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摘 要 天然橡胶林作为经济林在海南森林碳汇中占有很大的比例，具有较大的碳汇价值，准确的获取橡胶林碳密度空间分布信息对开展橡胶林碳汇功能进行评价具有重要的意义。为了能在空间上体现同一区域不同地点橡胶碳密度的差异，在MODIS遥感数据和橡胶普查数据的基础上，采用CASA模型和降尺度的方法，得到了海南岛天然林橡胶碳密度空间分布图。结果表明：该方法能在一定程度上体现出海南岛天然橡胶林碳密度的空间分布，天然橡胶林碳密度高值区分布在海南岛的中部，平均碳密度在25～33 t/hm2之间，而低值区域分布在海南岛北部，平均碳密度小于20 t/hm2。
关键词 橡胶林；碳密度；海南岛
中图分类号 Q948 文献标识码 A
Spatial Distribution of Carbon Sink Density of
Rubber Plant Based on MODIS
LIU Shaojun1，2， ZHANG Jinghong1，2， CHE Xiufen1， ZHANG Mingjie1， DU Hanhan1
1 Hainan Climate Center， Haikou， Hainan 570203， China
2 Key Laboratory of Meteorological Disaster Preventing and Reducing of South China Sea， Haikou， Hainan 570203， China
Abstract Natural rubber plant， as one of the important economic forests in Hainan Island， is of larger value of carbon sink. It is important to get the carbon sink spatial distribution to evaluate the development of rubber carbon sink function. The traditional statistics data were collected by the administrative boundary as an unit， which can't show the difference of rubber carbon density in same area. Remote sensing and the 2011 Hainan rubber plant statistics data were combined to calculate the spatial distribution of the carbon sink. Mean monthly NPP were calculated by CASA model based on MODIS remote sensing data， and then the spatial carbon density of rubber plant were calculated by the downscaling method. The result showed that the method could be used to calculate the carbon density distribution of rubber plant， and found the high value area of carbon density distribution was located in central Hainan Island， and the average carbon density was between 25～33 t/hm2， while the low value area was located in northern Hainan Island and the average carbon density was less than 20 t/hm2。
Key words Natural rbber plant； Carbon sink density； Hainan Island
doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.01.032
