楊緒紅，金曉斌，劉 晶，顧錚鳴，周寅康

(1. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210023; 2. 國(guó)土資源部海岸帶開(kāi)發(fā)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210023)

人類(lèi)土地利用活動(dòng)顯著影響了區(qū)域乃至全球尺度的碳排放效應(yīng)，隨著人口不斷膨脹和科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，這種影響愈加明顯。工業(yè)革命以來(lái)，全球42%～68%的土地覆備受人類(lèi)土地利用活動(dòng)影響，而由土地利用/覆被變化(LUCC)導(dǎo)致的全球碳排放高達(dá)177 Pg，除化石燃料燃燒和水泥生產(chǎn)產(chǎn)生大量碳排放外，人類(lèi)的LUCC活動(dòng)業(yè)已成為引起陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化的重要因子，其影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了自然變化影響的速率和程度[1]。因此，采用科學(xué)的模型或方法準(zhǔn)確評(píng)估人類(lèi)活動(dòng)引起的LUCC所導(dǎo)致的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支變化，將有助于降低陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量估算的不確定性。同時(shí)，在全球變暖的大背景下，科學(xué)估算、預(yù)測(cè)、分析土地利用導(dǎo)致的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化，為應(yīng)對(duì)國(guó)際氣候變化談判、分擔(dān)氣候變化責(zé)任提供數(shù)據(jù)支持方面具有重大現(xiàn)實(shí)需求。

土地利用碳排放核算方法研究涉及多學(xué)科交叉，核算過(guò)程復(fù)雜、參數(shù)眾多。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土地利用碳收支核算開(kāi)發(fā)了如排放清單法[2]、樣地清查法[3]、生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程模型[4]、遙感估算模型[5]和計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)法[6]等模型算法和核算系統(tǒng)[7]，并從全球[8]、洲際[9]、國(guó)家[2,10]和區(qū)域[11]及城市[12-13]等不同時(shí)空維度對(duì)LUCC碳收支進(jìn)行了核算。其中，作為計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)法中的優(yōu)良算法，簿記模型(bookkeeping)因其設(shè)計(jì)了反映土地利用活動(dòng)導(dǎo)致的土壤和植被生態(tài)系統(tǒng)變化過(guò)程的干擾響應(yīng)曲線，較為客觀地再現(xiàn)了土壤碳庫(kù)和植被碳庫(kù)的變化過(guò)程，成為眾多國(guó)外科學(xué)研究的首選核算模型，其模型核算結(jié)果被IPCC報(bào)告多次引用[6]。但由于該算法的參數(shù)眾多、算法復(fù)雜限制了簿記模型廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)土地利用的碳排放效應(yīng)研究。

鑒于此，針對(duì)土地利用/覆被變化的碳排放效應(yīng)分析之應(yīng)用需求，本文擬選擇簿記模型基本原型作為模型的核心算法，構(gòu)建一套包含土地開(kāi)墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)4種情景在內(nèi)的土地利用碳排放核算系統(tǒng)。希冀進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型的運(yùn)算過(guò)程、量化核心算法和推廣模型的實(shí)際應(yīng)用。

1 系統(tǒng)算法原理

1.1 簿記模型簡(jiǎn)介

簿記模型是由Houghton等建立的用于核算陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣碳素交換從“搖籃”到“墳?zāi)埂比^(guò)程的碳收支模型，經(jīng)筆者不斷地對(duì)模型進(jìn)行修正和完善，該模型被廣泛應(yīng)用于赤道、美國(guó)、中國(guó)及其他亞洲國(guó)家和地區(qū)土地利用/土地覆被變化引起的碳源、碳匯的動(dòng)態(tài)特征研究[6,14-15]。簿記模型是一類(lèi)靜態(tài)的記賬模型，其原理是以年為時(shí)間步長(zhǎng)，逐年記錄由土地利用/覆被變化引起的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量年凈增量。模型在計(jì)數(shù)原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了反映生態(tài)過(guò)程的干擾響應(yīng)曲線(如圖1所示)。干擾響應(yīng)曲線考慮了單位土地面積上植被和土壤的全部碳儲(chǔ)量，并強(qiáng)調(diào)了生物體腐爛、氧化導(dǎo)致的碳釋放及不同產(chǎn)品氧化速率的差異[15]。在計(jì)算時(shí)，模型需要輸入兩類(lèi)數(shù)據(jù)：一是年度土地利用/土地覆被變化數(shù)據(jù)；二是因土地利用和管理方式不同引起的碳密度變化數(shù)據(jù)。

