森林是陆地生态系统的主体,在全球碳循环过程中扮演着重要的角色,准确估算区域尺度森林生态系统碳储量已成为全球气候变化、碳循环过程研究核心内容之一。本研究利用湖南省1983-1987年至2009年4次森林资源清查数据、全国一类森林资源清查湖南省6605块固定样地调查数据,结合湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站的观测数据,估算了湖南省4个清查期森林生态系统植被层、土壤层的碳储量,研究其动态变化趋势、区域分布特征以及湖南省现有森林植被的碳吸存潜力,探寻了湖南省森林生态系统碳库状况及其影响因子,为准确评估湖南省森林生态系统在中国森林生态系统碳循环中的地位和作用,为中国森林生态系统碳循环的研究提供基础数据和科学依据。主要研究结果为:(1)湖南省针叶树、常绿阔叶树、落叶阔叶树、毛竹、灌木各器官碳含量(gC/g)变化范围分别为 0.491～0.566、0.421～0.549、0.449～0.550、0.470～0.496 和 0.463～0.505,算术平均值分别为0.519、0.501、0.495、0.486、0.484 gC/g;湖南省现有森林主要树种各器官算术平均碳含量为0.504 gC/g;同一树种各器官碳含量差异不显著,不同树种各器官碳含量由高至低的排序不完全一致,树干碳含量普遍较高于其它器官,多树种地上部分算术平均碳含量普遍高于其地下部分。不同省区同一树种同一器官碳含量及其各器官算术平均碳含量差异不大。(2)从1987年到2009年,湖南省乔木林植被碳储量净增加(碳汇)为66.40×10~6 tC,占全国同期乔木林植被碳汇的4.31%,碳密度提高了 5.65 tC/hm~2;阔叶林碳汇最大(48.43×10~6tC),其次是杉木林(9.54×10~6tC)和松木林(6.68×10~6tC),各乔木林植被碳密度波动较大。幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林均表现为碳汇,中龄林碳汇最大,幼龄林、中龄林、近熟林植被碳密度依次提高了 4.75、4.09、0.83 tC/hm~2,而成熟林、过熟林分别下降了 6.87、13.88 tC/hm~2;天然林、人工林植被碳汇分别为41.01×10~6、25.39×10~6tC,天然林植被碳储量占全省同期乔木林植被碳储量的比例呈下降趋势,人工林呈上升趋势,人工林、天然林植被碳密度分别提高了 4.91、7.19 tC/hm~2。表明近20多年来,湖南省乔木林恢复迅速,碳汇作用明显,储碳能力明显提高,阔叶林对湖南省乔木林植被碳汇功能贡献最大,成熟林、过熟林受到了严重的破坏,幼、中龄林碳汇功能正逐步发挥主导作用,天然林在湖南省乔木林碳储量占有重要地位,人工林植被碳汇功能正逐步提高。湖南省现有森林植被(包括疏林)碳储量为180.53×10~6tC,乔木林最高,占全省现有森林植被碳储量63.45%,其次是竹林,占21.11%,而疏林最低,占0.32%;不同森林类型植被碳密度差异明显,竹林最高(48.95 tC/hm~2),其次是乔木林(15.66 tC/hm~2),最低是疏林(5.56 tC/hm~2)。从1987年到2009年,湖南省森林植被(包括疏林)碳汇为84.87×10~6tC,乔木林最大,占全省同期森林植被碳汇78.24%,竹林、灌木林分别为全省森林植被碳汇贡献了 33.31%和2.39%;经济林、疏林分别净减少了8.50×10~6、3.33×10~6tC;湖南省森林植被碳密度持续上升,提高了 6.24 tC/hm~2。