關(guān)于湖南省“雙碳”監(jiān)測工作的技術(shù)探析*

謝優(yōu)平，肖祥紅

（湖南省第二測繪院，湖南長沙 410119）

根據(jù)近幾年IPCC 氣象清單報(bào)告，因人類活動和自然變化釋放的溫室氣體（主要為CO2、N2O、CH4）脅迫地球表層溫度正以每十年0.2 ℃的幅度上升，導(dǎo)致地表冰土面積減少，海平面上升，極端災(zāi)害（海嘯、地震、森林火災(zāi)）增多，逐漸危害人類的生存安全。早在上世紀(jì)80年代，為應(yīng)對改善人類生存環(huán)境的需要，不少國家或機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始對碳源、碳匯進(jìn)行了研究工作。2021 年9月22 日，在“中共中央國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念作為碳達(dá)峰碳中和工作的意見(中發(fā)36 號文件)”中指出，“要依托和拓展自然資源調(diào)查監(jiān)測體系，建立生態(tài)系統(tǒng)碳匯監(jiān)測核算體系”；2021 年我國在世界氣候峰會上向全世界承諾“中國力爭2030 年前CO2排放達(dá)到峰值，2060年底實(shí)現(xiàn)碳中和?！敝链?，“雙碳”監(jiān)測工作正式提上國家層面，“雙碳”監(jiān)測思路、任務(wù)及工作目標(biāo)逐步明晰，包括前期的“雙碳”監(jiān)測，中期的碳中和、碳達(dá)峰、碳交易，后期的碳規(guī)劃、清潔能源節(jié)點(diǎn)循環(huán)等內(nèi)容。近年來，基于生態(tài)學(xué)的碳氮水循環(huán)研究及“雙碳”監(jiān)測工作已取得一定進(jìn)展，但由于自然生態(tài)的多樣性及繁雜性、人類活動干擾的不確定性以及技術(shù)手段的局限性，使得研究成果內(nèi)容不充分、不全面、不徹底，用于碳收支的各種生物計(jì)量模型結(jié)果各有差異，研究技術(shù)路線不完善、不成熟。目前，大氣圈中基于衛(wèi)星遙感的碳衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)和基于化學(xué)反應(yīng)的碳捕集、碳存儲技術(shù)尚在初始研究階段，技術(shù)不成熟。因此，基于陸地生態(tài)循環(huán)的“雙碳”監(jiān)測研究在今后相當(dāng)長的時期內(nèi)仍為工作重點(diǎn)。筆者就陸地生態(tài)系統(tǒng)中“雙碳”監(jiān)測工作的若干個人觀點(diǎn)闡述如下，并對這些工作的開展進(jìn)行技術(shù)探析。

1 大氣圈、陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)監(jiān)測原理

在生態(tài)系統(tǒng)中，碳氮水循環(huán)主要通過光合作用、呼吸作用和水分蒸騰作用等生物物理方式實(shí)現(xiàn)土壤、植被、大氣三者之間的物質(zhì)與能量交換。因此，本文認(rèn)為碳水循環(huán)監(jiān)測主要采取如下兩種方式。

一是通過監(jiān)測碳氮水在大氣圈和生物圈之間的循環(huán)流向，遵守物質(zhì)守恒定律。碳既是生命體最基本的元素，也是自然界中的較穩(wěn)定的元素，無論是以有機(jī)碳形式存在于植物、微生物、藻類、土壤中，還是以CO2、CO 等形式存在于大氣中，生態(tài)系統(tǒng)的所含碳的總量不變，陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán)的基本流程如圖1[1-3]。因此，開展碳源碳匯監(jiān)測時，既可以根據(jù)碳元素的流向來監(jiān)測，也可以根據(jù)光合作用所形成的生物量來監(jiān)測[4]。針對某一碳匯生態(tài)系統(tǒng)時，生物量的主要指標(biāo)計(jì)算方式如下（式1~式3）：

圖1 陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán)流程Fig.1 Material cycle and energy cycle process of terrestrial ecosystem

若針對某一周期的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)，還需要將該時間段內(nèi)人類活動及自然變化的擾動因素綜合納入計(jì)算中，如火燒、采伐、風(fēng)蝕、水泄等對碳的去向干擾（式4）。

