基于GEE的2011—2021年广西林火碳排放格局时空变化

梁天龙，何宏昌，范冬林*，曾 优，付波霖

(1.桂林理工大学 测绘地理信息学院，广西 桂林 541006；2.生态时空大数据感知服务重点实验室，广西 桂林 541006)

0 引言

全球气候变暖是人类所面临的重要问题,已经成为国际社会广泛关注的热点问题[1-3]。在过去几十年里,大气CO2增加的主要原因是化石燃料燃烧和以森林破坏为主导的土地利用变化[4]。森林火灾导致地球大气圈层中的CO2浓度急剧提升,从而加重温室效应,严重影响森林生态系统碳循环,乃至于全球碳循环。中国大陆近十年来,森林火灾发生超38 000次,重大及以上火灾事件达74起,经济损失折算超153 027万元[5-15],由森林火灾引发的碳排放加剧,严重影响到中国碳循环及“碳达峰”的进程。

国内外关于森林火灾碳排放已经开展了广泛研究。孙龙等[16]以森林资源连续清查资料和林火资料为数据基础,结合GIS技术估算了1987年大兴安岭林火碳释放量和火后NPP恢复。黄麟等[17]基于江西省森林火灾统计和历次森林清查等数据,分析了该省林火的特征并估算历年的林火碳排放量及碳转移量。随着遥感技术广泛应用,Cahoon等[18]通过遥感影像估算了我国东北及西伯利亚的森林火灾碳排放。Zhang等[19]应用 SPOT卫星图像对2001年俄罗斯每月燃烧区域和碳排放进行估算。Sannigrahi等[20]使用MODIS产品数据探寻森林火灾对印度陆地碳排放和生态系统生产的影响。Pessa等[21]针对亚马逊地区进行燃烧区遥感影像产品的对比并探寻其对碳排放估算的意义。刘斌等[22]利用卫星遥感影像估算了2010年6月大兴安岭呼中区林火的碳排放。靳全锋等[23]基于MODIS火点产品数据集进行2000—2010年福建地区包括主要含碳气体的林火排放污染物时空动态变化研究。席云竹[24]基于多款MODIS产品数据集估算了2009—2018年大兴安岭的林火碳排放。

广西是中国南方重要林区之一,区域森林覆盖率高[25],但与此同时也是森林火灾高发区之一,年均森林火灾发生超过450次[5-15]。然而,关于广西林火发生的特点和碳排放的研究却屈指可数,这极大增加了讨论广西林火对中国碳循环及“碳达峰”目标影响的意义。鉴于此,本文以广西林火碳排放量为研究目标,基于Google Earth Engine(GEE)平台,结合MCD12Q1、MCD64A1 和 MOD17A3 产品数据,以及研究区的生物量、气候条件和植被类型等辅助数据,估测广西 2011—2021年间森林过火面积,在此基础上建立可燃物载量模型并采用碳排放因子法从而估算出该区域的林火碳排放量及主要含碳气体排放量,利用线性回归算法结合归一化手段对主要含碳气体排放量进行分析。研究成果可以为广西地区碳循环提供数据参考和科学依据。

1 研究区概况

广西壮族自治区位于中国南部,土地面积2.376×107hm2。广西跨越南亚热带、中亚热带和北热带,全区各地极端最高气温为 33.7～42.5 ℃,极端最低气温为-8.4～2.9 ℃,年平均气温21 ℃,各地年降水量均在1 070 mm 以上,但是降雨量随季节变化而分配不均[26-27]。截止到目前,广西的森林覆盖率达62.55%;活立木面积和蓄积分别占全国的6.41%和3.42%;主植被碳储量达7.46×108t,由松树、杉木和桉树等林型贡献[28]。广西作为南方重要林区,也是森林火灾高发区,受到人为(烧荒、烧炭)和气候(干旱、少雨)等影响[29-30],其林火次数和频率在时间上不均衡,主要发生的时间为春季和冬季,集中在1—4月、10月和12月。

2 数据与方法

2.1 研究数据

影像数据来自NASA的EOS系列卫星的MODIS数据,包含2011—2021年的MCD12Q1(500 m空间分辨率的年尺度土地利用数据产品)、MCD64A1(500 m空间分辨率的月尺度火点数据产品)和 MOD17A3(500 m空间分辨率的年尺度NPP数据产品)数据集。MCD12Q1、MOD17A3和MCD64A1是MODIS产品数据集,被广泛应用于森林火灾、植被NPP提取等研究[31-33]。MCD12Q1土地覆被类型划分的精确度可以达到71.44%[34],MOD17A3获取的NPP与CASA模型的NPP具有较高的拟合度[35],MCD64A1的火点数据检测成功率达90%甚至100%[36]。本文通过GEE云计算平台(https:∥earthengine.google.com)提取了2011—2021年广西区卫星火点数据,并利用3款产品进行叠加提取森林火点及其NPP数据。

