桂林典型岩溶峰丛洼地碳储量功能研究.pdf

桂林典型岩溶峰丛洼地碳储量功能研究朱柏露1,2,3，邓艳4，谢运球1,3，柯静1,3，吴松1,3,5，黄静2，侯萌萌2（1.中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室/联合国教科文组织国际岩溶研究中心，广西桂林，541004；2.深圳市源清环境技术服务有限公司，广东深圳518071；3.广西平果喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站，广西平果531406；4.广西师范大学环境与资源学院，广西桂林541004；5.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林541006）摘要：为了揭示不同发展模式下土地利用变化对碳储量的影响，以桂林市阳朔县兴坪镇西塘村的岩溶峰丛洼地为对象，采用 InVEST 模型对岩溶峰丛洼地的碳储量进行评估，并模拟 2 种情境（生态保护模式、经济发展模式）下植被类型对碳储量的影响。结果表明：研究区碳储量总量是 16641.68t，碳密度是 221.30thm2，经济总价值是 1997.00万元，单位面积价值是 26.56万元hm2；人工林、自然林、经济林生态系统碳储量分别是 339.38thm2、261.79thm2、150.34thm2，经济价值分别是 40.72万元hm2、31.42 万元hm2、18.04 万元hm2，且土壤碳储量是生态系统中最大碳库；自然林和经济林中土壤是最大的碳汇，而人工林中土壤和地上植被的碳汇较大；生态保护模式下研究区碳储量经济价值是 2252.14万元，相比于现状增加了 254.89万元；经济发展模式下研究区碳储量经济价值是 1595.30万元，相比于现状损失了 401.95万元。该研究成果为桂林漓江风景名胜区核心景区和桂林喀斯特世界自然遗产地确定未来发展模式和石漠化治理提供参考。关键词：碳储量；InVEST 模型；岩溶峰丛洼地；情景模拟；土地利用中图分类号：Q948文献标识码：A文章编号:10014810（2023）04078510开放科学（资源服务）标识码（OSID）：0引言全球气候变暖对生态系统、植物种群、乃至整个生物圈都产生巨大影响13，是人类社会可持续发展面临的长期、严峻的挑战4。国际科学界认为目前所观测到的全球变暖现象，90%以上的可能性来自于温室气体排放5，而 CO2作为温室气体重要组成部分，因此，有效地控制 CO2排放对减缓气候变暖具有重要意义。岩溶生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分67，在全球碳循环中发挥着重要的作用810。石漠化发生发展造成了生物碳库和土壤碳库流失量巨大，近年来已由碳“汇”区逐渐转为碳“源”区，成为我国的碳“欠账”区11。为了保护生态环境，遏制石漠化，国内学者开展了一系列的石漠化研究，史晨璐1217等研究表明，植被恢复能增加岩溶区碳汇；张斯屿1820等利用 InVEST 模型的情景模拟功能，研究不同发展模式下岩溶区碳储量的变化。研究土地利用与土壤碳储量的响应关系较多2123，而土地利用与生态系统碳储量响应关系研究较少。因此，本文采用InVEST 模型评估碳储量服务功能，模拟不同发展模式的碳储量，进一步分析土地利用变化对碳储量功基金项目：广西重点研发计划项目（桂科 AB19110004）；广西重点基金（2022GXNSFDA035067）；国家自然科学基金（41877206）第一作者简介：朱柏露(1995)，硕士，研究方向：岩溶生态。E-mail：Z。通信作者：邓艳（1978），女，博士，研究员，研究方向：岩溶环境学。E-mail：。收稿日期：20211020第42卷第4期中国岩溶Vol.42No.42023年8月CARSOLOGICASINICAAug.2023朱柏露，邓艳，谢运球，等.桂林典型岩溶峰丛洼地碳储量功能研究J.中国岩溶，2023，42（4）：785-794.DOI：10.11932/karst20230413能的影响。研究结果为科学治理石漠化和相关部门管理与规划提供科学依据。