基于InVEST模型的甘肃省祁连山林区乔木林碳储量时空变化研究.pdf

西北林学院学报2 0 2 3,3 8(4):2 3 3-2 4 0J o u r n a l o f N o r t h w e s t F o r e s t r y U n i v e r s i t y d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 1-7 4 6 1.2 0 2 3.0 4.2 9基于I n V E S T模型的甘肃省祁连山林区乔木林碳储量时空变化研究 收稿日期:2 0 2 2-0 7-3 0 修回日期:2 0 2 2-0 9-2 6 基金项目:甘肃省自然科学基金(2 0 J R 5 R A 0 9 0)。第一作者:赵方圆。研究方向:林业资源调查规划、林业碳汇。E-m a i l:7 7 0 8 8 3 0 3 9q q.c o m*通信作者:王琼芳。研究方向:林业碳汇。E-m a i l:4 9 3 1 6 1 6 8 4q q.c o m赵方圆1,2,王琼芳1,2*,张华堂1,2,陈智平1,2,张 璐1,2(1.甘肃省生态资源监测中心,甘肃 兰州 7 3 0 0 2 0;2.甘肃省林业调查规划院,甘肃 兰州 7 3 0 0 2 0)摘 要:以祁连山林区乔木林为研究对象,基于甘肃省林地更新数据和中国土地覆盖及地形数据,运用I n V E S T模型估算和分析祁连山林区乔木林的碳储量时空变化特征。结果表明,1)研究区乔木林碳储量的分布呈现北部片状中部点状片状南部线状的分布特征。2)2 0 1 6-2 0 1 9年研究区乔木林碳储量增长了2 5 8.9 1万t,年均碳汇量8 6.3 0万t。3)2 0 1 6、2 0 1 9年云杉的碳储量占比最大,平均占比8 8.8 2%,且以最具未来碳汇潜力的中龄林和近熟林增长为主,主要分布在海拔2 5 0 03 5 0 0 m、坡度1 0 4 0 的阴坡和半阴坡及半阳坡。4)2 0 1 6-2 0 1 9年,牧草地、耕地、未利用地、建设用地向林地转移1 2 1 9.2 2 h m2,呈现牧草、耕地、未利用地、建设用地向林地回转的趋势。研究结果一定程度上反映了研究区森林碳汇功能向良性转变,表明了退耕还林、人工造林等生态治理工程的有效性。关键词:I n V E S T模型;祁连山林区;碳储量中图分类号:S 7 1 8.5 5 6 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 6 1(2 0 2 3)0 4-0 2 3 3-0 8T e m p o r a l a n d S p a t i a l V a r i a t i o n s o f A r b o r F o r e s t C a r b o n S t o r a g e o f G a n s u P r o v i n c e B a s e d o n I n V E S T M o d e l i n t h e F o r e s t A r e a o f t h e Q i l i a n M o u n t a i n sZ H A O F a n g-y u a n1,2,WA N G Q i o n g-f a n g1,2*,Z H A N G H u a-t a n g1,2,C H E N Z h i-p i n g1,2,Z H A N G L u1,2(1.G a n s u P r o v i n c i a l E c o l o g i c a l R e s o u r c e s M o n i t o r i n g C e n t e r,L a n z h o u 7 3 0 0 2 0,G a n s u,C h i n a;2.G a n s u P r o v i n c i a l F o r e s t r y S u r v e y a n d P l a n n i n g I n s t i t u t e,L a n z h o u 7 3 0 0 2 0,G a n s u,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e d o n t h e f o r e s t l a n d u p d a t e d a t a i n G a n s u P r o v i n