莱森光学：碳储碳汇遥感监测技术方法

碳储碳汇遥感监测技术方法

碳汇量与碳储量都可以用来描述碳汇的性质，但表达的意义不同，碳储量是存量，碳汇量是流量。碳储量是指生态系统中碳素的存留量（某一时刻有多少）；碳汇是指是指通过植树造林、植被恢复等措施，吸收大气中的二氧化碳（某一时期增加多少）

以森林碳汇为例：森林有5大碳储库，分别是地上和地下生物量、凋落物和枯死木等死有机质、土壤有机碳库；而森林碳汇是指森林通过植物光合作用吸收大气中的CO2，并将其固定在生物体和土壤中的活动、过程或机制。森林碳储量是指某个时间点森林生态系统各碳库中碳元素的储备量（或质量），是森林生态系统多年累积的结果；而森林碳汇量可以用一定时间内森林碳储量的变化量之和来表示。

01//碳储碳汇遥感监测技术研究路线

将不同生态系统拆解成可共通的标准采样和处理流程。

图2 花生高光谱图像采集与处理

02//样本采集方法

• 土壤、泥炭
  

(1) 在样方中心处选取一土壤采样点，记录GPS坐标。
(2) 去除采样点处土壤表层的枯枝落叶。
(3) 采用柱状取土装置，采集0-100cm柱状土样，若采样点处土壤层厚度不足100cm，则达到岩石层即可。
(4) 每隔20cm采集一个土壤样本，将土壤中大于2mm的植物根系去除，将土壤样本装入塑料自封袋，放置在有冰袋的泡沫箱内。

• 林地

(1) 随机选取林地样方（30米*20米），记录样方四个角的差分GPS坐标。
(2) 记录每棵乔木（胸径≥5厘米)的树种名称、胸径（地面以上1.3米处的直径）和树高；
(3) 在样方的四个角分别设置1个2米*2米的灌木样方，记录物种名称、地径（地面以上20厘米处的直径）、株高、盖度。
(4) 在每个灌木样方内设置1个1米*1米的枯落物样方，收集样方内枯落物，测量干重。
(5) 如果灌木丛的物种单一，只记录株数、平均株高和平均地径。
(6) 如果乔木的物种单一，只记录株数、平均树高和平均胸径。

• 农作物

(1) 样方设置：每个样方均为100m×100m大小，每个样方内设置3个样点。
(2) 密度：对于玉米：数紧挨着的两行，长度为10m内植株数量；对于水稻：数每平方米内的穴数（插秧穴数）。
(3) 株高：在每个样地中选取长势一致的植株进行测量。
(4) 地上生物量测定：在每个样点内选取长势一致的3株（玉米）/3兜（水稻）植株。在105℃烘干箱内杀青30 min，85℃恒温下烘至恒重。烘干完毕后，称重并记录。

• 草地

(1) 样地选择植物群落较典型的位置（样地面积不小于1km2），并尽量选择未利用的区域做测产样方，记录GPS坐标；
(2) 针对无灌木和高大草本的草地样地，每个样地选取1个样方（样地草本密度分布越平均样方数越少），每个样方大小为1m×1m
(3) 调查样地草地类型、样方内草本植物种类、丛数量、平均高度、盖度等，并做好记录；
(4) 将样方内全部植物齐地面刈割，测定鲜重；
(5) 对每个样方的混合草本进行样品采集约200g，称鲜重，如不足200g全部作为样品带回。装入牛皮纸信封，样品统一编号、贴标签，标明样品采集的样地号、样方号、样品种类和采集日期。
(6) 带回室内，置于65℃恒温条件下烘干48ｈ，称重，得到的数据再按照样品鲜重占样方鲜重的比例换算，得到每个样方的地上生物量数据。

03//样地碳密度测定方法

• 土壤

(1) 用电子秤记录原始状态下土壤（原状土）样本的重量M。
(2) 记录采样器内壁直径r，计算土壤样本体积V=0.2×π r² 。
(3) 将土壤样本在室内晾干，然后在烘干机内烘干（60℃），直至土壤重量不减少，称量干土样本质量m。
(4) 采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤中有机质的含量C。
(5) 土壤中有机碳碳密度的计算公式可参照：SOCD=C×D×R×（1-P）。
(6) 其中：C为土壤有机碳含量（%），D为土壤厚度（m），R为容重=m/V（kg/ m3 ）,P为粒径＞2mm的砾石比例。

• 林地

林地碳储量=乔木层碳储量+灌木层碳储量+枯落物碳储量；在大样方（30米*20米）内设置4个灌木小样方（2米*2米），根据小样方灌木盖度，推算大样方灌木层覆盖面积。

