土地利用碳排放核算系统设计与实现

杨绪红，金晓斌，刘 晶，顾铮鸣，周寅康

(1. 南京大学地理与海洋科学学院, 江苏 南京 210023; 2. 国土资源部海岸带开发与保护重点实验室, 江苏 南京 210023)

人类土地利用活动显著影响了区域乃至全球尺度的碳排放效应，随着人口不断膨胀和科学技术不断进步，这种影响愈加明显。工业革命以来，全球42%～68%的土地覆备受人类土地利用活动影响，而由土地利用/覆被变化(LUCC)导致的全球碳排放高达177 Pg，除化石燃料燃烧和水泥生产产生大量碳排放外，人类的LUCC活动业已成为引起陆地生态系统碳储量变化的重要因子，其影响远远超过了自然变化影响的速率和程度[1]。因此，采用科学的模型或方法准确评估人类活动引起的LUCC所导致的陆地生态系统碳收支变化，将有助于降低陆地生态系统碳储量估算的不确定性。同时，在全球变暖的大背景下，科学估算、预测、分析土地利用导致的陆地生态系统碳储量变化，为应对国际气候变化谈判、分担气候变化责任提供数据支持方面具有重大现实需求。

土地利用碳排放核算方法研究涉及多学科交叉，核算过程复杂、参数众多。国内外学者对土地利用碳收支核算开发了如排放清单法[2]、样地清查法[3]、生态系统过程模型[4]、遥感估算模型[5]和计数统计法[6]等模型算法和核算系统[7]，并从全球[8]、洲际[9]、国家[2,10]和区域[11]及城市[12-13]等不同时空维度对LUCC碳收支进行了核算。其中，作为计数统计法中的优良算法，簿记模型(bookkeeping)因其设计了反映土地利用活动导致的土壤和植被生态系统变化过程的干扰响应曲线，较为客观地再现了土壤碳库和植被碳库的变化过程，成为众多国外科学研究的首选核算模型，其模型核算结果被IPCC报告多次引用[6]。但由于该算法的参数众多、算法复杂限制了簿记模型广泛应用于国内土地利用的碳排放效应研究。

鉴于此，针对土地利用/覆被变化的碳排放效应分析之应用需求，本文拟选择簿记模型基本原型作为模型的核心算法，构建一套包含土地开垦/退耕、森林收获/恢复4种情景在内的土地利用碳排放核算系统。希冀进一步简化模型的运算过程、量化核心算法和推广模型的实际应用。

1 系统算法原理

1.1 簿记模型简介

簿记模型是由Houghton等建立的用于核算陆地生态系统与大气碳素交换从“摇篮”到“坟墓”全过程的碳收支模型，经笔者不断地对模型进行修正和完善，该模型被广泛应用于赤道、美国、中国及其他亚洲国家和地区土地利用/土地覆被变化引起的碳源、碳汇的动态特征研究[6,14-15]。簿记模型是一类静态的记账模型，其原理是以年为时间步长，逐年记录由土地利用/覆被变化引起的陆地生态系统碳储量年净增量。模型在计数原理的基础上设计了反映生态过程的干扰响应曲线(如图1所示)。干扰响应曲线考虑了单位土地面积上植被和土壤的全部碳储量，并强调了生物体腐烂、氧化导致的碳释放及不同产品氧化速率的差异[15]。在计算时，模型需要输入两类数据：一是年度土地利用/土地覆被变化数据；二是因土地利用和管理方式不同引起的碳密度变化数据。

图1 森林收获(a)和开垦(b)后单位面积植被和土壤碳密度理想化响应曲线注：据文献[6]成果转绘。

1.2 簿记模型算法

基于土地利用/土地覆被变化率、植被和土壤碳密度变化率，以年为步长，逐年累加土地利用/覆被变化引起的植被和土壤碳储量的年净变化量即可评估陆地生态系统碳储量和碳排放量[1]。碳净变量ΔC可表达为

(1)

式中，N为研究年限；T为碳密度到达稳定时所需时间；ΔSOCt、ΔVCt分别为第t年土壤和植被的碳储量年净增量，定义正号为碳汇，负号为碳源。

1.2.1 第t年土壤碳储量年净增量求取

研究时段内第t年土地利用/覆被变化引起的土壤碳储年净增量变化ΔSOCt由两部分组成：一是地表原生植被移除后遗留下来的枯枝落叶和地下根系经过腐烂后进入土壤，增加土壤有机碳含量；二是由于地表植被移除后，人为的翻耕、搅拌和填埋等干扰活动造成土壤的团聚体结构、温度、湿度等理化属性发生变化而导致土壤有机碳库大量被释放，土壤碳储年净增量变化ΔSOCt可表达为

(2)

