张影^1,, 谢余初^1,2, 齐姗姗¹, 巩杰^1,, 张玲玲¹
1. 兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室,兰州 730000
2. 广西师范学院北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室,南宁 530001

Carbon storage and spatial distribution characteristics in the Bailongjiang Watershed in Gansu based on InVEST model

ZHANGYing^1,, XIEYuchu^1,2, QIShanshan¹, GONGJie^1,, ZHANGLingling¹
1. Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems （Ministry of Education）,College of Earth and Environmental Sciences,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China
2. Key Laboratory of Environment Change and Resources Use in Beibu Gulf （Ministry of Education）,Guangxi Teachers Education University,Nanning 530001,China
通讯作者:通讯作者:巩杰,E-mail:jgong@lzu.edu.cn
收稿日期:2016-01-27
修回日期:2016-05-20
网络出版日期:--
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:国家自然科学基金项目（41271199）甘肃省民生科技计划项目（1503FCME006）
作者简介:
-->作者简介:张影,女,黑龙江绥化人,硕士生,主要从事土地利用变化与景观生态研究。E-mail:zhy14@lzu.edu.cn



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摘要
区域碳储量的空间分布特征研究可为区域生态系统碳库管理和减排增汇政策制定提供重要科学依据。基于InVEST模型和GIS技术,估算及分析了2010年甘肃白龙江流域碳储量及其空间格局,并探讨了海拔、坡度和坡向对碳储量空间分布的影响。结果表明:甘肃白龙江流域碳总储量为251.57TgC,平均碳密度为136.46MgC/hm²;其中,土壤碳储量为202.20TgC,植被碳储量为49.37TgC。碳储量空间分布呈现一定的规律性,碳储量高值区主要集中在流域西北部山区（如迭部县）和白水江南岸（如白水江国家级自然保护区）,云杉、冷杉类常绿针叶林的碳总储量最大;低值区多分布在流域东部和东南部（如武都区）、宕昌县东北部等区域。碳储量随海拔高度和坡度的增加呈现先增加后减小的趋势,其高值区主要分布在1500~3500m和25°~40°区段;阴坡和半阴坡区域的碳储量大于阳坡和半阳坡。研究结果可为流域生态系统碳库管理及人类活动管控提供参考。

关键词：碳储量;空间格局;InVEST模型;生态系统服务;甘肃白龙江流域
Abstract
Research into the spatial distribution characteristics of carbon storage plays an important role in ecosystem carbon pools and management. Based on the carbon module of InVEST and GIS,the Bailongjiang watershed in Gansu,China was selected as a case study to estimate carbon storage and analyze the impact of vegetation types,elevation,slope and slope direction for the spatial distribution of carbon storage. The total carbon storage of the watershed was 251.57 TgC,and the average carbon density was 136.46 MgC/hm². Among them,the soil carbon storage accounted for 202.20 TgC while vegetation carbon storage was 49.37 TgC,soil carbon storage was the main part of the total carbon storage in the Bailongjiang watershed. The spatial distribution of carbon storage was concentrated in the northwestern mountain forest region （e.g. Diebu Count）and the southern area of Baishuijiang （e.g. Baishuijiang National Nature Reserve）. Spruce and fir and evergreen coniferous forest occupied the largest vegetation carbon in the watershed;the value in the eastern and southeastern part of the study area was lower,such as in Wudu District and the northeast part of Tanchang,and the carbon storage in alpine sparse vegetation area was the lowest. Carbon storage had apparently spatial differentiation with the zonality of elevation,slope and slope direction in the Bailongjiang watershed. The watershed carbon storage increased with increasing elevation,then decreased with increasing elevation. Most of the watershed carbon storage was distributed between 1500m to 3500m and 25° to 40°. Carbon storage was higher in the areas belonging to shady slope and semi-shady slope than that of semi-sunny slope and sunny slope. These results can be used for the governance of ecosystem carbon pools and human activities at the watershed scale.

