陳 怡，張 蓓

(國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳庫，全球森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量高達(dá)約1 146 Pg[1]。研究森林碳儲(chǔ)量及碳匯功能對(duì)表征陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程、減緩氣候變化具有重要意義。森林植被碳儲(chǔ)量與植被的生長(zhǎng)發(fā)育階段、生長(zhǎng)過程密切相關(guān)，受多種生物學(xué)因素(林齡、郁閉度、胸徑、樹高、植株密度、蓄積等)和非生物學(xué)因素(氣候因子、地形因子、土壤條件等)的影響[2-11]，是林分因子與環(huán)境因子共同作用的結(jié)果。林分因子包括優(yōu)勢(shì)樹種、年齡、郁閉度等林分信息，環(huán)境因子包括地理位置、海拔、坡度、坡向、坡位等地理因子及降水量、光照、溫度等氣候條件。柳樹是干旱地區(qū)、干旱半干旱地區(qū)、高寒地區(qū)、風(fēng)沙區(qū)的主要分布樹種，對(duì)柳樹生物量和碳儲(chǔ)量的研究也主要集中在這些區(qū)域，并以研究單株或群落生物量模型、碳計(jì)量方法為主[12-16]，僅有少量關(guān)于柳樹生物量密度隨種植年限和海拔等立地因子變化規(guī)律的研究[17-19]。柳樹在西藏被廣泛種植，占人工林的30.10%，對(duì)西藏環(huán)境美化、防風(fēng)固沙、水土保持、生態(tài)防護(hù)、固碳釋氧、調(diào)節(jié)氣候具有重要作用。以西藏自治區(qū)人工柳樹為研究對(duì)象，研究人工林的分布、碳累積規(guī)律及影響碳密度的因素。通過對(duì)柳樹碳密度進(jìn)行分區(qū)域建模，一是為碳密度、碳匯量估算提供方法；二是根據(jù)碳密度的影響因素篩選碳增長(zhǎng)潛力大的地區(qū)、樹種和地理?xiàng)l件，為今后造林宜林地小班選擇提供參考。

1 建模單元

在人工林碳儲(chǔ)量和碳密度計(jì)量及基于碳密度的人工林分區(qū)分類[20-21]的基礎(chǔ)上，根據(jù)分類相近與地域相鄰相結(jié)合的原則，對(duì)旱柳、竹柳、烏柳等樹種進(jìn)行分區(qū)域碳密度建模。對(duì)碳密度進(jìn)行建模時(shí)，一是需要足夠的建模樣本；二是涉及多項(xiàng)地理因子，為保證建模樣本的隨機(jī)性，在地理空間上需保持連續(xù)性。在確定地理建模單元時(shí)，一是便于區(qū)域管理和指導(dǎo)，二是保持地域上的連續(xù)性，以便更科學(xué)地探尋規(guī)律及建模。由此，根據(jù)人工林的主要分布區(qū)域確定了4個(gè)建模地理單元，另有部分區(qū)域因分布面積和樣本數(shù)量的限制未進(jìn)行分析。

1)雅魯藏布江中游地區(qū)，位于北緯29.00°～29.99°，東經(jīng)87.00°～92.99°。包括加查縣、曲松縣、桑日縣、墨竹工卡縣、瓊結(jié)縣、乃東區(qū)、扎囊縣、達(dá)孜區(qū)、林周縣、堆龍德慶區(qū)、曲水縣、貢嘎縣、尼木縣、仁布縣、浪卡子縣、江孜縣、白朗縣、南木林縣、桑珠孜區(qū)、薩迦縣、謝通門縣、拉孜縣、昂仁縣等縣(區(qū))的部分區(qū)域。

