山岳型国家公园生态系统碳储量时空分布分析

陈馨　罗镁玲　林仕宇　朱里莹

摘 要：【目的／意义】国家公园作为抵御气候危机，影响人类命运的先驱领域，科学地研究武夷山国家公园碳储量的时空变化特征，为今后制定更为合理的生态管理方案提供参考。【方法／过程】基于InVEST模型，选用文献检索法收集不同类型碳密度数据，对武夷山国家公园碳储量在时间和空间两个维度上进行分析。【结果／结论】结果显示：（1）武夷山国家公园林地地类是该区域主导的用地类型，草地和农田位居第二、第三位；（2）武夷山国家公园总碳储量呈现“先减后增，U型变化”，碳储量高值区和林地地类范围重合；（3）土壤碳储量是生态系统碳储量的主要构成要素，占比突出。

关键词：武夷山国家公园；生态系统服务；碳储量；InVEST模型

中图分类号：F327；S718.5 文献标志码：A 文章编号：16735617 （2023） 01-007207

气候变化问题席卷了全球各个国家和地区，国家公园等自然保护地为气候变化应对的先行者[1]。截至2022年，全球已有30多个国家和地区达成共识，制定了节能减排的低碳计划[2]。中国也肩负起自己作为发展中国家的责任．积极采取应对措施，颁布了《国家适应气候变化战略》[3]，2020年提出了“碳达峰，碳中和”的目标，碳排放问题引起了广泛的关注。在此背景下，中国公布了第一批国家公园名单，国家公园的建设主要是为了“公众利益”和“国家利益”[4]，其具有良好的生态环境与丰富的野生动植物资源，生境质量优越，同时具有极高的碳汇价值，是应对气候变化，影响人类命运的先驱领域。山岳型生态系统的变迁必然引起地区乃至全球生态环境的改变，对人类的生存和发展构成巨大的威胁[5-7]。因此研究山岳型国家公园碳储量与用地类型变化之间的关系及其空间分布特征，对维持区域碳循环的平衡与稳定具有重要意义。

碳储量是反映陆地生态系统服务供给水平，调节气候变化的重要指标[8]，是近期生态系统服务研究的热点[9]。陆地自然植被具有强大的固碳能力，植被固碳还能产生水源涵养、水土保持等其他生态效益[10]。现已有大量研究基于通量观测、野外调查和统计数据分析等方法计算碳储量[11]。传统的碳储量估算方法，往往需要人工去實地调研测算，面临着采样周期长、在大尺度研究中操作难度大，工作机制冗赘，可视化程度低，结果不够准确的问题。遥感和模型法有多种模型模拟碳储量分布，都存在数据复杂，操作难度大的问题。目前，众多学者研究如刘冠等[12]、Rukundo等[13]、邓喆等[14]引入InvEST模型Carbon模块模拟陆地生态系统碳储量的变化取得诸多成果，表明该模型具有操作简便、运行速度快和精度高的优点，可以实现碳储量动态模拟变化的可视化制图。因此，在较大尺度研究中，与传统的碳储量估算方法相比，以InVEST模型法为主的碳储量估算方法能灵活地反映出时间维度上空间分布的变化。综上所述，在长序列、大尺度上反映山岳型国家公园土地利用变化与碳储量之间关系的研究还尚待补充。武夷山国家公园是全球范围内保存最完整、最具代表性的森林生态系统之一。区域内具有独特的地形地貌、多样的植物资源，逐步增强了植被的原真性和完整性，丰富的生物多样性和良好的生态质量。武夷山国家公园位于福建、江西两省，与浙江相邻，独特的地理环境使得其在生态文明建设中具有重要的地位和作用。因此，本文选取2000、2005、2010、2015、2020年5个时间节点，在明确武夷山国家公园2000—2020年土地利用变化的基础上，采用InvEST模型，结合ArcGIS进行可视化制图，研究武夷山国家公园碳储量时空分布特征，从而了解山岳型国家公园碳储量的演进过程，以期为提升国家公园生态价值和制定减碳排政策提供科学的参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

