海南熱帶雨林國家公園碳儲量估算目錄緒論·················································31.1研究背景與意義·············································31.2國內外研究進展·······························31.3技術路線圖··········································4資料與方法·······················································52.1研究區概況····················································52.2數據獲取與預處理··········································62.2.1數據獲取·····················································62.2.2數據預處理····················································72.3InVEST模型·················································7結果與分析···················································83.1海南熱帶雨林國家公園土地利用變化分析················83.2海南熱帶雨林國家公園碳儲量時空變化分析·········11結論與討論·······················································154.1結論······································154.2不足與展望······································16參考文獻·····························································16致謝····································································18摘要：碳儲量是全球碳循環的重要組成部分，是衡量生態系統健康和功能的重要指標，對于減緩氣候變化、保護生物多樣性和維持生態系統平衡至關重要。本文利用GIS空間分析方法結合InVEST模型，對海南熱帶雨林國家公園內的碳儲量進行了系統估算。研究結果顯示：（1）2010-2020年，常綠闊葉林面積呈現上升趨勢，增長了32.04km2，灌木叢面積則緩慢下降，濕地面積顯著增加，增長了1.8倍。草地和不透水面的面積有小幅上漲，總體相對穩定。灌溉農田的下降趨勢與水體的上升趨勢較為一致。（2）2010-2020年，海南熱帶雨林國家公園碳儲量最高值從571.6t/ha增加到615.5t/ha，碳儲量主要集中在常綠闊葉林和周邊地帶，呈現出明顯的空間異質性，不同區域之間存在明顯的碳儲量差異。以上結果為減緩氣候變化、保護生物多樣性和維持生態系統平衡提供決策支持和參考。關鍵詞：海南熱帶雨林國家公園；InVEST模型；碳儲量計算；空間分析1緒論1.1研究背景與意義碳儲量是地球上存儲在各種形式中的碳的總量，包括大氣中的二氧化碳、植物和土壤中的有機碳，以及化石燃料等地下儲量[1]。全球碳循環是地球生態系統中至關重要的過程，涉及大氣、陸地和海洋之間的復雜相互作用。碳元素在不同形式之間的轉化和遷移，直接影響著大氣中二氧化碳的濃度、全球氣候變化以及生物多樣性的維持。碳儲量是全球碳循環的重要組成部分，是衡量生態系統健康和功能的重要指標，對于減緩氣候變化、保護生物多樣性和維持生態系統平衡至關重要[2-4]。隨著全球氣候變化日益加劇，研究碳儲量變得尤為緊迫[5-7]。碳儲量作為地球上碳元素的重要存儲庫，在全球碳循環和氣候調控中發揮著至關重要的作用。這些儲量主要包括化石燃料、土壤有機碳、植被生物量和海洋碳等形式。化石燃料儲量作為主要的碳源之一，其燃燒釋放的二氧化碳是主要的溫室氣體，直接影響著全球氣候變化。土壤有機碳和植被生物量則在陸地生態系統中扮演著重要角色，影響著土壤肥力、植被生長和大氣中二氧化碳的含量。