海南岛作为我国热带森林的代表性地区，碳汇作用显著。其中，热带林和经济林是海南岛森林碳储量的主体组成部分，据统计两者森林碳储量占整个海南岛总碳储量的80%～90%[1]。而在经济林中，橡胶林是最重要的一种人工经济林，具有较大的碳汇价值[2]。在森林碳汇计算方面，森林碳汇估算方法具有一定适用性的同时也都存在着各自的局限性，最为广泛的有3种方法：（1）样地清查法；（2）涡度相关法；（3）基于遥感的模型模拟法[3]。如在样地清查法方面：方精云等[4-8]提出了换算因子（BEF）与林分材积（x）的倒数函数关系，建立换算因子连续函数法；随后，相关的学者大都采用该方法进行森林碳汇的估算工作：如闫学金等[9]利用该方法对海南2008年森林碳汇量进行了估算；王锐等[10]对重庆市渝北区森林碳汇量估算；董方晓等[11]对辽宁省森林碳汇量的估算。涡度相关法是利用涡度通量塔等进行观测，该方法是目前公认的测量地-气交换最好的方法之一，国内外已经被广泛应用[3]，全球通量网络（FLUXNET）内的大部分的研究小组主要利用涡度相关技术测定陆地生态系统各种植被与大气间CO2、H2O和能量通量等。如谢五三等[12]对涡度相关法观测的淮河流域农田生态系统通量进行了分析；吴志祥等[13]利用涡度通量塔测定了橡胶林生态系统的CO2通量，并进行了初步分析；朱治林[14]开展了非平坦下垫面祸度相关通量的校正方法研究；温学发等[15]分析了涡度相关技术估算的植被/大气间净CO2交换量中的不确定性。应用遥感的模型模拟法，在模型、尺度转换问题等方面面临着需要改进的难题。在模型方面：马晓哲等[16]在荷兰瓦格宁根大学开发的CO2 FIX模型的基础上，对中国各省市自治区（除台湾省）的森林碳汇量进行估计；汤洁等[17]利用CASA 模型计算了吉林西部植被净初级生产力和估测吉林西部植被碳汇量；在降尺度方面：Kindermann等[18]采用降尺度方法绘制了全球森林碳分布图；刘双娜等[19]基于遥感降尺度估算中国森林生物量的空间分布；戴铭等[20]基于森林详查与遥感数据降尺度技术估算中国林龄的空间分布；张茂震等[21]根据浙江临安市森林资源清查样地数据和同年度TM影像数据，通过模拟和尺度转换，进行了森林碳制图。 海南岛是我国的主要天然橡胶主产区之一，在橡胶林作为热带地区一种重要人工经济林，由于传统普查数据以行政边界为单位进行统计，不能很好体现同一区域不同地点橡胶碳密度的差异。而遥感数据能在空间上较好体现橡胶的空间分布信息，但在存在不确定性等因素的制约，而不能直接用于碳密度的估算，因此采用遥感与天然橡胶普查数据相结合的方式，采用降尺度的方法计算海南岛橡胶林碳空间分布，空间分辨率达到250 m×250 m，为管理决策者详细了解海南岛橡胶林碳密度的空间分布的差异提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
2011年海南岛MODIS遥感数据集、TM遥感数据提取海南天然橡胶空间分布图（具体方法参考文献[22-23]）、2011年海南岛气象数据，包括温度、辐射、降水、蒸散量等（来源：海南省气象局）、DEM数据（来源：http：//srtm.csi.cgiar.org）、2011年海南天然橡胶普查数据。
1.2 方法
采用换算因子连续函数法进行橡胶碳密度的估算、利用光能利用率模型（Carnegie-Ames-Stanford Approach，CASA）进行2011年天然橡胶NPP均值的计算；空间降尺度技术实现天然碳密度分布。具体技术流程见图1。
1.2.1 天然橡胶碳密度的估算 采用的方法是通过林木蓄积来估算生物量，然后根据生物量计算碳储量，最后根据林地面积计算碳汇密度。①天然橡胶生物量估算：借鉴方精云等[8]的研究成果：生物量是换算因子BEF与该森林类型蓄积的乘积，推出的生物量的计算公式（公式1）。根据海南天然橡胶的特点，参照相关文献[8-9]，确定了海南天然橡胶具体换算因子，根据公式（2）估算海南岛各市县的天然橡胶生物总量。②天然橡胶碳储量估算：单位生物量的含碳量称为碳储量的转换系数，而天然橡胶碳储量即等于生物量与转换系数的乘积，根据相关文献[1，9]，取转换系数为0.45。③利用碳密度=碳储总量/面积，计算海南岛各市县的天然橡胶碳密度值。
2 结果与分析
