CN115730833A - 一种基于InVEST模型的陆地生态系统碳储量估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于InVEST模型的陆地生态系统碳储量估算方法，包括以下步骤：S1、将研究地区的土地利用类型分为耕地、林地、园地、草地、河流及干渠、湿地、建设用地和未利用地，并对每种所述土地利用类型赋予对应的代码，确定不同时期每种所述土地利用类型的面积范围，形成土地利用栅格表；S2、获取每种所述土地利用类型的碳密度值，得到与所述土地利用类型对应的四大碳库的碳密度表；S3、进行历年的碳储量计算，得到研究地区的总碳储量的变化特征；本发明对用地类型进行较为系统完备的分类，优化各用地类型对应的碳密度，提高了碳储量的估算精度，解决了现有技术碳储量的估算不准确性的问题。
Description
技术领域
本发明涉及到国土空间规划和碳循环领域，具体涉及到一种基于InVEST模型的陆地生态系统碳储量估算方法。
背景技术
InVEST模型是生态系统服务和权衡的综合评估模型(Integrated Valuation ofEcosystem Services and Trade-offs)是美国斯坦福大学、大自然保护协会(TNC)与世界自然基金会(WWF)联合开发的，旨在通过模拟不同土地覆被情景下生态服务系统物质量和价值量的变化，为决策者权衡人类活动的效益和影响提供科学依据，用于生态系统服务功能评估的模型系统InVEST模型填补了这一领域的空白，实现了生态系统服务功能价值定量评估的空间化。该模型较以往生态系统服务功能评估方法的最大优点是评估结果的可视化表达，解决了以往生态系统服务功能评估用文字抽象表述而不够直观的问题。
为了实现碳达峰、碳中和的目标，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系，其中碳储量是衡量生态系统的初级生产力规模和数量的重要指标，对区域碳循环和碳源/汇研究、减缓气候变化和维持区域可持续发展具有重要意义。
专利CN114021371A提供了一种确定多年冻土区碳储量估算的方法，根据预设参考点的周期平均气温/周期平均地温，结合数字高程模型、坡度、坡向、经纬度等信息，利用InVEST模型对碳储量进行估算，对土地利用类型中林地重分类，提高碳储量估算精度。
专利CN114358995A提供了一种基于大数据分析的区域碳中和计算方法，主要研究区域内森林碳库，并根据地区的碳库数据计算碳储量，同时利用地基平台大气的二氧化碳浓度观测数据，通过一定时间内碳储量和碳排放的数据进行碳中和计算。
现有的专利文献，由于研究区域的不同、土地利用类型对应的碳密度的复杂性，导致区域内碳库的建立不同，进而碳储量的估算存在不准确性；目前虽然有针对林地分类进行重分类，再对应碳密度关系，进而提高碳储量估算的精度的方案，但对于其他用地类型还未提出过分类研究，缺少较为完备的陆地生态系统碳储量的估算方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于InVEST模型的陆地生态系统碳储量估算方法，对用地类型进行较为系统完备的分类，优化各用地类型对应的碳密度，提高了碳储量的估算精度，解决了现有技术碳储量的估算不准确性的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于InVEST模型的陆地生态系统碳储量估算方法，包括以下步骤：
S1、根据地区的“三调”数据和历年国土变更调查，将研究地区的土地利用类型分为耕地、林地、园地、草地、河流及干渠、湿地、建设用地和未利用地，并对每种所述土地利用类型赋予对应的代码，确定不同时期每种所述土地利用类型的面积范围，形成土地利用栅格表；
S2、通过公开发表的文献，并结合研究地区实际情况，获取每种所述土地利用类型的碳密度值，得到与所述土地利用类型对应的四大碳库的碳密度表；
