王曉迪，馮 麗，馬曉燕*

(1.北京農學院 園林學院，北京102206；2.城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室，北京100083)

目前，中國面臨非常嚴峻的碳中和壓力，2020年9月，習近平主席向世界承諾中國在 2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。碳減排需要“開源節(jié)流”，“開源”可以增加森林碳匯，“節(jié)流”則為減少工業(yè)排放。相對于工業(yè)減排，“開源”方式更具成效性，北京市從2017年開展“開源”工程項目，森林碳匯價值是衡量森林城市建設的重要指標，量化森林碳匯價值是評價森林城市建設成果的直接有效方法。

50年前歐美發(fā)達國家開始重視森林城市建設并針對森林吸收碳的能力以及空氣的凈化作用等主要問題進行探討[2]。之后多國簽訂《京都議定書》，相關學者開始對森林碳匯價值、碳儲量、碳交易展開研究[3]。中國森林城市建設于2004年開始實踐并對森林碳儲量和碳匯能力展開研究[4]。2010年開始建立森林碳匯計量模型，主要的森林碳匯估算方法有樣地清查法、微氣象法、遙感估算法等[5]。多種方法結合定量研究森林碳匯的方法鮮有耳聞，因此將監(jiān)督分類法和森林蓄積換算因子法相結合，評估森城市建設帶來的森林碳匯價值進行深入研究。

近年來北京森林城市建設穩(wěn)步進行，未來三年將全域建成“國家森林城市”，其中海淀區(qū)的森林城市建設具有一定的特殊性：海淀區(qū)位于北緯39°57'，東經116°17'。同時擁有淺山區(qū)和中心城片區(qū)，是未來三年北京市森林城市建設的主要區(qū)域，擁有巨大的歷史文化價值，在研究保護歷史文化與開展森林城市建設方面最具代表性。通過土地利用動態(tài)變化探討森林城市建設對碳匯價值的貢獻，為海淀區(qū)實施精準的土地利用控制和森林城市建設提供科學依據。

1 研究方法

1.1 數據來源

研究區(qū)影像數據信息見表1。采用USGS(United States Geological Survey)網站提供的Landsat 8-OLI衛(wèi)星拍攝30 m分辨率的夏季無云日期的多光譜影像。

表1 研究區(qū)影像數據信息Tab.1 The image data information of study area

林地是指郁閉度0.20以上的宜林地，在進行生態(tài)效益評估是主要是對各類林地及其價值進行評估。森林是由喬木、或由直徑1.5 cm以上的竹子組成且郁閉度0.20以上以及符合森林經營目的灌木組成且覆蓋度30%以上的植物群落。林地是森林的載體，是森林物質生產和生態(tài)服務的源泉。林地碳儲量是林木碳匯量、林下植被碳儲量和地下生物碳儲量的總和[6]，其中，林地碳匯量是由樹木生物固碳量換算，林下植物碳匯量是根據林下植物(含凋落物)固碳量換算，地下生物碳匯量是根據森林生物固碳量換算[7]。所用林地和林木蓄積量的原始數據來源于首都園林綠化局的統(tǒng)計年鑒(表2)。

表2 海淀區(qū)2016—2020年林地資源Tab.2 Forest land resources in 2016-2020

1.2 數據處理

運用ENVI與ArcGIS軟件，采用監(jiān)督分類的方法對影像數據進行土地利用分類處理。數據處理分為數據預處理和影像監(jiān)督分類兩個環(huán)節(jié)，預處理分為以下基礎環(huán)節(jié)：輻射定標、大氣校正、影像融合和裁剪，處理完成后的影像圖分辨率更高、地物信息更全面[8]。因基礎影像數據云量分別為0.11%、4.07%，均小于5%(來源于《遙感圖象處理與判讀規(guī)范(試行)》)，且研究區(qū)域為無云區(qū)，未做去云處理。采用監(jiān)督分類的方法對海淀區(qū)的土地用地類型進行分類提取。選取LUCC分類體系，將整個研究區(qū)域分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用土地六類。選取適量訓練樣本對其進行監(jiān)督分類。

1.3 森林碳匯價值估算方法

根據蓄積量擴展法，計算海淀區(qū)的森林碳儲量。計算公式如下：

C=V×δ×ρ×γ(1)

C1=V×1.9×0.5×0.5，C2=V×0.195，

C3=V×1.244，CF=C1C2C3。

式中：C為林地碳儲量(C1)，V為森林蓄積量，δ擴大系數一般取1.90；ρ容積系數為0.45～0.50，取0.5；γ含碳率取0.5；林下植物固碳量(C2)換算系數取0.195；林地固碳量(C3)換算系數取1.244[9-10]。林地碳匯價值增加與林地面積的增加呈正相關，林地碳匯價值與林木碳匯價值受林地蓄積總量的影響較大[11]。為了避免估算結果偏頗，將林地蓄積量和林木蓄積量分別進行碳匯價值估算，匯率取年均值，來源于中國外匯交易中心[12]。

2 結果與分析

2.1 海淀區(qū)土地利用面積變化

采用監(jiān)督分類法對海淀區(qū)2016年和2020年2期遙感影像進行了信息提取和土地利用分類，發(fā)現(xiàn)海淀區(qū)林地代替耕地不斷地填充城市內部，面積呈現(xiàn)增加趨勢(林地增加48.52 hm2)，且退耕還林現(xiàn)象明顯。2016—2020年，耕地面積減少52.41 hm2，原耕地周圍的建設用地出現(xiàn)明顯破碎化現(xiàn)象，總體面積降低83.27 hm2，草地、水域和未利用地變化較小呈增加趨勢(分別增加15.29 hm2、28.38 hm2、43.49 hm2)。

