陕北黄土高原退耕还林还草工程固碳效应研究

摘要 以陕北黄土高原为研究区，利用InVEST固碳功能评价模块，定量评价了退耕还林还草工程背景下土地利用/覆被变化对研究区碳固定效益的影响。结果表明：研究区2000—2010年草地、灌丛、林地面积分别增加了3 204.0、 285.3和122.7 km2，耕地面积减少了3 984.5 km2，退耕还林还草工程土地覆被变化显著。研究区10年间碳固定能力整体提升，其中，延安市境内各流域平均固碳增加量为3.3 t/hm2，固碳总增加量为13.3×106 t，榆林市境内各流域平均固碳增加量为4.0 t/hm2，固碳总增加量为14.5×106 t，退耕还林还草工程固碳效益显著。耕地、草地、荒漠向林地的转化固碳效益最大，其单位面积固碳增量达100 t/hm2以上，耕地向林灌草的转变使研究区固碳总量增加达3 405.77×104 t，其中73.37%的总固碳量比重来自耕地向草地的转化。通过生态系统碳固定重要性分级和空间分区为退耕还林还草工程的科学实施、维持区域碳平衡和碳达峰，保障区域民生福祉具有重要的指导意义。

关键词 退耕还林还草;碳固定;土地覆被变化;InVEST模型;黄土高原

中图分类号 S774 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2021）17-0055-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.17.016

Abstract The effect of land use/cover change on the carbon fixation benefit of the study area was quantitatively evaluated by using the InVEST carbon fixation function evaluation module in the Loess Plateau of Northern Shaanxi Province. The main conclusions are as follows： The area of grass， scrub and woodland increased by 3 204 km2，285.3 km2 and 122.7 km2 respectively during 2000-2010 in this area.However，farmland reduced a large area of 3 984.5 hm2 mainly converted to above types of land use.The action of the Grain for Green Program （GFGP） has begun to show its effects. During this 10 years， carbon storage of the research area displayed a increasing tendency.The average carbon sequestration increased by 3.3 t/hm2 and the total carbon sequestration increased by 13.3 × 106 tons in Yanan region， meanwhile， the same increased by 4.0 t/hm2 and 14.5×106 tons in Yulin region. The carbon sequestration benefit of the Grain for Green Program （GFGP） was significant. The conversion of cultivated land， grassland and desert to forest land has the greatest carbon sequestration benefit， and the increment of carbon sequestration per unit area is more than 100 t/hm2. The conversion of cultivated land to forest， shrub and grass makes the total carbon sequestration increase to 3 405.77×104 hm2. Among them， 73.37% of the total carbon sequestration came from the conversion of cultivated land to grassland. This study has important guiding significance for the management of ecosystems and the scientific implementation of the GFGP in the Loess Plateau of Northern Shaanxi Province，meanwhile， it has the same important guiding significance for maintaining regional carbon balance and reaching carbon peak.

Key words The Grain for Green Program（GFGP）;Carbon storage;Land use/cover change;InVEST model;Loess Plateau

自2005年千年生態系统评估（millennium ecosystem assessment，MA）报告发布以来，有关于人类福祉与健康的生态系统服务及其功能变化的国内外研究文献大幅增加，全球及区域生态系统服务功能的退化直接影响到人类的可持续发展[1]。全球气候变化是国际科学组织和各国政府高度关注的全球性重大环境问题之一[2-3]，陆地生态系统对维持碳循环和碳平衡、调节气候变化具有重要作用[4-5]，加强区域生态系统管理和保护以提高固碳服务能力，对保障区域可持续发展和民生福祉[6-7]，实现国家碳达峰和碳平衡目标意义重大。目前，随着人类工农业活动的加剧，不合理的土地利用和生态资源的过度利用，使得区域碳排放和生态系统碳固定难以平衡，温室效应加剧和人地矛盾关系突出[8-9]。InVEST（integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs）模型通过不同土地利用情景的服务功能量化评估，能够很好地权衡生态系统管理与区域经济社会发展之间的关系[10-11]。如国外学者Leh等[12-14]利用InVEST模型对相关流域产水量的时空变化进行了评估，为提升流域生态系统水源涵养能力及加强生态系统管理提供了有效支撑。国内学者Su等[15-20]利用InVEST相关功能模块对汶川地震灾区、三江源区、黄土高原和秦岭山地等区域的碳固定、土壤保持、水源涵养等生态系统服务功能展开了量化评估，评价结果为生态系统科学管理、人地矛盾协调及区域可持续发展提供很好的权衡价值。

