肖 陽，佘濟云，陸 禹，孟 偉

（中南林業(yè)科技大學(xué)商學(xué)院，湖南 長沙 410004）

GIS在天然林碳匯價值評價中的應(yīng)用

肖 陽，佘濟云，陸 禹，孟 偉

（中南林業(yè)科技大學(xué)商學(xué)院，湖南 長沙 410004）

依據(jù)森林資源二調(diào)數(shù)據(jù)，對毛瑞林場內(nèi)的天然林進(jìn)行隨機抽樣布點，采用換算因子連續(xù)函數(shù)法估算其碳匯量，并采用造林成本法計算其碳匯價值；利用Arcgis中的空間分析功能對研究區(qū)內(nèi)的碳匯價值進(jìn)行了插值分析和重分類。結(jié)果表明：（1）毛瑞林場天然林碳匯總價值約為5.6千萬元；（2）利用地統(tǒng)計分析中的克里格插值法對天然林碳匯價值進(jìn)行評價，結(jié)果較為客觀真實，與實際情況相符。

天然林；碳匯價值；GΙS；毛瑞林場

1 森林碳匯價值評價方法

1.1 碳匯量估算方法

目前，有關(guān)森林碳匯量的估算方法有很多[13-16]，不同領(lǐng)域采用的手段也各不相同。大氣學(xué)科利用氣象技術(shù)從CO2的測量入手；生態(tài)學(xué)科利用傳統(tǒng)的生物量抽樣測量入手；林學(xué)學(xué)科從森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)或二類調(diào)查數(shù)據(jù)入手；環(huán)境學(xué)科則從CO2通量測量入手?？偨Y(jié)起來，主要有生物量法、生物量清單法、渦度協(xié)方差法、渦旋相關(guān)法和蓄積法，換算因子連續(xù)函數(shù)法則是生物量法中最為常用的方法之一。

1.2 價值量估算方法

國內(nèi)外許多學(xué)者對碳匯價值的確定主要從成本和構(gòu)造假設(shè)市場兩種角度進(jìn)行度量的，前者主要包括造林成本法、CO2成本法、碳稅法、損失估算法、變化的碳稅法；后者是通過詢問、調(diào)查消費者對森林碳匯服務(wù)的支付意愿以及支付數(shù)量程度，以此來確定碳匯的價值。

2 GΙS中的克里格插值

克里格插值是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量進(jìn)行無偏差最優(yōu)估計的一種方法，該方法充分吸收了空間統(tǒng)計思想，認(rèn)為任何空間連續(xù)分布的屬性是非常不規(guī)則的，不能用簡單的平滑數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行模擬，而可以用隨機表面給予適當(dāng)描述。因為克里格插值是以空間的自相關(guān)性為基礎(chǔ)，利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對區(qū)域變化量的未知采樣點進(jìn)行最優(yōu)無偏差估計的插值方法，因而插值效果客觀準(zhǔn)確，能充分反映空間事物之間的相互影響[17]。其計算公式可表示為：

式（1）中：Z（x0）為未知樣點值；Z（xi）為未知樣點周圍的已知樣點值，λi為第i個已知樣本點的權(quán)重，n為已知樣本點的個數(shù)[17]。

克里格插值主要的研究工具是變差函數(shù)，其公式如下：

式（2）中：Z（x）和Z（x+h）為在點x和x+h處的值，h為偏離x的距離。

利用各樣地的碳匯價值進(jìn)行克里格插值分析，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)平均值最接近于0、均方根預(yù)測誤差最小、評價標(biāo)準(zhǔn)差最接近于均方根預(yù)測誤差、標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差最接近于1和實線趨勢與虛線趨勢最吻合的原則，選擇最優(yōu)的克里格插值模型，最后得出研究區(qū)分布圖。

評價指標(biāo)包含臭氧濃度、產(chǎn)量、轉(zhuǎn)化率及單位臭氧所需費用。其中，臭氧的產(chǎn)量為臭氧濃度與出氣流量的乘積；臭氧轉(zhuǎn)化率為臭氧產(chǎn)量與進(jìn)氣氧氣質(zhì)量之比；單位臭氧所需費用為運行總費用與臭氧產(chǎn)量之比。