c e i n 2 0 1 6 a n d 2 0 1 9,C h i n a s l a n d c o v e r d a t a a n d t o p o g r a p h i c d a t a,t h e I n V E S T m o d e l w a s u s e d t o e s t i m a t e a n d a n a l y z e t h e t e m p o r a l a n d s p a t i a l v a r i a-t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f c a r b o n s t o r a g e i n t h e a r b o r f o r e s t s i n t h e Q i l i a n M o u n t a i n s.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t 1)t h e d i s t r i b u t i o n o f c a r b o n s t o r a g e i n a r b o r f o r e s t s i n t h e s t u d y a r e a p r e s e n t e d t h e d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r-i s t i c s o f n o r t h e r n f l a k y-c e n t r a l p o i n t f l a k y-s o u t h e r n l i n e a r.2)I n 2 0 1 6 a n d 2 0 1 9,t h e c a r b o n s t o r a g e o f a r b o r f o r e s t s i n t h e s t u d y a r e a i n c r e a s e d b y 2 5 9 0 0 t,w i t h a n a v e r a g e a n n u a l c a r b o n s i n k o f 8 6 3 0 0 0 t.3)I n 2 0 1 6 a n d 2 0 1 9,t h e c a r b o n s t o r a g e o f s p r u c e a c c o u n t e d f o r t h e l a r g e s t p r o p o r t i o n,w i t h a n a v e r a g e p r o p o r t i o n o f 8 8.8 2%,a n d t h e g r o w t h o f m i d d l e-a g e d a n d n e a r-m a t u r e f o r e s t s w i t h t h e m o s t p o t e n t i a l c a r b o n s i n k s i n t h e f u t u r e w a s t h e m a i n g r o w t h,m a i n l y d i s t r i b u t e d o n s h a d y,s e m i-s h a d y a n d s e m i-s u n n y s l o p e s w i t h a n a l-t i t u d e o f 2 5 0 0-3 5 0 0 m a n d a s l o p e o f 1 0 -4 0 .4)F r o m 2 0 1 6 t o 2 0 1 9,1 2 1 9.2 2 h m2 o f p a s t u r e l a n d,c u l-t i v a t e d l a n d,u n u s e d l a n d,a n d c o n s t r u c t i o n l a n d t u r n e d b a c k t o f o r e s t l a n d.T h e a b o v e r e s u l t s r e f l e c t t h e b e-n i g n t r a n s f o r m a t i o n o f t h e f o r e s t c a r b o n s