修珍珍，王　斌，楊校生，余　超，張　龍，格日樂圖

( 中國林業(yè)科學(xué)研究院 亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 富陽 311400 )

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基于InVEST模型估算富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量

修珍珍，王斌*，楊校生，余超，張龍，格日樂圖

( 中國林業(yè)科學(xué)研究院 亞熱帶林業(yè)研究所，浙江 富陽 311400 )

基于森林資源遙感影像數(shù)據(jù)資料和ArcGIS10.0軟件，以屬于典型亞熱帶氣候的富陽市為案例，運用InVEST-Carbon模型對其森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量進(jìn)行估算，可視化定量富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量并明確其空間分布規(guī)律。結(jié)果表明：富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分布具有明顯的區(qū)域差異性，由東向西呈現(xiàn)高-低-高-低的分布帶規(guī)律。富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)總的碳儲量為26.743 7 × 106t，其價值量為39.904 2億元；得出富陽市各類森林類型平均碳密度的高低分布為常綠闊葉林碳密度>針闊混交林碳密度>竹林碳密度>馬尾松林碳密度>杉木林碳密度，這與浙江省生態(tài)公益林各主要林型的碳密度分布規(guī)律基本一致，得到其森林生態(tài)系統(tǒng)總的碳密度約為180.75t·hm-2，高于浙江省生態(tài)公益林平均碳密度和全國森林平均碳密度。與基于森林二類清查資料，由生物量與蓄積量的關(guān)系式估算出的碳儲量(28.378 0 × 106t)相差不大，InVEST模型可適用于森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的總體估算。通過研究可以得出，InVEST模型評估結(jié)果簡明直觀，導(dǎo)入較少的數(shù)據(jù)，將量化的森林碳儲量以地圖的形式表現(xiàn)出來。InVEST模型還可用于對未來或多種模擬場景情況下的預(yù)測估算等，可為政府、非盈利組織和公司企業(yè)等自然資源的管理提供決策信息，其多功能和模塊化的設(shè)計為權(quán)衡評估得失提供了有效的工具。

碳儲量, 碳密度, 森林生態(tài)系統(tǒng), 富陽市

目前氣候變暖已嚴(yán)重威脅到人類的生存和發(fā)展(王兵等，2011)。大量的研究表明：森林破壞已成為繼化石燃料燃燒之后，大氣中CO2濃度增加的第二大來源(Schimeletal，2001)。森林生態(tài)系統(tǒng)作為最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)(李少寧等，2004)，其面積占全球非冰表面的40%，其生物量約占陸地生物量的90%，它貯存了陸地生態(tài)系統(tǒng)76%～98%的有機碳(林清山等，2009)，其土壤碳儲量約占全球土壤碳儲量的73%(劉華等，2005；徐新良等，2007)，其碳匯功能對碳收支平衡起著不可替代的作用(Woodburyetal，2007，2008；楊芝歌等，2012)。

基于森林資源清查資料的森林碳儲量估算主要是在景觀、區(qū)域甚至全球的尺度上，常常通過測定森林植被的生物量乘以生物量中碳元素的含量(0.45～0.55)推算而得(方精云等，2006；鄧?yán)俚龋?011)。近年來，出現(xiàn)了基于RS信息數(shù)據(jù)和GIS軟件對森林植被碳儲量進(jìn)行繪制和分析(黃從德等，2009)的研究，這不僅能定量化，而且還能以制圖的形式空間可視化，但這方面的研究并不很多。InVEST(IntegratedValuationofEcosystemServicesandTradeoffs)模型正是基于ArcGIS軟件平臺由斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會、世界自然基金會等其他機構(gòu)共同開發(fā)出來，目的是尋求最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和自然資源管理，可用以評估生態(tài)服務(wù)功能等(白楊等，2013)。本研究以富陽市為案例，詳細(xì)介紹如何運用InVEST模型估算森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量，旨在實現(xiàn)可視化定量富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量并明確其空間分布規(guī)律，為實現(xiàn)該地區(qū)及亞熱帶森林資源的保護(hù)和經(jīng)營管理等提供參考依據(jù)，并為類似研究提供一種有效的評估、量化和制圖的模型方法。

