基于InVEST模型的大兴安岭天保工程区碳储量时空变化研究.pdf
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1、/基于 模型的大兴安岭天保工程区碳储量时空变化研究张宇飞 王子昊 王冰 张秋良(内蒙古农业大学 林学院 内蒙古 呼和浩特 内蒙古大兴安岭森林生态系统国家野外科学观测研究站 内蒙古 根河)摘要:为给大兴安岭天保工程区生态系统保护和土地利用规划提供科学依据 以大兴安岭天保工程区为研究区基于研究区 年土地利用数据和各地类碳密度数据 运用 模型碳储量模块对大兴安岭天保工程区 年生态系统的碳储量进行估算 并通过土地利用转移矩阵分析土地利用类型之间的相互转化对碳储量的影响 结果显示:()研究区、年碳储量分别为 、呈增加趋势 累计增加 ()碳储量较高的地区主要分布在北部和中部 较低的区域主要分布西部、南部、
2、东南角和东部小区域()林地是研究区最重要的碳库其碳储量占研究区固碳总量的 林地和耕地面积的增加是大兴安岭天保工程区碳储量增加的主要原因研究结果表明:天保工程促使大兴安岭林地面积保持稳定并且呈现出一定增长趋势 提高了大兴安岭的整体固碳能力 在未来 大兴安岭应当继续实施和巩固天然林保护工程 继续坚持退耕还林还草政策 通过合理的行政规划 调控草地和耕地向建设性用地转换 此外 通过人工种植、草畜平衡的政策 围栏封育和优化种苗的方式来缓解草地退化 修复草地生态系统 而耕地则通过间作套作、改良品种、合理使用肥料等方法提高产量关键词:大兴安岭 天然林保护工程 模型 碳储量 时空变化中图分类号:文献标识码:文
3、章编号:()():():()第 卷 期 年 月 西 部 林 业 科 学 收稿日期:基金项目:内蒙古自治区重点研发计划项目()内蒙古自治区科研基础平台项目()国家自然科学基金()内蒙古农业大学高层次/优秀博士人才引进科研启动项目()资助 第一作者简介:张宇飞()男 硕士研究生 主要从事“”技术应用与资源监测评价研究:通信作者简介:王冰()女 教授 博士 主要从事林业遥感研究:()():陆地生态系统碳储量是全球碳储存的核心组分 与气候变化有密切联系 是导致全球气候变暖和气候恶化的主要原因之一 陆地生态系统的碳主要源于地上和地下生物量、土壤和死亡有机质 在生态系统中 陆地生态碳循环和碳储量的变化是由
4、土地利用变化决定的 通过人类活动改变土地利用类型 使得地类表层植物发生改变 进而改变地面固碳的方式与能力 最终导致陆地生态系统内碳储量产生波动 当前 众多学者在不同地区的土地利用变化和碳储量的研究已有一定成果 模型由于其操作简单、可根据不同研究灵活调节参数、结果简单明了的特点常用于评估土地利用变化对碳储量的影响 目前在国内研究中 大量学者运用该模型对生态系统进行了模拟、预测和评估 李瑾璞等以 年河北省土地利用数据为基础 利用 模型对建设用地侵占生态用地而导致的陆地生态系统碳储量减少进行了定量评估 朱丽亚等分析了 年辽宁省海岸带地区的土地利用变化特征运用 模型碳储量模块估算了 年区域生态系统的碳
5、储量 得出土地利用类型转变是研究区碳储量变化的主要原因 邹文涛等基于 碳储量模型 以遥感影像分类数据作为模型驱动数据 通过调整土地利用结构优化提升钱江源国家公园的生态系统服务功能 杨潋威等利用 和 模型对西安市未来不同情景下土地利用变换及碳储量时空变化特征变化进行预测 分析了碳储量在土地利用变化下的变化情况 年起 国务院实施世界上最大和最全面的天然林保护工程(天保工程)主要目标是解决天然林的恢复发展问题 保护环境与促进社会和谐发展 近年来 一些学者对天保工程实施以来的碳储量变化进行了探讨 魏亚伟等通过构建生物量蓄积量回归模型 以第 次森林资源清查为基础 对东北天保工程区森林植被碳储量进行了估算