1研究区概况和方法1.1研究区概况研究区位于桂林市阳朔县兴坪镇西塘村青头厄附近（图 1），由 6 座峰丛和 1 个洼地组成的典型岩溶峰丛洼地地貌单元，最高海拔 732m，最低海拔354m，面积 0.75km2。研究区域属于亚热带季风气候，雨季集中在 59 月，年均降雨量 1887.8mm，年均气温 21.03。该区域地层属于泥盆系融县组下段，为浅海相碳酸盐沉积，以灰白色、浅灰色厚层灰岩为主。研究区是典型的峰丛洼地，山高坡陡，平地少，当地居民为了维持生计，在山坡、垭口、坡麓、洼地种植桉树、砂糖桔、夏橙、沃柑等经济作物，品种比较单一，经济效益不佳，还造成水土流失、冠岩地下河景观遭到破坏、植被覆盖率降低、地下河污染、土地石漠化等生态环境问题。1.2土地类型分类现有的土地利用类型在土地调查、土地规划、土地权属管理等方面起到了重要的作用，但存在重视现状、忽视土地利用生态功能、对具有重要生态价值的土地体现的不够充分等不足24。申元村25指出土地类型应更多地从土地自然属性角度进行分类，更能综合反映生态类型，为构建农林牧合理用地布局提供科学依据。本文将研究区分为山坡、坡麓、洼地 3 种微地貌类型；坡度以 35为界限，分1102830东25230北2530北土壤采样点回填土 土地类型1234567891011121314漓江冠岩风景区漓江乡镇边界西塘水库示范区微地貌类型青头厄调落物采样点a.b.图1研究区概况图1-自然林陡坡山坡2-经济林陡坡山坡3-人工林陡坡山坡4-自然林缓坡山坡5-经济林缓坡山坡6-自然林陡坡坡麓7-经济林陡坡坡麓8-自然林缓坡坡麓9-经济林缓坡坡麓10-人工林缓坡坡麓11-自然林陡坡洼地12-经济林陡坡洼地13-自然林缓坡洼地14-经济林缓坡洼地Fig.1Overviewofthestudyarea1.steepslopeofnaturalforest2.steepslopeofeconomicforest3.steepslopeofartificialforest4.gentleslopeofnaturalforest5.gentleslopeofeconomicforest6.steepfootslopeofnaturalforest7.steepfootslopeofeconomicforest8.gentlefootslopeofnaturalforest9.gentlefootslopeofeconomicforest10.gentlefootslopeofartificialforest11.steepslopedepressionofnaturalforest12.steepslopedepressionofeconomicforest13.gentleslopedepressionofnaturalforest14.gentleslopedepressionofeconomicforest786中国岩溶2023年为陡坡和缓坡；植被类型分为自然林、人工林、经济林，自然林以石山林为主，人工林包括松树林、杉树林，经济林包括砂糖桔、夏橙、沃柑、桉树林。参考陈瑶2627等的土地类型分类，采用二级土地分级，第一级以微地貌为主导标志进行划分，第二级以坡度为主导标志并结合植被进行划分(表 1,图 1)。1.3数据采集与处理1.3.1土壤数据2020 年 78 月，在研究区设置 35 个土壤剖面（图 1），采集 70 个土壤样品，每个土壤剖面挖掘深度为 60cm，分 2 层（030cm，3060cm）进行土壤样品采集与土壤容重测定，土壤厚度不足 60cm 时挖掘与采集至实际深度（基岩）。采集土壤后带回室内，去除土样中可见的植物和动物残体，自然风干后过筛，采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳。1.3.2植被数据在对研究区进行全面踏查的基础上，选择具有代表性、立地条件基本一致的调查样地共 20 块。利用测树围尺测定样地内胸径5cm 的树木胸径，用测高仪测定树高。基于调查数据，利用回归方程计算植被碳储量2829。2020 年 1112 月，在每个样地内随机布置 2 个 1m1m 样方，果林除外。收集样品，带回实验室烘干，采用重铬酸钾外加热法测定凋落物有机碳。