基于InVEST模型的河北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究

李瑾璞，夏少霞，于秀波，李素曉，許 策，趙 寧，王樹(shù)濤①

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,河北 保定 071001；2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院,河北 保定 071001)

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量是生態(tài)系統(tǒng)中植被地上和地下生物量有機(jī)碳、凋落物有機(jī)碳以及土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的總和[1]，它不僅能在一定程度上反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，還能表征生態(tài)系統(tǒng)對(duì)碳排放的承載力[2-3]。土地覆被，特別是植被分布的變化能夠直接影響生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量[4-5]，進(jìn)而改變地球表層的能量收支和物質(zhì)循環(huán)[6-7]。近年來(lái)，我國(guó)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)林地、耕地的擠占日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致大量碳密度較高的林地、草地轉(zhuǎn)化為碳密度較低的建設(shè)用地，使得陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量減少。評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其影響因素是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估的重點(diǎn)關(guān)注方向之一[8]。

碳儲(chǔ)量估算方法主要包括樣地清查、遙感估算和模型模擬等。傳統(tǒng)的碳儲(chǔ)量估算研究多采用樣地清查法，如通過(guò)土壤剖面調(diào)查[9-10]或樣方調(diào)查[11]的方法對(duì)土壤碳儲(chǔ)量和地上植物碳儲(chǔ)量變化特征進(jìn)行分析，但由于工作量大、采樣周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，不適用于較大尺度研究[12]。20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著3S技術(shù)發(fā)展，遙感監(jiān)測(cè)與模型相結(jié)合的方法逐漸用于碳儲(chǔ)量估算[13]和碳循環(huán)研究[14]。InVEST模型Carbon模塊，以土地利用數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，為碳儲(chǔ)量估算提供了一種快速、直觀的方法，被廣泛用于區(qū)域碳儲(chǔ)量評(píng)估[15]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者集中在以流域[8]、海岸帶濕地及內(nèi)陸濕地[3]和森林[16]為對(duì)象定量估算土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量空間分布的影響及未來(lái)情景預(yù)測(cè)?？傮w來(lái)看，碳儲(chǔ)量評(píng)估及與景觀格局分析等方面研究已取得豐富成果，但因各研究數(shù)據(jù)來(lái)源和碳密度調(diào)查方法的不同，使研究結(jié)果存在較大差異。

近年來(lái)，河北省工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，導(dǎo)致土地利用格局發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)為建設(shè)用地急劇擴(kuò)張，林地、耕地面積不斷縮減，濕地面積銳減。為了解河北省土地利用格局變化導(dǎo)致的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化，以1990—2015年河北省土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合文獻(xiàn)研究，建立河北省不同土地利用類型的植被和土壤碳庫(kù)，基于InVEST模型定量評(píng)估建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)河北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響，以便為降低固碳風(fēng)險(xiǎn)、提高生態(tài)效益提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省西倚太行山，東臨渤海灣，環(huán)抱首都和天津，位于36°05′～42°40′ N、113°27′～119°50′ E之間。土地總面積約為18.76萬(wàn)km2，地域廣闊，地貌多樣，地形變化規(guī)律，呈自西北向東南規(guī)律性逐級(jí)下降趨勢(shì)，最北部為高原區(qū)，海拔最高達(dá)2 882 m，中部為山地丘陵區(qū)，南部為廣闊的平原區(qū)。研究區(qū)年平均降水量為485 mm，成土母質(zhì)類型主要為殘積物、坡積物和黃土母質(zhì)，土壤類型主要為潮土和褐土。河北省土地利用類型多樣，其中南部平原地區(qū)以耕地為主，而北部及西南地區(qū)以林地為主，草地主要位于西北部高原地區(qū)，建設(shè)用地則主要分布于省會(huì)石家莊及周邊城市圈(圖1)。

圖1 河北省高程與土地利用類型示意

1.2 InVEST模型的構(gòu)建

采用InVEST 3.5.0(Integrated Valuation of Environment Service and Tradeoffs)模型Carbon Storage and Sequestration模塊分析1990—2015年河北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化情況。該模塊主要結(jié)合土地利用/覆被數(shù)據(jù)計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量，將生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分為4個(gè)基本碳庫(kù)：(1)地上碳庫(kù)主要指陸地表層上存活植被中的碳；(2)地下碳庫(kù)主要指地下植物根系中的碳；(3)土壤碳庫(kù)主要指土壤中的有機(jī)碳；(4)死亡有機(jī)碳主要指死亡植被及枯枝落葉中的有機(jī)碳。此外，InVEST模型還包括收獲木材產(chǎn)品或相關(guān)木材產(chǎn)品斑塊(HWPs)，由于該部分碳庫(kù)數(shù)據(jù)難以獲得，同時(shí)其對(duì)整體碳儲(chǔ)量的影響很小，因此不考慮該部分碳庫(kù)[17]。模型計(jì)算公式為

