海南热带雨林国家公园碳储量估算

海南热带雨林国家公园碳储量估算目录绪论·················································31.1研究背景与意义·············································31.2国内外研究进展·······························31.3技术路线图··········································4资料与方法·······················································52.1研究区概况····················································52.2数据获取与预处理··········································62.2.1数据获取·····················································62.2.2数据预处理····················································72.3InVEST模型·················································7结果与分析···················································83.1海南热带雨林国家公园土地利用变化分析················83.2海南热带雨林国家公园碳储量时空变化分析·········11结论与讨论·······················································154.1结论······································154.2不足与展望······································16参考文献·····························································16致谢····································································18摘要：碳储量是全球碳循环的重要组成部分，是衡量生态系统健康和功能的重要指标，对于减缓气候变化、保护生物多样性和维持生态系统平衡至关重要。本文利用GIS空间分析方法结合InVEST模型，对海南热带雨林国家公园内的碳储量进行了系统估算。研究结果显示：（1）2010-2020年，常绿阔叶林面积呈现上升趋势，增长了32.04km²，灌木丛面积则缓慢下降，湿地面积显著增加，增长了1.8倍。草地和不透水面的面积有小幅上涨，总体相对稳定。灌溉农田的下降趋势与水体的上升趋势较为一致。（2）2010-2020年，海南热带雨林国家公园碳储量最高值从571.6t/ha增加到615.5t/ha，碳储量主要集中在常绿阔叶林和周边地带，呈现出明显的空间异质性，不同区域之间存在明显的碳储量差异。以上结果为减缓气候变化、保护生物多样性和维持生态系统平衡提供决策支持和参考。关键词：海南热带雨林国家公园；InVEST模型；碳储量计算；空间分析1绪论1.1研究背景与意义碳储量是地球上存储在各种形式中的碳的总量，包括大气中的二氧化碳、植物和土壤中的有机碳，以及化石燃料等地下储量[1]。全球碳循环是地球生态系统中至关重要的过程，涉及大气、陆地和海洋之间的复杂相互作用。碳元素在不同形式之间的转化和迁移，直接影响着大气中二氧化碳的浓度、全球气候变化以及生物多样性的维持。碳储量是全球碳循环的重要组成部分，是衡量生态系统健康和功能的重要指标，对于减缓气候变化、保护生物多样性和维持生态系统平衡至关重要[2-4]。随着全球气候变化日益加剧，研究碳储量变得尤为紧迫[5-7]。碳储量作为地球上碳元素的重要存储库，在全球碳循环和气候调控中发挥着至关重要的作用。这些储量主要包括化石燃料、土壤有机碳、植被生物量和海洋碳等形式。化石燃料储量作为主要的碳源之一，其燃烧释放的二氧化碳是主要的温室气体，直接影响着全球气候变化。土壤有机碳和植被生物量则在陆地生态系统中扮演着重要角色，影响着土壤肥力、植被生长和大气中二氧化碳的含量。