基于RS和GIS 的土地利用變化碳排放現(xiàn)狀及預(yù)測分析

楊　坤，胡　馨，石　越

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基于RS和GIS 的土地利用變化碳排放現(xiàn)狀及預(yù)測分析

楊坤1，2，胡馨1，2，石越1

（1．河海大學(xué)公共管理學(xué)院，南京211100；2．中國移民研究中心，南京211100）

根據(jù)2000年和2010年2期拉薩地區(qū)的遙感數(shù)據(jù)，在erdas平臺上將該區(qū)域分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6類土地，利用ArcGIS的空間分析技術(shù)，得出這2期的土地利用現(xiàn)狀分布和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，并利用馬爾科夫模型對2020年、2030年、2040年土地利用變化進(jìn)行預(yù)測。以此為基礎(chǔ)，計算出該地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)年中每1 a的碳排放量，及預(yù)測每10 a碳排放量。結(jié)果顯示：生態(tài)用地結(jié)構(gòu)改變、林地面積增加是碳吸收的主要原因；過度放牧、畜牧業(yè)消費需求的增加、旅游業(yè)的開發(fā)是土地利用變化碳排放的主要原因。最后提出建議：注重保護(hù)生態(tài)環(huán)境、限制過度放牧、低碳旅游，可以有效抑制生態(tài)用地的減少和控制碳排放總量。

ArcGIS；碳排放；土地利用變化；生態(tài)用地；馬爾科夫模型

doi：10．11988/ckyyb．20150229

1　研究背景

氣候變化已成為當(dāng)前全世界所面臨的重大環(huán)境問題［1］，人類生產(chǎn)活動導(dǎo)致的溫室氣體排放，特別是化石能源的使用所產(chǎn)生的二氧化碳排放是導(dǎo)致全球氣候變化的主要原因［2］。研究表明，從中國人均碳排放空間分異演變過程，不難發(fā)現(xiàn)，我國已有全面邁入人均高碳排放時期的趨勢［3］。

土地利用和覆蓋變化是全球變化研究的熱點問題［4］，通過應(yīng)用RS（遙感）和GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)，有效建立土地利用和土地覆蓋時空數(shù)據(jù)庫，可以客觀、快速、準(zhǔn)確地把握土地利用和覆蓋的時空演變過程［5-6］，為與之相關(guān)的定量化研究提供技術(shù)支撐［7］。而土地利用變化是引起區(qū)域碳排放的重要因素，由于自然條件和人類活動的差異，不同地類具有不同的碳排放強度［8-9］。同時土地利用狀態(tài)及其演變蘊藏著碳排放的時序與規(guī)模特點，因此區(qū)域性的土地利用和土地覆蓋變化對土地利用中的碳排放具有巨大影響［10］。

關(guān)于土地利用變化和碳排放之間的關(guān)系研究，受到不少國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。但總體而言，關(guān)于土地利用和碳排放的文獻(xiàn)大多具有研究范圍尺度大，精度偏低的特點，粗層次定性分析、理論性的文章較多，缺乏區(qū)域性的、定量性的相關(guān)研究。本文以著名旅游城市拉薩為研究目標(biāo)，以遙感圖像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，借助Erdas 和GIS，分析了2000—2010年各類用地的變化，在此基礎(chǔ)上，預(yù)測2020—2040年的土地利用變化，計算拉薩地區(qū)30 a來碳排放情況，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

2　研究區(qū)概況和研究方法

2．1研究區(qū)概況

拉薩處于西藏高原的中部、喜馬拉雅山脈北側(cè)，海拔3 650 m，位居雅魯藏布江支流拉薩河中游河谷平原。拉薩市轄城關(guān)區(qū)1個市轄區(qū)和當(dāng)雄縣、堆龍德慶縣、曲水縣、墨竹工卡縣、達(dá)孜縣、尼木縣和林周縣共7個縣（見圖），總面積約3萬km2，空間位置為東經(jīng)91°06＇，北緯29°36＇（圖1）。全市總?cè)丝诩s55萬人，流動人口多。該地區(qū)農(nóng)牧業(yè)水平較高，且牧業(yè)產(chǎn)值在第一產(chǎn)業(yè)中占主導(dǎo)地位。氣候?qū)俑咴瓬貛О敫珊导撅L(fēng)氣候區(qū)，拉薩環(huán)境條件整年多晴少雨，冬無酷寒，夏無炎暑，年平均氣溫7．4℃。

