海南熱帶雨林國家公園碳儲量估算

海南熱帶雨林國家公園碳儲量估算目錄緒論·················································31.1研究背景與意義·············································31.2國內(nèi)外研究進展·······························31.3技術(shù)路線圖··········································4資料與方法·······················································52.1研究區(qū)概況····················································52.2數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理··········································62.2.1數(shù)據(jù)獲取·····················································62.2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理····················································72.3InVEST模型·················································7結(jié)果與分析···················································83.1海南熱帶雨林國家公園土地利用變化分析················83.2海南熱帶雨林國家公園碳儲量時空變化分析·········11結(jié)論與討論·······················································154.1結(jié)論······································154.2不足與展望······································16參考文獻·····························································16致謝····································································18摘要：碳儲量是全球碳循環(huán)的重要組成部分，是衡量生態(tài)系統(tǒng)健康和功能的重要指標，對于減緩氣候變化、保護生物多樣性和維持生態(tài)系統(tǒng)平衡至關(guān)重要。本文利用GIS空間分析方法結(jié)合InVEST模型，對海南熱帶雨林國家公園內(nèi)的碳儲量進行了系統(tǒng)估算。研究結(jié)果顯示：（1）2010-2020年，常綠闊葉林面積呈現(xiàn)上升趨勢，增長了32.04km2，灌木叢面積則緩慢下降，濕地面積顯著增加，增長了1.8倍。草地和不透水面的面積有小幅上漲，總體相對穩(wěn)定。灌溉農(nóng)田的下降趨勢與水體的上升趨勢較為一致。（2）2010-2020年，海南熱帶雨林國家公園碳儲量最高值從571.6t/ha增加到615.5t/ha，碳儲量主要集中在常綠闊葉林和周邊地帶，呈現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，不同區(qū)域之間存在明顯的碳儲量差異。以上結(jié)果為減緩氣候變化、保護生物多樣性和維持生態(tài)系統(tǒng)平衡提供決策支持和參考。關(guān)鍵詞：海南熱帶雨林國家公園；InVEST模型；碳儲量計算；空間分析1緒論1.1研究背景與意義碳儲量是地球上存儲在各種形式中的碳的總量，包括大氣中的二氧化碳、植物和土壤中的有機碳，以及化石燃料等地下儲量[1]。全球碳循環(huán)是地球生態(tài)系統(tǒng)中至關(guān)重要的過程，涉及大氣、陸地和海洋之間的復(fù)雜相互作用。碳元素在不同形式之間的轉(zhuǎn)化和遷移，直接影響著大氣中二氧化碳的濃度、全球氣候變化以及生物多樣性的維持。碳儲量是全球碳循環(huán)的重要組成部分，是衡量生態(tài)系統(tǒng)健康和功能的重要指標，對于減緩氣候變化、保護生物多樣性和維持生態(tài)系統(tǒng)平衡至關(guān)重要[2-4]。隨著全球氣候變化日益加劇，研究碳儲量變得尤為緊迫[5-7]。碳儲量作為地球上碳元素的重要存儲庫，在全球碳循環(huán)和氣候調(diào)控中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些儲量主要包括化石燃料、土壤有機碳、植被生物量和海洋碳等形式。化石燃料儲量作為主要的碳源之一，其燃燒釋放的二氧化碳是主要的溫室氣體，直接影響著全球氣候變化。