本文摘要：摘 要：通過政策、文獻研究，森林植被碳匯作用受到各國政府、研究部門廣泛關注，目前植被碳匯測量方法仍存在使用對象、區(qū)域范圍、精確度不足的問題。城市公園植被碳匯計量對于了解城市的植被固碳能力和碳平衡具有重要意義。在城市公園植被種類繁多、分布復雜的基礎上，
摘 要：通過政策、文獻研究，森林植被碳匯作用受到各國政府、研究部門廣泛關注，目前植被碳匯測量方法仍存在使用對象、區(qū)域范圍、精確度不足的問題。城市公園植被碳匯計量對于了解城市的植被固碳能力和碳平衡具有重要意義。在城市公園植被種類繁多、分布復雜的基礎上，使用 RTK 多光譜遙感技術獲取公園植被數(shù)據(jù)，構(gòu)建公園綠地多光譜碳匯量化估測模型，可為未來各類城市公園綠地系統(tǒng)展開高效率高精準的公園多光譜數(shù)據(jù)采集與碳匯量化估測提供支持。
關鍵詞：多光譜遙感;城市公園;碳匯計量;量化模型
全球變暖為主要特征的氣候變化是全球經(jīng)濟面臨的重大風險之一。塑造低碳、韌性的經(jīng)濟發(fā)展模式是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大命題。2020 年 9 月，習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布，我國力爭于 2030 年前二氧化碳排放達峰，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和。此后，碳達峰目標和碳中和愿景在多個重大國際場合被反復重申并強調(diào)要堅決落實。近期召開的中央經(jīng)濟工作會議更是明確將“做好碳達峰、碳中和工作”確定為八項重點任務之一。實現(xiàn)碳中和主要有兩種途徑：一是節(jié)能減排;二是增加生態(tài)碳匯(目前以森林碳匯為主)�！禩he World Cities Report(2016)》指出，目前大多數(shù)人口(54.5%)生活在城市地區(qū)，這種現(xiàn)象預計在未來幾年持續(xù)增加，到 2030 年，全世界 27%的人集中在人口至少 100 萬的城市[1]。陳欽等[2]通過調(diào)查問卷、現(xiàn)場訪談，獲知大部分受訪者愿意投資具有使用功能的碳匯林。面對逐漸增多的城市人口，城市公園既是城市居民日常游戲、健步煉體的免費場所，又在固碳和存量方面發(fā)揮著關鍵作用，實現(xiàn)城市公園植被碳匯估測，是現(xiàn)代低碳城市建設的重要抓手[3-5]。
1 城市公園碳匯研究現(xiàn)狀
在過去的 250 年，城市發(fā)展帶來的基礎設施建設及土地利用方式改變，使得世界各地很多自然綠地消失。雖然陸地生態(tài)系統(tǒng)延緩全球氣候變暖的能力被高估，但森林仍是普遍認可的最為重要的碳匯[6]。城市綠地系統(tǒng)擁有固碳釋氧、調(diào)節(jié)城市小氣候的重要作用[7-8]。黃土高坡曾是國內(nèi)重要的碳匯，經(jīng)過長期的、緩慢的砍伐侵蝕，黃土高坡陷入缺水少綠的地步，針對如此現(xiàn)狀，劉濱誼[9]、王南[10-11]等從水、綠、人三要素分析，蓄水造林，以期恢復黃土高坡綠樹成蔭，改善人居環(huán)境。從黃土高坡形成的歷史教訓中可以了解到對森林碳匯的監(jiān)測、管理的重要性。目前，城市公園植被種類繁多、分布復雜，植被碳匯計量相對困難，導致現(xiàn)在針對城市公園碳匯計量的研究相當匱乏。
2 國內(nèi)外林業(yè)碳匯研究現(xiàn)狀
2.1 國外林業(yè)碳匯發(fā)展政策
2.1.1 新加坡。據(jù)估測，新加坡 90%紅樹林已消失，森林固碳遠遠不足以抵消巨大的碳排放量。為此，新加坡開展了綠色城鎮(zhèn)計劃，已設法使公屋每年的能源消耗減少 10%。房屋建設發(fā)展局計劃通過“綠色城鎮(zhèn)計劃”，到 2030 年，每年的能源消耗再減少 15%。根據(jù)新加坡國家公園局 CUGE 研究中心的研究報告，提出了對于當?shù)爻Ｓ脝棠镜姆N類、樹齡、尺寸的固碳能力的基本參數(shù)指標，從而為快速統(tǒng)計計算城市林地的碳匯能力提供了計算依據(jù)[12]。
2.1.2 英國。2019 年，英國新修訂的《氣候變化法案》生效，正式確立到 2050 年實現(xiàn)溫室氣體“凈零排放”，即碳中和。①建筑材料更替。對于建筑用木材，有可能增加可持續(xù)鋸材的數(shù)量，從而使房屋和非住宅建筑物中新的英國建筑物中的年度碳固存增加。②樹木種植計劃。英國計劃通過既定的自然方法迅速提高植樹率，如每年種植面積增加 3 萬 hm2，固碳總值將在十年內(nèi)增加約 5t CO2，以滿足英國“凈零”計劃。除此之外，配合與碳捕集與封存(BECCS)一起使用。③農(nóng)業(yè)碳匯。英國農(nóng)業(yè)“核心”措施主要專注于降低碳排放。主要途徑為依靠減少農(nóng)作物、土壤和牲畜的碳排放。英國“凈零排放”計劃利用此核心措施，將 2050 年的碳排放量降低 15%，包括農(nóng)場在內(nèi)的核心造林措施可以比 2017年減少 31%的碳排放量。
