山岳型國家公園生態系統碳儲量時空分布分析

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，影響人類命運的先驅領域，科學地研究武夷山國家公園碳儲量的時空變化特征，為今后制定更為合理的生態管理方案提供參考。【方法／過程】基于InVEST模型，選用文獻檢索法收集不同類型碳密度數據，對武夷山國家公園碳儲量在時間和空間兩個維度上進行分析?！窘Y果／結論】結果顯示：（1）武夷山國家公園林地地類是該區域主導的用地類型，草地和農田位居第二、第三位；（2）武夷山國家公園總碳儲量呈現“先減后增，U型變化”，碳儲量高值區和林地地類范圍重合；（3）土壤碳儲量是生態系統碳儲量的主要構成要素，占比突出。

關鍵詞：武夷山國家公園；生態系統服務；碳儲量；InVEST模型

中圖分類號：F327；S718.5 文獻標志碼：A 文章編號：16735617 （2023） 01-007207

氣候變化問題席卷了全球各個國家和地區，國家公園等自然保護地為氣候變化應對的先行者[1]。截至2022年，全球已有30多個國家和地區達成共識，制定了節能減排的低碳計劃[2]。中國也肩負起自己作為發展中國家的責任．積極采取應對措施，頒布了《國家適應氣候變化戰略》[3]，2020年提出了“碳達峰，碳中和”的目標，碳排放問題引起了廣泛的關注。在此背景下，中國公布了第一批國家公園名單，國家公園的建設主要是為了“公眾利益”和“國家利益”[4]，其具有良好的生態環境與豐富的野生動植物資源，生境質量優越，同時具有極高的碳匯價值，是應對氣候變化，影響人類命運的先驅領域。山岳型生態系統的變遷必然引起地區乃至全球生態環境的改變，對人類的生存和發展構成巨大的威脅[5-7]。因此研究山岳型國家公園碳儲量與用地類型變化之間的關系及其空間分布特征，對維持區域碳循環的平衡與穩定具有重要意義。

碳儲量是反映陸地生態系統服務供給水平，調節氣候變化的重要指標[8]，是近期生態系統服務研究的熱點[9]。陸地自然植被具有強大的固碳能力，植被固碳還能產生水源涵養、水土保持等其他生態效益[10]?，F已有大量研究基于通量觀測、野外調查和統計數據分析等方法計算碳儲量[11]。傳統的碳儲量估算方法，往往需要人工去實地調研測算，面臨著采樣周期長、在大尺度研究中操作難度大，工作機制冗贅，可視化程度低，結果不夠準確的問題。遙感和模型法有多種模型模擬碳儲量分布，都存在數據復雜，操作難度大的問題。目前，眾多學者研究如劉冠等[12]、Rukundo等[13]、鄧喆等[14]引入InvEST模型Carbon模塊模擬陸地生態系統碳儲量的變化取得諸多成果，表明該模型具有操作簡便、運行速度快和精度高的優點，可以實現碳儲量動態模擬變化的可視化制圖。因此，在較大尺度研究中，與傳統的碳儲量估算方法相比，以InVEST模型法為主的碳儲量估算方法能靈活地反映出時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量之間關系的研究還尚待補充。武夷山國家公園是全球范圍內保存最完整、最具代表性的森林生態系統之一。區域內具有獨特的地形地貌、多樣的植物資源，逐步增強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質量。武夷山國家公園位于福建、江西兩省，與浙江相鄰，獨特的地理環境使得其在生態文明建設中具有重要的地位和作用。因此，本文選取2000、2005、2010、2015、2020年5個時間節點，在明確武夷山國家公園2000—2020年土地利用變化的基礎上，采用InvEST模型，結合ArcGIS進行可視化制圖，研究武夷山國家公園碳儲量時空分布特征，從而了解山岳型國家公園碳儲量的演進過程，以期為提升國家公園生態價值和制定減碳排政策提供科學的參考。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

武夷山國家公園位于閩贛交界處武夷山脈北段，地理坐標為東經E 117°24＇13〞～117°59＇19〞，總面積1001.41 knr2，地處武夷山市、建陽區、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，同時也是我國東南部的野生動植物寶庫、生物多樣性優先保護區域之一，極具代表性和保護價值。

1.2 數據來源

1.2.1土地利用分類數據本文采用的2000-2020年間5個時間節點的武夷山國家公園土地利用數據來自于中國科學院資源與環境科學數據中心（http：//www.resde.cn/Default.aspx）提供的30m分辨率的柵格數據集。土地利用數據采用二級分類系統，共6個一級類，18個二級類。武夷山國家公園矢量數據來源于地理國情監測云平臺（ www．dsac．cn），地圖坐標統一為CGCS 2000。

1.2.2 碳密度數據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，土壤和死亡有機物等4個碳庫的碳密度情況進行測算。在一些文獻中，未對地上和地下根系碳密度進行進一步劃分，參照2006年IPCC規定，將根莖比設置為0.2[15-17]，然后再分別測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 生態系統碳儲量模型 本文采用InVEST模型Carbon模塊分析2000-2020年武夷山國家公園生態系統碳儲量變化情況。主要以當地土地利用分類為基礎，采用4個碳庫數據，即地上、地下根系、土壤和死亡有機物的碳密度情況。其碳儲量計算公式為：