土壤有機碳和植被生物量則在陸地生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色，影響著土壤肥力、植被生長和大氣中二氧化碳的含量。海洋碳儲量則通過海洋生物和海洋化學(xué)作用，調(diào)節(jié)著海水中的碳含量，對全球碳平衡起著重要作用。有效管理和保護這些碳儲量，對于維護地球生態(tài)系統(tǒng)的平衡、減緩氣候變化以及可持續(xù)發(fā)展具有不可替代的重要性。中國共有五個國家公園，其中海南熱帶雨林國家公園是中國首批建立的五個國家公園之一，擁有豐富的生物多樣性和重要的生態(tài)系統(tǒng)功能[8-10]。海南熱帶雨林國家公園通過吸收二氧化碳（CO2）并儲存碳元素，有助于減少大氣中的溫室氣體含量，對抑制氣候變化和全球氣候變暖起著重要作用[11-13]。目前，在全面建設(shè)海南省自由貿(mào)易港的要求下，現(xiàn)有的關(guān)于海南熱帶雨林國家公園碳儲量估算的研究較少，因此，本文以海南熱帶雨林國家公園為研究對象，借助InVEST模型，準確估算海南熱帶雨林國家公園的碳儲量，并且對海南熱帶雨林國家公園碳儲量時空變化進行分析，以期為減緩氣候變化、保護生物多樣性和維持生態(tài)系統(tǒng)平衡提供決策支持。1.2國內(nèi)外研究進展碳儲量的研究在國外發(fā)展較早，所以研究相對完善，也有著先進的研究成果。如，Donato等（2011）利用全球森林樣地數(shù)據(jù)，估算出全球森林是一個巨大且持久的碳匯[14]。Ahmed等（2018）使用遙感數(shù)據(jù)和地面觀測數(shù)據(jù)，建立了熱帶地區(qū)森林碳儲量的基準地圖，提供了熱帶地區(qū)森林碳儲量的詳細信息，對于熱帶森林保護和碳管理具有重要意義[15]。Simard等（2019）利用土壤樣點數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，估算了中國農(nóng)業(yè)土地的有機碳儲量和空間分布，對于了解中國農(nóng)田土壤碳儲量情況及其潛在影響因素具有重要意義[16]。此外，國際政府間氣候變化專門委員會（IPCC）和聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）在2007年也發(fā)布了相關(guān)的報告和文獻，提供了全球和特定區(qū)域的碳儲量估算信息。其中IPCC的《氣候變化、荒漠化、土地退化、可持續(xù)土地管理、糧食安全和陸地生態(tài)系統(tǒng)中的溫室氣體排放》特別報告提供了全球范圍內(nèi)關(guān)于碳儲量估算的綜合信息。國內(nèi)針對森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的研究已經(jīng)取得了豐富的成果，學(xué)者們通過各種方法和模型，對此進行了深層次的研究。例如，韓雪蓮等（2023）以香格里拉市高山松為研究對象，采用隨機森林聯(lián)立蒙特卡洛RF-MC，基于不同變量組合建立回歸模型，研究表明，基于多變量的碳儲量估測模型結(jié)果優(yōu)于基于單一類型變量模型的，且不同類型的變量對碳儲量估測精度及不確定性有一定的影響[17]。馮昭輝（2020）采用標準地調(diào)查法對赤峰市喀喇沁旗旺業(yè)甸實驗林場的林內(nèi)喬木、灌木、草本、枯落物及土壤的碳含量、碳密度與碳儲量進行調(diào)查研究[18]。石冉（2023）以第六次至第九次全國森林資源清查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合江西省森林資源狀況將該省森林資源分成了活立木、經(jīng)濟林、竹林和灌木林這四大類型，參考環(huán)境經(jīng)濟綜合核算體系（SEEA）中關(guān)于資源環(huán)境的計量方法，從“存”和“流”的視角，分別對江西省1999—2018年度的森林生態(tài)系統(tǒng)的碳資產(chǎn)價值和碳服務(wù)價值進行了估算，并對其變動趨勢進行了分析[19]。1.3技術(shù)路線首先，對海南省2010年、2015年和2020年30m分辨率的土地利用數(shù)據(jù)、海南省30m分辨率地形數(shù)據(jù)、海南省熱帶雨林國家公園矢量邊界數(shù)據(jù)以及海南省熱帶雨林國家公園樹種數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的預(yù)處理，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量和一致性。對處理得到的2010年、2015年和2020年三個階段的土地利用類型數(shù)據(jù)進行空間變化分析?；诂F(xiàn)有數(shù)據(jù)，綜合查閱相關(guān)文獻收集、整理海南省熱帶雨林國家公園各個土地利用類型的地上碳密度值、地下碳密度值和土壤碳密度值，構(gòu)建熱帶雨林碳密度表。