吉林省东辽县土地利用/覆被变化及其对碳储量影响

任婉侠，董书恒，肖 骁，薛 冰

(1.中国科学院沈阳应用生态研究所 污染生态与环境工程重点实验室，辽宁 沈阳110016；2.辽宁省环境计算与可持续发展重点实验室，辽宁 沈阳110016)

0 引言

土地利用与覆被变化是人类改变陆地生态系统生物质生产的主要方式之一，是影响陆地系统碳循环过程，引起碳源、汇变化的重要原因[1-3]，也是造成全球温室效应的主要人为驱动力[4]，并且对全球粮食安全和可持续发展发挥着核心作用[5-6].2007—2016年，农业、林业和土地利用变化导致温室气体排放分别占全球人为二氧化碳(CO2)排放的13.0%、甲烷(CH4)排放的44.0%、氧化亚氮(N2O)排放的81.0%，其排放量占人为温室气体总排放的23.0%[7]，如果将运输等食品生产前后相关活动的排放量计算在内，比例达到37.0%[6].政府间气候变化专门委员会(IPCC)最新报告指出，目前土地利用模式加剧了全球变暖，并恶化了由此带来的环境破坏[6].因此，土地利用/覆被变化是绿色低碳发展和碳排放研究的重要切入点，也是进行碳排放调控的重要工具之一[8].

目前国内外已针对不同时空尺度的土地利用/覆被变化及其碳效应开展了广泛研究.例如，学者利用簿记模型评估了近300年中国耕地开垦导致的陆地生态系统碳收支变化，发现过去300年中国耕地面积累计增加约7.93×107hm2，开垦的耕地主要来源于森林和草地，这就导致我国东北地区和西南地区的生态系统碳储量减少显著[9].另有学者分别针对森林、草地、农业或者特定的生态系统开展热点区域和国家的土地利用变化及对碳储量影响研究，例如欧盟[10]、亚洲[11]、亚马逊地区[12-14]、喜马拉雅地区[15]、中国[4，16]、美国[17-18]、印度尼西亚东加里曼丹省[19]等.比如，刘纪元等认为1990—2000年中国土地利用变化导致陆地土壤有机碳库减少42.5～112.8 Tg，其中林地和草地土壤碳储量分别减少38.9～72.9 Tg和38.7～126.6 Tg[20]；方精云等认为1981—2000年中国陆地生态系统总碳汇相当于中国工业CO2排放量的20.8%～26.8%[21]；Piao等认为20世纪80年代和90年代的中国陆地生态系统吸纳了人为源碳排放总量的28.0%～37.0%[22]；Lai等研究发现，土地利用/覆被变化使中国植被碳储量增加了13.2 TgC·yr-1，而土壤有机碳减少了11.5 TgC·yr-1，土地管理造成101.8 TgC·yr-1的碳损失[16].因此土地利用管理对减少全球碳排放至关重要[23].

综合来看，当前土地利用/覆被变化及其碳储量影响研究主要集中在全球、国家、流域和省市尺度，对基于县域以及乡镇尺度的土地利用/覆被变化导致陆地生态系统碳储量变化的研究相对缺乏.特别是改革开放以来，我国县域及其乡镇土地利用/覆被变化显著，而碳排放的持续增长已成为我国广大农村地区面临的重大挑战之一.因此，基于我国基本行政单元的县域及其所辖乡镇的农村碳减排是推动中国整体碳排放降低的重要方向，也为乡村振兴、美丽中国等重大战略实施提供科学支撑.东北地区是我国工业和农业基地，维护国家国防安全、粮食安全、生态安全、能源安全和产业安全的战略地位十分重要.本文以我国东北地区典型商品粮基地的东辽县为研究对象，探讨1980—2018年东辽县及所辖乡镇土地利用/覆被变化及其对陆地生态碳储量的影响，从而为碳约束下我国县域乡镇土地利用管理和决策提供科学依据，并为县域及其乡镇制定合理的碳排放政策提供参考.

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

东辽县(图1)位于吉林省中南部，东辽河上游，地处东经124°49′59″-125°34′40″，北纬42°36′45″-43°13′33″，属中温带半湿润大陆性季风气候区，也属生态脆弱带，水土流失严重.多年平均温度5.2 ℃，有效积温2 700～2 800 ℃，年降雨量600～700 mm.东辽县地处长白山余脉和松辽平原的过渡地带，地貌以低山丘陵为主，属典型半山区.研究区土类主要以白浆土为主，植被类型属于长白山植物区系.