(1) 乔木层碳储量：地上部分+地下部分；乔木层地上部分碳储量（单位：碳吨(tC))应根据组成林分各树种的平均单位面积地上生物量、树种含碳率及林分面积，采用以下公式计量：

(2) 灌木层碳储量：地上部分+地下部分；灌木层地上部分碳储量应根据林地灌木地上部分平均单位面积生物量、灌木含碳率以及林分面积，采用以下公式计量：

• 农作物

(1) 样方单位面积地上生物量计算：在每个样品烘干称重后，将每个样本点的5株植株干重取均值，然后根据统计的每个样本点1m×1m范围内的玉米株数（植株密度），得到该样本点处单位面积的地上生物量（g/m2）；最后各样本点生物量取均值得到该样方单位面积的生物量。
(2) 样方地上碳累积量计算：利用油浴加热—K2Cr2O7容量法测定每个样品秸秆碳含量，地上玉米碳累积量（g/m2）由样本碳含量（%）与地上生物量（g/m2）的乘积计算得到。

• 草地

(1) 带回室内的样品在烘干、称重（干重DW）后，采用重铬酸钾氧化-外加热法，测定样品有机碳含量C。
(2) 样品碳密度=样品有机碳含量C×样品干重DW。

• 遥感数据处理

哨兵影像：

哨兵雷达

• 环境变量提取

(1) 气候变量：平均温度、最低温度、最高温度、昼夜温差、降水量）、雨天数和潜在蒸散量
(2) 地形变量：坡度、坡向、山体阴影、曲率、表面粗糙度
(3) 土壤属性：土壤类型、粘粒含量、成土母质

• 碳密度反演建模方法

(1) 人工神经网络
(2) 随机森林
(3) 自适应提升
(4) 梯度提升决策树
(5) 极限梯度提升
(6) 轻量级梯度提升机

• 碳密度反演建模方法

(1) 人工神经网络
(2) 随机森林
(3) 自适应提升
(4) 梯度提升决策树

• 生态系统碳储量碳汇估算

(1) 草地生态系系统
(2) 森林生态系统
(3) 农田生态系统
(4) 湿地生态系统

草地植被碳密度和草地土壤碳密度进行空间叠加，加和，即可得到草地生态系统碳密度空间数据集。
草地生态系统碳汇数值可直接通过两期碳储量数值相减得。
其他生态系统碳储量和碳汇核算方法参照草地生态系统。

04//有机碳密度基本统计分析

• 土壤有机碳密度

兴安盟土壤有机碳总体含量较高，土壤有机碳含量则随着取样深度的增加呈现明显降低趋势。土壤有机碳密度整体上呈现随深度增加而减少的趋势。

• 林地有机碳密度：

62个林地样方的有机碳密度均值为63.25tC/ha，范围为15.98-204.48tC/ha。
从树种看，阔叶树种（组）有机碳密度最高，均值为64.00tC/ha,明显高于经济树种（组）的碳密度；混交树种（组）碳密度均值稍高于针叶树种（组）。

• 草地有机碳密度

地上生物量介于99.43~1397.73 g/m2之间，均值为295.16 g；地上碳密度介于40.82~700.69 g/m2之间，均值为135.91g；其中，最大值均来源于灌木样方。
鲜重、干重、地上生物量、地上碳密度和含水量的方差均较大，而含碳率的方差仅为8.09，表明草地植被的含碳率变化极小。

• 农作物有机碳密度

农作物的有机碳密度最大值为7.58kg/m2，最小值仅为0.28kg/m2，平均值为3.22kg/m2，整体上差异性较小，方差为3.38。
整体上看，农作物有机碳密度最大的是玉米，其次是高粱，而黄豆、绿豆、小米和葵花的有机碳密度均较小，平均不到1kg/m2。

05//有机碳密度反演模型

• 土壤有机碳密度

通过精度验证对比，我们选取RF进行表层土壤（0-20cm）有机碳密度制图。
0-20cm与20-40cm的有机碳密度关系为C20-40=C0-20×0.6482+0.602，相关系数R²=0.67；20-40cm与40-100cm的有机碳密度关系为C40-100=C20-40×1.8158+1.1074，相关系数R²=0.53。基于以上两个模型构建20-40cm和400-100cm深度的土壤有机碳密度空间估算模型，并进行制图。

