森林碳汇智能计算模型和评估系统开发

周礼祥， 刘美玲,2， 孙立研， 于 洋

(1.东北林业大学 信息与计算机工程学院,哈尔滨 150040；2. 哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院,哈尔滨 150001)

0 引 言

我国作为一个人口与工业大国，已成为全球碳排放量第一大国，控制碳排放，改善生态环境刻不容缓。而森林作为固碳的重要载体，对于吸收二氧化碳，改善全球气候变暖有着直接的影响。森林碳汇研究是我国目前减少温室气体排放，减轻面对的国际减排压力的最有效途径，对生态环境保护气候调节生物多样性维护具有重要作用，并且其本身所带来的经济价值也成为一种新的经济发展手段[1]。

目前对碳汇量的估算的准确度还存在较大的问题，尤其是对天然林碳汇量的计算。由于天然林树种繁多，分布不均匀，种内和种间的差异较大，环境状况比较复杂，既增加了其森林普查的难度，也增加了其碳汇计算的难度。因此对天然林碳汇量的计算没有一个普遍通用的方法，从而导致众多对天然林的碳汇研究只能使用人工林的碳汇方法学，最终使结果存在较大的误差，同时也对相关方面的研究产生了一定的误导。

1 相关介绍

我国森林资源是由人工林与天然林组成，森林碳汇主要包括人工林碳汇和天然林碳汇，通过“森林经营”的方式来增加森林碳汇和碳库的碳储量。

1.1 天然林与人工林

天然林是指自然起源，未经人为干扰或人为干扰较轻，仍然保持较好自然性的森林。根据演替阶段的不同，天然林分为原始林、原生次生林和次生林。

人工林指通过人工措施形成的森林。人工林的经营目的明确，树种选择、空间配置及其他造林技术措施都是按照人们的要求来安排的。我国人工林达6 933万hm2，居世界第一位。李丹等[2]提出目前天然林具有不可替代的生态保护功能，而人工林则在木材生产方面担负重任。

1.2 森林经营与碳库

“森林经营”特指通过调整和控制森林的组成和结构、促进森林生长，以维持和提高森林生长量、碳储量及其他生态服务功能，从而增加森林碳汇。主要的森林经营活动包括：结构调整、树种更替、补植补造、林分抚育、复壮和综合措施等。森林经营要本着可持续的原则，对森林生态系统实行科学合理的管理方式[3]。

“碳库”包括地上生物量、地下生物量、枯落物、枯死木和土壤有机质，木产品等[4]。“地上生物量”是指土壤层以上以干重表示的活体生物量，包括树干、树桩、树枝、树皮、种子、花、果和树叶等。“地下生物量”是指所有林木活根的生物量，由于细根(直径≤2 mm)通常很难从土壤有机成分或枯落物中区分出来，因此通常不包括该部分。“枯落物”是指土壤层以上、直径小于5 cm、处于不同分解状态的所有死生物量，包括凋落物、腐殖质，以及不能从经验上从地下生物量中区分出来的活细根(直径≤2 mm)。“枯死木”是指枯落物以外的所有死生物量，包括枯立木、枯倒木以及直径≥5 cm的枯枝、死根和树桩。刘世荣等[5]提出了针对天然林与人工林的森林经营策略，以此增加碳储量，改善生态环境。

1.3 智能计算平台

我国森林覆盖面极广，碳储量巨大，然而在碳汇计算方面主要是通过人工计算的方式，计算量大。面对当前大数据时代的潮流，人工测算不仅费时费力，而且也造成了资源的极大浪费。为了解决以上问题，本文提出一个智能计算平台。智能计算平台是一个对碳汇的自动计算系统，通过本系统可以对某地的碳汇进行评估，根据其地上生物量、地下生物量、枯落物、枯死木和木产品、地表植被(包括灌木和草本植物)、土壤等进行计算，然后对区域内碳汇量进行预算、评估。智能计算平台的实现，解放了人力，同时也提高了其准确率。

2 碳汇智能计算模型

本文提出的方法学主要针对天然林与人工林交替分布的地区，其中人工林方法学主要来自森林经营碳汇方法学；而天然林方法学主要是通过其与人工林的比较，将其存在的差异进行总结，得出相关的方法学。

