森林碳匯智能計算模型和評估系統(tǒng)開發(fā)

周禮祥， 劉美玲,2， 孫立研， 于 洋

(1.東北林業(yè)大學(xué) 信息與計算機(jī)工程學(xué)院,哈爾濱 150040；2. 哈爾濱工程大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,哈爾濱 150001)

0 引 言

我國作為一個人口與工業(yè)大國，已成為全球碳排放量第一大國，控制碳排放，改善生態(tài)環(huán)境刻不容緩。而森林作為固碳的重要載體，對于吸收二氧化碳，改善全球氣候變暖有著直接的影響。森林碳匯研究是我國目前減少溫室氣體排放，減輕面對的國際減排壓力的最有效途徑，對生態(tài)環(huán)境保護(hù)氣候調(diào)節(jié)生物多樣性維護(hù)具有重要作用，并且其本身所帶來的經(jīng)濟(jì)價值也成為一種新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展手段[1]。

目前對碳匯量的估算的準(zhǔn)確度還存在較大的問題，尤其是對天然林碳匯量的計算。由于天然林樹種繁多，分布不均勻，種內(nèi)和種間的差異較大，環(huán)境狀況比較復(fù)雜，既增加了其森林普查的難度，也增加了其碳匯計算的難度。因此對天然林碳匯量的計算沒有一個普遍通用的方法，從而導(dǎo)致眾多對天然林的碳匯研究只能使用人工林的碳匯方法學(xué)，最終使結(jié)果存在較大的誤差，同時也對相關(guān)方面的研究產(chǎn)生了一定的誤導(dǎo)。

1 相關(guān)介紹

我國森林資源是由人工林與天然林組成，森林碳匯主要包括人工林碳匯和天然林碳匯，通過“森林經(jīng)營”的方式來增加森林碳匯和碳庫的碳儲量。

1.1 天然林與人工林

天然林是指自然起源，未經(jīng)人為干擾或人為干擾較輕，仍然保持較好自然性的森林。根據(jù)演替階段的不同，天然林分為原始林、原生次生林和次生林。

人工林指通過人工措施形成的森林。人工林的經(jīng)營目的明確，樹種選擇、空間配置及其他造林技術(shù)措施都是按照人們的要求來安排的。我國人工林達(dá)6 933萬hm2，居世界第一位。李丹等[2]提出目前天然林具有不可替代的生態(tài)保護(hù)功能，而人工林則在木材生產(chǎn)方面擔(dān)負(fù)重任。

1.2 森林經(jīng)營與碳庫

“森林經(jīng)營”特指通過調(diào)整和控制森林的組成和結(jié)構(gòu)、促進(jìn)森林生長，以維持和提高森林生長量、碳儲量及其他生態(tài)服務(wù)功能，從而增加森林碳匯。主要的森林經(jīng)營活動包括：結(jié)構(gòu)調(diào)整、樹種更替、補(bǔ)植補(bǔ)造、林分撫育、復(fù)壯和綜合措施等。森林經(jīng)營要本著可持續(xù)的原則，對森林生態(tài)系統(tǒng)實行科學(xué)合理的管理方式[3]。

“碳庫”包括地上生物量、地下生物量、枯落物、枯死木和土壤有機(jī)質(zhì)，木產(chǎn)品等[4]?！暗厣仙锪俊笔侵竿寥缹右陨弦愿芍乇硎镜幕铙w生物量，包括樹干、樹樁、樹枝、樹皮、種子、花、果和樹葉等?！暗叵律锪俊笔侵杆辛帜净罡纳锪?，由于細(xì)根(直徑≤2 mm)通常很難從土壤有機(jī)成分或枯落物中區(qū)分出來，因此通常不包括該部分。“枯落物”是指土壤層以上、直徑小于5 cm、處于不同分解狀態(tài)的所有死生物量，包括凋落物、腐殖質(zhì)，以及不能從經(jīng)驗上從地下生物量中區(qū)分出來的活細(xì)根(直徑≤2 mm)?！翱菟滥尽笔侵缚萋湮镆酝獾乃兴郎锪?，包括枯立木、枯倒木以及直徑≥5 cm的枯枝、死根和樹樁。劉世榮等[5]提出了針對天然林與人工林的森林經(jīng)營策略，以此增加碳儲量，改善生態(tài)環(huán)境。