我国黄土高原地区人口较多、农业活动强度大、可持续发展能力面临挑战。为此，国家实施了天然林保护、三北防护林建设和退耕还林还草等工程，以及时遏制生态环境退化和协调区域可持续发展，而退耕还林还草工程是优化土地利用结构和方式，推进生态系统恢复，提升生态系统服务功能，促进碳达峰和碳平衡，协调人地矛盾关系的有效途径。土地利用变化与生态系统固碳能力之间具有高度的耦合关系[21]，对退耕还林还草工程的碳固定效益进行量化评估，是权衡好人类发展与自然资源管理之间关系的有力支撑。目前，许多学者围绕区域或流域生态系统碳固定能力开展相关科学研究，如张优等[21-22]分别对延安市延河流域和成都平原地区的生态系统固碳能力进行了量化评估，但对退耕还林还草工程碳固定效益的量化评估鲜有研究。

陕北黄土高原境内的黄土丘陵、沟壑、梁、塬、峁及其复合地貌所构成的不同地貌单元和生态环境地域，对整个黄土高原具有很好的代表性和典型性，选择在该研究区开展退耕还林还草工程固碳效应研究，对于揭示整个黄土高原土地利用/覆被变化所产生的生态系统碳固定能力和生态系统建设具有较高的参考价值，也可为这一区域科学合理推进退耕还林还草工程提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

笔者所研究的陕北黄土高原区仅为延安市和榆林市辖全部区域，地理坐标为107°30′～111°15′E，34°10′～39°35′N。研究区总面积为79 981.9 km2，占黄土高原总面积的12.6%，是陕西黄土高原总面积的89.5%，陕西省土地面积的38.9%。境内海拔1 000～1 600 m，年均降水量为400～600 mm，降水空间分布由东南向西北逐渐减少，区域蒸发量在 1 000 mm左右，蒸发强度较大，境内黄土丘陵沟壑纵横、水土流失严重[23]。

1.2 InVEST碳储量模型

陆地生态系统通过对大气CO2的吸收、转化为自身生物量的方式，实现碳固定与碳封存，从而维持碳循环平衡，起到调节全球气候的作用[20]。生态系统碳储存由地上生物量（树干、枝和叶、灌丛、草本）、地下生物量（植物根系）、地表枯枝落叶、土壤有机碳构成。土地利用变化是引起陆地生态系统格局和质量变化的主要驱动力，从而影响生态系统的固碳服务能力。InVEST固碳模型能够针对不同土地利用类型的地上物质、地下物质、枯枝落叶和土壤有机碳量化评估总固碳能力，从而实现碳平衡视角下的陆地生态系统优化管理和决策支撑。具体计算如下式：

C_stored=C_above+C_below+C_soil+C_dead

式中，C_stored为总碳储量;C_above为地上物质碳储量（t/hm2）;C_below为地下物质碳储量（t/hm2）;C_soil为土壤碳储量（t/hm2）;C_dead为枯枝落叶碳储量（t/hm2）。

1.3 数据来源与处理

研究数据主要包括2000年和2010年土地利用/覆被类型数据、各土地覆被类型的碳储量。土地利用/覆被类型数据来自“全国生态环境十年变化（2000—2010 年）遥感调查与评估项目”，其中2000 年土地利用/覆被数据采用30 m分辨率Landsat TM影像解译获取，2010年采用30 m分辨率HJ-1卫星CCD影像解译获取。各部分碳储量参数根据文献资料[24-30]，并参考《2006年IPCC 国家温室气体清单指南》[31]转化计算获得。各土地覆被类型碳储量参数计算结果见表1。