式中，i、j和z分别为土地覆被类型和类型总数；n为第n年，且0≤n≤t；Ai,j,n为第n年土地覆被类型i向j转换的面积；mi为土地覆被类型i的植被碳密度；a为遗留下来的枯枝落叶在x1年腐烂速率下的植被碳占总碳储量百分比；Si,j,t为土地覆被类型i向j转换后在第t年的土壤碳密度变化速率，其计算方法为

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

(3)

式中，Si,j,t2、Si,j,t1分别为土地覆被类型i向j转换后在t2和t1两个不同生长或恢复时段内的土壤碳密度，且有t1≤t≤t2。

1.2.2 第t年植被碳储量年净增量求取

研究时段内第t年土地利用/覆被变化引起的植被碳储年净增量变化ΔVCt由3部分组成：一是地表原生植被移除后自然恢复的或人工种植的植被带来的植被有机碳增量；二是地表植被生物质移走后用作不同用途而逐年氧化释放出植被有机碳储量；三是遗留在地表的枯枝落叶和地下的根系逐年腐烂后释放植被碳库进入土壤。植被碳储年净增量变化ΔVCt可表达为

ΔVCt=ΔVCt原地-ΔVCt移走-ΔVCt遗留

(4)

式中，ΔVCt原地、ΔVCt移走和ΔVCt遗留分别为第t年原地植被恢复、移走原地植被和遗留原地植被的碳净变化量，各部分的计算方法分别为

(5)

式中，Ai,j,n为第n年土地覆被类型i向j转换的面积；Vi,j,t为土地覆被类型i向j转换后在第t年的植被碳密度变化速率，求法为

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

(6)

式中,Vi,j,t2、Vi,j,t1分别为土地覆被类型i向j转换后在t2和t1两个不同生长或恢复时段内的植被碳密度，且有t1≤t≤t2。

(7)

式中,n为第n年，且0≤n≤t；Ai,j,n为第n年土地覆被类型i向j转换的面积；mi为土地覆被类型i的植被碳密度；b、c和d分别为不同x2、x3和x4年氧化速率下的植被碳占植被总碳储量的百分比。

(8)

式中，Ai,j,n为第n年土地覆被类型i向j转换的面积；a为遗留下来的枯枝落叶在x1年腐烂速率下的植被碳占植被总碳储量百分比。

考虑到地表原生植被清除后，种植的农作物为一年一熟或一年多熟，农作物以粮食形式固定的碳素通过食物链最终又释放到大气碳库中，故不再考虑地表原生植被清除后原地农作物植被恢复所增加的植被碳库，即不需核算土地开垦后原地农作物种植(ΔVCt原地)对植被碳库的增量。此外，由于遗留在地表的枯枝落叶和地下的根系逐年腐烂后释放植被碳库进入土壤，增加土壤有机碳库储量，这部分碳在碳库中并未消失，只是从植物生物体内转入土壤圈中，故在植被碳储量变化估算中不需核算遗留原地植被的碳库总量(ΔVCt遗留)。森林收获造成的植被和土壤碳排放核算方法与土地开垦相同，而土地弃垦(退耕)和森林恢复即为上述方法的逆变过程。

2 系统架构与模块

2.1 系统总体架构

结合簿记模型计算原理、用户需求和保障系统的可扩展性，土地利用碳排放核算系统总体结构体系采用传统的三级架构，即数据层、应用层和表示层，整体逻辑结构如图2所示。其中，数据层存储着土地利用碳排放核算相关的基础数据；应用层实现了系统的各种功能，集成了土地利用碳排放核算所需的模型、方法、功能和通信规则，通过调用数据层的输入数据实现相应功能并输出对应的估算结果；表示层相当于一个可视化环境，实现土地利用碳排放估算模块各种输出数据的可视化输出。

2.2 系统功能模块

为使系统结构合理、层次清晰和功能独立，并具有较强的兼容性和开发性，将碳排放核算系统划分为4个功能模块，分别是数据管理模块、时点管理模块、土地开垦/退耕碳排放核算模块、森林收获/恢复碳排放核算模块，各模块间通过数据流和通信规则实现彼此间的有机联系。功能模块具体结构如图3所示。

2.2.1 数据管理模块

数据管理模块为系统核算土地利用导致的土壤和植被碳排放提供数据和方法管理功能，主要包括基础数据导入、查询、修改、删除、导出和分析及模型方法更新等功能，分为基础数据库、响应曲线库、模型方法库和成果数据库。4个部分的主要功能如下：

(1) 基础数据库：基础数据库提供核算区域逐个核算时点内生态系统的变化类型和规模，包括土地开垦、土地退耕、森林收获、森林恢复导致的各类生态系统的规模变化。

图2 系统总体架构设计

图3 系统功能模块

(2) 响应曲线库：响应曲线库是专题管理土地开垦/退耕、森林收获/恢复导致的土壤和植被碳密度参数，以及土壤和植被在清理期和恢复期的各类干扰响应曲线参数。其中，土地开垦/退耕部分包含3类16个参数，森林收获/恢复部分包含3类15个参数，用户可自行设计也可选择系统自带的默认参数。核算参数详见表1。