海洋碳储量则通过海洋生物和海洋化学作用，调节着海水中的碳含量，对全球碳平衡起着重要作用。有效管理和保护这些碳储量，对于维护地球生态系统的平衡、减缓气候变化以及可持续发展具有不可替代的重要性。中国共有五个国家公园，其中海南热带雨林国家公园是中国首批建立的五个国家公园之一，拥有丰富的生物多样性和重要的生态系统功能[8-10]。海南热带雨林国家公园通过吸收二氧化碳（CO2）并储存碳元素，有助于减少大气中的温室气体含量，对抑制气候变化和全球气候变暖起着重要作用[11-13]。目前，在全面建设海南省自由贸易港的要求下，现有的关于海南热带雨林国家公园碳储量估算的研究较少，因此，本文以海南热带雨林国家公园为研究对象，借助InVEST模型，准确估算海南热带雨林国家公园的碳储量，并且对海南热带雨林国家公园碳储量时空变化进行分析，以期为减缓气候变化、保护生物多样性和维持生态系统平衡提供决策支持。1.2国内外研究进展碳储量的研究在国外发展较早，所以研究相对完善，也有着先进的研究成果。如，Donato等（2011）利用全球森林样地数据，估算出全球森林是一个巨大且持久的碳汇[14]。Ahmed等（2018）使用遥感数据和地面观测数据，建立了热带地区森林碳储量的基准地图，提供了热带地区森林碳储量的详细信息，对于热带森林保护和碳管理具有重要意义[15]。Simard等（2019）利用土壤样点数据和地理信息系统技术，估算了中国农业土地的有机碳储量和空间分布，对于了解中国农田土壤碳储量情况及其潜在影响因素具有重要意义[16]。此外，国际政府间气候变化专门委员会（IPCC）和联合国粮食及农业组织（FAO）在2007年也发布了相关的报告和文献，提供了全球和特定区域的碳储量估算信息。其中IPCC的《气候变化、荒漠化、土地退化、可持续土地管理、粮食安全和陆地生态系统中的温室气体排放》特别报告提供了全球范围内关于碳储量估算的综合信息。国内针对森林生态系统碳储量的研究已经取得了丰富的成果，学者们通过各种方法和模型，对此进行了深层次的研究。例如，韩雪莲等（2023）以香格里拉市高山松为研究对象，采用随机森林联立蒙特卡洛RF-MC，基于不同变量组合建立回归模型，研究表明，基于多变量的碳储量估测模型结果优于基于单一类型变量模型的，且不同类型的变量对碳储量估测精度及不确定性有一定的影响[17]。冯昭辉（2020）采用标准地调查法对赤峰市喀喇沁旗旺业甸实验林场的林内乔木、灌木、草本、枯落物及土壤的碳含量、碳密度与碳储量进行调查研究[18]。石冉（2023）以第六次至第九次全国森林资源清查数据为基础，并结合江西省森林资源状况将该省森林资源分成了活立木、经济林、竹林和灌木林这四大类型，参考环境经济综合核算体系（SEEA）中关于资源环境的计量方法，从“存”和“流”的视角，分别对江西省1999—2018年度的森林生态系统的碳资产价值和碳服务价值进行了估算，并对其变动趋势进行了分析[19]。1.3技术路线首先，对海南省2010年、2015年和2020年30m分辨率的土地利用数据、海南省30m分辨率地形数据、海南省热带雨林国家公园矢量边界数据以及海南省热带雨林国家公园树种数据进行相应的预处理，以确保数据质量和一致性。对处理得到的2010年、2015年和2020年三个阶段的土地利用类型数据进行空间变化分析。基于现有数据，综合查阅相关文献收集、整理海南省热带雨林国家公园各个土地利用类型的地上碳密度值、地下碳密度值和土壤碳密度值，构建热带雨林碳密度表。利用InVEST模型，结合热带雨林碳密度表和土地利用类型数据，计算海南省2010年、2015年和2020年三个时间段的热带雨林国家公园碳密度，并进行进一步的空间变换分析，探讨海南省热带雨林国家公园碳储量的演变情况。本文的技术路线图如下：图1技术路线图2资料与方法2.1研究区概况本文的研究区海南热带雨林国家公园位于海南岛中部山区，是亚洲热带雨林和世界季风常绿阔叶林交错带上唯一的“大陆性岛屿型”热带雨林，规划总面积4400余平方千米，约占海南岛陆域面积的1/7。在地貌方面，海南热带雨林国家公园地处海南岛中南部的穹窿构造山区，包括中南部山脉东支五指山山脉和西支黎母岭山脉的大部分区域，构成了海南岛的最高脊。海南热带雨林国家公园的最高点为五指山，海拔1867米，也是海南岛的最高峰；气候方面，海南热带雨林国家公园地处热带北缘，属热带海洋性季风气候区。