2001-2010年西藏生态系统碳蓄积量数据集

赵忠贺1,2，刘高焕1, 徐增让3*

1. 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101；
2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101

 

摘  要：以西藏为研究区，经过以下步骤处理：（1）利用2001、2005和2010年三个时期的MODIS MCD12Q1土地覆盖数据，获取研究区16种土地覆被类型的空间分布；（2）运用2001、2005和2010年6-10月的MODND1M月度NDVI数据，计算得到三个时期16种土地覆盖类型的平均NDVI数据；（3）运用美国能源部CO2信息中心（CDIAC）2000年1 km的生物碳密度数据、欧盟布鲁塞尔联合研究中心（JRC）10 km的表层土壤（0-30 cm）有机碳密度数据，建立16种土地覆被类型的2001年NDVI与生物碳密度、NDVI与土壤碳密度关系模型。运用野外采样获得的地上生物量、土壤有机碳等数据对模型进行率定；（4）计算16种土地覆被类型2005年和2010年的生物碳密度和土壤碳密度；（5）按照根茎比将生物量分为地上生物量和地下生物量，将土地利用栅格数据和地上生物量、地下生物量、土壤碳和腐殖质碳四个碳库参数输入到InVEST模型中，计算得到西藏地区2001、2005和2010年的碳蓄积量。由于腐殖质碳密度一直比较稳定，所以在模拟2001-2010年碳蓄积时均采用2001年腐殖质碳密度。（6）在假设碳密度不变和土地利用不变的条件下，分别计算了西藏碳蓄积量变化，得到2001-2010年西藏生态系统碳蓄积量数据集。

关键词：西藏；碳蓄积；碳密度；NDVI

DOI: 10.3974/geodp.2018.01.11

 

1  前言

土地利用变化是引起生态系统碳蓄积变化的原因之一。西藏自治区（26°44′N-36°32′N， 78°25′E-99°06′E）处于青藏高原腹地[1–2]，平均海拔4,000米以上，是典型的生态脆弱和敏感区，其碳循环对全球气候变化具有重要影响，研究其土地利用/土地覆被变化对碳蓄积的影响对于应对气候变化具有重要意义。近几十年来，在全球气候变化和人类活动的作用下，尤其是土地利用/覆被变化与国家陆续实施的重大生态建设工程后，西藏地区碳蓄积功能如何变化？变化原因等都有待深入研究。本研究可为青藏高原的生态保育和应对气候变化提供决策参考。

2  数据集元数据简介

2001-2010年西藏生态系统碳蓄积量数据集的名称、作者、地理区域、数据年代、时间分辨率、空间分辨率、数据集组成、数据出版与共享服务平台、数据共享政策等信息见表1。

表1  2001-2010年西藏生态系统碳蓄积量数据集元数据简表

条  目

描  述

数据集名称

2001-2010年西藏生态系统碳蓄积量数据集[3]

数据集短名

TibetanCarbon2001-2010

作者信息

赵忠贺 B-7520-2018, 中国科学院地理科学与资源研究所, zhaozh.16b@igsnrr.ac.cn

徐增让 M-8190-2016, 中国科学院地理科学与资源研究所, xuzr@igsnrr.ac.cn

刘高焕 B-7530-2018, 中国科学院地理科学与资源研究所, liugh@lreis.ac.cn

地理区域

西藏自治区

数据年代

2001、2005、2010

时间分辨率

5年

空间分辨率

418.5 m

数据格式

.tif

数据量

30.00 MB，压缩后15.1 MB

数据集组成

2001年碳蓄积分布图；2005年碳蓄积分布图；2010年碳蓄积分布图；2001-2010年土地利用变化对碳蓄积的影响；2001-2010年碳密度变化对碳蓄积的影响

基金项目

中国科学院（XDB03030000, KZZD-EW-08）；国家自然科学基金（41661144030, 41561144012）

出版与共享服务平台

全球变化科学研究数据出版系统 http://www.geodoi.ac.cn

地址

北京市朝阳区大屯路甲11号100101，中国科学院地理科学与资源研究所

数据共享政策

全球变化科学研究数据出版系统的“数据”包括元数据（中英文）、实体数据（中英文）和通过《全球变化数据学报》（中英文）发表的数据论文。其共享政策如下：（1）“数据”以最便利的方式通过互联网系统免费向全社会开放，用户免费浏览、免费下载；（2）最终用户使用“数据”需要按照引用格式在参考文献或适当的位置标注数据来源；（3）增值服务用户或以任何形式散发和传播（包括通过计算机服务器）“数据”的用户需要与《全球变化数据学报》（中英文）编辑部签署书面协议，获得许可；（4）摘取“数据”中的部分记录创作新数据的作者需要遵循10%引用原则，即从本数据集中摘取的数据记录少于新数据集总记录量的10%，同时需要对摘取的数据记录标注数据来源[4]

