杜 欽 ，段文軍 ，羅盛鋒 ，2

(1.桂林理工大學(xué) 旅游學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004)

CITYgreen模型在人工林碳儲量核算中的應(yīng)用研究

杜 欽1，段文軍1，羅盛鋒1，2

(1.桂林理工大學(xué) 旅游學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410004)

CITYgreen碳儲量模型在國內(nèi)雖然已有一些應(yīng)用，但對其準(zhǔn)確性一直缺乏驗證。本研究選擇中國科學(xué)院鶴山站40塊10×10m人工林樣地，分別通過CITYgreen模型模擬和生物量轉(zhuǎn)換方法對其碳儲量進(jìn)行計算。并以準(zhǔn)確度較高的生物量轉(zhuǎn)換方法對CITYgreen 模擬值進(jìn)行驗證。結(jié)果顯示，CITYgreen較準(zhǔn)確地計算出人工林的碳儲量值，與生物量轉(zhuǎn)換計算方法間并無顯著差異(P＞0.05)。這說明CITYgreen模型不僅對城市森林，而且對各類人工林碳儲量核算都具有重要的推廣和應(yīng)用價值。此外，文章還詳細(xì)介紹了運(yùn)用CITYgreen模型核算人工林碳儲量的步驟和方法。

碳儲存核算；CITYgreen模型；人工林；華南地區(qū)

CITYgreen模型是1996年美國林業(yè)署研制開發(fā)的基于Arcview平臺計算人工（或城市）森林生態(tài)服務(wù)功能的模型[1-3]。它包含有碳儲量、固碳、削減暴雨徑流、吸收大氣污染物等多項計算模型[3]。其中的碳儲量模型是計算人工（城市）森林固碳效益的核心模型，為人工森林固碳生態(tài)服務(wù)功能價值的計算奠定了換算基礎(chǔ)[2]。

目前，CITYgreen碳儲量模型已被國際上的一些發(fā)達(dá)國家，如美國、加拿大等國家采用，常常用來評估城市人工森林的固碳釋氧效益[4-6]。近些年，CITYgreen碳儲量模型在國內(nèi)也得到了一些應(yīng)用，如對深圳、蘇州、杭州等市城市森林固碳釋氧效益的評價[7-9]，但對其在野外人工林碳儲量核算中應(yīng)用研究較少。

需要清楚的是，CITYgreen模型的開發(fā)是基于北美常見的樹種，其最佳應(yīng)用區(qū)域范圍自然也是北美地區(qū)。若在其他地域應(yīng)用，其對模型的準(zhǔn)確度有何影響，是否能適用于北美以外的其它地區(qū)，一直是備受關(guān)注的問題[2,6]。

雖然CITYgreen模型早已被引入國內(nèi)，但對其內(nèi)各模型在中國的適用性問題卻一直缺乏驗證研究[3,10]。本研究針對CITYgreen中的碳儲量模型，選擇相同的人工林樣地，以高準(zhǔn)確度的生物量換算成碳儲量的數(shù)據(jù)作為驗證數(shù)據(jù)，對CITYgreen碳儲量模型進(jìn)行驗證，評價CITYgreen碳儲量模型的適用性，期望能為CITYgreen碳儲量模型在國內(nèi)人工林碳儲量核算中更廣泛的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 模型與數(shù)據(jù)源

1.1 碳儲存的計算原理

CITYgreen碳儲量的計算人工植被碳儲量的計算公式為：

式（1）中：Cv表示植物碳儲量（t），Ar表示面積（hm2），Gc表示樹木層覆蓋百分比（%），Cf表示碳儲存系數(shù)。CITYgreen模型中，碳儲存系數(shù)依據(jù)林齡分為四類：幼齡型、成熟型、中熟型、混合型（表1）。不同類型的植物，所具有的碳儲存系數(shù)各不相同。而要確定植物碳儲存系數(shù)的類型，則需要通過實(shí)地的樣方調(diào)查，記錄樣方內(nèi)每木的名稱、胸徑、樹高、冠幅、健康狀況等一系列生長參數(shù)來進(jìn)行確定。