根据2011年海南天然橡胶普查数据，首先以市县为单位分别计算天然橡胶碳密度；再结合TM遥感提取的橡胶分布图及利用光能利用率模型（Carnegie-Ames-Stanford Approach，CASA）计算的全岛植被NPP均值图，提取海南岛天然橡胶的NPP分布图；然后采用空间降尺度技术实现天然碳密度分布，利用公式（10），计算得到2011年海南岛天然橡胶平均碳密的空间分布（图3），空间分辨率为250 m×250 m。从天然橡胶不同碳密度所占面积的分配比例来看，碳密度小于20 t/hm2的面积所占比例为16.8%；碳密度在20～25 t/hm2之间所占的比例为57.1%；碳密度在25～33 t/hm2之间所占的比例为26.1%。同时，从图中可以看出，2011年海南岛天然橡胶碳密度的高值区域分布在五指山、白沙、琼中、保亭等中部山区和乐东的西部，平均碳密度在25～33 t/hm2之间；儋州、屯昌、琼海的西部的碳密度次高、天然橡胶碳平均密度在20～25 t/hm2之间；碳平均密度低值区主要分布在海南岛的北部，平均碳密度小于20 t/hm2。
3 讨论与结论
3.1 结论
净初级生产力NPP是研究森林植被碳密度的基础，本文在2011年橡胶林普查数据和遥感数据反演的NPP的基础上，利用降尺度的方法，重现了海南岛2011年天然橡胶碳密度空间分布格局。主要结论如下：
（1）建立了一套利用遥感数据提取海南岛橡胶林碳密度空间分布的技术方法。该方法涉及到多个环节，但主要包括3个方面的内容：①利用普查的数据计算各市县的天然橡胶碳密度，这一步仅能给出以行政边界为单位碳密度值，不能分解到空间格点上；②利用光能利用率模型（CASA）计算天然橡胶NPP均值，模型必须保证植被吸收的光合有效辐射（APAR）和光能转化率（ε）两个变量的准确性；③在此基础上，利用降尺度技术将以市县行政边界为单位计算的碳密度转换到空间网格上。
（2）海南岛天然橡胶碳密度空间分布上存在明显差异，总体上海南岛的中部碳密度高，而北部低。导致这种差异可能存在如下几个方面的原因：①橡胶林龄的差异：橡胶林的碳储量随林龄的增长而迅速增长，不同林龄橡胶林间碳汇存在较大差异；②品种的差异：不同品种树木蓄积量有所不同；③经营管理和栽培技术的差异；④胶园规模等[27]。
3.2 讨论
本文仅从宏观角度给出了海南岛天然橡胶碳密度的分布现状，关于不同的橡胶园具体是哪些因素导致碳密度分布差异，需要根据实际进行近一步的调查分析。
虽然通过降尺度技术得到了海南岛天然橡胶碳密度的空间分布差异，但由于该计算方法涉及到模型的反演、橡胶碳密度的估算、TM遥感数据提取天然橡胶空间分布、太阳总辐射的推算等众多的因素的影响，与实际计算的结果难免存在一定的误差。
参考文献
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[21] 张茂震， 王广兴， 周国模， 等. 基于森林资源清查、 卫星影像数据与随机协同模拟尺度转换方法的森林碳制图[J]. 生态学报， 2009， 29（6）： 2 919-2 928.
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[27] 魏宏杰， 刘锐金， 杨 琳. 我国橡胶林碳汇贸易潜力的实证分析[J]. 热带农业科学， 2012， 32（5）： 81-85.
责任编辑：凌青根
关键词 橡胶林；碳密度；海南岛
中图分类号 Q948 文献标识码 A
Spatial Distribution of Carbon Sink Density of
Rubber Plant Based on MODIS
LIU Shaojun1，2， ZHANG Jinghong1，2， CHE Xiufen1， ZHANG Mingjie1， DU Hanhan1
1 Hainan Climate Center， Haikou， Hainan 570203， China
2 Key Laboratory of Meteorological Disaster Preventing and Reducing of South China Sea， Haikou， Hainan 570203， China
Abstract Natural rubber plant， as one of the important economic forests in Hainan Island， is of larger value of carbon sink. It is important to get the carbon sink spatial distribution to evaluate the development of rubber carbon sink function. The traditional statistics data were collected by the administrative boundary as an unit， which can't show