一种人工林碳汇计算方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及碳汇计算领域，具体是涉及一种人工林碳汇计算方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

人工林是森林生态系统的一种类型，其碳汇潜力巨大，被认为是减缓气候变暖最有效方法和最有希望的选择。人工林对陆地碳汇(植被吸收的二氧化碳且被固定在植物体内的二氧化碳)最显著的影响是在生物量碳库中积累碳，通过人工林提高土壤吸收CO

样方调查：通过在森林中选取样地，调查人员到样地中调查地形地貌、优势树种、覆盖度，统计树木个数，测量胸径、树高、林龄、凋落物等，并对地上植被和地下土壤进行采样，在理化实验室中测量植被和土壤碳含量，通过两期数据对比，可得到人工林在两次采样期间的碳汇量。但这一方法费时费力，成本很高，数据时效性很差。

站点观测：利用涡度相关原理，使用相关仪器设备测量人工林的碳汇量。涡度相关观测法能够提供较为准确的碳交换时空序列数据，但受到仪器成本、维护费用以及站点分布等因素的制约，站点的布设对下垫面有较为苛刻的要求，并且观测到的CO

生态系统模型：通过卫星遥感和气象数据作为驱动数据，使用基于过程的生态系统模型可模拟森林碳汇。生态系统模型是根据植物生长与发育的生理生态过程，并结合气候与土壤等输入数据来估算森林碳汇状况，当前比较著名的模型有AVIM2、BEPS、CEVSA模型等。

现有技术的三种方法都是针对天然林而建立的计算碳汇的方法，由于人工林与天然林存在较大的差异。具体而言，天然林与人工林在林龄上有较大差别。生态系统过程模型一般都将森林假设为成熟林进行模拟，这一假设明显不适用于人工林，理论上成熟森林的碳汇接近于0，因此大部分模型模拟的人工林碳汇明显低于观测数据。另一方面，生态系统过程模型在模拟中仅考虑森林功能的差别，即将森林按照功能分为常绿阔叶林、常绿针叶林、落叶阔叶林、落叶针叶林、混交林等，忽略了功能型中树种之间的差异，这也会对碳汇估算带来较大的不确定性。

综上所述，现有技术因忽视了树种之间的差异导致计算出的碳汇量偏离实际。

因此，现有技术还有待改进和提高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种人工林碳汇计算方法、装置、设备及存储介质，解决了现有技术因忽视了树种之间的差异导致计算出的碳汇量偏离实际的问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种人工林碳汇计算方法，其中，包括：

