基于InVEST模型近10年太湖流域土地利用變化下碳儲量功能

榮月靜++張慧++趙顯富

摘要：應用“全國生態(tài)環(huán)境十年變化（2000—2010年）遙感調查與評估”項目中2000、2010年2期土地覆蓋類型數(shù)據(jù)和生物量數(shù)據(jù)，并根據(jù)《基于1 ∶ 100萬世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）的中國土壤數(shù)據(jù)集》計算太湖流域地區(qū)土壤碳密度、植被（地上、地下）碳密度，并分別計算2000、2010年太湖流域地區(qū)碳儲量，結合土地利用變化轉移情況，分析土地利用變化對碳儲量變化的影響。結果表明：太湖流域地區(qū)近10年碳儲量總體呈下降趨勢，碳儲量凈減少了 914.80萬t，其中土壤碳儲量下降了1 375.66萬t，主要是由于林草濕地等土地類型轉換為建設用地所致；植被碳儲量上升了460.86萬t，主要由于林草地近10年生物量上升所致，雖然農(nóng)田和建設用地向林草地轉換使得植被碳儲量有所上升，但土地利用轉換不是植被碳儲量上升的主要驅動因素。

關鍵詞：太湖流域；土地利用變化；碳儲量；InVEST模型

中圖分類號： F323.211文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0447-04

收稿日期：2015-04-28

基金項目：國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項（編號：201209029-1）。

作者簡介：榮月靜（1989—），女，山西陽泉人，碩士，研究方向為區(qū)域生態(tài)恢復與資源可持續(xù)利用。E-mail：rongyuejing@126.com。

通信作者：張慧，博士，研究員，研究方向為區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量、生態(tài)承載力和生態(tài)安全評價。E-mail：zhnies@126.com。 研究土地利用變化對碳儲量變化的影響對于區(qū)域土地利用的規(guī)劃和碳管理都有重要的參考意義。氣候變暖影響土地利用方式，進而影響碳儲量的變化[1-2]。1970年開始，全球氣候開始轉暖，我國的增溫速度明顯高于全球平均速度[3]。1990年以來，太湖流域發(fā)生突變式增溫，導致土地利用類型發(fā)生很大變化[4-5]，嚴重影響流域碳儲量。目前，國內外利用RS（遙感）、GIS（地理信息系統(tǒng)）和模型方法對土地利用變化對碳儲量變化的影響研究日益增多。Houghton等研究了美國土地利用方式變化引起CO2排放變化，從而引起碳儲量變化[5]。Caspersen等采用森林生長調查數(shù)據(jù)研究土地利用變化與碳儲量之間的關系[6]。Defiles分析了未來土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響[7]。國內學者多數(shù)通過研究土壤和植被碳儲量變化來分析陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的變化。方精云等利用森林蓄積量和生物量轉換因子法分析中國1949—1998年森林碳儲量[8-10]。李?？炔捎蒙智宀橘Y料計算中國森林植被碳儲量[11]。王淑君等利用回歸模型和森林生物量轉換因子法計算廣州市森林碳儲量[12]。張興榆等利用政府間氣候變化專門委員會（IPCC）模型分析太湖區(qū)域1980—2005年土地利用變化對植被碳儲量影響得出，1980—2005年土地利用結構變化規(guī)律為林地、草地面積減少，建設用地面積增加，1980—1990年植被碳儲量減少6422萬t，1990—2005年減少68.31萬t[13]。魏文佳等采用IPCC指南提供方法和參數(shù)計算太湖流域1980—2005年土地利用類型變化引起的總碳儲量變化，得出1980—2005年太湖流域土地利用結構變化主要表現(xiàn)為農(nóng)田的逐年減少和聚居地的持續(xù)增長；總碳儲量變化為1980—1995年上升15 528.43萬t，1995—2000年上升15 398.89萬t，2000—2005年上升15 713.44萬t[14]。前人針對太湖流域土地利用變化對碳儲量變化影響的研究一方面使用IPCC指南提供方法和參數(shù)，這些參數(shù)可能與流域的實際情況有所出入，使得結果不精確；另一方面前人沒有全面考慮碳源，如僅考慮植碳儲量；同時研究時段均為1980—2005年。筆者在前人研究的基礎上，充分考慮土壤、植被2大碳源，研究時段為2000—2010年，通過土壤屬性數(shù)據(jù)計算土壤碳密度，采用生物量轉換因子法、地下地上生物量比值法分別計算地上、地下植被碳密度，旨在為合理確定太湖流域土地利用模式提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