i n k f u n c t i o n i n t h e s t u d y a r e a,i n d i c a t i n g t h e e f f e c t i v e n e s s o f e c o-l o g i c a l g o v e r n a n c e p r o j e c t s s u c h a s r e t u r n i n g f a r m l a n d t o f o r e s t s a n d a r t i f i c i a l a f f o r e s t a t i o n.K e y w o r d s:I n V E S T m o d e l;Q i l i a n M o u n t a i n f o r e s t a r e a;c a r b o n s t o r a g e 森林碳储量的变化在很大程度上影响着陆地生态系统的碳汇功能。甘肃省地处我国西北内陆,长期以来受荒漠化、水土流失等重大环境问题的制约,森林资源较少且分布不均匀。此外,由于气候、地形等自然原因导致造林管护难度较大,恢复林草、扩大森林植被存在很大的挑战。截至2 0 1 7年,祁连山森林覆 盖 率 由2 0世 纪5 0年 代 的2 2.4%减 少 到1 4.4%,乔木林地、灌木林地向疏林地、草地的变化趋势愈加明显1-2。2 0 1 7年,祁连山国家级自然保护区生态环境破坏问题突出,甘肃省先后印发出台了 全省林业系统自然保护区生态环境保护问题自查整改实施方案 甘肃祁连山国家级自然保护区矿业权分类退出办法 等文件,加快实施祁连山生态移民、祁连山山水林田湖草沙生态保护修复等工程3。在此生态整治背景下,祁连山林区碳储量时空变化研究可评估祁连山地区的生态治理成效,为今后的林地资源管理和决策提供参考。目前通过土地利用类型评估碳储量变化的相关研究主要有C A S A模型、I n V E S T模型等,其中I n-V E S T模型以土地利用数据为基础,对区域景观下特定时间段的生态系统的碳储量进行估算,是目前较为成熟、可靠性较高的一种评估方法。刘晓娟等4以土地利用的视角模拟了2 1 0 0年的陆地生态系统碳储量,刘洋等5预测了2 0 4 0年疏勒河流域的生态系统碳储量,刘冠等6估算了1 9 9 9-2 0 1 6年陕西省延安南部麻塔流域的碳储量,并探讨了坡度、坡向、坡位对碳储量的影响。巩杰等7分析了甘肃白龙江流域生境质量时空分异特征。张影等8评估了白龙江流域碳储量时空分布格局。基于I n V E S T模型计算区域碳储量的研究往往是一个地类只给出一组地上、地下、土壤和死亡有机质的碳密度,且无年际变化,数据来源于相似研究年限、相似研究地域的土地利用类型碳密度,计算依托于土地利用类型的面积转移这一个变量,而蓄积、树龄、土壤条件、地形等多因子共同影响乔木林的碳密度值。本研究基于2 0 1 6、2 0 1 9年森林资源管理年度更新数据,通过样本筛选将蓄积量等属性因子合格的小班提取出来,通过生物量扩展因子法计算出研究区乔木林不同龄组、不同优势树种的地上、地下部分及土壤碳密度,再运用I n V E S T模型分不同研究年限、龄组、优势树种对乔木林的地上、地下部分及土壤碳密度分别赋值进而计算研究区乔木林碳储量,从而提升模型估算的准确度。1 材料与方法1.1 研究区概况甘肃省祁连山林区地处我国西北内陆,跨张掖、武威、金昌、山丹马场、兰州市,总面积1.8 6万k m2,地理坐标3 6 7 6 -3 9 7 3 N,9 7 3 9 -1 0 3 7 6 E,海拔1 8 0 0 5 5 6 4 m,属高山、中山地貌。年降水量3 0 05 0 0 mm,植被垂直分布规律明显。主要树种有青海云杉(P i c e a c r a s s i f o l i a)、祁连圆柏、桦木(B e t u l a)等。多年来,西部林牧交错矛盾突出,野生动物及其栖息地环境不断恶化,生态环境脆弱问题突出。1.2 数据来源1.2.1 土地利用数据 数据源自L a n d s a t的2 0 1 6年和2 0 1 9年2个年度的分辨率为3 0 m的中国土地覆盖数据集(C L C D)9。1.2.2 研究区范围界线和乔木林蓄积量数据 研究区范围界线和乔木林蓄积量数据基于2 0 1 6、2 0 1 9年森林资源管理年度更新数据。