利用InVEST模型，結(jié)合熱帶雨林碳密度表和土地利用類型數(shù)據(jù)，計算海南省2010年、2015年和2020年三個時間段的熱帶雨林國家公園碳密度，并進行進一步的空間變換分析，探討海南省熱帶雨林國家公園碳儲量的演變情況。本文的技術(shù)路線圖如下：圖1技術(shù)路線圖2資料與方法2.1研究區(qū)概況本文的研究區(qū)海南熱帶雨林國家公園位于海南島中部山區(qū)，是亞洲熱帶雨林和世界季風(fēng)常綠闊葉林交錯帶上唯一的“大陸性島嶼型”熱帶雨林，規(guī)劃總面積4400余平方千米，約占海南島陸域面積的1/7。在地貌方面，海南熱帶雨林國家公園地處海南島中南部的穹窿構(gòu)造山區(qū)，包括中南部山脈東支五指山山脈和西支黎母嶺山脈的大部分區(qū)域，構(gòu)成了海南島的最高脊。海南熱帶雨林國家公園的最高點為五指山，海拔1867米，也是海南島的最高峰；氣候方面，海南熱帶雨林國家公園地處熱帶北緣，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)。日照時間長，太陽總輻射量大。年均氣溫22.5℃-26.0℃，多年平均降雨量為1759毫米。水文方面，海南熱帶雨林國家公園境內(nèi)水體屬南海水系，該區(qū)域發(fā)育的山川小支流大部分匯入南渡江、萬泉河、昌化江，僅吊羅山南面水系匯入陵水河注入南海以及尖峰嶺西面和南面水系直接入海。圖2海南省熱帶雨林國家公園空間范圍2.2數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理2.2.1數(shù)據(jù)獲取本文的研究數(shù)據(jù)主要有2010-2020年海南省土地利用數(shù)據(jù)、海南省DEM、海南熱帶雨林國家公園矢量邊界、海南熱帶雨林國家公園碳密度數(shù)據(jù)。其中，土地利用、DEM以及海南熱帶雨林國家公園矢量邊界數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院和國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，海南熱帶雨林國家公園碳密度數(shù)據(jù)庫通過收集、整理相關(guān)文獻資料[26]構(gòu)建。數(shù)據(jù)詳細信息如下表所示：表1研究數(shù)據(jù)詳細信息數(shù)據(jù)名稱數(shù)據(jù)來源空間分辨率坐標信息2010-2020年海南省土地利用數(shù)據(jù)中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院30米WGS_84海南省DEM數(shù)據(jù)中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院30米WGS_84海南熱帶雨林國家公園矢量邊界數(shù)據(jù)國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫\CGCS2000_3_Degree_GK_CM_111E海南熱帶雨林國家公園碳庫數(shù)據(jù)文獻資料\\2.2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理（1）碳密度數(shù)據(jù)碳密度數(shù)據(jù)庫根據(jù)已公開發(fā)表論文和相關(guān)數(shù)據(jù)進行構(gòu)建，在論文檢索網(wǎng)站分別以“森林碳儲量”和“地物碳密度”作為關(guān)鍵詞進行論文檢索，篩選文獻中通過實地調(diào)查所獲得碳密度數(shù)據(jù)。由于本文中海南省土地利用數(shù)據(jù)分類級別到達國標分類的第三級，在相關(guān)文獻和數(shù)據(jù)庫中暫未有對應(yīng)的碳密度數(shù)據(jù)，故在本文的研究中對三級土地利用類型按照國家二級分類標準進行合并。按照InVEST模型計算方法對應(yīng)的標準獲取地上碳密度值、地下碳密度值、凋落物碳密度值和表層土壤有機物碳密度值，將獲取得到的碳密度值保存為CSV數(shù)據(jù)，具體對應(yīng)的碳密度數(shù)值如表2所示。表2海南熱帶雨林國家公園碳密度表lucodeLUCC_NameC_aboveC_belowC_soilC_dead10旱地20.5002010.9484111草地9.021638.782810.08992.1920灌溉農(nóng)田20.9286010.9484052常綠闊葉林21.39484.271422.79577.85120灌木叢26.13245.31729.4942.31180濕地0000190不透水表面11.6046016.03880210水體0000（2）數(shù)據(jù)投影變換在InVEST模型中計算碳儲量需要輸入的數(shù)據(jù)集必須以線性單位投影進而計算土地利用數(shù)據(jù)的面積，需要將數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的投影坐標系表示，以確保模型能夠準確計算碳儲量并提供可靠的結(jié)果。