2 结果与分析

2.1 土地利用/覆被变化

由表2可知，研究区以草地、林地、灌丛、农田生态系统为主，其中草地面积所占比重最大。2000—2010年草地和农田生态系统发生变化最大，其中草地比重增加了4.01%，农田比重减少了4.98%，同时，林地和灌丛的比重共增加了0.51%。由表3可知，上述变化主要为农田大规模向草地、林地的单一转化为主，10年间农田转向林地、灌叢和草地的总面积为3 903.6 km2，林灌草增加的面积和农田减少的面积基本相当，因此陕北黄土高原自2000年以来大规模实施退耕还林还草工程致使研究区土地覆被发展显著变化。此外，荒漠生态系统也不同程度地向林灌草转化，主要与榆林地区大规模实施沙化土地植被恢复有关。从以上数据变化可以得出，研究区10年间退耕还林还草工程成效显著，农田面积明显下降，而以草地为主的林、灌、草面积显著增加。

由图1可知，陕北黄土高原主要在北洛河上游、延河流域、无定河流域及其他各流域下游近黄河区域大规模实施了退耕还林还草工程，农田大面积被以草地为主的林、灌、草所取代，演变为以草地为主的新土地利用/覆被分布格局，其中延河流域工程实施规模最为显著。以重点流域为主，黄河干流各流域整体推进退耕还林还草工程，有效控制了人类耕作活动对地表植被的破坏，耕地向林灌草生态系统的转化使该区域的固碳能力显著增强，有效提升了生态系统的稳定性和固碳功能效益。

2.2 固碳效应评估

2.2.1 流域碳储量时空变化。从图2可以看出，陕北黄土高原各流域平均碳储量均有不同程度增加，平均碳储量较高的区域主要分布在延安市境内，至2010年宜川河流域和云岩河流域平均碳储量达到20 t/hm2以上，北洛河流域、延河流域和黄河干流区平均碳储量在14～20 t/hm2;其他各流域平均碳储量均在14 t/hm2以下，主要分布在榆林市境内。从各流域碳储量10年变化可以看出，变化值在4 t/hm2以上的为延河流域、清涧河流域、泾河流域、蒙陕支流区、佳芦河流域及窟野河流域，碳储量增加的区域和退耕还林还草工程实施区域一致，退耕还林还草工程固碳效益显著。

从图3可以看出，陕北黄土高原各流域总碳储量均呈现不同程度的增加，其中增加最为显著的为北洛河流域、无定河流域和延河流域，增加量分别为4.9×106、8.2×106、3.3×106 t。至2010年流域总碳储量最大的为北洛河流域，达到35.3×106 t;总碳储量在5.0×106 t以上的区域主要分布在以森林草原和森林灌丛为主的延安市境内，依次为延河流域、黄河干流区、清涧河流域和宜川河流域。其他各流域均在5.0×106 t以下，主要分布在以荒漠草原和干旱草原为主的榆林市境内。

由图4可知，陕北黄土高原碳储量增加的区域和退耕还林还草工程实施区域一致。10年间，以北洛河流域上游、延河流域、清涧河流域和无定河流域为主的陕北中东部区域碳储量增加显著，增加量达15 t/hm2以上。以森林灌丛生态系统为主的延安地区南部碳储量增加较少，其中西南部子午岭区和东南地区增加量在0～5 t/hm2，东南部的宜川河流域和黄河干流区局部减少0～5 t/hm2。北洛河中下游河谷坡耕地碳储量增加相对明显，增加量为5～15 t/hm2。综上，耕地向林、灌、草的转化直接促使该区域固碳量增加，陕北黄土高原退耕还林还草工程固碳效益显著。

2.2.2 土地利用变化碳储量效益。退耕还林还草工程是对生态系统的人工干预和改变，陕北黄土高原退耕还林还草工程涉及的土地利用变化包括耕地向林地、灌丛、草地的转换，草地向林地和灌丛的转变，荒漠向林地、灌丛和草地的转变3种方式[23-24]。该研究利用InVEST固碳模型，基于2000年和2010年土地利用/覆被变化数据计算了研究区的碳密度，在此基础上采用土地利用空间转化数据对相应年份固碳量进行空间提取和统计分析，结果见表4。陕北黄土高原退耕还林还草工程固碳效益显著，耕地、草地、荒漠向林地的转化碳固定效益最大，其单位面积固碳增量达100 t/hm2以上，耕地、草地、荒漠向灌丛的转变次之，其单位面积固碳增量为38.35～67.59 t/hm2，耕地、荒漠向草地的转变固碳效益相对较低，其单位面积固碳增量在18.33、28.39 t/hm2以下。从退耕还林还草工程总固碳量变化看出，耕地向林灌草的转变使陕北黄土高原固碳总量增加达3 405.77×104 t，固碳效益显著，尤其耕地向草地大面积转化的固碳量最大，占总增加量的73.37%，其次为耕地向灌丛和林地的转变，固碳比重分别为12.14%和14.22%。

