土地利用变化驱动下洛阳市生态系统碳储量时空变异

2021-09-12张志国班高晗

江苏农业科学 2021年14期

张志国班高晗

摘要：碳储量变化是衡量陆地生态系统碳循环的关键指标之一。以河南省洛阳市为例，分析2005—2015年土地利用变化，利用Invest模型计算洛阳市碳储量并分析碳储量的变化。结果表明，洛阳市碳储量呈现南多北少、山多谷少的空间分布特征。10年间洛阳市碳储量略有增加，说明在地形复杂经济较发达的区域，只要科学划分生态功能区，注重生态环境保护和建设，提高土地利用效率，就可以实现经济和生态的协调发展。

关键词：碳储量;时空变化;土地利用;生态系统服务和权衡的综合评估模型（InVEST）;洛阳

中图分类号： F323.211 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2021）14-0226-05

陆地生态系统碳循环与温室效应是近些年国际地学、生态学和环境科学共同关注的全球变化研究热点。我国学者方精云等系统分析我国陆地生态系统碳汇大小及其机制，并阐明我国陆地碳汇/源的时空格局及其机制，为我国制定相关政策提供依据[1]。刘领等还对我国森林、土壤、草地等不同生态系统的碳储量变化及其影响因素进行研究[2-4]。朱文博等认为，土地利用变化是引起陆地生态系统碳储量变化主要的因素，模拟淇河流域3种土地利用模式情况下碳储量的变化[5]。生态系统服务和权衡的综合评估模型（integrated valuation of ecosystem services and trade-offs，InVEST）以土地利用数据为基础，可以实现多目标、多情景下的生态系统碳储量评估。国内学者陆续利用InVEST模型开展我国生态系统服务功能价值和区域碳储量的研究。韩晋榕利用InVEST模型对辽中南地区陆地生态系统的碳储量进行评估，用来研究城市扩张对生态系统碳储量的影响[6]。张云倩等利用InVEST模型对江苏省海岸带生态系统的碳储量进行定量估算，获取长时间序列的碳储量变化数据，并探究江苏省海岸带碳储量的时空变异[7]。蒋九华等借助InVEST模型评估北京市房山区森林生态系统的碳储量，将量化的森林生态系统碳储量以直观的可视化形式表现出来，这对于提高北京地区的森林碳储量估算精度和森林固碳增汇经营管理具有一定的现实应用价值[8]。邱建慧使用InVEST模型分析1995—2015年围填海活动对滨海湿地土地利用和碳储量的影响，以及围填海对沿岸国家级自然保护区的影响[9]。河南省洛阳市地处我国中部地区，是我国老工业基地，在地形地貌上属于第二级阶梯向第三级阶梯过渡的地带。该区域地形起伏较大，土地类型丰富，受人类活动影响较大，土地利用类型变化明显。因此，本研究以2005、2015年洛阳市土地利用数据为基础，运用InVEST模型的碳储量模块评估10年洛阳市生态系统碳储量变化。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

洛阳市位于河南省中西部（34°32′～32°45′N、112°16′～112°37′E），西依秦岭，东临嵩岳，北靠太行黄河，南望伏牛，东西长约179 km，南北宽约 168 km，总面积1.52万km2，总人口717.02万人，常住人口城镇化率59.1%。洛阳市地势西高东低，境内山川丘陵交错，地形复杂，其中山区占45.51%，丘陵占40.73%，平原占13.8%。境内有黄河、洛河、伊河、清河、磁河、铁滦河、涧河、瀍河等10余条河流，分属黄河、淮河、长江三大水系。年平均氣温为12.2～24.6 ℃，年降水量为528～800 mm，属温带大陆性季风气候。

1.2 数据来源及处理

1.2.1 土地利用数据遥感影像数据来源于地理空间数据云网站（http：//www.gscloud.cn/），包括2005年Landsat7影像3景和2015年Landsat7影像3景影像，空间分辨率为30 m，时间为5—6月。运用ENVI软件对遥感影像进行辐射定标、大气校正、镶嵌和影像裁剪等预处理;采用人机交互解译的方式对遥感影像得到的土地利用数据进行监督分类，根据国家标准《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017），同时结合洛阳市土地利用的实际情况进行判别，将洛阳市土地利用分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地等六大类型。借助Google Earth高分影像和野外采集的验证样本对解译结果进行精度验证。投影坐标统一为Krasovsky_1940_Albers。