依据所述人工林的森林树种，得到与所述人工林所对应的生物量计算公式；

依据所述人工林的树龄和所述生物量计算公式，得到所述人工林的初始生物量；

依据所述初始生物量，计算所述人工林的凋落物所包含的凋落碳量；

依据所述凋落碳量，得到所述人工林的固化碳汇量。

在一种实现方式中，所述生物量计算公式的构建方式，包括：

将所述树龄所对应的参数作为自变量、生物量所对应的参数作为因变量，构建递增函数；

将所述递增函数作为生物量计算公式。

在一种实现方式中，所述将所述树龄所对应的参数作为自变量、生物量所对应的参数作为因变量，构建递增函数，包括：

将所述树龄所对应的参数作为自然对数的指数，构建中间变量；

依据所述中间变量和所述因变量，构建递增函数。

在一种实现方式中，所述依据所述初始生物量，计算所述人工林的凋落物所包含的凋落碳量，包括：

依据所述森林树种，得到所述凋落物所对应的凋落率；

将所述凋落率乘以所述初始生物量，得到所述凋落碳量。

在一种实现方式中，所述依据所述凋落碳量，得到所述人工林的固化碳汇量，包括：

将所述凋落碳量加上所述人工林的净增长碳量，得到净初级生产力；

将所述净初级生产力减去土壤呼吸碳量，得到固化碳汇量，所述土壤呼吸碳量为土壤呼吸消耗的凋落碳量。

在一种实现方式中，所述土壤呼吸碳量的计算方式包括：

依据所述土壤的木质素与氮的比例，计算所述凋落物进入到结构库形成的第一部分碳量和进入到代谢库形成的第二部分碳量，所述结构库和所述代谢库为所述土壤的组成部分；

依据所述第一部分碳量、所述结构库针对所述凋落物的最大分解速率、所述土壤的温湿度对所述凋落物的分解速度的影响系数，得到所述结构库针对所述凋落物的第一分解速率；

依据所述第二部分碳量、所述代谢库针对所述凋落物的最大分解速率、所述土壤的温湿度对所述凋落物的分解速度的影响系数，得到所述代谢库针对所述凋落物的第二分解速率；

依据所述第一分解速率、所述第一部分碳量、所述第二分解速率、所述第二部分碳量、所述土壤的微生物同化效率，得到土壤呼吸碳量。

在一种实现方式中，还包括：

计算所述土壤的碳有效性值和氮有效性值；

依据所述碳有效性值和所述氮有效性值以及所述土壤的已有矿化氮量，得到氮的平衡值；

依据氮的所述平衡值，确定所述第一分解速率的最终值和所述第二分解速率的最终值。

第二方面，本发明实施例还提供一种人工林碳汇计算装置，其中，所述装置包括如下组成部分：

计算公式确定模块，用于依据所述人工林的森林树种，得到与所述人工林所对应的生物量计算公式；

生物量计算模块，用于依据所述人工林的树龄和所述生物量计算公式，得到所述人工林的初始生物量；

凋落物计算模块，用于计算所述人工林的凋落物所包含的凋落碳量；

碳汇量计算模块，用于依据所述初始生物量和所述凋落碳量，得到所述人工林的固化碳汇量。

第三方面，本发明实施例还提供一种终端设备，其中，所述终端设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的人工林碳汇计算程序，所述处理器执行所述人工林碳汇计算程序时，实现上述所述的人工林碳汇计算方法的步骤。

第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有人工林碳汇计算程序，所述人工林碳汇计算程序被处理器执行时，实现上述所述的人工林碳汇计算方法的步骤。

有益效果：本发明首先根据人工林的森林树种，确定出每个森林树种对应的生物量计算公式，然后将人工林的树龄输入到生物量计算公式，计算出人工林的初始生物量，之后计算人工林的凋落物所包含的凋落碳量，最后依据凋落碳量计算人工林能够保留下来的碳汇量。本发明针对每一种树种都建立了对应的生物量计算公式，可以结合人工林的树龄有针对性的计算每一种树种的生物量，最终能够提高计算出的人工林碳汇量准确性。

附图说明

图1为本发明的整体流程图；

图2为本发明实施例中的模型结构图；

图3为本发明实施例中的模型运行示意图；

图4为本发明实施例提供的终端设备的内部结构原理框图。

具体实施方式

以下结合实施例和说明书附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。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。

经研究发现，人工林是森林生态系统的一种类型，其碳汇潜力巨大，被认为是减缓气候变暖最有效方法和最有希望的选择。人工林对陆地碳汇(植被吸收的二氧化碳且被固定在植物体内的二氧化碳)最显著的影响是在生物量碳库中积累碳，通过人工林提高土壤吸收CO

样方调查：通过在森林中选取样地，调查人员到样地中调查地形地貌、优势树种、覆盖度，统计树木个数，测量胸径、树高、林龄、凋落物等，并对地上植被和地下土壤进行采样，在理化实验室中测量植被和土壤碳含量，通过两期数据对比，可得到人工林在两次采样期间的碳汇量。但这一方法费时费力，成本很高，数据时效性很差。

站点观测：利用涡度相关原理，使用相关仪器设备测量人工林的碳汇量。涡度相关观测法能够提供较为准确的碳交换时空序列数据，但受到仪器成本、维护费用以及站点分布等因素的制约，站点的布设对下垫面有较为苛刻的要求，并且观测到的CO

生态系统模型：通过卫星遥感和气象数据作为驱动数据，使用基于过程的生态系统模型可模拟森林碳汇。生态系统模型是根据植物生长与发育的生理生态过程，并结合气候与土壤等输入数据来估算森林碳汇状况，当前比较著名的模型有AVIM2、BEPS、CEVSA模型等。