海洋碳儲量則通過海洋生物和海洋化學作用，調節著海水中的碳含量，對全球碳平衡起著重要作用。有效管理和保護這些碳儲量，對于維護地球生態系統的平衡、減緩氣候變化以及可持續發展具有不可替代的重要性。中國共有五個國家公園，其中海南熱帶雨林國家公園是中國首批建立的五個國家公園之一，擁有豐富的生物多樣性和重要的生態系統功能[8-10]。海南熱帶雨林國家公園通過吸收二氧化碳（CO2）并儲存碳元素，有助于減少大氣中的溫室氣體含量，對抑制氣候變化和全球氣候變暖起著重要作用[11-13]。目前，在全面建設海南省自由貿易港的要求下，現有的關于海南熱帶雨林國家公園碳儲量估算的研究較少，因此，本文以海南熱帶雨林國家公園為研究對象，借助InVEST模型，準確估算海南熱帶雨林國家公園的碳儲量，并且對海南熱帶雨林國家公園碳儲量時空變化進行分析，以期為減緩氣候變化、保護生物多樣性和維持生態系統平衡提供決策支持。1.2國內外研究進展碳儲量的研究在國外發展較早，所以研究相對完善，也有著先進的研究成果。如，Donato等（2011）利用全球森林樣地數據，估算出全球森林是一個巨大且持久的碳匯[14]。Ahmed等（2018）使用遙感數據和地面觀測數據，建立了熱帶地區森林碳儲量的基準地圖，提供了熱帶地區森林碳儲量的詳細信息，對于熱帶森林保護和碳管理具有重要意義[15]。Simard等（2019）利用土壤樣點數據和地理信息系統技術，估算了中國農業土地的有機碳儲量和空間分布，對于了解中國農田土壤碳儲量情況及其潛在影響因素具有重要意義[16]。此外，國際政府間氣候變化專門委員會（IPCC）和聯合國糧食及農業組織（FAO）在2007年也發布了相關的報告和文獻，提供了全球和特定區域的碳儲量估算信息。其中IPCC的《氣候變化、荒漠化、土地退化、可持續土地管理、糧食安全和陸地生態系統中的溫室氣體排放》特別報告提供了全球范圍內關于碳儲量估算的綜合信息。國內針對森林生態系統碳儲量的研究已經取得了豐富的成果，學者們通過各種方法和模型，對此進行了深層次的研究。例如，韓雪蓮等（2023）以香格里拉市高山松為研究對象，采用隨機森林聯立蒙特卡洛RF-MC，基于不同變量組合建立回歸模型，研究表明，基于多變量的碳儲量估測模型結果優于基于單一類型變量模型的，且不同類型的變量對碳儲量估測精度及不確定性有一定的影響[17]。馮昭輝（2020）采用標準地調查法對赤峰市喀喇沁旗旺業甸實驗林場的林內喬木、灌木、草本、枯落物及土壤的碳含量、碳密度與碳儲量進行調查研究[18]。石冉（2023）以第六次至第九次全國森林資源清查數據為基礎，并結合江西省森林資源狀況將該省森林資源分成了活立木、經濟林、竹林和灌木林這四大類型，參考環境經濟綜合核算體系（SEEA）中關于資源環境的計量方法，從“存”和“流”的視角，分別對江西省1999—2018年度的森林生態系統的碳資產價值和碳服務價值進行了估算，并對其變動趨勢進行了分析[19]。1.3技術路線首先，對海南省2010年、2015年和2020年30m分辨率的土地利用數據、海南省30m分辨率地形數據、海南省熱帶雨林國家公園矢量邊界數據以及海南省熱帶雨林國家公園樹種數據進行相應的預處理，以確保數據質量和一致性。對處理得到的2010年、2015年和2020年三個階段的土地利用類型數據進行空間變化分析。基于現有數據，綜合查閱相關文獻收集、整理海南省熱帶雨林國家公園各個土地利用類型的地上碳密度值、地下碳密度值和土壤碳密度值，構建熱帶雨林碳密度表。利用InVEST模型，結合熱帶雨林碳密度表和土地利用類型數據，計算海南省2010年、2015年和2020年三個時間段的熱帶雨林國家公園碳密度，并進行進一步的空間變換分析，探討海南省熱帶雨林國家公園碳儲量的演變情況。本文的技術路線圖如下：圖1技術路線圖2資料與方法2.1研究區概況本文的研究區海南熱帶雨林國家公園位于海南島中部山區，是亞洲熱帶雨林和世界季風常綠闊葉林交錯帶上唯一的“大陸性島嶼型”熱帶雨林，規劃總面積4400余平方千米，約占海南島陸域面積的1/7。在地貌方面，海南熱帶雨林國家公園地處海南島中南部的穹窿構造山區，包括中南部山脈東支五指山山脈和西支黎母嶺山脈的大部分區域，構成了海南島的最高脊。海南熱帶雨林國家公園的最高點為五指山，海拔1867米，也是海南島的最高峰；氣候方面，海南熱帶雨林國家公園地處熱帶北緣，屬熱帶海洋性季風氣候區。日照時間長，太陽總輻射量大。