• 林地有机碳密度

RF模型精度更高且预测效果更为稳健，因此，选用RF模型对2021-2023年的林地有机碳密度进行反演及空间制图。

• 草地有机碳密度

XGBoost模型拟合效果优于RF和MLP，其预测值和观测值之间呈极显著的正相关（P<0.0001），R2高达0.92，拟合回归线斜率为0.81，接近1:1线，相比之下，RF和MLP模型预测值均存在高值低估的问题，回归线斜率分别为0.65和0.51，偏离1:1线，预测效果较差。因此，选择XGBoost模型作为草地地上生物量模拟预测模型。

• 农作物有机碳密度

RF模型表现最优，模型决定系数R2别为0.824，RMSE别为0.550,AdaBoost和GBDT模型表现相当，XGBoost模型表现最差。因此，本研究采用RF模型构建2021-2023年兴安盟农作物有机碳密度反演模型，并进行制图。

06//有机碳密度空间分布图

• 土壤有机碳密度

通过精度验证对比，我们选取RF进行表层土壤（0-20cm）有机碳密度制图。
0-20cm与20-40cm的有机碳密度关系为C20-40=C0-20×0.6482+0.602，相关系数R2=0.67；20-40cm与40-100cm的有机碳密度关系为C40-100=C20-40×1.8158+1.1074，相关系数R2=0.53。基于以上两个模型构建20-40cm和400-100cm深度的土壤有机碳密度空间估算模型，并进行制图。

• 林地有机碳密度
  

2021-2023年兴安盟林地面积小幅增长，从2021年的76.03万公顷到2023年的77.93万公顷，平均林地有机碳密度从2021年的110.95tC/ha小幅下降到2023年的109.24tC/ha。兴安盟西北部（阿尔山市）的碳密度最高，近3年的均值维持稳定，从2021年的116.80tC/ha到2023年的116.57tC/ha;兴安盟南部（科尔沁右翼中旗）的碳密度最低，且连续三年维持稳定，从2021年的99.61tC/ha到2023年的99.80tC/ha。
兴安盟东南部（乌兰浩特市）林地碳密度稳步增长，从2021年的107.60tC/ha到2023年的110.50tC/ha，这得益于政府对城市绿地的大力投入及人工林的科学管理；兴安盟中部(科尔沁右翼前旗和突泉县）林地平均碳密度出现小幅下降，这是因为两地的新增造林面积出现较大增长（例如，科尔沁右翼前旗的林地面积从2021年的15.51万公顷增长到2023年的18.62万公顷，增长率达20.01%），还属于幼林，固碳能力不强，具有较大增长潜力。

• 草地有机碳密度

2021-2023年草地地上碳密度空间分异明显，但不同年份分布规律各异。其中，2021年主要表现为中部高四周低的分布态势，中东南部和中北部地区呈现较高密度；2022年呈东高西低、南高北低的分布状况，尤其是中东部较为聚集；2023年则呈现自南向北高低交错分布的态势，其中最南部、中西南部碳密度最高，其次是中北部。
时间变化上，空间上整体表现为增长趋势，其中南部地区增长最为显著。平均碳密度从2021年的557.20 g/m2升至596.34 g/m2再增长到631.16 g/m2，年均增长36.98 g/m2。

• 农作物有机碳密度

从空间分布上看，兴安盟的农作物种植区主要分布于盟东、盟中和盟西部。整体上看，2021-2023年兴安盟农作物有机碳密空间分异明显。具体地，兴安盟农作物有机碳密度呈现西低东高的分布态势，2021年主要表现为西北低部高的分布状况，2022年整体上空间分异相对较低，表现为中部和东南部较高密度，而西南和东北部相对较低，2023年则呈现西北低东南、东北高的分布状况。
从时间变化上，2021-2022年农作物有机碳密度整体呈上升趋势，其平均碳密度从29.93tC/ha上升至34.25tC/ha。2022-2023年农作物有机碳密度整体呈下降趋势，其平均有机碳密度由34.25 tC/ha下降至31.32 tC/ha。从空间分布上看，兴安盟农作物有机碳密度增加的区域主要集中在西南角的科尔沁右翼中旗的西南角和扎赉特旗的东北部区域。

