关于湖南省“双碳”监测工作的技术探析*

谢优平，肖祥红

（湖南省第二测绘院，湖南长沙 410119）

根据近几年IPCC 气象清单报告，因人类活动和自然变化释放的温室气体（主要为CO2、N2O、CH4）胁迫地球表层温度正以每十年0.2 ℃的幅度上升，导致地表冰土面积减少，海平面上升，极端灾害（海啸、地震、森林火灾）增多，逐渐危害人类的生存安全。早在上世纪80年代，为应对改善人类生存环境的需要，不少国家或机构已经开始对碳源、碳汇进行了研究工作。2021 年9月22 日，在“中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念作为碳达峰碳中和工作的意见(中发36 号文件)”中指出，“要依托和拓展自然资源调查监测体系，建立生态系统碳汇监测核算体系”；2021 年我国在世界气候峰会上向全世界承诺“中国力争2030 年前CO2排放达到峰值，2060年底实现碳中和。”至此，“双碳”监测工作正式提上国家层面，“双碳”监测思路、任务及工作目标逐步明晰，包括前期的“双碳”监测，中期的碳中和、碳达峰、碳交易，后期的碳规划、清洁能源节点循环等内容。近年来，基于生态学的碳氮水循环研究及“双碳”监测工作已取得一定进展，但由于自然生态的多样性及繁杂性、人类活动干扰的不确定性以及技术手段的局限性，使得研究成果内容不充分、不全面、不彻底，用于碳收支的各种生物计量模型结果各有差异，研究技术路线不完善、不成熟。目前，大气圈中基于卫星遥感的碳卫星监测技术和基于化学反应的碳捕集、碳存储技术尚在初始研究阶段，技术不成熟。因此，基于陆地生态循环的“双碳”监测研究在今后相当长的时期内仍为工作重点。笔者就陆地生态系统中“双碳”监测工作的若干个人观点阐述如下，并对这些工作的开展进行技术探析。

1 大气圈、陆地生态系统中碳循环监测原理

在生态系统中，碳氮水循环主要通过光合作用、呼吸作用和水分蒸腾作用等生物物理方式实现土壤、植被、大气三者之间的物质与能量交换。因此，本文认为碳水循环监测主要采取如下两种方式。

一是通过监测碳氮水在大气圈和生物圈之间的循环流向，遵守物质守恒定律。碳既是生命体最基本的元素，也是自然界中的较稳定的元素，无论是以有机碳形式存在于植物、微生物、藻类、土壤中，还是以CO2、CO 等形式存在于大气中，生态系统的所含碳的总量不变，陆地生态系统物质循环和能量循环的基本流程如图1[1-3]。因此，开展碳源碳汇监测时，既可以根据碳元素的流向来监测，也可以根据光合作用所形成的生物量来监测[4]。针对某一碳汇生态系统时，生物量的主要指标计算方式如下（式1~式3）：

图1 陆地生态系统物质循环和能量循环流程Fig.1 Material cycle and energy cycle process of terrestrial ecosystem

若针对某一周期的区域生态系统，还需要将该时间段内人类活动及自然变化的扰动因素综合纳入计算中，如火烧、采伐、风蚀、水泄等对碳的去向干扰（式4）。

其中，NPP为植被净初级生产力，APAR 为吸收的光合有效辐射，C 为实际光合利用率，RSG为太阳总辐射，FPAR 为入射太阳有效辐射的吸收率，GPP 为总初级生产力，NEP 为净生态系统生产力，NBP 为净生物群系生产力，R 自为植物自身呼吸所排放的CO2，R 异为同一生态链上微生物群呼吸所排放的CO2，NRP 为净区域生产力，R 生物群为生态系统的其他动物和昆虫呼吸所排放的CO2，R 泄是人为采伐、焚烧、风蚀、水泄等所产生的碳泄漏。

二是监测在某一特定时间内通过大气中垂直界面的CO2浓度和脉动量，采用微气象学中的空气动力学通过通量观测来监测，遵守动量和能量守恒定律[5-7]。

所有生物量监测都要考虑季节温度、降水、土壤水分蒸腾蒸发、土壤肥力、近地表CO2浓度、物候条件等环境因子对生物生长的干扰和协迫作用。

2 “双碳”监测陆地生态系统分类

湖南省域尺度陆地生态系统碳汇监测要综合考虑自然因素、国家尺度的人为活动等多方面影响。监测对象除了常见的耕地、林地、草地、湿地四个一级碳汇种类外，还要包括水域碳汇类以及工业、建设用地碳源类。

