基于InVEST模型估算富阳市森林生态系统碳储量

修珍珍，王　斌，杨校生，余　超，张　龙，格日乐图

( 中国林业科学研究院 亚热带林业研究所，浙江 富阳 311400 )



基于InVEST模型估算富阳市森林生态系统碳储量

修珍珍，王斌*，杨校生，余超，张龙，格日乐图

( 中国林业科学研究院 亚热带林业研究所，浙江 富阳 311400 )

基于森林资源遥感影像数据资料和ArcGIS10.0软件，以属于典型亚热带气候的富阳市为案例，运用InVEST-Carbon模型对其森林生态系统碳储量进行估算，可视化定量富阳市森林生态系统碳储量并明确其空间分布规律。结果表明：富阳市森林生态系统碳储量分布具有明显的区域差异性，由东向西呈现高-低-高-低的分布带规律。富阳市森林生态系统总的碳储量为26.743 7 × 106t，其价值量为39.904 2亿元；得出富阳市各类森林类型平均碳密度的高低分布为常绿阔叶林碳密度>针阔混交林碳密度>竹林碳密度>马尾松林碳密度>杉木林碳密度，这与浙江省生态公益林各主要林型的碳密度分布规律基本一致，得到其森林生态系统总的碳密度约为180.75t·hm-2，高于浙江省生态公益林平均碳密度和全国森林平均碳密度。与基于森林二类清查资料，由生物量与蓄积量的关系式估算出的碳储量(28.378 0 × 106t)相差不大，InVEST模型可适用于森林生态系统碳储量的总体估算。通过研究可以得出，InVEST模型评估结果简明直观，导入较少的数据，将量化的森林碳储量以地图的形式表现出来。InVEST模型还可用于对未来或多种模拟场景情况下的预测估算等，可为政府、非盈利组织和公司企业等自然资源的管理提供决策信息，其多功能和模块化的设计为权衡评估得失提供了有效的工具。

碳储量, 碳密度, 森林生态系统, 富阳市

目前气候变暖已严重威胁到人类的生存和发展(王兵等，2011)。大量的研究表明：森林破坏已成为继化石燃料燃烧之后，大气中CO2浓度增加的第二大来源(Schimeletal，2001)。森林生态系统作为最大的陆地生态系统(李少宁等，2004)，其面积占全球非冰表面的40%，其生物量约占陆地生物量的90%，它贮存了陆地生态系统76%～98%的有机碳(林清山等，2009)，其土壤碳储量约占全球土壤碳储量的73%(刘华等，2005；徐新良等，2007)，其碳汇功能对碳收支平衡起着不可替代的作用(Woodburyetal，2007，2008；杨芝歌等，2012)。

基于森林资源清查资料的森林碳储量估算主要是在景观、区域甚至全球的尺度上，常常通过测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；邓蕾等，2011)。近年来，出现了基于RS信息数据和GIS软件对森林植被碳储量进行绘制和分析(黄从德等，2009)的研究，这不仅能定量化，而且还能以制图的形式空间可视化，但这方面的研究并不很多。InVEST(IntegratedValuationofEcosystemServicesandTradeoffs)模型正是基于ArcGIS软件平台由斯坦福大学、大自然保护协会、世界自然基金会等其他机构共同开发出来，目的是寻求最优的经济发展模式和自然资源管理，可用以评估生态服务功能等(白杨等，2013)。本研究以富阳市为案例，详细介绍如何运用InVEST模型估算森林生态系统的碳储量，旨在实现可视化定量富阳市森林生态系统碳储量并明确其空间分布规律，为实现该地区及亚热带森林资源的保护和经营管理等提供参考依据，并为类似研究提供一种有效的评估、量化和制图的模型方法。

1　研究区概况

1.1 自然条件

研究区富阳市位于浙江省西北部，地理位置为29°44′～30°12′N、119°25′～120°09′E。为朝北口的地貌，易受北方寒流入侵，是冬季气温较低的地域。年降水量为1 464mm，年平均气温为16.2 ℃，无霜期237d。富阳市属亚热带季风气候，雨量充沛，气候温和，日照充足，自然条件优越，土地肥沃。土壤为石英、长石砂岩上发育的微酸性红壤(吴亚丛等，2013)。

