陆地生态系统特别是森林生态系统具有增加碳吸收、减缓气候变化的潜力,如何通过“土地利用,土地利用变化与林业(Land Use,Land Use Change and Forestry,简称LULUCF)”活动减缓气候变化受到科学家、政府决策部门及投资者的广泛关注,成为各国林业管理、可持续发展及土地利用研究的热点问题。　　 森林能够存储大量的植被和土壤碳,是全球碳循环的重要组成部分。土地利用变化影响森林生态系统的结构和功能以及碳源、碳汇的分布格局。造林(Afforestation)和再造林(Reforestation)是京都协议下符合清洁发展机制(CDM)条件的土地利用形式。我国正在开展大规模的森林保护、植树造林以及退耕还林工程,这将对我国长远的碳收支状况和碳源/碳汇的空间格局产生重大影响,需要从国家战略需求、参与国际气候谈判的角度出发,利用已有的碳循环研究方法和模型定量评估森林的固碳(Carbon Sequestration)效益,以指导CDM项目的土地利用活动的应用。　　 一方面,从土地利用角度来看,CDM项目的开展涉及政府对土地资源的分配、规划和决策,开展林业CDM项目的实质是确定这种积极的土地利用活动适宜在哪里(Where)、并以何种方式进行(How)以及项目综合影响的问题,决策的关键在于CDM项目空间位置的确定,问题核心是土地评价与决策;另一方面,从“土里利用影响碳收支及固碳会带来潜在经济收益”这一视角来看,传统的土地评价和决策尚未考虑土地利用变化带来的固碳效益。所以,定量评估林业土地利用活动的固碳潜力并将其纳入土地评价因子体系,无论在理论上还是技术方法上都具有一定的挑战性。利用生态模型、地理信息系统和遥感等新技术发展考虑固碳效益的土地利用空间决策支持系统,有助于通过科学的土地规划与决策减缓气候变化趋势,具有重要的科学意义和实际应用价值。　　 本文选择中国贵州省黎平县为研究区,该县是我国著名的林业大县,具有开展CDM项目的自然条件,是加拿大国际发展署(CIDA)和中国科学院国际合作“应对全球变暖:增强中国碳蓄积能力”项目的核心研究区之一。本研究以CIDA项目为基础,探索如何应用经过验证的科学模型、数据集和方法来实现考虑固碳效益的土地利用决策。重点在于实现碳循环过程模型与地理信息系统(GIS)技术的集成,基于GIS的土地利用综合评价和决策支持系统的开发,利用开发出的土地利用评价与决策支持系统对黎平县林业土地利用现状进行综合评估,同时为黎平未来考虑固碳效益的土地利用提供决策支持。　　 本文提出将土地利用变化导致的固碳效益纳入土地利用规划和决策分析框架的方法。在气候变化背景下,尝试通过综合评价方法与GIS技术集成将土地利用规划决策与碳循环研究有机结合起来,发展了一个考虑地理条件、社会经济、生态环境的综合土地利用评估和决策支持系统,以辅助决策中国贵州省黎平县的增强碳蓄积的林业土地利用活动。论文的主要研究内容和相关结论如下:　　 (1)选题依据及文献综述。介绍本研究的科学意义及实用价值,对国内外土地利用、陆地生态系统碳循环、基于GIS的土地评价与决策研究进行综述,分析固碳效益因子参与土地利用规划与决策的趋势和面临的挑战,给出全文研究目标、研究路线及论文组织框架。　　 人类活动引起的土地利用变化被认为是仅次于化石燃烧的造成大气二氧化碳浓度增加及全球变暖的第二大原因;土地利用变化和陆地生态系统碳循环是全球变化研究关注的两大重要课题。　　 精确估算陆地生态系统碳收支对科学制定应对气候变化的策略十分必要。在能够为应对全球变化的政策决策提供有用的信息的碳科学研究中,碳模型是区域或全球尺度陆地生态系统碳循环动态模拟的有效工具,碳模型可以分为简单的统计模型、参数模型以及过程性机理模型等。