3  数据研发方法

根据2000年数据构建NDVI与生物量、NDVI与土壤有机碳的回归模型，据此反演2001年、2005年和2010年生物量和土壤有机碳；据根茎比将生物量折算成地上生物量和地下生物量；腐殖质碳库较小，且相对稳定[5]。本文腐殖质碳密度均采用2001年数据。然后将土地覆被和碳库参数输入InVEST模型[6]，得到2001、2005和2010年西藏3期碳蓄积。

3.1  算法原理[6]

(1) 生态系统碳库模拟

InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）是斯坦福大学开发的一套生态系统服务综合评估模型集，可实现对多种生态系统服务评估及综合分析，在生态恢复规划、生态系统服务付费（PES）、发展影响与空间许可、合作风险管理等方面日渐发挥着重要作用，对促进生物多样性保护和人类福祉协同发展具有重要意义[6]。将研究区2001、2005、2010年土地覆被类型、生物量、土壤碳以及腐殖质碳等数据输入InVEST，模拟相应年份的碳蓄积，进而分析2001-2010年西藏碳库动态及其空间分异。

InVEST Carbon模块中碳储量的计算公式如下：

CZONE=∑Ci×Ai                                (1)

C=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead                                   (2)

式中，Ai为i地类面积，Ci为i地类的碳密度 (t C/ha)，Cabove为地上生物量，Cbelow为根生物量，Cdead为腐殖质碳，Csoil为土壤有机碳。

（2）碳蓄积功能变化的影响因子及其归因分析

一般地，土地利用变化可以分为土地覆被类型转变（Land Conversion）和特定土地覆被类型质量变化（Land Modification）。相应地，将区域碳蓄积功能变化归结为土地覆被类型转变和碳密度变化两个因子，并探讨了不同因子对碳蓄积功能的贡献率。模型如下：区域碳蓄积功能变化可用前后两期碳库增量△C表征：

                        (3)

式中，A1、A2分别为前后两期i地类的面积，D1、D2分别为前后两期i地类的碳密度。

假定C密度不变，仅地类变化引起的碳库增量△Cl：

                        (4)

假定地类不变、仅C密度变化引起的碳库增量△Cd：

                      (5)

土地覆被类型转移对碳蓄积的贡献率（Al）和土地质量提高对碳蓄积的贡献率（Ad）可用下式计算：

                        (6)

                       (7)

3.2  技术路线

   本研究的技术路线如图1所示。基于土地覆盖数据、碳密度、NDVI和土地调查数据，建立了NDVI和碳参数的回归模型，进一步建立了碳密度和碳蓄积模型。

4  数据结果与验证

4.1  数据集组成

数据集共包含5个数据，分别为：

1)         2001年碳蓄积分布图：2001年西藏地区的碳蓄积空间分布图；

2)         2005年碳蓄积分布图：2005年西藏地区的碳蓄积空间分布图；

3)         2010年碳蓄积分布图：2010年西藏地区的碳蓄积空间分布图；

图1 碳蓄积数据集研发技术路线

4)         2001-2010年土地利用变化对碳蓄积的影响：假设2001-2010年碳密度不变，只有土地利用变化情况下，对西藏地区碳蓄积影响的分布图；

5)         2001-2010年碳密度变化对碳蓄积的影响：假设2001-2010年土地利用不变，只有碳密度变化情况下，对西藏地区碳蓄积影响的分布图。

4.2 数据结果及分析[7]

2001-2010年期间，西藏的碳蓄积总体稳定并呈增长态势。2001、2005和2010年西藏自治区的碳蓄积总量分别为116.42、116.67、116.92亿吨，10年间增加了0.50 亿吨。西藏从东南向西北依次分布有森林、灌草丛、高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠。与自然地带性相一致，2001、2005和2010年3期西藏生态系统碳蓄积量都呈从东南向西北递减的态势（图2，418.5 m×418.5 m/栅格），不同年份略有变化。2001-2010年藏东南和藏西北碳库变化较大，藏北高原和藏南湖盆区相对稳定。假定碳密度不变，仅考虑土地覆被类型变化引起碳蓄积变化，2001-2010年西藏碳蓄积增加了1.26亿吨，土地覆被变化对碳蓄积变化的贡献率为269%（图3）。