2．2數(shù)據(jù)源和軟件

本文的本底數(shù)據(jù)源為2000年和2010年拉薩遙感數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理方面，采用1∶50 000的地形圖，DEM、谷歌地球為參考，目視解譯的應(yīng)用軟件為Envi 5．0和Erdas Imagine，主要支撐為ESRI公司的Arc-GIS。主要操作步驟為：Erdas平臺上，進(jìn)行波段疊加；去條帶；轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，經(jīng)緯轉(zhuǎn)為大地坐標(biāo)；監(jiān)督分類等。在此基礎(chǔ)上利用Matlab軟件進(jìn)行馬爾科夫模型預(yù)測，分別得出2020年、2030年、2040年拉薩地區(qū)土地利用情況并進(jìn)行碳排放分析。另參考2000年、2010年、2013年西藏統(tǒng)計年鑒等相關(guān)統(tǒng)計資料，為土地利用和碳排放變化做驅(qū)動因素輔助分析［11］。

圖1　拉薩市區(qū)位置Fig．1　Location of Lhasa city

2．3碳排放的計算方法

《聯(lián)合國氣候變化框架公約》曾定義，碳源是指向大氣中釋放CO2的過程、活動和機制；碳匯是指清除大氣中CO2的過程、活動和機制?？偺寂欧帕坑嬎愎饺缦拢菏街校篊為總碳排放量；CE為碳源的碳排放量；CS為碳匯的碳吸收量［12］；aC，uC分別為耕地、城鄉(xiāng)用地的碳排放量；fC，wC，gC，eC分別為林地、水域、草地、未利用土地的碳吸收量；Ti為不同土地利用方式對應(yīng)的土地面積；i為各土地利用方式的碳排放（吸收）系數(shù)（不含正負(fù)號）。

3　碳排放現(xiàn)狀分析

3．1土地利用變化結(jié)果

3．1．1土地利用現(xiàn)狀

對2000年和2010年基底數(shù)據(jù)目視解譯后，將拉薩地區(qū)土地類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地①、未利用土地②6大類，具體見圖2（a）和圖2（b），同時可得出拉薩地區(qū)2000年和2010年土地利用現(xiàn)狀，見表1。從表1中不難發(fā)現(xiàn)，由于拉薩特殊的地形特征決定了與其他城市不同的土地分布，其中建設(shè)用地不足1%，所占比例最大的為草地，未利用土地面積占第2位，水域占第3位，林地和耕地總面積較少。

圖2　拉薩地區(qū)2000年和2010年土地利用現(xiàn)狀Fig．2　Map of land use of Lhasa in 2000 and 2010

表1　拉薩地區(qū)2000年和2010年土地利用現(xiàn)狀Table 1　Land use of Lhasa in 2000 and 2010

3．1．22000—2010年的土地轉(zhuǎn)移流向

在ArcGIS平臺上，構(gòu)建2000—2010年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，轉(zhuǎn)移矩陣見表2，土地利用變化以草地向其他類型土地轉(zhuǎn)移為例（見圖3）。

3．2碳排放現(xiàn)狀

通過參考《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》［13］和相關(guān)研究成果，不同地類的碳排放系數(shù)，由碳排放量公式、表1、表2可得出：2000年碳排放量

①包括城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點和其他建設(shè)用地。

②包括沙地、戈壁、鹽堿地、沼澤地、裸土地、裸巖石礫地和其他用地。

C=-2．513×107t，2010年碳排放量C=-2．533×107t，即拉薩地區(qū)10 a間，碳吸收量增加0．020×107t。其中增加林地面積3 639．15 hm2，貢獻(xiàn)碳吸收0．021×107t。3．3影響因素分析

