GIS在天然林碳汇价值评价中的应用

肖 阳，佘济云，陆 禹，孟 伟

（中南林业科技大学商学院，湖南 长沙 410004）

GIS在天然林碳汇价值评价中的应用

肖 阳，佘济云，陆 禹，孟 伟

（中南林业科技大学商学院，湖南 长沙 410004）

依据森林资源二调数据，对毛瑞林场内的天然林进行随机抽样布点，采用换算因子连续函数法估算其碳汇量，并采用造林成本法计算其碳汇价值；利用Arcgis中的空间分析功能对研究区内的碳汇价值进行了插值分析和重分类。结果表明：（1）毛瑞林场天然林碳汇总价值约为5.6千万元；（2）利用地统计分析中的克里格插值法对天然林碳汇价值进行评价，结果较为客观真实，与实际情况相符。

天然林；碳汇价值；GΙS；毛瑞林场

1 森林碳汇价值评价方法

1.1 碳汇量估算方法

目前，有关森林碳汇量的估算方法有很多[13-16]，不同领域采用的手段也各不相同。大气学科利用气象技术从CO2的测量入手；生态学科利用传统的生物量抽样测量入手；林学学科从森林资源连续清查数据或二类调查数据入手；环境学科则从CO2通量测量入手。总结起来，主要有生物量法、生物量清单法、涡度协方差法、涡旋相关法和蓄积法，换算因子连续函数法则是生物量法中最为常用的方法之一。

1.2 价值量估算方法

国内外许多学者对碳汇价值的确定主要从成本和构造假设市场两种角度进行度量的，前者主要包括造林成本法、CO2成本法、碳税法、损失估算法、变化的碳税法；后者是通过询问、调查消费者对森林碳汇服务的支付意愿以及支付数量程度，以此来确定碳汇的价值。

2 GΙS中的克里格插值

克里格插值是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域化变量进行无偏差最优估计的一种方法，该方法充分吸收了空间统计思想，认为任何空间连续分布的属性是非常不规则的，不能用简单的平滑数学函数进行模拟，而可以用随机表面给予适当描述。因为克里格插值是以空间的自相关性为基础，利用原始数据和半方差函数的结构性，对区域变化量的未知采样点进行最优无偏差估计的插值方法，因而插值效果客观准确，能充分反映空间事物之间的相互影响[17]。其计算公式可表示为：

式（1）中：Z（x0）为未知样点值；Z（xi）为未知样点周围的已知样点值，λi为第i个已知样本点的权重，n为已知样本点的个数[17]。

克里格插值主要的研究工具是变差函数，其公式如下：

式（2）中：Z（x）和Z（x+h）为在点x和x+h处的值，h为偏离x的距离。

利用各样地的碳汇价值进行克里格插值分析，根据标准平均值最接近于0、均方根预测误差最小、评价标准差最接近于均方根预测误差、标准均方根误差最接近于1和实线趋势与虚线趋势最吻合的原则，选择最优的克里格插值模型，最后得出研究区分布图。

评价指标包含臭氧浓度、产量、转化率及单位臭氧所需费用。其中，臭氧的产量为臭氧浓度与出气流量的乘积；臭氧转化率为臭氧产量与进气氧气质量之比；单位臭氧所需费用为运行总费用与臭氧产量之比。

3 GΙS在天然次生林碳汇价值评价中的应用——以海南毛瑞林场为例

毛瑞林场地处海南省中南部，林业用地面积25 866.67 hm2，其中天然林面积 21 066.67 hm2，疏林灌木林地 1 200 hm2，未成林造林地 2 200 hm2。林区属五指山支脉，境内大部分为山地丘陵，气候属热带季风，具有日照长、气温高、雨水多、蒸发量大，季风变化明显，年平均降雨量1 900 mm以上。土壤为山地黄壤，腐殖层0.5 m，土层厚度在1 m以上，土地肥沃，光热充足，雨量丰沛，是发展名特优热带水果和种植棕藤、南药的理想之地。

