CITYgreen模型在人工林碳儲(chǔ)量核算中的應(yīng)用研究

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(zhǎng)沙 410004)

CITYgreen模型在人工林碳儲(chǔ)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(zhǎng)沙 410004)

CITYgreen碳儲(chǔ)量模型在國內(nèi)雖然已有一些應(yīng)用，但對(duì)其準(zhǔn)確性一直缺乏驗(yàn)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(duì)其碳儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算。并以準(zhǔn)確度較高的生物量轉(zhuǎn)換方法對(duì)CITYgreen 模擬值進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示，CITYgreen較準(zhǔn)確地計(jì)算出人工林的碳儲(chǔ)量值，與生物量轉(zhuǎn)換計(jì)算方法間并無顯著差異(P＞0.05)。這說明CITYgreen模型不僅對(duì)城市森林，而且對(duì)各類人工林碳儲(chǔ)量核算都具有重要的推廣和應(yīng)用價(jià)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(chǔ)量的步驟和方法。

碳儲(chǔ)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(tái)計(jì)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(chǔ)量、固碳、削減暴雨徑流、吸收大氣污染物等多項(xiàng)計(jì)算模型[3]。其中的碳儲(chǔ)量模型是計(jì)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(jià)值的計(jì)算奠定了換算基礎(chǔ)[2]。

目前，CITYgreen碳儲(chǔ)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(píng)估城市人工森林的固碳釋氧效益[4-6]。近些年，CITYgreen碳儲(chǔ)量模型在國內(nèi)也得到了一些應(yīng)用，如對(duì)深圳、蘇州、杭州等市城市森林固碳釋氧效益的評(píng)價(jià)[7-9]，但對(duì)其在野外人工林碳儲(chǔ)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(duì)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(duì)其內(nèi)各模型在中國的適用性問題卻一直缺乏驗(yàn)證研究[3,10]。本研究針對(duì)CITYgreen中的碳儲(chǔ)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(chǔ)量的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，對(duì)CITYgreen碳儲(chǔ)量模型進(jìn)行驗(yàn)證，評(píng)價(jià)CITYgreen碳儲(chǔ)量模型的適用性，期望能為CITYgreen碳儲(chǔ)量模型在國內(nèi)人工林碳儲(chǔ)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(chǔ)存的計(jì)算原理

CITYgreen碳儲(chǔ)量的計(jì)算人工植被碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式為：

式（1）中：Cv表示植物碳儲(chǔ)量（t），Ar表示面積（hm2），Gc表示樹木層覆蓋百分比（%），Cf表示碳儲(chǔ)存系數(shù)。CITYgreen模型中，碳儲(chǔ)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(chǔ)存系數(shù)各不相同。而要確定植物碳儲(chǔ)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(zhǎng)參數(shù)來進(jìn)行確定。

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

1.2 模型的參數(shù)

從碳儲(chǔ)量計(jì)算公式可知，碳儲(chǔ)量的計(jì)算取決于面積、覆蓋度、碳儲(chǔ)存系數(shù)三項(xiàng)參數(shù)。CITYgreen模型中，這三項(xiàng)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(xiàng)參數(shù)的數(shù)據(jù)源，屬性特征數(shù)據(jù)提供碳儲(chǔ)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(jì)算對(duì)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(chǔ)量計(jì)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(huì)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(jì)算對(duì)象的具體生長(zhǎng)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(zhǎng)特征，確定植物的林齡類型，為選擇碳儲(chǔ)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(chǔ)量計(jì)算兩階段。其中，參數(shù)分析為模型計(jì)算運(yùn)行的前期準(zhǔn)備階段，碳儲(chǔ)量計(jì)算為獲得計(jì)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(chǔ)量的計(jì)算對(duì)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(xiàng)目有：樹種、樹高、胸徑、冠幅、健康狀況（見表2）等。調(diào)查時(shí)，同步利用GPS對(duì)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(duì)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(duì)樹木健康狀況的分級(jí)Table 2 Classes of tree’s health condition in the CITYgreen model

1.3.1.2 研究對(duì)象的矢量化

研究對(duì)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(xiàng)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(jiǎn)單，喬木層和灌木層矢量化時(shí)可以僅使用一個(gè)圖層；若群落結(jié)構(gòu)為喬灌復(fù)合結(jié)構(gòu)，矢量化時(shí)，需要分成喬木層和灌木層兩個(gè)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(zhǎng)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(jì)算群落中喬木層或灌木層的碳儲(chǔ)量，林下層的設(shè)置可忽略；若需要計(jì)算整個(gè)群落的碳儲(chǔ)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(jiǎn)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(jiǎn)單可行，但需要依據(jù)樣方調(diào)查的結(jié)果，逐一對(duì)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(gè)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(shí)，仍然會(huì)采集到新樹種?？紤]到現(xiàn)實(shí)工作中，常常會(huì)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(shí)，只需要依據(jù)新樹種的葉密度、樹高生長(zhǎng)率、胸徑生長(zhǎng)率、樹冠形狀等特征（表3），便可描述新樹種的生長(zhǎng)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(chǔ)量計(jì)算階段

