一种陆地生态系统固碳功能的生态保护红线划定方法

摘要

本发明公开了一种陆地生态系统固碳功能的生态保护红线划定方法，包括：在研究区的陆域范围内，选择典型陆地生态系统作为评价对象；收集评价对象与固碳功能相关的数据；从碳储量、碳汇、固碳潜力三个维度构建陆地生态系统固碳功能重要性评价指标，确定指标分级赋值标准，将评价指标划分为多个等级；评估陆地生态系统碳储量、碳汇、固碳潜力的重要性，分别提取三者重要性等级最高的图斑；进行空间叠加与合并，生成综合固碳功能的极重要图斑；进行聚合处理，转换为生态保护红线的矢量范围。该方法可解决无法对陆地生态系统固碳功能的保护红线的准确划定的问题，为拓展生态保护红线划定、积极应对全球气候变化和实现碳中和目标提供科技支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及地理信息技术领域，特别涉及一种陆地生态系统固碳功能的生态保护红线划定方法。

背景技术

目前，陆地生态系统通过植被的光合作用吸收大气中的CO

生态保护红线是指在生态空间范围内具有特殊重要生态功能、必须强制性严格保护的区域，是保障和维护国家生态安全的底线和生命线，通常包括具有重要水源涵养、生物多样性维护、水土保持、防风固沙、海岸生态稳定等功能的生态功能重要区域，以及水土流失、土地沙化、石漠化、盐渍化等生态环境敏感脆弱区域。

生态保护红线将森林、灌丛、草地等生态系统纳入保护范围，有助于逆转生态退化趋势，增强生态系统碳储量和固碳潜力。初步估算，生态保护红线范围涵盖了全国近50%的碳储量，成为应对全球气候变化的重要抓手。

我国陆地生态系统已成为全球重要的碳库，特别是森林生态系统，在全球碳循环中扮演着重要角色。已有研究表明，2010-2016年，我国陆地生态系统年均吸收约11.1亿吨碳，这一巨大的固碳能力相当于吸收了同时期人为碳排放的45%。未来，随着生物多样性保护、山水林田湖草系统治理等重大生态工程的实施，陆地生态系统固碳潜力还将持续增强。

但是，固碳功能尚未作为生态保护红线划定的依据，这也使得一些碳储量高、固碳潜力大的陆地生态系统并没有全部纳入严格保护和监管范围，有可能造成固碳功能保护的空间缺失。当前，国内外在陆地生态系统碳储量清查、碳通量、循环过程模拟、碳收支评估以及碳汇管理方面做了大量研究工作，但尚未提出陆地生态系统固碳功能的保护红线划定方法，因此，如何实现对陆地生态系统固碳功能的保护红线的准确划定，成为当下亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种陆地生态系统固碳功能的生态保护红线划定方法，用以解决现有生态保护红线体系不考虑生态系统固碳功能，并且缺少陆地生态系统固碳功能的保护红线划定方法的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明实施例提供一种陆地生态系统固碳功能的生态保护红线划定方法，包括：

（1）在研究区的陆域范围内，选择典型陆地生态系统作为评价对象；所述典型陆地生态系统包括：森林、灌丛和草地生态系统；

（2）收集所述评价对象所在区域范围内与固碳功能相关的数据；所述与固碳功能相关的数据包括：气象资料、遥感数据、生态系统类型、植被类型、土壤属性数据、生态系统碳储量以及碳通量；并对所述与固碳功能相关的数据进行预处理；