圖1 森林收獲(a)和開(kāi)墾(b)后單位面積植被和土壤碳密度理想化響應(yīng)曲線注：據(jù)文獻(xiàn)[6]成果轉(zhuǎn)繪。

1.2 簿記模型算法

基于土地利用/土地覆被變化率、植被和土壤碳密度變化率，以年為步長(zhǎng)，逐年累加土地利用/覆被變化引起的植被和土壤碳儲(chǔ)量的年凈變化量即可評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳排放量[1]。碳凈變量ΔC可表達(dá)為

(1)

式中，N為研究年限；T為碳密度到達(dá)穩(wěn)定時(shí)所需時(shí)間；ΔSOCt、ΔVCt分別為第t年土壤和植被的碳儲(chǔ)量年凈增量，定義正號(hào)為碳匯，負(fù)號(hào)為碳源。

1.2.1 第t年土壤碳儲(chǔ)量年凈增量求取

研究時(shí)段內(nèi)第t年土地利用/覆被變化引起的土壤碳儲(chǔ)年凈增量變化ΔSOCt由兩部分組成：一是地表原生植被移除后遺留下來(lái)的枯枝落葉和地下根系經(jīng)過(guò)腐爛后進(jìn)入土壤，增加土壤有機(jī)碳含量；二是由于地表植被移除后，人為的翻耕、攪拌和填埋等干擾活動(dòng)造成土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)、溫度、濕度等理化屬性發(fā)生變化而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳庫(kù)大量被釋放，土壤碳儲(chǔ)年凈增量變化ΔSOCt可表達(dá)為

(2)

式中，i、j和z分別為土地覆被類(lèi)型和類(lèi)型總數(shù)；n為第n年，且0≤n≤t；Ai,j,n為第n年土地覆被類(lèi)型i向j轉(zhuǎn)換的面積；mi為土地覆被類(lèi)型i的植被碳密度；a為遺留下來(lái)的枯枝落葉在x1年腐爛速率下的植被碳占總碳儲(chǔ)量百分比；Si,j,t為土地覆被類(lèi)型i向j轉(zhuǎn)換后在第t年的土壤碳密度變化速率，其計(jì)算方法為

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

(3)

式中，Si,j,t2、Si,j,t1分別為土地覆被類(lèi)型i向j轉(zhuǎn)換后在t2和t1兩個(gè)不同生長(zhǎng)或恢復(fù)時(shí)段內(nèi)的土壤碳密度，且有t1≤t≤t2。

1.2.2 第t年植被碳儲(chǔ)量年凈增量求取

研究時(shí)段內(nèi)第t年土地利用/覆被變化引起的植被碳儲(chǔ)年凈增量變化ΔVCt由3部分組成：一是地表原生植被移除后自然恢復(fù)的或人工種植的植被帶來(lái)的植被有機(jī)碳增量；二是地表植被生物質(zhì)移走后用作不同用途而逐年氧化釋放出植被有機(jī)碳儲(chǔ)量；三是遺留在地表的枯枝落葉和地下的根系逐年腐爛后釋放植被碳庫(kù)進(jìn)入土壤。植被碳儲(chǔ)年凈增量變化ΔVCt可表達(dá)為

ΔVCt=ΔVCt原地-ΔVCt移走-ΔVCt遺留

(4)

式中，ΔVCt原地、ΔVCt移走和ΔVCt遺留分別為第t年原地植被恢復(fù)、移走原地植被和遺留原地植被的碳凈變化量，各部分的計(jì)算方法分別為

(5)