6、 张逸如等利用天保工程区第 次森林资源连续清查数据 基于行业标准的生物量模型和碳计量参数、采用生物量加权平均法等方法 估算了全国工程区和各省工程区的森林植被总碳储量陈科屹等估算了天保工程实施 年黑龙江大兴安岭重点国有林区累计产生的净固碳量 本文将大兴安岭天保工程区选做研究区 选取、年 个时段的土地利用数据利用 模型中的碳储量模块开展了研究区该时段内生态系统碳储量的时空估算 并分析了各组分碳储量的时间变化特征及土地利用变化对碳储量的影响 以期为大兴安岭天保工程区生态系统保护和土地利用规划提供科学依据 研究区自然概况大兴安岭天保工程区位于内蒙古自治区东北地区和黑龙江省西北地区 行政范围涉及黑龙江省
7、大兴安岭地区和内蒙古自治区呼伦贝尔市和兴安盟面积约(图)研究区属于温带大陆性季风气候 冬季较长且寒冷 夏季较短且多雨 太 第 期 张宇飞等:基于 模型的大兴安岭天保工程区碳储量时空变化研究阳辐射资源丰富 全年均温 年均降水量 该研究区内以林地类型为主是我国的重点林区 主要树种有落叶松()、樟子松()、红皮云杉()、白 桦()、蒙 古 栎()和山杨()等图 大兴安岭天保工程区范围 ()注:审图号为()号 底图无修改 下同 数据源及方法 数据源 土地利用数据土地利用数据源自于武汉大学的杨杰和黄昕教授发布的 年的中国的年度土地覆盖数据 空间分辨率为 数据下载于 地 球 科 学 云 平 台(:/)该数
8、据集通过卫星时间序列数据、谷歌地球和谷歌地图目视解译 数据精度大于 研究共选取了、年 期数据 碳密度数据根据李慧颖的研究结果 研究区的各类碳密度数据如表 所示表 不同土地利用类型的碳密度./土地利用类型地上生物碳密度地下生物碳密度土壤碳密度死亡有机质碳密度耕地 林地 灌木 草地 水域 雪地荒地建设用地 湿地 高程和行政边界数据 数据源于地理空间数据云平台(:/)空间分辨率 行政边界数据下载于中国科学院资源环境数据中心(:/)土地利用单一动态指数计算该指数表示研究区内某一土地利用类型在一定时间范围内的数量变化 反映一定时间段内某土地类型的变化速率 其计算公式如下:式中:为某种土地利用类型的单一动
9、态指数 和 分别为研究初期和研究末期某种土地利用类型的数量 为研究期 在此研究期为 碳储量估算研究采用 模型计算研究区内碳储量该模型碳储量共划分为 个基本碳库:、和 分别为地上部分生态系统碳储量、地下部分生态系统碳储量、死亡有机生态系统碳储量和土壤生态系统碳储量 首先 根据土地利用的分类情况 分别对不同用地类型的平均碳密度进行计算统计 其计算公式如下:然后 基于碳密度的和土地利用数据的不同计算研究区每种土地利用类型的总碳储量:()式中:、和 为每种土地利用的平均碳密度 为该土地类型 的面积()为每种土地利用类型的总碳储量西 部 林 业 科 学 年 结果与分析 各组分碳储量时间变化特征利用 模型
10、碳储量模块分别估算了大兴安岭天保工程区、和 年的碳储量(图)研究区、和 年的总碳储量分别为 、图 年间大兴安岭天保工程碳储量时间变化 、总体呈先上升后下降的趋势 年内碳储量累计增加 年间 除土壤碳储量外 其他 类碳储量总体呈现增长趋势 其中死亡有机质碳储量增长最多 为 土壤碳储量呈递减趋势 减少量为 碳储量空间变化特征基于研究区选取的 期碳储量数据绘制其空间分布图(图)从空间分布上来看 年间大兴安岭天保工程区碳储量空间分布格局基本一致 无明显空间变化 碳储量较高的区域主要分布在研究区的北部和中部林地 最高值为 /漠河市、塔河县、根河市、呼玛县全域内碳储量均较高 且均以林地为主 额尔古纳市北部和
