川西北高山峽谷區森林碳儲量及空間分布研究
——以四川洛須自然保護區為例

吳勝義 ，王飛 *，徐干君 ，馬浩 ，黨禹杰 ，吳菲

1.國家林業和草原局西北調查規劃院，陜西 西安 710048；2.旱區生態水文與災害防治國家林業和草原局重點實驗室，陜西 西安 710048

森林是陸地生態系統主體，不僅為人類提供了豐富的林木資源，而且發揮著涵養水源、保持水土、維護生物多樣性、調節氣候等生態功能，被稱為地球之肺。森林植物利用光合作用吸收 CO2、釋放O2，并將碳固定在植物的根、莖、葉、果實內，同時又通過植物和土壤呼吸釋放出一部分CO2，具有碳匯和碳源雙重屬性。森林是陸地生態系統最大碳庫，儲存了陸地生態系統地上部分碳儲量的76%—98%，其碳儲量的增減影響著大氣中 CO2濃度變化，森林狀況的好壞很大程度上決定了陸地生物圈是碳源還是碳匯（傅伯杰等，2005；胡會峰等，2006；田漢勤等，2007；楊曉菲等，2011；王興昌等，2015）。因此，森林在達成本世紀末全球升溫控制在 2 ℃以內、實現我國碳達峰碳中和目標起著十分關鍵的作用。

隨著全球氣溫持續上升，近幾十年來森林碳匯功能逐漸成為森林生態學、植物學、地球科學等學科研究的熱點，我國學者在區域性大尺度范圍持續開展了森林生態服務功能、固碳能力、碳庫動態變化等研究（方精云等，2001；王效科等；2001；余新曉等，2005；李海奎等，2010；李世東等，2013）。森林儲存碳的能力不僅取決于各類森林面積的大小，而且還受森林碳密度的影響（胡會峰等，2006）。當前，利用森林資源連續清查數據，以森林蓄積量、生物量為基礎，建立森林植被碳儲量估算方法，計算宏觀尺度的碳儲量、碳密度已得到廣泛應用。如燕騰等（2016）應用該方法了估算了西南5省市區森林碳儲量、碳密度，邵波等（2017）估算了四川省森林碳儲量與碳密度等。隨著GIS技術的快速發展，林業經營管理單位層面的森林碳儲量與空間分布已經有了一些初步探索，如肖陽等（2013）應用GIS分析了海南毛瑞林場天然次生林碳匯價值，徐少君等（2012）通過 RS/GIS技術研究了重慶縉云山森林植被碳儲量空間格局。估算森林碳儲量對于分析研究森林生態系統在全球和區域碳循環所起的作用意義重大（王會榮等，2019），提升森林碳匯功能是人類減緩和適應氣候變化的重要途徑（劉淑琴等，2017）。洛須自然保護區地處川西北高山峽谷區，分布著典型的高原山地森林，是川西北地區重要的固碳場所。采用GIS空間分析技術手段，探索該區域森林碳儲量分布規律，對于維護川西北地區森林生態系統穩定和碳平衡具有重要意義。

洛須省級自然保護區地處金沙江北岸、青藏高原東南緣，屬于川滇森林及生物多樣性生態功能區，區內不僅有白唇鹿（Przewalskium albirostris）、馬麝（Moschus chrysogaster）、雪豹（Panthera uncia）等珍稀野生動物，也分布著云杉（Picea likiangensisvar.rubescens）、高山柏（Juniperussquamata）等重要的地帶性森林資源，生態地位重要，生態敏感度高。本文以四川洛須自然保護區為研究范圍，以森林資源規劃設計調查成果為基礎，疊加森林矢量數據與DEM數據，通過應用生物量轉換和擴展方法，并結合GIS空間分析，分析研究各類森林碳儲量、碳密度及其空間分布，為川西北高山峽谷區森林生態系統保護管理和碳匯決策提供參考。

1 研究區概況

研究區地處四川省甘孜藏族自治州石渠縣西南角，面積 155350.00 hm2，地理位置介于 97°21′6″—97°57′11″E，32°29′10″—32°59′26″N。地貌屬高山峽谷區，地勢高峻，河谷深切狹窄，嶺谷高差在200 m以上，地貌類型主要為中山和高山，最低海拔3320 m，最高海拔5255 m。氣候屬高原山地氣候區，垂直地帶性差異明顯。年均降雨量529 mm，集中在6月—9月，年均蒸發量1699.2 mm；年均相對濕度為55%，平均無霜期69.4 d；年均氣溫0.8—5.6 ℃之間，大于0 ℃積溫2438 ℃。河流呈樹枝或羽狀分布，均屬金沙江流域。溪河眾多，金沙江一級支流有 32條，其中較大的支流有栽胡、安扣、洛絨隴等。土壤以高山碳酸鹽草甸土為主，另有高山灌叢草甸土、高山寒漠土等。森林植被以暗針葉林為主，天然林占98.1%。保護區有維管植物78科290屬926種，脊椎動物34目70科275種。