表1 CITYgreen模型中不同林齡植被的碳儲存系數(shù)Talbe 1 Carbon storage multipliers of CITYgreen model

1.2 模型的參數(shù)

從碳儲量計算公式可知，碳儲量的計算取決于面積、覆蓋度、碳儲存系數(shù)三項參數(shù)。CITYgreen模型中，這三項參數(shù)的獲得與運(yùn)行需要空間特性數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)作為支撐。其中，空間特性數(shù)據(jù)為模型提供面積、覆蓋度兩項參數(shù)的數(shù)據(jù)源，屬性特征數(shù)據(jù)提供碳儲存系數(shù)的數(shù)據(jù)源。

具體來說，空間特性數(shù)據(jù)提供計算對象的幾何特性，如面積、冠幅大小、覆蓋度等。通過輸入的空間特性數(shù)據(jù)，模型能獲得研究區(qū)域或研究樣方內(nèi)植被的覆蓋率或覆蓋度，作為碳儲量計算的參數(shù)之一。通常情況下，空間特性的數(shù)據(jù)獲得的方式比較靈活。在小尺度上，可以通過調(diào)查樣方的植物平面圖的矢量數(shù)據(jù)生成，即平面圖上記錄有樣方的總面積、每木在樣方中的位置、冠幅大小等信息；在大尺度上，空間特性數(shù)據(jù)可以從遙感影像獲得，即遙感影像上會記錄有研究區(qū)域內(nèi)植被分布位置、不同植被的覆蓋度、樣地面積等狀況信息。

另一方面，屬性特征數(shù)據(jù)提供計算對象的具體生長特征，如植物名稱、胸徑、樹高、冠幅、健康狀況等等。通過這些具體的生長特征，確定植物的林齡類型，為選擇碳儲存系數(shù)提供依據(jù)。一般來說，屬性特征數(shù)據(jù)的獲得來源于實(shí)地的樣方調(diào)查。樣方調(diào)查的結(jié)果，即可在小尺度研究上直接使用，也可結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)，擴(kuò)展到大尺度的研究上。

1.3 模型運(yùn)行描述

模型運(yùn)行的過程主要分為參數(shù)準(zhǔn)備和碳儲量計算兩階段。其中，參數(shù)分析為模型計算運(yùn)行的前期準(zhǔn)備階段，碳儲量計算為獲得計算結(jié)果階段。

1.3.1 參數(shù)準(zhǔn)備階段

1.3.1.1 樣方調(diào)查

樣方調(diào)查的目的在于為模型提供空間特性和屬性特征數(shù)據(jù)。在明確碳儲量的計算對象后，需要設(shè)置樣地，進(jìn)行樣方調(diào)查。調(diào)查方法與生態(tài)學(xué)中植物群落樣方調(diào)查方法相同。主要調(diào)查的項目有：樹種、樹高、胸徑、冠幅、健康狀況（見表2）等。調(diào)查時，同步利用GPS對每一樣方內(nèi)各樣木進(jìn)行定位，獲取相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)。需要指出的是，需要調(diào)查的樣方數(shù)量與研究對象、研究尺度相關(guān)。若研究植被特征比較復(fù)雜（如植被類型多），則樣方的數(shù)量需要適當(dāng)增加。主要的原則在于：每一植被類型都要依據(jù)其面積大小，設(shè)置若干樣方，進(jìn)行每木調(diào)查，以盡可能全面的反映該植被類型的特征。相反，若研究植被特征比較單一（如人工純林），則樣方設(shè)置的數(shù)量可適當(dāng)減少。

表2 CITYgreen模型對樹木健康狀況的分級Table 2 Classes of tree’s health condition in the CITYgreen model

