千烟洲是我国红壤丘陵区较早进行退化生态系统恢复治理的地区。由于长期的人为破坏，原生常绿阔叶林早已不存在，多为次生灌草丛。从1983年开始，中国科学院在此进行了治理开发试验，营造了大片人工林。如今的千烟洲森林高度郁闭，环境明显改善，不仅物种明显增加，森林的固碳功能也日益增强。人工造林对生态系统碳汇具有重要的贡献。准确估算碳蓄积是全球碳循环研究的重要课题(Brown，2002)。全球碳计划(GCP)的科学主题就是研究碳储量和通量的时空分布。碳储量是碳蓄积的现存量，是比较森林生态系统结构和功能特征(Brown et al., 1999)、评价林地经济产量和立地质量的重要指标(于贵瑞，2003)。测算碳储量的方法很多，主要有清查法、模型法和遥感估算法(于贵瑞，2003)，但都存在不确定性。

样地清查法是估算碳储量最为基础的方法，主要有平均生物量法(Lieth et al., 1975)和材积源生物量法(Brown et al., 1984)。平均生物量方法是指利用野外实测数据获得单位面积生物量(Lieth et al., 1975)或用树种相对生长模型计算出一定面积的生物量(Foley，1995；Peng et al., 1997)。材积源生物量法是指基于森林资源清查数据，利用蓄积量-生物量关系由林木蓄积量推算生物量，主要有平均换算因子法(Lieth et al., 1975；Turner et al., 1995)、换算因子连续函数法(Fang et al., 2001; 方精云，2000；方精云等，2001)、双曲线关系模型(Zhou et al., 2002；赵敏等，2004)和指数关系(Brown et al., 1999)。平均生物量法比较可靠，但难以划分森林类型或统计出准确的面积(于贵瑞，2003)；而材积源生物量法需要相关的转化参数。

平均生物量法虽在空间上不符合个体间生物量的分布规律，但具有较强的实用性和可操作性。样地调查只是在点尺度测定碳储量，要解决景观以上尺度森林固碳的问题必须借助遥感手段，可见光红外遥感技术在植被分类(刘纪远等，1998；师庆东等，2003)和土地分类(Nemani et al., 1997)中具有明显优势。直接通过光谱信息和地面实测数据建立相关估算模型，对于纯林(邢素丽等，2004)、干旱地区植被生物量(Suganuma et al., 2006)和草原生物量(徐建春等，2002)效果较好，但对于复杂的天然林(国庆喜等，2003)和亚热带森林生态系统效果较差(杨存健等，2004)。随着遥感影像的空间分辨率不断提高，应用遥感进行植被分类和提取土地利用信息变得更加准确和可靠。IKONOS图像分辨率全色波段为1 m，多光谱为4 m，在植被分类和景观制图等方面的应用越来越广泛(龚建周等，2004)。

本文旨在通过地面实测，从单木、群落到小流域多尺度研究试验区各种森林类型的碳储量，结合高分辨率遥感图像分析，阐明景观尺度森林生态系统碳蓄积格局，评价生态恢复在碳循环中的贡献。

1 研究区概况

千烟洲试验站位于江西省中部吉泰盆地典型红壤丘陵区(115°04′13″ E，26°44′48″ N)。试验区总面积约200 hm²。海拔多在100 m左右，相对高度20~50 m，属典型的红壤丘陵区。试验区年均气温17.9 ℃；年均降水量1 489 mm；年日照时数1 406 h，太阳年总辐射量4 349 mJ·m^-2；无霜期323 d，具有典型亚热带季风气候特征。主要土壤类型有红壤、水稻土、潮土、草甸土等，成土母质多为红色砂岩、砂砾岩或泥岩，以及河流冲积物(中国科学院南方山区综合科学考察队等，1989)。

试验区以人工林为主，1985年左右开始栽植，主要森林类型有湿地松(Pinus elliottii)林、杉木(Cunninghamia lanceolata)林、马尾松(Pinus massoniana)林、木荷(Schima superba)林、枫香(Liquidambar formosana)林，以及柑(Citrus reticul ata)橘(Citrus madurensis)园、板栗(Castanea mollissima)园等经济林；灌丛以白栎(Quercus fabri)、NFDB3木(Loropetalum chinense)、美丽胡枝子(Lespedeza formosa)较多；草本植物以刺芒野古草(Arundinella setosa)、山芝麻(Helicteres angustifolia)为主，近年来林下耐荫蕨类生长十分旺盛，物种已经超出2 0多种，如扇叶铁线蕨(Adiantum flabellulatum)、乌毛蕨(Blechnum oriental)、狗脊蕨(Woodwardia japonica)、阔鳞鳞毛蕨(Dryopteris championi)等(刘琪璟等，2005)。

2 研究方法 2.1 单木生物量估计

千烟洲试验站对马尾松、湿地松和杉木建立了单木叶生物量(FB)、枝生物量(BB)、树干生物量(SB)和地上总生物量(TB)相对生长模型(李轩然等，2006)，并根据树干解析结果对湿地松生物量模型进行修正。枫香和木荷的生物量模型参照文献(钱国钦，2000；杨桦等，2004)。有些阔叶树种缺乏生物量模型且在样地中出现频率很低，借用枫香模型或木荷模型。主要树种的生物量模型见表 1。