2 材料與方法

2.1 材料來源

材料來自石渠縣 2019年森林資源規劃設計調查成果，含森林小班數據庫和DEM數據。研究區林地43268.28 hm2，森林36760.41 hm2，森林覆蓋率23.27%，活立木總蓄積400297.0 m3。林地中，有林地面積12819.68 hm2，蓄積396096.8 m3，均為喬木林；灌木林地28176.21 hm2，其中國家特別規定灌木林28145.02 hm2，其它灌木林26.15 hm2；其它林地2272.39 hm2。喬木林中，針葉林12320.66 hm2，闊葉林303.97 hm2，針葉混交林50.74 hm2，闊葉混交林9.05 hm2，針闊混交林135.26 hm2。小班最小區劃面積0.0667 hm2，DEM數據像元大小8.0 m×8.0 m。本研究僅對喬木林和灌木林碳儲量及其空間分布進行分析，各森林分布見圖1。

圖1 各森林類型分布圖Figure 1 Distribution map of forest types

2.2 研究方法

2.2.1 森林碳儲量與碳密度計算

本研究以森林資源規劃設計調查成果為基礎，以小班為樣本，通過生物量轉換和擴展方法建立森林生物量與蓄積量之間對應關系，再根據各樹種基本木材密度、含碳率、根莖比、生物量轉換和擴展系數等（國家林業局造林綠化管理司等，2015；唐才富等，2017；邱書志等，2018），計算出研究區喬木林各森林類型碳儲量。

式中：

RBCEF——樹木地上生物量與樹干蓄積量之比；

RBEF——樹木地上生物量與樹干生物量比值；

D——基本木材密度；

C——森林碳儲量；

V——森林蓄積量；

RTREE_BSL——各樹種根莖比；

RCF——生物量含碳率，喬木各樹種組參數見表1（國家林業局造林綠化管理司等，2015）。研究區地處高原山地氣候區，灌木林以及部分灌化無蓄積喬木林，采用平均生物量6.20 t·hm-2，含碳率0.4650（國家林業局造林綠化管理司等，2015）。

表1 喬木各樹種組參數Table 1 Parameters of tree species

2.2.2 GIS空間數據分析

海拔、坡向和坡度是影響森林生態系統功能和森林植物生長的重要環境因素（祁建等，2007；賴家明等，2013；陳晨等，2015；李益敏等，2020；張靜靜等，2020；任德智等，2021）。GIS空間數據分析指應用 ArcGIS平臺，疊加小班矢量圖層與DEM 數據，對森林碳儲量和碳密度空間分布進行分析，統計各海拔梯度、坡度級、坡向等地形區間數據，并用圖形進行表達。

研究區森林分布介于海拔3300—5000 m，按200 m間隔劃分成9個區間：3300—3500、3501—3700、3701—3900、3901—4100、4101—4300、4301—4500、4501—4700、4701—4900、4901—5000 m。坡度分為6個等級：平坡（0°—5°）、緩坡（6°—15°）、斜坡（16°—25°）、陡坡（26°—35°）、急坡（36°—45°）、險坡（46°以上）。坡向按方位角劃分成5個主坡向：陽坡（157.5—247.5°）、半陽坡（112.5°—157.5°和 247.5°—292.5°）、陰坡（337.5°—360.0°和 0.0°—67.5°）、半陰坡（67.5°—112.5°和 292.5°—337.5°）、無坡向（坡度≤5°的地段）。海拔、坡度、坡向見圖2—4。