2)林芝地區(qū)，包括巴宜區(qū)、工布江達(dá)縣、米林縣、墨脫縣、波密縣、察隅縣、朗縣。

3)三江流域?yàn)憸娼詵|地區(qū)，包括江達(dá)縣、貢覺縣、芒康縣、卡若區(qū)、察雅縣、類烏齊縣。

4)三江流域?yàn)憸娼晕鞯貐^(qū)，包括丁青縣、八宿縣、左貢縣、洛隆縣、邊壩縣、比如縣、索縣、巴青縣。

2 自變量的確定

碳密度與坡度、坡向、海拔等地理因子均有較大的相關(guān)性，地形因子的引入提高了模型的精度[11]。地理因子中，經(jīng)度、緯度、海拔體現(xiàn)了地理位置在水平和垂直方向的變化，綜合反映了降水、溫度條件的變化；光照通過影響植物的光合作用影響植物的生長(zhǎng)；水分條件是影響人工林分布和生長(zhǎng)的重要因素，距水域的距離反映了供水情況；根據(jù)地理學(xué)第一定律(the first law of geography)，地理空間上的所有值都是互相聯(lián)系的，且距離近的值具有更強(qiáng)的聯(lián)系。西藏農(nóng)田多選擇在土壤肥力高、供水條件好的區(qū)域，植被多具備較高的生產(chǎn)力，因此使用距農(nóng)田的距離來表征土壤肥力情況。林分因子中，林齡反映了林木的生長(zhǎng)發(fā)育階段，是影響林分生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，同一林齡碳密度的大小是表征植被生長(zhǎng)快慢與碳儲(chǔ)存速度的重要指標(biāo)。

綜合分析，初步篩選了海拔、光照、距水域的距離、距農(nóng)田的距離、經(jīng)度、緯度等環(huán)境因子與林齡等林分因子作為自變量，探索對(duì)碳密度的影響程度。

3 分區(qū)域分樹種碳密度模型

3.1 雅魯藏布江中游地區(qū)

3.1.1旱柳

1)影響因子篩選

以林分碳密度為因變量，以環(huán)境因子和林分因子為自變量，進(jìn)行多元線性逐步回歸。結(jié)果表明：按照“Probability of F <= 0.05引入變量、Probability of F>=0.10剔除變量”的原則，最終選用的變量為林齡、經(jīng)度、緯度、海拔、距農(nóng)田的距離，碳密度隨林齡、經(jīng)度的增加而增加，隨緯度、距農(nóng)田的距離的增加和海拔的升高而減少。

Ci=1.039Ai+4.855Loni-16.377Lati-0.013756Hi-8.538Dfi+98.821；

調(diào)整R2=0.222，n=1292

式中，Ci、Ai、Loni、Lati、Hi、Dfi分別為i小班的碳密度、林齡、經(jīng)度、緯度、海拔、距農(nóng)田的距離(km)，n為樣本數(shù)。

2)影響因素及影響程度

①林齡

統(tǒng)計(jì)各林齡的小班個(gè)數(shù)及平均碳密度，并建立碳密度與林齡的關(guān)系模型。為保證結(jié)果的精度，剔除樣本數(shù)小于10的林齡數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出，旱柳碳密度與林齡之間存在極顯著的線性關(guān)系，林齡每增加1 a，碳密度增加1.415 2 t/hm2；建模樣本林齡分布范圍為1～50 a，即模型的適用林齡范圍在1～50 a之間。

②經(jīng)度

在分析環(huán)境因子對(duì)碳密度影響的過程中，需去除不同林分生長(zhǎng)時(shí)間即林齡對(duì)碳密度的影響，而只保留環(huán)境變量，因林齡與碳密度存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，因此可以用環(huán)境因子與碳匯(碳密度/林齡)的關(guān)系表征環(huán)境因子的影響程度。

圖1 雅魯藏布江中游地區(qū)旱柳碳密度與林齡的關(guān)系Fig.1 Relationship between carbon density and forest age of Salix matsudana in the middle reaches of the Yarlung Zangbo River

