全 文 ：第 23 卷 第 12 期
2010 年 12 月
环 境 科 学 研 究
Research of Environmental Sciences
Vol. 23，No. 12
Dec.，2010
林线树种太白红杉碳储量估算
林 伟1，2，胡理乐1，郑博福2，李俊生1*
1.中国环境科学研究院，北京 100012
2.南昌大学环境与化学工程学院，江西 南昌 330031
摘要:林线对气候变化十分敏感，有关环境如何影响林线植被碳储量分布的研究鲜见报道 . 采用野外调查、遥感影像解译和
生物量模型计算相结合的方法，对秦岭主峰太白山林线树种———太白红杉(Larix chinensis)碳储量、碳密度及其分布进行了估
算 . 结果表明:太白红杉林总碳储量为 5. 290 × 105 t，其中南坡碳储量为 1. 765 × 105 t，北坡碳储量为 3. 525 × 105 t，南北坡碳储
量分布不均与太白红杉分布面积和海拔有很大的关系;太白红杉林碳密度为 0 ～ 17. 40 kg /m2，平均值为(7. 65 ± 4. 15)kg /m2，
与年均温度呈正相关，与海拔和年降水量呈负相关，温度是影响太白红杉林碳密度的关键因素 .
关键词:林线;太白红杉;碳储量;碳密度;环境因子
中图分类号:X171 文献标志码:A 文章编号:1001 － 6929(2010)12 － 1470 － 05
Carbon Storage Estimation of Timberline Tree Larix Chinensis
LIN Wei1，2，HU Li-le1，ZHENG Bo-fu2，LI Jun-sheng1
1. Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
2. School of Environment and Chemical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China
Abstract:Timberline is very sensitive to climate change. However，few studies have been performed on how the environment affects
the distribution of carbon storage of timberline vegetation. Based on a field survey and remote sensing imagery，we estimated the carbon
storage，carbon density，and distribution of Larix chinensis，a timberline tree species on Taibai Mountain in the highest peak in
Qinling;these results were combined with biomass estimation model of Larix chinensis. The results showed that the total carbon storage
of L. chinensis was 5. 290 × 105 t，of which the carbon storage was 1. 765 × 105 t along the southern slope and 3. 525 × 105 t along the
northern slope. The difference of the carbon storage between the northern slope and the southern slope was determined by elevation and
distribution area of L. chinensis. The carbon density of L. chinensis was 0-17. 40 kg /m2，with the average value of (7. 65 ± 4. 15)
kg /m2 . The carbon density had positive correlation with annual average temperature and negative correlation with both annual average
precipitation and altitude. Temperature was an essential factor to the carbon density of L. chinensis.
Key words:timberline;Larix chinensis;carbon storage;carbon density;environmental factors
收稿日期:2010 － 06 － 02 修订日期:2010 － 08 － 20
基金项目:中央 级 公 益 性 科 研 院 所 基 本 科 研 业 务 专 项
(2009KYYW12，2007KYYW04)
作者简介:林伟(1984 －)，男，江西萍乡人，linwei1984825@ 163. com.
* 责任作者，李俊生(1968 － )，男，安徽巢湖人，研究员，博士，主要
从事生态环境研究，lijsh@ craes. org. cn
高山林线是划分高山区景观类型的一条重要生
态界限［1-2］. 林线植被生长在其生态适应的极限附
近，对气候变化十分敏感，而且受到人为干扰少，是
研究植被与气候关系很好的场所［2］. 由于其特殊的
结构、功能及对气候变化的高度敏感性，高山林线已
成为全球变化研究的热点区域之一［3-5］. 同时，林线
作为全球气候变化理想的监测器，在全球气候变化
研究中也受到广泛关注［1-7］.
森林碳储量与林线关系密切，同时与环境因子
(尤其是气候因子)有很大联系 . 气候变化影响林线
植被的分布，同时也影响着林线植被生物量的分布
情况 . 因此，可通过分析气候因子来研究林线植被
生物量及碳储量的分布规律 .
太白红杉作为秦岭特有种，主要分布在海拔
3 000 ～ 3 500 m 内，是秦岭山地主要林线树种 . 以
秦岭太白红杉为研究对象，在地理信息系统(GIS)
和遥感技术的支持下，对太白红杉碳储量进行了初
步估算，分析了该区域森林碳储量的空间分布规律
及其与气候因子的关系，以期为保护太白红杉林生
态系统的完整性，为进一步研究、保护管理该珍惜物
种提供科学依据［8］.