圖2 海拔梯度圖Figure 2 Map of altitude gradient

圖3 坡度分級圖Figure 3 Map of slope grades

圖4 坡向分級圖Figure 4 Map of aspect grades

3 結果與分析

3.1 森林碳儲量和碳密度

3.1.1 森林類型結構

根據研究區 2019年森林資源規劃設計調查成果中各森林類型小班數、面積、蓄積，估算出森林碳儲量和碳密度，見表2和圖5。研究區森林碳儲量232305.2 t，碳密度5.7 t·hm-2，其中喬木林碳儲量151076.3 t，碳密度11.8 t·hm-2；灌木林碳儲量81228.9 t、碳密度2.9 t·hm-2。在各森林類型中，針葉林面積12320.66 hm2，碳儲量138067.7 t，占研究區森林碳儲量的59.4%，固碳量最大；灌木林面積28176.21 hm2，碳儲量81228.9 t，占35.0%，固碳量次之；闊葉林、針闊混交林、針葉混交林、闊葉混交林面積和蓄積均較小，森林碳儲量也較小。結果表明，針葉林和灌木林在研究區森林結構和森林碳儲量中占重要地位。

表2 各森林類型碳儲量及碳密度Table 2 Carbon storage and carbon density of forest type

圖5 森林碳密度分布圖Figure 5 Distribution map of carbon density

3.1.2 樹種（組）結構

（1）喬木林

喬木林共分為 8個樹種（組），各樹種（組）碳儲量及碳密度見表 3。碳儲量排前兩位的為川西云杉、高山柏，合計碳儲量138067.7 t，占喬木碳儲量的91.4%，處于主導地位，貢獻了喬木林最大的碳儲量。其它樹種（組）碳儲量合計僅13008.6 t，僅占8.6%，比重較低。按碳密度比較，針葉混碳密度最大，碳密度50.4 t·hm-2；其次為川西云杉，碳密度 33.9 t·hm-2；楊樹（Populusspp.）、高山柏和闊葉混碳密度較低。詳見表3。

表3 喬木各樹種組碳儲量及碳密度Table 3 Carbon storage and carbon density of each dominant tree species

（2）灌木林

灌木林樹種主要有高山柳（Salix cupularis）、小葉杜鵑（Rhododendron parvifolium）、錦雞兒（Caragana tibctica）、金露梅（Potentilla fruticosa）、鮮卑花（Sibiraea angustata）、沙棘（Hippophe thibetana）、小蘗（Berberis kawakamii）、繡線菊（Spiraea alpina）等。其中小葉杜鵑面積13459.43 hm2、碳儲量38803.1 t，高山柳面積10160.45 hm2、碳儲量29291.2 t，兩者碳儲量合計占灌木林碳儲量的83.8%。

3.1.3 喬木各齡組結構

根據研究區 2019年森林資源規劃設計調查成果中喬木林各齡組面積、蓄積量可估算各齡組碳儲量和碳密度。按碳儲量規模比較，成熟林碳儲量最大，占喬木碳儲量42.2%；幼齡林次之，占19.2%；近熟林碳儲量最小。按碳密度比較，森林碳密度隨林齡增長呈上升趨勢。近、成、過熟林碳密度均高于喬木平均碳密度11.8 t·hm-2，中齡林碳密度略低于平均值，幼齡林碳密度最小。詳見表4。

表4 喬木各齡組碳儲量及碳密度Table 4 Carbon storage and carbon density of tree age groups

喬木幼齡林面積 7147.40 hm2，中齡林面積2589.49 hm2，幼、中齡林面積占喬木林面積的76.0%，表明研究區具有較好的后備森林資源，森林碳匯前景較好。

3.2 空間分布

3.2.1 海拔

森林碳儲量集中在3701—4500 m之間，占總碳儲量的 88.6%。碳儲量按海拔梯度分，3901—4100 m區間84410.4 t，占36.3%，比例最高；4101—4300 m區間51464.5 t，次之；3701—3900 m區間37494.3 t，排第3位；海拔4700 m以上森林碳儲量很小。碳密度按海拔梯度分，3901—4100 m區間10.8 t·hm-2，密度最高；3701—3900 m區間8.7 t·hm-2，次之；4101—4300 m 區間 5.3 t·hm-2，排第3。詳見圖6、表5。

表5 各海拔梯度森林碳儲量和碳密度Table 5 Forest carbon storage and carbon density at different altitudes

圖6 不同海拔梯度森林碳儲量和碳密度Figure 6 Carbon storage and carbon density of different altitudes

主要森林類型中，針葉林森林碳儲量集中在3701—4300 m之間，占針葉林總碳儲量的95.2%；3901—4100、3701—3900、4101—4300 m區間森林碳儲量位列針葉林前3位。闊葉葉林碳儲量集中在 3701—4100 m之間，占闊葉林總碳儲量的78.9%；3901—4100、3701—3900 m區間森林碳儲量和碳密度居闊葉林前2位。灌木林碳儲量集中在 4101—4700 m之間，占灌木林總碳儲量的79.7%；4301—4500、4101—4300、4501—4700 m區間碳儲量居灌木林總碳儲量前3位。

