基于InVEST模型的云南小江流域生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及空間格局研究

陳海鵬 竇苗

摘要[目的]量化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，為區(qū)域山地碳庫的建立和管理，改善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲量功能平衡，協(xié)調(diào)區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護提供科學依據(jù)。[方法]基于InVEST模型，利用小江流域DEM、土地利用、土壤等數(shù)據(jù)，對該流域生態(tài)系統(tǒng)碳儲量進行評估，分析碳儲量的空間差異。[結(jié)果]小江流域生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量為11.58 Mt，平均碳儲量為37.84 t/hm2，土壤碳含量較低，僅占流域總碳儲量的1/3。碳儲量空間分布差異較大，流域中部地區(qū)，即昆明市東川區(qū)的碳儲量較低，東南部的尋甸回族彝族自治縣整體碳儲量較高，就垂直梯度上，在海拔1 800～2 900 m生態(tài)系統(tǒng)碳儲量功能較強，而河谷低地和高山草地碳存儲的能力最弱。[結(jié)論]針對不同區(qū)域采取不同的管理措施，能有效調(diào)節(jié)小江流域碳儲量的平衡，更好地促進區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)固碳功能。

關(guān)鍵詞小江流域；碳儲量；InVEST模型；空間差異

中圖分類號S181.6文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）12-0051-04

Abstract[Objective]To quantify carbon storage in regional ecosystem not only provide effective scientific basis for establishment and management of carbon pool， but also improve the function of carbon storage in the regional ecosystem. Besides， it can also coordinate the relationship between regional economic development and ecological environmental protection. [Method]Based on the DEM， land use data and soil data， we used the InVEST model to assess the carbon storage and its distributing pattern in regional ecosystem in Xiaojiang River Basin. [Result]The results showed that the total carbon storage of the watershed was 11.58 Mt， and the average carbon storage was 37.84 t/hm2.The level of soil carbon storage was relatively low， accounted for one third of the total carbon storage in Xiaojiang River Basin. The spatial distribution of carbon storage differed greatly. The value in the central region of the watershed was lower， where the Dongchuan district of Kunming City was located. The carbon storage in the Xundian Hui and Yi autonomous county in the southeast of the watershed was higher. From the vertical gradient， the carbon storage was concentrated in 1 800-2 900 m in elevation， and the lower value was in the valley and alpine meadow area. [Conclusion]The management measures should be adjusted to the different areas， which can control the carbon balance in the Xiaojiang River Basin effectively， and promote the regional carbon sequestration.

Key wordsXiaojiang River Basin；Carbon storage；InVEST model；Spatial disparity

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是人類從生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和自然過程中所獲取的惠益[1]，生態(tài)系統(tǒng)是人類賴以生存與發(fā)展的資源和環(huán)境基礎(chǔ)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究最基本也是最核心的內(nèi)容[2]。在全球環(huán)境變化的背景下，陸地生態(tài)系統(tǒng)的格局和過程受到了極大影響，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能也隨之發(fā)生較大變化，其具體的變化過程和機理仍有待研究[3-4]。碳儲量服務(wù)是一項重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，隨著近年來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的迅速發(fā)展，碳儲量服務(wù)的變化和影響機制研究也備受重視[5]。

碳儲量可以調(diào)節(jié)大氣中CO2等溫室氣體在大氣中的濃度，對于調(diào)節(jié)全球氣候變化具有至關(guān)重要的作用[6]。實際上，森林、草地及其他陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳含量遠遠大于空氣中的碳含量，碳儲量的評估主要是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量[7-8]。近年來，國內(nèi)外對生態(tài)系統(tǒng)碳儲量功能進行了大量研究。方精云等[9]構(gòu)建了我國森林蓄積量與生物量之間的轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)，并估算了我國森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量狀況；張云倩等[10]對江蘇海岸帶生態(tài)系統(tǒng)碳儲量進行了評估，并結(jié)合ESDA（Exploratory Spatial Data Analysis）方法研究其空間相關(guān)性及時空變異；Myeong等[11]基于遙感影像的時間序列方法，采用回歸方程構(gòu)建了一種歸一化評估模型，并對紐約錫拉丘茲地區(qū)城市林地碳儲量進行評估和模擬。

小江流域作為我國干熱河谷的典型流域，其氣候、地質(zhì)、地貌、植被類型等垂直空間差異較大[12]，生態(tài)系統(tǒng)碳儲量功能強弱差異懸殊，加之流域內(nèi)濫砍濫伐，退耕還林、化學污染等人為因素破壞，泥石流、滑坡等自然災(zāi)害的威脅，使得小江流域碳儲量面臨嚴峻的考驗[13]。