图 1　富阳市位置区域图Fig. 1　Location of Fuyang region

1.2 森林资源状况

该地区历史上为森林地带，顶极群落是北亚热带常绿阔叶林，由于人们对木材、薪炭需求量的增加以及农业活动的发展，大多天然林遭到破坏，转化为次生林、农业用地和人工林，现存主要是以壳斗科(Fagaceae)、樟科(Lauraceae)、山茶科(Theaceae)和木兰科(Magnoliaceae)等植物为主的次生林和以杉木(Cunninghamia lanceolata)林、马尾松(Pinusmassoniana)林、毛竹(Phyllostachys pubescens)林、早竹(Phyllostachys praecox)林和茶(Camellia sinensis)园等为主的人工林(李正才，2006)。现有林业用地面积125.33万hm2，有林地146万hm2，其中竹类面积30.67万hm2，毛竹林27.0万hm2，林木蓄积量达223万m3，森林覆盖率66.8%。

2　研究方法

2.1 InVEST碳储量模型

InVEST模型为生态系统服务功能综合估价和权衡得失评估模型(潘韬等，2013；Kareivaetal，2011；Dolan，2010)。其中，InVEST-Carbon模型是通过使用土地利用/土地覆盖类型图(LULC)、木材收获率和收获产品降解率等数据和在四个碳库(地上碳库、地下碳库、土壤和死的有机物)里的储存量来估测储存在相关地区的现有碳储量或预测未来碳储量。土地利用/土地覆盖类型图(LULC)和四个碳库储存量是不可缺少的数据，地上碳库包括地表以上所有活植被的碳储量；地下碳库是指植物活的根系系统的碳储量；土壤碳库包括土壤有机碳和矿质土壤有机碳(矿质土壤有机碳不易获得，在本研究中不计)；死的有机物碳库包括枯立木、凋落物和倒木中的碳储量。InVEST碳储量模型不涉及地上碳库中极不稳定的碳(如一年生农作物)，因为这些碳库相对稀少，更新过快(杨芝歌等，2012)。

InVEST模型碳储量模块的基本运算原理可简化为将已分类的小班面积乘以其相对的碳密度得出碳储量，然后把各分类的碳储量求和得出总的碳储量，即碳储量=∑(∑分类的小班面积 × 碳密度)。

图 2　剪裁数据后的富阳森林生态系统矢量图Fig. 2　Vector diagram of Fuyang forest ecosystems after cutting data

图 3　矢量栅格化的富阳森林生态系统图Fig. 3　Raster map of Fuyang forest ecosystems

2.2 数据剪裁

根据富阳市森林资源二类矢量图中小班面(共18 959个)所对应的优势树种和国家林业局进行森林资源二类清查的分类方法，其中常绿阔叶林主要包括木荷(Schima superb)、樟树(Cinnamomum camphora)等，针阔混交林主要包括柏木(Cupressus Linn)、檫木(Sassafras tsumu)、枫香(Liquidambar formosana)、栎类(Quercus)、柳杉(Cryptomeria)、软阔、湿地松(Pinus elliottii)、水杉(Metasequoia glyptostrodoides)、杨树(Populus)、硬阔等，运用地理信息系统软件ArcGIS10.0，加载富阳市小班面的shape文件，然后将ArcGIS中的数据属性表导出到Excel表格中，对富阳市森林资源进行分类并删减不相关数据；再通过Excel表格与ArcGIS属性表的连接作用，达到数据剪裁(共14 606个)和分类(共5类)的目的，具体见表1和图2。

表 1　富阳市森林主要分类及编号Table 1　Main forest types and codes of Fuyang

2.3 矢量栅格化

矢量栅格化是指通过ArcGIS软件将矢量图转换为栅格图。将上述剪裁完毕的富阳市森林资源二类矢量图的shape小班面，以森林类型分类为转换字段，通过ArcToolbox中的toraster工具转为栅格图，使其每一个栅格单元都有对应的土地利用/土地覆盖类型(LULC)代码。其中数据集以米投影，转换结果见栅格图3。