結果表明，海拔4500 m以上區域針葉林分布極少；闊葉林多分布在4100 m以下區域；灌木林比針葉林和闊葉林具有更強的海拔適應性，4501—4700 m也有較大規模分布，分布范圍也比針、闊葉林更廣泛。

3.2.2 坡度

森林碳儲量集中在陡、急坡，即26°—45°之間，占總碳儲量的80.9%。森林碳儲量按坡度級分，急坡碳儲量117252.0 t，占50.5%，比例最高；陡坡碳儲量70714.2 t，占比次之；險坡碳儲量27880.5 t，排第3位；平坡、緩坡森林碳儲量較小。森林碳密度按坡度級分，險坡碳密度8.1 t·hm-2，密度最高；急坡碳密度 6.3 t·hm-2，次之；陡坡碳密度 4.9 t·hm-2，排第3位；平、緩、斜坡森林碳密度較低。詳見圖7、表6。

表6 各坡度級森林碳儲量和碳密度Table 6 Forest carbon storage and carbon density of different slopes

圖7 各坡度級森林碳儲量和碳密度Figure 7 Carbon storage and carbon density of different slopes

主要森林類型中，針葉林森林碳儲量集中在陡、急、險坡，即坡度 26°以上，占針葉林森林總碳儲量的97.2%；急坡、陡坡、險坡森林碳儲量和碳密度均位列針葉林分列前3位。闊葉葉林森林碳儲量集中在急坡，占闊葉林森林總碳儲量的54.3%。灌木林碳儲量集中在陡、急坡，即26°—45°之間，占灌木林總碳儲量的80.3%；急坡、陡坡、斜坡碳儲量居灌木林總碳儲量前3位。

由此可見，針葉林、闊葉林、灌木林主要分布在地勢陡峭的高山峽谷地帶，灌木林在斜坡也有一定規模分布，平緩地區森林規模則較少。

3.2.3 坡向

森林碳儲量在陰坡、半陰坡、半陽坡分布較多，陽坡規模稍低。碳儲量按坡向分，半陰坡森林碳儲量68287.2 t，占比最高；半陽坡森林碳儲量64592.6 t，次之；陰坡森林碳儲量63717.4 t，排第3位；陽坡森林碳儲量 33341.0 t；無坡向森林碳儲量較小。森林碳密度按坡向分，陽坡、半陽坡、陰坡、半陰坡碳密度幾乎相當，在5.5—5.8 t·hm-2之間；無坡向森林碳密度較低，為3.4 t·hm-2。詳見圖8、表7。

表7 各坡向森林碳儲量和碳密度Table 7 Forest carbon storage and carbon density of different aspects

圖8 各坡向森林碳儲量和碳密度Figure 8 Carbon storage and carbon density of different aspects

主要森林類型中，針葉林森林碳儲量在陽坡、半陽坡與陰坡、半陰坡比例接近，分別為 51.5%、48.5%；陰坡、半陰坡碳密度明顯高于陽坡、半陽坡。闊葉葉林森林碳儲量集中在陰坡、半陰坡，占闊葉林森林總碳儲量的 75.8%。灌木林碳儲量集中在陰坡、半陰坡，占灌木林總碳儲量的67.4%；陰坡、半陰坡、半陽坡碳儲量居灌木林總碳儲量前3位。

針葉林主要樹種是川西云杉、高山柏，川西云杉較喜蔭，高山柏喜陽光充足，因此兩者在坡向上幾乎呈交錯分布。闊葉林、灌木林則較多分布在陰坡、半陰坡，以喜蔭植物為主。

4 結論與討論

4.1 討論

氣候變化和人類生產持續不斷改變陸地生態系統結構，影響了碳的固定，造成了陸地生態系統碳源與碳匯格局的重新分配。相反，通過造林綠化和提高森林生態系統的經營管理質量，又能重塑良好的陸地生態系統碳源與碳匯的新格局（田漢勤等，2007；李蔓等，2013）。加強保護區森林碳儲量研究，對于提高森林科學經營管理水平及估測川西北高山峽谷區森林生態系統碳循環有著重要意義（巫明焱等，2020）。本研究表明，洛須自然保護區擁有較高的森林碳儲量，是區域重要的碳庫，發揮了重要的碳匯功能。本著因地制宜、遵循自然的原則，以自然恢復為主、人工修復為輔，根據不同森林類型、不同生態空間特性制定科學合理的經營管理措施。隨著保護管理水平進一步提升，保護區受干擾森林生態系統得以修復，森林面積和森林質量不斷增長，森林生物量向更高發展，森林儲碳能力將繼續提高，將為川西北高山峽谷區發揮更大的固碳作用。