筆者基于InVEST模型，對云南省小江流域生態(tài)系統(tǒng)碳儲量服務(wù)進行評估和空間分析，以期為政府采取合理的措施和管理方法，及時改良生態(tài)系統(tǒng)碳儲量結(jié)構(gòu)和功能提供可靠、準確的決策支持。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況

小江流域（102°52′～103°22′ E，25°32′～26°35′ N）為金沙江一級支流，發(fā)源于滇東北高原魚味后山，自南向北流經(jīng)云南尋甸縣、東川市及會澤縣境，全長138.2 km，流域面積3 043.45 km2[14]。小江流域是我國典型山區(qū)之一，流域內(nèi)山地面積占地區(qū)總面積的97%[15]。地質(zhì)構(gòu)造復雜，海拔高度落差懸殊，由低海拔701 m到高海拔4 233 m（圖1）。

小江流域植被分布特性與土壤、氣候的分布相適應(yīng)，呈現(xiàn)垂直分帶。在低海拔河谷區(qū)域，垂直向上分布著稀疏灌木草叢；中海拔山地區(qū)域，物種繁多，植被群落類型復雜，代表性的植被類型為暖性和溫性的常綠針葉與闊葉林；亞高山區(qū)，大部分植被類型為溫冷性的常綠硬闊葉和針葉混交林草類型；高山區(qū)則以高山草叢為主要植被類型[16-17]。土地利用類型主要是草地、林地、耕地、水域、城鎮(zhèn)用地及其他用地，其中，草地面積占全域面積的50%以上，林地在低海拔和高海拔較為稀疏，僅10%左右，而在中海拔山地區(qū)占地面積30%～40%，耕地主要分布在中低海拔區(qū)域，面積占15%左右，城鎮(zhèn)用地基本集中在河谷中部[17-18]。

1.2研究方法

InVEST（The Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool）模型是由美國斯坦福大學、世界自然基金會和大自然保護協(xié)會聯(lián)合開發(fā)、免費開源、可用以量化多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估工具[19]，根據(jù)不同的模塊和算法，可以模擬評估不同土地利用變化下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，如碳儲量、水源涵養(yǎng)、材積、生境質(zhì)量等[20]。目前，InVEST模型的運用較為廣泛，涉及美洲、亞洲等20余個國家和地區(qū)[21]。

筆者運用InVEST模型碳模塊來評估小江流域碳儲量，InVEST模型碳儲量模塊認為碳儲量的變化是土地利用變化的結(jié)果，簡化了碳循環(huán)過程。生態(tài)系統(tǒng)碳庫主要由4個部分組成：地上生物碳、地下生物碳、土壤碳和死亡有機碳。地上生物碳儲量主要包括地上存活植被，樹干、樹枝、樹葉等中的碳含量[22]?；贗nVEST碳儲量模型的目的，暫不考慮地上碳庫中極不穩(wěn)定的碳，如短周期農(nóng)作物等，因為該類碳相對于整個地上碳庫，含量相對較少且非常穩(wěn)定或更新較快[23-24]。地下生物碳主要是活性植被根系中的碳含量，土壤碳一般被限制為礦質(zhì)土壤中碳的含量，也包含有機土壤。死亡有機碳包括掉落物或者枯萎死亡的樹木碳含量。模型具體運算原理如下公式：

模型通過ArcGIS 10.2軟件得到小江流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)碳儲量地上、地下、死亡有機碳含量，通過土壤數(shù)據(jù)計算得到小江流域土壤碳儲量的空間分布結(jié)果，總碳儲量為兩者空間疊加的結(jié)果。

1.3數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計每一類土地利用類型的面積及碳密度數(shù)據(jù)，然后對每一類土地利用類型4個碳庫的平均單位值進行賦值，再計算每一類土地利用類型的總碳儲量。在所掌握的數(shù)據(jù)中，未收集到土壤碳密度數(shù)據(jù)，因此利用在野外調(diào)研過程中收集到的小江流域東川市第二次土壤普查數(shù)據(jù)，利用土壤有機碳密度與相應(yīng)面積的乘積估算出土壤碳儲量。事實上，地上、地下、死亡有機碳含量主要考慮植被碳儲量。通過收集查閱小江流域森林資料和閱讀相關(guān)文獻，將植被碳密度、土地利用類型等數(shù)據(jù)輸入模型，運行InVEST模型碳儲量模塊，輸出碳儲量柵格圖。利用ArcGIS中的空間分析功能，把模型輸出的柵格圖與已有的土壤碳含量圖進行加和，得到小江流域的總碳儲量。