其中，NPP為植被凈初級生產(chǎn)力，APAR 為吸收的光合有效輻射，C 為實(shí)際光合利用率，RSG為太陽總輻射，F(xiàn)PAR 為入射太陽有效輻射的吸收率，GPP 為總初級生產(chǎn)力，NEP 為凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，NBP 為凈生物群系生產(chǎn)力，R 自為植物自身呼吸所排放的CO2，R 異為同一生態(tài)鏈上微生物群呼吸所排放的CO2，NRP 為凈區(qū)域生產(chǎn)力，R 生物群為生態(tài)系統(tǒng)的其他動物和昆蟲呼吸所排放的CO2，R 泄是人為采伐、焚燒、風(fēng)蝕、水泄等所產(chǎn)生的碳泄漏。

二是監(jiān)測在某一特定時間內(nèi)通過大氣中垂直界面的CO2濃度和脈動量，采用微氣象學(xué)中的空氣動力學(xué)通過通量觀測來監(jiān)測，遵守動量和能量守恒定律[5-7]。

所有生物量監(jiān)測都要考慮季節(jié)溫度、降水、土壤水分蒸騰蒸發(fā)、土壤肥力、近地表CO2濃度、物候條件等環(huán)境因子對生物生長的干擾和協(xié)迫作用。

2 “雙碳”監(jiān)測陸地生態(tài)系統(tǒng)分類

湖南省域尺度陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯監(jiān)測要綜合考慮自然因素、國家尺度的人為活動等多方面影響。監(jiān)測對象除了常見的耕地、林地、草地、濕地四個一級碳匯種類外，還要包括水域碳匯類以及工業(yè)、建設(shè)用地碳源類。

不同于土地利用現(xiàn)狀分類，“雙碳”監(jiān)測根據(jù)不同植被、不同時令應(yīng)有更細(xì)的二級分類和影響因素考慮（表1）。如林地包含的闊葉、針葉、灌木，其生長季節(jié)、茂盛程度及表露特征不一樣，并且還要兼顧生物群系的林下植被；又如耕地類作物可分為水稻（一季或兩季）、玉米、油菜、大豆、紅薯、棉花等，它們的生長季節(jié)、成熟周期不一樣，果實(shí)莖塊所處的位置（地上、地下）也不一樣；再如水域中淡水湖泊有水下藻類的光合作用，海水有水下珊瑚礁的鈣化，此外，還要充分考慮水對CO2的溶解吸收，以及水的流速影響，流速越快，吸收能力越強(qiáng)。碳源監(jiān)測不僅要考慮鋼鐵、水泥、化石燃料等污染工業(yè)的CO2排放統(tǒng)計(jì)，也要考慮建筑區(qū)、商業(yè)體育等人類活動區(qū)域CO2的排放監(jiān)測[8]。

表1 湖南省“雙碳”監(jiān)測陸地生態(tài)系統(tǒng)分類Table 1 Classification of terrestrial ecosystem for double carbon monitoring in Hunan Province

單一生物類的“源”與“匯”隨時間、季節(jié)動態(tài)變化，甚至可以互相轉(zhuǎn)換。因此，源與匯的表現(xiàn)應(yīng)依據(jù)該生物類逐月、逐年或單一生長周期所固定或消耗的干物質(zhì)量來判定。

3 生物地類邊界智能識別及提取

在陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)監(jiān)測中，因包含的生物種類繁多，且各自生長季節(jié)不同，導(dǎo)致同一區(qū)域不同季節(jié)的碳固速率和碳固潛力迥然不同。要較為準(zhǔn)確求取某一區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)的碳儲增量，按照季節(jié)或某一周期準(zhǔn)確劃分每一植被地類的邊界尤為重要[9]。

植物地類的邊界識別以及智能提取主要分兩種方式。一是采用多光譜數(shù)據(jù)，通過對植被覆蓋長時間序列的生長周期觀測，計(jì)算生物生長過程的植被指數(shù)，如NDVI、RVI、EVI 等，根據(jù)各指數(shù)的閾值變化趨勢及收斂情況，判讀提取不同作物的邊界[14]。二是采用分辨率較高的衛(wèi)星影像或航片影像進(jìn)行提取。根據(jù)作物在影像上不同的紋理特征，結(jié)合作物生長周期特性，參考農(nóng)作物樣本數(shù)據(jù)庫進(jìn)行提取。兩種方法的提取結(jié)果需實(shí)地核查或比對三調(diào)數(shù)據(jù)庫地類進(jìn)行調(diào)整和修正，以確保邊界準(zhǔn)確度[10]。

