基于MODIS遙感數(shù)據(jù)的海南島橡膠林碳密度空間分布研究

劉少軍等

摘 要 天然橡膠林作為經(jīng)濟(jì)林在海南森林碳匯中占有很大的比例，具有較大的碳匯價(jià)值，準(zhǔn)確的獲取橡膠林碳密度空間分布信息對(duì)開(kāi)展橡膠林碳匯功能進(jìn)行評(píng)價(jià)具有重要的意義。為了能在空間上體現(xiàn)同一區(qū)域不同地點(diǎn)橡膠碳密度的差異，在MODIS遙感數(shù)據(jù)和橡膠普查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用CASA模型和降尺度的方法，得到了海南島天然林橡膠碳密度空間分布圖。結(jié)果表明：該方法能在一定程度上體現(xiàn)出海南島天然橡膠林碳密度的空間分布，天然橡膠林碳密度高值區(qū)分布在海南島的中部，平均碳密度在25～33 t/hm2之間，而低值區(qū)域分布在海南島北部，平均碳密度小于20 t/hm2。

關(guān)鍵詞 橡膠林；碳密度；海南島

中圖分類號(hào) Q948 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Spatial Distribution of Carbon Sink Density of

Rubber Plant Based on MODIS

LIU Shaojun1，2， ZHANG Jinghong1，2， CHE Xiufen1， ZHANG Mingjie1， DU Hanhan1

1 Hainan Climate Center， Haikou， Hainan 570203， China

2 Key Laboratory of Meteorological Disaster Preventing and Reducing of South China Sea， Haikou， Hainan 570203， China

Abstract Natural rubber plant， as one of the important economic forests in Hainan Island， is of larger value of carbon sink. It is important to get the carbon sink spatial distribution to evaluate the development of rubber carbon sink function. The traditional statistics data were collected by the administrative boundary as an unit， which can't show the difference of rubber carbon density in same area. Remote sensing and the 2011 Hainan rubber plant statistics data were combined to calculate the spatial distribution of the carbon sink. Mean monthly NPP were calculated by CASA model based on MODIS remote sensing data， and then the spatial carbon density of rubber plant were calculated by the downscaling method. The result showed that the method could be used to calculate the carbon density distribution of rubber plant， and found the high value area of carbon density distribution was located in central Hainan Island， and the average carbon density was between 25～33 t/hm2， while the low value area was located in northern Hainan Island and the average carbon density was less than 20 t/hm2。