图1 吉林省东辽县及其所辖乡镇区位图

东辽县行政区划面积2 172.0 km2，辖9镇4乡(图1)，234个行政村，2016年人口34.3万，城镇化率21.4%，60岁及以上人口占总人口51.7%，老龄化严重；人均生产总值47 336.0元，与发达国家步入老龄化社会的人均生产总值1～3万美元相比，东辽县呈现显著的“未富先老”的特征.2016年东辽县地区生产总值162.4亿元，一、二、三产增加值比重13.4∶62.2∶24.4，一、二、三产从业人员比重52∶22∶26，农业是农民就业和收入来源第一大户.2016年全县玉米播种面积占全县耕地面积的88.0%，是我国重要的“玉米生产基地”和“商品粮基地县”.

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用数据来源与处理

本文采用的土地利用数据包括吉林省东辽县1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2018年8期的土地利用数据.本研究以Landsat TM/ETM遥感图像为数据源，分别获取空间分辨率为30 m×30 m的遥感影像图，成像时间均为8月，无云或少云，地物分辨明显.基于ENVI图像处理软件对遥感图像进行几何校正、辐射校正、影像增强和图像剪裁等预处理，在专家的参与下，根据影像光谱特征，结合野外实测资料，同时参照有关地理图件，对地物的几何形状，颜色特征、纹理特征和空间分布情况进行分析，并在综合专家意见后，建立遥感影像解译标志，然后通过解译最终获得土地利用栅格数据和土地利用/覆被图，并通过将外业调查和随机抽取动态图斑进行重复判读分析相结合的方法检查数据产品质量.解译精度达到86.0%，能够满足研究需要.该土地利用数据集将趋于土地利用类型分为6大类25小类[24].本文根据研究需要，对原始数据的25小类进行合并，得到耕地(水田、旱田)、林地(有林地、灌木林、疏林地及其他林地等)、草地(高覆盖度草地和中覆盖度草地)、水域(湖泊、水库坑塘和滩涂等)、建设用地(城镇用地、农村居民点和其他建设用地)和未利用地(裸土地和裸岩石等)6类用地类型.

1.2.2 土地利用/覆被变化碳储量分析

陆地生态系统碳循环的研究方法主要有三类：一是通过土地利用变化估算不同时期、不同土地利用类型的面积和碳密度动态，依据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》(简称《指南》)中建议方法来推算陆地生态系统碳收支；二是采用森林/土壤清查资料的估算途径；三是采用各种环境参数模型方法，利用环境因子与陆地植被/土壤生产力之间的相互作用关系建立模型，然后间接推算陆地植被生物量和土壤碳储量变化[24].本研究依据数据资料可获取性和有效性等，本研究选择第一种方法核算东辽县及所辖乡镇土地利用/覆被变化对陆地生态系统碳储量的影响.

《指南》认为在农业、林业和其他土地利用部门内CO2排放量和清除量的估算通常基于生态系统碳库的变化，即每一种土地利用类型的碳循环过程主要在生物量(地表及地下生物量)、死有机物质(死生物体、凋落物)及土壤这3类碳库中进行.因此，某种土地利用类别碳库变化的通用计算公式为：

ΔCLUi=ΔCAB+ΔCBB+ΔCDW+ΔCLI+ΔCSO+ΔCHWP

(1)

式中，ΔCLUi为某种土地利用类别中的碳储量变化；下标表示以下碳汇：AB=地上部生物量；BB=地下部生物量；DW=死木；LI=枯枝落叶；SO=土壤；HWP=采伐的木材产品.

研究区内所有土地利用类型的碳库变化的计算公式如下：

ΔCAFOLU=ΔCFL+ΔCCL+ΔCGL+ΔCWL+ΔCSL+ΔCOL

(2)

其中，ΔC为碳库变化；AFOLU=农业、林业和其他土地利用；FL=林地；CL=耕地；GL=草地；WL=水淹地/湿地；SL=建设用地/聚居地；OL=其他土地.

