山岳型國家公園生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量時(shí)空分布分析

陳馨　羅鎂玲　林仕宇　朱里瑩

摘 要：【目的／意義】國家公園作為抵御氣候危機(jī)，影響人類命運(yùn)的先驅(qū)領(lǐng)域，科學(xué)地研究武夷山國家公園碳儲(chǔ)量的時(shí)空變化特征，為今后制定更為合理的生態(tài)管理方案提供參考。【方法／過程】基于InVEST模型，選用文獻(xiàn)檢索法收集不同類型碳密度數(shù)據(jù)，對(duì)武夷山國家公園碳儲(chǔ)量在時(shí)間和空間兩個(gè)維度上進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果／結(jié)論】結(jié)果顯示：（1）武夷山國家公園林地地類是該區(qū)域主導(dǎo)的用地類型，草地和農(nóng)田位居第二、第三位；（2）武夷山國家公園總碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)“先減后增，U型變化”，碳儲(chǔ)量高值區(qū)和林地地類范圍重合；（3）土壤碳儲(chǔ)量是生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的主要構(gòu)成要素，占比突出。

關(guān)鍵詞：武夷山國家公園；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；碳儲(chǔ)量；InVEST模型

中圖分類號(hào)：F327；S718.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：16735617 （2023） 01-007207

氣候變化問題席卷了全球各個(gè)國家和地區(qū)，國家公園等自然保護(hù)地為氣候變化應(yīng)對(duì)的先行者[1]。截至2022年，全球已有30多個(gè)國家和地區(qū)達(dá)成共識(shí)，制定了節(jié)能減排的低碳計(jì)劃[2]。中國也肩負(fù)起自己作為發(fā)展中國家的責(zé)任．積極采取應(yīng)對(duì)措施，頒布了《國家適應(yīng)氣候變化戰(zhàn)略》[3]，2020年提出了“碳達(dá)峰，碳中和”的目標(biāo)，碳排放問題引起了廣泛的關(guān)注。在此背景下，中國公布了第一批國家公園名單，國家公園的建設(shè)主要是為了“公眾利益”和“國家利益”[4]，其具有良好的生態(tài)環(huán)境與豐富的野生動(dòng)植物資源，生境質(zhì)量?jī)?yōu)越，同時(shí)具有極高的碳匯價(jià)值，是應(yīng)對(duì)氣候變化，影響人類命運(yùn)的先驅(qū)領(lǐng)域。山岳型生態(tài)系統(tǒng)的變遷必然引起地區(qū)乃至全球生態(tài)環(huán)境的改變，對(duì)人類的生存和發(fā)展構(gòu)成巨大的威脅[5-7]。因此研究山岳型國家公園碳儲(chǔ)量與用地類型變化之間的關(guān)系及其空間分布特征，對(duì)維持區(qū)域碳循環(huán)的平衡與穩(wěn)定具有重要意義。