1 研究地区和研究方法
1 . 1 研究区概况
太白红杉仅分布于陕西境内的秦岭山地，以太
DOI：10.13198/j.res.2010.12.28.linw.019
第 12 期 林 伟等:林线树种太白红杉碳储量估算
白山最为集中(33° 49′ E ～ 34° 08′ E，107° 41′ N ～
107°52′N，海拔 2 900 ～ 3 500 m)，是我国二级重点
保护野生植物，为中国特有种 . 秦岭是横贯陕西省
中南部的一条东西走向的山脉，北坡陡峭，南坡平
缓，太白山主峰拔仙台海拔 3 767. 2 m，是青藏高原
以东我国大陆的最高峰，为黄河和长江两大水系的
分水岭［9］. 该研究区域集中于太白山、文公庙、下板
寺及其周边地区，区内年降水量 500 ～ 956 mm;年均
温度 5. 9 ～ 7. 5 ℃;土壤类型主要为暗棕壤，林线附
近土层厚不及 30 cm，而在太白红杉分布的下限地
区，土层厚达 80 cm 左右，腐殖质深厚，pH 为6. 0 ～
6. 8［10］. 主要植被类型为牛皮桦(Betula utilis)、巴
山冷杉(Abies fargesii)及太白红杉等形成的纯林或
混交林，太白红杉在分布上限多呈纯林，分布下限与
巴山冷杉混交，主要灌木为太白杜鹃(Rhododendron
purdomii)、爬柏(Sabinaxt wilsonii)、头花杜鹃(R.
capitatum)、金 背 杜 鹃 (R. clementinae)和 忍 冬
(Lonicera spp)等［11］.
1 . 2 研究方法
1 . 2 . 1 太白红杉分布区域遥感图像解译
遥感数据具有数据量大、多时相性、多波段性、
观测范围广、观测数据连续和获取方便等特点 . 采
用遥感法［12-15］调查秦岭太白红杉分布状况，可对其
进行整体分析 . 所用的遥感图像为 SPOT 影像 . 时
间为 2006 年 6 月 14 日和 2007 年 11 月 20 日 . 图像
经过辐射校正、几何校正、研究区裁剪及图像增强等
预处理［16-17］，最后进行植被分类，解译出太白红杉
分布范围 .
1 . 2 . 2 环境数据获取
地形因子数据通过野外样地调查获取(如坡
度、坡向、经纬度和海拔等);气候因子数据(如年均
温度和年降水量)通过 http:/ /www. wordclim. org 网
站下载获得 . 下载数据空间分辨率为 30 s，由于 1
个像元中常有多个样地，为了获取所需要的气候数
据，在 Arc GIS9. 3 软件上插值，将像元大小分为 50
m × 50 m.
1 . 2 . 3 碳密度计算
1 . 2 . 3 . 1 样地调查
采用样地法于 2008 年 9 月—2009 年 7 月在研
究区域进行野外调查，按南北不同坡向共设置 39 个
样地，其中多数样地集中在海拔 3 100 ～ 3 500 m 之
间的太白红杉较纯的地段，每块样地面积为 400 m2
(20 m × 20 m). 样地内进行每木调查，包括胸径 /基
径(高于 2 m 的树测量胸径，低于 2 m 的树测量基
径)、树高、枝下高和冠幅等，同时记录样地环境概
况，包括样地面积、样地 GPS 坐标、海拔、坡度、坡向
和坡位等 .
1 . 2 . 3 . 2 生物量模型的修正
采用太白红杉生物量模型公式［10］:
W T = 0. 132 (D
2H )0. 847 (1)
式中，W T 为太白红杉单株总生物量，kg;D 为胸径，
cm;H 为树高，m.
在野外样地调查中，低于 2 m 的太白红杉测量
基径，因此需要建立基径与生物量的关系式 . 假设
太白红杉外形类似于圆锥体，通过三角形相似原理
可建立基径与胸径的比例关系式，代入式(1)，可得
到生物量跟基径的关系式，但该关系式需满足树必
须高于 2 m 的前提条件，因此需要对式(1)计算的
结果进行回归分析，最后得到生物量与体积的关系
式〔见式(2)和式(3)〕，从而消除该限制条件 .
W T = 0. 158 9 V
0. 936 1 (2)
V = 1 /3·π·(r /2)2·H (3)
式中，V 为材积，cm2·m;r 为基径，cm;H 为树高，m.
1 . 2 . 4 碳密度与环境因子模型的构建
通常按照植物干质量有机物中碳所占的比重计
算植物生物量转化为碳储量的值 . 树种组成、年龄
和种群结构不同，转化率也不同，但差异不大，一般
在 0. 45 ～ 0. 50 间变化 . 由于获取各种植被类型的
转化率比较困难，所以国际上常用的转化率为
0. 5［18-21］，碳密度则通过碳储量除以样地面积获得 .
