全 文 ：祁连山青海云杉林生物量和碳储量空间分布特征*
彭守璋1 摇 赵传燕1**摇 郑祥霖1 摇 许仲林2 摇 何摇 磊2
( 1 兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室, 兰州 730000; 2 兰州大学西部环境教育部重点实验室, 兰州 730000)
摘摇 要摇 根据野外调查资料、祁连山地区青海云杉林相图和气象资料,在 GIS 技术的支持下
估算了祁连山地区青海云杉林的生物量和碳储量及其空间分布.结果表明:2008 年,研究区青
海云杉林平均生物量为 209郾 24 t·hm-2,总生物量为 3郾 4伊107 t;研究区水热条件的差异使青
海云杉生物量在地理空间上存在较大的差异性;经度每增加 1毅,青海云杉生物量增加
3郾 12 t·hm-2;纬度每增加 1毅,生物量减少 3郾 8 t· hm-2;海拔每升高 100 m,生物量减少
0郾 05 t·hm-2;2008 年,研究区青海云杉林碳密度在 70郾 4 ~ 131郾 1 t·hm-2,平均碳密度为
109郾 8 t·hm-2,幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林的平均碳密度分别为 83郾 8、109郾 6、
122、124郾 2 和 117郾 1 t·hm-2,研究区青海云杉林总碳储量为 1郾 8伊107 t.
关键词摇 祁连山摇 生物量摇 碳储量摇 青海云杉摇 空间分布
文章编号摇 1001-9332(2011)07-1689-06摇 中图分类号摇 S718郾 5摇 文献标识码摇 A
Spatial distribution characteristics of the biomass and carbon storage of Qinghai spruce (Pi鄄
cea crassifolia) forests in Qilian Mountains. PENG Shou鄄zhang1, ZHAO Chuan鄄yan1, ZHENG
Xiang鄄lin1, XU Zhong鄄lin2, HE Lei2 ( 1Ministry of Education Key Laboratory of Arid and Grassland
Ecology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China; 2Ministry of Education Key Laboratory of
Western China爷 s Environmental Systems, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China) . 鄄Chin. J.
Appl. Ecol. ,2011,22(7): 1689-1694.
Abstract: This paper estimated the biomass and carbon storage and their spatial distributions of
Qinghai spruce (Picea crassifolia) forests in Qilian Mountains, based on the field investigation, for鄄
est map, and meteorological data, and with the help of GIS technology. In 2008, the biomass of the
forests was averagely 209郾 24 t·hm-2, with a total biomass of 3郾 4伊107 t. Due to the difference of
water and thermal condition, there existed great differences in the biomass of Qinghai spruce within
the Mountains. The biomass increased by 3郾 12 t·hm-2 with increasing 1毅 longitude and decreased
by 3郾 8 t·hm-2 with increasing 1毅 latitude, and decreased by 0郾 05 t·hm-2 with the elevation in鄄
creasing 100 m. The carbon density of the forests ranged from 70郾 4 to 131郾 1 t·hm-2, averagely
109郾 8 t · hm-2, and the average carbon density was 83郾 8 t · hm-2 for the young forest,
109郾 6 t·hm-2 for the middle age forest, 122 t·hm-2 for the near鄄mature forest, 124郾 2 t·hm-2
for the mature forest, and 117郾 1 t·hm-2 for the over鄄mature forest. The total carbon storage of
Qinghai spruce forests in the study area was 1郾 8伊107 t.
Key words: Qilian Mountains; biomass; carbon storage; Qinghai spruce (Picea crassifolia); spa鄄
tial distribution.
*国家自然科学基金重点项目(91025015)和环境保护公益性行业
科研专项(NEPCP200809098)资助.
**通讯作者. E鄄mail: nanzhr@ lzb. ac. cn
2010鄄12鄄10 收稿,2011鄄04鄄14 接受.
摇 摇 工业革命以来,工业、交通和能源消耗等人类活
动向大气中排放大量 CO2、CH4 和其他温室气体导
致的全球气候变暖是世界经济可持续发展和国际社
会所面临的最严峻挑战. 当生态系统固定的碳量大
于排放的碳量,该系统就成为大气 CO2 的碳汇(car鄄
bon sink),反之则为碳源(carbon source) [1] .森林生
态系统植被所固定的碳量约占陆地植被总固碳量的
82郾 5% [2],是森林固碳能力的重要标志[3-4] . 《京都
议定书》 [5]认为,可通过增加森林生态系统所固定
的碳量来抵消由于人类活动向大气中排放的 CO2,
并倡导清洁发展机制 ( clean development mecha鄄
nism, CDM)下的造林再造林活动.我国是世界上造
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 7 月摇 第 22 卷摇 第 7 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2011,22(7): 1689-1694
林保存面积和年造林面积最多的国家[6],准确估算
我国森林生态系统的碳储量不仅可以减少全球或区
域碳平衡估算中的不确定性,而且对研究全球碳循
环有重要的理论和现实意义[7-9] .