3 GΙS在天然次生林碳匯價值評價中的應(yīng)用——以海南毛瑞林場為例

毛瑞林場地處海南省中南部，林業(yè)用地面積25 866.67 hm2，其中天然林面積 21 066.67 hm2，疏林灌木林地 1 200 hm2，未成林造林地 2 200 hm2。林區(qū)屬五指山支脈，境內(nèi)大部分為山地丘陵，氣候?qū)贌釒Ъ撅L(fēng)，具有日照長、氣溫高、雨水多、蒸發(fā)量大，季風(fēng)變化明顯，年平均降雨量1 900 mm以上。土壤為山地黃壤，腐殖層0.5 m，土層厚度在1 m以上，土地肥沃，光熱充足，雨量豐沛，是發(fā)展名特優(yōu)熱帶水果和種植棕藤、南藥的理想之地。

3.1 數(shù)據(jù)來源與處理

以海南2010年二類調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用Arcgis篩選出毛瑞林場天然林分布范圍，并隨機設(shè)置了50個樣點，呈現(xiàn)均勻分布；設(shè)置樣點大小為20 m×20 m，將樣點所在小班提取，計算小班蓄積量，跟單位面積上蓄積量的大小，將樣點的蓄積量賦值于數(shù)據(jù)庫。

3.2 評價步驟與結(jié)果

3.2.1 碳儲量的確定

本研究采用換算因子連續(xù)函數(shù)法計算該研究區(qū)內(nèi)的森林生物量，其計算公式：

BEF=a+b/V。 （3）式（3）中，BEF為生物量換算因子，林分生物量與林分材積的比值；V為林分材積；a，b均為常數(shù)。用B表示林分生物量，則根據(jù)上式推出的生物量計算公式為：

B=BEF×V=aV+b。 （4）

該研究區(qū)內(nèi)的天然林林分類型為闊葉混交林，根據(jù)方精云建立的回歸模型[18]，確定闊葉混交林的 a、b 參數(shù)分別為 0.625 5、91.001 3，得出每個樣點的生物量；而森林碳儲量等于森林生物量與轉(zhuǎn)換系數(shù)（單位生物量的含碳量）的乘積，較常用的轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.45，進(jìn)一步得出每個樣點的碳儲量，并賦值于數(shù)據(jù)庫。

3.2.2 碳匯價值的確定

碳匯價值等于碳儲量的含量與碳匯價格的乘積。本研究采用我國常用的碳匯價值量估算方法—造林成本法，碳匯價格為273.3元/t。

3.2.3 評價結(jié)果與分析

利用Arcgis的地統(tǒng)計分析模塊對在毛瑞林場獲得的50個調(diào)查樣地結(jié)果進(jìn)行探索性分析中，探索性分析結(jié)果如圖1所示，利用克里格插值法對調(diào)查樣地結(jié)果進(jìn)行插值預(yù)測，預(yù)測效果如圖2所示，毛瑞林場天然林碳匯價值的空間分布圖如圖3所示。

圖1 利用Arcgis的統(tǒng)計分析對50個調(diào)查樣地結(jié)果的探索性分析Fig.1 Exploratory analysis on 50 sample plots investigation results by Arcgis statistical analysis

圖2 克里格插值法預(yù)測值與實測值散點圖Fig.2 Scatter-graph of Arcgis interpolative prediction values and measured values

圖3 碳匯經(jīng)濟價值空間分布Fig.3 Spatial distribution of carbon-sink economic values

從圖1可知，樣地的碳匯價值QQ散點分布趨于直線，樣地結(jié)果服從正態(tài)分布，可以運用克里格插值法預(yù)測研究區(qū)的碳匯經(jīng)濟價值；樣地碳匯經(jīng)濟價值的空間分布呈現(xiàn)東北高西南低的趨勢，這主要與研究區(qū)西南高東北低的地勢有關(guān)；在泰森多邊形中存在兩個異質(zhì)點，該點較周圍碳匯量相對較低，調(diào)差顯示該區(qū)靠近林場管理區(qū)和居民區(qū)，受人為干擾較大。

從圖2的預(yù)測結(jié)果可以看出，實線趨勢與虛線趨勢較吻合，克里格插值效果較好，計算結(jié)果能很好地反映毛瑞林場天然林碳匯價值的空間分布。

通過與高程、坡度、坡向等地形因子進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)碳匯價值與海拔及坡向之間存在較高的相關(guān)性，即高程較低（圖4）、陽坡區(qū)域的森林碳匯經(jīng)濟價值較大，反之較小，海拔680 m之上森林碳匯經(jīng)濟價值迅速減少。研究區(qū)內(nèi)存在一個碳匯價值的至高點，該區(qū)海拔660 m左右，森林郁閉度最高，達(dá)0.85，單位面積蓄積量最大，這是由于該區(qū)海拔適中，坡面向陽，自然生長條件最適合森林生長，同時人為干擾少，森林近自然度最高，為林場中天然林生長狀況最好的區(qū)域，結(jié)果符合林場實際情況。