不同于土地利用现状分类，“双碳”监测根据不同植被、不同时令应有更细的二级分类和影响因素考虑（表1）。如林地包含的阔叶、针叶、灌木，其生长季节、茂盛程度及表露特征不一样，并且还要兼顾生物群系的林下植被；又如耕地类作物可分为水稻（一季或两季）、玉米、油菜、大豆、红薯、棉花等，它们的生长季节、成熟周期不一样，果实茎块所处的位置（地上、地下）也不一样；再如水域中淡水湖泊有水下藻类的光合作用，海水有水下珊瑚礁的钙化，此外，还要充分考虑水对CO2的溶解吸收，以及水的流速影响，流速越快，吸收能力越强。碳源监测不仅要考虑钢铁、水泥、化石燃料等污染工业的CO2排放统计，也要考虑建筑区、商业体育等人类活动区域CO2的排放监测[8]。

表1 湖南省“双碳”监测陆地生态系统分类Table 1 Classification of terrestrial ecosystem for double carbon monitoring in Hunan Province

单一生物类的“源”与“汇”随时间、季节动态变化，甚至可以互相转换。因此，源与汇的表现应依据该生物类逐月、逐年或单一生长周期所固定或消耗的干物质量来判定。

3 生物地类边界智能识别及提取

在陆地生态系统的碳循环监测中，因包含的生物种类繁多，且各自生长季节不同，导致同一区域不同季节的碳固速率和碳固潜力迥然不同。要较为准确求取某一区域尺度生态系统的碳储增量，按照季节或某一周期准确划分每一植被地类的边界尤为重要[9]。

植物地类的边界识别以及智能提取主要分两种方式。一是采用多光谱数据，通过对植被覆盖长时间序列的生长周期观测，计算生物生长过程的植被指数，如NDVI、RVI、EVI 等，根据各指数的阈值变化趋势及收敛情况，判读提取不同作物的边界[14]。二是采用分辨率较高的卫星影像或航片影像进行提取。根据作物在影像上不同的纹理特征，结合作物生长周期特性，参考农作物样本数据库进行提取。两种方法的提取结果需实地核查或比对三调数据库地类进行调整和修正，以确保边界准确度[10]。

4 “双碳”监测生物计量

陆地生态系统的生物计量及碳收支方法主要有如下两类：（1）传统的生物计量及碳收支方法。包括样点连续清查法（薄记模型）、气象数据统计模型、生物生态过程模拟、涡度相关系统通量观测等。其中，样点连续清查法具有极大的生态破坏性，而气象数据统计模型及生物生态过程模拟普遍存在参数太多且求取困难、模型复杂且模拟周期序列长、工作量大等缺点。（2）遥感反演方法。包括基于卫星遥感的多光谱数据模型反演、碳卫星探测的温室气体（CO2）浓度反演、航测法计算活立木蓄积量反演碳储量等。卫星遥感数据模型反演方法切合了我们地理信息行业的工作数据优势和技术优势，采用的卫星遥感数据时间序列长，覆被信息丰富，其中常用的光能利用模型驱动变量少，参数求取简单，模型通俗易懂并可反复模拟[11]。

4.1 传统或常用的生物计量方法

4.1.1 样点连续清查法

耕地农作物、林地、草地最传统的生物计量方式主要采用连续清查法加统计法。以月、季度、年为计量周期，以耕地农作物收支、森林、草地及土壤资源清查数据为统计基础，通过生物量转换因子分别将森林资源材积量转化为森林生物量和碳储量，利用草地资源清查资料及地下生物量数据，估算草地生态系统碳储量，利用全国土壤普查资料和季节农作物收成估算农作物的地上、地下生物量，地下土壤碳储量主要采用重铬酸钾称重法[12]。

