1979—2020年杭州市富陽(yáng)區(qū)土地利用對(duì)耕層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化的影響

邱樂豐，虞舟魯

(1.浙江財(cái)經(jīng)大學(xué) 土地與城鄉(xiāng)發(fā)展研究院，浙江 杭州 310018； 2.浙江大學(xué) 農(nóng)業(yè)遙感與信息技術(shù)研究所，浙江 杭州 310058)

近幾十年來，全球范圍內(nèi)的土地利用發(fā)生了巨大變化，特別在中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化擴(kuò)展帶來的土地利用密集變化導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物特性發(fā)生顯著改變[1]。其中，土地利用變化對(duì)全球大氣CO2含量增加起重要作用，其作用僅次于化石燃料的燃燒。據(jù)估算，自工業(yè)革命以來，土地利用變化引起的碳排放是人類活動(dòng)碳排放總量的1/3[2]。土壤有機(jī)碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)中體量最大的碳庫(kù)，對(duì)于全球碳排放作用巨大。相應(yīng)地，土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響機(jī)理更加復(fù)雜，不確定因素更多，是國(guó)內(nèi)外全球變化研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一[3-5]。

目前，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究主要分為3塊內(nèi)容：1)土地利用變化對(duì)碳排放的影響。主要包括農(nóng)用地內(nèi)部用地類型轉(zhuǎn)變、農(nóng)用地與建設(shè)用地之間相互轉(zhuǎn)變和農(nóng)用地用地管理等。Houghton[6]研究認(rèn)為，20世紀(jì)50—70年代間發(fā)生在中國(guó)西南和東北的森林快速砍伐行為，造成了0.2～0.5 Pg·a-1的碳排放。李穎等[7]分析了江蘇省各用地類型總量、結(jié)構(gòu)的碳排放效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)碳源用地主要是建設(shè)用地和耕地。2)土地利用碳排放核算。相關(guān)研究主要利用聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)公布的碳排放清單方法，該方法的核算體系可以全面和綜合地評(píng)價(jià)土地利用的碳排效應(yīng)[8]。如俞超等[9]和張俊峰等[10]分別運(yùn)用該方法估算了2003—2010年湖北省和1996—2010年武漢都市圈的土地利用碳排放效應(yīng)和發(fā)展趨勢(shì)。3)低碳土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化。Zomer等[11]認(rèn)為應(yīng)該從合理調(diào)控土地利用結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)來緩解氣候變化。朱道林等[12]從中國(guó)宏觀經(jīng)濟(jì)的碳排放效應(yīng)角度，定性研究和探討了基于低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的土地利用轉(zhuǎn)型模式。上述研究存在共性：一是都體現(xiàn)了土地科學(xué)與生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等多學(xué)科的交叉視角；二是已形成以“來源測(cè)度—減排機(jī)理—技術(shù)篩選—成本收益—政策分析”為研究?jī)?nèi)容的與之匹配的研究方法的一體化框架。同時(shí)，當(dāng)前研究也存在一些不足：缺乏針對(duì)地區(qū)土地利用和生態(tài)特點(diǎn)的個(gè)性化核算，缺乏針對(duì)具體土地利用規(guī)劃政策對(duì)土壤碳庫(kù)影響的研究等。本文以杭州市富陽(yáng)區(qū)為例，探索縣(區(qū))級(jí)尺度上土地利用變化的土壤有機(jī)碳(SOC)和植被碳(VC)庫(kù)儲(chǔ)量時(shí)空變化響應(yīng)，并基于土地利用總體規(guī)劃對(duì)富陽(yáng)未來土壤碳平衡狀況做出預(yù)測(cè)，以期為富陽(yáng)的低碳土地管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域簡(jiǎn)介

