土地利用碳排放核算系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊緒紅，金曉斌，劉 晶，顧錚鳴，周寅康

(1. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210023; 2. 國土資源部海岸帶開發(fā)與保護重點實驗室, 江蘇 南京 210023)

人類土地利用活動顯著影響了區(qū)域乃至全球尺度的碳排放效應(yīng)，隨著人口不斷膨脹和科學(xué)技術(shù)不斷進步，這種影響愈加明顯。工業(yè)革命以來，全球42%～68%的土地覆備受人類土地利用活動影響，而由土地利用/覆被變化(LUCC)導(dǎo)致的全球碳排放高達177 Pg，除化石燃料燃燒和水泥生產(chǎn)產(chǎn)生大量碳排放外，人類的LUCC活動業(yè)已成為引起陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化的重要因子，其影響遠遠超過了自然變化影響的速率和程度[1]。因此，采用科學(xué)的模型或方法準確評估人類活動引起的LUCC所導(dǎo)致的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支變化，將有助于降低陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量估算的不確定性。同時，在全球變暖的大背景下，科學(xué)估算、預(yù)測、分析土地利用導(dǎo)致的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化，為應(yīng)對國際氣候變化談判、分擔(dān)氣候變化責(zé)任提供數(shù)據(jù)支持方面具有重大現(xiàn)實需求。

土地利用碳排放核算方法研究涉及多學(xué)科交叉，核算過程復(fù)雜、參數(shù)眾多。國內(nèi)外學(xué)者對土地利用碳收支核算開發(fā)了如排放清單法[2]、樣地清查法[3]、生態(tài)系統(tǒng)過程模型[4]、遙感估算模型[5]和計數(shù)統(tǒng)計法[6]等模型算法和核算系統(tǒng)[7]，并從全球[8]、洲際[9]、國家[2,10]和區(qū)域[11]及城市[12-13]等不同時空維度對LUCC碳收支進行了核算。其中，作為計數(shù)統(tǒng)計法中的優(yōu)良算法，簿記模型(bookkeeping)因其設(shè)計了反映土地利用活動導(dǎo)致的土壤和植被生態(tài)系統(tǒng)變化過程的干擾響應(yīng)曲線，較為客觀地再現(xiàn)了土壤碳庫和植被碳庫的變化過程，成為眾多國外科學(xué)研究的首選核算模型，其模型核算結(jié)果被IPCC報告多次引用[6]。但由于該算法的參數(shù)眾多、算法復(fù)雜限制了簿記模型廣泛應(yīng)用于國內(nèi)土地利用的碳排放效應(yīng)研究。

鑒于此，針對土地利用/覆被變化的碳排放效應(yīng)分析之應(yīng)用需求，本文擬選擇簿記模型基本原型作為模型的核心算法，構(gòu)建一套包含土地開墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)4種情景在內(nèi)的土地利用碳排放核算系統(tǒng)。希冀進一步簡化模型的運算過程、量化核心算法和推廣模型的實際應(yīng)用。

1 系統(tǒng)算法原理

1.1 簿記模型簡介

簿記模型是由Houghton等建立的用于核算陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣碳素交換從“搖籃”到“墳?zāi)埂比^程的碳收支模型，經(jīng)筆者不斷地對模型進行修正和完善，該模型被廣泛應(yīng)用于赤道、美國、中國及其他亞洲國家和地區(qū)土地利用/土地覆被變化引起的碳源、碳匯的動態(tài)特征研究[6,14-15]。簿記模型是一類靜態(tài)的記賬模型，其原理是以年為時間步長，逐年記錄由土地利用/覆被變化引起的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量年凈增量。模型在計數(shù)原理的基礎(chǔ)上設(shè)計了反映生態(tài)過程的干擾響應(yīng)曲線(如圖1所示)。干擾響應(yīng)曲線考慮了單位土地面積上植被和土壤的全部碳儲量，并強調(diào)了生物體腐爛、氧化導(dǎo)致的碳釋放及不同產(chǎn)品氧化速率的差異[15]。在計算時，模型需要輸入兩類數(shù)據(jù)：一是年度土地利用/土地覆被變化數(shù)據(jù)；二是因土地利用和管理方式不同引起的碳密度變化數(shù)據(jù)。