圖4 不同海拔下碳匯經(jīng)濟價值變化趨勢Fig.4 Variation tendency of carbon-sink economic values with different height above sea-level

利用Arcgis中的空間分析模塊，以10 m×10 m為一個柵格，對碳匯價值分布圖進(jìn)行重分類，分類越多，所得結(jié)果的誤差越小。本研究根據(jù)碳匯價值數(shù)量結(jié)果將其分為24類，各分類段之間的經(jīng)濟間隔為30元，以各碳匯價值段的平均值作為該區(qū)的碳匯經(jīng)濟價值，如圖5所示。

圖5 碳匯經(jīng)濟價值重分類Fig.5 Re-classif i cation of carbon-sink economic values

統(tǒng)計重分類后各類碳匯價值段的柵格數(shù)和經(jīng)濟單價，并以此計算各分區(qū)的面積和天然林的碳匯經(jīng)濟價值，最后得出毛瑞林場碳匯經(jīng)濟價值總值，結(jié)果如表1所示。計算公式為：

式中V為價值總值，i為重分類類型，Ni為i類碳匯經(jīng)濟價值段的柵格數(shù)，S為柵格面積，vi為i類碳匯經(jīng)濟價值。

從表1中可以得出毛瑞林場天然林碳匯總價值為 56 375 331 元，即 18 948.162 元 /hm2，平均每個柵格碳匯經(jīng)濟價值為189.48元。

4 結(jié)論與討論

（1）利用Arcgis的地統(tǒng)計分析模塊對樣地結(jié)果進(jìn)行探索性分析，其結(jié)果服從正太分布；利用克里格插值法對樣地碳匯經(jīng)濟價值進(jìn)行預(yù)測的實線趨勢與虛線趨勢趨于吻合，說明插值效果較好，計算結(jié)果能很好地模擬毛瑞林場天然林碳匯價值的空間分布，評價結(jié)果與實際情況相符。

（2）不同海拔、坡度、坡向等地形因子對天然林的碳匯量有一定的影響，海拔對該區(qū)的碳匯量影響最大，碳匯量在海拔較低的區(qū)域較大，在680 m左右達(dá)到區(qū)域最大值，說明海拔為680 m時適合該地區(qū)森林生長。

（3）通過對統(tǒng)計結(jié)果的重分類，將碳儲量經(jīng)濟價值的空間分布結(jié)果重新分為24類，分類間隔為30元，計算得出毛瑞林場天然林碳匯總價值為56 375 331 元，平均 18 948.162 元 /hm2。

表1 碳匯經(jīng)濟價值統(tǒng)計Table 1 Statistics of carbon-sink economic values

（4）碳匯價值的評價涉及的因素眾多，不同區(qū)域不同林種所采取的方法不同。對于人工林而言，采取典型樣地抽樣方法進(jìn)行評價，結(jié)果較為理想；對天然林而言，隨機抽樣則占優(yōu)勢，地統(tǒng)計分析中的克里格插值通過構(gòu)建自然中各相鄰事物之間相互影響的關(guān)系來模擬事物空間分布的自然狀態(tài)，可以避免一些人為干擾因素，分析評價結(jié)果更客觀真實。在評價過程中柵格大小以及樣地間隔大小可根據(jù)評價范圍的大小而定，柵格越小、樣地間隔越小、樣地空間分布越均勻、重分類類型越多，評價精度就越高。利用GΙS對森林碳匯進(jìn)行客觀評價，可直觀的反映出森林碳匯量及其經(jīng)濟價值的分布情況及趨勢，對探究其原因及為將來森林生態(tài)系統(tǒng)固碳、增碳的經(jīng)營管理提供科學(xué)依據(jù)。

[1]孟 偉,陳彩虹,胡煥香,等.寧遠(yuǎn)河流域森林碳儲量空間分布特征[J].福建林業(yè)科技,2013,40(1)∶12-16.

[2] 尹少華,周文朋. 湖南省森林碳匯估算與評價[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報 , 2013,33(7)∶ 136-139,144.

[3] 儲 蓉,周 芳.森林碳匯與經(jīng)濟增長的庫茲涅茨倒_U_型研究 [J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報 , 2012,32(10)∶ 94-99.

