤古東北部落葉松不同器官碳密度推算

對于相容性模型及基礎模型[16-18]的研究，目前已經有很多成果[19-21]，這些研究解決了林木各器官含碳量與總量不相容的問題，對于準確掌握森林生態(tài)系統(tǒng)中林木不同器官的含碳量具有重要意義。依據相容性模型構建原理[22]，本文建立了大興安嶺盤古林場東北部天然落葉松樹干、樹枝、樹葉和樹根的一元相容性含碳量模型，模型以胸徑為自變量，利用模型推算林分的碳密度。

1.3.2各器官及全樹碳密度與立地因子的關系及空間分布

為進一步分析天然落葉松林各個器官及總量的碳密度與海拔、郁閉度、坡位和林分密度的關系，分別對海拔、郁閉度和林分密度進行分組處理，計算每一個組別的各個器官及總量的碳密度平均值，進而探索其變化規(guī)律。

依據各樣地天然落葉松林各器官及全樹碳密度的計算結果，基于ArcGIS軟件平臺，采用空間克里格(Kriging)插值，對天然落葉松各器官及全樹的碳密度在有限區(qū)域內對區(qū)域化變量進行無偏最優(yōu)估計?？臻g克里格(Kriging)插值的基本原理可以概括為：根據將要進行插值點與相鄰實測高程點的空間位置關系，對將要進行插值點的高程值進行線性無偏最有效的估計[23]。克里格插值總的公式表示為：

式中：Z(x0)為未知樣點的值；Z(xi)為未知樣點周圍的已知樣本點的值；N為已知樣本點的個數；λi為第i個樣本點的權重。

該方法有效的利用了空間位置關系的相關信息，進一步考慮了所有樣點與周圍點的關系，對各器官及全樹的碳密度的空間分布進行了估計。

2結果與分析

2.1　天然落葉松林各器官碳密度與立地因子的關系

2.1.1各器官碳密度與海拔的關系

在研究區(qū)域內，通過將海拔范圍進行等距離劃分，得到了落葉松林各器官及總量的碳密度與海拔的關系。樹枝、樹葉的碳密度與海拔的關系如圖2(a)所示，樹枝和樹葉的碳密度在433~533 m是下降的，在533~683 m都是上升的，而兩器官的碳密度都是在483~533 m達到最小值，分別為0.91、0.35 t/hm2。在433~533 m，相對于樹葉來說，樹枝的降幅較大；在533~633 m，樹枝、樹葉的碳密度都有小幅上升，而在633~683 m，上升的幅度較大，樹枝的上升幅度同樣大于樹葉，分別達到最大值2.14、0.61 t/hm2。

(a)

(b) 圖2　各器官碳密度與海拔的關系 Fig.2 Relationship between the carbon density of the organs and elevation

相對于樹枝、樹葉而言，樹干、樹根及總量的碳密度變化與海拔的關系較復雜如圖2(b)所示。總體上，在海拔范圍為433~583 m，樹干、樹根及總量先下降后上升，在483~533 m達到最小值；而在583~633 m，三者的碳密度基本保持在平穩(wěn)的狀態(tài)；在633~683 m出現了明顯的上升趨勢，而上升的幅度較大，其中樹干的上升幅度要明顯大于樹根。樹干、樹根及總量在整個海拔范圍的碳密度最小值為20.68、7.33、29.27 t/hm2，最大值為47.37、20.05、70.18 t/hm2?？傮w上看，各器官及總量的碳密度在483~533 m達到最小值，而在633~683 m達到最大值。

2.1.2各器官碳密度與郁閉度的關系

如圖3(a)所示，在郁閉度為0.3~0.4，樹枝、樹葉的碳密度處于上升階段，而在郁閉度為0.4時達到最大值，分別為1.81、0.52 t/hm2，其中樹枝的上升幅度大于樹葉；在0.4~0.6，樹枝、樹葉的碳密度明顯處于下降趨勢，在郁閉度為0.6時達到最小值，其中樹枝達到最小值0.91 t/hm2，樹葉達到最小值0.42 t/hm2；在0.6~0.8，二者又出現小幅的上升趨勢。

(a)

(b) 圖3　各器官碳密度與郁閉度的關系 Fig.3 Relationship between the carbon density of the organs and canopy density

由圖3(b)可知：樹干、樹根、總量的碳密度變化趨勢與樹枝、樹葉是相同的，即在0.3~0.4處于上升階段，在0.4~0.6處于下降階段，而在0.6~0.8處于上升階段?？傮w上，樹干、樹根及總量的碳密度的最大值為40.10、16.92、59.36 t/hm2，最小值為20.98、7.02、29.29 t/hm2。