2.1.3 德國。德國政府統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，森林保護和可持續(xù)森林管理是減少溫室氣體排放的一種適當且具有成本效益的方式�！禖limate Action Plan 2050》中詳細介紹了德國《氣候行動計劃》戰(zhàn)略中關于碳匯相關政策，主要包含森林木材保護、永久性草地與天然林保護、泥炭地保護三大目標。同時，在農(nóng)業(yè)方面，通過加強森林管理、增加有機農(nóng)地占比、提高食品等有機物的利用率來實現(xiàn)對氣候環(huán)境的保護。
2.2 國內(nèi)林業(yè)碳匯計量現(xiàn)狀目前，國內(nèi)碳匯標準化成果極為豐富，主要集中在森林、濕地、低碳城區(qū)、碳金融等領域。碳匯是一項系統(tǒng)工程，涉及城鄉(xiāng)各類生態(tài)系統(tǒng)(森林、濕地、農(nóng)田、綠化等)，目前濕地、農(nóng)田、綠化等領域?qū)μ紖R監(jiān)測、計量與評估的研究極多，但尚未正式發(fā)布專門的碳匯標準化成果，給碳中和研究工作帶來諸多不便，是未來碳匯標準化研究應重點突破的短板。多光譜遙感技術運用廣泛，多集中于地質(zhì)災害管理、礦產(chǎn)資源、城市建設、海洋領域、氣象、農(nóng)業(yè)管理、環(huán)境檢測等，然而，遙感技術多用于國家森林公園的檢測，城市公園等綠地系統(tǒng)少見使用。
3 林業(yè)碳匯檢測計量研究
3.1 碳匯計量方法研究生物量法、蓄積量法、渦旋相關法、馳豫渦旋積累法、箱式法及森林土壤碳測定法，是森林碳匯估測的 6種傳統(tǒng)方法[13]。多年來，國內(nèi)學者針對特定森林生態(tài)系統(tǒng)選用適宜的估算方法完成了碳匯計量。但森林生態(tài)系統(tǒng)樹種豐富，在衡量森林封碳能力時，需要考慮的影響因素太多，目前仍缺少有效的計量方式。陳先剛[14]、張煜星[15]在森林資源清查資料的基礎上，結(jié)合國內(nèi)外研究經(jīng)驗，構(gòu)建森林碳儲量變化模型，能清晰地展示各區(qū)域森林碳匯變化，但該方法仍存在局限性，需要更深入、細致的研究。顧凱平等[16]運用植物分子式分析法，確定樹種含碳量，并借此估算森林碳匯，該計量方式簡單易行，但未考慮森林樹種多樣性、樹木生長階段及習性等重要影響因素。龍飛等[17]提出云模型、云理論，選用期望值(Ex)、熵(En)和超熵(He)3 個參數(shù)，來衡量森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯變化，但森林生態(tài)多樣性和物種豐富性，使碳匯估算產(chǎn)生偏差。
3.2 森林固碳能力影響因素分析森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力與植被數(shù)量和物種豐富度密切相關，這也使得植物群落固碳能力的量化指標選擇難以確定[18]。對此，Wang 等[19]在研究中闡述了城市植被碳儲量估測仍存在 4 個主要問題：①參數(shù)選擇——哪些參數(shù)可以有效地表明不同類型植物的碳儲量;②植物群體固碳能力——各種植物形態(tài)下如何定量估算總碳儲量;③閾值選取——采樣閾值的選擇對樹木地上碳(Tree Aboveground Carbon, AGC)估值的可靠性有何影響;④樹種封碳能力——什么樹種固碳能力更強。除上述因素，Zhao 等[20]發(fā)現(xiàn)，氣候變化對全球森林生態(tài)系統(tǒng)植被和土壤總碳儲存的影響是積極的，在2006-2011 年期間顯示出明顯的增長。顧韓等[21]以寒地植被群落為研究對象，測算植被的生物量，得出結(jié)論：①木本植物碳匯高于草本植物;②同樹種、成年期樹木的固碳能力更優(yōu)。程路明等[22]以云杉為研究對象，模型模擬云杉光合作用，發(fā)現(xiàn)日照變化和季節(jié)更替直接影響樹木碳匯，植物通常在碳源與碳匯間轉(zhuǎn)換。
4 多光譜遙感技術研究進展