森林资源类型是计算林火碳排放的重要指标,本文将广西森林资源分为常绿阔叶林、落叶阔叶林、混交林、有林草地、稀树草原和草地;以广西统计年鉴数据为基础,将林火烈度定义为轻[37]。按照文献[24,28,38]关于森林资源的可燃物载量,本文统计了6种森林资源的燃烧效率、生物量比重和含碳率,如表1所示:有林草地和稀树草原的燃烧效率和含碳率以文献[24-28-38]与IGBP分类标准[39]为基础,采用面积加权平均值的方法进行确定。为了进一步探讨3种主要含碳气体(CO2、CO和CH4)对碳排放量的贡献,本文参考文献[23,24,40]针对不同土地类型选取了不同的排放因子,如表2所示:所有植被的生物量比重基于IGBP森林部分面积得出,有林草地和稀树草原的排放因子以文献[22,23,28]与IGBP分类标准[39]为基础,同样采用面积加权平均值的方法进行确定。

表1 森林资源可燃物载量计算因子

表2 各植被类型碳排放因子

2.2 研究方法

2.2.1 燃烧消耗量模型

可燃物载量指单位面积上可燃物的绝干质量,是计算碳排放量的基础数据。Seiler等[41]提出了森林火灾燃烧损失可燃物载量的计量方法,由于该方法只考虑了地上可燃部分(乔木、灌木等),席云竹[24]建立了地表可燃物载量模型,从而更加充分地估算森林火灾可燃物载量。本文根据广西区实际情况,将地上可燃物类型视为常绿阔叶林、落叶阔叶林、混交林和有林草地;地表可燃物类型视为草地;净初级生产力提取值视为单位面积的有机物质。综合以上建立本文的燃烧消耗量模型,计算如下:

Mi=Ai×BNPP×Ci×λi,

(1)

式中:Mi为第i种森林资源的燃烧消耗量,单位t;Ai为第i种森林过火面积,单位hm2;BNPP为单位面积的有机物质,单位tC/hm2;Ci为第i种森林资源的生物量比重,λi为第i种森林资源的燃烧效率。

2.2.2 含碳气体排放量计算

排放因子法是是根据森林火灾中某种森林资源的碳排放量及其排放因子,从而计算出该森林资源的含碳气体排放量,其中森林资源的碳排放量为可燃物载量和含碳率之积。因此本文选择French等[42]提出的公式,将某种森林资源的碳排放量拆分成该种森林资源的可燃物载量和含碳率:

Ej=Mi×ηi×Fj,

(2)

式中:Ej为表2中第j种含碳气体的碳排放量,单位t;Mi为第i种森林资源的可燃物载量,单位t;ηi为第i种森林资源的含碳率,Fj为表2中第j种含碳气体的碳排放因子,单位g/kg。

2.2.3 含碳气体排放量趋势

线性回归法能够在时域内较好地描述出序列整体的变化特征,是常用的时间域内的趋势分析方法之一[43]。归一化是一种无量纲处理方法[44],该方法在遥感领域中被广泛使用,例如归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)、归一化差异水体指数(Normalized Difference Water Index, NDWI)等。综合以上2种方法,本文对14个城市11年来主要含碳气体排放量分别进行趋势分析,其回归方程的斜率作为主要含碳气体排放趋势量,并将趋势量进行归一化处理,计算如下:

(3)

(4)

式中:βc为主要含碳气体排放量归一化趋势指数,βi为第i个城市的线性回归方程中的斜率值,βmin为研究的样本中所设置的最小值,βmax为研究的样本中所设置的最大值。