碳儲(chǔ)量是反映陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給水平，調(diào)節(jié)氣候變化的重要指標(biāo)[8]，是近期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的熱點(diǎn)[9]。陸地自然植被具有強(qiáng)大的固碳能力，植被固碳還能產(chǎn)生水源涵養(yǎng)、水土保持等其他生態(tài)效益[10]?，F(xiàn)已有大量研究基于通量觀測(cè)、野外調(diào)查和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析等方法計(jì)算碳儲(chǔ)量[11]。傳統(tǒng)的碳儲(chǔ)量估算方法，往往需要人工去實(shí)地調(diào)研測(cè)算，面臨著采樣周期長、在大尺度研究中操作難度大，工作機(jī)制冗贅，可視化程度低，結(jié)果不夠準(zhǔn)確的問題。遙感和模型法有多種模型模擬碳儲(chǔ)量分布，都存在數(shù)據(jù)復(fù)雜，操作難度大的問題。目前，眾多學(xué)者研究如劉冠等[12]、Rukundo等[13]、鄧喆等[14]引入InvEST模型Carbon模塊模擬陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的變化取得諸多成果，表明該模型具有操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行速度快和精度高的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)模擬變化的可視化制圖。因此，在較大尺度研究中，與傳統(tǒng)的碳儲(chǔ)量估算方法相比，以InVEST模型法為主的碳儲(chǔ)量估算方法能靈活地反映出時(shí)間維度上空間分布的變化。綜上所述，在長序列、大尺度上反映山岳型國家公園土地利用變化與碳儲(chǔ)量之間關(guān)系的研究還尚待補(bǔ)充。武夷山國家公園是全球范圍內(nèi)保存最完整、最具代表性的森林生態(tài)系統(tǒng)之一。區(qū)域內(nèi)具有獨(dú)特的地形地貌、多樣的植物資源，逐步增強(qiáng)了植被的原真性和完整性，豐富的生物多樣性和良好的生態(tài)質(zhì)量。武夷山國家公園位于福建、江西兩省，與浙江相鄰，獨(dú)特的地理環(huán)境使得其在生態(tài)文明建設(shè)中具有重要的地位和作用。因此，本文選取2000、2005、2010、2015、2020年5個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，在明確武夷山國家公園2000—2020年土地利用變化的基礎(chǔ)上，采用InvEST模型，結(jié)合ArcGIS進(jìn)行可視化制圖，研究武夷山國家公園碳儲(chǔ)量時(shí)空分布特征，從而了解山岳型國家公園碳儲(chǔ)量的演進(jìn)過程，以期為提升國家公園生態(tài)價(jià)值和制定減碳排政策提供科學(xué)的參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

武夷山國家公園位于閩贛交界處武夷山脈北段，地理坐標(biāo)為東經(jīng)E 117°24＇13〞～117°59＇19〞，總面積1001.41 knr2，地處武夷山市、建陽區(qū)、邵武市、光澤縣，與鉛山縣毗鄰。武夷山國家公園具有中亞熱帶典型的植被類型，擁有原生性常綠闊葉林為主，高山草甸、針葉林等植被，森林覆蓋度高，同時(shí)也是我國東南部的野生動(dòng)植物寶庫、生物多樣性優(yōu)先保護(hù)區(qū)域之一，極具代表性和保護(hù)價(jià)值。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1土地利用分類數(shù)據(jù)本文采用的2000-2020年間5個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的武夷山國家公園土地利用數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resde.cn/Default.aspx）提供的30m分辨率的柵格數(shù)據(jù)集。土地利用數(shù)據(jù)采用二級(jí)分類系統(tǒng)，共6個(gè)一級(jí)類，18個(gè)二級(jí)類。武夷山國家公園矢量數(shù)據(jù)來源于地理國情監(jiān)測(cè)云平臺(tái)（ www．dsac．cn），地圖坐標(biāo)統(tǒng)一為CGCS 2000。

1.2.2 碳密度數(shù)據(jù)本研究以武夷山國家公園為例，收集InVEST模型中地上、地下根系，土壤和死亡有機(jī)物等4個(gè)碳庫的碳密度情況進(jìn)行測(cè)算。在一些文獻(xiàn)中，未對(duì)地上和地下根系碳密度進(jìn)行進(jìn)一步劃分，參照2006年IPCC規(guī)定，將根莖比設(shè)置為0.2[15-17]，然后再分別測(cè)算出地上和地下根系部分碳密度（表1）。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量模型 本文采用InVEST模型Carbon模塊分析2000-2020年武夷山國家公園生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化情況。主要以當(dāng)?shù)赝恋乩梅诸悶榛A(chǔ)，采用4個(gè)碳庫數(shù)據(jù)，即地上、地下根系、土壤和死亡有機(jī)物的碳密度情況。其碳儲(chǔ)量計(jì)算公式為：

