大岭山森林公园植被碳储量空间分异特征

吴小芳，冯晓丽，沈德才

(1.华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642； 2.建设用地再开发国土资源部重点实验室，广东 广州 510642； 3.东莞林业科学研究所信息室，广东 东莞 510665)

大岭山森林公园植被碳储量空间分异特征

吴小芳1，2，冯晓丽1，沈德才3

(1.华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642； 2.建设用地再开发国土资源部重点实验室，广东 广州 510642； 3.东莞林业科学研究所信息室，广东 东莞 510665)

以大岭山森林公园植被为研究对象，根据森林植被生物量及碳储量估算方法，估测样地的植被碳储量，采用反距离加权插值模型，得到整个大岭山森林公园植被碳储量分布情况，运用GIS空间分析方法，结合坡向、坡度、海拔及优势树种等因素对碳储量的空间分异特征进行研究。结果表明：大岭山森林公园植被碳储量随经度的增加而增加，随海拔的升高而增加，在海拔200 m达到最大值，之后随着海拔上升而减少；碳储量随坡度等级的变化近似于正态变化规律，由平坡到斜坡碳储量呈上升趋势，而后由斜坡到急坡逐渐下降；7种优势树种中，速相思、荔枝碳储量含量最高，桉树、硬阔混交林次之，马尾松、灌木、阔叶混交林最少。桉树、速相思在海拔100～200 m、阳坡、斜坡和缓坡的立地条件下，碳储量最大；荔枝在海拔0～200 m、缓坡的立地条件下碳储量最大；硬阔混交林、马尾松、阔叶混交林在海拔100～200 m、缓坡的立地条件下碳储量最大；灌木在海拔200～300 m、斜坡的立地条件下，碳储量最大。

GIS；反距离加权插值；空间分析；空间分异

森林作为陆地生态系统的主体，是陆地生态系统的最大碳库，在全球碳平衡过程中起着举足轻重的作用。如何准确估算森林生态系统碳储量及其分布特征已受到普遍关注。针对该问题，许多专家学者进行相关研究。方精云等[1]研究了我国森林植被碳储量和碳密度的时空变异性。黄从德等[2]根据实测的林分含碳量和区域生物量蓄积量回归模型计算了四川省森林植被碳储量，分析其空间分异特征。赵明伟等[3]提出基于HASM的森林植被碳储量模拟方法，模拟生成中国陆地森林碳储量分布情况。张玥[5]基于固定样地测定数据，估算碳储量，并从坡向、坡度、海拔等角度探讨碳储量与立地因子的关系，并对空间分布特征进行分析。刘刚等[4]对东莞市不同的森林群落类型进行详细调查，研究森林凋落物的碳储量及其空间分布。

针对前人的研究，考虑到森林碳储量的分布存在空间自相关性与空间异质性[6]，本文从坡向、坡度、海拔及优势树种等多因素对大岭山森林公园的植被碳储量空间分异特征进行研究。采用GIS技术、空间叠置及空间插值模型，探讨了碳储量随坡向、坡度、海拔等地形因子变化的空间分布规律，并着重研究7种优势树种与碳储量、地形因子的空间相关性，分析得出7种优势树种在哪种最适合地形条件下具有最高的碳储量含量。依据分析结果，对今后大岭山森林公园植被的管理、抚育提出合理建议，以期保持碳储量和碳密度上升的趋势，最大化地发挥其生态效益。

1 碳储量估算及插值

1.1 样地设置

大岭山森林公园位于东莞市南部，珠江口的东北部，处于珠江三角洲开发区的中心地带。面积约74 km2，是广东省重要的森林基地之一。树木种类繁多，据初步调查，共有维管植物105科247属346种，天然林面积少，人工林面积多，占总面积约70%，园内主要以人工种植的马尾松林、杉木林、桉树林、荔枝林、相思林为主，还有次生林以及乡土树种等。