3 结果与分析

3.1 森林过火因子及其NPP总量的时间统计量

基于2011—2021年广西MCD12Q1、MOD17A3和MCD64A1产品数据集分别计算出火点数、燃烧面积、NPP总量和可燃物载量,绘制11年广西森林过火因子及其NPP总量的时间变化图(如图1(a)所示)。可以看出,2011—2021年广西森林的火点数、燃烧面积、可燃物载量和NPP总量分别为:6 899个、1.73×105hm2、8.01×105hm2和6.42×104tC/hm2;年均火点数、燃烧面积、可燃物载量和NPP总量分别为:627个、1.57×104hm2、7.29×104hm2和5.83×103tC/hm2。广西森林过火因子及NPP总量在时间变化上高度一致,体现了广西林火的发生次数在2011—2021年的年际变化特征为整体下降趋势,同时还具有一定的阶段性特征。最明显的转折分别出现在2012年、2015年和2019年,呈现上升-下降-上升-下降的趋势。其中在2015—2017年,广西林火的发生次数呈现出高速且稳定的下降趋势,并且在2018年达到了最低点。但是,2019年广西林火的发生次数却迅速上升,是本文研究时序范围中上升速率最高的阶段。另一方面,2018—2019年广西林火的火点数、燃烧面积和NPP总量都呈现较高的上升趋势,而可燃物载量的上升趋势相对平缓,结合本文的可燃物载量模型表明,2019年广西林火所造成森林资源的损失比重与其他年份相比,可能存在较大的差异。总体而言,11年来构成广西林火的植被类型在个别年份上存在较大差异,广西林火的整体趋势具有波浪式下降的特点。为了能够更深入地研究广西森林过火因子及其NPP总量在时间上的变化规律,本文将2012、2015、2019年定义为广西林火高发年,分别把这3年的森林过火因子和NPP总量的统计量以月尺度绘制时间变化图(如图1(b)～图1(d)所示)。可以看出,广西林火具有显著的阶段性特征,即季节变化特征。按照气温将春季划分为3—5月,夏季为6—8月,秋季为9—11月,冬季为—次年2月。从季节变化特征来看,林火的发生趋势在2012年的春季显著上升,秋季和冬季明显上升;在2015年的春季和冬季显著上升,秋季明显上升;在2019年的冬季显著上升,秋季明显上升。从时间分布规律来看,在广西林火高发年中,林火发生的时间主要集中在1月、2月、4月、5月、10月和12月。以上结果与文东新等[29]关于广西森林火灾时空分布的研究结果基本一致。综合以上可以判断,广西林火成因与气候因素高度相关。

(a)11年广西森林过火因子及其NPP总量的时间变化

(b)2012年广西森林过火因子及其NPP总量的时间变化

(c)2015年广西森林过火因子及其NPP总量的时间变化

(d)2019年广西森林过火因子及其NPP总量的时间变化

3.2 森林过火因子及其NPP总量的空间分布

基于核密度原理,利用ArcGIS将2011—2021年广西林火点数据绘制成11年总火点密度图(如图2(a)所示)。可以看出,广西西北部的林火密度最大,主要集中在百色与贵州的交界区域;东部和西南部次之,分别集中在崇左、贺州、来宾,以及贵港与梧州的交汇区域;其他区域相对较低。表明林火在空间上分布较为不均衡,总体与何芸[30]的研究规律一致。基于2011—2021年广西林火点数据及其土地覆盖植被数据,估算出广西各城市总过火面积,得到11年过火面积图(如图2(b)所示)。可以看出,百色、河池和桂林的过火面积分别为7.42×104、1.60×104、1.21×104hm2,依次为广西区11年来过火面积最大的3个城市;而钦州、防城港和北海分别只有0.37×104、0.26×104、0.13×104hm2。另一方面,截至2020年,百色、河池和桂林的总面积分别为3.63×106、3.35×106、2.78×106hm2,森林覆盖率分别为72.81%、71.32%和71.89%,总面积和森林覆盖率均位居广西前列[45]。综合以上得出结论,广西不同城市的林火燃烧面积差异较大的原因主要在于其森林资源的储备量不同。

通过可燃物载量模型,本文估算出各个城市6种植被类型的可燃物载量, 11 年各城市植被类型可燃物载量占比如图2(c)所示。可以直观地看出,各区域森林可燃物载量差异很大,不同植被类型对可燃物载量贡献占比差异显著。经统计,2011—2021年广西林火总可燃物载量为2.78×105t,其中混交林和有林草地可燃物载量最高,为4.31×103、2.71×105t,落叶阔叶林和稀树草原最少,为74、146 t;常绿阔叶林、落叶阔叶林、混交林、有林草地、稀树草原和草地的可燃物载量总体占比为0.76%、0.03%、1.55%、97.44%、0.05%和0.18%,年均可燃物载量为192、7、392、2.46×104、13、44 t;百色、河池、桂林的可燃物载量为1.74×105、3.16×104、1.39×105t,依次为广西可燃物载量最高的3个城市,与过火面积数量分布情况一致;而防城港、钦州和北海的可燃物载量为1.29×103、6.08×102、5.02×102t,依次为广西可燃物载量最少的3个城市,与过火面积分布相比,在数量排序上,防城港与钦州的位置有所变化。综合以上可知,广西林火主要发生的植被类型为有林草地;与其他城市相比,只有北海、防城港和钦州可燃物载量的植被类型构成较复杂,其中北海的可燃物载量主要由常绿阔叶林、有林草地、稀树草原和草地构成,占比分别为1.34%、87.01%、0.32%和11.33%;防城港的过火面积少于钦州,可燃物载量却多于钦州,结合可燃物载量模型进行分析,这样的情况与构成林火的植被类型高度相关;另外结合3个城市的地理位置信息可判断,广西林火成因与纬度升高、温度下降关系紧密。图2(d)显示,各城市过火点NPP总量差异很大,其中百色过火点NPP总量最高,为2.87×104tC/hm2,占总过火点NPP总量的44.79%,河池、贺州、桂林、贵港、梧州、崇左和南宁分别占9.29%、5.90%、5.48%、5.17%、5.14%、4.92%和4.54%,其余6个城市占比不足15%,各个城市受林火造成的森林资源损失占比情况也由此体现。