S3、利用InVEST模型中的碳储量模块，输入各个所述土地利用类型对应的四大碳库的碳密度以及各个所述土地利用类型的对应土地面积，进行历年的碳储量计算，得到研究地区的总碳储量的变化特征。
进一步的，根据植被覆盖度状况与植被碳密度、土壤碳密度的不同，
将所述湿地进一步细分为红树林地、森林沼泽、灌丛沼泽、沼泽草地、沿海滩涂、内陆滩涂和沼泽地；
将所述林地进一步细分为水田、水浇地和旱地；
将所述园地进一步细分为果园、茶园、橡胶园和其他园地；
将所述林地进一步细分为乔木林地、竹林地、灌木林地和其他林地；
将所述林地进一步细分为天然牧草地、人工牧草地和其他草地；
将所述建设用地进一步细分为城镇村及工矿用地和交通运输用地；所述城镇村及工矿用地又分为城市、建制镇、村庄、盐田及采矿用地和特殊用地；所述交通运输用地又分为铁路用地、轨道交通用地、公路用地、机场用地、港口码头用地、管道运输用地；
所述河流及干渠进一步细分为河流水面、湖泊水面、水库水面、坑塘水面、沟渠、水工建筑用地、冰川及永久积雪；
所述未利用地又分为空闲地、设施农用地、田坎、盐碱地、沙地、裸土地和裸岩石砾地。
进一步的，步骤S2中的所述四大碳库包括地上生物量、地下生物量、死亡有机质和土壤有机质；其中所述地上生物量碳密度为地球表层0～20cm范围内固定面积的碳含量均值；所述地下生物量碳密度为地表以下部分固定面积的植物根系中有机碳含量的均值；所述土壤有机质碳密度为地球表层以下20～100cm单位面积土壤中的有机碳含量值。
进一步的，还包括以下步骤：
S4、将研究地区划分为若干个子区域，计算每个所述子区域的不同时期的碳储量，对碳收支平衡进行计算，绘制所述子区域的碳储量栅格图，将若干个所述子区域分为碳源区、碳汇区和碳平衡区。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、对用地类型进行细化分类，将研究地区的土地利用类型分为耕地、林地、园地、草地、河流及干渠、湿地、建设用地和未利用地，优化各用地类型对应的碳密度，提高了碳储量的估算精度；
2、在国土变更调查数据基础上，结合不同地类的植被覆盖度状况与植被碳密度、土壤碳密度，进一步细分用地类型，有效衔接森林资源、湿地资源、草地资源等专项调查相关标准成果，统一底图底数，满足省、市、小、乡等不同层次国土空间规划碳储量计算需求，更加符合当前“多规合一”的大背景；
3、将研究地区划分为若干个子区域，并且将用地类型细化分类，便于更加准确的评估子区域不同时期的碳储量，对碳收支平衡进行更加准确定量的计算，为复绿工程施工、维持区域可持续发展项目提供了数据依据。
附图说明
图1为本发明分类土地利用类型的实施例流程图；
图2为本发明建立碳密度表的实施例流程图；
图3为本发明估算碳储量的实施例流程图；
图4为本发明分析碳储量变化特征的实施例流程图；
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“水平”、“垂直”等指示的方位或位置关系为均基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1至图4所示，一种基于InVEST模型的陆地生态系统碳储量估算方法，包括以下步骤：
S1、借助ArcGIS软件建立数据库，根据地区的“三调”数据和历年国土变更调查，对研究地区的土地利用类型进行分类，并对每种所述土地利用类型赋予对应的代码，确定不同时期每种所述土地利用类型的面积范围，形成土地利用栅格表；
S2、通过公开发表的文献，并结合研究地区实际情况，获取每种所述土地利用类型的碳密度值，得到与所述土地利用类型对应的四大碳库的碳密度表；
土地利用类型对应的碳密度值为直接引用现有数据，参考的公开发表的文献如下：生态学报,2019,39(02):672-683；生态学报,2022,42(06):2265-2280；水土保持研究,2022,29(04):377-386+393；生态学报,2022(23):1-16；上海国土资源,2021,42(03):1-6；中国土地科学,2021,35(11):101-111。