富陽(yáng)位于浙江省杭州市域范圍的西南部，地理位置為119.42°—120.33°E、29.75°—30.20°N，面積1 831 km2。研究時(shí)段內(nèi)，該區(qū)域行政區(qū)劃幾經(jīng)調(diào)整，1994年撤縣設(shè)市，2014年撤市設(shè)區(qū)，但行政區(qū)劃范圍不變。整體地貌以“兩山夾江”為最大特征，山地、丘陵面積占區(qū)域總面積的78.61%，平原、盆地面積占16.36%，水域占5.02%。土壤類型共分為16類土屬，主要以黃泥土與紅泥土為主，2種土壤類型分別占全區(qū)總面積的39.22%和15.69%。土地利用類型多樣，自然植被以殼斗科、樟科等亞熱帶常綠林為主。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以種植水稻、蔬菜、茶葉、水果為主。改革開放以來，富陽(yáng)的城市化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展以前所未有的速度增長(zhǎng)，大量的農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)移為其他各種土地利用類型。本文選擇1979年的土地利用數(shù)據(jù)作為研究富陽(yáng)土地利用變化的基期數(shù)據(jù)[13]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 土地利用數(shù)據(jù)獲取

1979年富陽(yáng)土地利用數(shù)據(jù)來自于對(duì)Landsat MSS遙感影像的監(jiān)督分類，并使用Google Earth高清衛(wèi)星影像結(jié)合目視解譯來提高準(zhǔn)確率；2006年和2020年的土地利用數(shù)據(jù)分別來自于富陽(yáng)區(qū)國(guó)土資源局提供的第二次全國(guó)土地調(diào)查成果和土地利用總體規(guī)劃(2006—2020)。根據(jù)我國(guó)土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010—2007)，本文對(duì)3期(1979、2006、2020年)富陽(yáng)土地利用數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化概括為6種土地利用類型：建設(shè)用地、耕地、林地、園地、未利用地和水域。

1.2.2 碳密度計(jì)算

研究區(qū)耕地土壤有機(jī)碳密度[14]的計(jì)算公式為

DSOC=VSOC×r×H×(1-d2/100)×10-1，

(1)

式(1)中：DSOC(Mg·hm-2)為土壤有機(jī)碳密度；VSOC(g·kg-1)為土壤有機(jī)碳含量；H為土壤厚度，文中取20 cm；r(g·cm-3)為土壤容重；d2(%)為大于2 mm的土壤粗顆粒比率，此處忽略不計(jì)。

土壤數(shù)據(jù)于2006年3—10月與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)局土肥站合作在全區(qū)范圍內(nèi)采集。采樣深度為20 cm，以1個(gè)取土點(diǎn)為中心，在5 m半徑內(nèi)取5點(diǎn)混合而成，同時(shí)使用GPS儀記錄中心點(diǎn)位置。充分考慮采樣點(diǎn)在不同土地利用類型和土類上的分布，共獲取土壤樣品1 104個(gè)(圖1)。土壤樣品的有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定，其他常規(guī)理化性質(zhì)指標(biāo)參照《土壤農(nóng)化分析》[15]中方法測(cè)定。有機(jī)碳含量使用有機(jī)質(zhì)含量除以平均換算系數(shù)1.724得到。

植被碳密度通過參閱富陽(yáng)及杭州地區(qū)相關(guān)文獻(xiàn)獲取，結(jié)果見表1。其中，1979年的未利用地?cái)?shù)據(jù)缺失，建設(shè)用地不計(jì)入土壤有機(jī)碳計(jì)算，水域不計(jì)入碳總量計(jì)算。

1.2.3 分析方法

土壤有機(jī)碳(CSOC)和植被碳(CVC)儲(chǔ)量的計(jì)算公式分別為

(2)

圖1 采樣點(diǎn)分布Fig.1 Spatial distribution of soil sampling sites

表1不同土地利用類型土壤及植被碳密度

Table1Soil and vegetation carbon density of different land use types in Fuyang

(Mg·hm-2)

(3)

式(2)、(3)中：DSOC-i和DVC-i(Mg·hm-2)分別為土地利用類型i的土壤有機(jī)碳和植被碳密度；Ai(hm2)為土地利用類型i的面積。

本文所有的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析均在SPSS 10.0中完成。土地利用和土壤碳分布的空間分析在ArcGIS 10.2中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 1979—2006年富陽(yáng)土地利用結(jié)構(gòu)變化