日照时间长，太阳总辐射量大。年均气温22.5℃-26.0℃，多年平均降雨量为1759毫米。水文方面，海南热带雨林国家公园境内水体属南海水系，该区域发育的山川小支流大部分汇入南渡江、万泉河、昌化江，仅吊罗山南面水系汇入陵水河注入南海以及尖峰岭西面和南面水系直接入海。图2海南省热带雨林国家公园空间范围2.2数据获取与预处理2.2.1数据获取本文的研究数据主要有2010-2020年海南省土地利用数据、海南省DEM、海南热带雨林国家公园矢量边界、海南热带雨林国家公园碳密度数据。其中，土地利用、DEM以及海南热带雨林国家公园矢量边界数据来源于中国科学院空天信息创新研究院和国家基础地理信息数据库，海南热带雨林国家公园碳密度数据库通过收集、整理相关文献资料[26]构建。数据详细信息如下表所示：表1研究数据详细信息数据名称数据来源空间分辨率坐标信息2010-2020年海南省土地利用数据中国科学院空天信息创新研究院30米WGS_84海南省DEM数据中国科学院空天信息创新研究院30米WGS_84海南热带雨林国家公园矢量边界数据国家基础地理信息数据库\CGCS2000_3_Degree_GK_CM_111E海南热带雨林国家公园碳库数据文献资料\\2.2.2数据预处理（1）碳密度数据碳密度数据库根据已公开发表论文和相关数据进行构建，在论文检索网站分别以“森林碳储量”和“地物碳密度”作为关键词进行论文检索，筛选文献中通过实地调查所获得碳密度数据。由于本文中海南省土地利用数据分类级别到达国标分类的第三级，在相关文献和数据库中暂未有对应的碳密度数据，故在本文的研究中对三级土地利用类型按照国家二级分类标准进行合并。按照InVEST模型计算方法对应的标准获取地上碳密度值、地下碳密度值、凋落物碳密度值和表层土壤有机物碳密度值，将获取得到的碳密度值保存为CSV数据，具体对应的碳密度数值如表2所示。表2海南热带雨林国家公园碳密度表lucodeLUCC_NameC_aboveC_belowC_soilC_dead10旱地20.5002010.9484111草地9.021638.782810.08992.1920灌溉农田20.9286010.9484052常绿阔叶林21.39484.271422.79577.85120灌木丛26.13245.31729.4942.31180湿地0000190不透水表面11.6046016.03880210水体0000（2）数据投影变换在InVEST模型中计算碳储量需要输入的数据集必须以线性单位投影进而计算土地利用数据的面积，需要将数据以统一的投影坐标系表示，以确保模型能够准确计算碳储量并提供可靠的结果。在本文中为了使不同数据来源的数据能够被InVEST模型所接受并正确处理，首先需要进行坐标转换操作。在ArcGIS中对所获取的数据进行了统一的坐标转换操作，将数据转换为投影坐标系确保数据的一致性和可比性。（3）栅格数据裁剪本文的研究区位于海南热带雨林国家公园，这个地区是热带雨林生态系统的重要代表，对于保护和管理具有重要意义。为了深入了解该地区土地利用的变化情况，需要获取2010年、2015年和2020年的海南省土地利用类型数据，并对这些数据进行掩膜操作，以提取出海南热带雨林国家公园在这三个年份的土地利用栅格数据。2.3InVEST模型在本文中使用InVEST（IntegratedValuationofEcosystemServicesandTradeoffs）模型计算海南热带雨林生态系统碳储量。InVEST3.14.1Workbench是一款由NaturalCapitalProject开发的已广泛应用于生态系统服务评估的开源软件，该软件提供了一系列模型，包括水资源服务、碳储量、海岸防护、生物多样性等模型，可以用于评估水资源、碳储量、海岸防护、生物多样性等生态系统服务的价值和分布。其中，InVEST模型基于是地理信息系统（GIS）和生态学原理，利用地形、土地利用和碳密度等数据，准确估算不同地区、不同管理情景下生态系统中的碳储量，并提供空间分布和变化信息。为生态系统碳储量管理和决策提供科学支持。陆地生态系统的碳储量主要由四个部分组成：地上生物碳、地下生物碳、土壤有机碳和死有机碳。地上生物碳包括植被的生物量，即所有活体植物储存的碳；地下生物碳指存在于植物根系中的碳储量；死有机碳是指凋零的植物中存储的碳；土壤有机碳则是指土壤中的有机碳储量。