2.2 样方调查和生物量计算

2005年7月至9月，共调查样地72块，总面积2hm²，占试验站林地面积(150.05hm²)的1.33%，样地面积一般20 m×20 m，选在面积为50 m×50 m的均质地段。对样地内树木(DBH>5 cm)进行每木检尺，根据乔木各器官生物量模型计算生物量。利用千烟洲试验站以前的碳含量分析结果，估算碳储量。通过对调查资料分析，挑选出各树种具有代表性的标准木，计算标准木各器官生物量和碳储量。

荒草地取8个样方，各样方大小为1 m×1 m，将样地所有地上植被全部收获后取样80 ℃烘干至恒重；农田生物量依据试验站2005年调查数据；柑橘园生物量采用标准木法，选取2株有代表性的橘树，伐倒后全部称重，测算干质量。

林木各器官有机碳含量(表 2)依据1998年试验结果(袁小华，1999)；枫香碳含量比例一律采用50%。林分碳含量依据2003年试验结果(杨凤亭，2005)。

2.3 遥感影像处理与空间插值

根据千烟洲试验站形状和位置，在IKONOS图像覆盖范围内选择了44个地面控制点(GCP)，从中筛选出32个较为理想的控制点。使用托普康(Topcon)公司的Tubro G2差分式GPS(亚米级精度)对每个点测3次，取平均值作为控制点的坐标值。运用遥感图像处理软件一次多项式模型，最近邻法插值，对影像进行几何校正，整体误差小于1个像素，X轴均方根误差(RMS error X)0.89，Y轴均方根误差(RMS error Y)0.75。通过目视判读，依据色彩特征勾画图班，结合实地调查确认，然后建立千烟洲土地覆被地理信息系统，统计各植被类型面积。

利用Arcgis9.0自带的空间地统计模块(克里格插值Kriging，反距离加权插值IDW)，根据72个样方的结果(样方布设见图 1)，使用系统默认参数，在林地范围内对地上生物量进行插值。

3 结果与分析 3.1 单木生物量及其在各器官中的分配

2005年调查的各种样地中湿地松、马尾松、杉木和木荷的株数分别为1 648、631、468和238株。径级分布呈典型的正态分布(图 2)。这符合人工同龄林胸径结构的一般规律。

统计结果表明(表 3)，各树种叶生物量占地上部分的7.5%~11.7%，枝生物量占13.4% ~20.4%，树干占66.7%~73.0%，树干是地上生物量的主要部分。枫香单木生物量和树枝生物量最大，其树枝生物量是其他树种的2倍左右。阔叶树种枝生物量明显大于针叶树种。湿地松生长最快，胸径较大，表现出速生特性，但木材密度较小(298.9 kg·m^-3)，树干较轻。而马尾松木质紧密，树干密度较大(346.6 kg·m^-3)，单木生物量高于杉木和湿地松。在针叶树种中，马尾松树干和树叶生物量所占比例较大。每株橘树标准木的地上生物量为43.7 kg。

标准木各器官碳储量见图 3。单株标准木碳储量的大小比较排序为枫香(39.0 kg，DBH为9.7 cm)>马尾松(29.0 kg，DBH为13.6 cm)>湿地松(25.3 kg，DBH为5.9 cm)>杉木(23.6 kg，DBH为14.5 cm)>木荷(19.5 kg，DBH为11.0 cm)。马尾松树枝和树叶的碳储量非常接近；木荷胸径和碳含量较小，其积累的碳也较少。

3.2 林分的生物量和碳储量

表 4为不同林分各器官的生物量推算结果。森林地上生物量为4 819~14 088 g·m^-2，平均生物量(人工林总生物量除以林地总面积)为8 257 g·m^-2，平均碳储量为3 979 g·m^-2。杉木林林分密度大，生物量也最大；针阔混交林密度虽然最大，但生物量较小；阔叶林生物量明显大于马尾松林和湿地松林，因为阔叶林树枝生物量较大，冠层结构复杂，光能利用充分，固碳能力较强。湿地松林生物量小于马尾松林。

各林型的树干生物量占地上生物量60%以上，杉木林的树干生物量比例最大。木荷林叶生物量最大，达18.24%。针叶林叶生物量约占地上生物量10%；阔叶树种叶生物量较大，所占的比重高于13.89%。针叶树种树枝生物量大于树叶生物量。阔叶林林分密度最大，杉木林密度次之，湿地松林密度较小，天然马尾松林密度最小。木荷林胸高断面积最大，天然马尾松林胸高断面积最小，阔叶树种大于针叶树种。胸高断面积比较排序为杉木林＞湿地松林＞马尾松林＞马尾松+湿地松混交林。