07//生态系统碳储量和碳汇核算

• 森林生态系统

近三年森林生态系统碳密度均值稳步提高，从2021年的304.30tC/ha提高到2023年的319.94tC/ha，增长5.14%，说明近三年森林生态系统固碳能力不断提升，主要是因为森林面积得到增加且森林生长不断积累碳。分区域看，兴安盟西北部（阿尔山市）森林生态系统碳密度最高，且碳密度提升最大，从2021年的316.84tC/ha提升到2023年的339.69tC/ha，增长率达7.21%；兴安盟东北部（扎赉特旗）森林生态系统碳密度均值最低，且提升程度最低，从2021年的284.79tC/ha缓慢增长到289.66tC/ha，与该区域林地面积增长缓慢有关。
2021-2023年，兴安盟森林生态系统碳储量呈上升趋势，从2021年的2.314亿tC增长到2023年的2.491亿tC，增长率为7.65%，表明近三年兴安盟森林生态系统具有较强的碳汇固碳功能。
森林生态系统林地部分的碳储量从2021年的0.844亿tC增长到2023年的0.851亿tC，增长率为0.83%；森林生态系统土壤部分的碳储量从2021年的1.470亿tC增长到2023年的1.640亿tC，增长率为11.56%，这得益于林地面积的增加及森林生态系统的科学保护管理。总体来看，林地部分的碳储量在森林生态系统碳储量的占比呈下降趋势，而土壤部分的碳储量在森林生态系统碳储量的占比呈上升趋势，可能原因是兴安盟森林土壤的固碳功能在稳步提升。

• 草地生态系统
  

2021-2023年草地生态系统碳密度空间分异明显，均整体上呈现自西北向东南下降的趋势，与土壤有机碳密度的空间分布规律高度相关。这是因为土壤有机碳是草地生态系统的主要碳库，占草地生态系统碳储量的90%以上。2021-2023年，草地生态系统碳密度呈先降后增、总体略有上升的变化趋势，平均碳密度从2021年的163.16 t C/ha下降至158.58 t C/ha再增长到164.00 t C/ha，年均增长0.42 t C/ha。西北地区增长最为显著，其次是东南地区；下降趋势主要集中在东部地区。
2021-2023年，草地生态系统碳储量表现为先降后增、总体略微下降的变化趋势，碳储量从2021年的472.16万 t下降至391.69 万 t再略增为405.06万t，年均下降33.55万t。这主要与草地生态系统面积减少和土壤碳密度下降有关。2022年，草地生态系统面积从289.39万ha骤降至246.99万ha，减少了14.65%，再叠加土壤碳密度下降造成的生态系统碳密度下降，导致2022年草地生态系统碳储量急剧减少；2023年，由于草地面积变化较小，且植被碳密度增长明显，因此草地生态系统碳储量略有增加。
根据碳储量计算结果，2022年草地生态系统表现为碳源，碳排放量达到80.47万t；2023年草地生态系统表现为碳汇，碳汇量为13.37万t；2021-2023年草地生态系统总体表现为碳源，碳排放量达67.10万t。

• 农田生态系统

2021-2023年农作物生态系统碳密度空间分异较小，这是因为兴安盟的农作物主要是玉米为主，其他农作物物种占比相对较小。农作物的有机碳密度空间分布与土壤有机碳密度相关性较高，这主要是因为，土壤有机碳密度是农田生态系统的主要碳库，占整个农田生态系统碳储量的80%以上。2021-2013年，农田生态系统碳密度呈先下降后上升、总体上升的变化趋势，平均碳密度从2021年的194.55 t C/ha下降至194.03 t C/ha再增长到195.59 t C/ha，年均增加0.347 t C/ha。东北和东南角地区增加显著。
2021-2023年，农田生态系统碳储量表现为一直增加的趋势，碳储量从2021年的33582万t增加值2022年的 39793.76万t 再增加至2023年的40338.01万t，年均增加3377万t。这主要是因为农作物的面积增加，尤其是2022年农作物面积由172.62万 ha增加至205.09万 ha。
根据碳储量计算结果，2022年农田生态系统表现为碳汇，碳汇量为6210.9万 t；2023年农田生态系统表现也为碳汇，碳汇量为544.25 万 t；2021-2023年农田生态系统总体表现为碳汇，碳汇量达6755.15万t。

• 湿地生态系统

兴安盟湿地主要分布在兴安盟东北、中部和东南部，其他区域呈零星分布，总面积仅为1.43万ha。2021-2023年兴安盟湿地生态系统的有机碳密度平均碳密度从2021年的170.49 t C/ha上升至174.85 t C/ha，然后略微下降至173.25 t C/ha。呈现整体平稳，缓慢上升的趋势。
湿地生态系统碳储量表现为先增后降、总体上升的变化趋势。碳储量从2021年的230.23万吨上升至2022年的250.01万吨，然后略微下降至2023年的249.16万吨。这一结果表明，在兴安盟地区，尽管存在一定的波动，但湿地生态系统的碳储量总体上是增加的。兴安盟湿地生态系统呈现碳汇功能。

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