在本文中為了使不同數(shù)據(jù)來源的數(shù)據(jù)能夠被InVEST模型所接受并正確處理，首先需要進行坐標轉(zhuǎn)換操作。在ArcGIS中對所獲取的數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)一的坐標轉(zhuǎn)換操作，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為投影坐標系確保數(shù)據(jù)的一致性和可比性。（3）柵格數(shù)據(jù)裁剪本文的研究區(qū)位于海南熱帶雨林國家公園，這個地區(qū)是熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)的重要代表，對于保護和管理具有重要意義。為了深入了解該地區(qū)土地利用的變化情況，需要獲取2010年、2015年和2020年的海南省土地利用類型數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行掩膜操作，以提取出海南熱帶雨林國家公園在這三個年份的土地利用柵格數(shù)據(jù)。2.3InVEST模型在本文中使用InVEST（IntegratedValuationofEcosystemServicesandTradeoffs）模型計算海南熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量。InVEST3.14.1Workbench是一款由NaturalCapitalProject開發(fā)的已廣泛應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的開源軟件，該軟件提供了一系列模型，包括水資源服務(wù)、碳儲量、海岸防護、生物多樣性等模型，可以用于評估水資源、碳儲量、海岸防護、生物多樣性等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價值和分布。其中，InVEST模型基于是地理信息系統(tǒng)（GIS）和生態(tài)學(xué)原理，利用地形、土地利用和碳密度等數(shù)據(jù)，準確估算不同地區(qū)、不同管理情景下生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲量，并提供空間分布和變化信息。為生態(tài)系統(tǒng)碳儲量管理和決策提供科學(xué)支持。陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量主要由四個部分組成：地上生物碳、地下生物碳、土壤有機碳和死有機碳。地上生物碳包括植被的生物量，即所有活體植物儲存的碳；地下生物碳指存在于植物根系中的碳儲量；死有機碳是指凋零的植物中存儲的碳；土壤有機碳則是指土壤中的有機碳儲量。這些不同部分的碳儲量共同構(gòu)成了陸地生態(tài)系統(tǒng)的整體碳儲量，對于生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和碳管理具有重要意義。InVEST模型主要根據(jù)土地利用類型數(shù)據(jù)LULC（TheLand-Use/Land-Cover土地利用和土地覆蓋）以及每種土地利用類型的碳密度，分別計算每種地類面積Si和對應(yīng)植被的地上碳密度Ciabove、植被地下碳密度Cibelow、凋落物碳密度Cidead和表層土壤有機物碳密度Cisoli的乘積并求和，得到地上生物碳儲量C（1）（2）（3）C（4）（5）式中Ai為對應(yīng)植被用地類型的面積，單位為公頃?a，Cabove、Cbelow、Cdead和Csoil3結(jié)果與分析3.1海南熱帶雨林國家公園土地利用變化分析海南熱帶雨林國家公園作為海南省的重要保護區(qū)，其土地利用情況對于生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文利用ArcGIS軟件，對海南省熱帶雨林國家公園三期土地利用數(shù)據(jù)2010年、2015年、2020年進行分析，得到不同時期各土地利用類型的面積大小及變化情況（圖3、4、5）。圖32010年土地利用空間分布圖42015年土地利用空間分布圖52020年土地利用空間分布近10年來，海南熱帶雨林國家公園土地利用類型主要以常綠闊葉林和灌木叢為主。常綠闊葉林主要分布在熱帶雨林公園的絕大部分區(qū)域，灌木叢則零星散布其中，集中分布在中北部地區(qū)。值得注意的是，灌溉農(nóng)田面積有顯著的減少趨勢。2010-2015年，灌溉農(nóng)田呈條帶狀分布在大廣壩水庫周圍，至2020年，僅在水庫東側(cè)有零星分布，大部分農(nóng)田都被水體覆蓋。其余土地類型交錯分布在熱帶雨林公園內(nèi)。2010-2020年土地利用面積變化如表3和圖6所示。