2000年拉薩地區(qū)牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)林牧漁總產(chǎn)值的45．9%，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占51．5%，對比2010年牧業(yè)產(chǎn)值占53．58%，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占43．68%，其中當(dāng)雄縣牧業(yè)產(chǎn)值高達(dá)77．96%，但草地面積卻減少3 287．97 hm2，可知過度放牧現(xiàn)象嚴(yán)重。表2數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出未利用土地的增加并不明顯，從2000年草地轉(zhuǎn)化為2010年未利用土地0．24 hm2，但2010年未利用土地總面積有所減小，說明原有沙地、鹽堿地、裸巖石礫地等現(xiàn)狀并沒有有效改善。另一方面政府基于生態(tài)環(huán)境的考慮，大力提倡人工種樹、改良草場，10 a間林地面積增加3 639．15 hm2，占總面積的4．39%，有效提高了碳吸收的能力，一定程度上也限制了環(huán)境的惡化。

人類活動作為土地利用變化的主要驅(qū)動力，同時是碳排放的一個重要原因。近年來，拉薩地區(qū)深厚的宗教文化、原始的自然風(fēng)光，被很多背包客贊譽為“凈化心靈”的城市力量，越來越多的國內(nèi)外旅游人士日趨成為拉薩地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長、人文活動的主要組成部分。根據(jù)第5次和第6次人口普查數(shù)據(jù)，拉薩地區(qū)2000年和 2010年的人口總數(shù)分別為474 499和559 423人，增長率為17．90%，而2000—2010年同期旅游人口增長率為53．15%，2000年旅游總收入占總GDP的6．03%，2010年旅游總收入占總 GDP的14．04%。因此旅游業(yè)開發(fā)是拉薩地區(qū)土地變化和土地覆蓋的一個重要驅(qū)動因素，耕地、草地的減少，建設(shè)用地的增加某種程度上和旅游業(yè)發(fā)展有著直接或間接的關(guān)系。

Scott等［13］向聯(lián)合國世界旅游組織、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署與世界氣象組織提交的報告中顯示，旅游業(yè)對全球碳排放負(fù)有5%的責(zé)任。因此，拉薩地區(qū)旅游業(yè)開發(fā)除部分影響建設(shè)用地的增加外，會直接貢獻(xiàn)碳排放量的增加，同時與旅游業(yè)派生的當(dāng)?shù)啬廉a(chǎn)品消費需求增加、藏類手工藝品的熱愛度提高、自然圣地如羅布林卡、納木錯等人類足跡的頻繁，都會對這里的水域、草地、未利用土地等土地利用結(jié)構(gòu)、布局產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致碳源和碳匯之間的間接轉(zhuǎn)化。

表2　拉薩地區(qū)2000—2010年土地利用類型變化轉(zhuǎn)移矩陣Table 2　The transfer matrix of land use changes in 2000-2010　hm2

圖3　2000—2010年草地利用轉(zhuǎn)移分布Fig．3　Transfer of grassland use in 2000-2010

4　碳排放預(yù)測

4．1理論基礎(chǔ)

馬爾科夫（Markov）預(yù)測法是概率論中利用馬爾科夫鏈的理論和方法來研究隨機事件變化并借此預(yù)測未來變化趨勢的一種方法。已知馬爾科夫鏈的轉(zhuǎn)移矩陣P（k）=（pij（k））以及初始狀態(tài)概率向量P（0），則任一時刻的狀態(tài)概率分布可以確定：對k≥1，記pi（k）=P｛Xk=i｝，則有全概率公式有

馬爾科夫模型適用條件一般是中短期預(yù)測，目的在于保證轉(zhuǎn)移概率矩陣的穩(wěn)定性。由拉薩地區(qū)2000—2010年的轉(zhuǎn)移矩陣可以明顯得知，土地類型變化不大，同時考慮研究區(qū)特殊的地理位置限制，選擇10 a為時間間隔，某種意義上滿足馬爾科夫模型要求的中短期預(yù)測。且土地預(yù)測的可行性方面也得到了驗證，對預(yù)測的結(jié)果利用卡方檢驗方法進(jìn)行檢驗，利用