1.3 智能計算平臺

我國森林覆蓋面極廣，碳儲量巨大，然而在碳匯計算方面主要是通過人工計算的方式，計算量大。面對當(dāng)前大數(shù)據(jù)時代的潮流，人工測算不僅費時費力，而且也造成了資源的極大浪費。為了解決以上問題，本文提出一個智能計算平臺。智能計算平臺是一個對碳匯的自動計算系統(tǒng)，通過本系統(tǒng)可以對某地的碳匯進(jìn)行評估，根據(jù)其地上生物量、地下生物量、枯落物、枯死木和木產(chǎn)品、地表植被(包括灌木和草本植物)、土壤等進(jìn)行計算，然后對區(qū)域內(nèi)碳匯量進(jìn)行預(yù)算、評估。智能計算平臺的實現(xiàn)，解放了人力，同時也提高了其準(zhǔn)確率。

2 碳匯智能計算模型

本文提出的方法學(xué)主要針對天然林與人工林交替分布的地區(qū)，其中人工林方法學(xué)主要來自森林經(jīng)營碳匯方法學(xué)；而天然林方法學(xué)主要是通過其與人工林的比較，將其存在的差異進(jìn)行總結(jié)，得出相關(guān)的方法學(xué)。

2.1 傳統(tǒng)人工林方法學(xué)標(biāo)準(zhǔn)

林木生物量：

BBSL=f(DBH,H)(1+Rj)NA

式中：BBSL為第t年時，項目邊界內(nèi)基線第i碳層樹種j的林木生物量；f(DBH,H)為樹種j的林木地上生物量與胸徑和樹高的相關(guān)方程；DBH為t年時，第i碳層樹種j的平均胸徑；H為t年時，第i碳層樹種j的平均樹高；Rj為樹種j的林木地下生物量/地上生物量之比；N為第t年時，第i碳層樹種j的平均每公頃株數(shù)；A為第i碳層的面積；i=1, 2, …為第i碳層；j= 1, 2,…為第i碳層的樹種j；t為項目開始以后的年數(shù)。

2.2 天然林碳匯計算模型

由于天然林與人工林相比其形成條件與樹種等存在較大的差異，因此，其方法學(xué)也存在較大的差別。以人工林方法學(xué)為基礎(chǔ)總結(jié)出天然林方法學(xué)。

(1) 天然林與人工林的主要區(qū)別。①天然林樹種類型多，高矮的樹種參差分布，即使同一樹種因不同樹高的分布差異其郁閉度也不同，其郁閉度比值參數(shù)PYBD就會產(chǎn)生差異。

②天然林根系發(fā)達(dá)，地表植被豐富，涵養(yǎng)水源、保持水土的能力強(qiáng)。其地表植被生物量BGRASS包括灌木和草本植物生物量[6]。

③森林碳匯中約有2/3的碳儲存在土壤中，天然林較人工林土壤養(yǎng)分高，含碳率高，土壤有機(jī)碳密度高[7]。因此在計算森林含碳率時需要計算土壤碳儲量CSOIL。

④與人工林相比，天然林基本不存在砍伐現(xiàn)象，木產(chǎn)品這一影響因素可以忽略。

⑤天然林的生物量多，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，恢復(fù)性強(qiáng)，對自然災(zāi)害的抵抗能力強(qiáng)。

(2) 天然林方法學(xué)。針對天然林與人工林的差異生成的方法學(xué)。由于同種林木不同林齡(幼齡林，中齡林，近熟林，成熟林)的生物量、林下植被、土壤含碳率差異較大[8-9]。將碳層按林齡劃分。

①天然林林木生物量。在同一樹種相同林齡條件下，天然林樹種生物量以人工林為依據(jù)，以人工林郁閉度為基準(zhǔn)修改地上生物量與地下生物量，需在f(DBH,H)的基礎(chǔ)上乘上PYBD對地上生物量進(jìn)行修正，并由于其地上生物量的不同，需將Rj乘上一個平衡因子cj對地下生物量修正。