笔者按南北坡分别设置样地，样地之间距离均等，将
样地碳密度数据作为因变量，环境因子(海拔、年降
水量和年均温度)作为自变量，通过 SPSS(V13. 0)
软件进行回归分析，分南、北坡建立碳密度与环境因
子的估算模型 .
1 . 2 . 5 太白红杉碳储量估算
在太白红杉分布范围内利用碳密度估算模型分
别计算南、北坡碳密度，碳密度乘以像元面积得到像
元碳储量，将所有像元碳储量累加得到整个研究区
内太白红杉碳储量 .
2 结果与分析
2 . 1 太白红杉碳储量
由太白红杉生物量估算模型及解译后的太白红
杉遥感图像，估算出研究区内太白红杉林总碳储量
为 5. 290 × 105 t，其中南坡为 1. 765 × 105 t，北坡为
3. 525 × 105 t. 南坡碳储量低于北坡，这与南坡气候
1741
环 境 科 学 研 究 第 23 卷
环境优于北坡不相符，其原因可能为:①北坡太白红
杉分布面积比南坡大;②南坡在海拔 3 400 m 以上
地段，部分 150 ～ 200 a 生太白红杉断头现象较严
重，一般在 2 ～ 4 m 左右，成为“小老头树”，到了海
拔 3 500 m 以上基本属于草甸 . 由图 1 可以看出，太
白红杉碳储量分布规律为由东向西逐渐递增势，而
在适生环境下，随着海拔的升高太白红杉碳储量逐
渐递减 .
2 . 2 太白红杉碳密度估测及其分布规律
由图 1 还可以看出，研究区域太白红杉碳密度
介于 0 ～ 17. 4 kg /m2，平均值为(7. 65 ± 4. 15)
kg /m2;西部碳密度较高，碳密度在 12 kg /m2左右者
居多，且太白红杉碳密度在西部达到最高值，为
17. 4 kg /m2，而东部碳密度较小，一般在 6 kg /m2左
右 . 由于太白红杉在海拔 3 000 ～ 3 300 m 内为纯
林，因此在该海拔范围内，太白红杉密度大 . 东部高
海拔区域较多，到了 3 400 m 太白红杉开始稀疏，在
3 500 m 以上基本属于草甸，而西部海拔在 3 000 ～
3 400 m 的区域分布广泛，从而导致碳密度西高东
低的分布格局 .
2 . 3 太白红杉碳密度与环境因子的关系
2 . 3 . 1 碳密度与环境因子的回归方程
图 1 太白红杉碳密度分布
Fig. 1 Distribution of carbon density map of
Larix chinensis
太白红杉碳密度(C，kg /m2)与海拔(x，m)、年
均温度(y，℃)及年降水量(z，mm)等环境因子的函
数关系如表 1 所示 . 由表 1 可知，南坡和北坡的碳
密度与海拔、年均温度及年降水量拟合关系较好，相
关关系极显著，可用于实际碳密度的估算 . 南坡以
C s = 370. 755 － 0. 025 x － 2. 319 y － 0. 277 z 方程为最
佳，R2 为 0. 981;北坡以 Cn = 624. 099 － 0. 034 x －
12. 417 y － 0. 494 z 方程为最佳，R2 为 0. 735.
表 1 碳密度与环境因子的回归方程
Table 1 Regression equations of carbon density and environmental factors
回归方程
回归系数
a b c d
R2 F P
C n = a + b x + c y 119. 631 － 0. 033 0. 12 — 0. 721 23. 255 < 0. 001
C n = a + b x + d z 125. 753 － 0. 032 — 0. 008 0. 721 23. 297 < 0. 001
C n = a + b x + c y + d z 624. 099 － 0. 034 － 12. 417 － 0. 494 0. 735 15. 706 < 0. 001
C s = a + b x + c y 100. 439 － 0. 028 2. 571 — 0. 979 91. 874 < 0. 001
C s = a + b x + d z 246. 141 － 0. 026 — 0. 152 0. 98 99. 552 < 0. 001
C s = a + b x + c y + d z 370. 755 － 0. 025 － 2. 319 － 0. 277 0. 981 50. 93 < 0. 005
注:C n 和 C s 分别为北坡和南坡碳密度;a，b，c 和 d 为方程参数;R
2 为判别系数;F 为方差分析 F 检验的 F 值;P 为显著性水平 .