式中，Ai,j,n為第n年土地覆被類(lèi)型i向j轉(zhuǎn)換的面積；Vi,j,t為土地覆被類(lèi)型i向j轉(zhuǎn)換后在第t年的植被碳密度變化速率，求法為

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

(6)

式中,Vi,j,t2、Vi,j,t1分別為土地覆被類(lèi)型i向j轉(zhuǎn)換后在t2和t1兩個(gè)不同生長(zhǎng)或恢復(fù)時(shí)段內(nèi)的植被碳密度，且有t1≤t≤t2。

(7)

式中,n為第n年，且0≤n≤t；Ai,j,n為第n年土地覆被類(lèi)型i向j轉(zhuǎn)換的面積；mi為土地覆被類(lèi)型i的植被碳密度；b、c和d分別為不同x2、x3和x4年氧化速率下的植被碳占植被總碳儲(chǔ)量的百分比。

(8)

式中，Ai,j,n為第n年土地覆被類(lèi)型i向j轉(zhuǎn)換的面積；a為遺留下來(lái)的枯枝落葉在x1年腐爛速率下的植被碳占植被總碳儲(chǔ)量百分比。

考慮到地表原生植被清除后，種植的農(nóng)作物為一年一熟或一年多熟，農(nóng)作物以糧食形式固定的碳素通過(guò)食物鏈最終又釋放到大氣碳庫(kù)中，故不再考慮地表原生植被清除后原地農(nóng)作物植被恢復(fù)所增加的植被碳庫(kù)，即不需核算土地開(kāi)墾后原地農(nóng)作物種植(ΔVCt原地)對(duì)植被碳庫(kù)的增量。此外，由于遺留在地表的枯枝落葉和地下的根系逐年腐爛后釋放植被碳庫(kù)進(jìn)入土壤，增加土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量，這部分碳在碳庫(kù)中并未消失，只是從植物生物體內(nèi)轉(zhuǎn)入土壤圈中，故在植被碳儲(chǔ)量變化估算中不需核算遺留原地植被的碳庫(kù)總量(ΔVCt遺留)。森林收獲造成的植被和土壤碳排放核算方法與土地開(kāi)墾相同，而土地棄墾(退耕)和森林恢復(fù)即為上述方法的逆變過(guò)程。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與模塊

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

結(jié)合簿記模型計(jì)算原理、用戶需求和保障系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，土地利用碳排放核算系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)體系采用傳統(tǒng)的三級(jí)架構(gòu)，即數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和表示層，整體邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)著土地利用碳排放核算相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的各種功能，集成了土地利用碳排放核算所需的模型、方法、功能和通信規(guī)則，通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)層的輸入數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能并輸出對(duì)應(yīng)的估算結(jié)果；表示層相當(dāng)于一個(gè)可視化環(huán)境，實(shí)現(xiàn)土地利用碳排放估算模塊各種輸出數(shù)據(jù)的可視化輸出。

2.2 系統(tǒng)功能模塊

為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、層次清晰和功能獨(dú)立，并具有較強(qiáng)的兼容性和開(kāi)發(fā)性，將碳排放核算系統(tǒng)劃分為4個(gè)功能模塊，分別是數(shù)據(jù)管理模塊、時(shí)點(diǎn)管理模塊、土地開(kāi)墾/退耕碳排放核算模塊、森林收獲/恢復(fù)碳排放核算模塊，各模塊間通過(guò)數(shù)據(jù)流和通信規(guī)則實(shí)現(xiàn)彼此間的有機(jī)聯(lián)系。功能模塊具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊為系統(tǒng)核算土地利用導(dǎo)致的土壤和植被碳排放提供數(shù)據(jù)和方法管理功能，主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、查詢(xún)、修改、刪除、導(dǎo)出和分析及模型方法更新等功能，分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、響應(yīng)曲線庫(kù)、模型方法庫(kù)和成果數(shù)據(jù)庫(kù)。4個(gè)部分的主要功能如下：