2.1.3各器官碳密度與坡位的關系

由圖4(a)可知，在山谷樹葉的碳密度為0.41 t/hm2，從山谷到下坡的過程中，樹葉的碳密度處于上升趨勢，達到整個坡位范圍的最大值約為0.63 t/hm2；從下坡到上坡的過程中，碳密度處于下降趨勢，在上坡達到最小值為0.27 t/hm2左右。對于樹枝，其碳密度變化趨勢與樹葉是相同的，即在上坡達到最小值0.57 t/hm2，在下坡達到最大值0.80 t/hm2。

(a)

(b) 圖4　各器官碳密度與坡位的關系 Fig.4 Relationship between the carbon density of the organs and slope position

樹干、樹根及總量的碳密度變化與坡位的關系如圖4(b)所示，由山谷到上坡的范圍內，碳密度值出現先上升后下降的趨勢。樹干、樹根及總量均在上坡處達到最小值，分別為13.35、3.78、17.98 t/hm2，在下坡達到最小值，分別為36.32、13.82、52.57 t/hm2。

2.1.4各器官碳密度與林分密度的關系

各器官及總量的碳密度與林分密度的關系如圖5所示，在林分密度為522~3 022株/hm2，林分密度對樹枝、樹葉沒有明顯的影響，而在2 522~3 521株/hm2，樹枝、樹葉的碳密度大幅度上升，并在3 022~3 521株/hm2達到最大值，分別為2.62、1.06 t/hm2，如圖5(a)所示。對于樹干、樹根及總量如圖5(b)所示，其碳密度的變化規(guī)律與樹枝、樹葉相同。

(a)

(b) 圖5　各器官碳密度與林分密度的關系 Fig.5 Relationship between the carbon density of the organs and forest density

2.2　天然落葉松各器官及總量碳密度空間分布規(guī)律

基于空間克里格插值原理，利用ArcGIS軟件繪制了大興安嶺盤古林場東部地區(qū)天然落葉松林樹干、樹枝、樹葉、樹根及總量碳密度的空間分布圖，如圖6~圖10所示。

由圖6可知，研究區(qū)域內樹干碳密度值主要集中在22.28~34.46 t/hm2，分布于中部及北部地區(qū)；最大碳密度值分布區(qū)域較小，在整個研究區(qū)域內呈現斑塊分布，位于北部和東部區(qū)域；碳密度的最小值主要分布在北部和南部的部分區(qū)域，也呈現斑塊分布。整體上看，對于樹干而言西部地區(qū)的碳密度平均水平要略高于東部地區(qū)。

圖6　樹干碳密度分布圖 Fig.6 Distribution of carbon density of stems

樹枝的碳密度值主要集中在0.93~1.66 t/hm2，分布在中部及北部的大部分區(qū)域；最大碳密度值在研究區(qū)域內分布比較零散，主要集中在北部、南部及東部的小部分斑塊區(qū)域內，最小碳密度值主要分布在北部和東南小部分區(qū)域。與樹干碳密度分布類似，樹枝的碳密度值總體上呈現西高東低的趨勢(如圖7所示)。

圖7　樹枝碳密度分布圖 Fig.7 Distribution of carbon density of branches

由圖8可知，樹葉碳密度分布有明顯的層次，分布區(qū)域最廣的碳密度值范圍是0.37~0.43 t/hm2，主要集中在中部地區(qū)；碳密度最大值主要集中在南部，最小值主要集中在北部和南部的塊狀區(qū)域內。總體上看，在整個研究區(qū)域內樹葉碳密度從東北到西南地區(qū)有比較明顯的遞增趨勢。

圖8　樹葉碳密度分布圖 Fig.8 Distribution of carbon density of foliages

由圖9可知，樹根的碳密度值在整個區(qū)域內分布的比較零散，沒有一定的規(guī)律。分布區(qū)域較廣的碳密度值為8.94~11.92 t/hm2；碳密度最大值出現在東部、中部和北部地區(qū)，呈現斑塊分布，最小值出現在南部和北部地區(qū)，也呈現斑塊分布，但最大碳密度值和最小碳密度值的分布區(qū)域都比較小。

圖9　樹根碳密度分布圖 Fig.9 Distribution of carbon density of roots

與樹干、樹枝、樹葉、樹根及總量的碳密度分布不同，總量碳密度的最大值。在整個研究區(qū)域內出現的范圍比較廣，且分布最廣的碳密度范圍在31.87~43.22 t/hm2，主要集中在西南和東北地區(qū)(如圖10所示)?？傮w上，從西南到東北地區(qū)，全樹的碳密度呈現從大到小的分布趨勢。由于樹干和樹根占全樹的比例較大，所以其碳密度的分布規(guī)律決定了全樹碳密度的分布。

