津冀海岸帶綠地碳儲存服務時空分布特征

張 乾，朱建佳，張 銳，汪 洋，夏瑜縫

（河北科技師范學院園藝科技學院，河北秦皇島 066102）

海岸帶是典型的生態(tài)交錯帶，生態(tài)環(huán)境敏感、脆弱[1]。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，導致生態(tài)環(huán)境與人類活動之間的矛盾愈演愈烈，人類不合理和不可持續(xù)的利用方式，給海岸帶造成一系列的生態(tài)環(huán)境問題。海岸帶生態(tài)系統(tǒng)具有豐富的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務，全球生態(tài)系統(tǒng)服務的年度平均價值為33×1012美元，其中海洋生態(tài)系統(tǒng)服務價值約占63%[2]，且海洋生態(tài)系統(tǒng)中的碳儲存服務價值大部分來源于海岸帶生態(tài)系統(tǒng)。隨著工業(yè)化時代的到來，人類活動導致大氣中溫室氣體濃度急劇上升[3]，全球CO2、CH4和N2O 等溫室氣體在大氣中的含量呈不斷上升的趨勢，是全球氣候變暖的重要原因。海岸帶也同樣面臨著嚴峻的氣候挑戰(zhàn)，碳儲存是生態(tài)系統(tǒng)服務中重要的一環(huán)，研究海岸帶碳儲存服務時空分布特征，對降低大氣中CO2以及其他溫室氣體濃度具有顯著作用，在減緩全球氣候變化等方面也扮演著至關重要的角色。

由于國外對海岸帶碳儲存的研究開展得相對較早，所以國外在這方面所取得的經(jīng)驗和成就是領先的。Choi 等[4]研究表明，海岸帶鹽沼濕地的碳儲量較高，還發(fā)現(xiàn)海岸帶濕地短期內(nèi)的固碳效率高于長期，對海岸帶碳儲存的研究與發(fā)展作出了貢獻。我國對于海岸帶碳儲存的研究起步比西方發(fā)達國家晚，海岸帶地區(qū)存在的鹽沼濕地、紅樹林和海草床[5]擁有巨大的碳儲存能力，是我國海岸帶碳儲存研究的重點對象。段曉男等[6]對我國的海岸帶沼澤濕地進行了分類和評價，發(fā)現(xiàn)固碳速率因濕地類型的不同而有較大的差異，海岸帶濕地固碳速率最高的是紅樹林，其次是沿海灘涂鹽沼。

此外，傳統(tǒng)的碳儲量估算研究多采用樣地清查法，如根據(jù)土壤剖面數(shù)據(jù)估算土壤碳儲量[7]，這種方法只能運用在面積較小的區(qū)域，而且耗費時間和人力相對較大。隨著社會和科學技術(shù)的發(fā)展，3S 技術(shù)[8]越來越成熟，且應用范圍越來越廣，使人類對于碳儲量的研究更加快捷。本研究采用3S 技術(shù)與InVEST 模型相結(jié)合的方法，對津冀海岸帶不同時間（2005、2015 年）生態(tài)系統(tǒng)中各用地類型的碳儲量進行定量評估，構(gòu)建了大范圍、長時間序列的碳儲量變化數(shù)據(jù)，并分析其時空變化規(guī)律，對于津冀海岸帶生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的維護管理具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

本研究以津冀海岸帶為研究范圍（圖1），津冀海岸帶作為環(huán)渤海經(jīng)濟圈核心地帶和中心地帶，主要含有天津和河北省沿海的12 個縣級行政區(qū)，具體包括秦皇島市、唐山市、天津市、滄州市沿海陸地部分及淺海區(qū)。河北省地處東經(jīng)113°27′～119°50′、北緯36°05′～42°40′之間，河北省海岸帶北起山海關，中夾天津市，南至大口河。天津地理位置為東經(jīng)117°20′～118°10′、北緯38°35′～39°20′，天津海岸帶北起澗河，南至歧口河，是我國典型的淤泥質(zhì)海岸。津冀地區(qū)位于北回歸線以北，屬于暖溫帶，加之受海洋影響，氣候比較溫和，形成溫帶大陸性季風氣候，春天降雨少，較干燥，多風，夏天高溫多雨，秋天涼爽，晴天較多，冬天漫長，沒有嚴寒，氣候干燥。