（3）从碳储量、碳汇、固碳潜力三个维度构建陆地生态系统固碳功能重要性评价指标，确定指标分级赋值标准，将评价指标划分为多个等级；

（4）评估所述研究区的陆域范围内陆地生态系统的碳储量、碳汇、固碳潜力重要性；将三者的极重要图斑进行空间叠加与合并，生成综合固碳功能的极重要图斑。

（5）将综合固碳功能的极重要图斑进行聚合处理，转换为生态保护红线的矢量范围。

进一步地，步骤（2）中的所述气象资料包括：

获取所述评价对象所在区域范围内的每月降水量、平均温度、相对湿度、各气象站编号、经纬度和海拔；以及每个气象站在相应分析时间尺度内的降雨量、温度和风速；

并根据各气象站的经纬度信息，采用ArcGIS的Kriging空间插值法，获取气象数据栅格图像。

进一步地，步骤（2）中的所述遥感数据包括：

采用最大合成法合成月NDVI数据，再将月NDVI数据合成年最大NDVI影像，获取逐年及逐月NDVI影像。

进一步地，步骤（2）中的所述生态系统碳储量包括：

通过野外样地实测获取的生态系统植被、枯落物以及土壤碳储量。

进一步地，步骤（2）中的所述生态系统碳通量包括：

通过碳通量现场观测获取植被光能利用率、光合有效辐射以及土壤呼吸。

进一步地，步骤（2）中的对所述与固碳功能相关的数据进行预处理，包括：

在地理信息系统平台上，对所述与固碳功能相关的数据进行数据格式转换、投影转换、重采样、空间插值，并统一到一个坐标系下、统一相同分辨率。

进一步地，步骤（5）包括：

利用GIS聚合工具，将邻近图斑聚合为相对完整连片的大块图斑；聚合举例设置为m个像元大小；

扣除独立细小n个图斑，降低斑块破碎化程度；

利用GIS数据格式转换工具，将处理后的综合固碳功能极重要图斑转换为生态保护红线的矢量范围。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明实施例提供的一种陆地生态系统固碳功能的生态保护红线划定方法，综合考虑地域差异和空间格局，以森林、灌丛、草地等典型陆地生态系统作为划定对象，从碳储量、碳汇、固碳潜力3个维度构建固碳功能重要性评价指标体系，解决无法对陆地生态系统固碳功能的保护红线的准确划定的问题。从而为拓展生态保护红线划定方法、积极应对全球气候变化和实现碳中和目标提供科技支撑。

附图说明

图1为本发明实施例提供的陆地生态系统固碳功能的生态保护红线划定方法流程图。

图2为本发明实施例提供的陆地生态系统固碳功能重要性评价指标体系示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1所示，本发明实施例提供一种陆地生态系统固碳功能的生态保护红线划定方法，包括：

（1）评价对象的确定：在研究区的陆域范围内，选择森林、灌丛、草地等典型陆地生态系统作为评价对象；

（2）数据收集与处理：收集所述评价对象所在区域范围内与固碳功能相关的数据；所述与固碳功能相关的数据包括：气象资料、遥感数据、生态系统类型、植被类型、土壤属性数据、生态系统碳储量以及碳通量；并对所述与固碳功能相关的数据进行预处理；

（3）评价指标与分级：从碳储量、碳汇、固碳潜力三个维度构建陆地生态系统固碳功能重要性评价指标，确定指标分级赋值标准，将评价指标划分为多个等级；

（4）固碳功能重要性评价：评估所述研究区的陆域范围内陆地生态系统的碳储量、碳汇、固碳潜力重要性，分别提取三者重要性等级最高的图斑；将三者的极重要图斑进行空间叠加与合并，生成综合固碳功能的极重要图斑。

（5）生态保护红线的划定：将综合固碳功能的极重要图斑进行聚合处理，转换为生态保护红线的矢量范围。

本发明提出将具有重要固碳功能的陆地生态系统划入生态保护红线，通过协同推进生态保护与修复，统筹实施监测与评估，可以进一步提高陆地生态系统碳储量和固碳潜力，并为缓解全球气候变化和实现碳中和作出重要贡献。

生态保护红线涵盖了我国具有重要水源涵养、生物多样性维护、水土保持、防风固沙、海岸生态稳定等功能的生态功能重要区域。在此基础上，本发明提出将具有重要固碳功能的陆地生态系统划入生态保护红线，能够进一步完善生态保护红线构成体系，并为陆地生态系统碳汇综合管理提供重要抓手。