参考全国第九次森林资源清查数据和林业资源管理资料,利用A r c-G I S 1 0.6软件对甘肃省林地一张图数据中的小班区划形状、优势树种、龄组、面积等空间部分和属性部分因子进行现地验证,将核实通过的小班提取出来作为研究区乔木林碳密度测算的基础数据,数据具备准确性和实效性。1.2.3 地形数据 D EM数据来源于S R TM(S h u t-t l e R a d a r T o p o g r a p h y M i s s i o n),分辨率为3 0 m。在A r c G I S 1 0.6软件下对数据进行镶嵌,裁切、重分类得到研究区的海拔、坡度、坡向栅格数据。1.3 研究方法1.3.1 乔木林碳密度的计算 乔木林碳储量、林下碳储量(灌木层和枯落物)和土壤碳储量如式(1)-式(3)所示1 0,具体参照 甘肃省2 0 1 8年土地利用、土地利用变化及林业碳汇计量监测技术方案1 0。基于2 0 1 6、2 0 1 9年森林资源管理年度更新数据库中蓄积量数据,运用生物量扩展因子法计算出研究区乔木林各龄组、各优势树种地上部分和地下部分、土壤的碳密度(表1)。C乔=ni=1AiViBE FiDi(1+Ri)CFi(1)C林下=C乔(2)C土壤=C乔(3)QC=C/S(4)式中:C乔为乔木层碳储量,t;n为优势树种总数;A为林地面积,h m2;V为蓄积量,m3h m-2;BE F为林木地上生物量与树干生物量的比;D为木材基本密度;R为树种根茎比;CF为生物量含碳率,为林下植物碳转换系数,取值0.1 9 51 0;为土壤碳转换系数,取值1.2 4 41 0。Qc为碳密度,th m-2;C为碳储量,t;S为林地面积,h m2。432西北林学院学报3 8卷 表1 祁连山林区乔木林分优势树种分龄组碳密度T a b l e 1 C a r b o n D e n s i t y o f D o m i n a n t T r e e S p e c i e s o f A r b o r S t a n d s b y A g e G r o u p i n Q i l i a n M o u n t a i n sth m-2优势树种龄组2 0 1 6地上、地下部分碳密度土壤碳密度2 0 1 9地上、地下部分碳密度土壤碳密度桦类(B e t u l a s p p.)幼龄林1 8.1 91 8.9 42 2.6 72 3.6 0中龄林2 7.9 02 9.0 43 1.3 03 2.5 8近熟林3 4.2 63 5.6 63 7.6 53 9.2 0成熟林3 8.3 53 9.9 24 0.6 24 2.2 9过熟林2 4.8 72 5.8 92 5.8 52 6.9 1阔叶混幼龄林1 6.5 71 7.2 52 3.3 02 4.2 5中龄林1 6.8 31 7.5 21 9.2 01 9.9 8近熟林2 5.9 42 7.0 02 7.8 52 8.9 9成熟林3 0.7 93 2.0 53 4.1 83 5.5 9过熟林1 2.9 21 3.4 51 3.9 61 4.5 4柳树(S a l i x)幼龄林0.0 00.0 00.0 00.0 0中龄林0.0 00.0 00.0 00.0 0近熟林3.4 03.5 43.5 13.6 5成熟林0.0 00.0 00.0 00.0 0过熟林7.1 97.4 97.2 77.5 7落叶松(L a r i x g m e l i n i i)幼龄林6.0 96.3 47.5 67.8 6中龄林7.1 97.4 88.9 89.3 5近熟林5.8 46.0 86.7 16.9 9成熟林2 2.6 42 3.5 72 4.5 62 5.5 7过熟林9.9 61 0.3 60.0 00.0 0其他柏类(C u p r e s s a c e a e s p p.)幼龄林1 4.0 21 4.6 01 5.6 91 6.3 3中龄林2 7.5 42 8.6 72 9.3 83 0.5 8近熟林3 5.6 53 7.1 13 7.5 23 9.0 6成熟林2 8.2 62 9.4 22 9.4 13 0.6 1过熟林0.0 00.0 00.0 00.0 0其他软阔类幼龄林3.9 34.0 90.0 00.0 0中龄林6.0 86.3 36.7 27.0 0近熟林6.1 16.3 66.3 66.6 2成熟林1 0.5 71 1.0 11 0.7 01 1.1 4过熟林9.6 61 0.0 50.0 00.0 0其他硬阔类幼龄林1 5.8 21 6.4 72 2.1 92 3.1 0中龄林1 5.9 51 6.6 01 7.1 21 7.8 2近熟林2 6.0 62 7.1 32 7.4 02 8.5 2成熟林2 9.9 63 1.1 93 0.8 13 2.0 8过熟林0.0 00.0 00.0 00.0 0杨类(P o p u l u s s p p.)