Key words Natural rbber plant； Carbon sink density； Hainan Island

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.01.032

海南島作為我國(guó)熱帶森林的代表性地區(qū)，碳匯作用顯著。其中，熱帶林和經(jīng)濟(jì)林是海南島森林碳儲(chǔ)量的主體組成部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)兩者森林碳儲(chǔ)量占整個(gè)海南島總碳儲(chǔ)量的80%～90%[1]。而在經(jīng)濟(jì)林中，橡膠林是最重要的一種人工經(jīng)濟(jì)林，具有較大的碳匯價(jià)值[2]。在森林碳匯計(jì)算方面，森林碳匯估算方法具有一定適用性的同時(shí)也都存在著各自的局限性，最為廣泛的有3種方法：（1）樣地清查法；（2）渦度相關(guān)法；（3）基于遙感的模型模擬法[3]。如在樣地清查法方面：方精云等[4-8]提出了換算因子（BEF）與林分材積（x）的倒數(shù)函數(shù)關(guān)系，建立換算因子連續(xù)函數(shù)法；隨后，相關(guān)的學(xué)者大都采用該方法進(jìn)行森林碳匯的估算工作：如閆學(xué)金等[9]利用該方法對(duì)海南2008年森林碳匯量進(jìn)行了估算；王銳等[10]對(duì)重慶市渝北區(qū)森林碳匯量估算；董方曉等[11]對(duì)遼寧省森林碳匯量的估算。渦度相關(guān)法是利用渦度通量塔等進(jìn)行觀測(cè)，該方法是目前公認(rèn)的測(cè)量地-氣交換最好的方法之一，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[3]，全球通量網(wǎng)絡(luò)（FLUXNET）內(nèi)的大部分的研究小組主要利用渦度相關(guān)技術(shù)測(cè)定陸地生態(tài)系統(tǒng)各種植被與大氣間CO2、H2O和能量通量等。如謝五三等[12]對(duì)渦度相關(guān)法觀測(cè)的淮河流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)通量進(jìn)行了分析；吳志祥等[13]利用渦度通量塔測(cè)定了橡膠林生態(tài)系統(tǒng)的CO2通量，并進(jìn)行了初步分析；朱治林[14]開(kāi)展了非平坦下墊面禍度相關(guān)通量的校正方法研究；溫學(xué)發(fā)等[15]分析了渦度相關(guān)技術(shù)估算的植被/大氣間凈CO2交換量中的不確定性。應(yīng)用遙感的模型模擬法，在模型、尺度轉(zhuǎn)換問(wèn)題等方面面臨著需要改進(jìn)的難題。在模型方面：馬曉哲等[16]在荷蘭瓦格寧根大學(xué)開(kāi)發(fā)的CO2 FIX模型的基礎(chǔ)上，對(duì)中國(guó)各省市自治區(qū)（除臺(tái)灣省）的森林碳匯量進(jìn)行估計(jì)；湯潔等[17]利用CASA 模型計(jì)算了吉林西部植被凈初級(jí)生產(chǎn)力和估測(cè)吉林西部植被碳匯量；在降尺度方面：Kindermann等[18]采用降尺度方法繪制了全球森林碳分布圖；劉雙娜等[19]基于遙感降尺度估算中國(guó)森林生物量的空間分布；戴銘等[20]基于森林詳查與遙感數(shù)據(jù)降尺度技術(shù)估算中國(guó)林齡的空間分布；張茂震等[21]根據(jù)浙江臨安市森林資源清查樣地?cái)?shù)據(jù)和同年度TM影像數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬和尺度轉(zhuǎn)換，進(jìn)行了森林碳制圖。

海南島是我國(guó)的主要天然橡膠主產(chǎn)區(qū)之一，在橡膠林作為熱帶地區(qū)一種重要人工經(jīng)濟(jì)林，由于傳統(tǒng)普查數(shù)據(jù)以行政邊界為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不能很好體現(xiàn)同一區(qū)域不同地點(diǎn)橡膠碳密度的差異。而遙感數(shù)據(jù)能在空間上較好體現(xiàn)橡膠的空間分布信息，但在存在不確定性等因素的制約，而不能直接用于碳密度的估算，因此采用遙感與天然橡膠普查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式，采用降尺度的方法計(jì)算海南島橡膠林碳空間分布，空間分辨率達(dá)到250 m×250 m，為管理決策者詳細(xì)了解海南島橡膠林碳密度的空間分布的差異提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

2011年海南島MODIS遙感數(shù)據(jù)集、TM遙感數(shù)據(jù)提取海南天然橡膠空間分布圖（具體方法參考文獻(xiàn)[22-23]）、2011年海南島氣象數(shù)據(jù)，包括溫度、輻射、降水、蒸散量等（來(lái)源：海南省氣象局）、DEM數(shù)據(jù)（來(lái)源：http：//srtm.csi.cgiar.org）、2011年海南天然橡膠普查數(shù)據(jù)。

1.2 方法

采用換算因子連續(xù)函數(shù)法進(jìn)行橡膠碳密度的估算、利用光能利用率模型（Carnegie-Ames-Stanford Approach，CASA）進(jìn)行2011年天然橡膠NPP均值的計(jì)算；空間降尺度技術(shù)實(shí)現(xiàn)天然碳密度分布。具體技術(shù)流程見(jiàn)圖1。