Keywords：carbon storage;spatial distribution;InVEST model;ecosystem service;Bailongjiang Watershed;Gansu

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张影, 谢余初, 齐姗姗, 巩杰, 张玲玲. 基于InVEST模型的甘肃白龙江流域生态系统碳储量及空间格局特征[J]. , 2016, 38(8): 1585-1593 https://doi.org/10.18402/resci.2016.08.16
ZHANG Ying, XIE Yuchu, QI Shanshan, GONG Jie, ZHANG Lingling. Carbon storage and spatial distribution characteristics in the Bailongjiang Watershed in Gansu based on InVEST model[J]. 资源科学, 2016, 38(8): 1585-1593 https://doi.org/10.18402/resci.2016.08.16

1 引言

全球气候变化是国际科学组织和各国政府高度关注的全球性重大环境问题之一^[1,2]。陆地生态系统（如森林、草地、灌丛和湿地等）通过释放和吸收大气中的CO₂和N₂O等温室气体来调节区域气候,提高陆地生态系统的覆盖面积是减缓全球气候变化的主要方式之一^[3,4]。近年来,国内外****针对陆地生态系统（尤其是森林生态系统）的碳储量和碳汇功能进行了大量研究。如Dorji等估算了喜马拉雅山脉东部的不丹山区不同土地利用和土地覆盖类型的土壤有机碳密度和储量,模拟了土壤有机碳密度和储量的空间分布,建立了区域土壤碳储量基线数据^[5]。方精云等构建了中国森林蓄积量与生物量之间的转换因子连续函数,并估算了中国森林生态系统碳储量状况^[6]。Wei等基于木材蓄积量转换森林生物量估算了中国东北天然保护林的森林碳储量^[7]。高阳等根据森林资源清查资料及野外调查等估算了宁夏森林生态系统固碳现状等^[8]。随着一系列林业生态建设工程的实施,森林面积和林木蓄积量持续增加,有必要重新核算各地区的碳储量来科学反映生态系统的固碳现状^[9]。总的来说,这些研究多侧重于某一类生态系统（如森林生态系统）碳储量的估算,且多以行政单元为研究区来反映碳储量的数量变化状况^[9-12],而对流域尺度的碳储量空间分异的报道较少,涉及地质灾害频发的山区流域——甘肃白龙江区域的相关报道更为鲜见。王渊刚等探讨了近50年玛纳斯河流域土地利用/覆被变化对碳储量的影响^[13]。许文强等研究了干旱区三工河流域土壤碳储量及空间分布特征,为流域土壤碳循环研究提供了数据支撑等^[14]。流域是一个完整的地理生态单元,既是区域生态、经济和社会发展等复杂问题研究的热点区域,也是地球系统科学的主要研究对象,从流域的角度来讨论环境问题并实现社会的可持续发展是一条更有效地应用系统综合的途径^[15]。
InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Ser-vice and Tradeoffs）模型是由斯坦福大学、大自然保护协会、世界自然基金会等机构共同研发,旨在权衡发展和自然保护之间的关系,可用于量化多种生态系统服务功能（如生物多样性、碳储量、产水量、土壤保持和水体净化等）的综合评估模型^[16-18],它能直接反映不同政策和规划对经济和环境等方面的影响^[19]。本文以甘肃白龙江流域为例,基于森林资源清查资料、实测数据和前人研究成果等,结合GIS和InVEST的碳储量模块,开展流域碳储量制图及其空间特征分析,研究结果可为流域生态系统管理及减排增汇政策制定等提供科学依据。