3.1 数据来源与处理

以海南2010年二类调查数据为基础，用Arcgis筛选出毛瑞林场天然林分布范围，并随机设置了50个样点，呈现均匀分布；设置样点大小为20 m×20 m，将样点所在小班提取，计算小班蓄积量，跟单位面积上蓄积量的大小，将样点的蓄积量赋值于数据库。

3.2 评价步骤与结果

3.2.1 碳储量的确定

本研究采用换算因子连续函数法计算该研究区内的森林生物量，其计算公式：

BEF=a+b/V。 （3）式（3）中，BEF为生物量换算因子，林分生物量与林分材积的比值；V为林分材积；a，b均为常数。用B表示林分生物量，则根据上式推出的生物量计算公式为：

B=BEF×V=aV+b。 （4）

该研究区内的天然林林分类型为阔叶混交林，根据方精云建立的回归模型[18]，确定阔叶混交林的 a、b 参数分别为 0.625 5、91.001 3，得出每个样点的生物量；而森林碳储量等于森林生物量与转换系数（单位生物量的含碳量）的乘积，较常用的转换系数为0.45，进一步得出每个样点的碳储量，并赋值于数据库。

3.2.2 碳汇价值的确定

碳汇价值等于碳储量的含量与碳汇价格的乘积。本研究采用我国常用的碳汇价值量估算方法—造林成本法，碳汇价格为273.3元/t。

3.2.3 评价结果与分析

利用Arcgis的地统计分析模块对在毛瑞林场获得的50个调查样地结果进行探索性分析中，探索性分析结果如图1所示，利用克里格插值法对调查样地结果进行插值预测，预测效果如图2所示，毛瑞林场天然林碳汇价值的空间分布图如图3所示。

图1 利用Arcgis的统计分析对50个调查样地结果的探索性分析Fig.1 Exploratory analysis on 50 sample plots investigation results by Arcgis statistical analysis

图2 克里格插值法预测值与实测值散点图Fig.2 Scatter-graph of Arcgis interpolative prediction values and measured values

图3 碳汇经济价值空间分布Fig.3 Spatial distribution of carbon-sink economic values

从图1可知，样地的碳汇价值QQ散点分布趋于直线，样地结果服从正态分布，可以运用克里格插值法预测研究区的碳汇经济价值；样地碳汇经济价值的空间分布呈现东北高西南低的趋势，这主要与研究区西南高东北低的地势有关；在泰森多边形中存在两个异质点，该点较周围碳汇量相对较低，调差显示该区靠近林场管理区和居民区，受人为干扰较大。

从图2的预测结果可以看出，实线趋势与虚线趋势较吻合，克里格插值效果较好，计算结果能很好地反映毛瑞林场天然林碳汇价值的空间分布。

通过与高程、坡度、坡向等地形因子进行对比分析，发现碳汇价值与海拔及坡向之间存在较高的相关性，即高程较低（图4）、阳坡区域的森林碳汇经济价值较大，反之较小，海拔680 m之上森林碳汇经济价值迅速减少。研究区内存在一个碳汇价值的至高点，该区海拔660 m左右，森林郁闭度最高，达0.85，单位面积蓄积量最大，这是由于该区海拔适中，坡面向阳，自然生长条件最适合森林生长，同时人为干扰少，森林近自然度最高，为林场中天然林生长状况最好的区域，结果符合林场实际情况。

图4 不同海拔下碳汇经济价值变化趋势Fig.4 Variation tendency of carbon-sink economic values with different height above sea-level

利用Arcgis中的空间分析模块，以10 m×10 m为一个栅格，对碳汇价值分布图进行重分类，分类越多，所得结果的误差越小。本研究根据碳汇价值数量结果将其分为24类，各分类段之间的经济间隔为30元，以各碳汇价值段的平均值作为该区的碳汇经济价值，如图5所示。