年均氣溫22.5℃-26.0℃，多年平均降雨量為1759毫米。水文方面，海南熱帶雨林國家公園境內水體屬南海水系，該區域發育的山川小支流大部分匯入南渡江、萬泉河、昌化江，僅吊羅山南面水系匯入陵水河注入南海以及尖峰嶺西面和南面水系直接入海。圖2海南省熱帶雨林國家公園空間范圍2.2數據獲取與預處理2.2.1數據獲取本文的研究數據主要有2010-2020年海南省土地利用數據、海南省DEM、海南熱帶雨林國家公園矢量邊界、海南熱帶雨林國家公園碳密度數據。其中，土地利用、DEM以及海南熱帶雨林國家公園矢量邊界數據來源于中國科學院空天信息創新研究院和國家基礎地理信息數據庫，海南熱帶雨林國家公園碳密度數據庫通過收集、整理相關文獻資料[26]構建。數據詳細信息如下表所示：表1研究數據詳細信息數據名稱數據來源空間分辨率坐標信息2010-2020年海南省土地利用數據中國科學院空天信息創新研究院30米WGS_84海南省DEM數據中國科學院空天信息創新研究院30米WGS_84海南熱帶雨林國家公園矢量邊界數據國家基礎地理信息數據庫\CGCS2000_3_Degree_GK_CM_111E海南熱帶雨林國家公園碳庫數據文獻資料\\2.2.2數據預處理（1）碳密度數據碳密度數據庫根據已公開發表論文和相關數據進行構建，在論文檢索網站分別以“森林碳儲量”和“地物碳密度”作為關鍵詞進行論文檢索，篩選文獻中通過實地調查所獲得碳密度數據。由于本文中海南省土地利用數據分類級別到達國標分類的第三級，在相關文獻和數據庫中暫未有對應的碳密度數據，故在本文的研究中對三級土地利用類型按照國家二級分類標準進行合并。按照InVEST模型計算方法對應的標準獲取地上碳密度值、地下碳密度值、凋落物碳密度值和表層土壤有機物碳密度值，將獲取得到的碳密度值保存為CSV數據，具體對應的碳密度數值如表2所示。表2海南熱帶雨林國家公園碳密度表lucodeLUCC_NameC_aboveC_belowC_soilC_dead10旱地20.5002010.9484111草地9.021638.782810.08992.1920灌溉農田20.9286010.9484052常綠闊葉林21.39484.271422.79577.85120灌木叢26.13245.31729.4942.31180濕地0000190不透水表面11.6046016.03880210水體0000（2）數據投影變換在InVEST模型中計算碳儲量需要輸入的數據集必須以線性單位投影進而計算土地利用數據的面積，需要將數據以統一的投影坐標系表示，以確保模型能夠準確計算碳儲量并提供可靠的結果。在本文中為了使不同數據來源的數據能夠被InVEST模型所接受并正確處理，首先需要進行坐標轉換操作。在ArcGIS中對所獲取的數據進行了統一的坐標轉換操作，將數據轉換為投影坐標系確保數據的一致性和可比性。（3）柵格數據裁剪本文的研究區位于海南熱帶雨林國家公園，這個地區是熱帶雨林生態系統的重要代表，對于保護和管理具有重要意義。為了深入了解該地區土地利用的變化情況，需要獲取2010年、2015年和2020年的海南省土地利用類型數據，并對這些數據進行掩膜操作，以提取出海南熱帶雨林國家公園在這三個年份的土地利用柵格數據。2.3InVEST模型在本文中使用InVEST（IntegratedValuationofEcosystemServicesandTradeoffs）模型計算海南熱帶雨林生態系統碳儲量。InVEST3.14.1Workbench是一款由NaturalCapitalProject開發的已廣泛應用于生態系統服務評估的開源軟件，該軟件提供了一系列模型，包括水資源服務、碳儲量、海岸防護、生物多樣性等模型，可以用于評估水資源、碳儲量、海岸防護、生物多樣性等生態系統服務的價值和分布。其中，InVEST模型基于是地理信息系統（GIS）和生態學原理，利用地形、土地利用和碳密度等數據，準確估算不同地區、不同管理情景下生態系統中的碳儲量，并提供空間分布和變化信息。為生態系統碳儲量管理和決策提供科學支持。陸地生態系統的碳儲量主要由四個部分組成：地上生物碳、地下生物碳、土壤有機碳和死有機碳。地上生物碳包括植被的生物量，即所有活體植物儲存的碳；地下生物碳指存在于植物根系中的碳儲量；死有機碳是指凋零的植物中存儲的碳；土壤有機碳則是指土壤中的有機碳儲量。