过程性机理模型一般需要将光合作用模拟从单叶尺度扩展到冠层尺度,BEPS和InTEC模型采用了阴叶-阳叶(两叶)模型来实现这一尺度转换,具有很好的模拟精度。这两个模型已用于加拿大和中国的历年碳收支模拟,具有模拟和预测陆地生态系统对未来气候变化响应的能力。　　 为限制发达国家温室气体排放和抑制全球变暖,《联合国气候变化框架公约》缔约方第三次会议通过了《京都议定书》,为发达国家规定了具有法律约束力的二氧化碳减排目标,同时引入“清洁发展机制(CDM)”,拟订了“土地利用变化和林业活动”等措施增加吸收二氧化碳量来抵消本国碳排放指标的协议框架,“清洁发展机制”是发达国家在本国外以较低成本取得减排抵消额的一种域外减排机制,发展中国家可以通过与发达国家合作开展造林、再造林CDM碳汇项目,获得经济收益。随着国际碳市场(Carbon-Market)的逐步完善和碳贸易(Carbon-Trade)的开展,陆地生态系统的固碳潜力和土地利用的碳源/汇(Source/Sink)效应受到科学家、政府决策部门及投资者的广泛关注。遥感和GIS是全球变化研究的必要手段,将遥感驱动的碳模型与GIS软件平台相结合,开发考虑固碳效益的土地利用决策系统具有重要的实用价值。此外,在中国典型造林区域的研究将为其他区域的同类研究提供方法、技术和工具软件上的借鉴和支持。　　 通过土地利用变化提高碳蓄积能力具有科学基础,国际上土地利用变化与陆地生态系统碳循环的研究表明:城市扩张、森林和草地垦殖为农田、毁林(Deforestation)等人类活动改变了土地利用的格局,历史上土地利用变化引起的CO2净排放一度使全球陆地生态系统成为碳源:自然植被转变为农田导致土壤碳的损失,反之,在耕地上再造林能够提供全球平均约33.8gC/m2/yr的土壤固碳速率;森林具有固碳潜力已成为共识。利用气候资料、森林清查资料、遥感数据、土壤剖面和生态模型,美国、加拿大和中国的科学家分别对本国的碳收支状况进行了估算。尽管在陆地生态系统碳汇的时空分布、驱动因子研究中存在大量的不确定性,但是对陆地生态系统碳收支的研究仍然将有助于提高人类在森林管理和林业土地资源评价、利用与决策的水平。　　 目前,基于地理信息系统(GIS)的土地适宜性评价和决策支持的研究在土地规划、资源管理、环境评价等领域日益广泛而深入。主要表现在指导思想的发展、评价指标体系的不断完善、方法和技术手段的进步等方面。在《京都议定书》和发展CDM项目背景下,作为保护生态环境和提高经济收益双赢方案,开展提高陆地生态系统碳蓄积能力的土地利用活动成为土地利用变化的驱动力,在土地利用变化与碳循环的科学研究基础上,将固碳纳入土地利用评价体系具有一定的可行性及前瞻性。　　 (2)研究方法。介绍研究区概况(包括地理位置、地形地貌、气候条件及经济状况),阐述拟集成的碳模型(BEPS和InTEC)的基本原理、方法和模拟步骤,提出空间成本效益分析的概念模型,介绍生态系统管理决策支持工具(EMDS)和基于NetWeaver知识库进行模糊逻辑评价的方法,介绍层次分析法的主要步骤,阐明模型参数和论文研究基础数据,并利用遥感和GIS软件进行数据预处理、分类及数据分析。　　 研究区选择为位于中国贵州省东南部的黎平县,该县是中国西南部具有代表性的农村,贵州省十个林业重点县之一,全国28个重点林区县之一。土地面积4441平方公里,森林覆盖率约为60％,主要为杉木林、马尾松林及乔木混交林。典型的喀斯特地貌,处于云贵高原向江南低山丘陵过渡的贵州、广西、湖南三省交界处,大部分海拔600至800米,最高点是位于西北的老山,海拔为1589米。