一种土地利用变化的碳排放评估方法和系统

技术领域

本发明涉及碳排放技术领域，尤其涉及一种土地利用变化的碳排放评估方法和系统。

背景技术

土地作为人类生产生活的对象和载体，其利用方式的改变会对社会经济、自然环境以及生态系统的服务功能产生深远的影响。迄今为止，已经有近一半的无冰陆地表面发生了改变，大量的自然景观被转变为人类活动为主的土地，这些人为的土地利用变化(Landuse change，LUC)通过影响生物地球化学循环(如温室气体)和生物地球物理途径(如反照率和蒸腾作用)，加剧了全球和区域的气候变化。据估算，自工业革命以来，由于人类活动造成的LUC碳排放约占人为总排放的1/3，是大气CO

由于LUC导致的碳排放无法被直接观测到，所以相关的碳排放必须借助模型的发展。但是目前的LUC排放模型的可靠性差，空间分辨率低，无法准确地估算出LUC活动所引起的碳排放，且很难区分不同活动所引发的组分通量。

发明内容

本发明实施例提供了一种土地利用变化的碳排放评估方法和系统，用于解决现有的LUC排放模型的可靠性差，空间分辨率低，无法准确地估算出LUC活动所引起的碳排放，且很难区分不同活动所引发的组分通量的技术问题。

有鉴于此，本发明第一方面提供了一种土地利用变化的碳排放评估方法方法，包括：

基于LUH2数据集，采用薄记模型原理构建在全球范围内追踪土地利用变化活动引发的碳通量在时间上分布的LUCE模型；

将土地利用变化活动分为四类，分别为开垦、撂荒、收获和其它，并分别建立开垦、撂荒、收获和其它所对应的专用碳通量估算数学模型；

获取全球范围内的土地利用变化活动事件，基于专用碳通量估算数学模型计算每一个土地利用变化活动事件对应的碳通量，基于LUCE模型计算每一个碳库的碳存储量，碳库包括土壤碳库、木制品碳库、植被生物量碳库和大气碳库。

可选地，LUCE模型包括碳库碳储存量计算模型和土地利用变化活动总碳通量计算模型；

碳库碳储存量计算模型为：

C

ΔE

其中，C

土地利用变化活动总碳通量计算模型为：

E

其中，E

可选地，开垦土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

可选地，撂荒土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

可选地，收获土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

可选地，其它土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

本发明第二方面提供一种土地利用变化的碳排放评估系统，包括：

建模单元，用于基于LUH2数据集，采用薄记模型原理构建在全球范围内追踪土地利用变化活动引发的碳通量在时间上分布的LUCE模型；

分类单元，用于将土地利用变化活动分为四类，分别为开垦、撂荒、收获和其它，并分别建立开垦、撂荒、收获和其它所对应的专用碳通量估算数学模型；

碳通量计算模块，用于获取全球范围内的土地利用变化活动事件，基于专用碳通量估算数学模型计算每一个土地利用变化活动事件对应的碳通量，基于LUCE模型计算每一个碳库的碳存储量，碳库包括土壤碳库、木制品碳库、植被生物量碳库和大气碳库。

可选地，LUCE模型包括碳库碳储存量计算模型和土地利用变化活动总碳通量计算模型；

碳库碳储存量计算模型为：

C

ΔE

其中，C

土地利用变化活动总碳通量计算模型为：

E

其中，E

可选地，开垦土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

可选地，撂荒土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

可选地，收获土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

可选地，其它土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

从以上技术方案可以看出，本发明提供的土地利用变化的碳排放评估方法具有以下优点：

本发明提供的土地利用变化的碳排放评估方法，引入了LUH2土地利用数据构建LUCE模型，实现了更精细和准确的LUC排放估算，针对于不同的土地利用变化活动，分别采用对应的专用碳通量估算数学模型进行估算，解决了现有的LUC排放模型的可靠性差，空间分辨率低，无法准确地估算出LUC活动所引起的碳排放，且很难区分不同活动所引发的组分通量的技术问题。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种土地利用变化的碳排放评估方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中提供的LUCE模型与其它薄记模型的碳排放估算结果对比图；

图3为本发明实施例中提供的一种土地利用变化的碳排放评估系统的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

土地利用变化：土地利用变化(Land use change，LUC)是指地表的物理性质、植被类型、土地覆盖以及土地用途等方面的变化。这些变化可以涵盖农田、森林、城市、湿地等各种地貌类型，以及其之间的转换和演变。土地利用变化通常由人类活动(如农业、城市化、林业等)以及自然因素(如火灾、气候变化等)引起。