图2  2001、2005和2010年西藏地区的碳蓄积空间格局数据图[7]（t C/栅格）

图3  2001-2010年西藏土地覆被类型

转变引起碳蓄积变化数据图[7]（t C/栅格）

图4  2001-2010年西藏碳密度变化引起
碳蓄积变化数据图[7]（t C/栅格）



 

2001-2010年西藏碳密度呈下降趋势，2001、2005和2010年西藏平均碳密度分别为120.2、116.9和116.6 t C/ha。假定土地覆被类型不变，仅考虑碳密度变化引起碳蓄积变化，2001-2010年，因碳密度的下降引起的西藏碳蓄积量减少了0.79亿吨，碳密度变化对碳蓄积变化的贡献率是-169%（图4）。

4.3  数据结果验证

地上生物量、土壤有机碳根据野外采样数据率定。采集的土壤样品用四分法取样后风干，土样风干后过2 mm筛，土壤有机质用重铬酸钾容量外加热法测定[8]。选取50 cm×50 cm草地样方，3次重复，齐地刈割地上生物量，清洗、烘干后称重获取地上生物量（ANPP）干重，碳含量按0.47折算。经过率定，回归模型获得的碳密度参数可以用于进一步模拟和分析。

5  讨论和总结

2001-2010年西藏的碳蓄积呈增长态势。2001、2005和2010年西藏的碳蓄积量分别为116.42、116.67、116.92亿吨，增加了0.50亿吨。藏东南、藏北高原、藏南湖盆和藏西北碳库变化较大，藏东地区相对稳定。十年间西藏的土地覆被类型变化有助于碳蓄积增加，假定碳密度不变，2001-2010年西藏仅土地覆被类型变化引起的碳蓄积增加了1.26亿吨，土地覆被变化对碳蓄积变化的贡献率为269%。假定土地覆被类型不变，2001-2010年仅因碳密度的下降引起的西藏碳蓄积量减少了0.79亿吨，碳密度变化对碳蓄积变化的贡献率是-169%。

本研究碳库参数是由NDVI反演而来，2001-2010年NDVI的下降态势导致了碳密度的下降以及碳密度对碳蓄积的贡献率为负的情况。生物量和土壤有机碳数据等碳库参数仅有2000年一期，且空间分辨率低，在统计分析中，碳库参数与NDVI等遥感数据的匹配性差，制约着回归模型的置信度。未来，寄望于多期较高分辨率的生物量、土壤有机碳数据的生产和发布。另外，可将生物量和土壤有机碳回归因子由NDVI一元扩充为NDVI、NPP二元，以增加信息量、提高回归模型的稳健性。

 

作者分工：徐增让、赵忠贺对数据集的开发做了总体设计；赵忠贺采集和处理了遥感数据和模拟分析数据；徐增让、刘高焕设计了模型和算法；刘高焕做了数据验证；赵忠贺撰写了数据论文等。

参考文献

[1]       张镱锂, 李炳元, 郑度. 青藏高原范围与界线地理信息系统数据[DB/OL]. 全球变化科学研究数据出版系统, 2014. DOI: 10.3974/geodb.2014.01.12.V1.

[2]       张镱锂, 李炳元, 郑度. 《论青藏高原范围与面积》一文数据的发表——青藏高原范围界线与面积地理信息系统数据[J]. 地理学报, 2014, 69(增刊): 65-68.

[3]       赵忠贺, 徐增让, 刘高焕. 2001-2010年西藏生态系统碳蓄积量数据集[DB/OL]. 全球变化科学研究数据出版系统, 2018. DOI: 10.3974/geodb.2018.01.05.V1.

[4]       全球变化科学研究数据出版系统. 全球变化科学研究数据共享政策[OL]. DOI: 10.3974/dp.policy.2014.05 (2017年更新).

[5]       张宏. 黄土高原不同植被区侵蚀环境下有机碳及其组分分布特征[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2013.

[6]       Sharp, R., Tallis, H. T., Ricketts, T., et al. InVEST 3.1.2 User’s Guide [M]. The Natural Capital Project, Stanford, 2015.

[7]       赵忠贺, 徐增让, 成升魁等. 西藏生态系统碳蓄积动态的土地利用/覆被变化归因分析[J]. 自然资源学报, 2016, 31(5): 755-766.

[8]       鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业出版社, 2000.