圖1 森林收獲(a)和開墾(b)后單位面積植被和土壤碳密度理想化響應(yīng)曲線注：據(jù)文獻[6]成果轉(zhuǎn)繪。

1.2 簿記模型算法

基于土地利用/土地覆被變化率、植被和土壤碳密度變化率，以年為步長，逐年累加土地利用/覆被變化引起的植被和土壤碳儲量的年凈變化量即可評估陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和碳排放量[1]。碳凈變量ΔC可表達為

(1)

式中，N為研究年限；T為碳密度到達穩(wěn)定時所需時間；ΔSOCt、ΔVCt分別為第t年土壤和植被的碳儲量年凈增量，定義正號為碳匯，負號為碳源。

1.2.1 第t年土壤碳儲量年凈增量求取

研究時段內(nèi)第t年土地利用/覆被變化引起的土壤碳儲年凈增量變化ΔSOCt由兩部分組成：一是地表原生植被移除后遺留下來的枯枝落葉和地下根系經(jīng)過腐爛后進入土壤，增加土壤有機碳含量；二是由于地表植被移除后，人為的翻耕、攪拌和填埋等干擾活動造成土壤的團聚體結(jié)構(gòu)、溫度、濕度等理化屬性發(fā)生變化而導(dǎo)致土壤有機碳庫大量被釋放，土壤碳儲年凈增量變化ΔSOCt可表達為

(2)

式中，i、j和z分別為土地覆被類型和類型總數(shù)；n為第n年，且0≤n≤t；Ai,j,n為第n年土地覆被類型i向j轉(zhuǎn)換的面積；mi為土地覆被類型i的植被碳密度；a為遺留下來的枯枝落葉在x1年腐爛速率下的植被碳占總碳儲量百分比；Si,j,t為土地覆被類型i向j轉(zhuǎn)換后在第t年的土壤碳密度變化速率，其計算方法為

Si,j,t=(Si,j,t2-Si,j,t1)/(t2-t1)

(3)

式中，Si,j,t2、Si,j,t1分別為土地覆被類型i向j轉(zhuǎn)換后在t2和t1兩個不同生長或恢復(fù)時段內(nèi)的土壤碳密度，且有t1≤t≤t2。

1.2.2 第t年植被碳儲量年凈增量求取

研究時段內(nèi)第t年土地利用/覆被變化引起的植被碳儲年凈增量變化ΔVCt由3部分組成：一是地表原生植被移除后自然恢復(fù)的或人工種植的植被帶來的植被有機碳增量；二是地表植被生物質(zhì)移走后用作不同用途而逐年氧化釋放出植被有機碳儲量；三是遺留在地表的枯枝落葉和地下的根系逐年腐爛后釋放植被碳庫進入土壤。植被碳儲年凈增量變化ΔVCt可表達為

ΔVCt=ΔVCt原地-ΔVCt移走-ΔVCt遺留

(4)

式中，ΔVCt原地、ΔVCt移走和ΔVCt遺留分別為第t年原地植被恢復(fù)、移走原地植被和遺留原地植被的碳凈變化量，各部分的計算方法分別為

(5)

式中，Ai,j,n為第n年土地覆被類型i向j轉(zhuǎn)換的面積；Vi,j,t為土地覆被類型i向j轉(zhuǎn)換后在第t年的植被碳密度變化速率，求法為

Vi,j,t=(Vi,j,t2-Vi,j,t1)/(t2-t1)

(6)

式中,Vi,j,t2、Vi,j,t1分別為土地覆被類型i向j轉(zhuǎn)換后在t2和t1兩個不同生長或恢復(fù)時段內(nèi)的植被碳密度，且有t1≤t≤t2。

(7)

式中,n為第n年，且0≤n≤t；Ai,j,n為第n年土地覆被類型i向j轉(zhuǎn)換的面積；mi為土地覆被類型i的植被碳密度；b、c和d分別為不同x2、x3和x4年氧化速率下的植被碳占植被總碳儲量的百分比。

(8)

式中，Ai,j,n為第n年土地覆被類型i向j轉(zhuǎn)換的面積；a為遺留下來的枯枝落葉在x1年腐爛速率下的植被碳占植被總碳儲量百分比。

考慮到地表原生植被清除后，種植的農(nóng)作物為一年一熟或一年多熟，農(nóng)作物以糧食形式固定的碳素通過食物鏈最終又釋放到大氣碳庫中，故不再考慮地表原生植被清除后原地農(nóng)作物植被恢復(fù)所增加的植被碳庫，即不需核算土地開墾后原地農(nóng)作物種植(ΔVCt原地)對植被碳庫的增量。此外，由于遺留在地表的枯枝落葉和地下的根系逐年腐爛后釋放植被碳庫進入土壤，增加土壤有機碳庫儲量，這部分碳在碳庫中并未消失，只是從植物生物體內(nèi)轉(zhuǎn)入土壤圈中，故在植被碳儲量變化估算中不需核算遺留原地植被的碳庫總量(ΔVCt遺留)。森林收獲造成的植被和土壤碳排放核算方法與土地開墾相同，而土地棄墾(退耕)和森林恢復(fù)即為上述方法的逆變過程。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與模塊