图5 碳汇经济价值重分类Fig.5 Re-classif i cation of carbon-sink economic values

统计重分类后各类碳汇价值段的栅格数和经济单价，并以此计算各分区的面积和天然林的碳汇经济价值，最后得出毛瑞林场碳汇经济价值总值，结果如表1所示。计算公式为：

式中V为价值总值，i为重分类类型，Ni为i类碳汇经济价值段的栅格数，S为栅格面积，vi为i类碳汇经济价值。

从表1中可以得出毛瑞林场天然林碳汇总价值为 56 375 331 元，即 18 948.162 元 /hm2，平均每个栅格碳汇经济价值为189.48元。

4 结论与讨论

（1）利用Arcgis的地统计分析模块对样地结果进行探索性分析，其结果服从正太分布；利用克里格插值法对样地碳汇经济价值进行预测的实线趋势与虚线趋势趋于吻合，说明插值效果较好，计算结果能很好地模拟毛瑞林场天然林碳汇价值的空间分布，评价结果与实际情况相符。

（2）不同海拔、坡度、坡向等地形因子对天然林的碳汇量有一定的影响，海拔对该区的碳汇量影响最大，碳汇量在海拔较低的区域较大，在680 m左右达到区域最大值，说明海拔为680 m时适合该地区森林生长。

（3）通过对统计结果的重分类，将碳储量经济价值的空间分布结果重新分为24类，分类间隔为30元，计算得出毛瑞林场天然林碳汇总价值为56 375 331 元，平均 18 948.162 元 /hm2。

表1 碳汇经济价值统计Table 1 Statistics of carbon-sink economic values

（4）碳汇价值的评价涉及的因素众多，不同区域不同林种所采取的方法不同。对于人工林而言，采取典型样地抽样方法进行评价，结果较为理想；对天然林而言，随机抽样则占优势，地统计分析中的克里格插值通过构建自然中各相邻事物之间相互影响的关系来模拟事物空间分布的自然状态，可以避免一些人为干扰因素，分析评价结果更客观真实。在评价过程中栅格大小以及样地间隔大小可根据评价范围的大小而定，栅格越小、样地间隔越小、样地空间分布越均匀、重分类类型越多，评价精度就越高。利用GΙS对森林碳汇进行客观评价，可直观的反映出森林碳汇量及其经济价值的分布情况及趋势，对探究其原因及为将来森林生态系统固碳、增碳的经营管理提供科学依据。

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Application of GIS on evaluation of forest carbon-sink in natural forest

XΙAO Yang, SHE Ji-yun, LU Yu, MENG Wei
(School of Business, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Based on the forest resources inventory data, Setting points and random-sampling in the natural forest in Maorui Forest Farm were randomly conducted. The carbon sinks of the natural forest were estimated by using conversion factor and continuous function method, the values of carbon sinks were calculated by using afforestation cost method and the values of carbon sinks were analyzed with interpolation method and were reclassif i ed. The results demonstrate that (1) the total carbon-sink values of the natural forest was about 5.6 ten million Yuan; (2) the evaluation results of carbon-sink values of the natural forest by Kriging interpolation method were objective and truth, consistent with the actual situation.

natural forest; values of carbon-sink; GΙS; Maorui forest farm

S77

A

1673-923X(2013)12-0032-05

2013-09-10

湖南省“十二五”重点学科-森林经理学科（034-0014）；海南省林业局重点科研项目“海南省五大河流域植被恢复与保护规划研究”(LK20118478)项目资助

肖 阳（1974-），湖南醴陵人，博士研究生，讲师，主要从事森林经理和林业资源信息化方面的研究；

E-mail：dukexy@163.com

佘济云（1966-），湖南邵东人，博士，教授，博士生导师，主要从事森林经理和林业资源管理方面的研究；

E-mail：shejiyun@126.com

[本文编校：文凤鸣]