基于GIS和InVEST模型的日照市固碳能力研究

叢文翠, 孫小銀,2

(1.曲阜師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院， 山東 日照 276800；2.南四湖濕地生態(tài)與環(huán)境保護(hù)省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 日照 276800)

以CO2為代表的溫室氣體排放所導(dǎo)致的溫室效應(yīng)以及氣候變暖已經(jīng)引起了全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。據(jù)李國棟等[1]、吳海斌等[2]研究顯示，陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣交換的CO2對(duì)人類生存環(huán)境的質(zhì)量有十分重要的影響。在這一交換過程中，生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能將大氣中的CO2固定在植被以及土壤之中，從很大程度上降低了CO2的濃度，提高了陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量。目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)碳儲(chǔ)量的研究多以單個(gè)碳庫為研究對(duì)象[3-7]，根據(jù)生物量法、蓄積量法計(jì)算碳密度，以柵格為單元的多個(gè)碳庫固碳能力的研究相對(duì)較少。隨著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估研究的不斷發(fā)展，將GIS與InVEST模型相結(jié)合的方法為研究區(qū)域固碳能力提供了新思路，成為生態(tài)服務(wù)研究的熱點(diǎn)。與生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃相結(jié)合的固碳研究可作為解決全球氣候變化問題的橋梁。國外學(xué)者如Moon等[8], Ahmad等[9]通過GIS對(duì)選定區(qū)域進(jìn)行碳循環(huán)監(jiān)測(cè)，達(dá)到優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的目的；Gupta等[10], Polasky等[11]通過InVEST模型研究區(qū)域內(nèi)土地利用變化以及模擬未來情景下的生態(tài)系統(tǒng)固碳能力。在中國，基于GIS和InVEST模型的固碳功能研究在濱海濕地[12]、海岸帶[13-16]、太湖[17]、巢湖[18]、白龍江流域[19]、三江源等地區(qū)得到了成功應(yīng)用。

自20世紀(jì)以來，日照市土地利用方式以及植被覆蓋度發(fā)生顯著變化，陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能受到很大程度的影響。日照市作為山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要組成部分，具有優(yōu)越的地理位置以及豐富的自然資源，但對(duì)這一區(qū)域碳儲(chǔ)量變化的相關(guān)研究相對(duì)較少。本研究擬利用GIS和InVEST模型綜合研究日照市4大碳庫(地上生物量、地下生物量、死亡有機(jī)質(zhì)生物量、土壤生物量)的碳儲(chǔ)量，旨在于實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域碳儲(chǔ)量時(shí)空變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和空間分析，提高對(duì)日照市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的認(rèn)知，從而制定更加合理的土地利用規(guī)劃方案，最終實(shí)現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

日照市位于山東省東南部，地理位置為東經(jīng)118°，北緯35°04′—36°04′。東臨黃海，海岸線全長168.5 km，西接臨沂市，南與江蘇省連云港市毗鄰，北與青島市、濰坊市接壤。南北長約82 km，東西寬約90 km，總面積 5 358.57 km2，轄東港區(qū)、嵐山區(qū)、莒縣、五蓮縣2區(qū)2縣。日照市屬魯東丘陵，中部高四周低，全市河流分屬沭河水系、濰河水系和東南沿海水系，無天然湖泊，共有水庫595座，總庫容1.30×109m3。植被以針、闊葉林、灌叢林為主，全市森林覆蓋率達(dá)35.2%，建成區(qū)綠化率達(dá)42.45%。地處暖溫帶濕潤季風(fēng)區(qū)，大陸性氣候，年平均降水量768.7 mm，年平均氣溫12.7 ℃。