幼龄林5.6 95.9 37.7 68.0 8中龄林1 3.7 11 4.2 71 0.5 41 0.9 7近熟林1 7.9 71 8.7 11 8.3 91 9.1 5成熟林2 1.0 22 1.8 82 1.7 62 2.6 5过熟林2 3.9 82 4.9 62 5.4 22 6.4 6油松(P i n u s t a b u l i f o r m i s)幼龄林0.0 00.0 00.0 00.0 0中龄林2 9.8 63 1.0 83 6.1 73 7.6 5近熟林2 6.7 72 7.8 63 0.7 43 2.0 0成熟林6 2.2 56 4.8 06 7.5 27 0.2 9过熟林0.0 00.0 00.0 00.0 0云杉(P i c e a a s p e r a t a)幼龄林2 7.9 92 9.1 42 9.0 43 0.2 3中龄林3 4.7 93 6.2 14 5.5 34 7.3 9近熟林5 3.9 45 6.1 56 5.7 86 8.4 8成熟林3 5.9 83 7.4 53 3.8 63 5.2 5过熟林2 6.2 42 7.3 22 7.5 62 8.6 9针阔混幼龄林1 1.8 31 2.3 21 3.5 31 4.0 9中龄林2 4.2 92 5.2 83 7.3 53 8.8 9近熟林3 0.6 43 1.8 95 2.2 05 4.3 4成熟林3 2.2 23 3.5 44 2.0 54 3.7 8过熟林1 0.5 11 0.9 42 4.9 02 5.9 2针叶混幼龄林2 0.1 12 0.9 43 1.9 33 3.2 3中龄林2 5.3 02 6.3 43 0.3 03 1.5 5近熟林6 7.9 47 0.7 27 5.8 97 9.0 0成熟林6 5.3 16 7.9 87 1.9 97 4.9 4过熟林 0.0 00.0 00.0 00.0 0532第4期赵方圆 等:基于I n V E S T模型的甘肃省祁连山林区乔木林碳储量时空变化研究1.3.2 土地利用数据的处理 在A r c G I S 1 0.6软件支持下,在同一坐标系(C G S-WG S-1 9 8 4)的基础上运用祁连山林区范围界线对2 0 1 6年和2 0 1 9年2个年度的中国土地覆盖数据集(C L C D)进行裁切得到研究区的光栅数据,提取2 0 1 6、2 0 1 9年森林资源管理数据库中的乔木林小斑图层,用此图层对研究区的光栅数据进行裁切得到乔木林栅格数据集。基于2 0 1 6、2 0 1 9年森林资源管理年度更新数据库中蓄积量数据,运用生物量扩展因子法计算出研究区乔木林各龄组、各优势树种乔木层、林下、土壤的碳储量及平均碳密度,其中乔木层和林下碳储量之和为I n V E S T模型中的地上部分和地下部分碳储量之和。由于死亡有机质碳库数据难以获取且其碳储量相对较小,本研究只考虑三大碳库碳储量,见式(5)。本研究将除乔木林以外的其他土地利用类型碳密度值设为0。Ci j-t o t a l=Ci j-a b o v e+Ci j-b e l o w+Ci j-s o i l(5)式中:i为优势树种;j为龄组;Ci j-a b o v e、Ci j-b e l o w、Ci j-s o i l分别为乔木林优势树种i龄组j的地上部分、地下部分和土壤碳储量,t。1.3.3 土地利用类型转移矩阵 S=S1 1S1 2S1nS2 1S2 2S2nSn1Sn2Sn n (6)式中:S为土地利用类型转移矩阵;Si j为研究初期i类土地到研究末期转为j类土地的面积;n为土地类型数。每个行值和列值表示该土地类型的转移和转入类型及其大小。2 结果与分析 2.1 祁连山林区2 0 1 62 0 1 9年碳储量时空变化特征 空间分布上,研究区中部和东南部的乔木林分布相对密集,也为碳储量分布较高的区域。碳储量的分布呈现北部片状中部点状片状南部线状的分布特征(图1),北部的点状分布集中于肃南县的西北部,该地区地类以牧草地和未利用地为主,中部片状主要集中于肃南县的东南部,南部大通河流域呈线状分布。将前后2期碳储进行栅格减法运算发现碳储量增加的区域集中在肃南县的西北部、天祝县和山丹马场。