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

結(jié)合簿記模型計算原理、用戶需求和保障系統(tǒng)的可擴展性，土地利用碳排放核算系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)體系采用傳統(tǒng)的三級架構(gòu)，即數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和表示層，整體邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，數(shù)據(jù)層存儲著土地利用碳排放核算相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；應(yīng)用層實現(xiàn)了系統(tǒng)的各種功能，集成了土地利用碳排放核算所需的模型、方法、功能和通信規(guī)則，通過調(diào)用數(shù)據(jù)層的輸入數(shù)據(jù)實現(xiàn)相應(yīng)功能并輸出對應(yīng)的估算結(jié)果；表示層相當(dāng)于一個可視化環(huán)境，實現(xiàn)土地利用碳排放估算模塊各種輸出數(shù)據(jù)的可視化輸出。

2.2 系統(tǒng)功能模塊

為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、層次清晰和功能獨立，并具有較強的兼容性和開發(fā)性，將碳排放核算系統(tǒng)劃分為4個功能模塊，分別是數(shù)據(jù)管理模塊、時點管理模塊、土地開墾/退耕碳排放核算模塊、森林收獲/恢復(fù)碳排放核算模塊，各模塊間通過數(shù)據(jù)流和通信規(guī)則實現(xiàn)彼此間的有機聯(lián)系。功能模塊具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊為系統(tǒng)核算土地利用導(dǎo)致的土壤和植被碳排放提供數(shù)據(jù)和方法管理功能，主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、查詢、修改、刪除、導(dǎo)出和分析及模型方法更新等功能，分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、響應(yīng)曲線庫、模型方法庫和成果數(shù)據(jù)庫。4個部分的主要功能如下：

(1) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫提供核算區(qū)域逐個核算時點內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的變化類型和規(guī)模，包括土地開墾、土地退耕、森林收獲、森林恢復(fù)導(dǎo)致的各類生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模變化。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

圖3 系統(tǒng)功能模塊

(2) 響應(yīng)曲線庫：響應(yīng)曲線庫是專題管理土地開墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)導(dǎo)致的土壤和植被碳密度參數(shù)，以及土壤和植被在清理期和恢復(fù)期的各類干擾響應(yīng)曲線參數(shù)。其中，土地開墾/退耕部分包含3類16個參數(shù)，森林收獲/恢復(fù)部分包含3類15個參數(shù)，用戶可自行設(shè)計也可選擇系統(tǒng)自帶的默認參數(shù)。核算參數(shù)詳見表1。

(3) 模型方法庫：模型方法庫存儲了土地開墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)導(dǎo)致的土壤和植被碳排放的核算模型方法，集成了8套核心方法代碼。模型方法庫設(shè)有模型拓展接口，可以對模型進行增加、修改和刪除操作，以及調(diào)整模型的部分參數(shù)設(shè)置。

(4) 成果數(shù)據(jù)庫：成果數(shù)據(jù)庫是存儲、管理并能夠可視化土地開墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)系列核算成果的數(shù)據(jù)庫，包括土壤碳排放、植被碳排放和土地利用總碳排放等表格；成果數(shù)據(jù)庫可進一步通過外部軟件和程序進行時空分析、可視化制圖等操作。

表1 干擾響應(yīng)曲線參數(shù)

2.2.2 時點管理模塊

時點管理模塊是對土地利用碳排放系統(tǒng)的起算時點、中間時點和終止時點進行管理的功能模塊，包括估算時點的增減和修改。時點管理模塊主要是控制核算區(qū)域內(nèi)估算時點的數(shù)量和各個時點的年份，通過時點年份和數(shù)量可匹配核算區(qū)域從起算時點至終止時點內(nèi)逐年的土壤和植被碳排放凈變化量。