依据大岭山森林公园林分分布情况，结合海拔、坡向、坡位等条件，选定灌木林，阔叶混交林、荔枝、硬阔混交林、速相思、桉树、针阔混交林等森林类型为研究对象，选择林相相对整齐、地形相对完整、具有一定代表性的地段作为标准样地，根据各种林分所占比例和优势树种，布设标准样地20块，呈星状分布于大岭山森林公园的各个位置，标准样地分布见图1。

1.2 碳储量估测

目前，对森林植被碳储量的估算都是先估算森林植被的生物量，然后将森林植被的生物量乘以含碳率计算出各类森林植被的碳储量，国际上根据不同植被类型采用的含碳率大多为0.44～0.53之间。为了方便与其他研究成果比较，本文采用目前国际上常用的转换系数0.5[7]，计算的碳储量包括各种森林资源类型的乔木层、林下层及凋落物3部分，其中林下层指下木层、灌木、草本植物的总称，得出各样地生物量及碳储量值(表1)。

1.3 碳储量插值

根据研究区样地的分布情况，分别选取反距离加权插值、样条函数法、克里格法3种方法对碳储量值进行插值计算。通过对比与分析，发现克里格法的插值表面比较平滑，同时在边缘区域对邻域距离不敏感，形成大片光滑表面，插值精度不高；而样条函数法与反距离加权插值相比，反距离加权插值结果更接近样地区间，误差值更小，整体效果最好。因此本文选择反距离加权插值对样地数据进行插值，获得整个大岭山森林公园植被碳储量分布图，见图2。

表1 样地的生物量及碳储量

由图2可知：大岭山森林公园碳储量整体表现为自西向东逐渐升高，碳储量随着经度的增加而增加，具有明显的经向地带性；南北方向上东南部碳储量较高。这是因为东北部地势较高，而大水沥游览区和莲花山森林核心区内地势较平坦，一般在海拔100～300 m之间，浏览区内林木茂盛，光照、温度、水分都非常充足，为碳储量的增长提供良好的自然条件。

2 碳储量空间分异特征

2.1 碳储量与海拔关联分析

首先按照高度情况，对大岭山森林公园海拔图进行重分类，将海拔划分为 6 个等级：<100、100～200、200～300、300～400、400～500、>500 m，构建海拔梯度图，见图3。将海拔梯度图(图3)与碳储量图(图2)进行叠加，运用 ArcGIS 空间分析模块，获得碳储量的垂直分布状况(表2)。

由表2可知，大岭山森林公园碳储量随海拔梯度变化总体表现为：随海拔的升高而增加，在海拔200 m时达到最大值，之后随海拔上升而减少，在海拔500 m范围内达到最小值。主要原因是海拔梯度0～200 m范围内，植物生长环境好，水分、光照充足，使得这一海拔梯度林分植被具有最大的碳密度；而海拔500 m以上地区，森林面积较少，高海拔地区光、热资源不足，气温下降，森林质量下降。

2.2 碳储量与坡度关联分析

运用ArcGIS将等高线生成DEM，再利用空间分析模块提取坡度，将坡度按照分级标准分为平坡(0～5°)、缓坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°)、陡坡(26°～35°)、急坡(36°～45°)、险坡(>46°)共6级，由于研究区最高坡度小于45°，所以无险坡，得出大岭山森林公园坡度等级梯度见图4。

表2 大岭山森林公园碳储量垂直分布

将坡度图与碳储量图进行叠加，获得碳储量的坡度分布状况，见表3。碳储量随坡度等级的变化近似于正态变化规律，由平坡到斜坡碳储量呈上升趋势，而后由斜坡到急坡逐渐下降。主要与各坡度等级上植被的分布有很大关系，在斜坡和陡坡处主要分布植被类型为风景林和果树林，植被类型具有较高的生物量，碳储量含量较高；而在急坡区域，主要分布为自然保护区，土层薄、水分少、无机盐易淋失，土壤多呈酸性，因此植被生长受到限制，碳储量含量较低。

表3 大岭山森林公园碳储量坡度分布情况

2.3 碳储量与优势树种空间关联分析

考虑到优势树种中杉木、荷木、南洋楹、湿地松、杂竹、木本果树、苗圃面积少，含碳储量也少，对森林的空间分异影响较小，因此本文选取比较有代表性的速相思、荔枝、桉树、硬阔混交林、马尾松、灌木、阔叶混交林7个优势树种进行分析，分别研究其与坡度、坡向、海拔及碳储量的空间分布关系。