表3海南熱帶雨林國家公園2010、2015、2020土地利用面積統(tǒng)計土地利用類型2010年（km2）2015年（km2）2020年（km2）旱地53.1744.2239.68草地4.314.524.98灌溉農(nóng)田15.6015.217.90常綠闊葉林3041.703064.623073.74灌木叢1098.551085.071082.82濕地0.390.441.04不透水表面3水體55.3055.8860.18圖6近15年海南熱帶雨林國家公園各類型土地面積變化圖具體來看，由圖6可知，2010-2020年，常綠闊葉林面積呈現(xiàn)上升趨勢，增長了32.04km2，灌木叢面積則緩慢下降，濕地面積顯著增加，增長了1.8倍。草地和不透水面的面積有小幅上漲，總體相對穩(wěn)定。2015-2020年，灌溉農(nóng)田的下降趨勢與水體的上升趨勢較為一致，其原因可能是海南熱帶雨林國家公園施行退耕還湖的政策，對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境進行補償。3.2海南熱帶雨林國家公園碳儲量分析基于InVEST模型獲得了2010、2015和2020年三個時間段的海南熱帶雨林國家公園碳存儲量數(shù)據(jù)，并利用ArcGIS繪制了不同年份的碳儲量分布圖，具體展示在圖7、圖8和圖9中。分析這些圖表可以發(fā)現(xiàn)，在2010年至2020年期間，海南熱帶雨林國家公園的碳儲量呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢，其中碳儲量的最大值從571.6噸/公頃增加至615.5噸/公頃。整體來看，公園的碳儲量相對較高，但在西北側(cè)和東南側(cè)的水體區(qū)域存在部分碳儲量為零的情況，而碳儲量較低的區(qū)域主要分布在公園外側(cè)，尤其是濕地區(qū)域，而內(nèi)部核心區(qū)域則具有較高的碳儲量。隨著時間的推移，碳儲量的增加主要與常綠闊葉林面積增加密切相關(guān)。圖72010年海南熱帶雨林國家公園碳儲量分布圖82015年海南熱帶雨林國家公園碳儲量分布圖92020年海南熱帶雨林國家公園碳儲量分布圖102010年海南熱帶雨林國家公園碳儲量等級圖圖112015年海南熱帶雨林國家公園碳儲量等級圖圖122020年海南熱帶雨林國家公園碳儲量等級圖本研究采用自然斷點法對海南熱帶雨林國家公園的碳儲量進行了細致的分級，將其劃分為低、中、高三個不同的等級（圖10、11、12），計算不同土地利用類型的碳儲量等級面積占比，結(jié)果如圖13所示。分析可知，超過93%的常綠闊葉林碳儲量為高等級，旱地、灌溉農(nóng)田、灌木叢及不透水表面均具有超過85%的面積碳儲備能力達到了中等級，草地碳儲備能力主要集中在高等級和中等級，各占草地總面積的58%和40%，水體的碳儲備能力以低等級為主，水體低碳儲量等級面積占到了水體總面積的88%。圖132020年不同地類的碳儲量等級占比4結(jié)論與討論4.1結(jié)論本文基于InVEST模型，利用GIS空間分析技術(shù)對海南熱帶雨林國家公園碳儲量進行了估算，得到結(jié)論如下：（1）2010-2020年，常綠闊葉林面積呈現(xiàn)上升趨勢，增長了32.04km2，灌木叢面積則緩慢下降，濕地面積顯著增加，增長了1.8倍。草地和不透水面的面積有小幅上漲，總體相對穩(wěn)定。灌溉農(nóng)田的下降趨勢與水體的上升趨勢較為一致。（2）碳儲量估算的過程中，不同類型植被的碳密度差異性較大，海南熱帶雨林國家公園的碳儲量主要集中分布于常綠闊葉林和周邊地帶，核心區(qū)域表現(xiàn)出較高的碳密度。不同植被類型和土壤特征導(dǎo)致不同區(qū)域的碳儲量存在顯著差異。這種空間分布格局反映了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的多樣性，為生態(tài)環(huán)境保護和管理提供了重要參考。4.2不足與展望（1）空間分辨率不足。本文使用的是30m土地利用類型數(shù)據(jù)，如果能使用更高空間分辨率的數(shù)據(jù)，估算的碳儲量可能更為精確。（2）時間尺度上的不足。本文僅利用2010、2015和2020三年的數(shù)據(jù)進行研究可能無法全面反映海南熱帶雨林國家公園長期的碳儲量變化趨勢，使用更長時間序列的數(shù)據(jù)可能會加深對海南熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的理解。未來研究將進一步深化對海南熱帶雨林國家公園碳儲量的空間分布規(guī)律和影響因素的探討，結(jié)合更多環(huán)境要素如地形、水文等進行綜合分析。同時，應(yīng)加強對監(jiān)測技術(shù)的改進與創(chuàng)新，提高估算精度和時空分辨率，以更全面、準確地反映碳儲量的動態(tài)變化，為制定科學(xué)的生態(tài)保護政策提供更有力的支持。參考文獻：[1]馮源,田宇,朱建華,肖文發(fā),李奇.森林固碳釋氧服務(wù)價值與異養(yǎng)呼吸損失量評估[J].生態(tài)學(xué)報,2020,40(14):5044-5054.[2]周自翔,李晶,馮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