2.4 参数表和数据来源

文中所用的主要数据资料为(1)2004-2008年富阳市遥感数据资料、富阳市森林资源二类清查数据等。(2)通过查阅大量的关于富阳市森林生态系统碳储量的研究资料以及浙江省等亚热带地区的相关文献(李正才，2006；张骏等，2010)，获得森林生态系统的地上碳库和土壤碳库数据；按照2006年IPCC国家温室气体清单指南中根茎比的缺省值进行计算，获得地下碳库数据(章银柯等，2013)；根据Delaneyetal(1998)研究死的有机物碳库约为地上碳库量的1/10，计算死的有机物碳密度(竹类除外，其他数据四舍五入保留一位有效数字)；最后归纳计算得出富阳市森林生态系统四个碳库的碳密度。最后通过Excel必备工具箱将.xls格式的表格转化成.dbf格式，获得参数表，如表2所示，以便加载到ArcGIS中进行计算。

2.5 模型运算

InVEST模型需要的原始输入数据是不同的空间数据，输出的结果也是空间图形(白杨等，2013)。把上述数据剪裁完毕的富阳市森林生态系统小班面的栅格图3和.dbf格式的参数见表2，分别加载到ArcGIS软件中，然后在ArcToolbox中添加InVEST工具箱，最后通过InVEST-Carbon模块进行处理运算获得结果。

2.6 由生物量推算碳储量

根据富阳市森林资源二类清查资料，并根据以下蓄积量与生物量之间的函数关系(王斌等，2009)，推算出碳储量。

式中，B为单位面积生物量；V为单位面积蓄积；a、b为对应植被类型常数。公式乘以碳转换系数0.45推算出植被碳储量，结果如表3，土壤碳密度和死的有机物碳密度根据表2计算。

表 2　富阳市森林生态系统四个碳库的碳密度Table 2　Carbon density of the 4 carbonpools in Fuyang forest ecosystems

注：碳密度单位为t·hm-2。

Note:Unitsofcarbondensityist·hm-2.

3　结果与分析

3.1 森林碳储量的总体空间分布

通过上述InVEST模型处理运算得出富阳市森林生态系统总的碳储量约为26.743 7 × 106t，其碳储量的总经济价值约为39.904 2亿元(根据InVEST说明手册每公吨碳的价格为43美元计算)。并得到富阳市森林生态系统碳储量的空间分布图，颜色越深表示碳储量越高，反之，碳储量越低，如图4。从图4可以看出，富阳市的东南部和中北部边缘碳储量较高，由东向西呈现高—低—高—低的分布带规律。由于碳储量的高低与植被生物量分布密切相关(森林植被碳储量=植被生物量 × 转换系数)，这在一定程度上可反映出富阳地表覆盖物的主要分布规律。图4中西南-东北走向的白色条带是跨越富阳市的富春江流域，富春江流域西北部的空白部分是富阳城市规划区，可看出其森林覆盖率很低。西北部主要呈灰色，说明其森林碳储量很低，可推出该地区主要是农业用地或其他非林业用地。

表 3　生物量推算碳储量一览表Table 3　Carbon strorage estimated by biomass

图 4　富阳市森林生态系统碳储量空间分布Fig. 4　Space distribution of Fuyang forest ecosystems carbon storage

3.2 不同森林类型碳储量的空间分布

从图4可以看出，富阳市森林生态系统碳储量分布具有区域差异性，这不仅与人为干扰和环境因素有关，还与森林类型的分布、面积等诸多因素有关。综合图3的森林类型和图4的碳储量分布可以得出，碳储量高低顺序依次是竹林>常绿阔叶林>针阔混交林>马尾松林>杉木林，表明竹林是富阳市森林碳储量的主体。从本研究可以看出富阳市各类森林类型平均碳密度的高低分布，常绿阔叶林碳密度>针阔混交林碳密度>竹林碳密度>马尾松林碳密度>杉木林碳密度，这与浙江省生态公益林各主要林型(不含竹林)的碳密度分布规律基本一致(张骏等，2010)。加权平均得到富阳市森林生态系统总的碳密度约为180.75t·hm-2，高于浙江省生态公益林平均碳密度164.43t·hm-2(张骏等，2010)和全国森林平均碳密度41t·hm-2(赵敏，2004)，其总的碳密度约为浙江省生态公益林的1.1倍，约是全国森林碳密度的4.4倍，其碳储量约占浙江省生态公益林碳储量的8.25%。据有关研究：森林碳储量的高低与自然地理条件、森林类型、面积、森林的年龄结构等诸多因素有关(Dixonetal，1994)，其中幼龄林碳储量<中龄林碳储量(刘其霞等，2005；王雪军等，2008)，目前富阳市森林生态系统多以幼龄林为主，部分为中龄林，成熟林较少，预计未来一段时间内其森林碳储量将持续增加。