這些不同部分的碳儲量共同構成了陸地生態系統的整體碳儲量，對于生態系統的碳循環和碳管理具有重要意義。InVEST模型主要根據土地利用類型數據LULC（TheLand-Use/Land-Cover土地利用和土地覆蓋）以及每種土地利用類型的碳密度，分別計算每種地類面積Si和對應植被的地上碳密度Ciabove、植被地下碳密度Cibelow、凋落物碳密度Cidead和表層土壤有機物碳密度Cisoli的乘積并求和，得到地上生物碳儲量C（1）（2）（3）C（4）（5）式中Ai為對應植被用地類型的面積，單位為公頃?a，Cabove、Cbelow、Cdead和Csoil3結果與分析3.1海南熱帶雨林國家公園土地利用變化分析海南熱帶雨林國家公園作為海南省的重要保護區，其土地利用情況對于生態系統的可持續發展具有重要意義。本文利用ArcGIS軟件，對海南省熱帶雨林國家公園三期土地利用數據2010年、2015年、2020年進行分析，得到不同時期各土地利用類型的面積大小及變化情況（圖3、4、5）。圖32010年土地利用空間分布圖42015年土地利用空間分布圖52020年土地利用空間分布近10年來，海南熱帶雨林國家公園土地利用類型主要以常綠闊葉林和灌木叢為主。常綠闊葉林主要分布在熱帶雨林公園的絕大部分區域，灌木叢則零星散布其中，集中分布在中北部地區。值得注意的是，灌溉農田面積有顯著的減少趨勢。2010-2015年，灌溉農田呈條帶狀分布在大廣壩水庫周圍，至2020年，僅在水庫東側有零星分布，大部分農田都被水體覆蓋。其余土地類型交錯分布在熱帶雨林公園內。2010-2020年土地利用面積變化如表3和圖6所示。表3海南熱帶雨林國家公園2010、2015、2020土地利用面積統計土地利用類型2010年（km2）2015年（km2）2020年（km2）旱地53.1744.2239.68草地4.314.524.98灌溉農田15.6015.217.90常綠闊葉林3041.703064.623073.74灌木叢1098.551085.071082.82濕地0.390.441.04不透水表面3水體55.3055.8860.18圖6近15年海南熱帶雨林國家公園各類型土地面積變化圖具體來看，由圖6可知，2010-2020年，常綠闊葉林面積呈現上升趨勢，增長了32.04km2，灌木叢面積則緩慢下降，濕地面積顯著增加，增長了1.8倍。草地和不透水面的面積有小幅上漲，總體相對穩定。2015-2020年，灌溉農田的下降趨勢與水體的上升趨勢較為一致，其原因可能是海南熱帶雨林國家公園施行退耕還湖的政策，對當地的生態環境進行補償。3.2海南熱帶雨林國家公園碳儲量分析基于InVEST模型獲得了2010、2015和2020年三個時間段的海南熱帶雨林國家公園碳存儲量數據，并利用ArcGIS繪制了不同年份的碳儲量分布圖，具體展示在圖7、圖8和圖9中。分析這些圖表可以發現，在2010年至2020年期間，海南熱帶雨林國家公園的碳儲量呈現持續增長的趨勢，其中碳儲量的最大值從571.6噸/公頃增加至615.5噸/公頃。整體來看，公園的碳儲量相對較高，但在西北側和東南側的水體區域存在部分碳儲量為零的情況，而碳儲量較低的區域主要分布在公園外側，尤其是濕地區域，而內部核心區域則具有較高的碳儲量。隨著時間的推移，碳儲量的增加主要與常綠闊葉林面積增加密切相關。圖72010年海南熱帶雨林國家公園碳儲量分布圖82015年海南熱帶雨林國家公園碳儲量分布圖92020年海南熱帶雨林國家公園碳儲量分布圖102010年海南熱帶雨林國家公園碳儲量等級圖圖112015年海南熱帶雨林國家公園碳儲量等級圖圖122020年海南熱帶雨林國家公園碳儲量等級圖本研究采用自然斷點法對海南熱帶雨林國家公園的碳儲量進行了細致的分級，將其劃分為低、中、高三個不同的等級（圖10、11、12），計算不同土地利用類型的碳儲量等級面積占比，結果如圖13所示。分析可知，超過93%的常綠闊葉林碳儲量為高等級，旱地、灌溉農田、灌木叢及不透水表面均具有超過85%的面積碳儲備能力達到了中等級，草地碳儲備能力主要集中在高等級和中等級，各占草地總面積的58%和40%，水體的碳儲備能力以低等級為主，水體低碳儲量等級面積占到了水體總面積的88%。圖132020年不同地類的碳儲量等級占比4結論與討論4.1結論本文基于InVEST模型，利用GIS空間分析技術對海南熱帶雨林國家公園碳儲量進行了估算，得到結論如下：（1）2010-2020年，常綠闊葉林面積呈現上升趨勢，增長了32.04km2，灌木叢面積則緩慢下降，濕地面積顯著增加，增長了1.8倍。