2 研究区概况、研究方法与数据来源

2.1 研究区概况

甘肃白龙江流域（32°36′N-34°24′N,103°00′E-105°30′E）是长江二级支流嘉陵江上游重要的水土保持和水源涵养地,也是碳储存功能重要区之一（图1）。流域内地势自西北向东南倾伏,海拔高差大,高山峻岭与峡谷盆地相间分布、沟壑纵横。流域内气候类型复杂多样,夏季高温多雨,冬季温凉少雨,年均气温6~15℃,年均降水量400~850mm。植被覆盖较好,森林广布,流域源头属青藏高原高寒植被区域,中上游属暖温带落叶阔叶林区域,下游属亚热带常绿阔叶林区域^[20]。其森林以云杉、桦、柏、杨、栎、油松等为主^[21,22]。白龙江流域土壤类型主要包括棕壤、暗棕壤、褐土、高山草甸土、钙质粗骨土、水稻土、黑钙土等^[23];其中,上游宽谷盆地以山地棕褐土为主,中游及下中游则以棕色森林土为主,地表多见土石等松散堆积物^[24]。流域土层较薄,土壤全氮、全K含量处于中等水平,全磷含量低于全国平均水平,土壤有机质含量空间分异性较大,土壤养分表聚性明显,土壤pH随海拔增加而降低,高海拔区土壤pH呈中性或酸性^[25,26]。
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图1研究区地理位置示意
-->Figure 1The location of the study area
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2.2 数据来源与研究方法

本文采用的土地利用数据来源于美国地质调查局（http://glovis.usgs.gov/）2010年的Landsat ETM+影像的遥感解译数据,植被类型数据主要来源于侯学煜院士主编的《1 ∶1 000 000中国植被类型图集》^[27]和研究区各县区森林资源二类调查数据。
InVEST 模型（http://www.naturalcapitalproject.org/invest/）碳储量模块以地表土地利用与覆被类型（或森林景观类型）为评估单元,定义区域陆地生态系统碳储量主要包括地上生物碳储量 （Cabove）、地下生物碳储量 （Cbelow）、土壤碳储量 （Csoil）和死亡有机碳储量（或枯落物碳储量） （Cdead）,并依据各土地利用与覆被类型空间分布格局及其对应的碳密度来评估区域生态系统碳储量,模型自动生成碳储量空间分布图。其中,地上生物碳储量主要包括了地表以上所有存活的植被（树皮、树干、树枝和树叶等）中的碳储量;地下生物碳储量是指存在于植物活根系统中的碳储量;土壤碳储量一般是指矿质土壤和有机土壤中的有机碳储量;死亡有机碳储量表示凋落物、枯立木或已死亡倒木中的碳储量。本文将地上生物碳储量和地下生物碳储量合并为植被碳储量,由于死亡有机碳储量难以观测且其储量相对较小,故本研究中暂且不考虑。
碳储量计算公式为:
Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead（1）
式中 Ctot为碳总储量（MgC）; Cabove为地上生物碳储量（MgC）; Cbelow为地下生物碳储量（MgC）; Csoil为土壤碳储量（MgC）; Cdead为死亡有机碳储量（MgC）。
根据不同植被类型的植被碳密度乘以对应的面积来计算区域植被碳储量,植被碳密度主要通过县区森林清查资料和查阅相关文献资料^[7,28-43]估算获得。经调查,研究区近10年的植被物种变化不大,在研究误差范围内,本文根据2001年的《1: 1 000 000中国植被类型图集》研究甘肃白龙江流域植被物种分布特征（图2）,对植被类型进行归类,收集和整理相关的文献与资料,估算不同植被类型的植被碳密度。将植被类型归为云杉冷杉类、栎类-硬阔、针阔混交林、农田、杨类、阔叶混交林、桦类、亚高山灌丛、油松 、山地灌丛、其他松类、高山灌丛、山地草地草甸、亚高山草甸、高寒草甸、柏类、高寒稀疏植被、其他（建设用地、水域、高山积雪极裸岩）20类。其中,云杉冷杉类主要包括云杉（Picea）、油杉（Keteleeria）、铁杉（Tsuga）、红杉（Sequoia）、柳杉（Cryptomeria fortunei）、冷杉（Abies）、青扦林（Picea wilsoniimast.）等针叶林;其他松类是指落叶松（Larix）、华山松（Pinus armandi）、红松（Pinus koraiensis）、樟子松（Pinus sylvestris）、白皮松（Pinus bungeana Zucc.）等;栎类-硬阔是指以栎类为主的其他硬阔类林分,主要包括锐齿栋（Quercus aliena var. acuteserrata）、 栓皮栋（Quercus variabilis）、辽东栋（Quercus wutaishanica）、槲栎（Quercus aliena Bl.）、高山栎（Quercus semecar-pifolia Smith）、麻栋（Quercus acutissima）、岩栎（Quercus acrodonta Seemen）、珙桐（Davidia involu-crata Baill.）、青冈（Cyclobalanopsis glauca）、梓树（Catalpa ovata G. Don.）、黄连木（Pistaciachinensis）、橡（Quercus）、榉木（Zel-kova serrata （Thunb.）makino）、榆（Ulmus）、槠（Cas-tanopsis sclerophylla （Lindl.）Schott.）、柯（Lithocarpus glaber （Thunb.）Nakai）、栲（Castanopsis fargesii）、青檀（Pteroceltis tatarino-wiimaxim.）等;杨类主要是指小叶杨（Populus simonii）、白杨（Populusalba）、山杨林（Populus-davidiana）、响叶杨（Populus adenopoda）等软阔。植被碳储量的估算多采用林业部门的森林资源清查资料,主要是利用生物量-碳转换率方法对研究区局部区域森林植被碳储量及其密度进行估算。由于林分的蓄积量可以综合反映立地、林分状况、林龄及林分密度等要素,且与森林生物量存在着一定关系^[28],故可利用森林资源清查资料的面积和蓄积量调查数据,按植被类类型（或优势种）统计分析区域植被生物量,在此基础上,结合碳含量转换系数,计算植被碳储量。森林生物量与蓄积量之间关系的具体计算公式如下:
B=∑BEF×Xi×Ai（2）
BEF=a+b/x（3）
式中B为总生物量（Mg）;BEF为生物量换算因子;i为树种组或森林类型; Xi为某i树种组或森林类型的单位蓄积量（m³/hm²）; Ai为 i 树种面积（hm²）;a和b均为常数;x为平均蓄积量（m³/hm²）,随树种或森林类型不同而变化。本研究森林植被碳储量仅指活立乔木层的碳储量,不包括森林生态系统的枯死木层、灌草层、枯枝落叶层等。
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图22011年甘肃白龙江流域植被类型分布
-->Figure 2The location of vegetation types in the Bailongjiang watershed of Gansu
-->