属中亚热带季风湿润气候区,年平均降水量1321毫米,年平均气温15摄氏度。黎平是中国欠发达区域,2000年的农民人均收入约153美元,低于全国平均水平183.13美元,农业人口占全县92％,主要收入依靠林业和农业。2000年被确定为全省退耕还林示范县,也是CIDA项目(2002～2006年)的核心研究区之一。　　 北方生态系统生产力模拟器(BEPS)和陆地生态系统碳收支模型(InTEC)分别是日步长(短期的)净初级生产力(NPP)模拟模型和年步长(长期的)净生态系统生产力(NEP)模拟模型,利用区分阳叶/阴叶的冠层辐射模型实现从叶片到冠层的空间尺度转换。BEPS模型包含一系列生物物理参数(最大气孔导度、温度敏感因子、叶片氮含量等),要求输入土地覆被(Land cover),叶面积指数(LAI)以及每日气象数据(太阳辐射、温度、湿度和降水量),输出数据包括NPP、蒸散发(ET)。InTEC模型根据BEPS模型计算的参考年NPP和“NP—林龄”关系曲线预设NPP的初始值NPP0,基于模拟开始年(1900年)时未扰动森林的碳处于平衡态(净生态系统生产力NEP=0)的假设,确定各碳库大小,结合气候、CO2、氮沉降和林龄变化对森林生产力的综合影响,进行前向迭代计算,模拟每年的NPP和NEP,将模拟计算的参考年的NPP与BEPS模拟的NPP比较,不断调整NPP0,直到在参考年年步长的InTEC模拟的NPP和日步长的BEPS模型模拟的NPP之差小于百分之一。两模型的输入数据多为按波段顺序(BSQ,此处的波段指“年”)格式存储的二进制的空间数据,BEPS输出的NPP即为InTEC输入的参考年NPP,InTEC计算出的目标年与参考年之间逐年NEP之和即为这两年份间的生态系统总同碳量。　　 由于生态环境不同,碳模型模拟的各点固碳量会存在显著的差异,这种差异必然导致碳汇经济收益的空间差异变化,因此,本文发展一个考虑空间差异性的空间成本效益分析模型,逐点计算多年收益的净现值(NPV),用以表示由于碳蓄积所引起的经济收益的空间变化。　　 EMDS是美国林业部开发的一个通用建模工具,可作为ArcGIS9.0中AreMap应用系统的一个扩展模块(Extension)使用。EMDS将基于知识的推理集成到GIS环境中为不同空间尺度的生态景观评价提供决策支持,通过NetWeaver引擎加载知识库,并驱动知识库连接到地图层的属性表中获取评价指标数据,从而进行类似于“加权求和”的叠置(Overlay)操作。NetWeaver知识库是一个依赖网络的层次结构,采用基于模糊逻辑(AND、OR等)的近似推理机制,用介于-1到1的“真值(Truth Value)”表示指标数据对评价命题及其子命题的支持程度。　　 层次分析法是由美国学者Satty最早提出的一种定性与定量分析相结合的多目标评价决策方法。其基本思路是通过将复杂问题分解为目标层、准则层和方案层,在各层要素之间进行成对比较、判断和计算,获得不同准则和不同方案的权重,从而为选择最优方案提供决策依据。　　 除模型参数和模型输入数据外,用于土地评价的GIS数据包括数字高程模型DEM、县域各乡镇边界矢量多边形数据、土壤质地数据、道路和水系数据。遥感数据处理包括数据预处理和土地利用分类,基于GIS的数据分析主要是利用空间分析模块进行DEM表面分析以获取坡度、坡向信息。　　 遥感数据的预处理由CIDA研究组完成,基本过程为:利用“6S”大气辐射传输模型进行大气校正,采用“太阳—冠层—传感器(SCS,Sun-Canopy-Sensor)”亚像元方法进行地形校正,采集42个地面控制点用于几何精校正,最后进行影像镶嵌及切割。