the difference of rubber carbon density in same area. Remote sensing and the 2011 Hainan rubber plant statistics data were combined to calculate the spatial distribution of the carbon sink. Mean monthly NPP were calculated by CASA model based on MODIS remote sensing data， and then the spatial carbon density of rubber plant were calculated by the downscaling method. The result showed that the method could be used to calculate the carbon density distribution of rubber plant， and found the high value area of carbon density distribution was located in central Hainan Island， and the average carbon density was between 25～33 t/hm2， while the low value area was located in northern Hainan Island and the average carbon density was less than 20 t/hm2。
Key words Natural rbber plant； Carbon sink density； Hainan Island
doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.01.032
海南岛作为我国热带森林的代表性地区，碳汇作用显著。其中，热带林和经济林是海南岛森林碳储量的主体组成部分，据统计两者森林碳储量占整个海南岛总碳储量的80%～90%[1]。而在经济林中，橡胶林是最重要的一种人工经济林，具有较大的碳汇价值[2]。在森林碳汇计算方面，森林碳汇估算方法具有一定适用性的同时也都存在着各自的局限性，最为广泛的有3种方法：（1）样地清查法；（2）涡度相关法；（3）基于遥感的模型模拟法[3]。如在样地清查法方面：方精云等[4-8]提出了换算因子（BEF）与林分材积（x）的倒数函数关系，建立换算因子连续函数法；随后，相关的学者大都采用该方法进行森林碳汇的估算工作：如闫学金等[9]利用该方法对海南2008年森林碳汇量进行了估算；王锐等[10]对重庆市渝北区森林碳汇量估算；董方晓等[11]对辽宁省森林碳汇量的估算。涡度相关法是利用涡度通量塔等进行观测，该方法是目前公认的测量地-气交换最好的方法之一，国内外已经被广泛应用[3]，全球通量网络（FLUXNET）内的大部分的研究小组主要利用涡度相关技术测定陆地生态系统各种植被与大气间CO2、H2O和能量通量等。如谢五三等[12]对涡度相关法观测的淮河流域农田生态系统通量进行了分析；吴志祥等[13]利用涡度通量塔测定了橡胶林生态系统的CO2通量，并进行了初步分析；朱治林[14]开展了非平坦下垫面祸度相关通量的校正方法研究；温学发等[15]分析了涡度相关技术估算的植被/大气间净CO2交换量中的不确定性。应用遥感的模型模拟法，在模型、尺度转换问题等方面面临着需要改进的难题。在模型方面：马晓哲等[16]在荷兰瓦格宁根大学开发的CO2 FIX模型的基础上，对中国各省市自治区（除台湾省）的森林碳汇量进行估计；汤洁等[17]利用CASA 模型计算了吉林西部植被净初级生产力和估测吉林西部植被碳汇量；在降尺度方面：Kindermann等[18]采用降尺度方法绘制了全球森林碳分布图；刘双娜等[19]基于遥感降尺度估算中国森林生物量的空间分布；戴铭等[20]基于森林详查与遥感数据降尺度技术估算中国林龄的空间分布；张茂震等[21]根据浙江临安市森林资源清查样地数据和同年度TM影像数据，通过模拟和尺度转换，进行了森林碳制图。 海南岛是我国的主要天然橡胶主产区之一，在橡胶林作为热带地区一种重要人工经济林，由于传统普查数据以行政边界为单位进行统计，不能很好体现同一区域不同地点橡胶碳密度的差异。而遥感数据能在空间上较好体现橡胶的空间分布信息，但在存在不确定性等因素的制约，而不能直接用于碳密度的估算，因此采用遥感与天然橡胶普查数据相结合的方式，采用降尺度的方法计算海南岛橡胶林碳空间分布，空间分辨率达到250 m×250 m，为管理决策者详细了解海南岛橡胶林碳密度的空间分布的差异提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