森林生态系统中植被存储的碳量可通过准确估
算植被生物量来推算[3-4] .可利用生物量模型(包括
相对生长关系法和生物量鄄蓄积量法) [10-11]、生物量
估算参数法[7,12]、3S法[13-14]和树木年轮法[6]等方法
估算森林植被生物量.在大尺度森林生物量估算中,
参数法和生物量鄄蓄积量法的应用最广泛[15] . Fang
等[7]基于生物量换算因子连续函数(biomass expan鄄
sion factor, BEF)法结合 1949—1998 年中国森林资
源清查资料及相关的统计资料,研究了中国森林植
被碳库及其时空变化;Zhou 等[11]在总结前人对生
物量鄄蓄积量研究的基础上,利用收集到的全国 34
组落叶松(Larix spp. )林实地测量资料,建立了生物
量和蓄积量的双曲线关系模型,成功估算了我国落
叶松林的生物量.这两种方法是在林分尺度上通过
构建生物量与材积之间的关系并结合材积资料来计
算大区域生物量[7,11],需要林分尺度上生物量和材
积量的实测值,对树木会产生较大破坏.而区域森林
生物量的估算可从单株进行推算[16],实现生物量由
单株尺度到林分尺度的转换,可以减少对树木的破
坏.树木生物量由树木自身因素和外部因素共同决
定,树木自身因素主要指树龄,外部因素指树木所处
的环境,如光照、水热条件等.
青海云杉(Picea crassifolia)是我国青藏高原东
北边缘特有树种,目前主要分布在祁连山和贺兰山
两大山系中,总分布面积 1郾 37伊105 hm2,其中祁连山
分布面积占 94郾 6% [17] . 青海云杉的分布中心是甘
肃、青海两省交界的祁连山,其分布高度多集中在
2500 ~ 3200 m[18] . 由于 20 世纪 60、70 年代人类不
合理的土地利用,导致青海云杉林面积大幅减少;自
20 世纪 80 年代初以来,祁连山保护局的建立以及
森林法的实施,使青海云杉林有所恢复.气候条件的
差异和人类活动的不同影响使祁连山青海云杉林分
布格局在东、中和西部存在差异[19],相应的生态系
统碳储量也有很大的空间变异性,但目前对该区域
森林生态系统植被碳储量空间变化特征的研究尚不
多见.为此,本文以 GIS 技术为支撑,将野外调查与
青海云杉林生境相结合,先从单株推算林分尺度生
物量,再建立生物量与林龄和立地条件的关系式来
估算祁连山青海云杉林生物量和碳储量,并探讨其
空间分布特征,旨在探讨青海云杉碳储量在空间上
的变化特征,并为森林生态系统的恢复和重建以及
增加碳汇功能提供基础资料.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
本研究区位于甘肃省祁连山北坡 (36毅 30忆—
39毅41忆 N,97毅23忆—103毅46忆 E),海拔 1595 ~ 5573 m
(图 1),该区气候垂直差异大,降水量自东向西递
减,并随着海拔的升高而增加,气温随着海拔的升高
而降低[17] . 植被有明显的垂直分布规律:海拔
2000 ~ 2600 m为山地干草原带;海拔 2600 ~ 3200 m
的阴坡或半阴坡为青海云杉林,阳坡、半阳坡主要为
草地和祁连圆柏(Sabina przewalskii)并伴随一些灌
丛;海拔 3200 ~ 3800 m 主要为高山灌丛;海拔
3800 ~ 4000 m为高山草甸植被带;海拔 4000 ~
4500 m为高山垫状植被带;海拔 4500 m以上分布着
冻土、积雪和冰川.
1郾 2摇 野外采样和数据收集
2008 年 7—8 月,在祁连山北坡从东至西布设
样地 313 个.样地选择原则:生境有代表性、样地内
树木分布相对均匀、不受人为干扰或干扰较小.并且
样地是从林地的低海拔向高海拔布设,垂直梯度上
每隔 50 m布设 2 个样地,以确保样地的代表性. 研
究区林地在祁连山自然保护局的保护范围内,人类
活动影响很小,根据上述原则选择的样地已能代表
整个研究区.每个样地先选择一个中心点,用激光测
距仪测出半径 10 m的样圆,在样圆内每株树基部插
上写有序号的小旗,统计株数,每木检尺获得胸径,
用激光测高仪测量树高,并在样圆的中心点测量每
株树的方向和离中心点的距离. 每个样圆中心用
GPS定位,用罗盘获取样圆所在地的坡度和坡向,找
图 1摇 研究区各气象站点和采样点的分布
Fig. 1摇 Distribution of the meteorological stations and sampling
points in the study area.