圖1 研究區(qū)位置范圍

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以2005 年、2015 年兩期津冀海岸帶土地利用圖來源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心（http://www.geodata.cn/）（如圖2、3），各土地利用類型四大碳庫（地上生物量、地下生物量、土壤、枯枝落葉）的碳密度數(shù)據(jù)來源為相關文獻[9-10]。

圖2 2005 年研究區(qū)海岸帶土地利用分類圖

圖3 2015 年研究區(qū)海岸帶土地利用分類圖

2.2 研究方法

土地利用規(guī)劃會導致土地利用/覆蓋變化，進而影響其物質(zhì)循環(huán)和能量流動等生態(tài)過程乃至生態(tài)系統(tǒng)服務[11]。本研究根據(jù)土地利用、土地覆蓋信息和碳數(shù)據(jù)信息對不同土地利用類型的碳儲量及其價值進行評估。津冀海岸帶生態(tài)系統(tǒng)中碳儲量主要來源于四大碳庫：地上生物量、地下生物量、土壤、枯枝落葉，四大碳庫的碳儲量之和為生態(tài)系統(tǒng)碳儲量。利用InVEST 模型能夠?qū)﹃懙厣夏骋挥玫仡愋驮谀骋粫r間段內(nèi)的碳儲量價值及其變化進行評估。InVEST 模型的碳儲量模塊中碳儲量計算方法如下：

式中：C——總碳儲量；Cabove——植物地上部分碳儲量；Cbelow——植物地下部分碳儲量；Csoil——土壤碳儲量；Cdead——枯枝落葉層碳儲量。

本研究在2005、2015 年兩期津冀海岸帶行政區(qū)劃圖的基礎上，運用ArcGIS10.5 軟件空間分析工具中的重分類命令，將用地類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6 種土地利用類型。利用InVEST 模型計算出碳儲量，得到各區(qū)縣和土地利用類型的碳儲量，即2005 年與2015 年碳儲量分布圖（圖4、5）。

圖4 2005 年研究區(qū)海岸帶碳儲量分布圖

圖5 2015 年研究區(qū)海岸帶碳儲量分布圖

3 結(jié)果與分析

3.1 不同行政單元碳儲量空間分布特征

津冀海岸帶碳儲量的變化研究可以津冀海岸帶各行政區(qū)碳儲量的變化作為指標，根據(jù)各行政區(qū)碳儲量的變化與分布情況，了解整個研究區(qū)內(nèi)碳儲量分布的特點和發(fā)展趨勢。對各行政區(qū)碳儲量的研究指標包括碳密度和固碳總量，根據(jù)圖6、圖7，以2015 年為例對各行政區(qū)碳儲量的分布情況進行分析，具體特征如下：在整個津冀海岸帶范圍內(nèi)，碳儲量的分布呈現(xiàn)出北高南低的態(tài)勢；以各縣級行政區(qū)為研究對象，可得出秦皇島海港區(qū)、秦皇島撫寧區(qū)、秦皇島昌黎縣、唐山樂亭縣、唐山灤南縣、唐山豐南區(qū)和滄州黃驊市的碳儲量值較高，秦皇島山海關區(qū)、秦皇島北戴河區(qū)和唐山曹妃甸區(qū)碳儲量值較低。

圖6 2005－2015 年研究區(qū)各行政區(qū)碳密度變化

圖7 2005－2015 年研究區(qū)各行政區(qū)固碳總量變化

本研究區(qū)范圍內(nèi)碳密度值最高的是秦皇島海港區(qū)，其值為73.35t/hm2；碳密度值最低的區(qū)域是天津濱海新區(qū)，僅為9.52t/hm2，碳密度的大小主要與土地利用類型有關，其中秦皇島大量分布著碳密度值最高的林地，天津濱海新區(qū)大部分為碳密度為0 的建設用地。因此，不同土地利用類型造成了各行政區(qū)碳密度值的不同。津冀海岸帶固碳總量最高的縣級行政區(qū)是秦皇島撫寧區(qū)，達到7644605.91t，其次是秦皇島海港區(qū)，固碳總量為5140477.56t。固碳總量最低的地區(qū)是秦皇島北戴河區(qū)，其固碳總量為297745.19t。固碳總量與各行政區(qū)的平均碳儲量和面積有關，碳密度大、面積廣的地區(qū)固碳總量也大。