研究区各县区的乔木林碳储量均有不同程度的增长,其中山丹马场增长最快,其次为山丹县,碳储量分县区统计见表2。2.2 研究区乔木林海拔、坡度、坡向梯度的碳储量和碳密度变化特征2.2.1 海拔梯度变化 在土地利用数据和D EM地形数 据 的 基 础 上 使 用I n V E S T模 型 对 研 究 区2 0 1 6、2 0 1 9年乔木林各龄组各优势树种及对应海拔、坡度、坡向的碳储量进行估算。将研究区海拔分为4个 梯 度:3 5 0 0 m。如表3所示,2 0 1 6年和2 0 1 9年,2 5 0 03 0 0 0 m海拔范围的乔木林碳储量占比最大,为5 8.5 8%5 9%,其次为3 0 0 03 5 0 0 m,占比3 9.2 3%3 9.6 4%,其中2 5 0 0 m海拔以下的碳储量相对较低是由于该海拔梯度多分布灌木和草丛,人类活动较多导致,海拔3 5 0 0 m以上已经越过绝大部分森林植被的林线,只分布较少面积的云杉和其他柏类,碳储量最低。碳密度随海拔增长波动增减,2 0 1 6-2 0 1 9年各个海拔梯度的碳储量和碳密度较2 0 1 6年均有所提升,森林碳汇能力加强。2.2.2 坡度梯度变化 基于数字地形高程模型(D EM)数据,在A r c G I S 1 0.6软件下处理得出坡度栅格数据,通过重分类将坡度数据分为6类:5 0。如表3所示,碳储量随坡度增加呈现先增后减的趋势,在2 0 3 0 的碳储量值最大,与张影等8的研究结果相似,主要原因是该坡度梯度植被生长受人类活动影 响较少,分布的乔木林面积最多。2 0 1 6、2 0 1 9年表2 祁连山林区乔木林分县区碳储量T a b l e 2 C a r b o n s t o r a g e o f a r b o r f o r e s t s i n c o u n t i e s a n d d i s t r i c t s i n Q i l i a n M o u n t a i n s县(区)县域面积/h m22 0 1 6年碳储量/t2 0 1 9年碳储量/t碳储量增长率(%)永昌县3 9 8 9 7.8 82 2 4 0 1 5.0 82 7 3 4 3 1.0 42 2.1凉州区2 0 7 1 4.5 22 5 7 9 0 7.3 33 0 9 9 3 1.9 22 0.2古浪县9 2 1 9.4 71 0 0 8 2 1.7 31 1 6 0 4 1.9 41 5.1天祝县3 8 8 3 9 4.4 64 0 9 2 0 2 7.0 25 1 2 3 3 9 8.8 22 5.2甘州区9 4 1 9.8 94 1 5 3 8.8 94 8 8 0 1.3 51 7.5肃南县1 2 0 6 4 8 6.6 15 4 1 6 9 0 4.0 76 6 7 3 4 8 8.5 12 3.2民乐县3 2 1 2 2.8 54 2 8 6 4 0.3 05 0 4 6 3 9.9 01 7.7山丹县2 5 2 9 1.3 13 8 9 6 2 0.9 14 6 6 5 8 8.7 91 9.8山丹马场1 3 2 5 5 3.9 69 4 4 6 2.2 51 1 8 7 1 7.7 52 5.7合计1 8 6 4 1 0 0.9 61 1 0 4 5 9 3 7.5 91 3 6 3 5 0 4 0.0 32 3.4632西北林学院学报3 8卷 碳密度随坡度增加呈现先减后增的趋势。6个坡度的碳储量和碳密度在2 0 1 6-2 0 1 9年均有增加。2.2.3 坡向梯度变化 不同坡向的地表温度、植被受太阳辐射时间、雪线的高度以及降雨量存在差异差异,进而影响植被的碳储量的分布。将坡向栅格数据分为4类:阴坡(0 4 5,3 1 5 3 6 0),半阴坡(4 5 1 3 5)阳坡(1 3 5 2 2 5)半阳坡(2 2 5 3 1 5),如表3所示,在坡向梯度上,碳储量从大到小依次是阴坡、半阳坡、半阴坡、阳坡。碳密度从大到小依次是阴坡、(半阴坡;半阳坡)、阳坡。甘肃地处干旱半干旱区域,日照时间长,阴坡相对于阳坡水分、肥力等自然条件明显好于阳坡,更有利于植被的自然存活和生长,2 0 1 9年的碳储量和碳密度较2 0 1 6年均有增加,阴坡的碳储量和碳密度增加趋势更加明显。2.3 乔木林各优势树种、龄组的碳储量分布和变化特征 2 0 1 6-2 0 1 9年中龄林、近熟林碳储量占比分别3 5.4%3 6.5%、6 0.4%6 0.8%。