对每种土地利用类别的碳库变化进行估算包括保持不变的土地利用类别和转变为另一种土地利用类别的土地.在本研究计算过程中，对耕地、林地、草地、湿地、建设用地和其他土地(包括裸地等)进行估算.而在对湿地估算过程中，本研究仅对水淹地(水产养殖、池塘、天然河流和湖泊等)进行分析，同时对水淹地只提供转化为水淹地的土地产生的碳排放的估算方法，对仍为水淹地的湿地的碳库变化不予考虑.计算过程中各因子选择遵循优先选择吉林省数据，其次为东北地区数据，然后选择基于中国区域案例研究成果，最后选择IPCC推荐数据的原则，尽量降低因子选择带来的评估误差.

东辽县所辖13个乡镇的土地利用/覆盖变化引起的碳储量变化采用直接碳排放系数法进行核算.碳排放量估算模型为：

E=∑λi=∑Siδi

(3)

式中，E为碳排放总量(tC)；λi为第i种土地利用方式产生的碳排放量/碳汇量(tC)；Si为第i种土地利用方式对应的土地面积(hm2)，其中包括耕地、林地、草地、水域和湿地、建设用地以及未利用地；δi为第i种土地利用方式的碳排放(吸收)系数(tC·hm-2).根据相关研究成果，选取耕地的净碳排放(蓄积)系数为-0.372 tC·hm-2、林地为0.487 tC·hm-2、草地为0.191 tC·hm-2、水域和湿地0.41 tC·hm-2、建设用地-55.603 tC·hm-2和未利用地的0.005 tC·hm-2(“+”表示碳蓄积、“-”表示碳排放[25].

2 结果与分析

1980—2018年，由于人口增加、经济发展、产业调整等因素对东辽县土地利用活动产生显著影响，其土地利用与土地覆被发生明显变化，主要发生在耕地、林地、草地和建设用地之间.

2.1 东辽县及所辖乡镇土地利用/覆盖变化特征

耕地和林地始终是东辽县最主要的土地利用/覆被类型，占全县土地总面积的比例维持在90.0%左右，而且东辽县耕地与林地面积变化是相互关联的，表现出此消彼长的趋势，具有较好的相关性，也就是说耕地迅速减少的时期，恰是林地快速增加的时期，说明新增林地部分来自于退耕还林(如图2和图3所示).

图2 1980年和2018年东辽县土地利用/覆被变化

图3 1980—2018年东辽县主要土地利用类型面积变化

由图3和表1可知，东辽县耕地占土地总面积比例由1980年的56.1%下降至1995年最低点的51.6%，然后逐渐回升至2018年的53.6%.尽管旱地一直在耕地中占据主导地位，2018年旱地面积占耕地的86.0%，但是由于近年东辽县加大了对水库、水利等设施的投入，促使东辽县水域面积由1980年的1.5%增加到2018年的1.9%，主要来自水库坑塘的增加和滩涂的减少，因此近年东辽县水田面积持续增加，其占耕地总面积的比例由1980年的10.1%增加到2018年的14.0%，特别是2010年后水田面积增长明显.1980—2018年东辽县耕地面积减少了4.5%.

林地是东辽县第二大土地利用类型，占东辽土地总面积比例由1980年的35.4%升至1995年最高点的38.1%，然后逐渐稳定在37.0%左右；主要包括有林地和疏林地，占林地总面积的95.0%～99.0%，其中有林地占林地总面积的比例由1980年的59.5%增加到2018年的87.8%，而疏林地由36.40%降到11.3%，说明东辽县森林资源质量有所提升.1980—2018年东辽县林地面积增加了5.1%.东辽县草地面积减少显著，其占总土地面积的比例由1980年的2.4%降至2018年的1.3%，主要以中覆盖度草地减少和高覆盖度草地增加为主.1980—2018年东辽县草地面积减少了45.6%.水域面积增加明显，1980—2018年增加了24.4%.除此之外，建设用地增加显著，其占土地总面积的比例由1980年的4.5%增加到2018年的5.9%，主要来自农村居民点和其他建设用地的增加.1980—2018年东辽县建设用地面积增加了32.3%.