2.3.1 不同坡度上优势树种的碳储量分布规律 利用ArcGIS空间分析，将林班图层、坡度图层以及碳储量图层进行叠置分析，对7个优势树种进行空间统计，得到7种优势树种在各坡度上的碳储量分布(图5)。由图5可知，7个优势树种均表现为平坡和陡坡碳储量较少，缓坡和斜坡碳储量上升，其中速相思在斜坡和缓坡碳储量值最大，荔枝在缓坡碳储量值尤为突出，成为所有优势树种分布最高值。灌木林在斜坡碳储量值最大，除荔枝和灌木林外，其他优势树种在缓坡和斜坡的碳储量分布差异不大。

2.3.2 不同坡向上优势树种的碳储量分布规律 依据常规坡向划分规则，将大岭山森林公园坡向划分为半阴坡、半阳坡、阳坡、阴坡4个等级，构建坡向等级图，然后将坡向等级图与碳储量图层、林班图层进行叠加，运用叠置分析和空间统计模块，提取各优势树种不同坡向等级的碳储量值(图6)。由图6可知，阳坡碳储量值大，速相思、桉树和马尾松均为阳坡最多，半阳坡和半阴坡其次，阴坡最少。荔枝在半阳坡和半阴坡碳储量值居多，阳坡其次，阴坡最少。阔叶混交林在半阴坡分布最少，阴坡、阳坡、半阳坡分布差异不明显。灌木林在阴坡和半阳坡分布较多，在阳坡和半阴坡分布较少。速相思和荔枝是碳储量总量里分布较多的优势树种，分别占总量的23.66%和22.2%。

图5 不同优势树种碳储量在坡度上的分布规律图6 不同优势树种碳储量在坡向上的分布规律

2.3.3 不同海拔高度上优势树种的碳储量分布规律 将坡度等级梯度与碳储量图层、林班图层进行叠加，运用叠置分析和统计模块，获得优势树种在不同海拔等级上的碳储量分布情况(图7)。由图7可知：速相思、桉树、硬阔混交林、马尾松的碳储量在海拔100～200 m达到峰值，而后随着海拔的升高骤减。而荔枝、阔叶混交林则随着海拔的增高碳储量值呈递减趋势，灌木的碳储量在200～300 m有小幅上升，但是碳储量总体分布差异不大。总体上0～300 m海拔范围内碳储量值最大，约占总碳储量的93.6%；300 m以上海拔7个优势树种的碳储量仅为总量的6.4%。

3 结论与建议

3.1 结论

本文从坡向、坡度、海拔及优势树种等因素对大岭山森林公园碳储量的空间分异特征进行研究，结果表明：①大岭山森林公园碳储量整体表现为自西向东逐渐升高，随着经度的增加而增加，具有明显的经向地带性。碳储量在海拔0～200 m内随海拔的升高而增加，海拔200 m时达到最大值，之后随海拔上升而减少，在海拔500 m时达到最小值。碳储量随坡度等级的变化近似于正态变化规律，由平坡到缓坡、斜坡碳储量呈上升趋势，而后由斜坡到陡坡、急坡逐渐下降。②7种优势树种中，速相思、荔枝碳储量含量最高，桉树、硬阔混交林次之，马尾松、灌木、阔叶混交林最少。桉树、速相思在海拔100～200 m、阳坡、斜坡和缓坡的立地条件下，碳储量最大；荔枝在海拔0～200 m、缓坡的立地条件下碳储量分布最大；硬阔混交林、马尾松、阔叶混交林在海拔100～200 m、缓坡的地形下，碳储量最大；灌木在海拔200～300 m、斜坡的地形下，碳储量最大。

3.2 建议

针对分析结果，对大岭山森林公园的碳汇管理及可持续发展建议如下，首先应充分利用海拔500 m以上区域，其面积高达50 hm2，进行封山育林，提高其森林碳汇能力；其次海拔较低的斜坡、缓坡区域，依据研究结果中各优势树种最适合的坡向、坡度和海拔等立地因子，根据实际地形条件，合理选择种植或抚育的树种，以加强各优势树种的合理配置，最大化地发挥其生态和社会效益，保持防护林碳储量和碳密度上升的趋势，保障植被的碳汇能力，实现可持续发展。

[1]方精云，陈安平.中国森林植被碳库的动态变化及其意义[J].植物学报，2001，43(9)：967-973.