4 “雙碳”監(jiān)測生物計(jì)量

陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物計(jì)量及碳收支方法主要有如下兩類：（1）傳統(tǒng)的生物計(jì)量及碳收支方法。包括樣點(diǎn)連續(xù)清查法（薄記模型）、氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型、生物生態(tài)過程模擬、渦度相關(guān)系統(tǒng)通量觀測等。其中，樣點(diǎn)連續(xù)清查法具有極大的生態(tài)破壞性，而氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型及生物生態(tài)過程模擬普遍存在參數(shù)太多且求取困難、模型復(fù)雜且模擬周期序列長、工作量大等缺點(diǎn)。（2）遙感反演方法。包括基于衛(wèi)星遙感的多光譜數(shù)據(jù)模型反演、碳衛(wèi)星探測的溫室氣體（CO2）濃度反演、航測法計(jì)算活立木蓄積量反演碳儲量等。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)模型反演方法切合了我們地理信息行業(yè)的工作數(shù)據(jù)優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢，采用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)時間序列長，覆被信息豐富，其中常用的光能利用模型驅(qū)動變量少，參數(shù)求取簡單，模型通俗易懂并可反復(fù)模擬[11]。

4.1 傳統(tǒng)或常用的生物計(jì)量方法

4.1.1 樣點(diǎn)連續(xù)清查法

耕地農(nóng)作物、林地、草地最傳統(tǒng)的生物計(jì)量方式主要采用連續(xù)清查法加統(tǒng)計(jì)法。以月、季度、年為計(jì)量周期，以耕地農(nóng)作物收支、森林、草地及土壤資源清查數(shù)據(jù)為統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，通過生物量轉(zhuǎn)換因子分別將森林資源材積量轉(zhuǎn)化為森林生物量和碳儲量，利用草地資源清查資料及地下生物量數(shù)據(jù)，估算草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，利用全國土壤普查資料和季節(jié)農(nóng)作物收成估算農(nóng)作物的地上、地下生物量，地下土壤碳儲量主要采用重鉻酸鉀稱重法[12]。

其中，森林材積轉(zhuǎn)化為生物量表示為（式5）：

V 為木材蓄積量，D 為木材密度，BEF是蓄積量與生物量之間的轉(zhuǎn)換因子，R為地上、地下生物量之比，CF為物質(zhì)含碳量。

其它耕地農(nóng)作物及草地收支亦可利用上式進(jìn)行類推。樣點(diǎn)連續(xù)清查法主要特征是每個作物類、每個格網(wǎng)點(diǎn)都要大量設(shè)置樣點(diǎn)，工作量巨大繁重，破壞性大，優(yōu)點(diǎn)是精度相對較高。

4.1.2 基于生物生長過程模擬的葉面積指數(shù)法（林木異速生長方程）

在生態(tài)系統(tǒng)中，葉面積指數(shù)是生態(tài)系統(tǒng)的一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，它反映植物葉面數(shù)量、冠層結(jié)構(gòu)變化、植物群落生命活力及其環(huán)境效應(yīng)，為植物冠層物質(zhì)和能量交換提供結(jié)構(gòu)化的定量信息。通過葉面積指數(shù)可以鑒定其它組織如葉莖、枝、軀干、根莖所對應(yīng)的比重，即計(jì)算林分冠層的導(dǎo)度，通過建立林木生物的生長過程模型，確定某一時期段生物量的增長[13]（式6~式7）。

式中，LAI為葉面積指數(shù)，LE為實(shí)際有效葉面積指數(shù)，由LAI-2000 冠層分析儀測量，VE為葉總面積與族面積之比，對于闊葉VE=1，ΩE為集聚效應(yīng)[18]。

式中，k為透光率，L為葉面積指數(shù)，Y 為NPP與GPP 間的轉(zhuǎn)化率，δ 為樹冠覆蓋率，ARPR 為太陽輻射，△t為時間。

采用樣點(diǎn)調(diào)查法的碳固量增長值對上式生物量模型求得NPP 進(jìn)行校正，進(jìn)而求得某一區(qū)域尺度的生態(tài)系統(tǒng)的固碳速率和固碳潛力。

利用葉面積指數(shù)法計(jì)算生物量時，其葉面積實(shí)際指數(shù)測定和異速生長方程求取困難，且干擾因素多，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較樣點(diǎn)清查法差。

4.1.3 通量觀測法

碳通量觀測是監(jiān)測某一時刻大氣與植被之間、大氣與土壤之間、土壤與根系之間碳氮水的交換過程，是大氣圈、生態(tài)圈、土壤圈3 個界面之間相互作用的結(jié)果，是碳流向監(jiān)測最為直接的一種方式[14]。