Ci=Ci,above+Ci,below+Ci,soil+Ci,dead，

(1)

(2)

式(1)～(2)中，i為第i種土地利用類型；Ci為土地利用類型i的土壤及生物量總碳密度，Mg·hm-2；Ci，above為土地利用類型i的地上生物量碳密度，Mg·hm-2；Ci，below為土地利用類型i的地下生物量碳密度，Mg·hm-2；Ci，dead為土地利用類型i的枯落物有機(jī)質(zhì)碳密度，Mg·hm-2；Ci，soil為土地利用類型i的0～30 cm深土壤有機(jī)質(zhì)碳密度，Mg·hm-2；Ctotal為總碳儲(chǔ)量，Mg；Si為土地利用類型i總面積，hm2；n為土地利用類型數(shù)，取值14。

1.3 土地利用轉(zhuǎn)換方法

采用ArcGIS 10.2軟件Geoprocessing Wizard模塊構(gòu)建1990—2015年河北省不同時(shí)段土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，矩陣中r(i，j)表示土地利用類型i轉(zhuǎn)移為類型j的面積，空值表示未發(fā)生轉(zhuǎn)移，i=j時(shí)表示某土地利用類型未發(fā)生變化的面積[17]，對(duì)各土地利用類型轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。同時(shí)，為估算土地利用類型變化導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量減少情況，對(duì)高碳密度土地利用類型向低碳密度土地利用類型轉(zhuǎn)移的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.4 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.4.1土地利用數(shù)據(jù)

數(shù)字高程模型(分辨率30 m×30 m)和土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)。1990、2000、2010和2015年4期土地利用數(shù)據(jù)以美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(http:∥glovis.usgs.gov/)的Landsat ETM+遙感影像(分辨率30 m×30 m)為數(shù)據(jù)源，采用人工目視解譯，解譯精度達(dá)到81%，數(shù)據(jù)能夠滿足研究需要。

1.4.2碳密度數(shù)據(jù)

碳密度數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建主要參考已有文獻(xiàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在ISI數(shù)據(jù)庫(kù)(http:∥apps.webofknowledge.com)和中國(guó)知網(wǎng)(http:∥www.cnki.net)中以“碳密度”和“碳儲(chǔ)量”作為關(guān)鍵詞檢索2000年以來(lái)發(fā)表的有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量調(diào)查的文獻(xiàn)。數(shù)據(jù)篩選時(shí)遵循以下原則：土壤、地上生物、地下生物和枯落物有機(jī)質(zhì)的碳密度數(shù)據(jù)均由實(shí)地調(diào)查獲得；優(yōu)先選用研究區(qū)位于河北省的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，對(duì)缺少省內(nèi)文獻(xiàn)的參數(shù)，則盡量采用河北省臨近地區(qū)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)補(bǔ)全，若仍存在數(shù)據(jù)空缺，則使用全國(guó)數(shù)據(jù)，并采用生物量碳密度和土壤碳密度與降水量的關(guān)系模型進(jìn)行校正[16，18]。

生物量碳密度和土壤碳密度與降水量的關(guān)系模型計(jì)算公式為

CBP=6.789×e0.005 4×PMA(R2=0.70)，

(3)

CSP=3.396 8×PMA+3 996.1(R2=0.11)，

(4)

KBP=CBP1/CBP2，

(5)

KSP=CSP1/CSP2。

(6)

式(3)～(6)中，CBP為根據(jù)年降水量得到的地上生物量碳密度，kg·m-2；CSP為根據(jù)年降水量得到的土壤碳密度，kg·m-2；PMA為年降水量，mm；KBP為地上生物量碳密度降水因子修正系數(shù)；KSP為土壤碳密度降水因子修正系數(shù)；C1和C2分別為河北省和全國(guó)碳密度數(shù)據(jù)。由全國(guó)碳密度數(shù)值與KBP和KSP相乘得到校正后河北省碳密度值。

對(duì)部分未收集到地下碳密度數(shù)據(jù)的土地利用類型，需采用生物量轉(zhuǎn)換因子法根據(jù)地上生物量進(jìn)行換算，計(jì)算公式為

Ci，below=a×b×Wi。

(7)