1.3.1.2 研究對象的矢量化

研究對象矢量化的目的主要在于為模型的運(yùn)算提供空間特性數(shù)據(jù)。矢量化主要包括以下幾項工作：

（1）研究區(qū)域：清晰的繪制界定研究區(qū)域的范圍。

（2）樹木層：包括研究區(qū)域內(nèi)的所有喬木和灌木。用圓圈勾畫出每木的冠幅。若群落結(jié)構(gòu)比較簡單，喬木層和灌木層矢量化時可以僅使用一個圖層；若群落結(jié)構(gòu)為喬灌復(fù)合結(jié)構(gòu)，矢量化時，需要分成喬木層和灌木層兩個圖層。在每木的勾畫過程中，還需同步輸入相應(yīng)的樹種名稱、樹高、胸徑、生長狀況等屬性信息。

（3）林下層：主要包括林下草本植物、水體、地面等等。依據(jù)不同的研究目的，林下層可以進(jìn)行不同設(shè)置。如只需計算群落中喬木層或灌木層的碳儲量，林下層的設(shè)置可忽略；若需要計算整個群落的碳儲量，則林下層不可忽略。

矢量化過程中，可以采用以下兩種信息源。第一種是研究區(qū)域的遙感影像。遙感影像能為矢量化提供最直觀簡便的信息源。利用遙感影像進(jìn)行矢量化，需要較高分辨率的影像，要能清晰分辨每木的類型、樹冠大小。第二種是研究區(qū)域的各種平面圖。與遙感影像相比，平面圖的獲得更為簡單可行，但需要依據(jù)樣方調(diào)查的結(jié)果，逐一對每木進(jìn)行標(biāo)定和冠幅繪制。矢量化過程中，也必須清晰標(biāo)記每木位置，準(zhǔn)確繪制每木冠幅。

1.3.1.3 基礎(chǔ)樹種數(shù)據(jù)更新

雖然CITYgreen模型提供了一個具有300多種常用人工林樹種的基礎(chǔ)樹種數(shù)據(jù)庫，但在實(shí)際工作時，仍然會采集到新樹種?？紤]到現(xiàn)實(shí)工作中，常常會增加新樹種，CITYgreen模型提供了基礎(chǔ)樹種數(shù)據(jù)庫更新功能。更新時，只需要依據(jù)新樹種的葉密度、樹高生長率、胸徑生長率、樹冠形狀等特征（表3），便可描述新樹種的生長狀況與特征。

表3 CITYgreen模型更新基礎(chǔ)樹種數(shù)據(jù)庫的字段與描述Table 3 The terms and description of updating the tree’s species database in CITYgreen model

1.3.2 碳儲量計算階段

在參數(shù)準(zhǔn)備完成后，便可直接進(jìn)入碳儲量計算階段。計算過程中，還需進(jìn)一步指定研究區(qū)域的地理坐標(biāo)信息、地圖單位等信息，之后模型會依據(jù)所提供的參數(shù)特征，進(jìn)行碳儲量的計算，并輸出相應(yīng)的計算結(jié)果。

1.4 模型運(yùn)行的數(shù)據(jù)

模型的運(yùn)行和驗證均針對相同人工林類型。模型運(yùn)行的數(shù)據(jù)和用于驗證模型的數(shù)據(jù)均采集自“廣東鶴山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站”的多種人工林下的固定樣方。選擇鶴山站的人工林進(jìn)行模型運(yùn)行和驗證主要是考慮到：（1）鶴山站是在極度退化的沿海侵蝕臺上進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)，是我國南方人工森林最典型的觀測站，具有較為豐富多樣的闊葉和落葉人工林。這正符合CITYgreen模型的主要應(yīng)用對象是人工森林的準(zhǔn)則；（2）鶴山站屬于中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)臺站，針對不同人工森林，有固定的監(jiān)測樣地和長期的觀測數(shù)據(jù)積累，不僅能為模型運(yùn)行數(shù)據(jù)提供可靠的采集點(diǎn)，而且能為模型的驗證提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。