2 0 1 6-2 0 1 9年中龄林、近熟林、碳储量分别增加了1 0 6.7 2、1 5 2.1 8万t。2 0 1 6年和2 0 1 9年云杉的碳储量占比最大,为8 8.9%8 9.5%,3 a间碳储量增长也为最大,为2 3 8.2 6万t。碳 储 量 增 长 率 最 大 的 是 杨 类(6 8 8.5%),其次是桦树(1 9 2.9%)、针阔混(1 4 6%),且以幼龄林增长最为显著,2 0 1 6、2 0 1 9年研究区乔木林优势树种各龄组的碳储量如图2所示。图1 2 0 1 6、2 0 1 9年祁连山林区乔木林碳储量分布F i g.1 D i s t r i b u t i o n o f c a r b o n s t o r a g e i n a r b o r f o r e s t s i n 2 0 1 6 a n d 2 0 1 9 i n Q i l i a n M o u n t a i n s图2 乔木林各龄组各优势树种碳储量F i g.2 C a r b o n s t o r a g e o f d i f f e r e n t d o m i n a n t t r e e s p e c i e s i n e a c h a g e g r o u p s o f a r b o r f o r e s t s 分优势树种和龄组对各梯度海拔碳储量进行统计分析发现,如图3所示,乔木林碳储量主要分布在海拔2 5 0 03 5 0 0 m,2 0 1 6-2 0 1 9年,云杉在海拔2 5 0 03 0 0 0 m碳储量占比达到9 1.3 4%,且以中龄林(3 4.1 0%)和近熟林(6 4.8 5%)为主。在海拔3 0 0 03 5 0 0 m,云杉碳储量占比8 6.7 3%,以中龄林(3 2.2 2%)和 近 熟 林(6 6.9 1%)为 主。在 海 拔3 0 0 03 5 0 0 m,其他柏类占比8.3 3%,以中龄林(8 1.3 1%)为主。分析各优势树种各龄组在不同坡度梯度下碳储量分布发现,如图4所示,云杉作为研究区的主要树种,在坡度5 0 6个坡度梯度碳储量占比分 别 为6.2 6%、2 8.2 7%、3 9.2 3%、2 2.8 9%、3.1 2%、0.2 2%,随坡度增加呈现先增后减的趋势。732第4期赵方圆 等:基于I n V E S T模型的甘肃省祁连山林区乔木林碳储量时空变化研究不同树种和龄组的碳储量在坡向梯度上也存在差异,通过分析发现,如图5所示,研究区主要树种云杉的碳储量按坡向梯度从大到小为阴坡半阳坡半阴坡阳坡。云杉在不同海拔、坡度、坡向梯度均有不同程度碳储量增长,云杉树种固碳能力的提升表明了近年来研究区退化林修复、森林抚育等工程对林地质量提升产生了非常积极的影响。2.4 祁连山林区土地利用变化及其对碳储量的影响土地利用类型的变化直接影响到碳储量的变化,如表4所示,2 0 1 6-2 0 1 9年,牧草地、耕地、未利用地、建设用地向林地转移1 2 1 9.2 2 h m2,呈现牧草、耕地、未利用地、建设用地向林地回转的趋势,核心区牧民逐步搬迁,部分天然牧草在气候、土壤、环境等因素作用下成长为灌木林和有林地,部分适宜开垦为耕地的荒草地被开发成耕地,生态建设加强后,保护区范围建设项目有序退出,退耕还林,未利用土地和建设用地规划更加合理,研究区在环境保护整改方面取得成效,此外天然林保护、退耕还林、生态移民、封山禁牧等林业生态工程建设上的效果良好,生态环境日益好转。表3 乔木林海拔、坡度、坡向梯度的碳储量和碳密度T a b l e 3 C a r b o n s t o r a g e a n d c a r b o n d e n s i t y o f a r b o r f o r e s t s u n d e r d i f f e r e n t a l t i t u d e s,s l o p e s,a n d a s p e c t g r a d i e n t s分类梯度2 0 1 6年碳储量(1 04 t)2 0 1 6年碳密度/(th m-2)2 0 1 9年碳储量(1 04 t)2 0 1 9年碳密度/(th m-2)海拔2 5 0 0 m以下1 9.5 48 1.9 22 3.9 31 0 0.5 42 5 0 03 0 0 0 m6 4 7.1 18 6.2 38 0 4.5 01 0 7.5 03 0 0 03 5 0 