2 . 3 . 2 碳密度与海拔的关系
图 2 碳密度与海拔的关系
Fig. 2 Scatter plot of elevation and carbon density
由图 2 可知，太白红杉碳密度与海拔呈负相关，
且南坡碳密度随海拔升高下降速度更快 . 碳密度在
海拔 3 000 ～ 3 200 m 较大，达到 7 ～ 10 kg /m2;海拔
在 3 400 ～ 3 500 m 时碳密度较小，为 2. 5 kg /m2 左
右，与太白红杉适生高度一致，即海拔3 000 ～ 3 400
m 为太白红杉适生高度，高出 3 400 m，太白红杉分
布稀少，以草甸为主，碳密度也相对较小 .
2 . 3 . 3 碳密度与年均温度的关系
由图 3 可以看出，太白红杉南北坡碳密度与年
均温度呈正相关 . 且南北坡在 0 ℃附近时，碳密度
基本持平 . 随着年均温度的升高，南坡碳密度上升
的速率比北坡快 . 南坡为向阳面，有利于太白红杉
2741
第 12 期 林 伟等:林线树种太白红杉碳储量估算
吸收光能进行光合作用，固定大气中的 CO2，最终转
化为有机碳，完成碳汇 .
图 3 碳密度与年均温度的关系
Fig. 3 Scatter plot of average temperature
and carbon density
2 . 3 . 4 碳密度与年降水量的关系
由图 4 可知，随着年降水量的增加碳密度呈下
降趋势，当降水量在 1 020 mm 左右时，南北坡碳密
度基本相等;当降水量低于 1 020 mm 时，在同等降
水量的情况下南坡碳密度比北坡高;当超过 1 020
mm 时，从趋势上看，北坡碳密度比南坡高 .
图 4 碳密度与年降水量的关系
Fig. 4 Scatter plot of annual Precipitation
and carbon density
3 讨论
气温、海拔和降水等环境因子及其交互作用是
植物生长及林地碳储存的重要影响因素，林线与环
境关系复杂 . 植物从生长初期到生长盛期，生物量
和碳储量一般都随环境条件的改善呈逐渐上升趋
势，到生长盛期达到最大 . 从 20 世纪 80 年代开始，
国内就开始重视林线树种与环境因子之间关系的研
究 . 唐凤德等［22］研究了长白山林线树种红松林的
碳动态及其对气候变化的响应，结果表明，气温增加
延长了红松林的生长季，提高了光合效率和植物生
产力，从而提高整个生态系统的生产力和碳储量 .
陈德祥等［23］研究了尖峰岭热带山地雨林生物量及
碳库动态，认为适当的降水能促进林木生长，保证生
物量的增加，在过量降水的情况下又会抑制林木的
生长，从而降低碳汇能力 . 罗云裳［24］在广东西江地
区杉木人工林生物量与立地因子之间的相关性研究
中表明，杉木生物量随海拔的升高而增加 . 一种植
物在内源变量不变的情况下，其生物量主要决定于
复杂环境的完备程度，当某种环境因子超过植物的
耐性限度时就会导致生物量的净损失或碳储量的减
少［25］. 太白红杉高山林线对环境变化十分敏感，且
已长期适应了秦岭的亚高山带气候 . 笔者发现太白
红杉碳密度与年均温度呈正相关，与海拔和年降水
量呈负相关，温度是影响太白红杉碳储量的关键因
素，同 MAYR 等［26］研究发现的低温会从生理上影
响高山林线植被生长的结论一致，也与 BANSAL
等［27］研究提出的低温不仅影响到高山林线植被的
分布状况，还会影响高山林线植被的碳汇能力的观
点相符，说明温度对林线树种的深刻影响具有一定
普遍性 . 因此，在温室效应不断加剧，全球气温不断
升高情况下，太白红杉林线向上延伸的趋势，不仅使
其生存环境受到威胁，也使其生物量和碳储量不断
减少 . 必须重视对太白红杉林的保护和发展，维护
秦岭生态环境 .
4 结论
秦岭山地主要林线树种太白红杉林总碳储量为
5. 290 × 105 t，其中南坡为 1. 765 × 105 t，北坡为
3. 525 × 105 t. 南、北坡碳储量相差较大与二者的太
白红杉林分布面积直接相关，同时也受环境因子
(尤其是气候因子)的影响 . 太白红杉林碳密度为
0 ～ 17. 4 kg /m2，平均值为(7. 65 ± 4. 15)kg /m2;西
部高于东部，西部地区碳密度在 12 kg /m2 左右的值
较多，东部地区一般在 6 kg /m2 左右 . 太白红杉碳
密度与年均温度呈正相关，与海拔和年降水量呈负
相关，温度是影响太白红杉碳储量的关键因素 .