BTREE=f(DBH,H)·PYBD(1+Rjcj)NA

式中：BTREE為第t年時，天然林第i碳層樹種j的林木生物量；PYBD=YBD天然林/YBD人工林為同一樹種相同林齡條件下，天然林與人工林郁閉度比值；YBD為郁閉度；由于天然林樹種與人工林相比，在相同地上生物量的情況下，其根系更加發(fā)達(dá)。因此，Rj較人工林偏大，需平衡因子cj(此處為簡化實驗取固定值為1)對其修正；i=1, 2, …為天然林第i碳層；j= 1, 2, …為天然林第i碳層的樹種j；t為天然林開始估算以后的年數(shù)。

②樹下植被生物量。由于林下植被生物量受光照影響，其發(fā)育與森林冠層結(jié)構(gòu)緊密相連[10]。研究表明，林區(qū)密度和郁閉度低的林區(qū)植被比較豐富[11]，因此其在不同碳層(幼齡林，中齡林，近熟林，成熟林)的植被生物量存在差異。

BGRASS=BgrassG

式中：BGRASS為第t年時，天然林第i碳層草本或灌木j類的生物量；Bgrass為第t年時，人工林第i碳層草本或灌木j類的生物量[12]；G為第i碳層天然林中相同大小的草本或灌木j類的地上部分干重與人工林的比值。

人工林地表植被豐富，無法逐一對植被進(jìn)行生物量計算，因此采用以下方法：計算同一碳層多棵相同樹種略小于其樹蓋面積的樹下植被生物量，盡量減少重疊面積，取平均值，求得小班內(nèi)同一碳層同一樹種的樹下生物量：

對于人工林林下草本植被生物量的測量，采用基于生物量、基莖、高度的對數(shù)自然表達(dá)式的回歸模型進(jìn)行計算[13]。針對灌木層生物量的測定，采用含水量推測單位面積內(nèi)的生物量[14]。

③天然林土壤碳儲量。表層土壤有機(jī)碳密度受氣候、地貌、坡度、土壤類型的影響[15-16]。由于天然林林況復(fù)雜，樹種參差，在同一小班(小班是進(jìn)行森林經(jīng)營、組織木材生產(chǎn)的最小單位，也是調(diào)查設(shè)計的基本單位)中不同樹種下土壤有機(jī)碳密度差異較小且計算復(fù)雜，此處忽略其差異。同時考慮土壤中礫石對含碳量的影響。在以上情況相似處的土壤碳儲量計算為：

SOCDa=CaPaDa(1-θa)/100

SOCDb=CbPbDb/100

CSOIL=A(SOCDa+SOCDb)×1000

式中：SOCDa，SOCDb：分別是第t年時天然林第i類土壤a，b層有機(jī)碳密度；Ca，Cb分別是第t年時天然林第i類土壤a，b層的容重；Pa，Pb分別是第t年時天然林第i類土壤a，b層土壤有機(jī)碳含量；Da，Db分別是第t年時天然林第i類土壤a，b層土壤厚度；θa為第t年時天然林第i類土壤a層中>2 mm的礫石所占百分比；CSOIL為第t年時第i類土壤的土壤碳儲量；A為第t年時第i種土壤所占的面積。

本公式只計算對土壤有機(jī)碳儲量貢獻(xiàn)最大的a層(腐殖質(zhì)層)和b層(淀積層)。

3 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)設(shè)計運用python語言，django框架，在pycharm上編譯運行，以天然林和人工林方法學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

(1) 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)。本系統(tǒng)是為了實現(xiàn)森林碳匯的自動計算，進(jìn)行碳匯的評估與預(yù)算，為森林碳匯的研究與發(fā)展提供一個較好的計算平臺。

(2) 系統(tǒng)功能設(shè)計。本系統(tǒng)主要有以下功能：①管理員設(shè)計。主要是對用戶進(jìn)行管理，對用戶信息進(jìn)行增刪改查操作。②登陸設(shè)計。主要是為了系統(tǒng)自身的安全性，保護(hù)個人信息安全。③樹種查詢。根據(jù)不同的樹種及地理位置添加相關(guān)數(shù)據(jù)，并計算，得到相關(guān)樹種的林木生物量。④人工林碳匯量計算設(shè)計。主要包括生物質(zhì)碳儲量，枯死木碳儲量，枯落物碳儲量，地表植被碳儲量和木產(chǎn)品碳儲量以及土壤碳儲量的計算。⑤天然林碳匯量計算設(shè)計。主要包括生物質(zhì)碳儲量，枯死木碳儲量，枯落物碳儲量，地表植被碳儲量，土壤碳儲量的計算。