1　研究區(qū)概況

1.1 自然條件

研究區(qū)富陽市位于浙江省西北部，地理位置為29°44′～30°12′N、119°25′～120°09′E。為朝北口的地貌，易受北方寒流入侵，是冬季氣溫較低的地域。年降水量為1 464mm，年平均氣溫為16.2 ℃，無霜期237d。富陽市屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，氣候溫和，日照充足，自然條件優(yōu)越，土地肥沃。土壤為石英、長石砂巖上發(fā)育的微酸性紅壤(吳亞叢等，2013)。

圖 1　富陽市位置區(qū)域圖Fig. 1　Location of Fuyang region

1.2 森林資源狀況

該地區(qū)歷史上為森林地帶，頂極群落是北亞熱帶常綠闊葉林，由于人們對木材、薪炭需求量的增加以及農(nóng)業(yè)活動的發(fā)展，大多天然林遭到破壞，轉(zhuǎn)化為次生林、農(nóng)業(yè)用地和人工林，現(xiàn)存主要是以殼斗科(Fagaceae)、樟科(Lauraceae)、山茶科(Theaceae)和木蘭科(Magnoliaceae)等植物為主的次生林和以杉木(Cunninghamia lanceolata)林、馬尾松(Pinusmassoniana)林、毛竹(Phyllostachys pubescens)林、早竹(Phyllostachys praecox)林和茶(Camellia sinensis)園等為主的人工林(李正才，2006)?，F(xiàn)有林業(yè)用地面積125.33萬hm2，有林地146萬hm2，其中竹類面積30.67萬hm2，毛竹林27.0萬hm2，林木蓄積量達(dá)223萬m3，森林覆蓋率66.8%。

2　研究方法

2.1 InVEST碳儲量模型

InVEST模型為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合估價和權(quán)衡得失評估模型(潘韜等，2013；Kareivaetal，2011；Dolan，2010)。其中，InVEST-Carbon模型是通過使用土地利用/土地覆蓋類型圖(LULC)、木材收獲率和收獲產(chǎn)品降解率等數(shù)據(jù)和在四個碳庫(地上碳庫、地下碳庫、土壤和死的有機物)里的儲存量來估測儲存在相關(guān)地區(qū)的現(xiàn)有碳儲量或預(yù)測未來碳儲量。土地利用/土地覆蓋類型圖(LULC)和四個碳庫儲存量是不可缺少的數(shù)據(jù)，地上碳庫包括地表以上所有活植被的碳儲量；地下碳庫是指植物活的根系系統(tǒng)的碳儲量；土壤碳庫包括土壤有機碳和礦質(zhì)土壤有機碳(礦質(zhì)土壤有機碳不易獲得，在本研究中不計)；死的有機物碳庫包括枯立木、凋落物和倒木中的碳儲量。InVEST碳儲量模型不涉及地上碳庫中極不穩(wěn)定的碳(如一年生農(nóng)作物)，因為這些碳庫相對稀少，更新過快(楊芝歌等，2012)。

InVEST模型碳儲量模塊的基本運算原理可簡化為將已分類的小班面積乘以其相對的碳密度得出碳儲量，然后把各分類的碳儲量求和得出總的碳儲量，即碳儲量=∑(∑分類的小班面積 × 碳密度)。

圖 2　剪裁數(shù)據(jù)后的富陽森林生態(tài)系統(tǒng)矢量圖Fig. 2　Vector diagram of Fuyang forest ecosystems after cutting data

圖 3　矢量柵格化的富陽森林生態(tài)系統(tǒng)圖Fig. 3　Raster map of Fuyang forest ecosystems

2.2 數(shù)據(jù)剪裁

根據(jù)富陽市森林資源二類矢量圖中小班面(共18 959個)所對應(yīng)的優(yōu)勢樹種和國家林業(yè)局進(jìn)行森林資源二類清查的分類方法，其中常綠闊葉林主要包括木荷(Schima superb)、樟樹(Cinnamomum camphora)等，針闊混交林主要包括柏木(Cupressus Linn)、檫木(Sassafras tsumu)、楓香(Liquidambar formosana)、櫟類(Quercus)、柳杉(Cryptomeria)、軟闊、濕地松(Pinus elliottii)、水杉(Metasequoia glyptostrodoides)、楊樹(Populus)、硬闊等，運用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS10.0，加載富陽市小班面的shape文件，然后將ArcGIS中的數(shù)據(jù)屬性表導(dǎo)出到Excel表格中，對富陽市森林資源進(jìn)行分類并刪減不相關(guān)數(shù)據(jù)；再通過Excel表格與ArcGIS屬性表的連接作用，達(dá)到數(shù)據(jù)剪裁(共14 606個)和分類(共5類)的目的，具體見表1和圖2。