武夷山国家公园位于闽赣交界处武夷山脉北段，地理坐标为东经E 117°24＇13〞～117°59＇19〞，总面积1001.41 knr2，地处武夷山市、建阳区、邵武市、光泽县，与铅山县毗邻。武夷山国家公园具有中亚热带典型的植被类型，拥有原生性常绿阔叶林为主，高山草甸、针叶林等植被，森林覆盖度高，同时也是我国东南部的野生动植物宝库、生物多样性优先保护区域之一，极具代表性和保护价值。

1.2 数据来源

1.2.1土地利用分类数据本文采用的2000-2020年间5个时间节点的武夷山国家公园土地利用数据来自于中国科学院资源与环境科学数据中心（http：//www.resde.cn/Default.aspx）提供的30m分辨率的栅格数据集。土地利用数据采用二级分类系统，共6个一级类，18个二级类。武夷山国家公园矢量数据来源于地理国情监测云平台（ www．dsac．cn），地图坐标统一为CGCS 2000。

1.2.2 碳密度数据本研究以武夷山国家公园为例，收集InVEST模型中地上、地下根系，土壤和死亡有机物等4个碳库的碳密度情况进行测算。在一些文献中，未对地上和地下根系碳密度进行进一步划分，参照2006年IPCC规定，将根茎比设置为0.2[15-17]，然后再分别测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 生态系统碳储量模型 本文采用InVEST模型Carbon模块分析2000-2020年武夷山国家公园生态系统碳储量变化情况。主要以当地土地利用分类为基础，采用4个碳库数据，即地上、地下根系、土壤和死亡有机物的碳密度情况。其碳储量计算公式为：

其操作原理如下，使用InVEST模型的碳库测算模块，以ArcGIS栅格为基础，绘制网格，每个网格数据代表一种土地利用／覆盖类型。对于每一种土地利用／覆盖类型，模型必须满足以上4个碳库的1个碳库的碳储量才能运行，并且更全面的碳库类型和更精细的土地利用类型，模型测算的结果将会更加精确。因此，InVEST模型碳储量评估模式所需的数据有：（l）土地利用／覆盖类型栅格数据集；（2）每种土地利用／覆被类型都储存的4个部分（地上、地下根系，土壤和死亡有机物）的碳密度数据。

2 结果与分析

2.1 武夷山国家公园土地利用分析结果

本研究以2000、2005、2010、2015及2020年5个时间节点的土地利用分类数据为分析依据，对武夷山国家公园在这5个时间节点的土地类型面积占比和空间分布进行模拟研究（表2，图1）。从时间维度上看，林地地类（有林地、灌木林地、疏林地和其他林地）的面积占比逐年递增，稳步发展且面积分布比例为90.71%～90.77%，是该区域主导用地类型，其中有林地是武夷山国家公园内最主要的用地类型，在各个时间节点上，其面积占比分别为75.90%、75.78%、75.63%、75.65%和75.64%，面积占比较为突出，由此可表明森林生态系统碳储量是武夷山国家公园碳储量的绝对贡献者。草地（高盖度草地、中盖度草地和低盖度草地）的用地面积占比持稳定状态，农田（水田、旱地）则微幅减少，其面积分布分别为该区域的第二、第三位，但是全局比重较低。水域和其他地类（城镇、居民点）占比较低，微乎不计。总体看来，在5个时间节点中，武夷山国家公园的用地类型范围面积变化不大，特别是2005、2010和2015年这3个时期，土地利用变化微乎不计。

2.2 武夷山国家公园生态系统碳储量动态变化

根据InVEST模型碳储量计算结果（表3，图2），2000-2020年武夷山国家公园总碳储量分别为17.163x106、17.162x106、17.158x106、17.159x106和17.16lx106 t。从时间维度上了解到，2000-2020年武夷山国家公园内的碳储量下降了2845.67 t。2000-2020年地上碳储量占比分别为2.686x106、2.685x106、2.685x106、2.685x106、2.686x106，土壤碳储量占比分别为13.579x106. 13.578x106. 13.575x106. 13.576x106、13.577x106t．两者占比较大。2000-2020年地下根系碳储量占比分别为5.664x105.5.663x105、5.662x105、5.662x105、5.665 x105t，死亡有机物碳储量占比分别为3.320x105、3.319x 105、3.320x105、3.3186x105. 3.320x105t，兩者碳储量占比偏低。