0961 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
出样地内胸径等于或接近平均胸径的树木,用生长
锥取其树芯,每个样地取 2 ~ 4 棵.树芯取回后,在实
验室对其进行粘贴、打磨和初步定年,并用树轮读数
仪再次定年.
1953—2008 年的月气温和降水资料由研究区
及周边的 28 个气象站点提供.数字高程模型(digital
elevation model, DEM)数据源于日本 ASTER发布的
共享数据[20],空间分辨率为 30 m伊30 m,误差在 7 ~
14 m. 2000 年的青海云杉林相图由祁连山自然保护
局提供,该林相图含有青海云杉分布面积、林龄、地
位级等信息.根据青海云杉的生长特性,15 a 后生长
逐渐加快,20 ~ 90 a 高生长旺盛,年均生长量达
15 ~30 cm,之 后 生 长 减 慢, 高 生 长 可 持 续 到
130 ~150 a,年均生长量 10 ~ 15 cm,190 ~ 200 a 以后
开始逐渐衰老,并停止生长[17] .为了探讨青海云杉的
生长规律,将其分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林
和过熟林,分别对应的年龄段为 20 a 以下、
21 ~120 a、121 ~140 a、141 ~180 a和 181 a以上[21] .
1郾 3摇 研究方法
1郾 3郾 1 青海云杉生物量模型摇 青海云杉单株材积量
与生物量之间存在良好的线性关系[17,22],在样地尺
度下青海云杉生物量的算式如下:
Y =
y1 + y2 + … + yn
A
=
a + bx1 + a + bx2 + … + a + bxn
A
= a nA + b
X
A (1)
式中:Y、X、A、n分别为样地内青海云杉的生物量、材
积总量、面积、树木株数; a 和 b 是单株树木生物量
(y = [y1,y2,…,yn])与材积量(x = [x1,x2,…,xn])
之间的线性回归系数. 根据文献[22] 的数据,对青
海云杉单株材积量与生物量进行线性拟合,得到 a =
75郾 18、b = 451郾 9,因此式(1) 可表示为:
Y = 75郾 18 nA + 451郾 9
V
A (2)
根据已测的树高和胸径查看青海云杉二元材积
表[17]得到样地内每棵树木的材积,再结合样地的面
积和样地内树木株数可得到每个样地的生物量.
1郾 3郾 2 青海云杉立地条件的空间分布摇 森林生物量
与树木胸径和树高密切相关,而胸径和树高又受树
龄和立地条件的影响. 由于青海云杉林分布区的纬
度跨度和海拔跨度较大,导致气温和降水的空间差
异显著,立地条件主要受气温和降水的影响.为了更
好地分析青海云杉生物量与胸径、树高、年龄和立地
条件的关系,需明确每个样地的胸径、树高、年龄和
立地条件信息.树木胸径、高度、年龄可通过观测获
得.本文利用研究区各气象站点数据,结合海拔和经
纬度建立气候要素与地理位置和海拔因子之间的多
元线性回归方程[23-24],基于 DEM 数据,借助 GIS 技
术实现研究区重要气候变量(多年夏季平均气温和
年均降水量)高分辨率的空间分布. 多元线性回归
方程如下:
Q = a + bZ + cLon + dLat (3)
式中:Q为多年夏季平均气温或年均降水量;Z、Lon、
Lat分别是海拔、经度、纬度;a、b、c、d为回归系数.其
中,20 个气象站点的数据用于建立式(3),其余 8 个
站点用于验证式(3) .
1郾 3郾 3 青海云杉生物量的空间分布摇 许多调查点布
设多个样圆,将同一样地多个样圆合并,共 31 个大
样地(其中,21 个大样地数据用于建模,10 个大样
地数据用于模型验证),每个样地的数据包括单位
面积材积量、单位面积生物量和树木的平均年龄.在
高分辨率的多年夏季平均气温和年均降水量空间分
布数据上提取相应大样方的多年夏季平均气温和年
均降水量.样地内生物量(Y)与树木平均年龄和气
温、降水之间的关系式如下:
Y = a + bAge + cP + dT (4)
式中: Age为样地内树木的平均年龄; P和 T分别为
相应样地的年均降水量和多年夏季平均气温;a、b、
c、d为回归系数.