其操作原理如下，使用InVEST模型的碳庫測(cè)算模塊，以ArcGIS柵格為基礎(chǔ)，繪制網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格數(shù)據(jù)代表一種土地利用／覆蓋類型。對(duì)于每一種土地利用／覆蓋類型，模型必須滿足以上4個(gè)碳庫的1個(gè)碳庫的碳儲(chǔ)量才能運(yùn)行，并且更全面的碳庫類型和更精細(xì)的土地利用類型，模型測(cè)算的結(jié)果將會(huì)更加精確。因此，InVEST模型碳儲(chǔ)量評(píng)估模式所需的數(shù)據(jù)有：（l）土地利用／覆蓋類型柵格數(shù)據(jù)集；（2）每種土地利用／覆被類型都儲(chǔ)存的4個(gè)部分（地上、地下根系，土壤和死亡有機(jī)物）的碳密度數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 武夷山國家公園土地利用分析結(jié)果

本研究以2000、2005、2010、2015及2020年5個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的土地利用分類數(shù)據(jù)為分析依據(jù)，對(duì)武夷山國家公園在這5個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的土地類型面積占比和空間分布進(jìn)行模擬研究（表2，圖1）。從時(shí)間維度上看，林地地類（有林地、灌木林地、疏林地和其他林地）的面積占比逐年遞增，穩(wěn)步發(fā)展且面積分布比例為90.71%～90.77%，是該區(qū)域主導(dǎo)用地類型，其中有林地是武夷山國家公園內(nèi)最主要的用地類型，在各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，其面積占比分別為75.90%、75.78%、75.63%、75.65%和75.64%，面積占比較為突出，由此可表明森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量是武夷山國家公園碳儲(chǔ)量的絕對(duì)貢獻(xiàn)者。草地（高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地）的用地面積占比持穩(wěn)定狀態(tài)，農(nóng)田（水田、旱地）則微幅減少，其面積分布分別為該區(qū)域的第二、第三位，但是全局比重較低。水域和其他地類（城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)）占比較低，微乎不計(jì)。總體看來，在5個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中，武夷山國家公園的用地類型范圍面積變化不大，特別是2005、2010和2015年這3個(gè)時(shí)期，土地利用變化微乎不計(jì)。

2.2 武夷山國家公園生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)InVEST模型碳儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果（表3，圖2），2000-2020年武夷山國家公園總碳儲(chǔ)量分別為17.163x106、17.162x106、17.158x106、17.159x106和17.16lx106 t。從時(shí)間維度上了解到，2000-2020年武夷山國家公園內(nèi)的碳儲(chǔ)量下降了2845.67 t。2000-2020年地上碳儲(chǔ)量占比分別為2.686x106、2.685x106、2.685x106、2.685x106、2.686x106，土壤碳儲(chǔ)量占比分別為13.579x106. 13.578x106. 13.575x106. 13.576x106、13.577x106t．兩者占比較大。2000-2020年地下根系碳儲(chǔ)量占比分別為5.664x105.5.663x105、5.662x105、5.662x105、5.665 x105t，死亡有機(jī)物碳儲(chǔ)量占比分別為3.320x105、3.319x 105、3.320x105、3.3186x105. 3.320x105t，兩者碳儲(chǔ)量占比偏低。

2000-2020年，武夷山國家公園生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，且出現(xiàn)最低值。2010年該區(qū)域的總碳儲(chǔ)量達(dá)到5個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中的最低值，主要原因是土壤碳儲(chǔ)量下降數(shù)值較多，其余地上碳儲(chǔ)量、地下根系碳儲(chǔ)量、死亡有機(jī)物碳儲(chǔ)量都有所下降，但是下降幅度沒有土壤碳儲(chǔ)量大，2015年和2020年碳儲(chǔ)量逐年增加，慢慢回升，但是整體增長沒有達(dá)到2000年的水平。2015年與2010年相比，總碳儲(chǔ)量與各部分碳儲(chǔ)量的變化幅度勻速增長，沒有較大起伏，直到2020年武夷山國家公園生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量也沒有發(fā)生顛覆性改變，5個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的碳儲(chǔ)量結(jié)果變化都極其微弱。武夷山國家公園生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量構(gòu)成要素來看，土壤碳儲(chǔ)量占總碳儲(chǔ)量的79.089%- 79.118%，地上部分碳儲(chǔ)量占總碳儲(chǔ)量的比例為15.64%-- 15.65%，是該區(qū)域總碳儲(chǔ)量的主要構(gòu)成要素。地下根系、死亡有機(jī)物碳儲(chǔ)量在總碳儲(chǔ)量的比例很小。從圖2中可以看出，碳儲(chǔ)量較高的區(qū)域和林地地類區(qū)域范圍重合，可見林地地類是武夷山國家公園生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的主要用地類型，碳儲(chǔ)量空間分布和土地利用類型相符合，由于在政策規(guī)劃下武夷山國家公園土地利用類型變化較小，碳儲(chǔ)量空間分布變化幅度也較小。