综上，陕北黄土高原耕地向林灌草的转化固碳效益最为显著，退耕还林还草工程固碳效益先后次序为荒漠、草地、耕地→林地>草地、耕地、荒漠→灌丛>耕地、荒漠→草地（表4）。因此，分析土地利用变化的固碳效益，对研究区科学实施退耕还林还草工程，增加植被覆盖度，提高区域生物量和生态系统固碳能力，对于区域碳平衡和碳达峰具有一定指导意义。

2.2.3 固碳功能重要性空间分区。重要性分级和空间分区有利于科学识别碳储量重要和关键区域，通过优化治理措施和加强流域生态系统管理，可进一步提升固碳能力。该研究的固碳功能重要性分级根据《国家生态保护红线—生态功能红线划定技术指南（试行）》的分级分类方法，即借助ArcGIS软件的Quantile（分位数）分类方法。按生态系统固碳能力大小共分为5个等级（表5）。根据重要性分级评价结果，将高度重要和极重要区划定为生态系统固碳功能重要区。

由表5和图5可知，陕北黃土高原碳储量一般重要区（0～45 t/（hm2·a））的面积为16 009.4 km2，比重为20.1%，其主要分布在榆林市境内西北区域植被覆盖较差的风沙草滩区，即榆神北部沙化区、鄂尔多斯内流区和靖边县北部区域，降水较少、蒸发强烈、地带性植被以沙化草原为主，导致固碳效益相对较低。碳储量较重要和中等重要区域（>45～55 t/（hm2·a））的面积比重为45.6%，主要分布在榆林市中东部各流域下游和延安市北部延河、北洛河上游部分区域，为退耕还林还草工程的主要实施区域，降水相对较高、植被覆盖度提升明显，使这一区域固碳量增加明显。碳储量高度重要区（>55～70 t/（hm2·a））和极重要区（>70 t/（hm2·a））的面积为27 383.3 km2，所占比重为34.3%，主要分布在延安市中南部，即北洛河中下游、云岩河、宜川河等降水相对丰富、森林和灌草生态系统为主，植被覆盖率较高的区域。碳储量高度重要区和极重要区是陕北黄土高原固碳释氧的重要生态功能区，加强该区域的生态系统管理，进一步优化退耕还林还草工程措施，对于维持区域碳平衡和碳达峰、推动区域经济社会和生态环境保护协调发展，保障区域民生福祉具有重要意义。

3 结论

（1）研究区2000—2010年退耕还林还草工程成效显著，草地、灌丛、林地面积分别增加了3 204.0、 285.2和122.7 km2，农田面积减少了3 984.5 km2。退耕还林还草工程有效阻止了人类活动对生态系统的破坏，生态系统的逐步恢复对保障区域可持续发展和民生福祉意义重大。

（2）研究区2000—2010年固碳量整体呈现增加趋势，且与退耕还林还草工程实施区域高度一致，其中以延安市境内延河和北洛河流域、榆林市境内的无定河流域固碳量增加最为显著，延安市各流域平均固碳增加量为3.3 t/hm2，固碳总增加量为13.3×106 t。榆林市各流域平均固碳增加量为4.0 t/hm2，固碳总增加量为14.5×106 t，退耕还林还草工程固碳效益显著。

（3）土地利用类型转化固碳效益中，耕地、草地、荒漠向林地的转化固碳效益最大，其单位面积固碳增量达100 t/hm2以上，耕地向林灌草的转变使陕北黄土高原固碳总量增加达3 405.77×104 t，其中耕地向草地的转化最为明显，占总增加量的73.37%。

（4）通过生态系统固碳功能重要性分级和空间分区，高度重要区和极重要区的总面积为27 383.3 km2，所占面积比重为34.3%，主要分布在延安市境内的中南部各流域。加强该区域的保护力度和生态系统建设，对维持区域碳平衡和碳达峰、推动区域经济社会和生态环境保护协调发展，保障区域民生福祉具有重要意义。

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