本实施例中，该方法综合考虑地域差异和空间格局，以森林、灌丛、草地等典型陆地生态系统作为划定对象，从碳储量、碳汇、固碳潜力3个维度构建固碳功能重要性评价指标体系，解决无法对陆地生态系统固碳功能的保护红线的准确划定的问题。从而为拓展生态保护红线划定方法、积极应对全球气候变化和实现碳中和目标提供科技支撑。

下面分别对上述各个步骤进行详细的说明：

步骤S1. 评价对象的确定。

根据遥感影像的可解译性和土地的自然属性，参考全国生态状况遥感调查与评估生态系统分类系统，将生态系统类型分为8类（森林、灌丛、草地、湿地、农田、城镇、荒漠和裸地），其中森林、灌丛、草地等自然生态系统具有较强的碳吸收能力；因此，在研究区范围内，选择森林、灌丛、草地等自然生态系统作为主要评价对象。

步骤S2. 获取研究区数据，预处理基础数据。

收集中高分辨率遥感影像（例如美国NASA的陆地卫星Landsat、高分系列卫星GF等采集的遥感影像）、影像派生数据以及植被分布等辅助数据，建立生态系统遥感分类数据集；开展野外样本采集，建立解译标志库；以中高分辨率遥感影像作为判读底图，基于面向对象的遥感影像分类技术，分层提取森林、草地等目标地类；采用分层随机抽样方法，配合实地调查，开展生态系统分类结果验证，将解译精度控制在比如1个像元内；数据以Shapefile或Coverage或Grid格式存储，图像空间分辨率为30 m×30 m。

a. 区域数据包括覆盖研究区域的气象资料、遥感数据、生态系统类型、植被类型、土壤属性数据以及生态系统碳储量、碳通量数据等。其中：

气象资料：覆盖研究区的每月降水量、平均温度、相对湿度等资料来源于中国气象科学数据共享服务网中的中国地面气候资料数据集(http://cdc.cma.gov.cn/)。数据内容包括全国各气象站点的编号、经纬度和海拔，以及每个气象站点在相应分析时间尺度内的降雨量(0.1 mm)、温度(0.1℃)、风速(0.1 m/s)。根据各气象站点的经纬度信息，采用ArcGIS的Kriging空间插值法，获取气象数据栅格图像。

遥感数据：覆盖研究区的归一化植被指数（Normalized Difference VegetationIndex, NDVI）来源于美国国家航空航天局（NASA）的EOS/MODIS数据产品（http://e4ft101.cr.usgs.gov/），空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d。为消除异常值的影响，采用最大合成法(maximum value composites, MVC)合成月NDVI数据，再将月NDVI合成年最大NDVI影像，获取逐年及逐月NDVI影像。采用ArcGIS很方便的实现这些功能，Arcpy辅助更加便捷的处理批量数据。比如可通过Arcpy函数CellStatistics（像元统计）实现，根据多个栅格数据计算每个像元的统计数据。可用的统计数据有：众数、最大值、均值、中位数、最小值、少数、范围、标准差、总和及变异度。

生态系统类型：生态系统分类参照全国生态状况遥感调查与评估生态系统分类系统，包括森林、灌丛、草地、湿地、农田、城镇、荒漠和裸地等8种类型，从中提取森林、灌丛、草地作为固碳功能生态保护红线划定的主要类型，比如可选取时段为2000-2020年，范围覆盖全国大部分地区，数据以Coverage和Grid格式存储。

植被类型：来源于中国科学院植物研究所《中华人民共和国植被图（1:100万）》。

土壤属性：来源于中国科学院南京土壤研究所的我国1:100万土壤数据库，属性数据库包括土壤表层黏粒、粉沙、沙粒、有机质含量等属性字段。

碳储量数据：来源于野外样地实测，包括生态系统植被、枯落物以及土壤碳储量。

碳通量数据：植被光能利用率、光合有效辐射以及土壤呼吸是测算碳汇的关键参数，通过碳通量现场观测获取。

b.数据预处理，包括数据格式转换、投影转换、重采样、空间插值。经过预处理后，各数据统一到一个坐标系下、并统一到相同的图像分辨率，以方便在后续步骤中上述7种数据进行叠加和计算。例如，碳汇计算需要用到净初级生产力，净初级生产力采用光能利用率模型模拟，模型模拟需要对上述7种数据中的气象资料、生态系统类型、土壤属性、碳储量实测数据等进行叠加和计算。