[4] 李曉曼,康文星. 廣州市城市森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報 , 2008,28(1)∶ 8-13.

[5] 趙德華,李建龍,齊家國,等.陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡主要研究方法評述 [J].生態(tài)學(xué)報 , 2006,26(8)∶ 2655-2662.

[6] 曹明奎,于貴瑞,劉紀(jì)遠(yuǎn),等.陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的多尺度試驗觀測和跨尺度機理模擬[J]. 中國科學(xué) D 輯地球科學(xué), 2004,34( 增刊 ΙΙ)∶ 1-14.

[7] 李意德,方精云.尖峰嶺熱帶山地雨林群落生產(chǎn)和二氧化碳同化凈增量的初步研究[J]. 植物生態(tài)學(xué)報,1998,(2)∶127-134.

[8] 袁正科,田大倫,吳春英,等.森林碳固定能力計算方法及長株潭區(qū)域碳年固定量估算[J].湖南林業(yè)科技,2004,31(4)∶1-5.

[9] 支 玲,許文強,洪家宜,等.森林碳匯價值評價-三北防護林體系工程人工林案例[J].林業(yè)經(jīng)濟,2008,(3)∶41-44.

[10] 顏 穎,夏自謙. 區(qū)域林業(yè)經(jīng)濟評價的指標(biāo)設(shè)計與GΙS應(yīng)用-以陜西秦嶺地區(qū)經(jīng)濟調(diào)查為例[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005, 4(3)∶ 45-49.

[11] 周早弘.基于3S技術(shù)的數(shù)字林業(yè)的思考[J] . 華東森林經(jīng)理, 2004,18( 1) ∶57- 60.

[12] 袁智德.空間信息產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與趨勢[M] .北京∶ 科學(xué)出版社, 2004.

[13] Dixon R K, Brown S, Houghton A, et al. Carbon pools and f l ux of global forest ecosystem[J]. Science,1994,263∶185-190.

[14] 王文杰,祖元剛.基于渦度協(xié)方差法和生理生態(tài)法對落葉松林CO2通量的初步研究[J].植物生態(tài)學(xué)報,2007,31(1)∶118-128.

[15] Anderson Dean E,Verma Shashi B, Rosenberg Norman J. Ed-dy correlation measurements of CO2, latent heat, and sensibleheat fluxes over a crop surface[J]. Boundary-Layer Meteo-rology, 1984, 29(3)∶263-272.

[16] 王效科,馮宗煒,歐陽志云.中國森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳儲量和碳密度研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2001,12(1)∶13-16.

[17] 胡 鵬 ,黃杏元 ,華一新 .地理信息系統(tǒng)教程 [M] .武漢 ∶武漢大學(xué)出版社,2002.

[18] 方精云,劉國華,徐嵩齡.我國森林植被的生物量和凈生產(chǎn)量[J].生態(tài)學(xué)報 ,1996,16(5)∶497-508.

Application of GIS on evaluation of forest carbon-sink in natural forest

XΙAO Yang, SHE Ji-yun, LU Yu, MENG Wei
(School of Business, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Based on the forest resources inventory data, Setting points and random-sampling in the natural forest in Maorui Forest Farm were randomly conducted. The carbon sinks of the natural forest were estimated by using conversion factor and continuous function method, the values of carbon sinks were calculated by using afforestation cost method and the values of carbon sinks were analyzed with interpolation method and were reclassif i ed. The results demonstrate that (1) the total carbon-sink values of the natural forest was about 5.6 ten million Yuan; (2) the evaluation results of carbon-sink values of the natural forest by Kriging interpolation method were objective and truth, consistent with the actual situation.

natural forest; values of carbon-sink; GΙS; Maorui forest farm

S77

A

1673-923X(2013)12-0032-05

2013-09-10

湖南省“十二五”重點學(xué)科-森林經(jīng)理學(xué)科（034-0014）；海南省林業(yè)局重點科研項目“海南省五大河流域植被恢復(fù)與保護規(guī)劃研究”(LK20118478)項目資助

肖 陽（1974-），湖南醴陵人，博士研究生，講師，主要從事森林經(jīng)理和林業(yè)資源信息化方面的研究；

E-mail：dukexy@163.com

佘濟云（1966-），湖南邵東人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事森林經(jīng)理和林業(yè)資源管理方面的研究；

E-mail：shejiyun@126.com

[本文編校：文鳳鳴]