選擇太湖流域地區(qū)為研究區(qū)，太湖流域位于長江三角洲地區(qū)，位于30°21′～32°04′N，119°08′～121°20′E（圖1），太湖流域地區(qū)總面積約375.04萬hm2，地處亞熱帶區(qū)域，氣候溫暖濕潤，經(jīng)濟飛速發(fā)展。近幾十年來，由于人類活動的影響，太湖流域土壤類型、植被類型、土地利用方式發(fā)生很大變化，導致太湖流域的碳儲量功能發(fā)生明顯變化。

1.2數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源本研究需要的基礎數(shù)據(jù)包括：（1）基礎地理數(shù)據(jù)，包括流域邊界、各縣（市）邊界等（來自國家測繪地理信息局）；（2）土地利用類型，包括2000、2010年2期；（3）生物量數(shù)據(jù)，包括2000、2010年2期；（4）土壤數(shù)據(jù)，包括土壤表層的有機碳含量、土種平均容量和各土種平均表層厚度（0～30 cm）。土地利用類型和生物量數(shù)據(jù)來源于“全國生態(tài)環(huán)境十年變化（2000—2010年）遙感調查與評估”項目的解譯結

果。土壤數(shù)據(jù)來源于《基于世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）的中國土壤數(shù)據(jù)集》[15]。

1.2.2研究方法應用土地利用類型面積的乘積來計算碳儲量。碳密度庫主要包括土壤碳庫、地上植被碳庫、地下植被碳庫、死亡有機質碳庫，死亡有機質碳庫由于數(shù)據(jù)來源缺乏且占碳庫比例較小，本研究不予考慮。碳密度庫計算公式如下：

Cstorage=（Csoil+Cabove+Cbelow）×S。

（1）

其中：Cstorage為土地利用類型的碳儲量，kg；Csoil為單位面積的土壤碳儲量，即土壤碳密度，kg/m2；Cabove、Cbelow分別為單位面積地上、地下植被碳儲量，即地上、地下植被碳密度，kg/m2；S為土地利用類型的面積，m2。

2.2.1土地利用處理土地利用數(shù)據(jù)分類采用“全國生態(tài)環(huán)境十年變化（2000—2010年）遙感調查與評估”項目中的土地類型分類，包括以下6種類型：（1）林地（包括常綠闊葉林、常綠針葉林等）；（2）草地（草叢、稀疏草地等）；（3）濕地（河流、湖泊、水庫坑塘、運河水渠等）；（4）農(nóng)田（水田、旱地等）；（5）建設用地（居住地、廠礦、交通用地、喬木綠地、灌木綠地等）；（6）未利用地。

1.2.2.2碳密度處理（1）土壤碳密度。本研究中各土種土壤碳密度來源于《1 ∶ 100萬世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD）的中國土壤數(shù)據(jù)集》[15]，分辨率為1 000 m×1 000 m，選取研究區(qū)土壤屬性數(shù)據(jù)，包括土壤表層的有機碳含量、土種平均容量和各土種平均表層厚度（0～30 cm），通過公式（2）求得基礎土壤碳密度數(shù)據(jù)?？紤]到由于土地利用變化引起土壤屬性變化，因此本研究結合2000、2010年的土地利用數(shù)據(jù)對碳密度數(shù)據(jù)進行重新賦值，分別得到研究區(qū)2000、2010年表層土壤的碳密度數(shù)據(jù)。表層土壤的碳密度計算公式如下：

Csoil=TOC×y×H×10-1。

（2）

式中：Csoil為土壤碳密度，kg/m2；TOC為有機碳含量，g/kg；y為土種平均土壤密度，g/cm3；H為各土種平均表層厚度，cm。

（2）地上植被碳密度。按照Brown提出的基于森林植被材積的生物量轉換因子法[16-17]計算地上植被碳密度。地上植被碳密度計算公式如下：

Cabove=a× DWi。

（3）

式中：Cabove為地上植物碳密度，kg/m2，；DWi為地上生物量，kg/m2 ；a為轉換系數(shù)。其中生物量數(shù)據(jù)采用“全國生態(tài)環(huán)境十年變化（2000—2010年）遙感調查與評估”項目的地上生物量數(shù)據(jù)，分辨率為250 m×250 m，轉換因子林地取05，其他土地類型取0.45。