，在顯著水平α=0．05的水平下通過了檢驗［15-16］。

4．2預(yù)測結(jié)果

由拉薩地區(qū)2000—2010年的轉(zhuǎn)移矩陣可以得到初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，見表3。以2010年的土地利用類型為初始狀態(tài)矩陣，即表2中的數(shù)據(jù)，時間間隔為10 a，利用 Matlab軟件編程處理，可預(yù)測2020，2030，2040年的土地利用變化情況，見表4。

表3　初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣Table 3　The probability matrix of initial state transition

預(yù)測結(jié)果表明，拉薩地區(qū)碳吸收量是逐步增加的，2020年碳排放量C=-2．553×107t，2030年碳排放量C=-2．573×107t，2040年碳排放量C=-2．593×107t。2010—2040年，耕地減少858．33 hm2，草地減少9 832．71 hm2，水域減少2 959．54 hm2，未利用土地減少724．99 hm2，而林地增加10 854．10 hm2，建設(shè)用地增加3 521．52 hm2。

生態(tài)用地（林地、草地和水域）為該地區(qū)主要地類形態(tài)，碳吸收量為正值，這與拉薩地區(qū)特殊地理環(huán)境和國家對該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的持續(xù)投入相符合。拉薩地區(qū)生態(tài)用地占其總面積的比例：2000年為80．62%，2010年為80．60%，10 a間生態(tài)用地基本持平，這為維持該地區(qū)的生態(tài)平衡起到至關(guān)重要的作用。雖然這10 a生態(tài)用地總面積沒有明顯的變化，但是通過轉(zhuǎn)移矩陣分析，生態(tài)用地結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表現(xiàn)為草地、水域、未利用土地向林地的轉(zhuǎn)化。且馬爾科夫模型預(yù)測發(fā)現(xiàn)2040年草地、水域面積減少，林地面積增加，且后者增加的量均大于前兩者減少的量。說明拉薩地區(qū)生態(tài)用地在未來基本保持穩(wěn)定，但林地碳吸收能力遠(yuǎn)大于草地和水域?qū)μ嘉盏哪芰Γ嘉樟恐鹉暝黾印?/p>

通過以上分析，拉薩地區(qū)在2010—2040年的生態(tài)用地變化呈現(xiàn)與大多數(shù)地區(qū)不同特點：第一，生態(tài)用地面積基本保持穩(wěn)定，碳吸收量存在增長的趨勢，這與其他地區(qū)城市化過程中生態(tài)用地不斷減少，碳排放量增加截然相反；第二，生態(tài)用地結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，林地面積增加，草地、水域面積減少。近年來人類有意識地植樹造林改善了局部生態(tài)環(huán)境，但發(fā)現(xiàn)由于拉薩地區(qū)的特殊環(huán)境，該地區(qū)并不適合大規(guī)模的植樹造林，適宜高山草甸的生長，短期的林地增長可能來自植樹造林，長期的林地增長可能預(yù)示著一個更嚴(yán)重的問題——全球氣候變暖問題，濕潤的氣候有利于林地的自然增長；第三，水域面積減少，預(yù)示著我國將面臨更嚴(yán)峻的水資源問題。拉薩地區(qū)位于西藏高原，是我國主要的水源地，拉薩地區(qū)水域面積減少很有可能成為青藏高原水域面積減少的一個縮影，影響我國的水資源安全。

5　結(jié)論和建議

5．1主要結(jié)論

（1）運用RS和GIS技術(shù)，可以直觀、定量地體現(xiàn)拉薩地區(qū)的土地利用現(xiàn)狀，轉(zhuǎn)移矩陣可以有效反映各地類間的相互轉(zhuǎn)換面積，在此基礎(chǔ)上，可以直接測算產(chǎn)生碳排放的總量以及單項因素產(chǎn)生的碳貢獻(xiàn)量。

（2）2010—2040年，拉薩地區(qū)建設(shè)用地面積逐年增加，耕地和未利用土地逐年減少，生態(tài)用地中林地增加的面積均大于草地、水域減少的面積。