1979—2006年，林地一直是富陽(yáng)最主要的土地利用類型，其面積從1 140.7 km2降至1 133.4 km2，下降了0.6%(圖2)，耕地面積從417.8 km2急劇減少了21.1%到329.8 km2。相比之下，這一時(shí)期建設(shè)用地增幅最大，從15.8 km2猛增到157.4 km2，增加了8.96倍，而同期園地面積則從174.1 km2減至52.6 km2，大幅減少69.8%。

2.2 1979—2006年富陽(yáng)土壤碳儲(chǔ)量變化

富陽(yáng)1979和2006年的植被碳儲(chǔ)量估算值分別為3.68、3.41 Tg(表2)。這期間的土地利用變化導(dǎo)致植被碳儲(chǔ)量減少273.4 Gg，年均減少速度為55.61 kg·hm-2。相比之下，植樹造林工程固定植被碳總量285.7 Gg(表3)，而林地面積縮減導(dǎo)致442.0 Gg的植被碳損失。向耕地、未利用地和建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變分別造成植被碳損失230.1、218.2、118.5 Gg。

圖2 1979—2020年富陽(yáng)土地利用結(jié)構(gòu)變化Fig.2 Land use changes in Fuyang during 1979-2020

表層土壤有機(jī)碳庫(kù)總量顯著大于植被碳儲(chǔ)量，1979和2006年的土壤有機(jī)碳估算值分別為8.85、8.08 Tg(表2)。這期間的土地利用變化導(dǎo)致土壤有機(jī)碳庫(kù)總量減少771.0 Gg，年均減少速度為156.81 kg·hm-2。建設(shè)占用林地和耕地分別造成土壤有機(jī)碳庫(kù)損失102.9、449.0 Gg，同時(shí)未利用地增加也造成土壤有機(jī)碳損失334.2 Gg，而植樹造林工程帶來了245.2 Gg的土壤有機(jī)碳存儲(chǔ)(表4)。

2.3 2006—2020年富陽(yáng)土壤碳儲(chǔ)量變化預(yù)測(cè)

根據(jù)富陽(yáng)土地利用總體規(guī)劃(2006—2020)，2006—2020年富陽(yáng)土地利用類型結(jié)構(gòu)變化不大(圖2)，至2020年預(yù)計(jì)植被碳總量和土壤有機(jī)碳總量分別為3.34 Tg和8.01 Tg(表2)。在此期間，植被碳和土壤有機(jī)碳的年均潛在損失速度分別為25.93、27.48 kg·hm-2。林地面積縮減是造成土壤碳總量下降的主要驅(qū)動(dòng)力，預(yù)計(jì)2006—2020年富陽(yáng)的林地總面積將減少17.6 km2(表5)，將造成植被碳和土壤有機(jī)碳分別損失49.5、97.8 Gg。與此同時(shí)，耕地面積相比2006年將增加20.1 km2，植被碳和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量因此將分別增加6.5、85.1 Gg。

表21979—2020年富陽(yáng)土壤有機(jī)碳和植被碳儲(chǔ)量變化

Table2Variation of SOC and VC storage in Fuyang during 1979—2020

Tg

3 討論

本研究表明，1979—2006年，富陽(yáng)土地利用變化導(dǎo)致表層土壤有機(jī)碳和植被碳分別損失771.0、273.4 Gg，損失速度分別為年均156.81、55.61 kg·hm-2。建設(shè)占用耕地和林地是導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量下降的主要原因。預(yù)測(cè)到2020年，富陽(yáng)土壤有機(jī)碳損失的平均速率將減至年均27.48kg·hm-2，植被碳損失的平均速率將減至年均25.93 kg·hm-2，主要原因?yàn)榱值孛娣e減少和建設(shè)用地面積繼續(xù)增長(zhǎng)。

表31979—2006年土地利用變化導(dǎo)致的植被碳儲(chǔ)量變化

Table3Variation of VC storage according to land use changes in Fuyang between 1979 and 2006

Gg

表41979—2006年土地利用變化導(dǎo)致的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化

Table4Variation of SOC storage according to land use changes in Fuyang between 1979 and 2006 Gg

表52006—2020年富陽(yáng)土地利用結(jié)構(gòu)變化預(yù)測(cè)