1.2.2 碳密度数据碳密度是指单位面积上的碳储量。地上部分碳密度是指地表以上0～20 cm附近单位面积上碳存储量的平均值;地下部分碳密度是指地表以下0～20 cm附近单位面积上碳存储量的平均值;土壤碳密度是指地表以下20～100 cm附近单位面积上碳储量的平均值。

碳密度主要通过查阅资料得到。首先，根据李克让等对全国范围内碳密度的研究，得到全国范围内的碳密度数据[10-13]。其次，根据贾松伟等的研究成果，得到河南省内的碳密度数据[14-16]。由此得到不同土地利用方式的碳密度数据。学者们普遍认为温度和降水是影响碳输入和输出的2个最主要因素，通过查阅资料可知洛阳市的年平均气温为 14.7 ℃，年降水量为601.6 mm。最后，将洛阳市年平均温度和年降水量作为参考因子，代入陈光水等关于生物碳密度和土壤碳密度分别与温度和降水量的关系模型[17]中，从而得到修正后的洛阳市碳密度估算值（表1）。

2 结果与分析

2.1 2005—2015年洛阳市土地利用变化特征

由图1、图2可知，2005—2015年10年间洛阳市耕地与林地一直都是占比最多的2种土地利用类型，也是变化最大的2种用地类型，耕地比重由46.3%降为34.6%，下降了11.7百分点;林地占比由39.1%增加到51.3%，增加了12.2百分点。耕地主要以洛阳市北部的宜阳县、洛宁县、伊川县、新安县、偃师市、孟津县所占比重较多，林地主要以洛阳市南部的栾川县、嵩县和汝阳县所占比重较多。

利用ArcGIS 10对洛阳市2005、2015年2期土地利用数据建立转移矩阵（表2），由此可知洛阳市10年内土地利用类型转移的变化特征。2005—2015 年耕地面积年均减少1.8万hm2，主要转出为林地、建设用地、水域等多种类型，其中转为林地的比例最大，达到64.2%;其次为建设用地和水域，分别占耕地总转出量的26.8%、4.8%。建设用地面积由7.7万hm2增加到13.6万hm2，年均增长 0.6万hm2，主要由耕地转入，转入率为82.9%。林地面积显著增加，主要来源于耕地、草地的转入，转入率分别为63.8%、32.0%。草地面积急剧减少，减少了71.3%，主要转为林地和耕地，其转出率分别为80.3%、14.8%。未利用地增长迅速，从2005年的0.02万hm2增加到2015年的0.3万hm2，增长率为1 071.8%，其中耕地转化为未利用地的比重占总比重的57.6%。

2.2 生态系统碳储量和碳密度的时空变化

2.2.1 洛阳市总固碳量测算根据洛阳市土地利用类型及碳密度表，通过InVEST模型分别计算出洛阳市2005、2015年碳储量值（表3）。洛阳市2005年碳储量为24 514.9万t，2015年碳儲量为 26 859.7万t，累计增长9.6%。从总体上看，这10年来洛阳市碳储量向稳中有升的方向发展，虽然10年中洛阳市经济发展，建设快速，但是整体碳储量却略有增加，并没有因为经济的发展导致区域生态系统中CO2增加，对于区域碳中和目标很有意义。

2.2.2 不同土地利用类型碳储量变化根据InVEST模型得到洛阳市2005—2015年碳储量，利用ArcGIS对模型运行结果进行分析得到洛阳市2005—2015年不同土地利用类型对应的碳储量。耕地碳储量呈下降趋势，从2005年的7 923.1万t下降到2015年的5 833.2万t，累计减少量达到 2 089.9万t。林地碳储量由2005年的14 842.9万t增加到2015年的19 623.6万t，累计增加4 780.7万t。草地碳储量由2005年的1 082.5万t锐减到2015年的310.9万t，年均减少77.2万t。建设用地碳储量从467.1万t增加到现在的821.1万t，年均增加35.4万t，增加幅度为75.8%。水域碳储量也呈增加趋势，从2005年的197.8万t增加到2015年的 253万t，增加了27.9%。未利用地碳储量增加迅速，由2005年的1.5万t增加到2015年的18.0万t。