各森林类型植被碳储量均随其面积变化而变化。(3)从1987年到2004年,乔木林植被碳储量均表现为:湘西南、湘南为最高分布区,湘西北、湘东为较高分布区,湘中、湘北为最低分布区;乔木林植被碳汇、面积的区域变化趋势基本一致,均呈现出湘南、湘西南、常德、长沙快速提高,中部地区缓慢提高,而乔木林植被碳密度却表现为:湘中快速提高,湘西北、湘西南、湘南、常德、株洲缓慢提高;各地州市乔木林植被碳储量与其乔木林面积、碳密度均呈极显著正相关,与各地州市乔木林面积构成比例及其不同乔木林碳密度的差异显著相关;杉木林、松木林、阔叶林是各地州市乔木林植被碳储量的主要贡献者,且3种乔木林植被碳储量的区域变异明显,但区域变异格局变化不大;各地州市各乔木林植被均起碳汇作用,同一地州市不同乔木林植被碳汇功能差异明显。各龄组乔木林碳储量的区域分布格局均为:湘西南、湘南、湘西北普遍高于湘中、湘东和湘北,幼龄林、中龄林的区域变异最明显,中龄林、近熟林、成熟林(除常德外)在各地州市均为碳汇,各龄组乔木林碳汇与各龄组乔木林面积变化量呈极显著的线性正相关,与各龄组乔木林碳密度变化量不相关;同一龄组乔木林植被碳密度在不同地州市差异显著,且随龄组龄级增大差异越大,各龄组乔木林植被碳密度的区域分异格局不同。人工林植被碳储量的区域分布格局基本不变,各地州市人工林面积、植被碳储量、碳密度均表现为净增加,且碳储量、面积的区域变化格局基本一致,但碳密度的区域变化格局不同;天然林植被碳储量的区域分布格局与人工林相似;除湘西自治州、张家界、常德外,其它地州市人工林碳汇高于天然林;各地州市人工林、天然林碳汇与其面积变化量均呈极显著的线性正相关,与碳密度变化量不相关,表明各地州市人工林、天然林植被碳汇主要来自其面积的增加。3个调查期,湖南省森林植被碳储量的区域分布格局基本一致,各地州市森林均起碳汇作用,永州碳汇最大。2003-2004年,森林植被碳密度区域分异减弱,但仍呈现出西南高中东低的趋势。从1987年到2004年,除怀化外,其它地州市森林植被碳密度均有不同程度增高。(4)湖南省现有乔木林植被的现实碳吸存潜力为331.43×10~6tC,幼龄林>中龄林>近熟林,不同乔木林类型未成熟林的现实碳吸存潜力差异显著,阔叶林最大,其次是杉木林、松木林,各地州市未成熟乔木林植被的现实碳吸存潜力在5.86×10~6～69.10×10~6tC之间变化。从2014年自然生长到2025年时,现有未成熟林还能净固定碳量为54.76×10~6tC,中龄林碳吸存潜力最大,地州市间变幅较大;现有未成熟林分别到达成熟阶段时,还能净固定碳量为110.47×10~6tC,幼龄林到成熟阶段时的碳吸存潜力最大。(5)湖南省2000-2014年主要森林类型土壤层(0-80 cm)有机碳算术平均含量在9.53～22.86 g/kg之间,灌木林、毛竹林、阔叶林显著高于其他森林类型,各森林类型土壤有机碳含量随着土层深度的增加呈显著指数下降趋势,分异主要发生在表层土壤(0-40 cm);0-80cm 土壤层有机碳密度在95.44～181.30 tC/hm~2之间,平均值为137.15 tC/hm~2,主要分布在0-40 cm 土层中,随土壤深度增加,各森林类型土壤有机碳密度的差异下降,受森林类型的影响逐渐减弱。从1987年到2009年,乔木林土壤层(0-80cm)有机碳储量净增加了 414.86×10~6tC,面积加权平均有机碳密度提高了10.98 tC/hm~2,不同乔木林土壤层(0-80 cm)有机碳储量的差异随着时间进程逐渐增大,主要分布在杉木林、松木林、阔叶林。