参考文献(References):
［1 ］ 戴君虎，崔海亭 . 国内外高山林线研究综述［J］. 地理科学，
1999，19(3):243-249.
［2 ］ 王襄平，张玲，方精云 . 中国高山林线的分布高度与气候的关
系［J］.地理学报，2004，59(6):871-879.
［3 ］ KULLMAN L. 20th Century climate warming and tree-limit rise in
the Southern Scandes of Sweden［J］. Ambio，2001，30:72-80.
［4 ］ KULLMAN L. Pine tree-limit surveillance during recent decades
in Central Sweden［J］. Arctic and Alpine Research，1993，25
(1):24-31.
［5 ］ LLOYD A H. Holocene dynamics of tree line forest in the Sierra
Nevada［J］. Ecology，1997，78(4):1199-1210.
［6 ］ 唐志尧，戴君虎，黄永梅 . 太白山高山林线植被的数量分析
［J］.山地学报，1999，17(4):294-299.
3741
环 境 科 学 研 究 第 23 卷
［7 ］ 王晓春 .中国东北亚高山林线对全球气候的响应［D］. 哈尔
滨:东北林业大学，2003.
［8 ］ 李先敏，胡步洲，赵宁红 . 太白山太白红杉林的分布及其人为
活动影响［J］.防护林科技，2005，67(4):41-43.
［9 ］ 王孝安，段仁燕，王明利 . 太白红杉单木胸径生长模型的研究
［J］.武汉植物学研究，2005，23(2):157-162.
［10］ 张文辉，王延平，康永祥，等 . 太白红杉种群结构与环境的关
系［J］.生态学报，2004，24(1):41-47.
［11］ 张文辉，王延平，康永祥，等 . 太白山太白红杉种群空间分布
格局研究［J］.应用生态学报，2005，16(2):207-212.
［12］ 王立海，邢艳秋 .基于人工神经网络的天然林生物量遥感估
测［J］.应用生态学报，2008，19(2):261-266.
［13］ 王立海，赵正勇，杨旗.利用 GIS 对吉林针阔混交林 TM 遥感图
像分类方法的初探［J］.应用生态学报，2006，17(4):577-582.
［14］ 郭志华，彭少麟，王伯荪 .利用 TM 数据提取粤西地区的森林
生物量［J］.生态学报，2002，22(11):1832-1839.
［15］ 何红艳，郭志华，肖文发 . 遥感在森林地上生物量估算中的应
用［J］.生态学杂志，2007，26(8):1317-1322.
［16］ 林桂兰 .流域地表生态信息的卫星遥感图像处理技术［J］. 环
境科学研究，2001，14(2):22-25.
［17］ 浦静姣，史晓雪，张浩等 .基于 GIS 的港口总体规划景观生态
学分析［J］.环境科学研究，2005，20(2):130-135.
［18］ 刘国华，傅伯杰，方精云 . 中国森林碳动态及其对全球碳平衡
的贡献［J］.生态学报，2000，20(5):733-740.
［19］ 杨洪晓，吴波，张金屯，等 . 森林生态系统的固碳功能和碳储
量研究进展［J］.北京师范大学学报，2005，41(2):172-177.
［20］ MURILLO J C R. Temporal variations in the carbon budget of
forest ecosystems in Spain［J］. Ecological Applications，1997，7
(2):461-469.
［21］ BROWN S L，SCHROEDER P，KERN J S. Spatial distribution of
biomass in forests of the eastern USA［J］. Forest Ecology and
Management，1999，123(1):81-90.
［22］ 唐凤德，韩士杰，张军辉 . 长白山阔叶红松林生态系统碳动态
及其对气候变化的响应［J］. 应用生态学报，2009，20(6):
1285-1292.
［23］ 陈德祥，李意德，许涵，等 . 尖峰岭热带山地雨林生物量及碳
库动态［J］.中国科学:生命科学，2010，40(7):596-609.
［24］ 罗云裳 . 广东西江地区杉木人工林生物量与立地因子相关的
研究［J］.林业科学，1989，25(2):147-150.
［25］ 成文联，柳海鹰，王世冬 . 生物量与其影响因素之间关系的研
究［J］.内蒙古大学学报:自然科学版，2000，31(3):285-288.
［26］ MAYR S，WIESER G，BAUER H. Xylem temperatures during
winter in conifers at the alpine timberline［J］. Agricultural and
Forest Meteorology，2006，137(1 /2):81-88.
［27］ BANSAL S，GERMINO M J. Unique responses of respiration，
growth，and non-structural carbohydrate storage in sink tissue of
conifer seedlings to an elevation gradient at timberline［J］.
Environmental and Experimental Botany，2010，5(2):1-25.
4741