表 1　富陽市森林主要分類及編號Table 1　Main forest types and codes of Fuyang

2.3 矢量柵格化

矢量柵格化是指通過ArcGIS軟件將矢量圖轉(zhuǎn)換為柵格圖。將上述剪裁完畢的富陽市森林資源二類矢量圖的shape小班面，以森林類型分類為轉(zhuǎn)換字段，通過ArcToolbox中的toraster工具轉(zhuǎn)為柵格圖，使其每一個柵格單元都有對應(yīng)的土地利用/土地覆蓋類型(LULC)代碼。其中數(shù)據(jù)集以米投影，轉(zhuǎn)換結(jié)果見柵格圖3。

2.4 參數(shù)表和數(shù)據(jù)來源

文中所用的主要數(shù)據(jù)資料為(1)2004-2008年富陽市遙感數(shù)據(jù)資料、富陽市森林資源二類清查數(shù)據(jù)等。(2)通過查閱大量的關(guān)于富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的研究資料以及浙江省等亞熱帶地區(qū)的相關(guān)文獻(xiàn)(李正才，2006；張駿等，2010)，獲得森林生態(tài)系統(tǒng)的地上碳庫和土壤碳庫數(shù)據(jù)；按照2006年IPCC國家溫室氣體清單指南中根莖比的缺省值進(jìn)行計算，獲得地下碳庫數(shù)據(jù)(章銀柯等，2013)；根據(jù)Delaneyetal(1998)研究死的有機物碳庫約為地上碳庫量的1/10，計算死的有機物碳密度(竹類除外，其他數(shù)據(jù)四舍五入保留一位有效數(shù)字)；最后歸納計算得出富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)四個碳庫的碳密度。最后通過Excel必備工具箱將.xls格式的表格轉(zhuǎn)化成.dbf格式，獲得參數(shù)表，如表2所示，以便加載到ArcGIS中進(jìn)行計算。

2.5 模型運算

InVEST模型需要的原始輸入數(shù)據(jù)是不同的空間數(shù)據(jù)，輸出的結(jié)果也是空間圖形(白楊等，2013)。把上述數(shù)據(jù)剪裁完畢的富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)小班面的柵格圖3和.dbf格式的參數(shù)見表2，分別加載到ArcGIS軟件中，然后在ArcToolbox中添加InVEST工具箱，最后通過InVEST-Carbon模塊進(jìn)行處理運算獲得結(jié)果。

2.6 由生物量推算碳儲量

根據(jù)富陽市森林資源二類清查資料，并根據(jù)以下蓄積量與生物量之間的函數(shù)關(guān)系(王斌等，2009)，推算出碳儲量。

式中，B為單位面積生物量；V為單位面積蓄積；a、b為對應(yīng)植被類型常數(shù)。公式乘以碳轉(zhuǎn)換系數(shù)0.45推算出植被碳儲量，結(jié)果如表3，土壤碳密度和死的有機物碳密度根據(jù)表2計算。

表 2　富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)四個碳庫的碳密度Table 2　Carbon density of the 4 carbonpools in Fuyang forest ecosystems

注：碳密度單位為t·hm-2。

Note:Unitsofcarbondensityist·hm-2.

3　結(jié)果與分析

3.1 森林碳儲量的總體空間分布

通過上述InVEST模型處理運算得出富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)總的碳儲量約為26.743 7 × 106t，其碳儲量的總經(jīng)濟(jì)價值約為39.904 2億元(根據(jù)InVEST說明手冊每公噸碳的價格為43美元計算)。并得到富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的空間分布圖，顏色越深表示碳儲量越高，反之，碳儲量越低，如圖4。從圖4可以看出，富陽市的東南部和中北部邊緣碳儲量較高，由東向西呈現(xiàn)高—低—高—低的分布帶規(guī)律。由于碳儲量的高低與植被生物量分布密切相關(guān)(森林植被碳儲量=植被生物量 × 轉(zhuǎn)換系數(shù))，這在一定程度上可反映出富陽地表覆蓋物的主要分布規(guī)律。圖4中西南-東北走向的白色條帶是跨越富陽市的富春江流域，富春江流域西北部的空白部分是富陽城市規(guī)劃區(qū)，可看出其森林覆蓋率很低。西北部主要呈灰色，說明其森林碳儲量很低，可推出該地區(qū)主要是農(nóng)業(yè)用地或其他非林業(yè)用地。