土壤碳储量的研究方法有土壤类型法、模型法、GIS估算法、生命带类型法等,其中,土壤类型法以其方法简单、数据准确可靠且较易获取而广泛应用^[10],本研究采用土壤类型法,利用不同土壤类型的土壤有机碳密度乘以对应的面积估算土壤碳储量。土壤有机碳密度数据主要来自甘肃省第二次土壤普查资料,并利用实测数据（2014年8月）进行补充和验证。根据研究区及周边区域土壤类型分布特征,并参考《甘肃土壤》^[44]等资料,根据不同土壤类型和不同土地覆被类型进行随机布设典型样点,利用多点混合采样法进行典型样点采样,采样点共有153个,采样分为0~5cm、5~10cm、10~20cm、20~30cm等4个层面。剔除土壤混合样中的植被根系及石砾等杂质,将约1kg土样带回实验室风干处理,并过0.25mm土壤筛,采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法进行土壤有机碳密度的测定。同时利用环刀法进行不同土层土壤容重测定。其中,土壤有机碳密度计算公式^[45,46]为:
SOCD=∑i=1nPi×Ci×Di/100（4）
式中SOCD为土壤有机碳密度（kg/m²）;i为采样土壤层;n为采样土壤层总数; Pi为第i层土壤容重（g/cm³）; Ci为第i层有机碳含量 （g/kg）; Di为第i层土层厚度（cm）。