表1 1980—2018年东辽县不同土地利用/覆被类型占总面积的比例/%

对东辽县所辖的9镇4乡来说，其土地利用/覆被变化见表2.对耕地而言，9个乡镇的耕地面积均减少，其中，辽河源镇耕地面积减少最为显著，占全县耕地变化总量的37.6%，其次是白泉镇，占23.1%；而仅有安恕镇、平岗镇、金洲乡和建安镇4个乡镇耕地面积有所增加，其中安恕镇增加的耕地面积最大，达到308.3 hm2.

对林地来说，辽河源镇林地面积增加最为显著，增加量占全县林地变化总量的47.8%，其次为渭津镇，占22.7%，而金洲乡和建安镇林地面积减少最为明显.对草地而言，8个乡镇的草地面积减少，其中平岗镇草地面积减少最多，占全县草地变化总量的22.7%，其次是渭津镇，占21.5%；有5个乡镇草地面积有所增加，其中凌云乡草地面积增加最显著.

对建设用地来说，13个乡镇中，仅有安恕镇建设用地略微降低，其他乡镇均增加，其中县政府所在地白泉镇是建设用地增加最为显著的地区，占全县建设用地变化总量的21.3%，其次为建安镇，占14.4%.

表2 1980—2018年东辽县所辖乡镇土地利用/覆盖变化/hm2

表3为东辽县1980—2018年土地利用转移矩阵.从转入和转出面积来看，转入面积最多的是耕地和林地，转入面积分别为277.9 km2、161.4 km2，其次为草地、建设用地和水域，未利用地是转入面积最小的土地利用类型；转出面积最多的也是耕地和林地，分别为222.4 km2、200.6 km2，其次为建设用地、草地和水域.综上，东辽县土地利用转换主要集中在耕地、林地、草地和建设用地之间，主要转化方向为：耕地与林地之间相互转换，草地与耕地和林地之间相互转化，而建设用地主要来自耕地.

表3 1980—2018年东辽县土地利用转移矩阵/km2

2.2 东辽县及所辖乡镇土地利用/覆盖变化引起的碳储量变化特征

图4为不同时间段东辽县陆地生态系统碳储量变化，从中可以看出，2005—2010年是东辽县陆地生态系统碳储量变化最为显著的时间段，碳储量减少了2.2×106t，其次为1995—2000年，碳储量减少了9.3×105t.1980—2018年东辽县土地利用/覆被变化导致陆地生态系统碳储量减少6.4×106t.而耕地和林地是东辽县陆地生态系统碳储量变化的主要来源，其中，耕地是主要碳源、林地是主要碳汇(图5).而且东辽县碳储量增加除了来自固有林地的碳蓄积外，还主要来自于其他土地转变成林地，例如耕地转变成林地、草地转变成林地，而其碳储量减少除了土地耕种导致的大量碳排放外，林地和草地转变成耕地等土地利用/覆盖变化也是其碳储量减少的主要方式(表4).森林生态系统是最大的陆地碳库，在全球碳循环中起着至关重要的作用，其相对较小的变化将会对全球碳循环产生显著影响.森林生态系统遭到破坏，尤其是森林砍伐后变为农田和草地，会导致碳由陆地生物圈向大气大量释放，其释放量可与化石燃烧引起的温室气体释放量相当.因此，植树造林、退耕还林、保护性耕作等措施是增强东辽县陆地生态系统碳蓄积的重要手段.

图4 不同时间段东辽县陆地生态系统碳储量变化

图5 东辽县土地利用类型变化导致碳储量变化分布

表4 东辽县不同土地利用类型转变碳储量变化

图6为东辽县13个乡镇土地利用/覆被变化引起的碳储量变化，从中发现安恕镇是东辽县唯一的陆地生态系统碳储量增加的乡镇，县政府所在地的白泉镇是碳储量减少最多的乡镇，其次为建安镇和安石镇.另外，1995—2005年间有部分乡镇的碳储量是增加的，占总乡镇数的65.4%；但是，紧接着的2005—2010年间不仅有12个乡镇碳储量减少，而且是其碳储量减少最为显著的时间段，其中建安镇、安石镇和金洲乡对东辽县陆地生态系统碳储量减少的贡献最大.除此之外，2010—2018年白泉镇、渭津镇和泉太镇三镇趋向于成为东辽县重要的碳源区.东辽县各乡镇土地利用/覆盖变化导致人均碳储量变化强度差异显著，其中金洲乡人均年碳排放强度最大，达到-23.2 kgC·人-1，其次为建安镇和泉太镇，分别为-21.4 kgC·人-1和-20.3 kgC·人-1，白泉镇为-17.4 kgC·人-1，位列第四.而安恕镇是东辽县13个乡镇中唯一的其土地利用/覆被变化导致碳吸收的乡镇，其人均吸收强度为2.7 kgC·人-1.