當前森林碳儲量估算仍存在較大不確定性（于貴瑞等，2003）。自然狀態下，森林分布特征往往由植物種群生物學特性、種內種間關系以及周圍環境所決定（吳勝義等，2022）。同時人為干擾對森林植被種群更新演替有著深遠的影響。川西北地區海拔高、氣候寒冷，森林植被生長期短，森林碳儲量累積緩慢，影響其空間分布特征的因素很多，本研究僅從較大角度對森林碳儲量和碳密度空間分布做了數量化分析，其深層次的原因和機理還需做進一步的探索。

4.2 結論

4.2.1 森林固碳功能強、碳匯潛力顯著

森林類型、結構及空間分布影響森林固碳能力（侯芳等，2018）。洛須自然保護區森林資源總量雖小，但卻是金沙江上游重要的水源涵養地和川西北重要的固碳區。暗針葉林是本地頂級地帶性森林植被，川西云杉和高山柏是主要的樹種。從研究結果看，高山柏和川西云杉喬木林面積大，森林碳儲量較高，是重要的碳庫，這表明處于森林生態系統演替過程中的先鋒樹種，過去已經儲存了較多的CO2，起著重要的碳“匯”作用；同時喬木幼、中齡林面積占喬木林面積的76.0%，占比高，具有較好的碳匯潛力。灌木林也是本地重要森林資源，分布范圍十分廣泛，面積占森林面積68.7%，碳儲量占森林總碳儲量35.0%，具有較強的固碳能力，并有進一步向頂級群落演替的潛能。由上可知，洛須自然保護區森林仍具有較大碳匯潛力。

4.2.2 森林碳儲量、碳密度空間分布格局

（1）森林碳儲量和碳密度垂直分異明顯

針葉林森林多分布在 3701—4300 m 海拔區間，森林碳儲量占比大，森林碳密度也相對較高；闊葉林森林多分布在3701—4100 m之間；灌木林碳儲量集中在4101—4700 m之間，占灌木林總碳儲量的79.7%。總體而言，海拔3300—3700 m人為活動相對頻繁，森林植被較為零散；海拔更高的地區，人為干擾較少，森林植被分布較集中。針葉林比闊葉林具有更好的高原氣候和土壤的適應性，分布面積大，生長線也更高；灌木林多分布在喬木生長線以上，分布范圍也更廣，面積也更大。

（2）陡、急、險坡森林碳儲量占比大，碳密度也較高

針葉林碳儲量集中在陡、急、險坡，即坡度在26°以上，占針葉林總碳儲量97.2%，該坡度范圍碳密度大于10.0 t·hm-2。闊葉林碳儲量集中在急坡，占闊葉林總碳儲量54.3%。灌木林碳儲量集中在陡、急坡，即坡度介于 26°—45°，占灌木林總碳儲量80.3%。分析表明，研究區處在高山峽谷區，坡度整體較大，森林主要分布在陡坡、急坡和險坡；另一方面，坡度大，受人為干擾程度小，森林植被多保持自然狀態，生長季長，生物量大，碳儲量和碳密度也大。

（3）森林碳儲量和碳密度各坡向分布整體均衡

針葉林森林碳儲量在陽坡、半陽坡與陰坡、半陰坡比例接近，分別為51.5%、48.5%；陰坡、半陰坡碳密度明顯高于陽坡、半陽坡。這主要因為森林碳密度隨坡向變化趨勢與不同坡向的森林植被類型密切相關，針葉林主要樹種是川西云杉、高山柏，川西云杉耐寒、耐蔭、喜濕潤、碳密度高，多分布在陰坡、半陰坡，高山柏則耐寒、喜光和耐瘠薄、碳密度低，以陽坡、半陽坡為主，兩者在各坡向呈現交錯分布。闊葉林森林碳儲量集中在陰坡、半陰坡，總量較小。灌木林碳儲量多集中在陰坡、半陰坡、半陽坡，陽坡相對較少。