2011年海南岛MODIS遥感数据集、TM遥感数据提取海南天然橡胶空间分布图（具体方法参考文献[22-23]）、2011年海南岛气象数据，包括温度、辐射、降水、蒸散量等（来源：海南省气象局）、DEM数据（来源：http：//srtm.csi.cgiar.org）、2011年海南天然橡胶普查数据。
1.2 方法
采用换算因子连续函数法进行橡胶碳密度的估算、利用光能利用率模型（Carnegie-Ames-Stanford Approach，CASA）进行2011年天然橡胶NPP均值的计算；空间降尺度技术实现天然碳密度分布。具体技术流程见图1。
1.2.1 天然橡胶碳密度的估算 采用的方法是通过林木蓄积来估算生物量，然后根据生物量计算碳储量，最后根据林地面积计算碳汇密度。①天然橡胶生物量估算：借鉴方精云等[8]的研究成果：生物量是换算因子BEF与该森林类型蓄积的乘积，推出的生物量的计算公式（公式1）。根据海南天然橡胶的特点，参照相关文献[8-9]，确定了海南天然橡胶具体换算因子，根据公式（2）估算海南岛各市县的天然橡胶生物总量。②天然橡胶碳储量估算：单位生物量的含碳量称为碳储量的转换系数，而天然橡胶碳储量即等于生物量与转换系数的乘积，根据相关文献[1，9]，取转换系数为0.45。③利用碳密度=碳储总量/面积，计算海南岛各市县的天然橡胶碳密度值。
2 结果与分析
根据2011年海南天然橡胶普查数据，首先以市县为单位分别计算天然橡胶碳密度；再结合TM遥感提取的橡胶分布图及利用光能利用率模型（Carnegie-Ames-Stanford Approach，CASA）计算的全岛植被NPP均值图，提取海南岛天然橡胶的NPP分布图；然后采用空间降尺度技术实现天然碳密度分布，利用公式（10），计算得到2011年海南岛天然橡胶平均碳密的空间分布（图3），空间分辨率为250 m×250 m。从天然橡胶不同碳密度所占面积的分配比例来看，碳密度小于20 t/hm2的面积所占比例为16.8%；碳密度在20～25 t/hm2之间所占的比例为57.1%；碳密度在25～33 t/hm2之间所占的比例为26.1%。同时，从图中可以看出，2011年海南岛天然橡胶碳密度的高值区域分布在五指山、白沙、琼中、保亭等中部山区和乐东的西部，平均碳密度在25～33 t/hm2之间；儋州、屯昌、琼海的西部的碳密度次高、天然橡胶碳平均密度在20～25 t/hm2之间；碳平均密度低值区主要分布在海南岛的北部，平均碳密度小于20 t/hm2。
3 讨论与结论
3.1 结论
净初级生产力NPP是研究森林植被碳密度的基础，本文在2011年橡胶林普查数据和遥感数据反演的NPP的基础上，利用降尺度的方法，重现了海南岛2011年天然橡胶碳密度空间分布格局。主要结论如下：
（1）建立了一套利用遥感数据提取海南岛橡胶林碳密度空间分布的技术方法。该方法涉及到多个环节，但主要包括3个方面的内容：①利用普查的数据计算各市县的天然橡胶碳密度，这一步仅能给出以行政边界为单位碳密度值，不能分解到空间格点上；②利用光能利用率模型（CASA）计算天然橡胶NPP均值，模型必须保证植被吸收的光合有效辐射（APAR）和光能转化率（ε）两个变量的准确性；③在此基础上，利用降尺度技术将以市县行政边界为单位计算的碳密度转换到空间网格上。
（2）海南岛天然橡胶碳密度空间分布上存在明显差异，总体上海南岛的中部碳密度高，而北部低。导致这种差异可能存在如下几个方面的原因：①橡胶林龄的差异：橡胶林的碳储量随林龄的增长而迅速增长，不同林龄橡胶林间碳汇存在较大差异；②品种的差异：不同品种树木蓄积量有所不同；③经营管理和栽培技术的差异；④胶园规模等[27]。
3.2 讨论
本文仅从宏观角度给出了海南岛天然橡胶碳密度的分布现状，关于不同的橡胶园具体是哪些因素导致碳密度分布差异，需要根据实际进行近一步的调查分析。
虽然通过降尺度技术得到了海南岛天然橡胶碳密度的空间分布差异，但由于该计算方法涉及到模型的反演、橡胶碳密度的估算、TM遥感数据提取天然橡胶空间分布、太阳总辐射的推算等众多的因素的影响，与实际计算的结果难免存在一定的误差。
参考文献
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责任编辑：凌青根