图6 东辽县不同土地利用/覆被变化的碳储量变化

3 讨论

1)《东辽县土地利用总体规划(2006—2020年)修改方案》中规定到2020年，东辽县耕地保有量不得低于100 204 hm2；林地保有量达到80 400 hm2；建设用地总规模控制在17 309 hm2以内[26].2018年东辽县耕地面积约117 326 hm2、林地面积81 500 hm2、建设用地约12 947 hm2，与2020年规划的主要用地类型规模相比耕地和建设用地等主要碳源存在较大发展空间，而作为主要碳汇的林地规模却已达饱和状态，也就意味着东辽县陆地生态系统碳储量将进一步降低，会进一步释放出大量温室气体，致使基于碳减排的东辽县生态建设和绿色发展面临更大压力.因此，改进耕作方式，发展保护性耕作是以粮食生产为主的商品粮基地减少碳排放实现可持续发展的重要途径[27-28].而实施森林质量精准提升工程是增强东辽县森林生态功能和提升其碳汇能力的重要方式.

2)本文碳密度数据等系数是通过搜集前人研究成果获得，缺乏东辽县本地植被碳密度、土壤碳密度等实地监测数据，致使东辽县土地利用/覆被变化导致的陆地生态系统碳储量变化的估算结果的精确性需要更多的本土研究进行强化和补充.例如，目前，关于吉林省的土地利用/覆被变化及其碳储量的研究主要集中于吉林省西部地区[29-30]，而且森林生态系统碳密度集中于吉林省东部的长白山地区，这一区域主要分布着以天然起源的、生物量较高的针阔混交林和亚高山针叶林，具有较高的碳密度[31]，与包括东辽县在内的吉林省中部地区的人工林碳密度存在显著差异.

综上所述，作为东北地区保障国家粮食安全和生态安全的典型县域，东辽县陆地生态系统固碳能力呈减弱趋势，同时还伴随着东北地区不断恶化的水土流失，东辽县需强化保护性耕作技术与措施的推广与应用，促进东辽县农业生态系统可持续发展.另外，东辽县森林多为人工林，森林碳密度较低，致使其碳汇潜力提升受限，因此应坚持不断加强森林资源保护管理，实施森林质量精准提升工程，持续改善东辽县森林生态系统的生态功能并增强其植被碳汇能力.最后，东辽县建设用地扩张明显，农用地被建设用地占用所引发的碳排放不仅是东辽县面对的挑战，也是包括中国在内的大量发展中国家基层行政单元面临的共性问题，因此控制建设用地规模和提升其用地效率是调控其碳排放的重要方式.

4 结论

1)耕地和林地是东辽县主要土地利用/覆被类型.1980—2018年东辽县耕地和草地面积分别减少4.5%和45.6%，林地、水域和建设用地扩张明显，面积分别增加5.1%、24.4%和32.3%.对东辽县所辖的13个乡镇来说，辽河源镇耕地减少和林地增加最为显著，分别占耕地和林地面积变化总量的37.6%和47.8%；12个乡镇建设用地面积均增加，其中县政府所在地白泉镇建设用地增加最为显著，占建设用地变化总量的21.3%.

2)1980—2018年，东辽县各土地利用/覆盖变化的主要转化方向为：耕地与林地之间相互转换，草地与耕地和林地之间相互转化，而建设用地主要来自耕地.

3)1980—2018年东辽县土地利用/覆被变化导致陆地生态系统碳储量减少6.4×106t.2005—2010年是东辽县陆地生态系统碳储量变化最为显著的时间段，碳储量减少了2.2×106t，其次为1995—2000年，碳储量减少了9.3×105t.而耕地和林地是东辽县陆地生态系统碳储量变化的主要来源，其中耕地是碳源、林地是碳汇.而且安恕镇是东辽县唯一的碳储量增加的乡镇，县政府所在地的白泉镇是碳储量减少最多的乡镇.白泉镇、渭津镇和泉太镇三镇趋向于成为东辽县重要的碳源区.