3 結(jié)論與政策建議

3.1 結(jié)論

本文以武夷山國家公園為研究對(duì)象，借助InVEST模型，結(jié)合ArcGIS進(jìn)行可視化分析，評(píng)估2000-2020年武夷山國家公園生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化及其時(shí)空變化特征。結(jié)論如下：（1） 2000-2020年，武夷山國家公園林地地類（有林地、灌木林地、疏林地和其他林地）面積占比為90.71%～90.77%，是該區(qū)域主導(dǎo)用地類型，其中有林地面積占比分別為75.90%、75.78%、75.63%、75.65%和75.64%，面積占比較為突出，表明森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量是武夷山國家公園碳儲(chǔ)量的絕對(duì)貢獻(xiàn)者。草地（高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地）和農(nóng)田（水田、旱地）面積占比為該區(qū)域第二、第三位，但是全局比重較低。水域和其他地類（城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)）變化微乎其微。（2） 2000-2020年，武夷山國家公園生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)“先減后增，U型變化”的趨勢(shì)。2010年是該區(qū)域20年來生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的最低值，2015-2020年總碳儲(chǔ)量逐漸回升，變化幅度不大，沒有恢復(fù)到2000年?duì)顟B(tài)。（3）生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的構(gòu)成要素上看，各部分碳儲(chǔ)量數(shù)值中，土壤碳儲(chǔ)量和地上碳儲(chǔ)量是該區(qū)域總碳儲(chǔ)量的主要構(gòu)成要素，土壤碳儲(chǔ)量占總碳儲(chǔ)量79.08-%- 79. 118%，其占比較為突出。地下根系、死亡有機(jī)物碳儲(chǔ)量在總碳儲(chǔ)量的比例很小。（4）從空間分布上看，碳儲(chǔ)量高值的區(qū)域和林地地類的范圍重合。由此看出，林地地類是武夷山國家公園主要用地類型，森林生態(tài)系統(tǒng)是武夷山國家公園碳儲(chǔ)量的關(guān)鍵區(qū)域。碳儲(chǔ)量的空間分布與土地利用類型相契合，在政策規(guī)劃下，近20年來，武夷山國家公園的土地利用類型變化較小，碳儲(chǔ)量空間分布變化也較小。

3.2 政策建議

在典型的南方集體林區(qū)，面對(duì)保護(hù)地復(fù)雜的空間關(guān)系、管理關(guān)系、土地權(quán)屬復(fù)雜等問題，武夷山國家公園仍實(shí)行最嚴(yán)格的保護(hù)管理。結(jié)合《武夷山國家公園總體規(guī)劃及專項(xiàng)規(guī)劃（2017-2025年）》，提出以下幾點(diǎn)建議：（1）森林生態(tài)系統(tǒng)是武夷山國家公園碳固定最主要的類型。通過對(duì)林木的優(yōu)化與保護(hù)，增加區(qū)域內(nèi)中亞熱帶原生森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量功能。將核心保護(hù)區(qū)面積向外延伸，在一定程度上，提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，山水林田湖草生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，在固碳減排方面最大限度地發(fā)揮其生態(tài)效益。（2）可以通過退耕還林，適度增加樹齡結(jié)構(gòu)等方式，合理調(diào)整用地類型，進(jìn)一步加強(qiáng)科研監(jiān)測(cè)體系，為管理、決策、服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)。對(duì)國家公園內(nèi)部的森林資源進(jìn)行長期的保護(hù)和修復(fù)，營造適宜的野生動(dòng)物保護(hù)環(huán)境，增加生態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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