根据式(4),结合研究区青海云杉林相图和气
候栅格数据推算出青海云杉生物量的空间分布.
用决定系数(R2)对上述回归方程的拟合程度
进行评判,并进行 F 检验和均方根误差(RMSE)分
析.数据分析在 Matlab软件中进行.
1郾 3郾 4 青海云杉碳储量的空间分布摇 根据青海云杉
林生物量的空间分布以及生物量鄄碳转换系数推算
青海云杉碳储量的空间分布.生物量鄄碳换算系数通
常在 0郾 44 ~ 0郾 55,有报道指出,青海云杉林各器官
(干、枝、叶、根) 生物量鄄碳换算系数平均值为
0郾 52[21] .因此,本文采用 0郾 52 作为青海云杉生物
量鄄碳换算系数.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 祁连山地区重要气候要素的空间分布
研究区多年夏季平均气温和年均降水量的回归
方程如下:
19617 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 彭守璋等: 祁连山青海云杉林生物量和碳储量空间分布特征摇 摇 摇 摇 摇
T = - 3郾 85 - 0郾 006H + 0郾 26Lon + 0郾 18Lat
(R2 = 0郾 94, F = 278) (5)
P = - 704郾 2 + 0郾 12H + 20郾 1Lon - 35Lat
(R2 = 0郾 77, F = 61) (6)
祁连山地区多年夏季平均气温和年均降水量实
测值与模拟值均较接近(图 2).
随着海拔的升高,研究区夏季多年平均气温降
低,递减率约 0郾 6 益·(100 m) -1;随着纬度和经度
的增加,夏季多年平均气温增加;随着海拔升高,研
究区年均降水量增多,并且降水有明显的纬度地带
性分布规律,与 Zhao 等[24]在祁连山地区的计算结
果一致.随着经度的增加,祁连山地区夏季平均气温
和年均降水量相应增多(图 3). 将夏季平均气温小
于 0 益的栅格提取出来,导入 Google Earth,发现夏
季平均气温小于 0 益的地方基本是多年积雪和冰川
分布区.
2郾 2摇 祁连山地区青海云杉林生物量的空间分布
研究区样地内青海云杉生物量(Y)与树木平均
年龄(Age)和气候数据(T, P)的拟合方程如下:
Y=13郾 8-0郾 0003Age2+0郾 11Age
(R2 =0郾 71, F=48) (7)
Y=6郾 6-0郾 00029Age2+0郾 111Age+
0郾 3T+0郾 012P
(R2 =0郾 76, F=59) (8)
图 2摇 祁连山地区夏季平均气温( a,益)和年均降水量(b,
mm)实测值与模拟值的比较
Fig. 2摇 Comparison of measured and estimated values of summer
average temperature ( a, 益) and average annual precipitation
(b, mm) in Qilian Mountainous area.
图 3摇 祁连山地区夏季平均气温(a,益)和年均降水量的(b,
mm)空间分布
Fig. 3摇 Spatial distribution of summer average temperature ( a,
益) and average annual precipitation (b, mm) in Qilian Moun鄄
tainous area.
摇 摇 祁连山地区青海云杉林生物量随着林分年龄的
增大先增大后减小,林龄为 183 a 时的生物量最大.
王金叶等[21]在寺大龙林区和西水大野口林区研究
得出,青海云杉林在 160 a时生物量最大,与本文结
果相差 23 a,其差异可能与样地选取和样地数量有
关.由于祁连山地区青海云杉林的分布面积较大,生
境差异性显著,个体生长处于气候生态幅的不同位
置,对生物量有明显影响.将气温和降水引入式(7)
提高了模型精度,根据式(8)对林分尺度下青海云
杉生物量进行模拟,用 10 个大样地数据验证,结果
表明模拟值略低于实测值(图 4).
基于研究区青海云杉林相图和气候栅格数据,
根据式(8)推算研究区青海云杉林生物量的空间分
图 4摇 研究区青海云杉林生物量实测值与模拟值的比较
Fig. 4 摇 Comparison of measured and estimated values of bio鄄
mass of Qinghai spruce forest in the study area.
2961 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
布.由图 5a 可以看出,2008 年,研究区青海云杉幼
龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林的单位生物
量 分 别 为 159郾 9、 209、 232郾 8、 236郾 9 和
223郾 4 t·hm-2;总生物量为 3郾 4伊107 t,单位生物量
在 134郾 3 ~ 250郾 1 t·hm-2,平均值为 209郾 2 t·hm-2,
与王金叶等[21](祁连山青海云杉林乔木层生物量为
177郾 5 t·hm-2)和常学向等[25](寺大隆林区青海云杉
林乔木层生物量为 217郾 4 t·hm-2)的研究结果接近.