草地和不透水面的面積有小幅上漲，總體相對穩定。灌溉農田的下降趨勢與水體的上升趨勢較為一致。（2）碳儲量估算的過程中，不同類型植被的碳密度差異性較大，海南熱帶雨林國家公園的碳儲量主要集中分布于常綠闊葉林和周邊地帶，核心區域表現出較高的碳密度。不同植被類型和土壤特征導致不同區域的碳儲量存在顯著差異。這種空間分布格局反映了生態系統結構和功能的多樣性，為生態環境保護和管理提供了重要參考。4.2不足與展望（1）空間分辨率不足。本文使用的是30m土地利用類型數據，如果能使用更高空間分辨率的數據，估算的碳儲量可能更為精確。（2）時間尺度上的不足。本文僅利用2010、2015和2020三年的數據進行研究可能無法全面反映海南熱帶雨林國家公園長期的碳儲量變化趨勢，使用更長時間序列的數據可能會加深對海南熱帶雨林生態系統碳循環過程的理解。未來研究將進一步深化對海南熱帶雨林國家公園碳儲量的空間分布規律和影響因素的探討，結合更多環境要素如地形、水文等進行綜合分析。同時，應加強對監測技術的改進與創新，提高估算精度和時空分辨率，以更全面、準確地反映碳儲量的動態變化，為制定科學的生態保護政策提供更有力的支持。參考文獻：[1]馮源,田宇,朱建華,肖文發,李奇.森林固碳釋氧服務價值與異養呼吸損失量評估[J].生態學報,2020,40(14):5044-5054.[2]周自翔,李晶,馮雪銘.基于GIS的關中-天水經濟區土地生態系統固碳釋氧價值評價[J].生態學報,2013,33(9):2907-2918.[3]馬長欣,劉建軍,康博文,孫尚華,任軍輝.1999—2003年陜西省森林生態系統固碳釋氧服務功能價值評估[J].生態學報,2010,30(6):1412-1422.[4]邵壯,陳然,趙晶,夏楚瑜,何穎婷,唐豐蕓.基于FLUS與InVEST模型的北京市生態系統碳儲量時空演變與預測[J].生態學報,2022,42(23):9456-9469.[5]OCHOA-GOMEZJG,LLUCH-COTASE,RIVERA-MONROYVH,etal.MangrovewetlandproductivityandcarbonstocksinanaridzoneoftheGulfofCalifor-nia(LaPazBay,Mexico)[J].ForestEcologyandMan-agement,2019,442:135-147.[6]高述超,陳毅青,陳宗鑄,雷金睿,吳庭天.海南島森林生態系統碳儲量及其空間分布特征.生態學報,2023,43(9):3558-3570.[7]楊明新,楊秀春,趙云,黃青東智,李成先,曹文強,陳昂,谷強,李澤宇,王守興.黃河源園區高寒草地碳儲量估算及其影響因素.生態學報,2023,43(9):3546-3557.[8]劉業軒,石曉麗,史文嬌.福建省森林生態系統水源涵養服務評估:InVEST模型與meta分析對比[J].生態學報,2021,41(4):1349-1361.[9]任胤銘,劉小平,許曉聰,孫嵩松,趙林峰,梁迅,曾莉.基于FLUS-InVEST模型的京津冀多情景土地利用變化模擬及其對生態系統服務功能的影響[J].生態學報,2023,43(11):4473-4487.[10]魏培潔,吳明輝,賈映蘭,高雅月,徐浩杰,劉章文,陳生云.基于InVEST模型的疏勒河上游產水量時空變化特征分析[J].生態學報,2022,42(15):6418-6429.[11]劉嬌,郎學東,蘇建榮,劉萬德,劉華妍,田宇.基于InVEST模型的金沙江流域干熱河谷區水源涵養功能評估[J].生態學報,2021,41(20):8099-8111.[12]黃木易,岳文澤,馮少茹,張嘉暉.基于InVEST模型的皖西大別山區生境質量時空演化及景觀格局分析[J].生態學報,2020,40(9):2895-2906.[13]劉宥延,劉興元,張博,李妙瑩.基于InVEST模型的黃土高原丘陵區水源涵養功能空間特征分析[J].生態學報,2020,40(17):6161-6170.[14]DONATODC,KAUFFMANJB,MURDIYARSOD,etal.Mangrovesamongthemostcarbon-richforestsinthetropics[J].Nature