1.3.3计算方法土壤碳密度计算公式为：SOC=CDE(1-G)100(1)式中：SOC 为某一土层的有机碳密度（kgm2）；C 为有机碳含量（gkg1）；D 为土壤容重（gcm3）；E 为土层厚度（cm）；G 为直径大于 2mm 的砾石所占的体积百分比。凋落物碳密度计算公式为：LOC=cw1000000S10000(2)式中：LOC表示一个样方内凋落物单位面积的碳密度（thm1）；c 表示实验室测试凋落物有机碳含量（gkg1）；w 表示在样方内收集到的凋落物的干重（kg）；S 表示土地类型内样方面积（m2）；1000000 表示从克（g）到吨（t）的单位换算；10000 表示从 m2到hm 的单位换算。表 1土地类型分类Table1Classificationoflandtypes一级分类二级分类土地类型面积/hm2微地貌坡度植被山坡陡坡自然林自然林陡坡山坡34.14经济林经济林陡坡山坡6.02人工林人工林陡坡山坡0.66缓坡自然林自然林缓坡山坡9.03经济林经济林缓坡山坡13.20坡麓陡坡自然林自然林陡坡坡麓0.45经济林经济林陡坡坡麓0.64一级分类二级分类土地类型面积/hm2微地貌坡度植被坡麓缓坡自然林自然林缓坡坡麓1.13经济林经济林缓坡坡麓5.33人工林人工林缓坡坡麓0.06洼地陡坡自然林自然林陡坡洼地0.76经济林经济林陡坡洼地0.25缓坡自然林自然林缓坡洼地1.15经济林经济林缓坡洼地2.38第42卷第4期朱柏露等：桂林典型岩溶峰丛洼地碳储量功能研究7871.3.4数据处理采用Excel2017、SPSS24、Origin2018、ArcGIS10.8软件对数据进行处理和作图。应用单因素方差分析法分析不同土地利用方式间各指标差异的显著性。1.4研究方法1.4.1碳储量评估在 InVEST 模型中根据不同土地类型地上、地下、土壤、凋落物四种碳库的平均碳密度乘以各土地类型的面积来计算生态系统的碳储量，然后根据森林生态服务功能评估规范（LY/T1721-2008）计算碳储量价值，如下公式（3）、(4)。Ctotal=Csoil+Cabove+Cbelow+Cdead(3)U=CtatalM(4)式中：Ctotal是研究区的总碳储量（thm2）；Csoil土壤碳储量（t）；Cabove是地上植被碳储量（t）；Cbelow是地下植被碳储量（t）；Cdead是凋落物碳储量（t）；M 是市场碳价格，1200元t1，参考国家林业局发布的森林生态服务功能评估规范（LY/T1721-2008）；U 是研究区的碳储量功能的总经济价值（元）。1.4.2情景模拟情景模拟是基于对将来可能方案的假设。情景模拟可以帮助管理者预判研究对象未来变化趋势，避免错误地估计造成决策失误。应用情景模拟有效克服生态系统服务功能评估过程和评估方法自身的局限性，分析时空演变特征，实现高精度、可视化、动态的评估，对比分析不同情景的结果，选择最佳的发展方案，为管理者决策提供依据。2结果分析2.1生态系统碳储量及分配表 2 中，研究区土壤、地上植被、地下植被、凋落物平均碳密度分别是 184.24thm2、29.94thm2、7.05thm2、0.06thm2，占研究区生态系统平均碳密度的比例分别是 83.25%、13.53%、3.19%、0.03%，表明土壤碳储量是研究区生态系统最大的碳库。生态系统碳储量在不同层次的分配比例排序：自然林陡坡山坡、经济林陡坡山坡、人工林陡坡山坡、自然林缓坡山坡、经济林缓坡山坡、自然林陡坡坡麓、经济林陡坡坡麓、自然林缓坡坡麓、经济林缓坡坡麓、自然林陡坡洼地、经济林陡坡洼地、自然林缓坡洼地、经济林缓坡洼地等土地类型均是土壤地上植被地下植被凋落物；人工林缓坡坡麓是地上植被土壤地下植被凋落物。