碳匯與經(jīng)度之間存在正相關(guān)關(guān)系(圖2)，這與自西向東海拔降低和降水增加促進(jìn)了植被生長(zhǎng)有關(guān)。旱柳建模樣本經(jīng)度分布范圍為88.0°～93.0°，即模型的適用經(jīng)度范圍為88.0°～93.0°，在此范圍內(nèi)隨經(jīng)度的增加，碳匯由0.5 t/(hm2·a)逐漸增加到1.5 t/(hm2·a)；經(jīng)度每增加1°，碳匯量增加0.210 8 t/(hm2·a)。其中，經(jīng)度90.5°～92.0°是旱柳種植的集中區(qū)，位于拉薩河與雅魯藏布江交匯區(qū)域，該區(qū)域分布了雅魯藏布江中游地區(qū)87.4%的旱柳，碳匯也高于其它區(qū)域。

圖2 雅魯藏布江中游地區(qū)旱柳碳匯與經(jīng)度的關(guān)系Fig.2 Relationship between longitude and carbon sink of Salix matsudana in the middle reaches of the Yarlung Zangbo River

③緯度

碳匯與緯度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖3)。隨著緯度的增加，碳匯由1.9 t/(hm2·a)逐漸減少到1.0 t/(hm2·a)；緯度每增加0.1°，碳匯量減少0.084 2 t/(hm2·a)。其中，緯度29.1°～29.4°是旱柳種植的集中區(qū)，該區(qū)域分布了雅魯藏布江中游地區(qū)72.7%的旱柳，也是碳匯的高值區(qū)域。

圖3 雅魯藏布江中游地區(qū)旱柳碳匯與緯度的關(guān)系Fig.3 Relationship between latitude and carbon sink of Salix matsudana in the middle reaches of the Yarlung Zangbo River

④海拔

碳匯與海拔之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4)。旱柳建模樣本海拔分布范圍為3 100～4 600 m，即模型的適用海拔范圍為3 100～4 600 m，在此范圍內(nèi)隨海拔的升高，碳匯由2.3 t/(hm2·a)逐漸減少到0.5 t/(hm2·a)；海拔每升高100 m，碳匯量減少0.12 t/(hm2·a)。其中，91.2%的旱柳分布在海拔3 400～3 900 m區(qū)域。

圖4 雅魯藏布江中游地區(qū)旱柳碳匯與海拔的關(guān)系Fig.4 Relationship between altitude and carbon sink of Salix matsudana in the middle reaches of the Yarlung Zangbo River

⑤距農(nóng)田的距離

隨著造林小班距農(nóng)田距離的增加，碳匯呈波動(dòng)式減少趨勢(shì)(圖5)。農(nóng)田的選址多在地形開闊、距水源近、土壤肥沃的地方，因此距離農(nóng)田近的人工林小班，一是周圍有水源供應(yīng)，二是土壤發(fā)育條件良好，適宜植被生長(zhǎng)。隨著距農(nóng)田距離的增加，碳匯總體上由1.8 t/(hm2·a)逐漸減少為1.5 t/(hm2·a)。71.7%的旱柳分布在距農(nóng)田0～100 m的距離范圍內(nèi)，該部分旱柳同時(shí)具備碳匯量大的特點(diǎn)。

圖5 雅魯藏布江中游地區(qū)旱柳碳匯與距農(nóng)田距離的關(guān)系Fig.5 Relationship between distance from farmland and carbon sink of Salix matsudana in the middle reaches of the Yarlung Zangbo River

2)碳密度模型

①Ci=4437.280Ai·(0.011253Loni-1) ·(1-0.032320Lati)·(1-0.000205Hi) · (1-0.121415Dfi)；R2=0.235

②Ci=4157.686Ai·(0.011255Loni-1) ·(1-0.032301Lati)·(1-0.000202Hi)；R2=0.234

3.1.2其它樹種

1)竹柳Ci=11.100Ai·(0.011870Loni-1)；

R2=0.439，n=518

2)垂柳Ci=95.108Ai·(0.011261Loni-1) ·(1-0.266263Dwi)；R2=0.332

式中，Dwi為i小班距水域的距離(km)。

3)左旋柳Ci=2.2644Ai；R2=0.4489

4)烏柳Ci=0.8047Ai+0.0197；R2=0.4113

3.2 其它地區(qū)