碳通量觀測包括生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入、能量輸出（土壤-大氣界面、植被-大氣界面的輻射通量、顯熱通量和潛熱通量）、動量傳輸通量及氣體交換通量幾個方面的監(jiān)測（式8）。

因切應(yīng)力位于大氣層之下與地表層之上，風(fēng)速儀與CO2脈動裝置必須架設(shè)在監(jiān)測對象植被的上方。而林地植被普遍較高，導(dǎo)致通量觀測實(shí)施比較困難，因此，通量觀測方式主要適用于開闊建設(shè)用地上的碳源觀測和耕地碳匯觀測。

微氣象學(xué)中碳氮水通量觀測主要采取空氣動力學(xué)法、熱平衡法和渦度相關(guān)法。其中渦度相關(guān)法是通過測量大氣中湍流運(yùn)動所產(chǎn)生的風(fēng)速脈動和CO2濃度脈動，求算能量和物質(zhì)通量的直接測定法，該方法是目前世界上CO2和水通量測量的標(biāo)準(zhǔn)方法，也是被認(rèn)定為誤差來源最小的方法。

4.2 衛(wèi)星航測遙感技術(shù)在生物計(jì)量測定中的運(yùn)用

隨著遙感技術(shù)的日趨成熟，各種多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)源在時間空間獲取方面有了很大的便利性和適時性。在模擬植被蒸騰、土壤水分子蒸發(fā)及植被光合作用過程時，植被覆蓋是生物控制大氣、溫度、雨水、土壤侵蝕等方面的關(guān)鍵因素，可以貼切地反演林木生態(tài)過程和生物量的增長。而遙感數(shù)據(jù)的影像光譜、空間分辨率以及時相特征能夠反映不同空間尺度上的植被覆蓋信息及變化趨勢。因此利用遙感的光譜數(shù)據(jù)與植被覆蓋之間密切的對應(yīng)關(guān)系，建立了40多種反映生物生長態(tài)勢的植被指數(shù)，并通過植被碳利用率CUE、植被光能利用率LUE、植被水分利用率WUE 幾種方式來求取植被凈生產(chǎn)力NPP。其中光能利用率模型因理論基礎(chǔ)性強(qiáng)、參數(shù)少且易獲取、數(shù)據(jù)覆蓋時空分辨率高、計(jì)算方法簡單等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)下求取植被凈生產(chǎn)力的主流方式[15]。

（1）植被光能利用率模型主要有四類驅(qū)動變量，①太陽光照輻射因子：包括有逐日、逐月、逐年光照輻射和散射數(shù)據(jù)；②植被指數(shù)因子：主要有歸一植被指數(shù)NDVI、增強(qiáng)指數(shù)EVI、葉面積指數(shù)LAI 等；③溫度脅迫因子：日平均溫度、日最低溫度、日最高溫度、白天地表溫度、夜間地表溫度；④水分脅迫因子：包括水氣壓差VBD、蒸發(fā)比EF和地表水分指數(shù)LSWI[16]。

通過光能利用率模型，利用四類驅(qū)動因子來研究碳氮水在大氣和生物圈中的相互作用與循環(huán)。因不同植被類型在不同區(qū)域、不同時間、不同物候條件下光能利用率均有較大差異，需利用同期通量觀測數(shù)據(jù)來校正模型準(zhǔn)確性，進(jìn)行模型參數(shù)本地化（式9-10）。

光能利用率通用模型[17]（式9-10）：

光能利用率模型還可加入渦度相關(guān)數(shù)據(jù)、植被生長呼吸、物候條件、葉片陰陽兩面對光照吸收的特性差異等因素影響項(xiàng)，對模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)[18]（式11-12）。

兩葉光能利用率模型（式13）：

上述各種驅(qū)動變量數(shù)據(jù)可從MODIS 遙感數(shù)據(jù)集、CERN數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)、中國陸地通量觀測網(wǎng)絡(luò)和中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心下載。

其中，RSG 為太陽總輻射，PAR 為光合有效輻射，F(xiàn)PAR 為光合輻射吸收比例，C 為光能利用率，T為溫度脅迫因子，W 為水分脅迫因子，Cmax為最大光能利用率，PAR0為光合有效輻射半飽和參數(shù)，C陽及PAR陽為陽葉最大光能利用率和陽葉吸收的太陽輻射，C陰及PAR陰為陰葉最大光能利用率和陰葉吸收的太陽輻射，P 為物候條件，a、b為呼吸線性參數(shù)，NEE夜為夜間通觀測值[19]。