表 2生态系统碳储量的空间分布（thm2）Table2Spatialdistributionofcarbonstorageinecosystem(thm2)土地类型土壤碳密度地上植被碳密度地下植被碳密度凋落物碳密度自然林陡坡山坡225.84(89.18)20.60(8.14)6.72(2.65)0.07(0.03)经济林陡坡山坡164.15(78.29)41.51(19.80)3.89(1.86)0.11(0.05)人工林陡坡山坡184.19(53.42)144.84(42.01)15.66(4.54)0.11(0.03)自然林缓坡山坡205.08(69.37)73.51(24.87)16.94(5.73)0.08(0.03)经济林缓坡山坡116.83(88.77)12.18(9.25)2.55(1.94)0.05(0.04)自然林陡坡坡麓174.10(65.79)73.51(27.78)16.94(6.40)0.09(0.03)经济林陡坡坡麓117.72(88.31)11.20(8.40)4.39(3.29)0(0)自然林缓坡坡麓181.45(66.70)73.51(27.02)16.94(6.23)0.14(0.05)经济林缓坡坡麓110.90(88.35)13.01(10.36)1.62(1.29)0(0)人工林缓坡坡麓123.49(44.13)142.50(50.93)13.82(4.94)0(0)自然林陡坡洼地184.17(60.54)98.30(32.31)21.66(7.12)0.09(0.03)经济林陡坡洼地91.40(91.34)6.69(6.68)1.98(1.98)0(0)自然林缓坡洼地120.82(57.16)73.51(34.78)16.94(8.02)0.08(0.04)经济林缓坡洼地160.58(94.69)6.89(4.06)2.11(1.24)0(0)平均184.24(83.25)29.94(13.53)7.05(3.19)0.06(0.03)注：括号内数据为该层碳储量占生态系统碳储量的百分比。Note:Thedatainparenthesesisthepercentageofcarbonstorageofthislayertothatoftheecosystem.788中国岩溶2023年自然林中土壤、地上植被、地下植被、凋落物平均碳储量的分配比例是：82.88%、13.46%、3.64%、0.03%；经济林中土壤、地上植被、地下植被、凋落物平均碳储量的分配比例是：86.12%、12.08%、1.77%、0.03%；人工林中土壤、地上植被、地下植被、凋落物平均碳储量的分配比例是：52.78%、42.62%、4.57%、0.03%。从经济林到自然林再到人工林，土壤碳储量在生态系统碳储量的比例降低，而地上植被增加。表明自然林和经济林中土壤均是最大的碳汇，而人工林中土壤和地上植被的碳汇较大。2.2碳储量评估从图 2 中可以看出，低值区集中在北面山坡，高值区主要分布在山坡的西侧、南侧。研究区的碳储量总量是 16641.68t，碳密度是 221.30thm2。从碳储量总量来看，各土地类型碳储量占研究区碳储量总量的百分比超过 10%的土地类型有 3 种，其中自然林陡坡山坡是最大贡献者，为 8646.33t，占碳储量总量的比例高达 51.96%；其次是自然林缓坡山坡，碳储量总量是 2669.59t，占碳储量总量的比例是16.04%；经济林缓坡山坡碳储量为 1737.39t，占碳储量总量的比例是 10.44%。从碳密度来看，人工林陡坡山坡固碳能力最强，为 344.79thm2；其次是自然林缓坡山坡，为 295.61thm2；最低是经济林陡坡洼地，为 100.06thm2。为了更加直观地体现森林的碳汇作用和价值，在分析研究区峰丛洼地碳储量物质量的基础上，对研究区的碳汇能力进行价值量化，以货币的形式反映研究区碳汇的功能。从表 3 见，研究区碳储量经济总价值是 1997.00万元，单位面积价值是 26.56万元hm2。综合来看，在岩溶峰丛洼地地区，采取种植松树、杉树等人工林的植被恢复模式可以显著增加岩溶生态系统的碳储量，提升岩溶生态系统的碳中和能力。为了解不同植被类型的碳储量，统计分析得到表 4。人工林、自然林、经济林碳密度分别是339.38thm2、261.79thm2、150.34thm2，经济林碳密度最低。自然林碳储量是 12215.17t，占碳储量总量的比例是 73.40%，表明该研究区自然林是主要的碳汇，因此在石漠化治理中，应加强对自然林的保护，提高自然林林分质量。2.3碳储量情景模拟分析通过 InVEST 模型情景模拟板块进行情景模拟，分为 2 种情景，分别是生态保护模式和经济发展模式（图 3）。生态保护模式是以碳密度为导向，将碳密度含量低的经济林转化为碳密度含量高的人工林、自然林，提升生态系统碳储量功能。