1.2 InVEST模型

InVEST (integrated valuation of environment service and tradeoffs )是斯坦福大學(xué)自然資本項(xiàng)目組研發(fā)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性的生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估模型軟件，用于幫助管理者和研究者做出關(guān)于自然資源管理的決定[20]。包括生境質(zhì)量、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、海洋水質(zhì)以及碳儲(chǔ)量和固碳等模塊。本研究應(yīng)用InVEST中的carbon storage and sequestration模塊進(jìn)行固碳能力的研究。陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲(chǔ)量主要取決于4個(gè)碳庫：地上生物量碳庫，地下生物量碳庫，土壤碳庫和死亡有機(jī)碳庫。此外，模型還涉及第5類碳庫，即HWP (harvested wood products)，因數(shù)據(jù)來源不足，獲取困難，所以不考慮第5類碳庫對(duì)固碳能力的影響。本研究從遙感影像數(shù)據(jù)中提取土地利用信息，結(jié)合碳密度數(shù)據(jù)輸入InVEST模型，得到不同時(shí)期碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)結(jié)果，從而對(duì)日照市碳儲(chǔ)量分布情況進(jìn)行分析，計(jì)算方法如下：

C=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(1)

式中：C——總碳儲(chǔ)量(kg/m2);Cabove——地上部分碳儲(chǔ)量(kg/m2);Cbelow——地下部分碳儲(chǔ)量(kg/m2);Csoil——土壤碳儲(chǔ)量(kg/m2);Cdead——死亡有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量(kg/m2)。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究所需要數(shù)據(jù)主要有基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)中的行政邊界數(shù)據(jù)，當(dāng)前土地利用覆蓋圖、碳密度表等等。

1.3.1 土地利用圖 土地利用數(shù)據(jù)來源于中科院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.edu/)比例尺1∶10萬。經(jīng)過掩膜提取得到日照市1995,2000,2005,2010,2015這5期的土地利用圖，將研究區(qū)域土地利用類型重分類為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用土地6類，按照運(yùn)行InVEST模型所需要的數(shù)據(jù)，將重分類后的土地利用/覆蓋圖分別轉(zhuǎn)為柵格格式。

1.3.2 碳密度表 地上部分碳密度和土壤碳密度主要根據(jù)張德全等[21]、方精云等[22]和代杰瑞等[23]對(duì)山東省不同地類的碳儲(chǔ)量的研究結(jié)果結(jié)合研究區(qū)土地利用類型統(tǒng)計(jì)得出；地下部分碳密度根據(jù)周玉榮、方精云等的研究，選取山東省地上部分生物量數(shù)據(jù)，采用生物量轉(zhuǎn)換因子法，綜合計(jì)算出日照市各土地利用類型的地下部分碳密度，計(jì)算公式如下：

Cbelow=a×b×DWi

(2)

式中：Cbelow——地下部分碳密度(kg/m2)；a——轉(zhuǎn)換系數(shù)；b——地下地上生物量比值； DWi——地上生物量。其中地下生物量根據(jù)地上生物量和地上地下生物量比值計(jì)算得出，根據(jù)代杰瑞等[23]、黃玫等[24]的研究，耕地、水域、建設(shè)用地以及未利用地的地下地上生物量比值取0.1；林地主要類型為針闊葉混交林，根據(jù)樸世龍等[25]、方精云等[26]的研究，林地地下地上生物量的比值取0.4，草地地下地上生物量的比值取4.1。

死亡有機(jī)碳密度數(shù)據(jù)獲取相對(duì)困難，在本研究中不予考慮；綜合選取日照市各土地利用類型的碳密度，得出日照市各土地利用類型碳密度(見表1)。

表1 日照市不同土地利用類型碳密度統(tǒng)計(jì)kg/m2

2 結(jié)果與分析

2.1 1995-2015年土地利用變化

1995—2015年日照市土地利用類型以耕地和林地為主。西北、東南區(qū)域集中分布耕地；日照市中部地區(qū)東北—西南走向的條帶狀區(qū)域?yàn)榈貏?shì)較高的丘陵地區(qū)，林地和草地廣布。建設(shè)用地主要分布于東部沿海地區(qū)，與中心城市的分布高度一致；日照市水體零星分布，主要包括沭河、傅疃河兩大河流。