表 3　生物量推算碳儲量一覽表Table 3　Carbon strorage estimated by biomass

圖 4　富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量空間分布Fig. 4　Space distribution of Fuyang forest ecosystems carbon storage

3.2 不同森林類型碳儲量的空間分布

從圖4可以看出，富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分布具有區(qū)域差異性，這不僅與人為干擾和環(huán)境因素有關(guān)，還與森林類型的分布、面積等諸多因素有關(guān)。綜合圖3的森林類型和圖4的碳儲量分布可以得出，碳儲量高低順序依次是竹林>常綠闊葉林>針闊混交林>馬尾松林>杉木林，表明竹林是富陽市森林碳儲量的主體。從本研究可以看出富陽市各類森林類型平均碳密度的高低分布，常綠闊葉林碳密度>針闊混交林碳密度>竹林碳密度>馬尾松林碳密度>杉木林碳密度，這與浙江省生態(tài)公益林各主要林型(不含竹林)的碳密度分布規(guī)律基本一致(張駿等，2010)。加權(quán)平均得到富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)總的碳密度約為180.75t·hm-2，高于浙江省生態(tài)公益林平均碳密度164.43t·hm-2(張駿等，2010)和全國森林平均碳密度41t·hm-2(趙敏，2004)，其總的碳密度約為浙江省生態(tài)公益林的1.1倍，約是全國森林碳密度的4.4倍，其碳儲量約占浙江省生態(tài)公益林碳儲量的8.25%。據(jù)有關(guān)研究：森林碳儲量的高低與自然地理條件、森林類型、面積、森林的年齡結(jié)構(gòu)等諸多因素有關(guān)(Dixonetal，1994)，其中幼齡林碳儲量<中齡林碳儲量(劉其霞等，2005；王雪軍等，2008)，目前富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)多以幼齡林為主，部分為中齡林，成熟林較少，預(yù)計未來一段時間內(nèi)其森林碳儲量將持續(xù)增加。

4　討論與結(jié)論

基于富陽市森林資源遙感影像數(shù)據(jù)資料和ArcGIS10.0軟件，運用InVEST-Carbon模型對其森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量進(jìn)行了估算，定量可視化了富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量并明確其空間分布規(guī)律。富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)總的碳儲量為26.743 7 × 106t，其價值量為39.904 2億元。不同森林類型碳儲量高低分布狀況為竹林>常綠闊葉林>針闊混交林>馬尾松林>杉木林；其平均碳密度為180.75t·hm-2，各森林類型平均碳密度的高低與其碳儲量分布相一致(竹林除外)。通過此研究可為森林資源的管理和林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供相關(guān)依據(jù)，且有助于碳循環(huán)與碳匯的研究。

基于森林二類清查資料，通過生物量與蓄積量的關(guān)系推算的碳儲量與InVEST-Carbon模型估算的碳儲量數(shù)據(jù)相差不大，碳轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.45時為28.378 0 × 106t，InVEST-Carbon模型的估算結(jié)果略微偏低，約是其結(jié)果的1.06倍，基本一致，可用于估算森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量，偏差可能是源于InVEST模型四個碳庫數(shù)據(jù)，InVEST模型是假設(shè)四個碳庫密度已知的情景估算模型，對輸入的數(shù)據(jù)敏感性強。

研究同時表明，InVEST模型將量化的森林碳儲量以地圖的形式表現(xiàn)出來，可不再用頻繁的計算公式和過多的文字描述；其次，相對其他模型而言，InVEST模型需導(dǎo)入的數(shù)據(jù)較少，優(yōu)化了許多復(fù)雜的問題，且能夠抓住重點解決問題(吳哲等，2013)；此外，InVEST模型還可用于對未來或多種模擬場景情況下的預(yù)測估算等(白楊等，2013)，可為政府、非盈利組織和公司企業(yè)等自然資源的管理提供決策信息，其多功能和模塊化的設(shè)計為權(quán)衡評估得失提供了有效的工具。目前，InVEST模型還成功運用了對生物多樣性、水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估的研究。