这些不同部分的碳储量共同构成了陆地生态系统的整体碳储量，对于生态系统的碳循环和碳管理具有重要意义。InVEST模型主要根据土地利用类型数据LULC（TheLand-Use/Land-Cover土地利用和土地覆盖）以及每种土地利用类型的碳密度，分别计算每种地类面积Si和对应植被的地上碳密度Ciabove、植被地下碳密度Cibelow、凋落物碳密度Cidead和表层土壤有机物碳密度Cisoli的乘积并求和，得到地上生物碳储量C（1）（2）（3）C（4）（5）式中Ai为对应植被用地类型的面积，单位为公顷ℎa，Cabove、Cbelow、Cdead和Csoil3结果与分析3.1海南热带雨林国家公园土地利用变化分析海南热带雨林国家公园作为海南省的重要保护区，其土地利用情况对于生态系统的可持续发展具有重要意义。本文利用ArcGIS软件，对海南省热带雨林国家公园三期土地利用数据2010年、2015年、2020年进行分析，得到不同时期各土地利用类型的面积大小及变化情况（图3、4、5）。图32010年土地利用空间分布图42015年土地利用空间分布图52020年土地利用空间分布近10年来，海南热带雨林国家公园土地利用类型主要以常绿阔叶林和灌木丛为主。常绿阔叶林主要分布在热带雨林公园的绝大部分区域，灌木丛则零星散布其中，集中分布在中北部地区。值得注意的是，灌溉农田面积有显著的减少趋势。2010-2015年，灌溉农田呈条带状分布在大广坝水库周围，至2020年，仅在水库东侧有零星分布，大部分农田都被水体覆盖。其余土地类型交错分布在热带雨林公园内。2010-2020年土地利用面积变化如表3和图6所示。表3海南热带雨林国家公园2010、2015、2020土地利用面积统计土地利用类型2010年（km²）2015年（km²）2020年（km²）旱地53.1744.2239.68草地4.314.524.98灌溉农田15.6015.217.90常绿阔叶林3041.703064.623073.74灌木丛1098.551085.071082.82湿地0.390.441.04不透水表面3水体55.3055.8860.18图6近15年海南热带雨林国家公园各类型土地面积变化图具体来看，由图6可知，2010-2020年，常绿阔叶林面积呈现上升趋势，增长了32.04km²，灌木丛面积则缓慢下降，湿地面积显著增加，增长了1.8倍。草地和不透水面的面积有小幅上涨，总体相对稳定。2015-2020年，灌溉农田的下降趋势与水体的上升趋势较为一致，其原因可能是海南热带雨林国家公园施行退耕还湖的政策，对当地的生态环境进行补偿。3.2海南热带雨林国家公园碳储量分析基于InVEST模型获得了2010、2015和2020年三个时间段的海南热带雨林国家公园碳存储量数据，并利用ArcGIS绘制了不同年份的碳储量分布图，具体展示在图7、图8和图9中。分析这些图表可以发现，在2010年至2020年期间，海南热带雨林国家公园的碳储量呈现持续增长的趋势，其中碳储量的最大值从571.6吨/公顷增加至615.5吨/公顷。整体来看，公园的碳储量相对较高，但在西北侧和东南侧的水体区域存在部分碳储量为零的情况，而碳储量较低的区域主要分布在公园外侧，尤其是湿地区域，而内部核心区域则具有较高的碳储量。随着时间的推移，碳储量的增加主要与常绿阔叶林面积增加密切相关。图72010年海南热带雨林国家公园碳储量分布图82015年海南热带雨林国家公园碳储量分布图92020年海南热带雨林国家公园碳储量分布图102010年海南热带雨林国家公园碳储量等级图图112015年海南热带雨林国家公园碳储量等级图图122020年海南热带雨林国家公园碳储量等级图本研究采用自然断点法对海南热带雨林国家公园的碳储量进行了细致的分级，将其划分为低、中、高三个不同的等级（图10、11、12），计算不同土地利用类型的碳储量等级面积占比，结果如图13所示。分析可知，超过93%的常绿阔叶林碳储量为高等级，旱地、灌溉农田、灌木丛及不透水表面均具有超过85%的面积碳储备能力达到了中等级，草地碳储备能力主要集中在高等级和中等级，各占草地总面积的58%和40%，水体的碳储备能力以低等级为主，水体低碳储量等级面积占到了水体总面积的88%。图132020年不同地类的碳储量等级占比4结论与讨论4.1结论本文基于InVEST模型，利用GIS空间分析技术对海南热带雨林国家公园碳储量进行了估算，得到结论如下：（1）2010-2020年，常绿阔叶林面积呈现上升趋势，增长了32.04km²，灌木丛面积则缓慢下降，湿地面积显著增加，增长了1.8倍。