其中，森林材积转化为生物量表示为（式5）：

V 为木材蓄积量，D 为木材密度，BEF是蓄积量与生物量之间的转换因子，R为地上、地下生物量之比，CF为物质含碳量。

其它耕地农作物及草地收支亦可利用上式进行类推。样点连续清查法主要特征是每个作物类、每个格网点都要大量设置样点，工作量巨大繁重，破坏性大，优点是精度相对较高。

4.1.2 基于生物生长过程模拟的叶面积指数法（林木异速生长方程）

在生态系统中，叶面积指数是生态系统的一个重要结构参数，它反映植物叶面数量、冠层结构变化、植物群落生命活力及其环境效应，为植物冠层物质和能量交换提供结构化的定量信息。通过叶面积指数可以鉴定其它组织如叶茎、枝、躯干、根茎所对应的比重，即计算林分冠层的导度，通过建立林木生物的生长过程模型，确定某一时期段生物量的增长[13]（式6~式7）。

式中，LAI为叶面积指数，LE为实际有效叶面积指数，由LAI-2000 冠层分析仪测量，VE为叶总面积与族面积之比，对于阔叶VE=1，ΩE为集聚效应[18]。

式中，k为透光率，L为叶面积指数，Y 为NPP与GPP 间的转化率，δ 为树冠覆盖率，ARPR 为太阳辐射，△t为时间。

采用样点调查法的碳固量增长值对上式生物量模型求得NPP 进行校正，进而求得某一区域尺度的生态系统的固碳速率和固碳潜力。

利用叶面积指数法计算生物量时，其叶面积实际指数测定和异速生长方程求取困难，且干扰因素多，计算结果准确性较样点清查法差。

4.1.3 通量观测法

碳通量观测是监测某一时刻大气与植被之间、大气与土壤之间、土壤与根系之间碳氮水的交换过程，是大气圈、生态圈、土壤圈3 个界面之间相互作用的结果，是碳流向监测最为直接的一种方式[14]。

碳通量观测包括生态系统的能量输入、能量输出（土壤-大气界面、植被-大气界面的辐射通量、显热通量和潜热通量）、动量传输通量及气体交换通量几个方面的监测（式8）。

因切应力位于大气层之下与地表层之上，风速仪与CO2脉动装置必须架设在监测对象植被的上方。而林地植被普遍较高，导致通量观测实施比较困难，因此，通量观测方式主要适用于开阔建设用地上的碳源观测和耕地碳汇观测。

微气象学中碳氮水通量观测主要采取空气动力学法、热平衡法和涡度相关法。其中涡度相关法是通过测量大气中湍流运动所产生的风速脉动和CO2浓度脉动，求算能量和物质通量的直接测定法，该方法是目前世界上CO2和水通量测量的标准方法，也是被认定为误差来源最小的方法。

4.2 卫星航测遥感技术在生物计量测定中的运用

随着遥感技术的日趋成熟，各种多光谱卫星数据源在时间空间获取方面有了很大的便利性和适时性。在模拟植被蒸腾、土壤水分子蒸发及植被光合作用过程时，植被覆盖是生物控制大气、温度、雨水、土壤侵蚀等方面的关键因素，可以贴切地反演林木生态过程和生物量的增长。而遥感数据的影像光谱、空间分辨率以及时相特征能够反映不同空间尺度上的植被覆盖信息及变化趋势。因此利用遥感的光谱数据与植被覆盖之间密切的对应关系，建立了40多种反映生物生长态势的植被指数，并通过植被碳利用率CUE、植被光能利用率LUE、植被水分利用率WUE 几种方式来求取植被净生产力NPP。其中光能利用率模型因理论基础性强、参数少且易获取、数据覆盖时空分辨率高、计算方法简单等优点，成为当下求取植被净生产力的主流方式[15]。

（1）植被光能利用率模型主要有四类驱动变量，①太阳光照辐射因子：包括有逐日、逐月、逐年光照辐射和散射数据；②植被指数因子：主要有归一植被指数NDVI、增强指数EVI、叶面积指数LAI 等；③温度胁迫因子：日平均温度、日最低温度、日最高温度、白天地表温度、夜间地表温度；④水分胁迫因子：包括水气压差VBD、蒸发比EF和地表水分指数LSWI[16]。

通过光能利用率模型，利用四类驱动因子来研究碳氮水在大气和生物圈中的相互作用与循环。因不同植被类型在不同区域、不同时间、不同物候条件下光能利用率均有较大差异，需利用同期通量观测数据来校正模型准确性，进行模型参数本地化（式9-10）。