现有技术的三种方法都是针对天然林而建立的计算碳汇的方法，由于人工林与天然林存在较大的差异。具体而言，天然林与人工林在林龄上有较大差别。生态系统过程模型一般都将森林假设为成熟林进行模拟，这一假设明显不适用于人工林，理论上成熟森林的碳汇接近于0，因此大部分模型模拟的人工林碳汇明显低于观测数据。另一方面，生态系统过程模型在模拟中仅考虑森林功能的差别，即将森林按照功能分为常绿阔叶林、常绿针叶林、落叶阔叶林、落叶针叶林、混交林等，忽略了功能型中树种之间的差异，这也会对碳汇估算带来较大的不确定性。现有技术因忽视了树种之间的差异导致计算出的碳汇量偏离实际。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种人工林碳汇计算方法、装置、设备及存储介质，解决了现有技术因忽视了树种之间的差异导致计算出的碳汇量偏离实际的问题。具体实施时，首先依据人工林的森林树种，得到与人工林所对应的生物量计算公式，然后依据人工林的树龄和生物量计算公式，得到人工林的初始生物量，之后计算人工林的凋落物所包含的凋落碳量，最后依据凋落碳量，得到人工林的碳汇量。本发明能够提高计算出的人工林碳汇量准确性。

举例说明，有两片人工林甲和乙，人工林甲栽种的是红松(树种)，人工林乙栽种的是柏木，当计算人工林甲的固化碳汇量，将人工林甲的树龄输入到计算公式A中，计算出人工林甲的初始生物量(从外界接收二氧化碳而形成的有机物质重量)，然后再计算人工林甲因凋落物(比如凋落到土壤中的树叶)而进入到土壤中的碳量(凋落碳量)，最后根据凋落碳量计算人工林能够固化的碳量。由于人工林乙的树种不同于人工林甲的树种，因此将上述公式A替换成公式B，进行同样的操作就可以计算出人工林乙最后固定的碳化量。本实施例针对不同树种的人工林采用不同的计算方式，能够量化计算出不同树种的人工林的碳化量，从而提高了每种树种的人工林碳化量计算结果的准确度。

本实施例计算固化碳汇量的方法是基于如图2所示的模型结构：

人工林碳汇模型由三个模块组成：第一个为描述植被－大气－土壤之间辐射、水、热交换过程的陆面物理过程模块；第二个是基于经验方程的生物量计算模块；第三个是土壤有机碳转化和分解子模块，见图2，其中虚线框内为各模块的输出变量。

将气象、土壤质地、森林类型、林龄等数据输入模型以后，通过物理过程模块计算出土壤的温度和湿度与通过生物量计算模块计算出凋落物量一起作用于土壤模块，得到土壤固碳速率，通过生物量计算模块可以计算出生物量固碳速率，从而可以计算出整个人工林生态系统的碳汇。

模型通过不同时间步长的耦合，将这三个过程有机的结合在一起。其中物理模块采用半隐式计算方案，积分步长为30分钟；生物量计算和土壤有机质的分解的时间步长取为1年。以下将详细介绍这三个模块

在一个实施例中，如图1中所示，所述人工林碳汇计算方法具体包括如下步骤：

S100，依据所述人工林的森林树种，得到与所述人工林所对应的生物量计算公式。

在一个实施例中，构建生物量计算公式的过程如下：将所述树龄所对应的参数x作为自然对数的指数，构建中间变量；依据所述中间变量和生物量所对应的参数y作为因变量，构建递增函数。将所述递增函数作为生物量计算公式。

采用上述方式构建的生物量计算公式如下：

y＝a

式中，a

或者，y＝a

式中，a

如表1所示，给出了每一种树种对应的生物量计算公式，当已知某一人工林的树种时，就可以从表1中确定出对应的生物量计算公式。

表1

S200，依据所述人工林的树龄和所述生物量计算公式，得到所述人工林的初始生物量。

将需要计算初始生物量的人工林的树龄x输入到表1中的公式中，就可以计算出该人工林的初始生物量y。本实施例采用计算公式对人工林的生物量进行量化计算，一方面可以提高计算出的生物量准确性，另一方面也能够降低计算复杂度。