马尾松造林密度为5 000~10 000株·hm^-2，造林初期的地上生物量为345.1 g·m^-2(中国科学院南方山区综合科学考察队等，1989)。目前林分密度是1 905株·hm^-2，自然稀疏迅速，存活率仅有20%，生物量却增加了25倍，地上生物量高达8 768 g·m^-2，植被生产力明显提高，说明人工造林在小流域碳循环中作用显著。

3.3 小流域碳储量的遥感反演

IKONOS遥感影响反演的千烟洲小流域面积总共207.98 hm²(表 5)，林地面积126.18 hm²，占总面积的6 0.67%。本文将柑橘园、板栗园也归为林地，森林覆盖率达78.81%。图像判读结果显示，湿地松林面积最大，达75.14 hm²，占全区的36.12%；其次为柑橘园，占17.21%；马尾松林和杉木林分别为24.84(11.94%)和7.73 hm²(3.71%)。

草丛生物量为359 g·m^-2，监测的农田水稻生物量为982 g·m^-2。整个小流域地上部分生物量总和13 291 t，折合成碳储量6 363 t。单位面积平均生物量为6 391 g·m^-2，折合成平均碳储量30.5 t·hm^-2。按照土地利用现状类型划分为7类(图 4)。林地、农地、草地和园地地上生物量分别为10 419.67、173.02、60.37和2 63 3.13 t，折算为碳储量分别是5 020.41、71.09、27.41和1 214.6 t。

人工林占总碳储量的79.24%，可见森林是千烟洲地区最大的碳库。虽然农田和草地面积占1 6.59%，但碳储量仅占1.56%。各林型总碳储量的排列顺序为：湿地松林>柑橘园>马尾松林>杉木林。

4 结论与讨论

本文基于单木碳蓄积模型计算了群落的碳蓄积量，再用遥感手段扩展到小流域尺度，研究了千烟洲试验区的碳蓄积特征。人工造林在小流域碳循环中作用显著，随着年龄增长碳汇趋势会愈加明显。在我国具有良好水热条件的亚热带地区，人工造林是一种较好的生态恢复手段。

80年代初期，千烟洲土地荒芜、水土流失严重，经过20年开发治理，现已恢复为茂密的森林。造林作为生态恢复的主要手段，发挥了巨大作用。林地面积从1983年的0.4%到2005年的78.81%，地上生物量从1983年的256 g·m^-2(中国科学院南方山区综合科学考察队等，1989)到2005年的6 391 g·m^-2，增长了25倍，充分说明了人工造林对固碳的贡献。同时也发现：乡土树种马尾松林生物量大于引进的湿地松林，木荷等地带性常绿阔叶林大于马尾松林和湿地松林。

以本地经验公式和实测资料为有效的推移依据进行尺度转换，阐明了植被碳储量空间分布格局，提高了碳储量估测精度。以胸径15.9 cm的湿地松为例，用模型(W=0.147D^{2 479 52})(张连水等，2001)的计算结果为140.0 kg，而使用本文模型(W=54.047 7D^{2 429 5})只有44.39 kg，误差达3.15倍。说明因生境条件差异，即使是同一树种，测树学参数也会有很大变化。所以，建立本地的树木生物量模型是提高碳蓄积估测精度的有效途径。

经过19年的生长，地上部分乔木生物量最大可以达到14 088 g·m^-2，平均8 272 g· m^-2；湿地松生长最快，平均胸径达15.9 cm。湿地松林、马尾松林、杉木林、木荷林和针阔混交林地上平均生物量分别是7 542、8 768、14 088、13 215和8 359 g·m^-2，与其他地区相比基本接近(江西省常绿阔叶林研究课题组，1996；杨桦等，2004；揭建林等，2002；张林等，2005；方晰等，2003；田大伦等，2004)。同时也表明：生物量或碳储量的决定因素是密度和林龄，随林分密度增加而增大。此外，湿地松从材积生长来看表现为速生，但是由于木材密度低，其生物量或碳储量明显低于马尾松。

应用高分辨率的IKONOS遥感图像提取土地利用和植被信息，效果较为理想，但需要建立统一的判读标志。高分辨率遥感影像和高精度GPS的使用，无疑会提高估算区域碳储量的精度，提升尺度转化的可靠性。

本文在对生物量的空间进行插值时使用了反距离加权法、克里格插值法、平均生物量法，计算的林地平均地上生物量分别是8 663、8 587和8 257 g·m^-2，地上总生物量依次为11 073.04、10 980.19和10 554.09 t。反距离加权法插值结果最高，而克里格插值结果比反距离法略低，插值的总体结果与面积平均生物量法估算值近似(误差最大4.7%)。在样点充分、分布均匀的情况下进行空间插值，是计算景观尺度生物量较为有效和可靠的方法。

由于人力所限，本研究没有对所有树种建立生物量模型，对部分树种借用其他树种的生物量模型会产生一些误差。本文只探讨了林地乔木层地上生物量和碳储量，而对林下灌木、草本、凋落物和根系没有涉及；对于荒草地、农田和园地仅做了初步讨论。今后需要在建立更多树种生物量模型的基础上，对乔木层以外的生物量进行研究，同时加强地下碳蓄积特征的研究，更加准确地评价生态恢复在碳循环中的作用。