4.1 RTK 多光譜遙感技術光譜分析監(jiān)測操作方便、數(shù)據(jù)分析快、靈敏度高，隨著技術、儀器的發(fā)展，光譜技術已廣泛應用于地質(zhì)、冶金、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境保護等領域。RTK(Real-TimeKinematic)載波相位差分技術，結(jié)合遙感技術，能夠?qū)崿F(xiàn)野外厘米級定位精度的實時測量數(shù)據(jù)獲取，并通過數(shù)據(jù)處理、分析，進而獲取目標對象屬性、空間分布特征或時空變化規(guī)律，具有宏觀觀測能力強、動態(tài)監(jiān)測優(yōu)勢明顯、探測手段多樣、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)具有綜合性與可比性。
4.2 多光譜遙感技術應用現(xiàn)狀1970 年，部分國家出現(xiàn)了多光譜攝影技術，通過使用幾臺攝影機的光譜段，對同一攝影對象同時攝影，然后將拍攝到的幾張底片用光學技術合成彩色影像[23]。為獲取高精度遙感影像，黃峰[24]、王書濤[25]、成飛飛[26]、Li 等[27]，提出光譜圖像融合，用以提高多光譜圖像的分辨率。圖像分割是高分辨率圖像面向?qū)ο蠓治龅闹匾襟E，對信息提取的準確性起著重要作用。改進超像素、標記分水嶺的圖像分割可提高高分辨率遙感圖像面向?qū)ο笏惴ǚ指钚阅躘28]。程三友等[29]提出的高分辨率遙感圖像幾何精校正技術方法，提高了野外地質(zhì)填圖的工作效率。
截至 2018 年 11 月，中國運營或所有在軌活躍衛(wèi)星 280 顆，其中遙感衛(wèi)星 134 顆，占比47.86%[30]。隨著高新技術的發(fā)展，遙感技術監(jiān)測范圍廣、時效性強，逐漸廣泛應用于林業(yè)與農(nóng)業(yè)監(jiān)測[31]。通過無人機監(jiān)測，能實時觀測農(nóng)作物長勢，便于及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，同時在農(nóng)作物產(chǎn)量的估算上具有極大的應用潛力[32]。2021 年，程浩[33]、宋勇[34]、石濤[35]使用無人機動態(tài)監(jiān)測農(nóng)作物冠層葉綠素含量，用于病蟲害預警、農(nóng)作物生長檢測。遙感技術運用于森林植被監(jiān)測，可實現(xiàn)植被威脅區(qū)域山火預警[36]。王南等[37-38]以海南日月灣沖浪旅游度假區(qū)為研究基地，采用 Gopro、Actigraph 三維加速度傳感器、無人機等設備客觀記錄了沖浪游客行為，并采用游客畫像法，從沖浪者運動行為角度提出沖浪度假區(qū)的量化指標。
5 RTK 多光譜遙感技術在城市公園碳匯估測中的應用
5.1 抓取城市公園植被精確數(shù)據(jù)公園的種植種類多、分布復雜、生長狀況不一，計算方式較為復雜。通過 RTK 多光譜遙感技術，能實現(xiàn)城市公園的全方位監(jiān)測，實時獲取不同植被的相關數(shù)據(jù)。
5.2 建立多光譜遙感植物數(shù)據(jù)庫多光譜遙感的組合分析，可以同時研究不同植被類型、植被生長情況與植被健康狀態(tài)，從而建立多光譜植被質(zhì)量評價數(shù)據(jù)庫。
5.3 構(gòu)建公園綠地多光譜碳匯量化估測模型通過對公園綠化規(guī)模、植被組合特征、植被覆蓋度、植被生長狀況、各類植物的固碳能力、城市熱島效應、養(yǎng)護管理等相關驅(qū)動因素進行分析，結(jié)合適用于遙感數(shù)據(jù)的碳匯計算的 GLO-PEM(Global Production EfficiencyModel) 模型、簡單的生物圈模型 SIB2(SimpleBiosphere Model, Version 2)、CASA 模型與森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支模型(FORCCHN)，構(gòu)建適用于公園尺度與植被特征的多光譜碳匯估測模型。
6 結(jié)語
森林植被碳匯作用受到各國政府、研究部門廣泛關注。 城市公園是城市居民親近自然的理想媒介，城市公園植被的碳匯作用在低碳城市建設中占據(jù)重要地位。 運用 RTK 多光譜遙感技術，實時獲取城市公園植被的精確數(shù)據(jù)，構(gòu)建公園綠地多光譜碳匯量化估測模型，可為未來各類城市公園綠地系統(tǒng)展開高效率高精準的公園多光譜數(shù)據(jù)采集與碳匯量化估測提供依據(jù)。
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作者：周恩生 1，魏維軒 2，王 南
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