3.2 不同土地利用類型碳儲量空間分布特征

2015 年不同土地利用類型碳密度由高到低的排序為：林地＞草地＞耕地＞未利用地。其中林地的碳密度是150.40t/hm2，草地的碳密度是96.68t/hm2，耕地的碳密度是30.96t/hm2，未利用地的碳密度是10.00t/hm2，建設用地和水域的碳儲量值為0。

如圖8 所示，由于林地碳密度大且在研究區(qū)范圍內(nèi)的秦皇島海岸帶一帶分布極廣，因此林地的碳儲量較大，2015 年林地固碳總量達到11181637.95t。耕地在津冀海岸帶12 個行政區(qū)都有廣泛的分布。因此，本研究區(qū)內(nèi)耕地的碳儲量在6 種用地類型中是最大的，耕地2015 年的固碳總量達到23078821.72t。草地的碳密度值較大，為96.68t/hm2，在津冀海岸帶也有一定的分布，其2015 年固碳總量是2831853.89t，在6 種用地類型中固碳總量排第三。水域和建設用地的碳密度值和固碳總量都為0，且保持不變。未利用地的碳密度值較低，且未利用地在本研究范圍內(nèi)分布較為稀疏，因此其碳儲量較少，2015 年未利用地的固碳總量是136820.00t。

圖8 2005－2015 年研究區(qū)各土地利用類型固碳總量變化

3.3 碳儲量時間變化特征

與2005 年相比，2015 年各縣級行政區(qū)的平均碳儲量和固碳總量都略有下降，其中碳密度下降較明顯的地區(qū)是秦皇島山海關區(qū)和唐山曹妃甸區(qū)，分別下降了13.93t/hm2、4.14t/hm2。唐山曹妃甸區(qū)和天津濱海新區(qū)的固碳總量下降較明顯，分別下降了408239.64t、302184.57t。碳密度有較明顯增長的地區(qū)是秦皇島昌黎縣和秦皇島北戴河區(qū)，固碳總量秦皇島昌黎縣和秦皇島撫寧區(qū)增長較多。

與2005 年相比，2015 年各用地類型的碳密度值不變，固碳總量有所下降。林地的固碳總量有所增加，增加了1650639.94t；耕地的固碳總量下降了477124.54t；草地的固碳總量下降比較明顯，下降了1640562.92t；未利用地的固碳總量下降了269090.00t。

4 結(jié)論

本研究主要利用地理信息技術(shù)ArcGIS10.5 軟件，結(jié)合InVEST 模型碳儲量模塊對津冀海岸帶碳儲存進行研究分析，基于2005 年、2015 年兩期土地利用圖數(shù)據(jù)，計算研究區(qū)各土地利用類型和各行政區(qū)內(nèi)四大碳庫的碳儲量。本研究最終得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)海岸帶中碳儲量最大的是秦皇島撫寧區(qū)，最小的是秦皇島北戴河區(qū)。各縣級行政區(qū)中，單位面積固碳能力最強的是秦皇島海港區(qū)，單位面積固碳能力最弱的是天津濱海新區(qū)。

（2）津冀海岸帶各用地類型中，碳密度由高到低的順序可分為：林地＞草地＞耕地＞未利用地，建設用地和水域的碳密度值為0。固碳總量最高的是耕地，其次為林地、草地和未利用地。另外，與2005 年相比，2015年林地固碳總量有所增加，耕地、草地和未利用地的固碳總量均呈下降趨勢。

（3）與2005 年相比，津冀海岸帶2015 年碳密度和固碳總量均略有下降。