[2]黄从德，张健，杨万勤，等.四川省森林植被碳储量的空间分异特征[J].生态学报，2009，29(9)：5115-5121.

[3]赵明伟，岳天祥，赵娜，等.基于HASM的中国森林植被碳储量空间分布模拟[J].地理学报，2013，68(9)：1212-1224.

[4]刘刚，朱剑云，叶永昌，等.东莞主要森林群落凋落物碳储量及其空间分布[J].山地学报，2010，28(1)：69-75.

[5]张玥.基于GIS的黑河市森林碳储量空间分布特征研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2013.

[6]刘畅，李凤日，甄贞.空间误差模型在黑龙江省森林碳储量空间分布的应用[J].应用生态学报，2014，25(10)：2779-2786.

[7]郭纯子，吴洋洋，倪健.天童国家森林公园植被碳储量估算[J].应用生态学报，2014，25(11)：3099-3109.

Spatial Differentiation Characteristics of Forest Vegetation Carbon Storagein Da Ling Shan Forest Park

WU Xiao-fang1，2，FENG Xiao-li1，SHEN De-cai3

(1.CollegeofNationalResourcesandEnvironment，SouthChinaAgriculturalUniversity，Guangzhou510642，Guangdong，China； 2.LandResourceMinistryKeyLaboratoryofConstructionlandimprovement，Guangzhou510642，Guangdong，China； 3.DongguanResearchInstituteofForestry，Dongguan510665，Guangdong，China)

In the paper，Da Ling Shan forest park is taken as the research region.The carbon storage of sample areas in this research region is estimated based on the forest vegetation biomass.By using the model of inverse distance weighted interpolation，the spatial distribution of carbon storage in this research region is obtained.Then by using GIS technology and spatial model，the spatial differentiation character of carbon storage is researched based on multi-factor analysis such as direction，slope，elevation and tree species so on.The result shows as follows.The carbon storage rises up with the increase of longitude in Da Ling Shan forest park.And it rises up with the increase of altitude from 0 to 200 meters and gets the maximum at 200 meters.Then it reduces 200 meters altitude later.The change of carbon storage with the slope grade is the normal distribution.The carbon storage increases from the flat slope to medium slope，and declines from the medium slope to the rapid slope gradually.In seven dominant tree species，the carbon storage ofLycheeandAcaciais maximum.The carbon storage ofEucalyptusand hard-mixed forest is medium，and the carbon storage ofPinusmassoniana，shrubs and broad-leaved mixed forest is least.The most suitable planting conditions ofAcacia，Eucalyptusare the gentle and medium slope，sunny slope and altitude from 100 to 200 meters.The most suitable planting conditions ofLycheeare the gentle slope and altitude from 0 to 200 meters.The most suitable planting conditions of hard-mixed forest，Pinusmassoniana，broad-leaved mixed forest are the gentle slope and altitude from 100 to 200 meters.The most suitable planting conditions of shrubs are the medium slope and altitude from 200 to 300 meters.Their carbon storage can get the maximum under these most suitable conditions especially.

geographic information system (GIS)；inverse distance weighted interpolation(IDW)；spatial analysis；spatial differentiation

2015-10-08；

2015-11-17

广州市科技计划项目(2014Y2-00038)

吴小芳(1979—)，女，湖北荆州人，华南农业大学资源环境学院副教授，博士，从事地图制图学，林业GIS和地理信息系统理论与方法研究。E-mail：somewxf@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.03.017

S718.55+6

A

1002-7351(2016)03-0080-05