0 m4 3 7.8 48 4.3 85 3 4.9 51 0 4.0 73 5 0 0 m以上0.1 18 8.0 90.1 21 0 3.6 2坡度0 1 0 6 5.5 49 0.0 58 0.5 41 1 1.2 11 0 2 0 3 0 1.5 98 7.5 43 7 1.9 51 0 8.4 02 0 3 0 4 3 8.6 28 4.1 65 4 2.1 61 0 4.5 63 0 4 0 2 5 9.6 98 3.9 23 2 1.0 41 0 4.5 94 0 5 0 3 6.1 48 8.2 04 4.2 01 0 9.1 75 0 以上3.0 28 9.5 73.6 21 0 9.2 8坡向阴坡6 8 2.1 28 7.6 28 4 5.6 71 0 9.1 5半阴1 5 2.6 78 4.0 21 8 7.5 31 0 3.9 1半阳2 2 7.4 98 3.9 32 8 0.7 51 0 4.4 3阳坡4 2.3 16 8.9 54 9.5 68 1.5 9表4 祁连山林区2 0 1 6-2 0 1 9年土地利用类型转移矩阵T a b l e 4 T r a n s f e r m a t r i x o f l a n d u t i l i z e c a t e g o r y f r o m 2 0 1 6 t o 2 0 1 9 i n Q i l i a n M o u n t a i n f o r e s t a r e ah m2土地利用类型林地耕地牧草地水域未利用地建设用地林地6 9 1 9 8 4.6 40.5 53 9.5 10.7 12.4 34.1 0耕地8.7 91 7 2 7 9.7 20.0 40.0 00.0 01.0 6牧草地1 1 4 9.3 54 4.3 97 1 3 3 0 2.0 25.6 50.0 23 2.1 4水域6.8 00.0 05.3 74 6 3 5 0.3 70.0 02 1.2 9未利用地9 3.1 90.0 00.0 00.6 33 4 9 7 1 0.0 71.5 7建设用地1 4.4 81.9 04.6 20.1 50.0 07 5 6 4.5 93 结论与讨论I n V E S T模型可以很好的探究地形因素对碳储量的影响,刘冠等6基于模型估算了1 9 9 9-2 0 1 6年麻塔流域的碳储量,得出了碳储量增加的空间位置主要分布在半阴坡、中上坡以及坡度1 0 3 0 的区域,张影等8得出了白龙江流域碳储量海拔和坡度的高值主要分布在1 5 0 03 5 0 0 m和2 5 4 0 区段,与本研究的林地的碳储量空间分布特征相似,主要原因是林地是区域碳储量的主要贡献地类,植被的生长条件受地形因素的影响也比较明显。而前人研究对林地碳密度的选取主要引用他人文献中相近地域的林地平均碳密度值,研究重点集中在土地利用类型之间的转移对碳储量的时空变化影响,忽略了不同优势树种和龄组的碳储量差异,本研究区的优势树种以云杉为主,2 0 1 6年面积占比达到8 0%,其中中龄林和近熟林占比达到9 8%,通过模型计算得出研究区乔木林的平均碳密度从6 6 th m-2(2 0 1 6年)提升为8 1.7 1 th m-2(2 0 1 9年),高于2 0 1 0年 甘 肃 省 乔 木 林 平 均 碳 密 度5 1.8 0 th m-21 2,高于2 0 1 6年甘肃省天然林碳密度4 1.9 5 th m-21 3。云杉属于寒温性针叶林,单位蓄积和单位碳储量较高,赵传燕等1 4研究得出祁连山青海云杉的碳密度为1 0 0.4 6th m-2,本研究通计算得832西北林学院学报3 8卷 a.云杉;b.落叶松;c.油松;d.其他柏类;e.桦类;f.其他硬阔类;g.杨类;h.柳树;i.其他软阔类;j.针叶混;k.针阔混;l.阔叶混。下同。图3 不同海拔梯度下各优势树种各龄组的碳储量F i g.3 C a r b o n s t o r a g e o f d o m i n a n t t r e e s p e c i e s a n d a g e g r o u p s u n d e r d i f f e r e n t a l t i t u d e g r a d i e n t s图4 不同坡度梯度下各优势树种各龄组的碳储量F i g.4 C a r b o n s t o r a g e o f d o m i n a n t t r e e s