(a)11年总火点密度图

(b)11年过火面积图

(d)11年各城市NPP总量

3.3 林火碳排放的时空格局

本文按照6种植被类型的燃烧效率、生物量比重、含碳率,单独估算出各植被类型的森林可燃物载量和碳排放量,并绘制11年广西林火碳排放总量的时间变化图(如图3(a)所示)。可以看出,2011—2021年广西林火碳排放总量为1.31×105t;年均林火碳排放量为1.19×104t;年间变化与森林过火因子及其NPP总量的变化趋势一致,具有相同的年际变化特征和阶段性特征,在2011—2021年呈波浪式下降趋势。基于2011—2021年广西MCD64A1林火点数据和每个城市的碳排放量数据,计算得到单位面积碳排放量(每个城市的碳排放总量除过火像元数),基于核密度原理,绘制11年碳排放总量密度图(如图3(b)所示)。可以看出,广西西北部的碳排放量密度最大,主要集中在百色、河池及百色与贵州的交界区域;东部次之,主要集中在贺州,以及贵港与梧州的交汇区域;其他区域相对较低,林火碳排放量在空间上呈现不均衡分布。图3(c)显示,不同区域碳排放量差异很大,百色、河池、桂林11年来碳排放总量分别为8.23×104、1.49×104、6.56×103t,防城港、钦州、北海分别为614、288、236 t,与可燃物载量在数量上的分布规律一致。由于广西林火火源性质主要是人为因素[30],并且大气环流、地形、干旱和洋流对广西林火的影响巨大[29],因而呈现上述林火碳排放空间分布,从而直接影响到广西整体碳排放结构。基于2011—2021年广西林火碳排放量数据,利用排放因子法计算得出3种主要含碳气体排放量,绘制11年广西林火主要含碳气体排放总量图(如图3(d)所示)。可以看出,2011—2021年广西林火碳排放总量主要由CO2贡献;广西区11年来CO2排放总量为3.27×105t,CO排放总量为3.08×104t,CH4为1.55×103t;占比分别为90.98%、8.59%和0.43%;百色、河池和桂林11年来3种含碳气体的排放总量分别为2.23×105、4.01×104、1.81×104t,是含碳气体排放量最高的3个城市,防城港、钦州和北海为1.62×103、901、745 t,是含碳气体排放量最低的3个城市,总体上与碳排放量的规律一致;在14个城市中CO2排放量占比最高的是贺州,为91.18%,最低的是北海,为90.51%;CO排放量占比最高的是北海,为9.05%,最低的是贺州,为8.39%;每个城市的CH4排放量占比几乎一致,均为0.43%左右。另外,贺州和北海主要含碳气体排放总量出现了占比差异,在3.2节中提到北海可燃物载量主要由有林草地和草地贡献,占比分别为87.01%和11.33%,贺州主要由有林草地和常绿阔叶林贡献,占比分别为96.97%和2.44%,而含碳气体排放量与可燃物载量有很大联系,结合本文可燃物载量模型可知其原因为构成林火的植被类型存在较大差异。