数据预处理可以在地理信息系统平台（如ArcGIS）上实现。

步骤S3. 评价指标建立与分级。

评价指标建立：遵循可获取、可量化、可评估原则，从历史碳储量、现状碳汇、未来固碳潜力三个维度构建陆地生态系统固碳功能的重要性评价指标。其中，如图2所示，碳储量包括植被碳储量、枯落物碳储量和土壤碳储量3个因子；碳汇包括净初级生产力、土壤呼吸2个因子；固碳潜力包括现状碳储量和历史最大碳储量2个因子。

指标权重设定：碳储量为长期生态系统碳吸收结果，且存在较明确的分布范围，对生态系统固碳功能的保护红线边界确定发挥关键作用；碳汇变化受外界干扰较大，数值和分布存在较大变数；未来固碳潜力预测则有更大不确定性且缺少准确空间分布图。因此，采取“以碳储量为主、碳汇量和固碳潜力为辅”原则，比如本发明将碳储量、碳汇和固碳潜力的指标重要性权重值分别设置为0.5、0.3和0.2。

指标分级标准：GIS常用指标分级方法包括间隔(defined interval)、等距(equalinterval)、等量(quantile)、标准差(standard deviation)、自然断点(natural breaks)等。其中，自然断点分类方法是利用统计学的Jenk最优化法得出分界点，以使各级的内部方差之和最小。因此，本发明采用自然断点分类方法，并结合专家知识，将评价指标划分为极重要、高度重要、重要、较重要、一般重要5个等级。

步骤S4. 综合固碳功能重要性评价。

碳储量：生态系统植被、枯落物以及土壤碳储量主要通过在野外设置样地，利用专业设备比如：便携式土壤通量测量系统实地观测获取。

碳汇：采用净生态系统生产力来测算，即生态系统净初级生产力与土壤呼吸的差值。其中，净初级生产力采用光能利用率模型模拟，土壤呼吸通过实地观测获取。

固碳潜力：采用当前气候条件下的碳储量，与历史上可统计的生态系统碳储量最大值的增加量来表征。

评估碳储量、碳汇、固碳潜力的重要性，分别提取三者重要性等级最高的图斑。

利用最大值法，分别将碳储量、碳汇、固碳潜力重要性等级最高的图斑进行空间叠加与合并，生成综合固碳功能的极重要图斑。

式中，

步骤S5. 生态保护红线划定。

首先，利用GIS中的聚合工具，将邻近的图斑聚合为相对完整连片的大块图斑，聚合距离设置为m个像元大小，比如为1个像元大小。

其次，扣除独立细小图斑（一般指1-2个像元），降低斑块破碎化程度。

最后，利用GIS的数据格式转换工具，将处理后的综合固碳功能极重要图斑转换为生态保护红线的矢量范围，确保红线边界清晰、生态系统完整和易于管理。

本发明实施例提供的陆地生态系统固碳功能的生态保护红线划定方法，在充分调研国内外有关陆地生态系统固碳功能相关研究的基础上，选择森林、灌丛、草地等典型陆地生态系统作为评价对象；收集评价对象与固碳功能相关的基础数据，并对数据进行处理；从碳储量、碳汇、固碳潜力3个维度构建陆地生态系统固碳功能重要性的评价指标，结合自然断点分类方法与专家知识，将评价指标重要性划分为5个等级；开展固碳功能重要性评价，分别提取碳储量、碳汇、固碳潜力以及综合固碳功能的极重要图斑；利用GIS工具，经邻近图斑聚合、细碎斑块扣除和数据格式转换，将固碳功能的极重要图斑划为生态保护红线。这对于科学识别陆地生态系统固碳功能的优先保护目标提供了一种行之有效的方法。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。