各龄组乔木林土壤有机碳储量呈现出不同变化趋势,幼龄林土壤有机碳储量占全省同期乔木林土壤有机碳储量的比例呈下降趋势,中龄林、近熟林总体呈上升趋势,成熟林变化不大,过熟林呈下降趋势;幼龄林、中龄林土壤有机碳密度呈上升趋势,近熟林、成熟林、过熟林呈下降态势。天然林是湖南省乔木林土壤有机碳储量的主要贡献者,人工林土壤有机碳储量正逐步提高。经济林、灌木林、竹林对湖南省森林土壤层(0-80 cm)有机碳储量贡献不同,且动态变化趋势也不同。森林土壤层有机碳储量的变化与各森林类型面积的变化密切相关。3个调查期,乔木林土壤层(0-80 cm)有机碳储量的区域分布格局均呈现出:湘西南、湘南为高分布区,湘西北、湘东、湘中、湘北为低分布区,与乔木林面积的区域分布格局基本一致。各地州市乔木林土壤层(0-80 cm)有机碳储量的差异随着时间推移而增大,各地州市乔木林土壤均起碳汇作用,与各地州市乔木林面积的变化有关;乔木林土壤层(0-80 cm)有机碳密度的区域分异格局基本不变,各地州市乔木林面积构成比例的差异导致不同地州市乔木林土壤层有机碳密度的差异,除衡阳、湘潭外,其它地州市乔木林土壤层有机碳密度均为净增加。因此,在林地面积有限条件下,各地州市可通过调整乔木林面积构成比例,增加土壤有机碳密度较高的阔叶林面积,提高本地区乔木林土壤层有机碳储量、碳密度。湖南省森林土壤层有机碳储量的区域分布格局与乔木林土壤层有机碳的空间分布格局相似,各地州市森林土壤层有机碳储量随着森林面积的增加而增加。(6)湖南省现有森林(包括疏林)生态系统碳储量为1764.04×10~6tC,土壤层(0-80 cm)有机碳储量为植被碳储量的8.77倍。乔木林生态系统碳储量最高(1171.19×10~6 tC),而疏林生态系统最低;现有森林生态系统平均碳密度为163.60 tC/hm~2,竹林生态系统碳密度最高,为202.96 tC/hm~2,其次是灌木林(190.86 tC/hm~2),再次是乔木林(160.13 tC/hm~2),经济林最低(138.27 tC/hm~2)。在乔木林生态系统中,阔叶林生态系统碳储量最大(594.39×10~6tC),其次是杉木林、松木林;阔叶林生态系统碳密度最高(192.76 tC/hm~2),国外松林最小(98.85 tC/hm~2),杉木林、松木林、杨树林、桉树林较低。从1987年到2009年,湖南省森林(包括疏林)生态系统碳汇为411.04×10~6 tC,碳密度提高了 15.04 tC/hm~2,乔木林生态系统碳汇最高(481.26×10~6tC),碳密度提高了 16.61 tC/hm~2,竹林生态系统碳汇为20.87×10~6tC,碳密度提高了 31.69 tC/hm~2,灌木林碳汇为2.03×10~6tC,经济林、疏林生态系统分别净减少了 8.50×10~6tC和3.33×10~6 tC;无论乔木林还是经济林、竹林、灌木林生态系统碳储量的区域分布格局变化不大,均与其同期面积的区域分布格局相吻合,乔木林、竹林、疏林生态系统碳密度的区域分布格局基本不变。以上研究结果表明,无论是湖南省森林生态系统碳储量还是其植被、土壤层碳储量均与其面积及其面积构成比例密切相关,而森林面积及其面积构成比例均随着林业各项政策导向、人类生产活动的需要而发生变化,如人类采伐活动,将大面积用材防护林改作为经济林、将林地用于工业、农业和商业开发活动,特别是近20多年来大规模的人工造林活动显著地影响了森林面积及其面积构成比例。可见,人类经济活动直接或间接影响着区域森林生态系统及其各组成部分的碳储量、碳汇功能,通过植树造林、封山育林等措施,扩大乔木林面积,特别是增加阔叶林面积,调整森林面积构成比例,是增强湖南省森林生态系统碳汇功能的重要途径。