(a)11年广西林火碳排放总量的时间变化

(d)11年广西林火主要含碳气体排放总量图

3.4 林火主要含碳气体排放量时间变化及趋势分析

2011—2021年广西各城市林火主要含碳气体(CO2、CO和CH4)排放量在时间变化趋势如图4所示。南宁、百色和桂林主要含碳气体的排放量有明显下降趋势,柳州呈波浪式下降趋势,其中南宁和柳州主要含碳气体排放量的峰值在2011年,桂林和百色分别在2015年和2012年;北海、防城港、钦州、贵港、玉林、贺州、河池、来宾和崇左前中期平缓,后期有明显上升趋势,梧州呈波浪式上升趋势,这些城市主要含碳气体排放量的峰值都在2021年。对14个城市11年来主要含碳气体的排放总量进行线性回归分析,并对其斜率进行归一化处理,归一化的最小值和最大值指定为0和3 500,得到归一化含碳气体排放量指数后,利用自然间断法将其划分为显著下降、下降、上升和显著上升4个层次,对应的区间分别是-0.94、(-0.94,0]、(0,0.11]和(0.11,0.19],绘制2011—2021年广西各城市林火主要含碳气体排放总量的趋势,如图5所示。可以看出,主要含碳气体排放量呈下降趋势的城市有百色、南宁、柳州和桂林,其中显著下降的城市为百色,其归一化含碳气体排放量指数为-0.94,其余3个城市下降趋势较不明显,归一化含碳气体排放量指数分别为-0.02、-0.01和-0.07;呈上升趋势的有梧州、北海、防城港、钦州、贵港、玉林、贺州、河池、来宾和崇左,其中显著上升的城市为来宾和崇左,其归一化含碳气体排放量指数为0.18和0.19,其余8个城市上升趋势较不明显,归一化含碳气体排放量指数分别为0.04、0.08、0.08、0.08、0.08、0.10、0.11和0.16。综上,近11年来百色、南宁、柳州和桂林这4个城市林火防控方面工作比较好,而其余10个城市需多加重视林火防控工作;由于在宏观上14个城市的地理位置、气候和人文等条件比较相似,必要时,主要含碳气体排放量呈上升趋势的城市可借鉴呈下降趋势的城市的相关防治措施。

(a)南宁每年林火碳排放量

(b)柳州每年林火碳排放量

(c)桂林每年林火碳排放量

(d)梧州每年林火碳排放量

(e)北海每年林火碳排放量

(f)防城港每年林火碳排放量

(g)钦州每年林火碳排放量

(h)贵港每年林火碳排放量

(i)玉林每年林火碳排放量

(j)百色每年林火碳排放量

(l)河池每年林火碳排放量

(n)崇左每年林火碳排放量

图5 2011—2021年广西林火主要含碳气体排放总量的趋势Fig.5 Trend of total emissions of major carbon-containing gases from forest fires in Guangxi from 2011 to 2021

4 结论

为探寻广西区近11年来森林火灾对中国碳循环及“碳达峰”进程的影响,本文利用2011—2021年广西MCD64A1、MCD12Q1和MOD17A3数据集,基于GEE平台,通过可燃物载量模型和碳排放因子法,估算了广西林火的可燃物载量、碳排放量和主要含碳气体排放量(CO2、CO和CH4),并利用线性回归算法和归一化手段等,从年尺度和月尺度上分析了广西森林过火因子及其NPP总量的时间统计量及其空间分布,以及林火碳排放量和林火主要含碳气体排放量的时空变化特征,主要得到以下结论:

① 2011—2021年广西森林总可燃物载量为2.78×105t,其中有林草地和混交林可燃物载量最高,为2.71×105、4.31×103t,稀树草原和落叶阔叶林最少,为1.46×102、74 t;常绿阔叶林、落叶阔叶林、混交林、有林草地、稀树草原和草地的可燃物载量总体占比为0.76%、0.03%、1.55%、97.44%、0.05%和0.18%。

② 2011—2021年广西碳排放量密度与林火点密度的空间分布基本一致,呈现不均匀分布;碳排放主要集中在百色、河池及百色与贵州的交界区域,原因可能是该地区森林分布广、具有高火险因素、存在人类活动以及火灾管理和监测不足。表明上述区域需要重点防控。

③ 2011—2021年广西主要含碳气体总排放量为3.59×105t;CO2排放总量为3.27×105t,CO排放总量为3.08×104t,CH4为1.55×103t,占比分别为90.98%、8.59%和0.43%;百色、河池和桂林3种含碳气体的排放总量分别为2.23×105、4.01×104、1.81×104t,防城港、钦州和北海为1.62×103、901、745 t;总体分布规律与碳排放量一致,但与过火面积分布规律存在差异,主要原因是构成林火的植被类型不同。

④ 2011—2021年广西主要含碳气体排放量呈下降趋势的城市有百色、南宁、柳州和桂林,其中显著下降的城市为百色,其余3个城市下降趋势较不明显;呈上升趋势的有梧州、北海、防城港、钦州、贵港、玉林、贺州、河池、来宾和崇左,其中显著上升的城市为来宾和崇左,其余8个城市上升趋势较不明显。表明百色、南宁、柳州和桂林这4个城市林火防控有所改善,其余10个城市应对林火防控方面工作提高重视。