其操作原理如下，使用InVEST模型的碳庫測算模塊，以ArcGIS柵格為基礎，繪制網格，每個網格數據代表一種土地利用／覆蓋類型。對于每一種土地利用／覆蓋類型，模型必須滿足以上4個碳庫的1個碳庫的碳儲量才能運行，并且更全面的碳庫類型和更精細的土地利用類型，模型測算的結果將會更加精確。因此，InVEST模型碳儲量評估模式所需的數據有：（l）土地利用／覆蓋類型柵格數據集；（2）每種土地利用／覆被類型都儲存的4個部分（地上、地下根系，土壤和死亡有機物）的碳密度數據。

2 結果與分析

2.1 武夷山國家公園土地利用分析結果

本研究以2000、2005、2010、2015及2020年5個時間節點的土地利用分類數據為分析依據，對武夷山國家公園在這5個時間節點的土地類型面積占比和空間分布進行模擬研究（表2，圖1）。從時間維度上看，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，穩步發展且面積分布比例為90.71%～90.77%，是該區域主導用地類型，其中有林地是武夷山國家公園內最主要的用地類型，在各個時間節點上，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系統碳儲量是武夷山國家公園碳儲量的絕對貢獻者。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定狀態，農田（水田、旱地）則微幅減少，其面積分布分別為該區域的第二、第三位，但是全局比重較低。水域和其他地類（城鎮、居民點）占比較低，微乎不計?？傮w看來，在5個時間節點中，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個時期，土地利用變化微乎不計。

2.2 武夷山國家公園生態系統碳儲量動態變化

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

2000-2020年，武夷山國家公園生態系統碳儲量呈現先減少后增加的趨勢，且出現最低值。2010年該區域的總碳儲量達到5個時間節點中的最低值，主要原因是土壤碳儲量下降數值較多，其余地上碳儲量、地下根系碳儲量、死亡有機物碳儲量都有所下降，但是下降幅度沒有土壤碳儲量大，2015年和2020年碳儲量逐年增加，慢慢回升，但是整體增長沒有達到2000年的水平。2015年與2010年相比，總碳儲量與各部分碳儲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系統碳儲量也沒有發生顛覆性改變，5個時間節點的碳儲量結果變化都極其微弱。武夷山國家公園生態系統碳儲量構成要素來看，土壤碳儲量占總碳儲量的79.089%- 79.118%，地上部分碳儲量占總碳儲量的比例為15.64%-- 15.65%，是該區域總碳儲量的主要構成要素。地下根系、死亡有機物碳儲量在總碳儲量的比例很小。從圖2中可以看出，碳儲量較高的區域和林地地類區域范圍重合，可見林地地類是武夷山國家公園生態系統碳儲量的主要用地類型，碳儲量空間分布和土地利用類型相符合，由于在政策規劃下武夷山國家公園土地利用類型變化較小，碳儲量空間分布變化幅度也較小。

3 結論與政策建議

3.1 結論

本文以武夷山國家公園為研究對象，借助InVEST模型，結合ArcGIS進行可視化分析，評估2000-2020年武夷山國家公園生態系統碳儲量變化及其時空變化特征。結論如下：（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%，是該區域主導用地類型，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，表明森林生態系統碳儲量是武夷山國家公園碳儲量的絕對貢獻者。草地（高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地）和農田（水田、旱地）面積占比為該區域第二、第三位，但是全局比重較低。水域和其他地類（城鎮、居民點）變化微乎其微。（2） 2000-2020年，武夷山國家公園生態系統碳儲量呈現“先減后增，U型變化”的趨勢。2010年是該區域20年來生態系統碳儲量的最低值，2015-2020年總碳儲量逐漸回升，變化幅度不大，沒有恢復到2000年狀態。（3）生態系統碳儲量的構成要素上看，各部分碳儲量數值中，土壤碳儲量和地上碳儲量是該區域總碳儲量的主要構成要素，土壤碳儲量占總碳儲量79.08-%- 79. 118%，其占比較為突出。地下根系、死亡有機物碳儲量在總碳儲量的比例很小。（4）從空間分布上看，碳儲量高值的區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，森林生態系統是武夷山國家公園碳儲量的關鍵區域。碳儲量的空間分布與土地利用類型相契合，在政策規劃下，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，面對保護地復雜的空間關系、管理關系、土地權屬復雜等問題，武夷山國家公園仍實行最嚴格的保護管理。結合《武夷山國家公園總體規劃及專項規劃（2017-2025年）》，提出以下幾點建議：（1）森林生態系統是武夷山國家公園碳固定最主要的類型。通過對林木的優化與保護，增加區域內中亞熱帶原生森林生態系統碳儲量功能。將核心保護區面積向外延伸，在一定程度上，提升生態環境質量，山水林田湖草生態系統良性循環，在固碳減排方面最大限度地發揮其生態效益。（2）可以通過退耕還林，適度增加樹齡結構等方式，合理調整用地類型，進一步加強科研監測體系，為管理、決策、服務提供科學依據。對國家公園內部的森林資源進行長期的保護和修復，營造適宜的野生動物保護環境，增加生態結構的穩定性。

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