11、中部、鄂伦春族自治旗的北部和西部、牙克石除西部、鄂温克族自治旗的东南部、扎兰屯的西部、阿尔山的西北部 也属于碳储量较高的地区 均以林地为主 碳储量较低的区域主要分布在额尔古纳市的南部、牙克石市中西部、鄂温克族自治旗西北部、科尔沁右翼前旗全域、扎兰屯市东南部以及鄂伦春自治旗东南部 主要土地利用类型以农田和草地为主(图)图 年间大兴安岭天保工程区碳储量空间分布图注:基于自然资源部网站下载的审图号为()号的标准地图制作 第 期 张宇飞等:基于 模型的大兴安岭天保工程区碳储量时空变化研究 为清晰地反映研究区内碳储量的变化 选取研究期的起始年 年和截止年 年的碳储量空间分布图 对两期的碳储量数据进行差值
12、计算 根据结果波动范围 将碳储量的差值结果划分为基本不变、增加和减少(图)图 大兴安岭天保工程区 年期间碳储量空间分布变化注:基于自然资源部网站下载的审图号为()号的标准地图制作 从图 中可知 年间 研究区大部分区域的碳储量基本不变 占比为 碳储量减少的区域占比 碳储量增加的区域占比 变化区域散点分布在研究区内 碳储量变化区域仅占总面积的 表明多数地区碳储量较为稳定 土地利用变化及其对碳储量的影响 土地利用变化根据 期土地利用数据统计结果(图、表)研究区由南到北 土地利用类型分别为耕地草地林地 研究区由西到东 土地利用类型分别为草地耕地林地耕地 研究区以林地为主要土地利用类型 主要分布在漠河市
13、、塔河县、呼玛县、根河市、额尔古纳市、鄂伦春自治旗、加格达奇区、牙克石市、阿尔山市、扎兰屯市和鄂温克族自治旗的东南地区 占研究区总面积的 其次是草地和耕地 草地主要分布在科尔沁右翼前旗西部、鄂温克族自治旗西北地区和额尔古纳市南部 占研究区总面积的 耕地分布较分散 一部分耕地分布在额尔古纳市南部、鄂伦春自治旗东南部、扎兰屯市东部、科尔沁右翼前旗东部、牙克石市西南角 除此之外研究区各地零星分布着部分耕地 共占研究区总面积的 灌木、水域、雪地、荒地、建设性用地、湿地共计占比总面积的 从整体上来看 年间 各类土地利用类型在 年间变化有所差异主要表现在草地、水域和湿地面积分别减少了、和 而耕地、林地、荒
14、地和建设性用地面积分别增加了 、和 灌木和雪地面积变化不明显从土地利用单一动态指数来看 年到 年 耕地持续变化 年耕地减少变化率为 年变化面积最大变化率最大为 从整体来看耕地变化较大 年变化率为 林地在 年总体上呈现增加趋势 但其占地面积较大因此相较于其他类型 虽增加面积较大 但变化率较小 为 灌木、草地、水域和湿地面积在 年间呈下降趋势 面积变化明显 变化率较明显 分别为、和 在此期间 荒地和建设性用地面积增加较为明显 变化较大 变化率分别为 和 雪地面积极小 影响极小图 年大兴安岭天保工程区土地利用空间分布注:基于自然资源部网站下载的审图号为()号的标准地图制作 西 部 林 业 科 学 年
15、表 年大兴安岭天保工程区土地利用类型面积和占比变化.()年份指标耕地林地灌木草地水域雪地荒地建设性用地湿地面积/比例/面积/比例/面积/比例/面积/比例/面积/比例/变化率/表 年大兴安岭天保工程区土地利用面积转移矩阵.耕地林地灌木草地水域荒地建设性用地湿地耕地 林地 灌木草地 水域 雪地荒地 建设性用地 湿地 根据转移矩阵法得到(表)从各地类变化上看 年林地转化为耕地和草地分别为 和 减少的耕地主要转化为 的草地和 的林地 减少的草地主要转为 的林地和 的耕地 说明林耕地和草地三者土地类型之间相互转化 荒地和灌木主要转化为草地 超过 以上的面积转为草地 湿地主要转变为耕地、林地、草地 到 年
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