以上预处理主要为了进行高精度的LAI反演与遥感制图。土地覆被数据来自于遥感影像分类,本文选择决策树分类方法对黎平地区的ETM影像进行分类,结果分为针叶林、阔叶林、混交林、农田和灌木、水及空地(包括裸土、城市用地等)六大类。　　 (3)系统集成。进行“考虑固碳效益的土地利用评价与决策支持系统”的框架设计、碳模型软件集成、图形界面设计与开发。对碳蓄积建模与GIS集成的代表性研究进行评述,提出土地利用综合评价与空间决策支持系统(IA-SDSS)框架,利用ArcObjects和微软的组件对象模型(COM)技术,完成系统工具的开发,并利用该系统构建黎平土地利用评价与决策支持系统空间数据库,模拟黎平县历史及未来的碳循环动态。　　 文献检索结果显示,在仅有的少量涉及碳蓄积建模与GIS集成的研究中,GIS通常用于空间数据的存储和结果的可视化,关注土壤碳库变化而不是整个生态系统的固碳,碳模拟方法较为简单,碳经济收益未被充分考虑,受参数及决策支持能力所限,这些系统无法直接用于我国局地尺度的固碳土地利用决策支持研究。因此,本文提出一个“考虑固碳效益的土地利用评价与决策支持系统”(IA-SDSS)的模型框架,突出遥感数据驱动的机理性碳模拟模型与GIS平台的集成,以及多个可用组件式部件、方法的组合,主要包括通用生态系统管理建模工具(EMDS)的使用,BEPS碳模型集成,InTEC碳模型集成,空间成本效益分析模块开发,以及层次分析法模块的嵌入和开发。　　 基于ArcGIS的自定义开发可采用VBA方式进行。ArcGIS提供了三个层次的文档模版用于VBA开发,即通用模版(Normal template,存为normal.mxt)、地图模版(Map Template,存为uscr-defined.mxt)和现行文档(This Document,存为user-prqject.mxd),本文采用EMDS直接创建一个新工程文档(LA-SDSS.mxd),以此作为VBA二次开发的起点,最大限度地使用EMDS工具,缩短开发周期。　　 碳模型集成采用COM技术,利用Visual C++和Visual Basic,将原有的C语言版本的模型代码包装成可执行文件(EXE)和动态链接库(DLL),供ArcGIS中VBA调用。利用ArcObjects创建栅格数据图层的对象、接口和函数实现成本效益分析模块的集成。层次分析法(AHP)模块的实现按照决策分析步骤利用VBA编程实现。结果显示:“考虑固碳效益的土地利用评价与决策支持系统”有助于碳模型输入数据的可视化及空间数据的存储,有助于研究区域固碳潜力和评价林业土地利用的适宜性。　　 可靠的“NPP—林龄”曲线是长期碳动态模拟的关键,利用黎平主要树种的经验生长模型,及每点周围5x5范围内参考年NPP和参考年林龄的平均值,更新InTEC模型中的“NPP—林龄”曲线参数,利用IA-SDSS应用系统,模拟了黎平县历史及未来NPP的动态。现有森林NPP的区域平均值在300gC/m2/yr左右变化,若以针叶林和阔叶林进行再造林,未来NPP的演变趋势存在差异,假设于2000年进行再造林,到2025年(本研究设定的评估年),针叶林NPP的变化范围为1～391gC/m2/yr,阔叶林NPP的变化范围为1～427gC/m2/)yr。　　 (4)现有林业土地利用综合适宜性评价。在IA-SDSS系统的支持下,构建一个多准则层次分析模型,对黎平县现有林业土地利用的适宜性进行评价。　　 重点研究考虑地理条件、生态环境影响和社会经济效益三方面准则的评价方法,评价因子包括土壤、坡度、坡向、模拟的固碳潜力、道路、河流等。　　 