经济发展模式是以农户经济收入为导向，通过将自然林转换为经济林，扩大经济林面积增加产值，增加经济收入。如表 5，二种模式模拟下，碳储量分别是 2252.14万元hm2、1595.30万元hm2。现状、生态保护模式、经济发展模式碳储量比例为 11.130.80。生态保护模式是以国家和地方政策为导向，从生态资源可持续发展角度出发，响应“绿水青山就是金山银山”的号召，提高生态系统碳储量功能，并且针对研究区实际情况，将经济林缓坡山坡、经济林陡坡坡麓、经济林缓坡坡麓、经济林陡坡洼地、经济林缓坡洼地等低碳密度的土地类型转化成自然林缓坡山坡、自然林陡坡坡麓、人工林缓坡坡麓、自然林陡坡洼地、自然林缓坡洼地等高碳密度的土地类型。如图 3 所示，该模式下，自然林面积增加了 8.74hm2，1102830东 2530北25230北1102830东25230北2530北0130260 m 青头厄微地貌类型碳密度(tm2)Carbon density(tm2)0.12-0.170.17-0.270.27-0.350.35-0.45图2碳密度空间分布Fig.2Spatialdistributionofcarbondensity第42卷第4期朱柏露等：桂林典型岩溶峰丛洼地碳储量功能研究789碳储量经济价值较现状情况增加了 305.88万元；人工林面积增加 4.78hm2，碳储量经济价值较现状情况增加 160.30万元。经济发展模式是指农户通过扩大经营规模增加产值，根据研究区实际情况，通过扩大经济林面积，提高生产量，增加经济收入，将自然林陡坡山坡、自然林缓坡山坡、自然林陡坡坡麓、自然林缓坡坡麓、自然林陡坡洼地、自然林缓坡洼地、人工林陡坡山坡等人工林、自然林转化为经济林陡坡山坡、经济林缓坡山坡、经济林陡坡坡麓、经济林缓坡坡麓、经济林陡坡洼地、经济林缓坡洼地等经济林。在该模式下，经济林面积增加了 45.99hm2，碳储量经济价值较现状模式损失 401.68万元。3讨论张斯屿18研究指出，对采用 2 种情景模拟进行对比发现，强制保护情景的碳储量大于生态保护。表 3各土地类型的碳储量Table3Carbonstorageofeachlandtype土地类型面积/hm2碳储量/t占比/%碳密度/t.hm2经济价值/万元单位面积价值量/万元.hm2自然林陡坡山坡34.148646.3351.96253.221037.5630.39经济林陡坡山坡6.021262.067.58209.66151.4525.16人工林陡坡山坡0.66225.851.36344.7927.1041.37自然林缓坡山坡9.032669.5916.04295.61320.3535.47经济林缓坡山坡13.201737.3910.44131.61208.4915.79自然林陡坡坡麓0.45117.840.71264.6314.1431.76经济林陡坡坡麓0.6485.350.51133.3110.2416.00自然林缓坡坡麓1.13307.911.85272.0336.9532.64经济林缓坡坡麓5.33669.174.02125.5280.3015.06人工林缓坡坡麓0.0616.710.10279.812.0133.58自然林陡坡洼地0.76231.691.39304.2227.8036.51经济林陡坡洼地0.2524.970.15100.063.0012.01自然林缓坡洼地1.15242.631.46211.3529.1225.36经济林缓坡洼地2.38404.192.43169.5848.5020.35总计75.2016641.68100.00221.301997.0026.56表 4不同植被类型下碳储量Table4Carbonstorageunderdifferentvegetationtypes植被类型面积/hm2碳密度/thm2碳储量/t占比/%碳储量价值/万元单位面积价值量/万元hm2经济林27.82150.344182.3625.13501.8718.04人工林0.72339.38244.351.4729.3240.72自然林46.66261.7912215.1773.401466.0631.42总计75.20221.3016641.68100.001997.0026.56表 