（3）地下植被碳密度。采用生物量轉換因子法計算地下植被碳密度。地下植被碳密度計算公式如下：

Cbelow=a×b×DWi。

（4）

式中：Cbelow為地下植物碳密度，kg/m2；a為轉換系數(shù)；b為地下地上生物量比值。

其中地下生物量通過地上生物量和地下地上生物量比值計算得到。本研究重點關注林地、草地2種生態(tài)系統(tǒng)的地下生物量，由于耕地生物量更注重有經(jīng)濟價值的地上作物籽實部[18]，因此本研究不考慮耕地的地下生物量。前人對地下地上生物量的比值作過詳細研究，方精云等研究了不同森林植被類型的地下地上生物量的比值，其中闊葉林、針葉林和針闊混交林比值在0.2～0.4之間[8]。樸世龍等于2004年估算了我國草地地下生物量、地上生物量的比例關系，其中草叢、稀疏草地的地下生物量、地上生物量比值為4.3[10]。根據(jù)“全國生態(tài)環(huán)境十年變化（2000—2010年）遙感調查與評估”項目的解譯結果，研究區(qū)林地以闊葉林為主，草地以草叢為主，因此筆者定義研究區(qū)林地地下地上生物量比值取0.2，草地取4.3。

2結果與分析

2.1土地利用變化與轉移矩陣

2000—2010年，太湖流域各土地利用類型均發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為林地、建設用地面積增加，農(nóng)田、濕地、草地面積減少。林地面積比例從15.85%增加到16.80%，建設用地面積比例從15.47%增加到27.54%，農(nóng)田面積比例從50.40%減少到3864%，濕地面積比例從17.34%減少到16.43%，草地面積比例從0.92%減少到0.58%（表1）。

近10年太湖流域土地利用轉移主要發(fā)生在林地、草地、濕地、農(nóng)田、建設用地之間。太湖流域內人口增加，使得部分農(nóng)田轉換為建設用地；由于農(nóng)業(yè)上不合理的灌溉，使得部分農(nóng)田（46 740.31 hm2）成為了濕地，另外有部分濕地（46 267.82 hm2）轉換為農(nóng)田；受退耕還林、還草政策的影響，區(qū)域內有38 962.98 hm2農(nóng)田轉變?yōu)榱值?，? 595.01 hm2農(nóng)田轉變?yōu)椴莸?；同樣? 350.82 hm2林地轉變?yōu)檗r(nóng)田，3 153.93 hm2 草地轉變?yōu)檗r(nóng)田；建設用地的不斷增加，除了來源于農(nóng)田的轉換外，還有部分濕地（34 410.98 hm2）、部分草地（12 869.29 hm2）轉換為建設用地（表2）。

2.2碳密度變化

由表3可知，2000—2010年土壤和植被碳密度的總體分布和變化情況為：2000年土壤碳密度范圍為0～10.73 kg/m2，其中土壤碳密度范圍為3.00～3.50 kg/m2的比例最高，為36.40%，其次是土壤碳密度為0～1.00、1.00～1.50、1.50～2.00 kg/m2的，比例分別為2391%、18.48%、12.08%。2010年土壤碳密度范圍為0～8.23 kg/m2，其中土壤碳密度為0～1.00 kg/m2的比例最高，為43.92%，其次是3.00～3.50、1.00～1.50、1.50～2.00 kg/m2的，比例分別為27.42%、12.09%、9.48%。2000—2010年土壤碳密度為 0～1.00 kg/m2的比例大幅增長，上升20.01百分點；3.00～350、1.00～1.50、1.50～2.00 kg/m2 的比例分別降低8.98、639、2.60百分點，其他范圍無明顯變化。

2000年地上植被碳密度范圍為0～5.10 kg/m2，其中地上植被碳密度為0～0.25 kg/m2的比例最高，為4703%，其次是0.25～0.50 kg/m2的，比例為37.74%，其他范圍的比例較低。2010年地上植被碳密度范圍為0～9.80 kg/m2，其中地上植被碳密度為0～0.25 kg/m2的比例最高，為43.86%，其次是0.50～1.00 kg/m2的比例，為31.79%，其他范圍比例較低。可以看出，從2000年到2010年地上植被碳密度為050～100 kg/m2的比例上升27.56百分點，而0.25～050 kg/m2 的比例下降25.02百分點，其他范圍無明顯變化（表3）。