(3) 模型方法库：模型方法库存储了土地开垦/退耕、森林收获/恢复导致的土壤和植被碳排放的核算模型方法，集成了8套核心方法代码。模型方法库设有模型拓展接口，可以对模型进行增加、修改和删除操作，以及调整模型的部分参数设置。

(4) 成果数据库：成果数据库是存储、管理并能够可视化土地开垦/退耕、森林收获/恢复系列核算成果的数据库，包括土壤碳排放、植被碳排放和土地利用总碳排放等表格；成果数据库可进一步通过外部软件和程序进行时空分析、可视化制图等操作。

表1 干扰响应曲线参数

2.2.2 时点管理模块

时点管理模块是对土地利用碳排放系统的起算时点、中间时点和终止时点进行管理的功能模块，包括估算时点的增减和修改。时点管理模块主要是控制核算区域内估算时点的数量和各个时点的年份，通过时点年份和数量可匹配核算区域从起算时点至终止时点内逐年的土壤和植被碳排放净变化量。

2.2.3 土地开垦/退耕碳排放核算模块

土地开垦核算模块是用于核算人类通过土地利用活动开垦森林、灌丛、草地、沼泽、荒漠、水体、滩涂等不同生态系统后，所导致的不同生态系统的土壤碳库、植被碳库的碳储量变化；相反，土地退耕核算模块是用于核算人类开垦的耕地由于退耕后转变为森林、灌丛、草地、沼泽、荒漠、水体、滩涂等不同生态系统后，所带来的不同生态系统的土壤碳库、植被碳库的碳储量变化。土地开垦/退耕碳排放核算模块以地理或行政区域为核算基本单元，设计逐年并行核算多个区域土地开垦/退耕活动导致的土壤和植被碳排放。

2.2.4 森林收获/恢复碳排放核算模块

森林收获核算模块是用于核算人类砍伐森林、收获林木有机质和生物量等活动造成森林生态系统的土壤碳库、植被碳库的碳储量变化。森林恢复核算模块是用于核算森林砍伐后，人类在原地人工造林或原地自然恢复所引起的森林生态系统的土壤碳库、植被碳库的碳储量变化。森林收获/恢复碳排放核算模块以地理或行政区域为核算基本单元，设计了并行同步核算功能，即可同时逐年并行核算多个区域森林收获或恢复活动导致的土壤和植被碳排放。

3 系统实现与界面

3.1 系统实现

基于插件式开发框架，系统以C#作为开发语言，采用Spring.NET技术，封装ADO.NET，实现了高效的数据查询和操作。依据系统需求，采用.NET开发技术，读取数据层的数据，实现土地利用排放核算相关业务算法的封装，供表层展示计算结果。基于.NET技术，以“平台+插件”的设计开发思想，即通过定义平台扩展接口和插件接口标准，利用平台接口实现平台和插件的通信，插件可以获取平台各种数据资源。同时使用系统日志模块，记录系统操作的相关日志信息。

3.2 系统界面

系统界面主要包括了菜单工具栏、核算模块栏、估算时点栏、基础数据输入栏、结果输出栏和计算触发栏。其中，菜单工具栏内包含土地开垦/退耕、森林收获/恢复碳排放的激发菜单，以及系统帮助信息和退出系统等菜单；核算模块栏内嵌了土地开垦/退耕、森林收获/恢复碳排放4个模块的参数设置和模型方法，激发后将进入相应的碳排放核算模块；估算时点栏用于接收对应估算区域的估算时点数量和时段参数；基础数据输入栏包括了土地利用年度变化数据和干扰响应曲线两项参数，前者为土地开垦/退耕、森林收获/恢复的年均变化面积，后者为对应地类的干扰响应曲线参数，土地开垦/退耕、森林收获/恢复的干扰响应曲线参数分别包含16和15个参数，用户可自行设计亦可选择系统自带的默认参数。结果输出栏用于接收土地开垦/退耕、森林收获/恢复导致的土壤和植被排放核算结果，输出结果可用TXT或CSV文件格式予以存储；计算触发栏用于激发对应模块的土壤和植被碳排放核算。

4 结 语

针对土地利用/覆被变化的碳排放效应分析的应用需求，本文选择簿记模型基本原型作为模型的核心算法，构建了一套包含土地开垦/退耕、森林收获/恢复4种情景在内的土地利用碳排放核算系统。构建的系统具有以下特点：①以地理区域为核算基本单元，逐年并行核算多个区域土地利用活动导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将复杂的碳排放核算模型算法封装于系统内，模型应用人员只需配置相应参数或利用系统默认参数即可参与运算，节省了宝贵的科研时间；③系统界面简洁明了、输入参数少、操作简便。