然而，本研究也存在一些不足，如需輸入的空間數(shù)據(jù)難以獲??；需根據(jù)實際研究情況對模型進(jìn)行修改；模型碳密度數(shù)據(jù)的獲取存在不確定性，極易受輸入數(shù)據(jù)的影響，導(dǎo)致產(chǎn)生誤差；輸出結(jié)果是一個總體碳儲量值和空間結(jié)果分布圖，得不到各個具體森林類型的結(jié)果值等，因此InVEST-Carbon模型估算出的碳儲量適用于總體評估和空間可視，不利于具體詳細(xì)的研究。同時，由于部分?jǐn)?shù)據(jù)的缺乏，本研究沒有預(yù)測富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的動態(tài)變化，有待進(jìn)一步研究。在今后，應(yīng)充分發(fā)揮InVEST模型的優(yōu)勢并對其進(jìn)一步的開發(fā)，相信該模型將會越來越受到相關(guān)科技研究人員和工作者等的重視、研究和應(yīng)用。

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Estimating the carbon storage of Fuyang forestecosystemsbasedonInVESTmodel

XIU Zhen-Zhen, WANG Bin*, YANG Xiao-Sheng, YU Chao, ZHANG Long, GERI Le-Tu

( Research Institute of Subtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Fuyang 311400, China )

The forest ecosystem carbon storage was visually quantified, and its spatial distribution was identified, based on remote sensing images data on forest resources and ArcGIS 10.0 software, Fuyang City as a case that belongs to the typical subtropical climate, making use of InVEST-Carbon models to estimate carbon stocks of the Fuyang forest ecosystems. The results showed that there were obvious regional differences about the distribution of carbon storage in Fuyang forest ecosystems from east to west which showed high-low-high-low distribution. The total carbon storage of Fuyang forest ecosystems was 26.743 7 million t. And it valued 3 990.421 million yuan. The average carbon density distribution of various kinds of forest type was: evergreen broad-leaved forests > coniferous and broad-leaved mixed forests > bamboo forest > masson pine forests > fir forests. It was roughly identical to the carbon density distribution in the major types of the Ecological Public Welfare Forest in Zhejiang Province. And we found that its total forest carbon density was about 180.75 t·hm-2. It exceeded the Ecological Public Welfare Forest in Zhejiang Province and all over the country in carbon density. The calculated carbon density was not so far from that computed by the relation between the biomass and volume based on forest inventory data that was 28.3780 million t. The InVEST-Carbon model could be applied to the estimation of the overall forest ecosystem carbon storage. By the research it implied that the evaluation results of the InVEST model were clear and intuitive. The quantitative forest carbon was shown in form of a map by importing less data. The InVEST model could be used to the prediction of the future or multiple simulations, etc. It provides the decision-making information of the natural resources management for the government, non-profit organizations and companies. It can be an effective tool for gain and loss of balance assessment with the multifunction and modularized designation.

carbonstorage,carbondensity,forestecosystems,FuyangCity

10.11931/guihaia.gxzw201405032

2014-05-14

2015-03-25

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAC13B02-2)；中國林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所基本科研業(yè)務(wù)費重點項目(RISF6152) [SupportedbytheNationalKeyTechnologyR&Dprogramduring“the12thFive-yearPeriod”(2012BAC13B02-2)；FoundamentalResearchFundofResearchInstituteofSubtropicalForestryofChineseAcademyofForestry(RISF6152)]。

修珍珍(1987-)，女，山東萊陽人，碩士研究生，主要從事森林生態(tài)服務(wù)功能評估方面的研究,(E-mail)xzzzu@163.com。

王斌，博士，副研究員，主要從事生態(tài)經(jīng)濟(jì)評價等方面的研究,(E-mail)ylwangbin@sina.com。

Q948,S718.5

A

1000-3142(2016)07-0868-07

修珍珍，王斌，楊校生，等. 基于InVEST模型估算富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量 [J]. 廣西植物，2016，36(7):868-874

XIUZZ,WANGB,YANGXS，etal.EstimatingthecarbonstorageofFuyangforestecosystemsbasedonInVESTmodel[J].Guihaia，2016，36(7):868-874