2.1 传统人工林方法学标准

林木生物量：

BBSL=f(DBH,H)(1+Rj)NA

式中：BBSL为第t年时，项目边界内基线第i碳层树种j的林木生物量；f(DBH,H)为树种j的林木地上生物量与胸径和树高的相关方程；DBH为t年时，第i碳层树种j的平均胸径；H为t年时，第i碳层树种j的平均树高；Rj为树种j的林木地下生物量/地上生物量之比；N为第t年时，第i碳层树种j的平均每公顷株数；A为第i碳层的面积；i=1, 2, …为第i碳层；j= 1, 2,…为第i碳层的树种j；t为项目开始以后的年数。

2.2 天然林碳汇计算模型

由于天然林与人工林相比其形成条件与树种等存在较大的差异，因此，其方法学也存在较大的差别。以人工林方法学为基础总结出天然林方法学。

(1) 天然林与人工林的主要区别。①天然林树种类型多，高矮的树种参差分布，即使同一树种因不同树高的分布差异其郁闭度也不同，其郁闭度比值参数PYBD就会产生差异。

②天然林根系发达，地表植被丰富，涵养水源、保持水土的能力强。其地表植被生物量BGRASS包括灌木和草本植物生物量[6]。

③森林碳汇中约有2/3的碳储存在土壤中，天然林较人工林土壤养分高，含碳率高，土壤有机碳密度高[7]。因此在计算森林含碳率时需要计算土壤碳储量CSOIL。

④与人工林相比，天然林基本不存在砍伐现象，木产品这一影响因素可以忽略。

⑤天然林的生物量多，生态系统稳定，恢复性强，对自然灾害的抵抗能力强。

(2) 天然林方法学。针对天然林与人工林的差异生成的方法学。由于同种林木不同林龄(幼龄林，中龄林，近熟林，成熟林)的生物量、林下植被、土壤含碳率差异较大[8-9]。将碳层按林龄划分。

①天然林林木生物量。在同一树种相同林龄条件下，天然林树种生物量以人工林为依据，以人工林郁闭度为基准修改地上生物量与地下生物量，需在f(DBH,H)的基础上乘上PYBD对地上生物量进行修正，并由于其地上生物量的不同，需将Rj乘上一个平衡因子cj对地下生物量修正。

BTREE=f(DBH,H)·PYBD(1+Rjcj)NA

式中：BTREE为第t年时，天然林第i碳层树种j的林木生物量；PYBD=YBD天然林/YBD人工林为同一树种相同林龄条件下，天然林与人工林郁闭度比值；YBD为郁闭度；由于天然林树种与人工林相比，在相同地上生物量的情况下，其根系更加发达。因此，Rj较人工林偏大，需平衡因子cj(此处为简化实验取固定值为1)对其修正；i=1, 2, …为天然林第i碳层；j= 1, 2, …为天然林第i碳层的树种j；t为天然林开始估算以后的年数。

②树下植被生物量。由于林下植被生物量受光照影响，其发育与森林冠层结构紧密相连[10]。研究表明，林区密度和郁闭度低的林区植被比较丰富[11]，因此其在不同碳层(幼龄林，中龄林，近熟林，成熟林)的植被生物量存在差异。

BGRASS=BgrassG

式中：BGRASS为第t年时，天然林第i碳层草本或灌木j类的生物量；Bgrass为第t年时，人工林第i碳层草本或灌木j类的生物量[12]；G为第i碳层天然林中相同大小的草本或灌木j类的地上部分干重与人工林的比值。

人工林地表植被丰富，无法逐一对植被进行生物量计算，因此采用以下方法：计算同一碳层多棵相同树种略小于其树盖面积的树下植被生物量，尽量减少重叠面积，取平均值，求得小班内同一碳层同一树种的树下生物量：

对于人工林林下草本植被生物量的测量，采用基于生物量、基茎、高度的对数自然表达式的回归模型进行计算[13]。针对灌木层生物量的测定，采用含水量推测单位面积内的生物量[14]。

③天然林土壤碳储量。表层土壤有机碳密度受气候、地貌、坡度、土壤类型的影响[15-16]。由于天然林林况复杂，树种参差，在同一小班(小班是进行森林经营、组织木材生产的最小单位，也是调查设计的基本单位)中不同树种下土壤有机碳密度差异较小且计算复杂，此处忽略其差异。同时考虑土壤中砾石对含碳量的影响。在以上情况相似处的土壤碳储量计算为：