2.2.3 碳储量空间特征洛阳市碳储量的空间特征受地形和土地利用类型影响。洛阳市碳储量主要存储在西南部和南部的伏牛上、外方山、熊耳山和崤山，海拔基本都位于500 m以上。从行政区划分布看，碳储量较丰富的县域主要是嵩县、栾川县和洛宁县。碳储量丰富的县域主要土地利用类型以林地为主。碳储量变化较大的县域是洛宁县、新安县和孟津县。洛宁县碳储量由2005年的3 590.9万t增加到2015年的4 573.4万t，增加率为27.4%;新安县碳储量由2005年的1 434.7万t增长到2015年的1 753.3万t，增加率为22.2%;孟津县碳储量由2005年的819.7万t增长到2015年的967.6万t，增加率为18%。

2.3 碳储量影响因素

通过分析2005—2015年洛阳市社会经济发展状况和土地利用变化因素，发现影响洛阳市碳储量变化的主要因素是国家生态保护政策和洛阳市经济发展与城镇化。

2.3.1 国家生态保护政策的影响近年来，国家对生态环境保护越来越重视，出台了许多生态保护政策并开展了许多生态保护工程。这些生态保护政策和措施促进了土地保护，优化了区域土地利用类型。特别是退耕还林（草）重大工程，洛阳市截至2015年年底，全市共计划完成退耕还林工程计划任务14.52万hm2，其中退耕还林3.77万hm2，荒山造林8.3万hm2，封山育林2.45万hm2。受退耕还林工程影响，洛阳市土地利用类型发生了巨大变化，主要是耕地变为林地和草地，继而使得碳储量也发生了巨大的变化。洛宁县和宜阳县的碳储量迅速增加得益于2县原有许多耕地和草地在“退耕还林”中变成林地。

2.3.2 经济发展与城镇化洛阳市是河南省副中心城市，也是经济第二大市。2005—2015年，洛阳市的GDP总量增长了68.3%。由于经济的发展，第一产业的比重逐年下降，第二、第三产业的比重逐年增加，导致大量的农业用地转化为非农用地，建设用地的面积增加明显。以位于洛阳市市区东邻的偃师市为例，偃师市由于地理优势和其他因素，10年间经济发展迅速，建设用地面积增长迅速，以致于区域碳储量总量下降。由于经济发展和人口增加加快洛阳市城市化，市区建设面积迅速扩大。2005年洛阳市人口为641.7万人，2015年洛阳市人口增加到700.28万人，城镇化率由38.01%迅速提高到52.65%。洛阳市区建设面积由2005年的 16 946.3 hm2 增加到2015年的23 112.5 hm2，用地占比由36.2%增长到了49.5%，增加了13.3百分点。这些都导致碳储量减少。

3 结论与讨论

3.1 结论

第一，2005—2015年洛阳市土地变化剧烈，但是区域碳储量总量并没有随着经济建设的增长而减少，反而略有增加。说明科学合理的生态保护政策和生态建设工程可以有效抵消由于经济建设带来的碳储量下降趋势。第二，洛阳市碳储量主要集中在生态环境良好的洛阳市西南和南部山区。河谷平原经济建设较好，碳储量较少，并呈略微下降趋势。第三，2005—2015年洛阳市碳储量的变化说明地形复杂、经济快速发展的区域只要能够科学划分生态功能区、高效利用土地、重视生态保护并开展生态建设，就能够做到生态环境改善与经济快速进步协调发展。

3.2 讨论

本研究在计算区域生态系统碳储量时，其精度受到诸多因素影响，今后应进一步开展高精度的区域碳储量的研究。（1）受影像精度和分类方法的影响，本研究中土地利用类型分类精度与实地真实物地类型存在一定的误差。本研究使用的碳密度值均是根据以往的文献资料和其他学者的研究成果，并结合当地的温度和降水等影响因子进行修正而来。然而，不同土地利用类型对应的碳密度值随着环境的变化、人类活动等因素的影响而发生动态变化。因此，使用的碳密度值不能表示精准的碳密度值，由此计算的碳储量值存在一定的误差。InVEST模型是针对美国生态系统设计的服务模型，是否完全适合我国的生态系统服务及其价值研究，有待商榷。本研究按照一级用地类型统一进行碳密度赋值，但是学者发现每一地类下面不同地物类型所对应的碳密度值不尽相同[18]，因此计算得到的碳储量值与本地的真实碳密度值有所差异。

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