2000-2020年，武夷山国家公园生态系统碳储量呈现先减少后增加的趋势，且出现最低值。2010年该区域的总碳储量达到5个时间节点中的最低值，主要原因是土壤碳储量下降数值较多，其余地上碳储量、地下根系碳储量、死亡有机物碳储量都有所下降，但是下降幅度没有土壤碳储量大，2015年和2020年碳储量逐年增加，慢慢回升，但是整体增长没有达到2000年的水平。2015年与2010年相比，总碳储量与各部分碳储量的变化幅度匀速增长，没有较大起伏，直到2020年武夷山国家公园生态系统碳储量也没有发生颠覆性改变，5个时间节点的碳储量结果变化都极其微弱。武夷山国家公园生态系统碳储量构成要素来看，土壤碳储量占总碳储量的79.089%- 79.118%，地上部分碳储量占总碳储量的比例为15.64%-- 15.65%，是该区域总碳储量的主要构成要素。地下根系、死亡有机物碳储量在总碳储量的比例很小。从图2中可以看出，碳储量较高的区域和林地地类区域范围重合，可见林地地类是武夷山国家公园生态系统碳储量的主要用地类型，碳储量空间分布和土地利用类型相符合，由于在政策规划下武夷山国家公园土地利用类型变化较小，碳储量空间分布变化幅度也较小。

3 结论与政策建议

3.1 结论

本文以武夷山国家公园为研究对象，借助InVEST模型，结合ArcGIS进行可视化分析，评估2000-2020年武夷山国家公园生态系统碳储量变化及其时空变化特征。结论如下：（1） 2000-2020年，武夷山国家公园林地地类（有林地、灌木林地、疏林地和其他林地）面积占比为90.71%～90.77%，是该区域主导用地类型，其中有林地面积占比分别为75.90%、75.78%、75.63%、75.65%和75.64%，面积占比较为突出，表明森林生态系统碳储量是武夷山国家公园碳储量的绝对贡献者。草地（高盖度草地、中盖度草地和低盖度草地）和农田（水田、旱地）面积占比为该区域第二、第三位，但是全局比重较低。水域和其他地类（城镇、居民点）变化微乎其微。（2） 2000-2020年，武夷山国家公园生态系统碳储量呈现“先减后增，U型变化”的趋势。2010年是该区域20年来生态系统碳储量的最低值，2015-2020年总碳储量逐渐回升，变化幅度不大，没有恢复到2000年状态。（3）生态系统碳储量的构成要素上看，各部分碳储量数值中，土壤碳储量和地上碳储量是该区域总碳储量的主要构成要素，土壤碳储量占总碳储量79.08-%- 79. 118%，其占比较为突出。地下根系、死亡有机物碳储量在总碳储量的比例很小。（4）从空间分布上看，碳储量高值的区域和林地地类的范围重合。由此看出，林地地类是武夷山国家公园主要用地类型，森林生态系统是武夷山国家公园碳储量的关键区域。碳储量的空间分布与土地利用类型相契合，在政策规划下，近20年来，武夷山国家公园的土地利用类型变化较小，碳储量空间分布变化也较小。

3.2 政策建议

在典型的南方集体林区，面对保护地复杂的空间关系、管理关系、土地权属复杂等问题，武夷山国家公园仍实行最严格的保护管理。结合《武夷山国家公园总体规划及专项规划（2017-2025年）》，提出以下几点建议：（1）森林生态系统是武夷山国家公园碳固定最主要的类型。通过对林木的优化与保护，增加区域内中亚热带原生森林生态系统碳储量功能。将核心保护区面积向外延伸，在一定程度上，提升生态环境质量，山水林田湖草生态系统良性循环，在固碳减排方面最大限度地发挥其生态效益。（2）可以通过退耕还林，适度增加树龄结构等方式，合理调整用地类型，进一步加强科研监测体系，为管理、决策、服务提供科学依据。对国家公园内部的森林资源进行长期的保护和修复，营造适宜的野生动物保护环境，增加生态结构的稳定性。

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