基于InVEST 模型的2000–2020 年新疆伊犁地區(qū)碳儲量分布數(shù)據(jù)集

曹夢迪，曹姍姍，劉婷婷*，孫偉*

1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081

2.國家農(nóng)業(yè)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，北京 100081

引 言

全球氣候變暖引起各國政府高度關(guān)注，我國提出了“碳達峰、碳中和”的雙碳目標[1]。碳排放是影響氣候變化的重要因素之一[2]。陸地生態(tài)系統(tǒng)能夠固定空氣中的CO2，從而降低CO2濃度、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候，在全球碳循環(huán)中起著十分關(guān)鍵的作用[3]。隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，城市化進程加快，土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量發(fā)生改變[4]。因此，定量估算生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲量具有重要意義。

伊犁哈薩克自治州地處新疆西北地區(qū)，涵蓋了山地、平原、丘陵等地貌類型，屬于溫帶大陸性氣候。不同地形間氣候差異較大，山地雨量充足，平原干旱少雨。土地利用類型豐富，以耕地、草地、林地為主，為新疆生態(tài)系統(tǒng)固碳做出重要貢獻。2000–2020 年間，受生態(tài)文明建設(shè)規(guī)劃等國家戰(zhàn)略的影響，伊犁地區(qū)土地利用分布發(fā)生明顯變化[5]，定量研究伊犁地區(qū)的碳儲量分布變化，既能為研究生態(tài)系統(tǒng)碳儲量提供數(shù)據(jù)支持，也能為優(yōu)化土地利用方式提供指導(dǎo)。

在現(xiàn)有的碳儲量分布數(shù)據(jù)集中，研究區(qū)覆蓋伊犁地區(qū)的數(shù)據(jù)集較少，而且其研究范圍一般較大，伊利只是其中比較小的一塊區(qū)域，獲得的碳儲量分布數(shù)據(jù)分辨率普遍較低[6]。本研究基于InVEST 模型和2000、2010、2020 年3 期LUCC 數(shù)據(jù)，計算伊犁地區(qū)連續(xù)3 期的碳儲量及其分布狀況（空間分辨率：30 m）。本數(shù)據(jù)集包括伊犁地區(qū)土地利用、氣象、碳密度、碳儲量4 類數(shù)據(jù)，具有三方面的特征和優(yōu)勢：第一，利用本數(shù)據(jù)集可以對伊犁地區(qū)的碳儲量分布及其變化進行評估。第二，現(xiàn)有的公開數(shù)據(jù)集中獲得的伊犁地區(qū)碳儲量分布數(shù)據(jù)空間分辨率不高，本數(shù)據(jù)集提高了數(shù)據(jù)精度。第三，保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)來源的權(quán)威性和科學(xué)性。本數(shù)據(jù)集不僅為伊犁地區(qū)碳儲量的研究提供數(shù)據(jù)支持，對于區(qū)域碳儲量驅(qū)動力和生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)研究也提供一定的價值。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

本研究采集的數(shù)據(jù)主要包括土地利用/覆被數(shù)據(jù)（LUCC）、氣象數(shù)據(jù)和碳密度數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)預(yù)處理之后結(jié)合InVEST 模型進行計算，得到碳儲量數(shù)據(jù)。各類數(shù)據(jù)的采集和處理方法如下。

1.1 土地利用/覆被數(shù)據(jù)

通過對Landsat 遙感影像進行人工目視解譯，獲得中國多時期土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)[7]。選取2000、2010、2020 年3 期的LUCC 數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，利用ArcGIS 軟件按照新疆伊犁哈薩克自治州的矢量邊界對3 期土地利用數(shù)據(jù)進行裁剪和融合處理，按照一級分類系統(tǒng)將土地分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用土地共計6 類，從而得到數(shù)據(jù)集中伊犁地區(qū)2000–2020 年3 期的土地利用數(shù)據(jù)。

1.2 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)包括年降水量和年平均氣溫數(shù)據(jù)。利用氣象站點收集日觀測數(shù)據(jù)，計算氣溫和降水量的年值，并利用Anuspl 軟件進行空間插值，得到氣象要素年度空間插值數(shù)據(jù)集[8]。原始數(shù)據(jù)[8]包括2000、2010、2020 年3 期的年降水量分布圖和年平均氣溫分布圖。在ArcGIS中按研究區(qū)進行裁剪得到伊犁地區(qū)的年均氣溫和年降水量分布圖，數(shù)據(jù)格式為tif。并分別計算3 期的年降水量和年平均氣溫值，得到氣象數(shù)據(jù)要素平均值的excel 表，用以修正研究區(qū)的碳密度。

1.3 碳密度數(shù)據(jù)