2.2.3 土地開墾/退耕碳排放核算模塊

土地開墾核算模塊是用于核算人類通過土地利用活動開墾森林、灌叢、草地、沼澤、荒漠、水體、灘涂等不同生態(tài)系統(tǒng)后，所導(dǎo)致的不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫、植被碳庫的碳儲量變化；相反，土地退耕核算模塊是用于核算人類開墾的耕地由于退耕后轉(zhuǎn)變?yōu)樯帧⒐鄥病⒉莸亍⒄訚伞⒒哪⑺w、灘涂等不同生態(tài)系統(tǒng)后，所帶來的不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫、植被碳庫的碳儲量變化。土地開墾/退耕碳排放核算模塊以地理或行政區(qū)域為核算基本單元，設(shè)計逐年并行核算多個區(qū)域土地開墾/退耕活動導(dǎo)致的土壤和植被碳排放。

2.2.4 森林收獲/恢復(fù)碳排放核算模塊

森林收獲核算模塊是用于核算人類砍伐森林、收獲林木有機質(zhì)和生物量等活動造成森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫、植被碳庫的碳儲量變化。森林恢復(fù)核算模塊是用于核算森林砍伐后，人類在原地人工造林或原地自然恢復(fù)所引起的森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫、植被碳庫的碳儲量變化。森林收獲/恢復(fù)碳排放核算模塊以地理或行政區(qū)域為核算基本單元，設(shè)計了并行同步核算功能，即可同時逐年并行核算多個區(qū)域森林收獲或恢復(fù)活動導(dǎo)致的土壤和植被碳排放。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與界面

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于插件式開發(fā)框架，系統(tǒng)以C#作為開發(fā)語言，采用Spring.NET技術(shù)，封裝ADO.NET，實現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)查詢和操作。依據(jù)系統(tǒng)需求，采用.NET開發(fā)技術(shù)，讀取數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)土地利用排放核算相關(guān)業(yè)務(wù)算法的封裝，供表層展示計算結(jié)果。基于.NET技術(shù)，以“平臺+插件”的設(shè)計開發(fā)思想，即通過定義平臺擴展接口和插件接口標(biāo)準，利用平臺接口實現(xiàn)平臺和插件的通信，插件可以獲取平臺各種數(shù)據(jù)資源。同時使用系統(tǒng)日志模塊，記錄系統(tǒng)操作的相關(guān)日志信息。

3.2 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)界面主要包括了菜單工具欄、核算模塊欄、估算時點欄、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入欄、結(jié)果輸出欄和計算觸發(fā)欄。其中，菜單工具欄內(nèi)包含土地開墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)碳排放的激發(fā)菜單，以及系統(tǒng)幫助信息和退出系統(tǒng)等菜單；核算模塊欄內(nèi)嵌了土地開墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)碳排放4個模塊的參數(shù)設(shè)置和模型方法，激發(fā)后將進入相應(yīng)的碳排放核算模塊；估算時點欄用于接收對應(yīng)估算區(qū)域的估算時點數(shù)量和時段參數(shù)；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入欄包括了土地利用年度變化數(shù)據(jù)和干擾響應(yīng)曲線兩項參數(shù)，前者為土地開墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)的年均變化面積，后者為對應(yīng)地類的干擾響應(yīng)曲線參數(shù)，土地開墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)的干擾響應(yīng)曲線參數(shù)分別包含16和15個參數(shù)，用戶可自行設(shè)計亦可選擇系統(tǒng)自帶的默認參數(shù)。結(jié)果輸出欄用于接收土地開墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)導(dǎo)致的土壤和植被排放核算結(jié)果，輸出結(jié)果可用TXT或CSV文件格式予以存儲；計算觸發(fā)欄用于激發(fā)對應(yīng)模塊的土壤和植被碳排放核算。

4 結(jié) 語

針對土地利用/覆被變化的碳排放效應(yīng)分析的應(yīng)用需求，本文選擇簿記模型基本原型作為模型的核心算法，構(gòu)建了一套包含土地開墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)4種情景在內(nèi)的土地利用碳排放核算系統(tǒng)。構(gòu)建的系統(tǒng)具有以下特點：①以地理區(qū)域為核算基本單元，逐年并行核算多個區(qū)域土地利用活動導(dǎo)致的土壤和植被碳排放，提高了碳排放估算的效率和精度；②將復(fù)雜的碳排放核算模型算法封裝于系統(tǒng)內(nèi)，模型應(yīng)用人員只需配置相應(yīng)參數(shù)或利用系統(tǒng)默認參數(shù)即可參與運算，節(jié)省了寶貴的科研時間；③系統(tǒng)界面簡潔明了、輸入?yún)?shù)少、操作簡便。