（2）利用激光雷達(dá)和激光掃描儀進(jìn)行生物量的測定（主要針對森林碳匯）

激光雷達(dá)數(shù)據(jù)穿透力強(qiáng)，受水霧干擾因素小，可以準(zhǔn)確地測定森林樹木、植物的高度。又因雷達(dá)數(shù)據(jù)還可以測定地物的平面位置，因此也可求取林木的胸徑。DSM 與DEM 之差即樹木或植物的高度（圖2）[20]，高度值乘以面積得到森林體積。與連續(xù)清查法類似，上述數(shù)據(jù)模型再匹配森林生物量與蓄積量的轉(zhuǎn)換因子、木材密度、碳密度，可求取某一特定生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量[21]（式14~16）。

圖2 森林或植被高度計(jì)算原理圖Fig.2 Schematic diagram of forest or vegetation height calculation

其中，CP 是森林碳儲量，V 是木材蓄積量，S 表示森林面積，D 是木材密度，BEF 是生物量與蓄積量的轉(zhuǎn)換因子，CF是碳密度。

采用生物量模型與遙感反演技術(shù)相結(jié)合的方式，可以部分替代傳統(tǒng)連續(xù)清查法實(shí)地調(diào)查工作內(nèi)容，具有速度快，周期短，時效性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益高，破壞性低等特點(diǎn)。但相對于傳統(tǒng)清查法來講，精度低，準(zhǔn)確性不夠，需要大量的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

5 生物計(jì)量模型結(jié)果平滑處理

在區(qū)域尺度的碳匯、碳源監(jiān)測中，森林、耕地、草地生物量的計(jì)算主要依靠生物生態(tài)過程模型來進(jìn)行。在此推算過程中，要針對不同地域、不同類型，按一定格網(wǎng)設(shè)置樣點(diǎn)，進(jìn)行生物量實(shí)測。再采用最小二乘法，通過迭代的方式對模型進(jìn)行分類校正和平滑處理，處理后的模型值還要用實(shí)測值進(jìn)行驗(yàn)證，以確保均方差∑?S2最小或擬合優(yōu)度（決定系數(shù)）R2最大（圖3）[22]。

圖3 陸地生態(tài)系統(tǒng)中計(jì)量生物碳儲量校正流程Fig.3 Calibration process of measuring biological carbon storage in terrestrial ecosystem

6 區(qū)域尺度碳源碳匯總量的計(jì)算

區(qū)域各類用地在某一周期的碳儲增量即為該區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)同周期的碳匯或者碳源[23]（式17）。

CER：某一時間周期的凈碳排放速率，CSR：某一時間周期的固碳速率。

其中耕地要針對不同的農(nóng)作物或季節(jié)性的輪種農(nóng)作物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，且林地、耕地生物量要用歷史清查數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并計(jì)算年度碳匯能力和最大碳匯潛力。水域、雪地、巖石地、裸露地的碳匯碳源可以忽略不計(jì)。海洋、湖泊應(yīng)分別監(jiān)測統(tǒng)計(jì)。建設(shè)用地及工業(yè)區(qū)可以采取通量觀測，用該區(qū)域年度的化石燃料的排放統(tǒng)計(jì)量來檢驗(yàn)碳源總量。

7 結(jié)語

區(qū)域尺度的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳源、碳匯監(jiān)測，涉及數(shù)學(xué)、微氣象學(xué)、林學(xué)、農(nóng)學(xué)、攝影遙感、地信GIS等基礎(chǔ)學(xué)科、邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科，研究對象包括自然進(jìn)展和人類活動的干擾，不確定因素太多。陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳氮水循環(huán)其物理化學(xué)過程尚不明晰，沒有規(guī)范的理論體系和技術(shù)路線。迄今研究的對象僅限于林地、耕地、草地和海洋幾個領(lǐng)域。而人類活動對碳源、碳匯的擾動因素研究成果積累很少，建設(shè)用地、水域碳源、碳匯研究幾乎沒有。且各研究機(jī)構(gòu)所取得的監(jiān)測成果差異較大，無法作為準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行參考，各種生物計(jì)量模型亟待改進(jìn)完善。同時，分布于國內(nèi)耕地、林地的通量觀測網(wǎng)點(diǎn)少，觀測周期不長。種種因素極大制約了“雙碳”監(jiān)測的工作發(fā)展。在總結(jié)、繼承前人研究成果的基礎(chǔ)上，亟需探索制定一套貼合實(shí)踐的監(jiān)測方法和體系。