3 结果及分析

3.1 流域碳储量特征

甘肃白龙江流域碳储量空间分布如图3所示,流域平均碳密度约为136.46MgC/hm²,碳总储量约为251.57TgC。碳储量主要分布在流域西部和西北部,包括迭部县、舟曲县东南和西南部、文县南部和西北部以及宕昌县东南缘等,文县中部、武都区大部和宕昌东北部碳储量相对较少。具体来说,碳储量的高值区主要集中在山地林区,包括白水江南岸山区、博峪河和拦坝河上中游、迭部至巴藏乡段白龙江两岸山区、宕昌县南部山地林区。低值区主要分布在农业种植区和城镇,以人类活动干扰较强的河谷地带、山前平原和盆中丘陵尤为突出,同时,迭部北部迭山地带高海拔的山区,土地利用类型主要为草地、高寒稀疏植被和积雪覆盖、裸岩等其它用地,也是碳储量的低值区（图3）。
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图32010年甘肃白龙江流域碳储量空间分布
-->Figure 3Spatial distribution of carbon storage in the Bailongjiang watershed of Gansu in 2010
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3.2 流域主要植被和景观类型的碳储量特征

按照不同优势树种分类后统计不同植被和景观的碳总储量发现,乔木林类植被碳储量功能发挥着主体作用（图4）,总体表现为:云杉冷杉类>栎类-硬阔>农田>针阔混交林>杨类>阔叶混交林>桦类>山地草地草甸>山地灌丛>油松>亚高山灌丛>高山灌丛>其他松类>高寒草甸>亚高山草甸>柏类>高寒稀疏植被>其它（建设用地、水域、高山积雪极裸岩）（图4）。云杉、冷杉类均为生物碳总储量最大的林地,其碳储量约为81.24TgC,其次是栎类-硬阔类和农田生态系统。柏类和高寒稀疏植被碳储量最少,分别是0.54TgC和0.96TgC。
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图4甘肃白龙江流域不同植被和景观类型下的碳总储量
-->Figure 4Carbon storage under different vegetation types in the Bailongjiang watershed of Gansu
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3.3 流域地形因子对碳储量的影响

本文主要从海拔、坡度和坡向3个方面分析地形因子对甘肃白龙江流域碳储量的影响。首先,研究区海拔落差很大（568~4866m）,且峰高坡陡、山峦起伏。根据研究区实际情况,将流域海拔划分为8个级别,即≤1000m、1000~1500m、1500~2000m、2000~2500m、2500~3000m、3000~3500m、3500~4000m、>4000m。研究表明,流域碳总储量随海拔高度增加呈先增加后减小的态势;其植被碳储量和土壤碳储量的变化态势与此相似（图5）。具体地,在568~3000m的海拔区段,流域碳储量随海拔高度增加而不断增多,几乎呈线性增长趋势,且在2500~3000m的海拔区段出现最大值,其碳总储量在63.03TgC以上。而在3000m以上的海拔区域,流域内碳储量逐渐减少。从总量分布上看,甘肃白龙江流域碳储量主要集中在1500~3500m的海拔区段内,1000m以下区域和4000m以上的区域分布相对较小。
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图5甘肃白龙江流域不同高程碳储量分布
-->Figure 5The distribution of carbon storage of different elevation in the Bailongjiang watershed of Gansu
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利用DEM提取甘肃白龙江流域坡度并进行分级,进而统计流域不同坡度下碳储量分布情况（图6）。结果表明,流域坡度为15°~40°带区的碳储量占甘肃白龙江流域碳总储量的75%以上,<10°的区域碳储量较低,其土壤碳储量和植被的碳储量均较低。
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图6甘肃白龙江流域不同坡度碳储量分布
-->Figure 6The distribution of carbon storage with different slope
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由图7可知,白龙江流域内不同坡向上碳储量分布略有差异。阳坡碳总储量约为60.71TgC,阴坡约为64.19 TgC,流域内碳总储量及植被碳储量、土壤碳储量均表现为阴坡>半阴坡>半阳坡>阳坡,但4个坡向的总体碳储量格局差异不大。总体上,坡向对碳储量的影响相对较小。
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图7甘肃白龙江流域不同坡向碳储量分布
-->Figure 7The distribution of carbon storage with slope direction
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3.4 讨论