所述四大碳库包括地上生物量、地下生物量、死亡有机质和土壤有机质；其中所述地上生物量碳密度为地球表层0～20cm范围内固定面积的碳含量均值；所述地下生物量碳密度为地表以下部分固定面积的植物根系中有机碳含量的均值；所述土壤有机质碳密度为地球表层以下20～100cm单位面积土壤中的有机碳含量值；碳密度数据是根据不同地类的植被覆盖度状况与植被碳密度、土壤碳密度获得。
S3、利用InVEST模型中的碳储量模块，输入各个所述土地利用类型对应的四大碳库的碳密度以及不同时期各个所述土地利用类型的对应土地面积，进行历年的碳储量计算，得到研究地区的总碳储量的变化特征。
S4、将研究地区划分为若干个子区域，计算每个所述子区域的不同时期的碳储量，对碳收支平衡进行计算，绘制所述子区域的碳储量栅格图，将若干个所述子区域分为碳源区、碳汇区和碳平衡区。
优选的，在一个实施例中，根据地区的“三调”数据和历年国土变更调查，将研究地区的土地利用类型分为耕地、林地、园地、草地、河流及干渠、湿地、建设用地和未利用地；通过公开发表的文献，并结合研究地区实际情况，得到与各土地利用类型对应的四大碳库的碳密度关系如表1所示。
| 用地类型 | 代码 | 地上生物量 | 地下生物量 | 土壤有机质 | 死亡有机质 |
| 耕地 | 1 | 16.49 | 10.89 | 75.82 | 2.11 |
| 林地 | 2 | 30.14 | 6.03 | 100.15 | 2.78 |
| 园地 | 3 | 13.10 | 3.50 | 62.20 | 1.95 |
| 草地 | 4 | 14.29 | 17.15 | 87.05 | 7.28 |
| 河流及干渠 | 5 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| 其他湿地 | 6 | 10.83 | 19.18 | 106.70 | 3.98 |
| 建设用地 | 7 | 7.61 | 1.52 | 34.33 | 0.00 |
| 未利用地 | 8 | 10.36 | 2.07 | 34.42 | 0.96 |
表1
优选的，在一个实施例中，结合不同地类的植被覆盖度状况与植被碳密度、土壤碳密度，将研究地区的土地利用类型进一步细分为将所述湿地进一步细分为红树林地、森林沼泽、灌丛沼泽、沼泽草地、沿海滩涂、内陆滩涂和沼泽地；将所述林地进一步细分为水田、水浇地和旱地；将所述园地进一步细分为果园、茶园、橡胶园和其他园地；将所述林地进一步细分为乔木林地、竹林地、灌木林地和其他林地；将所述林地进一步细分为天然牧草地、人工牧草地和其他草地；将所述建设用地进一步细分为城镇村及工矿用地和交通运输用地；所述城镇村及工矿用地又分为城市、建制镇、村庄、盐田及采矿用地和特殊用地；所述交通运输用地又分为铁路用地、轨道交通用地、公路用地、机场用地、港口码头用地、管道运输用地；所述河流及干渠进一步细分为河流水面、湖泊水面、水库水面、坑塘水面、沟渠、水工建筑用地、冰川及永久积雪；所述未利用地又分为空闲地、设施农用地、田坎、盐碱地、沙地、裸土地和裸岩石砾地。
按照年度国土变更调查数据的分类进行完善，更加符合当前“多规合一”的大背景，同时，有效衔接森林资源、湿地资源、草地资源等专项调查相关标准，统一底图底数，满足省、市、小、乡等不同层次国土空间规划碳储量计算需求
通过公开发表的文献，并结合研究地区实际情况，得到与各土地利用类型对应的四大碳库的碳密度关系如表2所示。
表2
将表2中各个土地利用类型对应的四大碳库的碳密度以及2014年、2018年和2020年时期各个土地利用类型的对应土地面积数据，导入InVEST模型中的碳储量模块进行计算，得到该研究地区2014年碳储量为15.43亿吨，2018年碳储量15.38亿吨，2020年碳储量为15.74亿吨，即该研究地区的碳储量先减少再增加，总体碳储量呈上升趋势。