在參數(shù)準(zhǔn)備完成后，便可直接進(jìn)入碳儲(chǔ)量計(jì)算階段。計(jì)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(huì)依據(jù)所提供的參數(shù)特征，進(jìn)行碳儲(chǔ)量的計(jì)算，并輸出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

1.4 模型運(yùn)行的數(shù)據(jù)

模型的運(yùn)行和驗(yàn)證均針對(duì)相同人工林類型。模型運(yùn)行的數(shù)據(jù)和用于驗(yàn)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(cè)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(yàn)證主要是考慮到：（1）鶴山站是在極度退化的沿海侵蝕臺(tái)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(cè)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(duì)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(tái)站，針對(duì)不同人工森林，有固定的監(jiān)測(cè)樣地和長(zhǎng)期的觀測(cè)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(yàn)證提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。

為了運(yùn)行CITYgreen碳儲(chǔ)量模型，我們選擇共計(jì)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(chǔ)量計(jì)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(tái)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(xiàng)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(chǔ)量模型，對(duì)典型的闊葉人工林和針葉人工林的碳儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算，獲得模型模擬的計(jì)算結(jié)果。

1.5 驗(yàn)證模型的數(shù)據(jù)

針對(duì)表3中所設(shè)的各監(jiān)測(cè)樣方，通過準(zhǔn)確度高的生物量換算成碳儲(chǔ)量的方法，取得各相應(yīng)樣方的碳儲(chǔ)量，并以此來驗(yàn)證模型模擬出的計(jì)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(cè)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(chǔ)量計(jì)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(chǔ)量，Csm表示灌木層碳儲(chǔ)量，Csl表示草本層碳儲(chǔ)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(cè)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(yàn)證首先通過散點(diǎn)圖進(jìn)行直觀判斷CITYgreen模擬值與驗(yàn)證值之間的吻合程度，對(duì)模型進(jìn)行定性的總體評(píng)價(jià)。然后，通過模擬值與驗(yàn)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(yàn)值進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。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(shí)，吻合度就高。Student’s-t檢驗(yàn)值大于0.05時(shí)，模擬值與實(shí)測(cè)值之間的差異不顯著[4,14]。

2 模型的驗(yàn)證

圖1顯示出了CITYgreen模型模擬碳儲(chǔ)量值與生物量計(jì)算碳儲(chǔ)量值對(duì)比情況?？傮w來看，CITYgreen模型的模擬值與生物量計(jì)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(gè)樣地的碳儲(chǔ)量值。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，模型的模擬值與生物量的計(jì)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(yàn)值大于0.05，表明模型模擬值與生物量計(jì)算值間無顯著性差異，CITYgreen碳儲(chǔ)量模型模擬性能良好。

3 結(jié)論與討論

現(xiàn)行評(píng)價(jià)人工林的方法主要有：樣地清查法、遙感估測(cè)法、模型模擬法三種[15-16]。樣地清查法方法雖然簡(jiǎn)單易行，但對(duì)樣方選擇要求高，且受樹木生物量估測(cè)方程影響大[17]；遙感估測(cè)法雖然也能估算人工林碳儲(chǔ)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(huì)增加估測(cè)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(jiǎn)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(chǔ)量CITYgreen模擬值與生物量計(jì)算值對(duì)比驗(yàn)證Fig.1 Validation on the simulated of CITYgreen and measured of biomass for carbon storage of planations

本研究中所驗(yàn)證的CITYgreen固碳模型屬于模型模擬法，雖然CITYgreen碳儲(chǔ)量模型在國內(nèi)已有不少應(yīng)用，但對(duì)其準(zhǔn)確性一直缺乏驗(yàn)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(jì)40塊樣地，采用CITYgreen模擬和生物量轉(zhuǎn)換的方法對(duì)碳儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算，并以準(zhǔn)確度更高的生物量轉(zhuǎn)換成碳儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，對(duì)CITYgreen模擬值進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示CITYgreen碳儲(chǔ)量模擬值與生物量轉(zhuǎn)換計(jì)算值并無顯著差異，CITYgreen碳儲(chǔ)量模型的計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

需要指出的是，本研究?jī)H選擇華南地區(qū)中國科學(xué)院鶴山站的典型人工林為對(duì)象進(jìn)行了驗(yàn)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(duì)其進(jìn)行更廣泛的驗(yàn)證。另外，本研究?jī)H從10×10 m樣方，從小尺度上對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，由于CITYgreen最新版本中，還提供了從大尺度上對(duì)遙感影像的模擬計(jì)算功能，因此未來的模型驗(yàn)證還應(yīng)該基于大尺度的遙感影像，對(duì)碳儲(chǔ)量模型進(jìn)行驗(yàn)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(chǔ)量核算中的應(yīng)用研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(11):103-107, 112

[本文編校：吳 毅]