(1) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)提供核算區(qū)域逐個(gè)核算時(shí)點(diǎn)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的變化類(lèi)型和規(guī)模，包括土地開(kāi)墾、土地退耕、森林收獲、森林恢復(fù)導(dǎo)致的各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模變化。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)功能模塊

(2) 響應(yīng)曲線庫(kù)：響應(yīng)曲線庫(kù)是專(zhuān)題管理土地開(kāi)墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)導(dǎo)致的土壤和植被碳密度參數(shù)，以及土壤和植被在清理期和恢復(fù)期的各類(lèi)干擾響應(yīng)曲線參數(shù)。其中，土地開(kāi)墾/退耕部分包含3類(lèi)16個(gè)參數(shù)，森林收獲/恢復(fù)部分包含3類(lèi)15個(gè)參數(shù)，用戶可自行設(shè)計(jì)也可選擇系統(tǒng)自帶的默認(rèn)參數(shù)。核算參數(shù)詳見(jiàn)表1。

(3) 模型方法庫(kù)：模型方法庫(kù)存儲(chǔ)了土地開(kāi)墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)導(dǎo)致的土壤和植被碳排放的核算模型方法，集成了8套核心方法代碼。模型方法庫(kù)設(shè)有模型拓展接口，可以對(duì)模型進(jìn)行增加、修改和刪除操作，以及調(diào)整模型的部分參數(shù)設(shè)置。

(4) 成果數(shù)據(jù)庫(kù)：成果數(shù)據(jù)庫(kù)是存儲(chǔ)、管理并能夠可視化土地開(kāi)墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)系列核算成果的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括土壤碳排放、植被碳排放和土地利用總碳排放等表格；成果數(shù)據(jù)庫(kù)可進(jìn)一步通過(guò)外部軟件和程序進(jìn)行時(shí)空分析、可視化制圖等操作。

表1 干擾響應(yīng)曲線參數(shù)

2.2.2 時(shí)點(diǎn)管理模塊

時(shí)點(diǎn)管理模塊是對(duì)土地利用碳排放系統(tǒng)的起算時(shí)點(diǎn)、中間時(shí)點(diǎn)和終止時(shí)點(diǎn)進(jìn)行管理的功能模塊，包括估算時(shí)點(diǎn)的增減和修改。時(shí)點(diǎn)管理模塊主要是控制核算區(qū)域內(nèi)估算時(shí)點(diǎn)的數(shù)量和各個(gè)時(shí)點(diǎn)的年份，通過(guò)時(shí)點(diǎn)年份和數(shù)量可匹配核算區(qū)域從起算時(shí)點(diǎn)至終止時(shí)點(diǎn)內(nèi)逐年的土壤和植被碳排放凈變化量。

2.2.3 土地開(kāi)墾/退耕碳排放核算模塊

土地開(kāi)墾核算模塊是用于核算人類(lèi)通過(guò)土地利用活動(dòng)開(kāi)墾森林、灌叢、草地、沼澤、荒漠、水體、灘涂等不同生態(tài)系統(tǒng)后，所導(dǎo)致的不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫(kù)、植被碳庫(kù)的碳儲(chǔ)量變化；相反，土地退耕核算模塊是用于核算人類(lèi)開(kāi)墾的耕地由于退耕后轉(zhuǎn)變?yōu)樯?、灌叢、草地、沼澤、荒漠、水體、灘涂等不同生態(tài)系統(tǒng)后，所帶來(lái)的不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫(kù)、植被碳庫(kù)的碳儲(chǔ)量變化。土地開(kāi)墾/退耕碳排放核算模塊以地理或行政區(qū)域?yàn)楹怂慊締卧?，設(shè)計(jì)逐年并行核算多個(gè)區(qū)域土地開(kāi)墾/退耕活動(dòng)導(dǎo)致的土壤和植被碳排放。