表2為日照市各土地利用類型面積變化，結(jié)果表明1995—2015年，耕地、草地面積有所下降，而林地、水域、建設(shè)用地以及未利用地面積增加。耕地為日照市主要土地利用類型，所占比例從69.3%減少到67.6%。耕地的減少主要是轉(zhuǎn)化為城市建設(shè)用地、林地以及草地。研究時(shí)段內(nèi)，受城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的影響，有197.85 km2的耕地被占用；林地、草地面積僅次于耕地，共占區(qū)域總面積的比例約為19%。林地面積的增加與退耕還林政策有關(guān)，在1995年至2015年間，有147.18 km2的耕地轉(zhuǎn)化為林地；在1995—2015年，由于人口開始增長，約有130.54 km2的草地轉(zhuǎn)化為耕地發(fā)展農(nóng)業(yè)，所占比例從7.2%減少到6.7%；水域面積在1995—2015年逐漸擴(kuò)大，主要接受來自耕地的轉(zhuǎn)化；未利用土地面積略增，轉(zhuǎn)換不明顯，有利于平衡農(nóng)用耕地以及其他土地利用類型之間的矛盾；水域、未利用土地兩者面積僅占0.03%；自2000年起，由于城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，日照市建設(shè)用地面積明顯增加，所占比例從9%增加到9.5%。

表2 日照市1995-2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.2 不同時(shí)期碳儲(chǔ)量空間分布特征

基于日照市1995—2015年土地利用數(shù)據(jù)、碳密度表運(yùn)行InVEST-Carbon Storge and Sequestration模型，將模型結(jié)果加載到ArcMAP中進(jìn)行分析得到日照市碳儲(chǔ)量空間分布圖及儲(chǔ)碳總量(如圖1所示)。

由圖1可以看出，1995,2000,2005,2010,2015年日照市碳儲(chǔ)量的空間分布變化不大。碳儲(chǔ)量高值區(qū)出現(xiàn)在日照市西北、東南地區(qū)，該地區(qū)大面積分布耕地，土壤以棕壤、潮土為主，土壤肥沃，有機(jī)質(zhì)豐富，地下部分碳密度、土壤碳密度高，故儲(chǔ)碳量高，單位土地面積碳儲(chǔ)量達(dá)1 574 t/km2；中部、西南部地區(qū)碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)次高值，該地區(qū)分布有林地、草地，二者單位土地面積碳儲(chǔ)量分別達(dá)1 222和765 t/km2，高于或接近碳密度中等水平950 t/km2，這是因?yàn)槿照帐形迳?、莒縣區(qū)域分布有一定面積的森林。

此外，兩地有沭河濕地、傅疃河濕地，生物量豐富，地上、地下部分含碳量高，固碳能力強(qiáng)。碳儲(chǔ)量的低值區(qū)出現(xiàn)在東部沿海城市建設(shè)用地、五蓮縣周圍裸地區(qū)域，單位土地面積碳儲(chǔ)量平均為463 t/km2。

圖1 日照市1995，2000，2005，2010，2015年碳儲(chǔ)量空間分布

2.3 不同時(shí)期碳儲(chǔ)量數(shù)量分析

2.3.1 日照市總固碳量 根據(jù)計(jì)算可得，1995，2000，2005，2010，2015年總碳儲(chǔ)量分別為6.976×106,6.978×106,6.957×106,6.987×106,7.015×106t。日照市從1995—2000年累計(jì)固碳2 000 t，顯示這5 a內(nèi)日照市固碳潛力呈上升趨勢(shì)；2000—2005年減少固碳量2.10×104t，表明這5 a內(nèi)固碳潛力明顯下降；2005—2010年增加固碳量約為3×104t，2010—2015年固碳量增加2.80×104t。20 a間固碳量凈增加3.9×104t，固碳速率下降緩慢甚至開始增加，固碳能力趨于穩(wěn)定。

2.3.2 不同土地利用類型碳儲(chǔ)量的時(shí)間變化 運(yùn)行InVEST模型得到日照市1995—2015年碳儲(chǔ)量，按照土地利用類型進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 日照市1995-2015年不同土地利用類型碳儲(chǔ)量 104 t