為了運(yùn)行CITYgreen碳儲量模型，我們選擇共計12種闊葉人工林和針葉人工林，每種林型下設(shè)置3～5塊樣方，依據(jù)CITYgreen碳儲量計算所需參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。我們選擇的闊葉人工林類型包括馬占相思林、大葉相思林、荷木林、西南木荷林、速生桉林、檸檬桉林、豆科混交林、火力楠林、臺灣相思林；典型針葉人工林包括杉木林、馬尾松林、濕地松林。每一類型的林型下，依據(jù)林分的多樣性，分別設(shè)置3～5處10×10m的樣方進(jìn)行每木調(diào)查（表4）。主要項目包括：樹種、樹高、胸徑、冠幅、健康狀況，空間位置等。樣方數(shù)據(jù)采集完成后，運(yùn)行CITYgreen碳儲量模型，對典型的闊葉人工林和針葉人工林的碳儲量進(jìn)行計算，獲得模型模擬的計算結(jié)果。

1.5 驗證模型的數(shù)據(jù)

針對表3中所設(shè)的各監(jiān)測樣方，通過準(zhǔn)確度高的生物量換算成碳儲量的方法，取得各相應(yīng)樣方的碳儲量，并以此來驗證模型模擬出的計算結(jié)果。各固定樣方的生物量數(shù)據(jù)來源于《中國生態(tài)系統(tǒng)定位觀測與研究數(shù)據(jù)集：森林生態(tài)系統(tǒng)卷——廣東鶴山站》[11]。人工林碳儲量計算公式為：

表4 選擇的人工林類型Table 4 Plantations in this study

式（2）中：Cst表示喬木層碳儲量，Csm表示灌木層碳儲量，Csl表示草本層碳儲量；式（3）、（4）和（5）中Bs表示莖干的生物量，Bt表示枝的生物量，Bl表示葉的生物量，Bb表示皮生物量，Br表示根系的生物量，Ba表示地上部分的生物量，Bu表示地下部分生物量，Co表示含碳率，i表示樣方中第i種喬木（灌木或草本），n表示樣方中喬木（灌木或草本）的種類數(shù)量。參考鶴山站人工林喬木、灌木、草本植物實(shí)測的含碳率，本研究中Co取國際上常用的轉(zhuǎn)換系數(shù)0.50[12-13]。

模型的驗證首先通過散點(diǎn)圖進(jìn)行直觀判斷CITYgreen模擬值與驗證值之間的吻合程度，對模型進(jìn)行定性的總體評價。然后，通過模擬值與驗證值的平均值、兩者之間的線性回歸系數(shù)（α）、截距（β）、確定系數(shù)（R2），Student’s-t檢驗值進(jìn)行定量評價。當(dāng)線性回歸系數(shù)（α）越接近于1，截距（β）越接近于0，并且確定系數(shù)（R2）越大時，吻合度就高。Student’s-t檢驗值大于0.05時，模擬值與實(shí)測值之間的差異不顯著[4,14]。

2 模型的驗證

圖1顯示出了CITYgreen模型模擬碳儲量值與生物量計算碳儲量值對比情況?？傮w來看，CITYgreen模型的模擬值與生物量計算值呈良好的一致性，模型的模擬值可以很好的模擬出基于多種林型的40個樣地的碳儲量值。由統(tǒng)計結(jié)果可知，模型的模擬值與生物量的計算值較為接近，回歸系數(shù)α為0.797，比較接近于1，截距β為0.354，較接近于0，決定系數(shù)R2為0.817，t檢驗值大于0.05，表明模型模擬值與生物量計算值間無顯著性差異，CITYgreen碳儲量模型模擬性能良好。