（3）拉薩地區(qū)生態(tài)用地面積緩慢減少，但生態(tài)用地結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致碳吸收量逐年增加。2040年生態(tài)用地面積較2010年減少1 938．16 hm2；2010年碳排放量為-2．533×107t，預(yù)測結(jié)果顯示2040年碳排放量為-2．593×107t，碳吸收量較2010年增加60萬t。

（4）拉薩地區(qū)出現(xiàn)長期林地增長和水域面積減少的反常趨勢，預(yù)示全球氣候變暖和水資源安全問題凸顯。

（5）旅游業(yè)是近年來拉薩地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長的支柱產(chǎn)業(yè)，也是景觀破壞和碳排放增加的主要原因。5．2相關(guān)建議

（1）城市化進(jìn)程中，應(yīng)注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。合理控制土地類型中碳匯和碳源儲存比，可以有效抑制生態(tài)用地的減少和控制碳排放總量，逐漸改善全球變暖的趨勢，形成良性循環(huán)過程。

（2）拉薩地區(qū)應(yīng)采取措施，限制過度放牧行為，選擇改良草場辦法來滿足畜牧業(yè)增長需求。特別是牧業(yè)為主的當(dāng)雄縣，要繼續(xù)保持或加大力度對該地區(qū)林地、水域的保護(hù)，嚴(yán)格預(yù)防未利用土地的荒漠化。

表4　拉薩地區(qū)2020—2040年土地利用類型面積預(yù)測值Table 4　Predicted values of land use areas in 2020-2040　hm2

（3）拉薩地區(qū)地處青藏高原的中部，是國家生態(tài)安全的一個重要屏障，也是一個具有全球重要性的生態(tài)脆弱區(qū)，屬溫帶半干旱氣候類型，太陽輻射強度大，日照時間長，干旱多風(fēng)的氣候特點為環(huán)境惡化提供了動力條件，一旦破壞可能產(chǎn)生土地侵蝕、草地沙化、荒漠化、泥石流、草地沙化、生物多樣性喪失等很難逆轉(zhuǎn)的問題。因此當(dāng)?shù)卣畱?yīng)倡導(dǎo)低碳旅游，開發(fā)生態(tài)旅游應(yīng)是將來發(fā)展的主旋律，合理控制各項產(chǎn)業(yè)的收入分配，發(fā)展當(dāng)?shù)貎?yōu)勢資源的同時，注重其他產(chǎn)業(yè)的同步發(fā)展。

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（編輯：劉運飛）

Current Situation and Prediction Analysis of Land Use Changes in Carbon Emissions Based on RS and GIS

YANG Kun1，2，HU Xin1，2，SHI Yue1
（1．School of Public Administration，Hohai University，Nanjing211100，China；2．National Research Center for Resettlement，Nanjing211100，China）

The land use in Lhasa is divided into six types inclusive of farmland，woodland，grassland，water area，building land and unused land according to the remote sensing data in 2000 and 2010 on Erdas platform．Then the distribution of land use and land use transition matrix in the two periods are obtained using ArcGIS spatial analysis techniques，and the land use changes of the years 2020，2030 and 2040 are predicted by using Markov model．On this basis，the carbon emissions per year of these years are calculated and the emissions every 10 years in the region are predicted．The final results show that the change of ecological land structure and the increase in ecological land （forest）area are the main causes of carbon sequestration．Overgrazing，increasing consumer demand for animal husbandry and development of tourism are the main causes of carbon emissions during land use change．Finally，some suggestions to control carbon emission and limit the decrease of ecological land are put forward：protecting ecological environment，restricting overgrazing，and promoting low-carbon tourism．

ArcGIS；carbon emissions；land use change；ecological land；Markov model

P334．2；F301．24

A

1001-5485（2016）07-0137-05

2015-03-27；

2015-05-13

國家社會科學(xué)基金重大項目（13&ZD172）

楊坤（1991-），男，河南周口人，碩士研究生，主要從事征地拆遷移民管理方面的研究，（電話）18020126266（電子信箱）yangkunleo@126．com。