2結(jié)果與分析

2.1生物碳儲量和土壤碳儲量

圖2a為模型輸出地上、地下、死亡有機碳的生物碳儲量結(jié)果，總碳儲量為7.79 Mt，其中碳儲量最大值為56.04 t/hm2，平均碳儲量為25.39 t/hm2。就空間分布而言，小江流域中部、河道及其周圍區(qū)域的生物碳儲量較低，流域北部和東南、西南區(qū)域的生物碳儲量相對較高。圖2b為計算得到小江流域土壤碳分布，其中土壤總碳儲量為3.78 Mt，土壤碳儲量最大值為33.68 t/hm2，最小值為3.51 t/hm2，平均土壤碳儲量為12.33 t/hm2。從土壤碳空間分布來看，小江流域靠近東部、西部邊緣地區(qū)土壤碳量較低，小江河道及周邊地區(qū)土壤碳含量較少，且流域從內(nèi)到外的碳儲量呈現(xiàn)逐步增長的趨勢。

2.2碳儲量空間分布

空間疊加后小江流域生態(tài)系統(tǒng)碳儲量見圖3，流域總碳儲量為11.58 Mt，碳儲量最大值為89.72 t/hm2，最小值為5.25 t/hm2，

流域內(nèi)平均碳儲量為37.84 t/hm2。從流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)碳儲量空間分布來看，小江流域小江、支流河道及其周圍碳儲量含量較低，而距離河道越遠的大部分區(qū)域內(nèi)碳儲量相對較高，尤其東南局部地區(qū)含量最高。總體來說，河流上游總碳儲量要遠大于河流下游。就行政區(qū)、縣劃分來看，在昆明市東川區(qū)整體的碳儲量較低，而尋甸回族彝族自治縣及會澤縣域內(nèi)區(qū)域碳儲量較高。

2.3碳儲量垂直空間變化

由于小江流域從干熱河谷低地到高山草甸區(qū)海拔垂直跨度較大，無論是氣候、地貌、土地覆被等都有明顯差異，生態(tài)系統(tǒng)垂直空間分布差異較大，為了能更好地研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間垂直變化規(guī)律，筆者將研究區(qū)按照DEM進行垂直區(qū)域劃分。區(qū)域劃分是根據(jù)小江流域DEM數(shù)據(jù)，垂直高度上每隔100 m劃分為1個子區(qū)域，海拔由低到高共計劃分為36個子區(qū)域。將量化了的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以不同海拔高度的子域分區(qū)統(tǒng)計，從而找出它們之間的變化關(guān)系，同時計算了各子區(qū)域的面積，發(fā)現(xiàn)單位子區(qū)域面積上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)碳儲量的差異更加凸顯。具體變化規(guī)律如圖4所示。從圖4可見，從海拔701 m開始，子區(qū)域平均碳儲量整體趨勢呈先增高后降低，最高點海拔3 100～3 200 m，平均碳儲量接近50.00 t/hm2，而子區(qū)域總碳儲量也是呈先增高而后降低的變化趨勢，最大碳儲量接近1.00 Mt。在海拔2 100～3 700 m，平均碳儲量高于整個流域碳儲量，其他區(qū)域平均碳儲量均低于流域碳儲量的平均值。中海拔區(qū)域（1 800～2 900 m）的碳儲量遠遠高于低海拔（<1 800 m）、高海拔區(qū)域（>2 900 m）。

3結(jié)論與討論

通過對小江流域碳儲量評估計算結(jié)果空間分布特征和統(tǒng)總碳儲量為11.58 Mt，平均碳儲量為37.84 t/hm2，土壤碳含量較低，且僅占整個流域碳儲量的1/3。②就空間分布而言，小江流域生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分布差異較大，下游中部地區(qū)，即昆明市東川區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量服務(wù)功能較弱，流域上游尤其上游東南區(qū)域，即尋甸回族彝族自治縣大部分地區(qū)碳儲量的能力較強。③從垂直梯度上來看，小江流域生態(tài)系統(tǒng)碳儲量高值區(qū)分布在海拔1 800～2 900 m，該垂直空間范圍內(nèi)碳儲量的能力較強；低海拔河谷地帶和高海拔地區(qū)碳儲量功能較弱。

生態(tài)系統(tǒng)碳儲量主要來自生物碳含量和土壤含量，因此，應(yīng)加大對東川區(qū)尤其是河谷地區(qū)和高海拔山地區(qū)域的生態(tài)管理，實施退耕還林，植樹造林，合理利用資源，從而有效防治土壤流失。該舉措不僅可以改善小江流域生態(tài)環(huán)境，促進小江流域碳循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)固碳能力，還能為區(qū)域碳庫的建立和管理提供科學依據(jù)。

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