将青海云杉林生物量分布图(图 5a)与经度栅
格图、纬度栅格图和 DEM 进行叠置分析发现,研究
区青海云杉林生物量的空间分布呈现出三向地带性
规律:经度每增加 1毅,生物量增加 3郾 12 t·hm-2;纬
度每增加 1毅,生物量减少 3郾 8 t·hm-2;海拔每升高
100 m,生物量减少 0郾 05 t·hm-2 .随着经度的增加,
夏季平均气温和年均降水量均增加,导致生物量增
加;随着纬度的增加,夏季平均气温增加而年均降水
量减少,它们对树木生长的作用相反,但降水占主导
地位,因此随着纬度的增加,生物量减少;随着海拔
的升高,夏季平均气温降低、年均降水量增加,二者
对树木生长的作用相反,但夏季平均气温占主导地
位,因此随着海拔的升高,生物量减少.
2郾 3摇 祁连山地区青海云杉碳储量的空间分布
根据青海云杉林生物量的空间分布以及转换系
图 5摇 研究区青海云杉林生物量(a,t·hm-2 )和碳储量(b,t
·hm-2)的空间分布
Fig. 5摇 Spatial distribution of biomass (a, t·hm-2) and car鄄
bon storage (b, t·hm-2) of Qinghai spruce forest in the study
area (2008).
数(0郾 52)计算青海云杉碳储量的空间分布.从图 5b
可以看出,研究区青海云杉林碳储量为 1郾 8伊107 t,
单位面积碳储量(碳密度)在 70郾 4 ~ 131郾 1 t·hm-2,
平均值为 109郾 8 t·hm-2;幼龄林、中龄林、近熟林、
成熟林和过熟林的平均碳密度分别为 83郾 8、109郾 6、
122、124郾 2、117郾 1 t·hm-2 .
3摇 讨摇 摇 论
方精云等[26]在区域尺度森林生物量的推算中
使用了生物量与木材蓄积量之间的换算关系
(BEF),并且总结出 BEF 随着林龄、立地、林分密
度、林分状况不同而异. 从本研究的式(2)和式(8)
也可以推导出青海云杉生物量与材积量、林龄、林分
密度、立地条件有关.在林分尺度上,树木材积量、林
分密度和林龄是影响林分生物量的自身原因. 由幼
龄到成熟阶段,随着树木年龄的增加,青海云杉林生
物量逐渐增加,成熟期达最大值,之后,随着树木年
龄的增大,林分累积生物量的速率减慢,林分尺度下
本研究区青海云杉生物量在 183 a 时出现最大值.
森林生物量处于一个时刻变动的过程当中,为了精
确地模拟森林生物量时空变化,需建立和发展具有
物理机制和生理学意义的生物量模型[27] .
水热条件是影响青海云杉生物量的外部因素.
由于祁连山地区海拔和经纬度的跨度较大,导致该
区气温和降水的空间差异性较大,而气温和降水是
影响植物生长发育的主要因素[27],从而使青海云杉
生物量在区域尺度上存在很大差异.经度每增加 1毅
生物量增加 3郾 12 t·hm-2;纬度每增加 1毅生物量减
少 3郾 8 t·hm-2;海拔控制水热组合从而影响生物量
在高度梯度上的差异,每升高 100 m 生物量减少
0郾 05 t·hm-2 . 气候要素的精确模拟是精确估算生
物量的前提,因此,在区域生物量模拟与预测方面需
要加强区域气候模式与生物量估算模型的耦合研
究[28] .
气温和降水是影响青海云杉生物量的主要外部
因素,也是影响青海云杉碳储量的主要外部因素,但
在实际环境中影响森林碳储量的外部因素很多,如
光照、温度、水分、湿度、土壤、CO2 等.从生态位的角
度而言,这些外部因素共同构成一个多维的资源空
间[29],在资源空间里不同的资源配置下青海云杉生
长状况不尽相同,导致青海云杉的碳储量也存在差
异.这些外部因素在地理空间上的差异性较大,从而
使青海云杉碳储量在地理空间上表现为较大的变异
性.从生态位角度出发研究青海云杉碳储量的空间
39617 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 彭守璋等: 祁连山青海云杉林生物量和碳储量空间分布特征摇 摇 摇 摇 摇
变异性,将是下一步工作的重点.
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作者简介摇 彭守璋,男,1986年生,硕士研究生.主要从事遥感
与 GIS应用研究,发表论文 3篇. E鄄mail: pengshzh09@ lzu. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
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