1.2.1 天然橡膠碳密度的估算 采用的方法是通過(guò)林木蓄積來(lái)估算生物量，然后根據(jù)生物量計(jì)算碳儲(chǔ)量，最后根據(jù)林地面積計(jì)算碳匯密度。①天然橡膠生物量估算：借鑒方精云等[8]的研究成果：生物量是換算因子BEF與該森林類型蓄積的乘積，推出的生物量的計(jì)算公式（公式1）。根據(jù)海南天然橡膠的特點(diǎn)，參照相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]，確定了海南天然橡膠具體換算因子，根據(jù)公式（2）估算海南島各市縣的天然橡膠生物總量。②天然橡膠碳儲(chǔ)量估算：?jiǎn)挝簧锪康暮剂糠Q為碳儲(chǔ)量的轉(zhuǎn)換系數(shù)，而天然橡膠碳儲(chǔ)量即等于生物量與轉(zhuǎn)換系數(shù)的乘積，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1，9]，取轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.45。③利用碳密度=碳儲(chǔ)總量/面積，計(jì)算海南島各市縣的天然橡膠碳密度值。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)2011年海南天然橡膠普查數(shù)據(jù)，首先以市縣為單位分別計(jì)算天然橡膠碳密度；再結(jié)合TM遙感提取的橡膠分布圖及利用光能利用率模型（Carnegie-Ames-Stanford Approach，CASA）計(jì)算的全島植被NPP均值圖，提取海南島天然橡膠的NPP分布圖；然后采用空間降尺度技術(shù)實(shí)現(xiàn)天然碳密度分布，利用公式（10），計(jì)算得到2011年海南島天然橡膠平均碳密的空間分布（圖3），空間分辨率為250 m×250 m。從天然橡膠不同碳密度所占面積的分配比例來(lái)看，碳密度小于20 t/hm2的面積所占比例為16.8%；碳密度在20～25 t/hm2之間所占的比例為57.1%；碳密度在25～33 t/hm2之間所占的比例為26.1%。同時(shí)，從圖中可以看出，2011年海南島天然橡膠碳密度的高值區(qū)域分布在五指山、白沙、瓊中、保亭等中部山區(qū)和樂(lè)東的西部，平均碳密度在25～33 t/hm2之間；儋州、屯昌、瓊海的西部的碳密度次高、天然橡膠碳平均密度在20～25 t/hm2之間；碳平均密度低值區(qū)主要分布在海南島的北部，平均碳密度小于20 t/hm2。

3 討論與結(jié)論

3.1 結(jié)論

凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP是研究森林植被碳密度的基礎(chǔ)，本文在2011年橡膠林普查數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)反演的NPP的基礎(chǔ)上，利用降尺度的方法，重現(xiàn)了海南島2011年天然橡膠碳密度空間分布格局。主要結(jié)論如下：

（1）建立了一套利用遙感數(shù)據(jù)提取海南島橡膠林碳密度空間分布的技術(shù)方法。該方法涉及到多個(gè)環(huán)節(jié)，但主要包括3個(gè)方面的內(nèi)容：①利用普查的數(shù)據(jù)計(jì)算各市縣的天然橡膠碳密度，這一步僅能給出以行政邊界為單位碳密度值，不能分解到空間格點(diǎn)上；②利用光能利用率模型（CASA）計(jì)算天然橡膠NPP均值，模型必須保證植被吸收的光合有效輻射（APAR）和光能轉(zhuǎn)化率（ε）兩個(gè)變量的準(zhǔn)確性；③在此基礎(chǔ)上，利用降尺度技術(shù)將以市縣行政邊界為單位計(jì)算的碳密度轉(zhuǎn)換到空間網(wǎng)格上。

（2）海南島天然橡膠碳密度空間分布上存在明顯差異，總體上海南島的中部碳密度高，而北部低。導(dǎo)致這種差異可能存在如下幾個(gè)方面的原因：①橡膠林齡的差異：橡膠林的碳儲(chǔ)量隨林齡的增長(zhǎng)而迅速增長(zhǎng)，不同林齡橡膠林間碳匯存在較大差異；②品種的差異：不同品種樹(shù)木蓄積量有所不同；③經(jīng)營(yíng)管理和栽培技術(shù)的差異；④膠園規(guī)模等[27]。

3.2 討論

本文僅從宏觀角度給出了海南島天然橡膠碳密度的分布現(xiàn)狀，關(guān)于不同的橡膠園具體是哪些因素導(dǎo)致碳密度分布差異，需要根據(jù)實(shí)際進(jìn)行近一步的調(diào)查分析。

雖然通過(guò)降尺度技術(shù)得到了海南島天然橡膠碳密度的空間分布差異，但由于該計(jì)算方法涉及到模型的反演、橡膠碳密度的估算、TM遙感數(shù)據(jù)提取天然橡膠空間分布、太陽(yáng)總輻射的推算等眾多的因素的影響，與實(shí)際計(jì)算的結(jié)果難免存在一定的誤差。

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