2.2 海淀區(qū)土地利用布局變化

空間變化上，北部平原的耕地轉化為林地較多，耕地減少和林地增加這兩大變化主要集中在海淀區(qū)北部的上莊及周邊區(qū)域，部分的建設用地轉為林地，這一部分的建設用地斑塊破碎化明顯(圖1-a)；淺山區(qū)部分耕地轉為建設用地，這一趨勢集中在在西北部淺山區(qū)的溫泉鎮(zhèn)和蘇家坨鎮(zhèn)(圖1-b)，這是城市發(fā)展的結果；中部和南部片區(qū)的林地總面積增加趨勢不明顯(圖1-c)，保護區(qū)內多為改造提升林，且建設用地的集約利用程度相對較高，土地轉化率較低，土地利用結構相對穩(wěn)定；中心地帶留存的耕地幾乎全部轉化為林地和建設用地(圖1-d)，中部地區(qū)的耕地轉化明顯，這與城市化密不可分。

圖1 土地利用變化對比圖Fig.1 Comparison map of land use change

2.3 海淀區(qū)林地碳匯價值核算

森林碳匯因子估算法避免了大量的模型和多因素核算碳匯的冗雜，碳匯價值核算結果如表3所示。

表3 碳匯價值估算結果Tab.3 Estimation results of forest carbon sequestration value

林地碳匯價值核算結果表明：2016—2020年，海淀區(qū)新增林地面積為48.52 hm2，單位蓄積量增加3.35 m3/hm2，林地蓄積總量增加57 500 m3，林地碳匯總價值增加4 400萬人民幣。核算結果表明，林地總面積與單位面積蓄積量的同步增加使得林地碳匯總價值增加。海淀區(qū)既增加了林地總面積也提高了林地質量。

3 結論與討論

3.1 海淀區(qū)土地利用結構和布局優(yōu)化

海淀區(qū)近五年森林城市建設改善了土地利用空間布局：2016年，海淀區(qū)林地主要分在西北部淺山區(qū)，城區(qū)內分布極少，森林城市建設至今，城區(qū)內出現(xiàn)了有序的塊狀林地，林地總量增加48.52 hm2，占總面積35.78%。而2023年海淀區(qū)建成森林城市的指標為森林覆蓋率不低于37%[13-14]，未來三年海淀區(qū)林地至少增加500 hm2。在國土空間有限的情況下，人口密度增加、歷史文化保護等因素使得海淀區(qū)土地利用方式難以發(fā)生大變動，其土地利用結構趨向于穩(wěn)定。此外，土地利用結構亦受到耕地保護和基本農田保護的限制，土地利用類型上退耕還林的可能性有限，因此如何合理利用現(xiàn)有的土地資源是未來森林城市建設亟待解決的關鍵問題。

海淀區(qū)森林面積增加和單位面積森林蓄積量增加都能夠增加森林碳匯價值，這與其他學者的研究結論基本一致[15-19]。但海淀區(qū)森林資源分布不合理的問題仍然存在，林地集中在西北部淺山區(qū)，東南部建設用地高度集中，僅有中部地區(qū)出現(xiàn)了塊狀林地，建設用地高度集中，東南部中心城區(qū)部分林地無明顯增加，在未來森林城市建設中，應該重視中心城區(qū)現(xiàn)有林地質量提高，著重解決森林資源分布不均衡問題和公平合理配置森林資源。

3.2 海淀區(qū)林地碳匯價值變化分析

2016—2020年林地碳匯總價值增加4 400萬元，林地面積和林地質量皆有相應增加，林地面積增加是林地總蓄積量增加的主要因素。新建初具規(guī)模的林地和提高現(xiàn)有林地質量是未來森林城市建設的兩個關鍵方向。新增林地應以大規(guī)模鄉(xiāng)土樹種為主，且注意植物群落的多樣性配植，避免單一的種植結構帶來生態(tài)問題。另發(fā)現(xiàn)林下植被固碳和地下生物碳儲量也是林地碳匯總量的重要影響因素，因新增林建設還要注意喬灌草群落結構的搭配，以保證生態(tài)系統(tǒng)合理穩(wěn)定的垂直結構[20-21]。北京市從2011年開始實施碳交易試點工程[22]，但碳交易市場需求不足，且缺少應有的監(jiān)管和科學的監(jiān)督，碳交易發(fā)展緩慢，公眾參與度不高，碳交易未能有效的推動海淀區(qū)森林城市建設。相關學者的研究表明，在森林碳匯的市場需求大、碳交易較為成熟的地區(qū)，森林碳匯項目可以轉變土地利用方式并有利于森林城市建設[23-25 ]，推動海淀區(qū)碳交易發(fā)展有利于增加林地碳匯價值。

3.3 未來建設與發(fā)展建議

未來森林城市建設首先應重視土地利用結構和布局，以林地建設和耕地保護為出發(fā)點，嚴格控制建設用地擴張；在歷史文化保護區(qū)提高現(xiàn)有林地的質量并注重新增林地總體布局的合理性；未來海淀區(qū)森林城市建設應在歷史文化保護區(qū)提高森林質量和在非歷史文化保護區(qū)騰退低效建設用地建設新林地作為兩個重點方向。其次，未來森林城市建設中需要做以下兩方面的努力：對現(xiàn)有的林地進行質量提升，提高單位面積森林蓄積量；整理不成規(guī)模的林地和其他用地類型的騰退空間，提高林地總面積，從質量和數量上全方位開展森林城市建設。另外，該研究只是宏觀核算了林地碳匯總價值，林地碳匯只是城市綜合碳匯的一部分，人口增長、能源消費、土地利用變化等因素決定城市的綜合碳匯；微觀上成熟林和近熟林比新植林和幼齡林的碳儲量高，森林中樹木年齡組成結構是否合理等問題有待深入研究。