2000年地下植被碳密度范圍為0～18.38 kg/m2，其中地下植被碳密度為0～0.25 kg/m2的比例最高，為9305%，其他范圍比例較低。2010年地下植被碳密度范圍為0～26.30 kg/m2，其中地下植被碳密度為0～0.25 kg/m2 的比例最高，為93.04%，其他范圍比例較低?？梢钥闯?，2000—2010年地下植被碳密度比例變化有升有降，變化幅度不大（表3）。

2.3碳儲量變化

2.3.1土地利用變化對碳儲量變化的影響分析通過以上分析可知，2000、2010年2期的碳儲存總量分別為10 562.02萬、9 647.22萬t，2000—2010年總碳儲量凈減少914.80萬t，其中土壤碳儲量凈減少1 375.66萬t，植被碳儲量凈增加460.86萬t（表4）。由于土地利用變化對碳儲量變化的影響，總碳儲量凈減少914.80萬t。

從表5可知，引起碳儲量減少的土地利用類型變化為：農(nóng)田、濕地、草地、林地等土地類型向建設用地的轉換，這些土地1 266.09萬t。其中，農(nóng)田轉換為建設用地，減少的碳儲量最多，為1 121.77萬t，占總碳儲量減少量的78.53%；其次為濕利用變化減少的碳儲量占總碳儲量減少量的88.63%，共地轉換為建設用地，減少了85.72萬t，占6%；草地轉換為建設用地減少了46.87萬t，占3.28%；林地轉換為建設用地減少了11.73萬t，占0.82%。草地、濕地轉換為農(nóng)田分別減少了589萬、5.66萬t，占總碳儲量減少量的比例較低。由此可見，生態(tài)用地和農(nóng)田轉換為建設用地是碳儲量減少的主要原因。引起碳儲量增加的土地利用類型變化為：農(nóng)田轉換為林地、濕地，建設用地轉換為農(nóng)田、濕地、林地。其中，農(nóng)田轉換為林地增加的碳儲量最多，為6.76萬t，占總碳儲量增加量的132%。其次分別是建設用地轉換為農(nóng)田、建設用地轉換為濕地、農(nóng)田轉換為濕地、建設用地轉換為林地，增加的碳儲量分別為4.82萬、3.06萬、1.43萬、0.85萬t，分別占總碳儲量增加量的0.94%、0.60%、0.28%、0.17%。可見，這些土地類型轉換對碳儲量增加造成的影響較小。

2.3.2碳儲量變化空間分布從圖2、表6看出，太湖流域2000—2010年不同柵格土地利用類型變化對應的碳儲量變化范圍為-113 975～3 234.84 t。本研究將碳儲量變化分為5類：明顯減少（-113 975～-1 000 t）、輕微減少（-1 000～-1 t）、基本不變（-1～1 t）、輕微增加（1～1 000 t）、明顯增加（1 000～3 234.84 t）。

太湖流域2000—2010年碳儲量變化以基本不變?yōu)橹?，占整個研究區(qū)面積的85.79%，分布在太湖湖泊內部和區(qū)域；其次是碳儲量減少，占整個研究區(qū)面積的13.81%，其中明顯減少占5.65%，輕微減少占8.16%，主要分布在無錫市南部、湖州市東南部和杭州市東部，這是由于近10年市轄區(qū)建設用地擴張強烈，其分布呈現(xiàn)由城市中心往外逐步擴散趨勢，導致碳儲量急劇下降；碳儲量增多面積占整個研究區(qū)的比例較低，為0.40%，其中明顯增多占0.05%，輕微增多占0.35%（表6）。碳儲量增多區(qū)域集中在上海市、蘇州市、無錫市、杭州市等城市外圍區(qū)域，這是由于這些地區(qū)響應國家保護耕地紅線號召，