式(7)中，Ci，below為土地利用類型i的地下活根碳密度；a為轉(zhuǎn)換系數(shù)；b為地下與地上生物量的比值；Wi為土地利用類型i的地上生物量。根據(jù)黃玫等[19]和畢君等[20]研究結(jié)果，結(jié)合《IPCC國(guó)家溫室氣體清單指南》[21]確定部分土地利用類型地下與地上生物量的比值：落葉闊葉林為0.30,常綠針葉林為0.33,落葉針葉林為0.21,針闊葉混交林為0.30,常綠落葉灌叢為0.17,農(nóng)田為0.10。

通過(guò)上述方法建立河北省不同土地利用類型的碳密度數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，考慮到不同研究方法所得的碳密度值有一定差異，對(duì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相差甚多的，通過(guò)多篇文獻(xiàn)甄選對(duì)比，分析數(shù)據(jù)合理性，剔除異常值。對(duì)同一土地利用類型碳密度取相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的均值。為保證碳密度監(jiān)測(cè)方法具有可比性，選擇研究方法相同且取樣時(shí)間相近的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 河北省碳儲(chǔ)量空間分布特征

河北省不同土地利用類型碳密度值見(jiàn)表1[7，9-12，20，22-27]。表1顯示，各一級(jí)土地利用類型的碳密度差異較小，濕地碳密度最高(280.74 Mg·hm-2)，林地、農(nóng)田、草地和建設(shè)用地次之，水域(19.45 Mg·hm-2)和未利用地(45.93 Mg·hm-2)碳密度最低。

表1 河北省土地利用類型碳密度

由河北省碳密度與土地利用數(shù)據(jù)采用InVEST模型得到河北省不同時(shí)期碳儲(chǔ)量空間分布(圖2)。圖2顯示，25 a來(lái)河北省碳儲(chǔ)量分布格局并未發(fā)生較大改變，碳儲(chǔ)量整體分布狀況為河北省北部及西南部地區(qū)較高，西北部及東南部地區(qū)較低。碳儲(chǔ)量高值區(qū)主要集中在河北省海拔相對(duì)較高的山地林區(qū)，主要包括張家口以及承德、保定、石家莊、邢臺(tái)和邯鄲西部邊緣地帶，該區(qū)域碳儲(chǔ)量值均高于110 Mg·hm-2；碳儲(chǔ)量次低值區(qū)主要集中在南部平原人口較為密集的城鎮(zhèn)區(qū)和農(nóng)業(yè)種植區(qū)，該區(qū)域建設(shè)用地和耕地占比較大，主要位于滄州、衡水以及石家莊、邢臺(tái)和邯鄲東部地區(qū)；碳儲(chǔ)量最低值區(qū)主要位于滄州東部和唐山南部，該區(qū)域碳儲(chǔ)量最低僅為19.45 Mg·hm-2。

2.2 城市擴(kuò)張對(duì)碳儲(chǔ)量影響規(guī)律分析

表2顯示，1990、2000、2010和2015年河北省總碳儲(chǔ)量分別為2 113.87、2 094.44、2 079.35和2 069.39 Tg。近25 a來(lái)河北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量呈下降趨勢(shì)，1990—2000年碳儲(chǔ)量下降19.43 Tg，2000—2010年下降15.10 Tg，2010—2015年下降9.96 Tg。其中，林地碳儲(chǔ)量占比最高，耕地次之。

表2 1990—2015年河北省各用地類型碳儲(chǔ)量

進(jìn)一步分析河北省建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化發(fā)現(xiàn)，1990—2000、2000—2010和2010—2015年建設(shè)用地?cái)U(kuò)張面積分別為2 701.68、2 271.01和1 301.92 km2，分別占各時(shí)段研究區(qū)土地利用類型變化總面積的47.79%、33.61%和59.35%。1990—2000、2000—2010和2010—2015年研究區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量減少量分別為12.68、10.15和6.40 Tg，分別占各時(shí)段研究區(qū)碳儲(chǔ)量減少總量的37.17%、28.17%和53.54%。1990—2015年各時(shí)段建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化占研究區(qū)總碳儲(chǔ)量變化的比例最高，且建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量下降占總碳儲(chǔ)量下降的比例與建設(shè)用地?cái)U(kuò)張面積的變化趨勢(shì)一致，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張是研究區(qū)碳儲(chǔ)量變化的最主要原因(表3)。