S300，计算所述人工林的凋落物所包含的凋落碳量Loss。

凋落碳量就是从人工林上凋落的树叶、枝干等所包含的碳量。在一个实施例中，计算凋落碳量的过程包括：依据所述森林树种，得到所述凋落物所对应的凋落率η

Loss＝y×η

凋落物一般是指自然界植物在生长发育的过程中所产生的新陈代谢产物，由植物地上部分产生并归还到地面，作为降解者的物质和能量来源，从而维持森林生态系统功能持续稳定的所有有机质的总称。一般森林生态系统中森林凋落物包括落枝、倒木、枯立木、落叶、落皮、枯死草本、枯死树根、落地的营养和繁殖器官、动物残骸以及它们的异化代谢产物等。

S400，依据所述凋落碳量，得到所述人工林的固化碳汇量。

在一个实施例中，步骤S400包括如下的步骤S401和S402：

S401，将所述凋落碳量加上所述人工林的净增长碳量ΔB，得到净初级生产力NPP。

NPP表示植被固定的有机碳中扣除本身呼吸消耗的部分，也称净第一性生产力。

净增长碳量ΔB为人工林增长的树干、树枝等包含的碳量。

NPP＝ΔB+Loss

或者，

NPP＝GPP-Ra

其中，GPP等于0.45倍的初始生物量y，Ra为植物为了维持自身生命所消耗的碳量，又称为自养呼吸消耗量。

S402，将所述净初级生产力NPP减去土壤呼吸碳量HR，得到碳汇量NEP，所述土壤呼吸碳量为土壤呼吸消耗的凋落碳量。

NEP＝NPP-HR

在一个实施例中，计算上述土壤呼吸碳量HR包括如下步骤S4021、S4022、S4023、S4024：

S4021，依据所述土壤的木质素与氮的比例L/N，计算所述凋落物进入到结构库F

F

F

Q

Q

土壤包括八个库，分别是土壤表面结构库、地下结构库、活性库、土壤表面微生物、土壤表面代谢库、地下微生物(地下代谢库)、慢分解库、惰性库。土壤活性库和土壤表面微生物库包括土壤中的有机质、微生物和其产物，其周转周期为1～5年；慢分解库是土壤中较难分解的有机质，其周转周期为20～40年；惰性库是土壤中最难分解的有机质，其周转周期最长为200～1500年；植被凋落物进入结构和代谢库，结构库的周转周期为1～5年，代谢库的物质在进入其它土壤库之前的周转周期为0.1～1年。

其中，凋落物是按照比例进入到土壤表面结构库和土壤表面代谢库中的，在这两个库中，凋落物在这两个库中因为异氧呼吸而消耗生物量。凋落物所包含的生物量减去在这两个库中消耗的生物量，就是凋落物固定在土壤中的生物量，该生物量中所含的碳量就是凋落物在土壤中固定的碳汇。该碳汇量会以能量守恒的方式在其余六个库中流转。

S4022，依据所述第一部分碳量Q

S4023，依据所述第二部分碳量Q

S4024，依据所述第一分解速率k

HR＝Q

在一个实施例中，凋落物的分解速率k

S501，计算所述土壤的碳有效性值和氮有效性值。

S502，依据所述碳有效性值和所述氮有效性值以及所述土壤的已有矿化氮量Nav，得到氮的平衡值β：

β＝Na+Nav-εCaN/C

Ca＝∑Q

Na＝∑Q

式中，Ca为碳有效性值，Na为氮有效性值，N/C为氮与碳的比例。

S503，依据氮的所述平衡值β，确定所述第一分解速率的最终值和所述第二分解速率的最终值。

如果β＞0，则第一分解速率的最终值和第二分解速率的最终值取决于土壤中氮的含量，而不能再根据如下公式计算其值：

本实施例中生物量计算模块所产生的叶和茎的凋落物直接按比例进入土壤表面结构和代谢库，而根的凋落物则按比例进入地下结构和代谢库。本实施例中物理过程模块输出的土壤温、湿则直接影响土壤各库之间的分解和转换。由于物理过程模块在垂直方向将土壤分为4层，第一层为0.1米，第2层为0.9米，第3层为1米，以下为第4层。上3层对应温度日变化和季节变化，下层保持气候平均值。因此第一层土壤的温度和湿度影响土壤表面的结构库、代谢库和微生物库的转换和分解。第二、三层土壤的温度和湿度则影响地下代谢库、结构库、活性库以及慢分解库和惰性库。