5不同情景下的碳储量评估Table5Carbonstorageassessmentunderdifferentscenarios情景模拟现状情况生态保护模式经济发展模式碳储量/万元1997.252252.141595.302 0001 8001 6001 4001 2001 000800600400200自然林人工林碳储量/万元经济林现状情况生态保护模式经济发展模式图3不同情景模拟的碳储量Fig.3Carbonstoragesimulatedbydifferentscenarios790中国岩溶2023年张靖宙等19研究表明，采取 3 种情景模式比较发现，碳储量大小顺序是：石漠化治理情景快速发展情景规划发展情景。李义平20研究指出，通过对两种不同情境下的固碳能力进行比较发现，生态保护情景所拥有的固碳潜力远远大于自然发展情景，这与本文的研究结果相似。通过情景模拟预测土地利用变化对碳储量的影响显示不同发展情景的碳储量。生态系统服务功能的提升，不仅仅局限于碳储量服务功能，因此还需要针对不同土地利用方式对生态系统服务功能影响做进一步研究。人工造林和封山育林都是岩溶地区植被恢复最常用的方式30。本文研究表明，不同植被类型碳储量是：人工林自然林经济林。卢立华等16研究了广西天等县不同植被恢复模式对石漠化生态系统碳储量的影响，结果表明人工林碳储量显著高于相应同龄封育林的碳储量，与本文研究结果相似。在自然恢复模式中，植被需要经历一系列演替过程才能进入到乔木林演替阶段，要完成这一演替过程需要数十年甚至上百年31，而人工造林则能快速形成乔木林。本文对比不同植被类型的土壤碳储量，结果为自然林人工林经济林，自然林土壤碳储量较人工林高，可能是因为人为干扰少，生物多样性较人工林丰富15；自然林和人工林表层土壤碳积累机制不同，自然恢复更有利于土壤有机碳的固存32。本文研究的土壤碳储量（060cm）在 91.40225.84thm2，与同一地貌类型的广西环江土壤（060cm）碳储量相近33，明显高于贵州的土壤碳储量1617，这可能与土壤厚度有关。Zhang 等34、张珍明等35研究后寨河流域土壤有机碳影响因素指出，土壤厚度、岩石裸露率、石砾含量是影响后寨河流域土壤有机碳密度的主要因子，其中以土壤厚度影响最大。人工林、自然林、经济林生态系统碳储量是339.38thm2、261.79thm2、150.34thm2，其中人工林和自然林高于我国森林生态系统的平均碳储量（258.83thm2）30。研究表明，岩溶地区土壤有机碳普遍高于同一纬度的红壤36。由于红壤和石灰土矿化特征存在差异，石灰土的有机碳含量更高3738。本文研究区生态系统碳储量由土壤、地上植被、地下植被、凋落物组成，其中土壤碳储量占生态系统碳储量的比例为 83%，与同一区域的研究结果相似33,39。4结论（1）研究区碳储量总量是 16641.68t，碳密度是221.30thm2，经济总价值是 1997.00万元，单位面积价值是 26.56万元hm2；（2）人工林、自然林、经济林碳密度分别是339.38thm2、261.79thm2、150.34thm2，并且自然林是研究区主要的碳库；土壤碳密度是 184.24thm2，远高于其他碳库，土壤碳储量是研究区生态系统大的碳库；自然林和经济林中土壤均是最大的碳汇，而人工林中土壤和地上植被的碳汇次之；（3）情景模拟结果显示：生态保护模式碳储量是2252.14万元、经济发展模式碳储量是 1595.30万元。参考文献KasperJ,WeigelR,WalentowskiH,GrningA,PetritanAM,Leuschner C.Climate warming-induced replacement of mesicbeechbythermophilicoakforestswillreducethecarbonstoragepotentialinabovegroundbiomassandsoilJ.AnnalsofForestScience,2021,78-89.1Pielke R,Wigley T,Green C.Dangerous 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