運用InVEST 模型中的carbon storage and sequestration 模塊計算伊犁地區(qū)各種土地利用類型的碳儲量，環(huán)境中的碳庫主要包括4 個部分，即地上生物碳、地下生物碳、死亡有機碳和土壤有機碳[9]。已知各地類的面積、與之相對應(yīng)的碳密度，便得到該地類的4 種碳儲量，總和即為該地類的總碳儲量。從而計算出6 種土地利用類型的碳儲量，數(shù)據(jù)格式為tif，并在ArcGIS 中直觀地展示研究區(qū)碳儲量的分布狀況。

相關(guān)研究表明，生物量和土壤碳密度會受到降水量和氣溫的影響[10]，因此利用研究區(qū)的氣溫和降水量數(shù)據(jù)修正原始碳密度數(shù)據(jù)[11]，從而得到伊犁地區(qū)各土地利用類型的4 種碳密度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為xlsx。而由于死亡有機碳含量較低，本數(shù)據(jù)集不予考慮。數(shù)據(jù)處理平臺包括Excel、ArcGIS 軟件。

1.4 碳儲量數(shù)據(jù)

碳儲量數(shù)據(jù)是指新疆伊犁地區(qū)的碳儲量分布數(shù)據(jù)。首先，運用伊犁地區(qū)2000 年、2010年、2020 年三期氣象數(shù)據(jù)對全國的碳密度數(shù)據(jù)進行修正，從而得到伊犁地區(qū)的碳密度數(shù)據(jù)。進而將伊犁地區(qū)的3 期土地利用/覆被數(shù)據(jù)、碳密度數(shù)據(jù)輸入InVEST 模型，模型計算得到伊犁地區(qū)3 期的碳儲量分布數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為tif。處理流程如圖1 所示。

圖1 碳儲量數(shù)據(jù)獲取流程圖Figure 1 Flow chart of carbon storage data acquisition

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集由土地利用、氣象、碳密度、碳儲量4 類數(shù)據(jù)構(gòu)成。表1 展示了各類數(shù)據(jù)的基本信息。其中，氣象數(shù)據(jù)用于修正伊犁地區(qū)的碳密度。在運用InVEST 模型計算碳儲量的過程中，土地利用數(shù)據(jù)和碳密度數(shù)據(jù)是輸入數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)則為碳儲量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集共計61.3 MB。部分樣本數(shù)據(jù)展示如圖2–3、表2 所示。

表1 數(shù)據(jù)集中各類數(shù)據(jù)的基本信息Table 1 Basic information about each type of data in the dataset

表2 氣象數(shù)據(jù)要素平均值Table 2 Mean values of meteorological data elements

圖2 氣象數(shù)據(jù)示例Figure 2 Sample of meteorological data

圖3 土地利用數(shù)據(jù)和碳儲量數(shù)據(jù)示例Figure 3 Sample of land use data and carbon stock data

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

為了保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量，本研究使用的原始數(shù)據(jù)全部來自專業(yè)網(wǎng)站（中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心）。部分經(jīng)查閱整理的數(shù)據(jù)也來自領(lǐng)域內(nèi)專業(yè)的官方網(wǎng)站、相關(guān)科學(xué)文獻等。在對全國碳密度數(shù)據(jù)進行修正之前，首先進行了數(shù)據(jù)清洗，剔除碳密度異常值。在使用InVEST模型計算碳儲量分布的過程中，嚴格按照《InVEST 3.2.0 使用手冊》的指導(dǎo)進行[12]。本研究的數(shù)據(jù)加工、處理運用ArcGIS 10.2、excel 軟件完成，處理步驟嚴格遵循軟件操作指南，以確保數(shù)據(jù)的可靠性。

4 數(shù)據(jù)價值

碳儲量對全球碳減排起著重要的影響作用，計算區(qū)域碳儲量可用于探究區(qū)域碳匯、評價生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和進行生產(chǎn)力評估。伊犁地區(qū)是新疆區(qū)域碳儲量和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要貢獻者，探究其碳儲量分布具有重要意義。本數(shù)據(jù)集提供了伊犁地區(qū)土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、碳密度數(shù)據(jù)和碳儲量數(shù)據(jù)共4 類數(shù)據(jù)。其中，碳密度數(shù)據(jù)是根據(jù)研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)修正后的結(jié)果，為本地碳儲量的相關(guān)研究提供重要參考。同時，本數(shù)據(jù)集能夠為優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)、探究生態(tài)系統(tǒng)碳儲量碳循環(huán)提供科學(xué)數(shù)據(jù)支持。

作者分工職責(zé)

曹夢迪（1999—），女，河南永城人，在讀碩士，研究方向為時空數(shù)據(jù)分析。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)整理分析、論文撰寫。

曹姍姍（1984—），女，黑龍江哈爾濱人，博士，副研究員，研究方向為農(nóng)林時空信息智能分析。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)分析。

劉婷婷（1985—），女，北京人，碩士，助理研究員，研究方向為科學(xué)數(shù)據(jù)管理。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)整理。

孫偉（1978—），男，山東海陽人，博士，副研究員，研究方向為農(nóng)林時空信息智能分析。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)分析。