草地和不透水面的面积有小幅上涨，总体相对稳定。灌溉农田的下降趋势与水体的上升趋势较为一致。（2）碳储量估算的过程中，不同类型植被的碳密度差异性较大，海南热带雨林国家公园的碳储量主要集中分布于常绿阔叶林和周边地带，核心区域表现出较高的碳密度。不同植被类型和土壤特征导致不同区域的碳储量存在显著差异。这种空间分布格局反映了生态系统结构和功能的多样性，为生态环境保护和管理提供了重要参考。4.2不足与展望（1）空间分辨率不足。本文使用的是30m土地利用类型数据，如果能使用更高空间分辨率的数据，估算的碳储量可能更为精确。（2）时间尺度上的不足。本文仅利用2010、2015和2020三年的数据进行研究可能无法全面反映海南热带雨林国家公园长期的碳储量变化趋势，使用更长时间序列的数据可能会加深对海南热带雨林生态系统碳循环过程的理解。未来研究将进一步深化对海南热带雨林国家公园碳储量的空间分布规律和影响因素的探讨，结合更多环境要素如地形、水文等进行综合分析。同时，应加强对监测技术的改进与创新，提高估算精度和时空分辨率，以更全面、准确地反映碳储量的动态变化，为制定科学的生态保护政策提供更有力的支持。参考文献：[1]冯源,田宇,朱建华,肖文发,李奇.森林固碳释氧服务价值与异养呼吸损失量评估[J].生态学报,2020,40(14):5044-5054.[2]周自翔,李晶,冯雪铭.基于GIS的关中-天水经济区土地生态系统固碳释氧价值评价[J].生态学报,2013,33(9):2907-2918.[3]马长欣,刘建军,康博文,孙尚华,任军辉.1999—2003年陕西省森林生态系统固碳释氧服务功能价值评估[J].生态学报,2010,30(6):1412-1422.[4]邵壮,陈然,赵晶,夏楚瑜,何颖婷,唐丰芸.基于FLUS与InVEST模型的北京市生态系统碳储量时空演变与预测[J].生态学报,2022,42(23):9456-9469.[5]OCHOA-GOMEZJG,LLUCH-COTASE,RIVERA-MONROYVH,etal.MangrovewetlandproductivityandcarbonstocksinanaridzoneoftheGulfofCalifor-nia(LaPazBay,Mexico)[J].ForestEcologyandMan-agement,2019,442:135-147.[6]高述超,陈毅青,陈宗铸,雷金睿,吴庭天.海南岛森林生态系统碳储量及其空间分布特征.生态学报,2023,43(9):3558-3570.[7]杨明新,杨秀春,赵云,黄青东智,李成先,曹文强,陈昂,谷强,李泽宇,王守兴.黄河源园区高寒草地碳储量估算及其影响因素.生态学报,2023,43(9):3546-3557.[8]刘业轩,石晓丽,史文娇.福建省森林生态系统水源涵养服务评估:InVEST模型与meta分析对比[J].生态学报,2021,41(4):1349-1361.[9]任胤铭,刘小平,许晓聪,孙嵩松,赵林峰,梁迅,曾莉.基于FLUS-InVEST模型的京津冀多情景土地利用变化模拟及其对生态系统服务功能的影响[J].生态学报,2023,43(11):4473-4487.[10]魏培洁,吴明辉,贾映兰,高雅月,徐浩杰,刘章文,陈生云.基于InVEST模型的疏勒河上游产水量时空变化特征分析[J].生态学报,2022,42(15):6418-6429.[11]刘娇,郎学东,苏建荣,刘万德,刘华妍,田宇.基于InVEST模型的金沙江流域干热河谷区水源涵养功能评估[J].生态学报,2021,41(20):8099-8111.[12]黄木易,岳文泽,冯少茹,张嘉晖.基于InVEST模型的皖西大别山区生境质量时空演化及景观格局分析[J].生态学报,2020,40(9):2895-2906.[13]刘宥延,刘兴元,张博,李妙莹.基于InVEST模型的黄土高原丘陵区水源涵养功能空间特征分析[J].生态学报,2020,40(17):6161-6170.[14]DONATODC,KAUFFMANJB,MURDIYARSOD,etal.Mangrovesamongthemostcarbon-richforestsinthetropics[J].Nature