2.2.4 森林收獲/恢復(fù)碳排放核算模塊

森林收獲核算模塊是用于核算人類(lèi)砍伐森林、收獲林木有機(jī)質(zhì)和生物量等活動(dòng)造成森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫(kù)、植被碳庫(kù)的碳儲(chǔ)量變化。森林恢復(fù)核算模塊是用于核算森林砍伐后，人類(lèi)在原地人工造林或原地自然恢復(fù)所引起的森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫(kù)、植被碳庫(kù)的碳儲(chǔ)量變化。森林收獲/恢復(fù)碳排放核算模塊以地理或行政區(qū)域?yàn)楹怂慊締卧?，設(shè)計(jì)了并行同步核算功能，即可同時(shí)逐年并行核算多個(gè)區(qū)域森林收獲或恢復(fù)活動(dòng)導(dǎo)致的土壤和植被碳排放。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與界面

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于插件式開(kāi)發(fā)框架，系統(tǒng)以C#作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用Spring.NET技術(shù)，封裝ADO.NET，實(shí)現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)查詢(xún)和操作。依據(jù)系統(tǒng)需求，采用.NET開(kāi)發(fā)技術(shù)，讀取數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)土地利用排放核算相關(guān)業(yè)務(wù)算法的封裝，供表層展示計(jì)算結(jié)果?；?NET技術(shù)，以“平臺(tái)+插件”的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)思想，即通過(guò)定義平臺(tái)擴(kuò)展接口和插件接口標(biāo)準(zhǔn)，利用平臺(tái)接口實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和插件的通信，插件可以獲取平臺(tái)各種數(shù)據(jù)資源。同時(shí)使用系統(tǒng)日志模塊，記錄系統(tǒng)操作的相關(guān)日志信息。

3.2 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)界面主要包括了菜單工具欄、核算模塊欄、估算時(shí)點(diǎn)欄、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入欄、結(jié)果輸出欄和計(jì)算觸發(fā)欄。其中，菜單工具欄內(nèi)包含土地開(kāi)墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)碳排放的激發(fā)菜單，以及系統(tǒng)幫助信息和退出系統(tǒng)等菜單；核算模塊欄內(nèi)嵌了土地開(kāi)墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)碳排放4個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置和模型方法，激發(fā)后將進(jìn)入相應(yīng)的碳排放核算模塊；估算時(shí)點(diǎn)欄用于接收對(duì)應(yīng)估算區(qū)域的估算時(shí)點(diǎn)數(shù)量和時(shí)段參數(shù)；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入欄包括了土地利用年度變化數(shù)據(jù)和干擾響應(yīng)曲線兩項(xiàng)參數(shù)，前者為土地開(kāi)墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)的年均變化面積，后者為對(duì)應(yīng)地類(lèi)的干擾響應(yīng)曲線參數(shù)，土地開(kāi)墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)的干擾響應(yīng)曲線參數(shù)分別包含16和15個(gè)參數(shù)，用戶可自行設(shè)計(jì)亦可選擇系統(tǒng)自帶的默認(rèn)參數(shù)。結(jié)果輸出欄用于接收土地開(kāi)墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)導(dǎo)致的土壤和植被排放核算結(jié)果，輸出結(jié)果可用TXT或CSV文件格式予以存儲(chǔ)；計(jì)算觸發(fā)欄用于激發(fā)對(duì)應(yīng)模塊的土壤和植被碳排放核算。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)土地利用/覆被變化的碳排放效應(yīng)分析的應(yīng)用需求，本文選擇簿記模型基本原型作為模型的核心算法，構(gòu)建了一套包含土地開(kāi)墾/退耕、森林收獲/恢復(fù)4種情景在內(nèi)的土地利用碳排放核算系統(tǒng)。構(gòu)建的系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①以地理區(qū)域?yàn)楹怂慊締卧?，逐年并行核算多個(gè)區(qū)域土地利用活動(dòng)導(dǎo)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將復(fù)雜的碳排放核算模型算法封裝于系統(tǒng)內(nèi)，模型應(yīng)用人員只需配置相應(yīng)參數(shù)或利用系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)即可參與運(yùn)算，節(jié)省了寶貴的科研時(shí)間；③系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔明了、輸入?yún)?shù)少、操作簡(jiǎn)便。