1)林芝地區(qū):Ci=2.4086Ai+0.0672；

R2=0.5703

2)三江流域?yàn)憸娼詵|地區(qū):Ci=1543.777Ai· ( 1-0.030767Lati) · (0.010345Loni-1)；R2=0.410，n=194

3)三江流域?yàn)憸娼晕鞯貐^(qū):Ci=2.854Ai·(1-0.028041Lati)；R2=0.501，n=82

4 碳密度影響因素分析

區(qū)域、樹種、林齡對(duì)林分碳密度均有顯著影響(表1)。

表1 林齡和環(huán)境因素對(duì)碳匯的影響幅度

注：“+”代表正影響，“-”代表負(fù)影響

從表1可以看出，柳樹碳累積速率為：林芝地區(qū)>雅魯藏布江中游地區(qū)>三江流域?yàn)憸娼詵|地區(qū)>三江流域?yàn)憸娼晕鞯貐^(qū)。就柳樹的主要分布區(qū)雅魯藏布江中游地區(qū)來看，碳累積速率為：左旋柳>垂柳>旱柳>烏柳(細(xì)葉紅柳)>竹柳。受經(jīng)度影響的樹種包括旱柳、竹柳、垂柳。經(jīng)度對(duì)垂柳碳累積速率的影響程度最大，經(jīng)度每增加1°，碳匯增加0.618 2 t/(hm2·a)；經(jīng)度對(duì)竹柳碳累積速率的影響程度最小，經(jīng)度每增加1°，碳匯增加0.073 8 t/(hm2·a)。旱柳碳匯與緯度、海拔、距農(nóng)田的距離呈負(fù)相關(guān)，垂柳碳累積速率與距水域的距離呈負(fù)相關(guān)，反映了不同樹種對(duì)水分、溫度、養(yǎng)分的不同需求。

5 討論與結(jié)論

柳樹碳密度總體上隨林齡和經(jīng)度增加而增加，隨緯度、海拔、距農(nóng)田的距離、距水域的距離增加而減少。這與西藏冷杉林、云杉林生物量密度隨林齡、海拔變化的研究結(jié)果一致[22，23]，也與烏柳、沙柳、坡柳等樹種生物量變化規(guī)律一致[17-19]。沙柳生物量密度隨林齡和種植年限的增加而增加[17]。于洋等對(duì)青海高寒沙地不同林齡烏柳防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)碳匯研究結(jié)果表明，隨林齡增加，烏柳碳貯量顯著增加，植被年凈碳累積速率為1.05 t/(hm2·a)[18]。黃冬等研究結(jié)果表明，坡柳生物量隨海拔的升高而逐漸減少，隨坡位變化自下而上逐漸減少[19]。西藏柳樹與云杉林碳密度隨經(jīng)度的變化呈現(xiàn)相反的規(guī)律，分析原因認(rèn)為：柳樹主要分布在雅魯藏布江中游地區(qū)，隨經(jīng)度增加，海拔降低、降水增加，植物生長(zhǎng)和碳累積速度增加；就云杉林廣泛分布的林芝地區(qū)與昌都地區(qū)而言，受高原地形地貌與山脈走向的影響，經(jīng)度增加的同時(shí)海拔和降水也隨之升高和減少，因此影響了云杉的生產(chǎn)力[22]。隨海拔的變化，光照、溫度和降水等發(fā)生相應(yīng)變化[24]，低海拔地區(qū)更高的溫度和更長(zhǎng)的生長(zhǎng)季利于植物的生長(zhǎng)和干物質(zhì)的積累[25-27]?？傮w來看，西藏柳樹人工林生長(zhǎng)和碳積累主要受林分生長(zhǎng)發(fā)育階段(林齡)和溫度、水分等自然條件的影響，在造林前利用本文建立的碳密度模型，根據(jù)經(jīng)度、緯度、海拔、距農(nóng)田的距離、距水域的距離計(jì)算并比較計(jì)劃造林小班不同樹種未來預(yù)期碳密度，從而選擇植被生長(zhǎng)和碳累積潛力大的地塊和樹種開展造林綠化。