圖2 1990—2015年河北省碳儲(chǔ)量空間分布

表3 河北省主要土地利用類型面積和碳儲(chǔ)量變化

2.3 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)空間碳儲(chǔ)量的影響

采用GIS空間分析工具對(duì)1990—2015年河北省各市流入土地利用類型的格局及導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化進(jìn)行分析(圖3)。圖3顯示，河北省不同區(qū)域土地利用類型流轉(zhuǎn)方向差異較大，整體上流入建設(shè)用地面積占比最高，但各市差異明顯。其中，石家莊土地利用類型變化最大，土地利用類型變化面積達(dá)2 011.46 km2，秦皇島市土地利用類型變化面積最小。河北省北部區(qū)域流入土地利用類型主要為林地和草地，南部平原區(qū)域流入土地利用類型主要為建設(shè)用地。不同區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同，城市建設(shè)速度也不一致，這是導(dǎo)致研究區(qū)各城市土地利用類型流轉(zhuǎn)速率不同的主要原因，也導(dǎo)致各城市碳儲(chǔ)量變化不同。

基于 InVEST模型定量評(píng)估建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響。圖3顯示，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致河北省各市陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量均呈減少趨勢(shì)。其中，石家莊和張家口是碳儲(chǔ)量減少最多的城市，碳儲(chǔ)量共減少8.83 Tg。其次為唐山和保定市等經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較快的區(qū)域，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張規(guī)模同樣十分明顯，因此這些區(qū)域碳儲(chǔ)量下降速率也較快。此外，張家口建設(shè)用地?cái)U(kuò)張規(guī)模并不突出，但其陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量下降速率較快。承德(0.44 Tg)和衡水(0.45 Tg)碳儲(chǔ)量?jī)魷p少量較少，均小于1 Tg。

圖3 1990—2015年河北省土地流入格局和碳儲(chǔ)量變化

3 討論與結(jié)論

(1)河北省碳密度較高的植被類型為沼澤濕地和落葉闊葉林，碳儲(chǔ)量高值區(qū)主要集中在西北部海拔相對(duì)較高的山地林區(qū)，碳儲(chǔ)量低值區(qū)主要集中在南部平原人口較為密集的區(qū)域。

(2)1990—2015年河北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量累計(jì)下降44.48 Tg，且建設(shè)用地?cái)U(kuò)張是河北省碳儲(chǔ)量急速下降的主導(dǎo)因素。

(3)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響存在明顯的區(qū)域差異，且建設(shè)用地?cái)U(kuò)張規(guī)模對(duì)碳儲(chǔ)量的減少速率存在直接影響。

受自然地理?xiàng)l件制約，河北省各市區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及工業(yè)化程度差異較大，各地區(qū)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量被建設(shè)用地?cái)U(kuò)張影響的程度相差較大。石家莊市是建設(shè)用地?cái)U(kuò)張規(guī)模最大的城市，其陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量下降也最明顯，該地區(qū)應(yīng)適當(dāng)控制建設(shè)用地?cái)U(kuò)張規(guī)模，以達(dá)到生態(tài)與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的目的[28]。承德市受自然地理?xiàng)l件制約，城市發(fā)展水平較省內(nèi)其他城市偏低，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量下降也最少，該地區(qū)宜規(guī)劃為生態(tài)型城市。張家口市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張規(guī)模并不突出，但其陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量下降速率較快，這主要是由于該地區(qū)除建設(shè)用地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量減少外，新增的耕地、草地主要由侵占碳密度較高的林地而來(lái)，這使得張家口市碳儲(chǔ)量減少幅度較高。

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量對(duì)于全球氣候變化和陸地碳循環(huán)意義重大[1，17]，而土地利用方式改變是影響碳儲(chǔ)量的重要原因[5]。近年來(lái)，河北省耕地保護(hù)與建設(shè)用地占用矛盾突出，土地利用類型不斷互相轉(zhuǎn)化，其中伴隨著碳排放過(guò)程，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯帶來(lái)負(fù)面影響[29]。為滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)并重的需求，在土地利用規(guī)劃中應(yīng)注重以低碳導(dǎo)向的土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式為主，適當(dāng)控制建設(shè)用地面積增加；應(yīng)對(duì)碳密度高的區(qū)域加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)，穩(wěn)定生態(tài)環(huán)境，保留一定面積比例的林、草地[30]；應(yīng)發(fā)揮土地的多種功能，實(shí)現(xiàn)單一土地功能向生產(chǎn)-生態(tài)復(fù)合土地功能轉(zhuǎn)變[31]。通過(guò)自然資源整合和國(guó)土綜合整治等途徑加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)參與力量，促進(jìn)土地布局優(yōu)化，減少碳排放，提高區(qū)域生態(tài)效益。