如表3所示，1995—2015年日照市耕地碳儲(chǔ)量呈持續(xù)下降態(tài)勢(shì)，累計(jì)減少固碳量達(dá)到1.21×105t。其中，2000—2005年固碳量下降速率明顯高于其他3個(gè)時(shí)間段。5 a內(nèi)，耕地面積減少了146.87 km2，固碳量下降了6.80×104t，可見，耕地固碳量的下降與其面積的減少表現(xiàn)一致，與退耕還林還草政策的實(shí)施有關(guān)；林地儲(chǔ)碳量在1995—2015年間略有上升，累計(jì)固碳量呈不斷上升的趨勢(shì)。研究時(shí)段內(nèi)林地碳儲(chǔ)量變化情況與其面積逐漸增加后保持不變的變化情況基本一致；草地的碳儲(chǔ)量在1995—2015年間呈小幅度下降后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)，與草地面積輕微下降呈現(xiàn)大致相同的趨勢(shì)，減少的草地面積主要用作補(bǔ)充耕地以及林地；日照市水域碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)先增加后減少再增加的態(tài)勢(shì)，研究期末段相比初期碳儲(chǔ)量整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但是增加的幅度有所下降；建設(shè)用地的碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)，但是上升速率在1995—2000年間較緩，與日照市城市建設(shè)剛剛起步有很大關(guān)系。由于城市化進(jìn)程加快，建設(shè)用地面積在2000—2005年間上升迅速，隨后趨于穩(wěn)定，與碳儲(chǔ)量變化基本一致；未利用土地碳儲(chǔ)量在20 a間呈現(xiàn)穩(wěn)定中略上升的趨勢(shì)，累計(jì)固碳量1 000 t，與未利用土地面積小幅度增加的趨勢(shì)基本一致。未利用地是一地區(qū)的后備資源，能夠有效解決建設(shè)用地以及耕地的利用矛盾。

3 結(jié)論與討論

(1) 1995—2015年日照市土地利用空間格局未發(fā)生明顯變化，而土地利用類型的面積發(fā)生了較為明顯的變化。日照市西北、東南大面積分布耕地，中部主要為林地、草地以及水域，東部分布建設(shè)用地、未利用土地。土地利用類型所占比例：耕地>林地>建設(shè)用地>草地>水域>未利用土地，總變化趨勢(shì)表現(xiàn)為耕地、草地面積的減少以及林地、水域、建設(shè)用地、未利用土地面積的增加。受退耕還林政策的影響，耕地、林地及草地3種土地利用類型之間相互制約；由于2000年以來日照市城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展，水域以及建設(shè)用地面積明顯增加。

(2) 1995—2015年間，日照市累計(jì)固碳3.90×104t，總碳儲(chǔ)量分別為697.6×106，6.978×106，6.957×106，6.987×106，7.015×106t，碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。研究區(qū)固碳能力有了一定的提升，2005—2015年固碳潛力迅速上升。不同土地利用類型的碳儲(chǔ)量和固碳能力呈現(xiàn)較大差異。耕地、草地碳儲(chǔ)量逐年減少；林地碳儲(chǔ)量不斷上升，后一階段上升速率明顯高于前一階段；水域碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)先增加后減少再增加的態(tài)勢(shì)，研究時(shí)段末期比初期整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；建設(shè)用地和未利用土地碳儲(chǔ)量皆保持穩(wěn)定上升的趨勢(shì)。

(3) 各土地利用類型的固碳總量從大到小依次為：耕地>林地>建設(shè)用地>草地>水域>未利用土地，與各土地利用類型的碳密度以及分布面積呈現(xiàn)較大的一致性。面積較大且碳密度較高的耕地、林地、建設(shè)用地固碳能力較強(qiáng)；而面積較小且碳密度較低的水域以及未利用土地固碳能力相對(duì)較弱，但仍有較大固碳潛力，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行充分開發(fā)。

陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力與土地利用變化格局有很強(qiáng)的聯(lián)系性，因此，定量評(píng)價(jià)土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響，對(duì)研究全球氣候變化和陸地碳循環(huán)具有重要意義。從研究結(jié)果來看，日照市耕地、林地等土地利用類型有較強(qiáng)的固碳能力，未來可以通過InVEST模型對(duì)日照市土地利用的不同情境進(jìn)行模擬，從而為決策者提供更加科學(xué)合理的土地規(guī)劃方案，實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明的可持續(xù)發(fā)展。