Table5Land use changes in Fuyang between 2006 and 2020

km2

研究表明，不同土地利用類型下土壤碳庫(kù)的總儲(chǔ)量以及碳源/匯變化速率不同，由此導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量對(duì)土地利用變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)現(xiàn)象[16-17]。富陽(yáng)自1979年以來土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，造成了大量土壤有機(jī)碳和植被碳流失。在中國(guó)廈門[18]和美國(guó)西雅圖[19]的研究顯示，植被碳固定速率和流失速率分別為年均0.64、1.2 Mg·hm-2，中國(guó)吳江[14]和西班牙Murcia地區(qū)[20]的年均土壤有機(jī)碳固定速率和流失速率分別為6、8 kg·hm-2。相比這些研究區(qū)域，富陽(yáng)的植被碳流失速率較慢，年均55.61 kg·hm-2，而土壤有機(jī)碳流失速率偏快，年均156.81 kg·hm-2。

建設(shè)用地面積變化對(duì)于土壤碳平衡至關(guān)重要。1978年以來，隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，我國(guó)東部地區(qū)出現(xiàn)了大規(guī)模的農(nóng)業(yè)用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。1979—2006年，富陽(yáng)的建設(shè)用地總面積由15.8 km2暴漲至157.4 km2，這些地區(qū)大片的肥沃農(nóng)田和植被已越來越多地被建設(shè)用地所取代，帶來地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能退化的同時(shí)，也導(dǎo)致土壤固碳能力的喪失。由于城市擴(kuò)張所占用的土地大部分來源于耕地，而且耕地的土壤有機(jī)碳密度高于植被碳密度(表1)，因此土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量損失相對(duì)植被碳更大。據(jù)研究區(qū)1979—2006年的碳平衡分布，碳儲(chǔ)量急劇下降的地區(qū)主要集中于富春江及其支流兩岸的沖積平原附近。這些地區(qū)由于地勢(shì)平坦、水資源豐富、交通條件便利，是富陽(yáng)傳統(tǒng)的糧食種植地區(qū)，同時(shí)也是城鎮(zhèn)發(fā)展最快速的地區(qū)，大量的農(nóng)田被建設(shè)用地占用，導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的損失。

森林面積變化是土壤碳儲(chǔ)量變化的重要驅(qū)動(dòng)力。有研究顯示，由于我國(guó)在20世紀(jì)80—90年代開展了國(guó)家造林和再造林工程，我國(guó)森林的碳儲(chǔ)量大幅增加。然而，1979—2006年間，富陽(yáng)的林地面積卻顯現(xiàn)出輕微減少(圖2)，有小部分林地轉(zhuǎn)化成了耕地和未利用地。由于森林的土壤有機(jī)碳密度和植被碳密度很高，即使較小的面積減少也會(huì)造成顯著的土壤碳損失。以林地向耕地轉(zhuǎn)化為例，造成碳損失量分別占土壤有機(jī)碳和植被碳總損失量的1/4和1/3，對(duì)土壤碳平衡變化的影響極其顯著。

為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，在土地利用和管理決策過程中納入碳平衡影響評(píng)價(jià)至關(guān)重要。當(dāng)下，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的沖突已經(jīng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，根據(jù)富陽(yáng)土地利用總體規(guī)劃(2006—2020)，富陽(yáng)下一階段的土地利用結(jié)構(gòu)變化呈現(xiàn)出2個(gè)主要趨勢(shì)：一是耕地面積持續(xù)增加，國(guó)家主要發(fā)展政策都將嚴(yán)格保護(hù)基本農(nóng)田、保障糧食生產(chǎn)能力和發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)放在突出地位；二是城鎮(zhèn)化進(jìn)程將進(jìn)一步推進(jìn)，城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積將繼續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)此預(yù)測(cè)，至2020年富陽(yáng)的土壤有機(jī)碳和植被碳儲(chǔ)量將保持持續(xù)流失狀態(tài)。對(duì)此問題，土地管理部門應(yīng)給予高度重視，在土地管理工作中需要努力扭轉(zhuǎn)目前的土壤碳損失狀況，并進(jìn)一步深入評(píng)價(jià)土地利用規(guī)劃對(duì)土壤碳平衡的影響。