光能利用率通用模型[17]（式9-10）：

光能利用率模型还可加入涡度相关数据、植被生长呼吸、物候条件、叶片阴阳两面对光照吸收的特性差异等因素影响项，对模型进行优化和改进[18]（式11-12）。

两叶光能利用率模型（式13）：

上述各种驱动变量数据可从MODIS 遥感数据集、CERN数据共享系统、中国陆地通量观测网络和中科院资源环境科学数据中心下载。

其中，RSG 为太阳总辐射，PAR 为光合有效辐射，FPAR 为光合辐射吸收比例，C 为光能利用率，T为温度胁迫因子，W 为水分胁迫因子，Cmax为最大光能利用率，PAR0为光合有效辐射半饱和参数，C阳及PAR阳为阳叶最大光能利用率和阳叶吸收的太阳辐射，C阴及PAR阴为阴叶最大光能利用率和阴叶吸收的太阳辐射，P 为物候条件，a、b为呼吸线性参数，NEE夜为夜间通观测值[19]。

（2）利用激光雷达和激光扫描仪进行生物量的测定（主要针对森林碳汇）

激光雷达数据穿透力强，受水雾干扰因素小，可以准确地测定森林树木、植物的高度。又因雷达数据还可以测定地物的平面位置，因此也可求取林木的胸径。DSM 与DEM 之差即树木或植物的高度（图2）[20]，高度值乘以面积得到森林体积。与连续清查法类似，上述数据模型再匹配森林生物量与蓄积量的转换因子、木材密度、碳密度，可求取某一特定生态系统的碳储量[21]（式14~16）。

图2 森林或植被高度计算原理图Fig.2 Schematic diagram of forest or vegetation height calculation

其中，CP 是森林碳储量，V 是木材蓄积量，S 表示森林面积，D 是木材密度，BEF 是生物量与蓄积量的转换因子，CF是碳密度。

采用生物量模型与遥感反演技术相结合的方式，可以部分替代传统连续清查法实地调查工作内容，具有速度快，周期短，时效性强，经济效益高，破坏性低等特点。但相对于传统清查法来讲，精度低，准确性不够，需要大量的调查数据进行校正。

5 生物计量模型结果平滑处理

在区域尺度的碳汇、碳源监测中，森林、耕地、草地生物量的计算主要依靠生物生态过程模型来进行。在此推算过程中，要针对不同地域、不同类型，按一定格网设置样点，进行生物量实测。再采用最小二乘法，通过迭代的方式对模型进行分类校正和平滑处理，处理后的模型值还要用实测值进行验证，以确保均方差∑∆S2最小或拟合优度（决定系数）R2最大（图3）[22]。

图3 陆地生态系统中计量生物碳储量校正流程Fig.3 Calibration process of measuring biological carbon storage in terrestrial ecosystem

6 区域尺度碳源碳汇总量的计算

区域各类用地在某一周期的碳储增量即为该区域尺度生态系统同周期的碳汇或者碳源[23]（式17）。

CER：某一时间周期的净碳排放速率，CSR：某一时间周期的固碳速率。

其中耕地要针对不同的农作物或季节性的轮种农作物进行统计，且林地、耕地生物量要用历史清查数据进行验证，并计算年度碳汇能力和最大碳汇潜力。水域、雪地、岩石地、裸露地的碳汇碳源可以忽略不计。海洋、湖泊应分别监测统计。建设用地及工业区可以采取通量观测，用该区域年度的化石燃料的排放统计量来检验碳源总量。

7 结语

区域尺度的陆地生态系统碳源、碳汇监测，涉及数学、微气象学、林学、农学、摄影遥感、地信GIS等基础学科、边缘学科和交叉学科，研究对象包括自然进展和人类活动的干扰，不确定因素太多。陆地生态系统的碳氮水循环其物理化学过程尚不明晰，没有规范的理论体系和技术路线。迄今研究的对象仅限于林地、耕地、草地和海洋几个领域。而人类活动对碳源、碳汇的扰动因素研究成果积累很少，建设用地、水域碳源、碳汇研究几乎没有。且各研究机构所取得的监测成果差异较大，无法作为准确的监测数据进行参考，各种生物计量模型亟待改进完善。同时，分布于国内耕地、林地的通量观测网点少，观测周期不长。种种因素极大制约了“双碳”监测的工作发展。在总结、继承前人研究成果的基础上，亟需探索制定一套贴合实践的监测方法和体系。