圖10　全樹碳密度分布圖 Fig.10 Distribution of carbon density of individual trees

3結論與討論

本文分別分析了大興安嶺地區(qū)盤古林場天然落葉松林樹干、樹枝、樹葉、樹根及總量的碳密度與海拔、林分郁閉度、坡位及林分密度的關系。由于本次研究中所有樣地的坡度均小于5°，因此沒有探討坡度對各器官及總量碳密度的影響。

總體上看，各器官及總量的碳密度在高海拔地區(qū)是比較大的，而在低海拔地區(qū)則比較小。對于樹干、樹枝和總量而言，高海拔地區(qū)的碳密度值要明顯高于低海拔地區(qū)，而樹葉和樹根則差異性沒有樹干和樹枝顯著。主要的可能原因是海拔直接影響空氣中二氧化碳的濃度、溫度和光照強度，這3個因素是決定是決定樹木進行光合作用的主要因素，而影響樹木光合作用是這3個因素的綜合作用的結果。在本研究中，海拔主要集中在433~683 m，隨著海拔的升高溫度會有所降低，但由于空氣稀薄，光照強度卻有所增強，最終導致其對樹木的光合作用產生增強的效果，抵消了二氧化碳濃度和溫度降低的效果。

對于郁閉度而言，天然落葉松林各個器官及總量的碳密度在0.4時達到最大值，而在其它郁閉度范圍內則沒有明顯的差異性(同上)。原因可能是，在郁閉度較大的落葉松林中，由于樹冠的相互遮掩導致樹木的光合作用效率較低，從而影響了樹木對碳的吸收；而在郁閉度較低的林分中，由于林地沒有有效的利用而導致碳密度比較低。因此，郁閉度能夠在一定程度上反應樹木對林地的利用程度，進而影響林木對碳的吸收能力。

相對于海拔、郁閉度及坡度而言，林分密度在522~3 022株/hm2對各個器官及全樹的碳密度影響不是很顯著。因為林分密度是各種立地條件下綜合作用的結果，因此可能差異性不是很顯著。

不同坡位上碳密度的變化從大到小為下坡、山谷、平地、上坡。這一點與趙文潔[24]的研究結果不完全一致，原因可能是由于研究區(qū)域的差別，本研究的范圍主要集中在盤古林場。由于不同經緯度的差別，導致光照強度及溫度的交互作用，使得研究結果出現差異。

天然落葉松林各個器官及總量的碳密度空間分布特征，各個器官及總量的變化規(guī)律是不同的。對于樹葉而言，其碳密度的變化在整個研究區(qū)域內有明顯的層次感，而其它器官及總量則呈現斑塊狀分布。總體上，各個器官及總量的碳密度從西南到東北呈現降低的趨勢，原因可能是由于立地質量造成的。

利用大興安嶺地區(qū)盤古林場2011年和2012年30塊天然落葉松標準地數據，分析了樹干、樹枝、樹葉、樹根及總量的碳密度與海拔、林分郁閉度和坡位之間的關系。利用ArcGIS軟件，基于空間克里格插值原理，對各器官及總量的碳密度空間分布進行了系統(tǒng)的研究，以期為該林場的森林經營規(guī)劃及碳匯的研究提供依據，為林場的營林方案提供基礎和條件。

樹干、樹枝、樹葉、樹根及總量的碳密度在海拔為633~683 m達到最大值，最大值分別為47.37、2.14、0.61、20.05、70.18 t/hm2；在郁閉度為0.4~0.5達到最大值，分別為40.10、1.81、0.52、16.92、59.36 t/hm2；不同坡位上碳密度的變化從到小為下坡、山谷、平地、上坡。各器官及全樹的碳密度在3 022~3 521株/hm2達到最大值。

基于空間克里格插值原理，利用ArcGIS繪制了樹干、樹枝、樹葉、樹根和全樹的碳密度空間分布圖。結果顯示，不同的器官及全樹之間的碳密度值在整個研究區(qū)域內的分布規(guī)律存在明顯差異。在該地區(qū)樹干的碳密度變化范圍是5.99~46.33 t/hm2，樹枝的碳密度變化范圍是0.31~2.92 t/hm2，樹葉的碳密度變化范圍是0.27~0.78 t/hm2，樹根的碳密度變化范圍是2.25~20..39 t/hm2，全樹的碳密度變化范圍是6.43~60.40 t/hm2。

綜上所述，對于單木碳密度的變化規(guī)律應該分器官進行研究。不同的器官碳密度的變化規(guī)律是不一致的，與林分因子之間的關系也不相同。這就為今后更加充分的掌握單木各個器官的碳密度變化規(guī)律提供了基礎條件。

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[責任編輯：劉美爽]