在一个实施例中，土壤的温湿度对凋落物的分解速度的影响系数f(T)和f(P)是采用如下方式获取：

如图2所示，先将人工林所在环境的气象数据和土壤参数(比如土壤的颗粒大小、以及土壤的类型等)输入到物理过程模块中，物理过程模块输出土壤温度和湿度，之后再根据温湿度计算出f(T)和f(P)，具体过程如下：

冠层,土壤和雪盖温度的控制方程为：

其中T

冠层和土壤中的水分的控制方程为：

其中M

在一个实施例中，上述土壤参数土壤孔隙度stas、土壤饱和水势fs、土壤饱和导水度kws、土壤萎蔫含水量wi参照表2

表2

在一个实施例中，叶、茎、根和凋落物占总生物量的比例是土壤碳模块的重要参数，上述参数参照表3

表3

在一个实施例中，当将计算碳汇量的方法植入到电脑上，采用图3的方式运行该方法所对应的程序：

在计算过程中，首先由用户设定需要核算的人工林区域和时间段，然后模型调用气象、土壤、林龄、树种等驱动数据，进行碳汇核算，核算结果输出后可进行可视化展示，也会生成碳汇评估报告，供用户查看。

综上，本发明首先根据人工林的森林树种，确定出每个森林树种对应的生物量计算公式，然后将人工林的树龄输入到生物量计算公式，计算出人工林的初始生物量，之后计算人工林的凋落物所包含的凋落碳量，最后依据凋落碳量计算人工林能够保留下来的碳汇量。本发明针对每一种树种都建立了对应的生物量计算公式，可以结合人工林的树龄有针对性的计算每一种树种的生物量，最终能够提高计算出的人工林碳汇量准确性。

另外，通过人工林样点观测数据，找到了林龄-生物量的最佳拟合方程，与机理过程模型相结合，能够对人工林土壤碳汇进行核算，考虑了人工林和天然林的差异，提高了计算固化碳汇量准确度。

本实施例还提供一种人工林碳汇计算装置，所述装置包括如下组成部分：

计算公式确定模块，用于依据所述人工林的森林树种，得到与所述人工林所对应的生物量计算公式；

生物量计算模块，用于依据所述人工林的树龄和所述生物量计算公式，得到所述人工林的初始生物量；

凋落物计算模块，用于计算所述人工林的凋落物所包含的凋落碳量；

碳汇量计算模块，用于依据所述初始生物量和所述凋落碳量，得到所述人工林的固化碳汇量。

基于上述实施例，本发明还提供了一种终端设备，其原理框图可以如图4所示。该终端设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏、温度传感器。其中，该终端设备的处理器用于提供计算和控制能力。该终端设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该终端设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种人工林碳汇计算方法。该终端设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该终端设备的温度传感器是预先在终端设备内部设置，用于检测内部设备的运行温度。

本领域技术人员可以理解，图4中示出的原理框图，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的终端设备的限定，具体的终端设备以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种终端设备，终端设备包括存储器、处理器及存储在存储器中并可在处理器上运行的人工林碳汇计算程序，处理器执行人工林碳汇计算程序时，实现如下操作指令：

依据所述人工林的森林树种，得到与所述人工林所对应的生物量计算公式；

依据所述人工林的树龄和所述生物量计算公式，得到所述人工林的初始生物量；

依据所述初始生物量，计算所述人工林的凋落物所包含的凋落碳量；

依据所述凋落碳量，得到所述人工林的固化碳汇量。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

最后应说明的是：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。