IA-SDSS系统的实用性通过中国贵州黎平县空间多准则适宜性评价研究案例加以分析。利用GIS的数据分类方法对各因子图层进行标准化分级(1～5等),因子权重由AHP模块确定,研究过程中考虑两套权重系数(考虑固碳效益和不考虑固碳效益两种情景)。研究显示:现有森林的固碳潜力具有明显的时空动态特征;研究区内各点的碳收支情况不同,从2000年到2025年在弱汇和汇之间变化,而2000年到2050年在弱源和汇之间变化;考虑固碳收益的评价与不考虑同碳收益的一般评价相比较,得到的林业土地利用适宜性格局在空间上存在显著差异性。　　 (5)再造林土地利用决策分析。综合知识库建模工具和IA-SDSS各模块功能,阐述其为再造林用地选择提供空间决策支持的一般过程和方法,从粮食安全的角度分析了坡度25度以上农田退耕还林的可行性,定量评估了再造林的碳汇价值并揭示其空间分布规律。　　 利用IA-SDSS对黎平25度以上农田退耕还林的综合适宜性进行分析,模拟选用不同类型树种进行再造林的固碳潜力、不同时期固碳潜力的变化特征,以此作为空间经济分析依据,提出净现值中立(NPV-neutral)碳价的概念,分别计算不同类型树种、不同乡镇再造林所需的NPV-neutral碳价格。　　 综合分析结果显示:不同的林业活动措施依其生态系统特征具备不同的固定碳的潜力,黎平县单位面积再造林的未来固碳能力大于现有森林的未来同期的固碳能力;空间成本效益分析方法考虑未来潜在同碳经济收益的空间变化,强调土地利用评价的空间性;碳的价格对于再造林CDM项目而言将是最重要的因素,直接影响当地参与再造林碳汇项目的经济收益和适宜程度;以阔叶林再造林在高碳价(US＄100/Tc)情景下进行分析,乡镇单元尺度上的分析结果是:德风、大稼和梦彦这三个乡镇获得较高综合评分,为这三个乡镇参与开展CDM再造林活动提供一定的决策支持依据。敏感性分析结果显示,经济收益因素在黎平再造林土地利用综合评价模型中占有主导作用。　　 (6)总结与展望。对论文主要研究成果进行概括,论文为局地尺度的碳收支时空动态模拟提供了平台、方法,实现了基于过程机理的碳模型和GIS软件平台的集成,为增加碳汇潜力的林业土地利用决策提供了系统工具:同时,指出将来的研究方向在于提高模型参数和输入数据的准确度和本地化程度,以增强研究成果的实际应用能力。　　 本文在“通过林业土地利用进行固碳有助于减缓气候变化趋势”背景下,针对“模拟区域尺度土地利用变化固碳潜力”的科学问题,面对“考虑固碳效益的土地评价和决策的方法、模型、系统工具”的应用需求,从“固碳影响土地利用决策支持”这一新的视角,研究发展了“基于固碳效益的区域土地利用评价与决策支持系统”。设计了系统集成框架和开发路线,以生态系统碳循环模型为基础,模拟了贵州黎平县2001～2050年的碳收支情况,揭示了该区域现有林的长期碳源汇分布格局,定量估算了再造林情景下的潜在固碳能力,展开了将碳因素纳入土地评价和规划决策的应用研究和实践探索,阐述了包含固碳效益的土地适宜性的评价过程,同时进行了再造林土地利用活动区域选址与辅助决策的研究。以下是文本的创新之处:　　 (1)在理论上,探讨固碳效益因子参与土地利用评价与决策的科学依据,提出以碳模型为核心的土地利用综合评价模型。　　 (2)在技术上,进行碳模型(BEPS和InTEC)与GIS系统的集成,结合可视化编程工具及ArcObjects组件库对象、函数与方法开发了一个考虑固碳效益的土地利用空间评价与决策支持系统,并以黎平县为研究示范区,综合评价了减缓气候变化的林业固碳土地利用的适宜性。