进一步，步骤S4将得到的2018年和2020年的碳储量分布的栅格影像图利用ArcGIS软件空间分析工具中的栅格计算器进行地图代数，得到2018年与2020年的地图变化栅格图；通过ArcGIS重分类将计算得到的正值较高区域划分为碳汇区，0值附近的区域划分为碳收支平衡区，负值绝对值较高的区域划分为碳源区。基于该研究地区2020年和2018年的国土变更调查数据计算得出，全市碳储量2020年较2018年(15.38亿吨)增加0.36亿吨，针对碳汇区分析发现，主要由于矿山、塘口、裸地等的复绿工程，使得碳储量增加，表明该地区的矿山治理工程取得一定的成效，为复绿工程施工，维持区域可持续发展提供了准确的数据依据。
本方案建立与土地利用类型变更调查数据相适应的陆地生态系统碳储量估算及其变化特征的研究方法，对构建国土空间规划碳计量方法体系，探索碳中和目标与国土空间开发利用挂钩的落实策略，统筹碳源与碳汇空间，合理配置生态资源，保持固碳功能稳定，减少区域碳排放，促进国土空间低碳转型和生态经济可持续发展具有重要意义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种基于InVEST模型的陆地生态系统碳储量估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将研究地区的土地利用类型分为耕地、林地、园地、草地、河流及干渠、湿地、建设用地和未利用地，并对每种所述土地利用类型赋予对应的代码，确定不同时期每种所述土地利用类型的面积范围，形成土地利用栅格表；
S2、通过公开发表的与研究地区相关的文献或进行实地测量，获取每种所述土地利用类型的碳密度值，得到与所述土地利用类型对应的四大碳库的碳密度表；
S3、利用InVEST模型中的碳储量模块，输入各个所述土地利用类型对应的四大碳库的碳密度以及各个所述土地利用类型的对应土地面积，进行历年的碳储量计算，得到研究地区的总碳储量的变化特征。
2.根据权利要求1所述的一种基于InVEST模型的陆地生态系统碳储量估算方法，其特征在于，根据植被覆盖度状况与植被碳密度、土壤碳密度的不同，
将所述湿地进一步细分为红树林地、森林沼泽、灌丛沼泽、沼泽草地、沿海滩涂、内陆滩涂和沼泽地；
将所述林地进一步细分为水田、水浇地和旱地；
将所述园地进一步细分为果园、茶园、橡胶园和其他园地；
将所述林地进一步细分为乔木林地、竹林地、灌木林地和其他林地；
将所述林地进一步细分为天然牧草地、人工牧草地和其他草地；
将所述建设用地进一步细分为城镇村及工矿用地和交通运输用地；所述城镇村及工矿用地又分为城市、建制镇、村庄、盐田及采矿用地和特殊用地；所述交通运输用地又分为铁路用地、轨道交通用地、公路用地、机场用地、港口码头用地和管道运输用地；
所述河流及干渠进一步细分为河流水面、湖泊水面、水库水面、坑塘水面、沟渠、水工建筑用地和冰川及永久积雪；
所述未利用地又分为空闲地、设施农用地、田坎、盐碱地、沙地、裸土地和裸岩石砾地。
3.根据权利要求1所述的一种基于InVEST模型的陆地生态系统碳储量估算方法，其特征在于，步骤S2中的所述四大碳库包括地上生物量、地下生物量、死亡有机质和土壤有机质；其中所述地上生物量碳密度为地球表层0～20cm范围内固定面积的碳含量均值；所述地下生物量碳密度为地表以下部分固定面积的植物根系中有机碳含量的均值；所述土壤有机质碳密度为地球表层以下20～100cm单位面积土壤中的有机碳含量值。
4.根据权利要求1所述的一种基于InVEST模型的陆地生态系统碳储量估算方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S4、将研究地区划分为若干个子区域，计算每个所述子区域的不同时期的碳储量，对碳收支平衡进行计算，绘制所述子区域的碳储量栅格图，将若干个所述子区域分为碳源区、碳汇区和碳平衡区。
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