3 結(jié)論與討論

現(xiàn)行評價人工林的方法主要有：樣地清查法、遙感估測法、模型模擬法三種[15-16]。樣地清查法方法雖然簡單易行，但對樣方選擇要求高，且受樹木生物量估測方程影響大[17]；遙感估測法雖然也能估算人工林碳儲量，但主要應(yīng)用于大尺度大面積的林地，且遙感估算模型和遙感與地面調(diào)查樣地尺度的差異性會增加估測結(jié)果的不確定性[16,18]；模型模擬法需要結(jié)合模型所需參數(shù)，輸入相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，其操作簡單，結(jié)果可讀性強(qiáng)，但若要控制好誤差，必須保證輸入?yún)?shù)值的可靠性，把握好樣地調(diào)查數(shù)據(jù)的可靠度和精度[19]。

圖1 人工林碳儲量CITYgreen模擬值與生物量計算值對比驗證Fig.1 Validation on the simulated of CITYgreen and measured of biomass for carbon storage of planations

本研究中所驗證的CITYgreen固碳模型屬于模型模擬法，雖然CITYgreen碳儲量模型在國內(nèi)已有不少應(yīng)用，但對其準(zhǔn)確性一直缺乏驗證。本研究中，我們選擇中國科學(xué)院鶴山站典型闊葉和針葉人工林，共計40塊樣地，采用CITYgreen模擬和生物量轉(zhuǎn)換的方法對碳儲量進(jìn)行計算，并以準(zhǔn)確度更高的生物量轉(zhuǎn)換成碳儲量計算結(jié)果為驗證數(shù)據(jù)，對CITYgreen模擬值進(jìn)行驗證。驗證結(jié)果顯示CITYgreen碳儲量模擬值與生物量轉(zhuǎn)換計算值并無顯著差異，CITYgreen碳儲量模型的計算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

需要指出的是，本研究僅選擇華南地區(qū)中國科學(xué)院鶴山站的典型人工林為對象進(jìn)行了驗證，未來模型在國內(nèi)要獲得更廣泛應(yīng)用，還應(yīng)該選擇西南、中南、西北、東南、東北等地典型的人工林，對其進(jìn)行更廣泛的驗證。另外，本研究僅從10×10 m樣方，從小尺度上對模型進(jìn)行了驗證，由于CITYgreen最新版本中，還提供了從大尺度上對遙感影像的模擬計算功能，因此未來的模型驗證還應(yīng)該基于大尺度的遙感影像，對碳儲量模型進(jìn)行驗證。

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Application of CITYgreen model on carbon storage calculation of plantations

DU Qin, DUAN Wen-jun, LUO Sheng-feng
(1. College of Tourism, Guilin University of Technology, Guilin 541004, Guangxi, China; 2. College of Life Science and Technology,Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Although carbon storage model of CITYgreen has been applied widely in China, there are still lack of valiation on this model.In our study, we selected 40 plots of planations (10×10m) on The Open Experimental Station for Comprehensive Exploitation of Hilly Lands at Heshan of the Chinese Academy of Sciences, and calculated carbon storage of each plot by CITYgreen model and biomass conversion. Then, we use carbon storage data from biomass conversion method to validate the results of CITYgreen model. The results showed that carbon storage model of CITYgreen can well stimulate carbon storage of planted forest, and there doesn’t exist signi fi cant difference between CITYgreen model and biomass conversion methods (P＞0.05). This study show that CITYgreen model not only can be used to calculate carbon storage of city plantation, but also can be used to calculate Carbon Storage of all kinds of plantations in China. Moreover, the procedure and methods of plantation carbon storage calculation were introduced.

Carbon storage calculation; CITYgreen model; plantation; Southern China

S718.55+4

A

1673-923X(2016)11-0103-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.018

2016-01-06

國家林業(yè)局948課題“人工林森林碳匯核算技術(shù)引進(jìn)”（2013-4-74）

杜 欽，副教授，博士 通訊作者：羅盛鋒，副教授，博士研究生；E-mail：luoshengfeng@glut.edu.cn

杜 欽，段文軍，羅盛鋒.CITYgreen模型在人工林碳儲量核算中的應(yīng)用研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2016, 36(11):103-107, 112

[本文編校：吳 毅]