系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

3.2 評估平臺開發(fā)

(1) 用戶登錄。用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問此系統(tǒng)時，需要進(jìn)行身份驗證，通過核查，與數(shù)據(jù)庫內(nèi)的用戶信息是否匹配，匹配則登錄成功進(jìn)入該系統(tǒng)，否則顯示用戶名或密碼錯誤，提示是否進(jìn)入注冊頁面。如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

圖2 登錄頁面

(2) 用戶注冊。當(dāng)用戶名不存在時，會自動跳轉(zhuǎn)注冊頁面。新用戶可通過該功能進(jìn)行注冊，進(jìn)入系統(tǒng)，訪問或添加數(shù)據(jù)，得到相關(guān)的碳匯量。如圖3所示。

圖3 注冊頁面

(3) 首頁。首頁主要有3個功能項：人工林，天然林，樹種，分別用于相關(guān)領(lǐng)域的估算。如圖4所示。

圖4 首頁

(4) 樹種分類。點擊首頁的樹種選項時，用戶可以進(jìn)入該模塊，用戶可以在該模塊對系統(tǒng)中已有的樹種進(jìn)行了解，針對不同樹種不同地區(qū)的胸徑與樹高數(shù)據(jù)進(jìn)行添加與查找，得到不同樹種的林木生物量，使用戶得到自己所要查找的地區(qū)樹種的林木生物量，如圖5所示。此處以紅松的的生物質(zhì)碳儲量為例。

點擊紅松選項后，會進(jìn)入紅松的分布頁面，如圖6所示。選擇數(shù)據(jù)頁面則可以查詢不同胸徑，樹高的紅松的單位面積的林木生物量；選擇不同的地區(qū)，可以添加相關(guān)地區(qū)的紅松胸徑和高度的數(shù)據(jù)。

圖5 樹種分類圖

圖6 紅松的不同地域分布圖

點擊數(shù)據(jù)頁面進(jìn)入下面模塊，如圖7所示。

圖7 紅松的數(shù)據(jù)頁面圖

點擊遼寧地區(qū)，進(jìn)入數(shù)據(jù)添加頁面，添加數(shù)據(jù)，計算得到相應(yīng)的紅松林木生物量計算結(jié)果，如圖8所示。

圖8 紅松遼寧地區(qū)添加數(shù)據(jù)及林木生物量計算結(jié)果

(5) 林木生物質(zhì)碳儲量。進(jìn)入人工林或者天然林模塊，選擇林木生物質(zhì)碳儲量，進(jìn)一步選擇不同地區(qū)樹種，通過樹種的胸徑，樹高，單位面積數(shù)量與林地面積得出某樹種的林木生物質(zhì)碳儲量，如圖9所示。

由于林木生物質(zhì)、枯落物、枯死木碳儲量等計算模型皆是以林木生物量計算模型為基礎(chǔ)構(gòu)建而成，計算過程十分相似，且林木生物質(zhì)碳儲量計算最為復(fù)雜，而地表植被、土壤、木產(chǎn)品碳儲量在獲取實地數(shù)據(jù)后能較為容易計算得出，因此本文主要介紹了林木生物量和林木生物質(zhì)碳儲量計算模型的計算過程。

圖9 紅松的林木生物質(zhì)碳儲量

4 結(jié) 語

針對碳匯智能計算平臺，需要對不同地區(qū)相似林木類型或者相似地區(qū)不同林木進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，對相關(guān)地區(qū)進(jìn)行碳匯量預(yù)測評估，進(jìn)行異常點檢測，得到影響森林碳匯的因素，改進(jìn)系統(tǒng)功能，提高其精確度。并進(jìn)一步實現(xiàn)在不同樹種，不同環(huán)境因素條件下對森林碳匯的發(fā)展變化情況的分析研究，從而加速我國碳匯事業(yè)的發(fā)展。

針對天然林方法學(xué)，本文沒有考慮在自然因素的影響下，如森林火災(zāi)等，及人類行為對天然林碳匯量的影響。其中在求天然林林木生物量時，其中的平衡因子cj需要經(jīng)過大量的對照試驗獲得準(zhǔn)確的值。而且本文依據(jù)人工林方法學(xué)為基礎(chǔ)，將其中的差別之處提出，完成天然林方法學(xué)，該方法學(xué)還需要進(jìn)一步探究。