（1）从植被和景观类型看,甘肃白龙江流域碳储量高值区主要在山地林区;低值区主要集中在坡耕地、低覆盖草地、裸地等土地覆盖类型区。从不同植被类型上看,尽管云杉冷杉类、栎类-硬阔和农田三类植被类型碳储量较高,但主要原因略有不同:云杉和冷杉木材质地硬（物理密度高）或是在流域内树高较高,单位面积森林蓄积量高;而栎类等乔木林具有较高的生物量/材积比,因而碳储量也高;对于耕地,农作物收获期较短,周转较快,其植被部分碳蓄积功能较弱,碳密度较低,但耕地面积较大,故所对应的土壤碳储量较大。
（2）从不同地形因子上看,研究区碳储量随海拔梯度呈先增后减的趋势,其原因主要是:1500~3500m的海拔区段水热条件相对较好,森林分布最为密集,主要分布中山落叶阔叶林-中山常绿阔叶林-中山阔叶混交林-亚高山针阔混交林-亚高山常绿针叶林等乔木林,植被碳密度大,土壤碳含量较高,故总体碳储量最大;≤1000m的区域则大部分为耕地、居民与工矿建设用地、交通用地等,其次是灌丛和草地,人类活动频繁,土壤和植被碳含量布相对较小,其碳储量功能相对偏弱;>3500m海拔以上的区域,已经越过了绝大部分森林植被的林线,地表植被主要是灌草地、高寒草地及高寒稀疏植被等,碳密度开始迅速下降,碳储量逐渐减少。
在坡度0°~35°区域碳储量随坡度升高而增加,与彭怡^[37]的研究结果相似,其原因主要是:在中低海拔的平坡或缓坡区水热等自然条件好,随着坡度的升高人类活动的影响逐渐减小,植被覆盖破坏减小,碳储量增加;阴坡和半阴坡的碳储量略高于阳坡和半阳坡,主要是由于水分、肥力等条件使阴坡林地的生长力较高^[47],碳储量较高。

4 结论

（1）甘肃白龙江流域生态系统碳储量约为251.57TgC,在空间上呈现一定规律性,高值区主要分布在山地林区,其中以白水江南岸山区、博峪河和拦坝河上中游林区、迭山林区最为突出,低值区多集中于人类活动频繁的农业种植区和城镇。同时,流域内土壤碳储量远大于植被碳储量。从土地利用类型上看,林地的植被碳储量和土壤碳储量最高,其次是草地和耕地,其中,林地中的云、冷杉类常绿针叶林,栎类、硬阔类高山阔叶林和针阔混交林的碳储量相对较大。
（2）甘肃白龙江流域碳储量总体上随海拔增加呈现先上升后下降的趋势,陡坡区域碳储量大于缓坡区域,其高值区分别出现在1500~3500m和25°~40°区段;阴坡和半阴坡的碳储量大于阳坡和半阳坡。
（3）InVEST模型的引入,为碳储量的估算与空间分布提供了可行的方法。本研究在改进和参数本地化的基础上,基于样带实验分析和InVEST模型开展了流域碳储量的定量估算和特征分析,研究结果对于流域生态系统碳库管理和减排增汇政策制定具有重要参考价值。由于研究区没有大型野外观测台站和长期实验观测数据,基础数据匮乏,同时受研究区地形和可达性等限制,以及流域生态系统自身、模型的结构和方法的不确定性等^[48,49],故研究结果具有不确定性。建议在以后的研究工作中进一步优化研究方案,评估模型及其参数的适宜性,进行相关参数的本地化处理并验证结果,注重开发适宜中国的本土化评估模型^[48],为区域生态系统服务评估服务。
The authors have declared that no competing interests exist.

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