實現(xiàn)耕地占補平衡，部分建設用地轉變?yōu)檗r(nóng)田，同時太湖流域地區(qū)在水環(huán)境治理中實行退耕還湖措施。

3結論與展望

與前人計算太湖流域碳儲量研究比較，本研究充分考慮土壤、植被2大碳源，通過土壤屬性數(shù)據(jù)計算土壤碳密度，通過生物量轉換因子法計算植被碳密度，可以得到不同柵格土地利用類型變化對應的碳儲量變化，與前人使用IPCC提供參數(shù)方法相比準確率有極大提高。同時，前人計算1980—2005年碳儲量總量是上升趨勢，具有碳匯效應，本研究得出2000—2010年碳儲量是下降趨勢，具有碳源效應，主要是由于近10年城市擴張劇烈，土壤碳儲量下降幅度遠遠大于植被碳儲量增加的幅度所致。本研究區(qū)近10年凈減少碳儲量914.80萬t，其中土壤碳儲量減少1 375.66萬t，植被碳儲量增加460.86萬t，碳儲量的變化受土壤碳儲量變化的影響較大。土壤碳儲量的減少主要是由于城市擴張，導致農(nóng)田、濕地、草地、林地等土地類型轉換為建設用地，從而使得土壤儲量大幅度減少。植被碳儲量的增多主要是由于近10年來植被自身生長，導致生物量增多，植被碳儲量增多，因此土地利用類型的轉換是植被碳儲量增多的影響因素，但不是主要的驅動因素。本研究對太湖流域的土壤和植被碳儲量的計算結果存在一定的不確定性，這主要是由于碳儲量的變化過程除了與植被類型、土壤類型以及土地利用類型變化有關之外，還與復雜的氣候、輻射和地形等因素有關，區(qū)域尺度的碳儲量估算難以考慮到所有的因素。在今后的研究中要盡可能考慮各項因素，確保研究結果更加精確。

參考文獻：

[1]徐滿厚，薛嫻. 氣候變暖對陸地植被-土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響研究[J]. 生命科學，2012，32（1）：1-7.

[2]左洪超，呂世華，胡隱樵，等. 中國近50年氣溫及降水量的變化趨勢分析[J]. 高原氣象，2004，23（2）：239-244.

[3]丁斌，顧顯躍，繆啟龍，等. 長江流域近50年來的氣溫變化特征[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2006，15（4）：531-536.

[4]孫俊，張慧，王橋，等. 基于環(huán)境一號衛(wèi)星的太湖流域地表溫度與地表類型的關系分析[J]. 環(huán)境科學與研究，2011，24（11）：

91-97.

[5]Houghton R A，Hackler J L. Emissions of carbon from forestry and land-use change in tropical Asia[J]. Global Change Biology，1999，5（4）：481-492.

[6]Caspersen J P，Paeala S W，Jenkins J C，et a1.Contributions of landuse history to carbon accumulation in U.S.forests[J]. Science，2000，290（5494）：1148-1151.

[7]Defiles R S. Past and future sensitivity of primary production to human modification of land scape[J]. Geophysical Research Letters，2002，29（7）：361-364.

[8]方精云，郭兆迪，樸世龍，等. 1981-2000年中國陸地植被碳匯的估算[J]. 中國科學：D輯，2007，37（6）：804-812.

[9]方精云，劉國華，徐嵩齡，等. 我國森林植被的生物量和凈生產(chǎn)量[J]. 生態(tài)學報，1996，16（5）：497-508.

[10]樸世龍，方精云，賀金生，等. 中國草地植被生物量及其空間分布格局[J]. 植物生態(tài)學報，2004，28（4）：491-498.

[11]李海奎，雷淵才，曾偉生.基于森林清查資料的中國森林植被碳儲量[J]. 林業(yè)科學，2011，47（7）：7-12.

[12]王淑君，管東生，黎夏，等. 廣州森林碳儲量時空演變及異質性分析[J]. 環(huán)境科學學報，2008，28（4）：778-785.

[13]張興榆，黃賢金，趙小風，等. 環(huán)太湖地區(qū)土地利用變化對植被碳儲量的影響[J]. 自然資源學報，2009，24（8）：1343-1353.

[14]魏文佳，桂智凡，薛濱，等. 土地利用變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響——以太湖流域和呼倫湖流域為例[J]. 第四紀研究，2012，2（32）：327-336.

[15]沈崇靈. 法理學[M]. 北京：北京大學出版社，1994.

[16]Fang J Y，Wang Z M. Forest biomass estimation at regional and global levels，with special reference to Chinas forest biomass[J]. Ecological Research，2001，16（3）：587-592.

[17] Guo Z D，F(xiàn)ang J Y，Pan Y D，et al. Inventory-based estimates of forest biomass carbon stocks in China：a comparison of three methods[J]. Forest Ecol Manage，2010，259（7）：1225-1231

[18]宇萬太，于永強.植物地下生物量研究進展[J]. 應用生態(tài)學報，2001，12（6）：927-932.