碳排放：碳排放是指二氧化碳(CO

薄记模型：薄记模型(Bookkeeping)是一种在不同土地利用变化情况下，估算温室气体排放的半经验模型，这种模型的核心思想是通过记录不同土地类型在变化前后的碳储存差异和模拟其在时间上的排放分布，以计算整个土地系统的温室气体净排放。

为了便于理解，请参阅图1，本发明中提供了一种土地利用变化的碳排放评估方法的实施例，包括：

步骤101、基于LUH2数据集，采用薄记模型原理构建在全球范围内追踪土地利用变化活动引发的碳通量在时间上分布的LUCE模型。

需要说明的是，LUH2数据集提供了包括木材采伐、轮垦在内的历史土地利用重建数据，涵盖了有或无土地利用变化的所有土地利用活动。时间跨度为850年到2100年，同时，LUH2数据集还提供了相应的生物质碳密度信息，包括网格化的时间序列的碳密度和相关的次生土地年龄，并且该数据与LUC活动数据完全耦合。具体来说，该数据集的空间分辨率为0.25°，包含了5种土地利用状态(农田、牧场、原生土地、次生土地和城市)和12个子类别(农田状态下的5种作物类型、牧场状态下的2种牧场类型以及可以细分为林地和非林地的原生土地和原生土地)，同时提供了这些状态之间的所有的土地利用转换数据。植被和土壤的碳密度则根据数据可用性在全球或网格尺度上进行参数化。一般来说，原生地的土壤碳密度最高，其次是次生土地和牧场，农作物的土壤碳密度最低。针对频繁重复发生的LUC活动，考虑时空异质性对生物量的影响，为了避免在很短时间内重复计算土壤通量，可以筛选掉一些年轻的次生林，保证了计算结果的准确性。

本发明实施例中基于薄记模型原理构建LUCE模型，LUCE模型可以在全球范围内追踪LUC活动引发的碳通量(碳排放和碳吸收)在一至数十年上的时间分布，可以在栅格水平上准确地估算LUC引起的碳通量，并能分离出不同LUC活动引发的分量通量，进而确认排放热点、排放的主要年份或主导排放的LUC活动。总的来说，LUCE模型可以在任意空间尺度上(如网格、国家、区域或全球)，模拟计算出某一定时间段内，某一空间上所发生的所有LUC活动导致的碳通量和相应的净排放。

土地利用变化(LUC)对陆地生态系统的扰动改变了碳库(植被、废弃物和土壤碳)的大小，导致一部分的排放发生在扰动的当年(如焚烧)，而另一些排放发生在持续数年至数十年的缓慢过程中(如森林砍伐后的砍伐物/土壤碳分解)。虽然有些LUC活动的排放可以通过次生植被的再生长和土壤碳储量的重建(如重新造林)吸收CO

LUCE模型包括碳库碳储存量计算模型和土地利用变化活动总碳通量计算模型，碳库碳储存量计算模型为：

C

ΔE

其中，C

土地利用变化活动总碳通量计算模型为：

E

其中，E

步骤102、将土地利用变化活动分为四类，分别为开垦、撂荒、收获和其它，并分别建立开垦、撂荒、收获和其它所对应的专用碳通量估算数学模型。

需要说明的是，LUCE模型考虑的LUC活动主要包括毁林、森林退化、植树造林或重新造林、木材采伐、采伐后或农业废弃后的森林再生长、农田与牧场之间的转换，以及轮垦等土地管理活动。跟所有的薄记模型一样，LUCE模型的结果可以分为不同过程相对应的通量成分，包括毁林过程中直接的生物量损失、土地转换后所有土壤碳和枯落物分解的延迟排放(遗留排放)、毁林造成的木制品排放，以及次生林再生长或植树造林产生的碳吸收。我们将LUCE模型的模拟过程分为四类，分别是开垦(Clearing)、撂荒(Abandonment)、收获(Harvest)及其它(Others)。具体来说，开垦(Clearing)模拟的是自然土地(即林地和非林地)转换为人为土地(即农田和牧场)所引起的碳排放。撂荒(Abandonment)模拟的是从人为土地转化为自然土地所引起的碳吸收。收获(Harvest)考虑的是采伐活动造成的碳排放以及随后森林重新生长引起的碳吸收。其它(Others)模拟的主要是包括人为土地的相互转换(农田与牧场)造成的碳交换。

在开垦过程中，假设33％的森林植被碳会被分配到土壤碳库中，而非林地的这一比例为50％，剩余的植被碳则在随后的计算中被视为木制品碳库。在土壤碳库中，之前碳的流入碳流出的平衡状态则由于土地转换的干扰会被打破，直到最终在新的土地利用类型中达到新的平衡，在这样的一个过程中，最初的土壤分解速率较快，而在接近新平衡时分解速率较慢。即快速和缓慢的碳分解过程，并且该过程需要设置两组参数，即转移比例分数和相关转移的速率。木制品碳库则根据经验分为三个部分，相当于薪材和木炭、纸浆和纸制品、木材，其碳库所需的周转时间代表不同的腐烂率，分别为1年、10年和100年。开垦土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