4　讨论与结论

基于富阳市森林资源遥感影像数据资料和ArcGIS10.0软件，运用InVEST-Carbon模型对其森林生态系统的碳储量进行了估算，定量可视化了富阳市森林生态系统碳储量并明确其空间分布规律。富阳市森林生态系统总的碳储量为26.743 7 × 106t，其价值量为39.904 2亿元。不同森林类型碳储量高低分布状况为竹林>常绿阔叶林>针阔混交林>马尾松林>杉木林；其平均碳密度为180.75t·hm-2，各森林类型平均碳密度的高低与其碳储量分布相一致(竹林除外)。通过此研究可为森林资源的管理和林业的可持续发展提供相关依据，且有助于碳循环与碳汇的研究。

基于森林二类清查资料，通过生物量与蓄积量的关系推算的碳储量与InVEST-Carbon模型估算的碳储量数据相差不大，碳转换系数为0.45时为28.378 0 × 106t，InVEST-Carbon模型的估算结果略微偏低，约是其结果的1.06倍，基本一致，可用于估算森林生态系统的碳储量，偏差可能是源于InVEST模型四个碳库数据，InVEST模型是假设四个碳库密度已知的情景估算模型，对输入的数据敏感性强。

研究同时表明，InVEST模型将量化的森林碳储量以地图的形式表现出来，可不再用频繁的计算公式和过多的文字描述；其次，相对其他模型而言，InVEST模型需导入的数据较少，优化了许多复杂的问题，且能够抓住重点解决问题(吴哲等，2013)；此外，InVEST模型还可用于对未来或多种模拟场景情况下的预测估算等(白杨等，2013)，可为政府、非盈利组织和公司企业等自然资源的管理提供决策信息，其多功能和模块化的设计为权衡评估得失提供了有效的工具。目前，InVEST模型还成功运用了对生物多样性、水源涵养、水质净化、土壤保持等生态系统服务功能评估的研究。

然而，本研究也存在一些不足，如需输入的空间数据难以获取；需根据实际研究情况对模型进行修改；模型碳密度数据的获取存在不确定性，极易受输入数据的影响，导致产生误差；输出结果是一个总体碳储量值和空间结果分布图，得不到各个具体森林类型的结果值等，因此InVEST-Carbon模型估算出的碳储量适用于总体评估和空间可视，不利于具体详细的研究。同时，由于部分数据的缺乏，本研究没有预测富阳市森林生态系统碳储量的动态变化，有待进一步研究。在今后，应充分发挥InVEST模型的优势并对其进一步的开发，相信该模型将会越来越受到相关科技研究人员和工作者等的重视、研究和应用。

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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

国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAC13B02-2)；中国林业科学研究院亚热带林业研究所基本科研业务费重点项目(RISF6152) [SupportedbytheNationalKeyTechnologyR&Dprogramduring“the12thFive-yearPeriod”(2012BAC13B02-2)；FoundamentalResearchFundofResearchInstituteofSubtropicalForestryofChineseAcademyofForestry(RISF6152)]。

修珍珍(1987-)，女，山东莱阳人，硕士研究生，主要从事森林生态服务功能评估方面的研究,(E-mail)xzzzu@163.com。

王斌，博士，副研究员，主要从事生态经济评价等方面的研究,(E-mail)ylwangbin@sina.com。

Q948,S718.5

A

1000-3142(2016)07-0868-07

修珍珍，王斌，杨校生，等. 基于InVEST模型估算富阳市森林生态系统碳储量 [J]. 广西植物，2016，36(7):868-874

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