SOCDa=CaPaDa(1-θa)/100

SOCDb=CbPbDb/100

CSOIL=A(SOCDa+SOCDb)×1000

式中：SOCDa，SOCDb：分别是第t年时天然林第i类土壤a，b层有机碳密度；Ca，Cb分别是第t年时天然林第i类土壤a，b层的容重；Pa，Pb分别是第t年时天然林第i类土壤a，b层土壤有机碳含量；Da，Db分别是第t年时天然林第i类土壤a，b层土壤厚度；θa为第t年时天然林第i类土壤a层中>2 mm的砾石所占百分比；CSOIL为第t年时第i类土壤的土壤碳储量；A为第t年时第i种土壤所占的面积。

本公式只计算对土壤有机碳储量贡献最大的a层(腐殖质层)和b层(淀积层)。

3 系统的设计与实现

本系统设计运用python语言，django框架，在pycharm上编译运行，以天然林和人工林方法学为基础进行系统设计与实现。

3.1 系统设计

(1) 系统设计目标。本系统是为了实现森林碳汇的自动计算，进行碳汇的评估与预算，为森林碳汇的研究与发展提供一个较好的计算平台。

(2) 系统功能设计。本系统主要有以下功能：①管理员设计。主要是对用户进行管理，对用户信息进行增删改查操作。②登陆设计。主要是为了系统自身的安全性，保护个人信息安全。③树种查询。根据不同的树种及地理位置添加相关数据，并计算，得到相关树种的林木生物量。④人工林碳汇量计算设计。主要包括生物质碳储量，枯死木碳储量，枯落物碳储量，地表植被碳储量和木产品碳储量以及土壤碳储量的计算。⑤天然林碳汇量计算设计。主要包括生物质碳储量，枯死木碳储量，枯落物碳储量，地表植被碳储量，土壤碳储量的计算。

系统功能框图如图1所示。

3.2 评估平台开发

(1) 用户登录。用户通过网络访问此系统时，需要进行身份验证，通过核查，与数据库内的用户信息是否匹配，匹配则登录成功进入该系统，否则显示用户名或密码错误，提示是否进入注册页面。如图2所示。

图1 系统功能框图

图2 登录页面

(2) 用户注册。当用户名不存在时，会自动跳转注册页面。新用户可通过该功能进行注册，进入系统，访问或添加数据，得到相关的碳汇量。如图3所示。

图3 注册页面

(3) 首页。首页主要有3个功能项：人工林，天然林，树种，分别用于相关领域的估算。如图4所示。

图4 首页

(4) 树种分类。点击首页的树种选项时，用户可以进入该模块，用户可以在该模块对系统中已有的树种进行了解，针对不同树种不同地区的胸径与树高数据进行添加与查找，得到不同树种的林木生物量，使用户得到自己所要查找的地区树种的林木生物量，如图5所示。此处以红松的的生物质碳储量为例。

点击红松选项后，会进入红松的分布页面，如图6所示。选择数据页面则可以查询不同胸径，树高的红松的单位面积的林木生物量；选择不同的地区，可以添加相关地区的红松胸径和高度的数据。

图5 树种分类图

图6 红松的不同地域分布图

点击数据页面进入下面模块，如图7所示。

图7 红松的数据页面图

点击辽宁地区，进入数据添加页面，添加数据，计算得到相应的红松林木生物量计算结果，如图8所示。

图8 红松辽宁地区添加数据及林木生物量计算结果

(5) 林木生物质碳储量。进入人工林或者天然林模块，选择林木生物质碳储量，进一步选择不同地区树种，通过树种的胸径，树高，单位面积数量与林地面积得出某树种的林木生物质碳储量，如图9所示。

由于林木生物质、枯落物、枯死木碳储量等计算模型皆是以林木生物量计算模型为基础构建而成，计算过程十分相似，且林木生物质碳储量计算最为复杂，而地表植被、土壤、木产品碳储量在获取实地数据后能较为容易计算得出，因此本文主要介绍了林木生物量和林木生物质碳储量计算模型的计算过程。

图9 红松的林木生物质碳储量

4 结 语

针对碳汇智能计算平台，需要对不同地区相似林木类型或者相似地区不同林木进行关联分析，对相关地区进行碳汇量预测评估，进行异常点检测，得到影响森林碳汇的因素，改进系统功能，提高其精确度。并进一步实现在不同树种，不同环境因素条件下对森林碳汇的发展变化情况的分析研究，从而加速我国碳汇事业的发展。

针对天然林方法学，本文没有考虑在自然因素的影响下，如森林火灾等，及人类行为对天然林碳汇量的影响。其中在求天然林林木生物量时，其中的平衡因子cj需要经过大量的对照试验获得准确的值。而且本文依据人工林方法学为基础，将其中的差别之处提出，完成天然林方法学，该方法学还需要进一步探究。