撂荒后，陆地生态系统的植被再生长，会通过光合作用从大气中捕捉CO2，并将其积累到植被的生物量和土壤的碳库中，这些碳库的承载能力和规模因植被类型而异。一般情况下，重新平衡后的生态系统，其植被和土壤的碳密度只能达到次生土地的水平，并总是低于相应的原生土地。在该过程中，植被恢复的过程一般需要50年，而土壤碳库恢复所需的时间从15年到45年不等，热带地区恢复时间相对较短，温带地区则超过40年。撂荒土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

森林收获过程中，70％以上的植被碳会被转移到土壤碳库中，其余的碳则被分配到木制品碳库中。随后土壤碳不断发生分解，在热带、温带和北方森林中，碳储量分别下降到原始含量的65％、50％和85％，这是枯落物输入和异养呼吸分解相互作用达到平衡的结果。随后森林再生长过程中的碳吸收模拟与撂荒过程的模拟原理相同。收获土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

其它土地利用变化活动指的是农田和牧场相互转换的模拟过程，与土壤碳库有关的建模过程和开垦过程中土壤碳库快速分解的过程类似，在植被方面，植被清除和再生长所产生的碳排放或碳清除只发生在转换当年。并且LUCE模型的初始设定是牧场的碳储量大于相同植被类型下的耕地，因此农田转化为牧场会向大气释放CO

其中，

步骤103、获取全球范围内的土地利用变化活动事件，基于专用碳通量估算数学模型计算每一个土地利用变化活动事件对应的碳通量，基于LUCE模型计算每一个碳库的碳存储量，碳库包括土壤碳库、木制品碳库、植被生物量碳库和大气碳库。

需要说明的是，当全球范围内发生土地利用变化活动事件时，基于土地利用变化活动对应的专用碳通量估算数学模型计算每一个土地利用变化活动事件对应的碳通量，再基于LUCE模型计算每一个碳库的碳存储量，即可获得土地利用变化的碳排放评估结果。

本发明提供的土地利用变化的碳排放评估方法，引入了空间明确的高分辨率LUH2土地利用数据构建LUCE模型，实现了更精细和准确的LUC排放估算，针对于不同的土地利用变化活动，分别采用对应的专用碳通量估算数学模型进行估算，解决了现有的LUC排放模型的可靠性差，空间分辨率低，无法准确地估算出LUC活动所引起的碳排放，且很难区分不同活动所引发的组分通量的技术问题。

为了对本发明中提供的土地利用变化的碳排放评估方法所达到的技术效果进行直观性体现，请参阅图2，本发明中利用LUCE模型，对全球过去60年(1961-2020)的LUC活动引发的碳通量进行了估算，并且将模型结果与现存的其它模型(H&N2017模型、BLUE模型和OSCAR模型)结果进行了对比，图2中1Pg C＝10亿吨碳，由图2的结果可看出，LUCE的模型结果明显最接近其它模型结果的均值，这说明LUCE的模型模拟结果减少了模型之间的差异，提高了估算的准确性。

为了便于理解，请参阅图3，本发明中提供了一种土地利用变化的碳排放评估系统的实施例，包括：

建模单元，用于基于LUH2数据集，采用薄记模型原理构建在全球范围内追踪土地利用变化活动引发的碳通量在时间上分布的LUCE模型；

分类单元，用于将土地利用变化活动分为四类，分别为开垦、撂荒、收获和其它，并分别建立开垦、撂荒、收获和其它所对应的专用碳通量估算数学模型；

碳通量计算模块，用于获取全球范围内的土地利用变化活动事件，基于专用碳通量估算数学模型计算每一个土地利用变化活动事件对应的碳通量，基于LUCE模型计算每一个碳库的碳存储量，碳库包括土壤碳库、木制品碳库、植被生物量碳库和大气碳库。

LUCE模型包括碳库碳储存量计算模型和土地利用变化活动总碳通量计算模型；

碳库碳储存量计算模型为：

C

ΔE

其中，C

土地利用变化活动总碳通量计算模型为：

E

其中，E

开垦土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

撂荒土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

收获土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

其它土地利用变化活动事件对应的专用碳通量估算模型为：

其中，

本发明中提供的土地利用变化的碳排放评估系统，用于执行本发明中提供的土地利用变化的碳排放评估方法，其原理与所取得的技术效果与本发明中提供的土地利用变化的碳排放评估方法相同，在此不再赘述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。