LUCC影響下太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量時(shí)空變化及預(yù)測

張楚強(qiáng)，向 洋，方 婷，陳媛媛，王詩媛

(西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054)

人類活動(dòng)造成的CO2排放產(chǎn)生的溫室效應(yīng)導(dǎo)致氣候變暖，可能直接威脅人類的生存與發(fā)展[1]。應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)鍵在于“控碳”。如何減少碳排放、提升碳儲(chǔ)存能力成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。碳循環(huán)與地表土地覆蓋密切相關(guān)，土地覆蓋類型的變化，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，可能會(huì)導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳加速進(jìn)入大氣生態(tài)系統(tǒng)，加劇溫室效應(yīng)的發(fā)生程度[3]。

人類活動(dòng)往往會(huì)導(dǎo)致土地覆蓋類型的變化，這在一定程度會(huì)改變生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的分布格局，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的改變[4]。據(jù)估算，全球平均每年的自然與人為碳排放量約為250 Pg，但是生態(tài)系統(tǒng)碳的總吸收量僅為230 Pg[5]。城市快速擴(kuò)張經(jīng)常伴隨著耕地、林地和草地的減少，對(duì)區(qū)域植被固碳釋氧能力造成了很大的影響[6]，導(dǎo)致大量碳密度較高的土地覆蓋轉(zhuǎn)變?yōu)樘济芏容^低的硬化地面，使得城市生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)重的碳流失問題。傳統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量估算方法多采用土壤剖面調(diào)查[7]和樣方調(diào)查的方法計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量，但該方法工作量大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不能準(zhǔn)確地反映長時(shí)間序列生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化對(duì)自然和人類活動(dòng)的響應(yīng)關(guān)系。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用模型對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。如Potter等[8]采用CASA(Carnegie-Ames-Stanford)模型首次對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)進(jìn)行了估算；由美國斯坦福大學(xué)、世界自然基金會(huì)和大自然保護(hù)協(xié)會(huì)共同開發(fā)的InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型具有需求數(shù)據(jù)少、運(yùn)行速度快、可評(píng)估植被地上及地下、土壤和死亡有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量的特點(diǎn)。InVEST模型的出現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的估算提供了一種快速、直觀的方法，被廣泛應(yīng)用于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量評(píng)估[9-10]。

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的時(shí)空變化及其未來發(fā)展趨勢(shì)是近年來固碳領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[11-12]。通過耦合土地利用變化模型與InVEST模型能夠很好地模擬估算未來區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的分布[3,11,13]。如Hoque等[14]利用元胞-自動(dòng)馬爾科夫(CA-Markov)模型與InVEST模型相結(jié)合的方法評(píng)估了人工林發(fā)展對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響；朱志強(qiáng)等[10]利用FLUS模型耦合InVEST模型的方法預(yù)測得到2018—2034年廣州市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量下降120萬t；張燕等[15]運(yùn)用SD_CLUE-S復(fù)合模型結(jié)合InVEST模型預(yù)測了2017—2030年汾河上游地區(qū)在兩種情景下生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量。這些研究工作為推廣應(yīng)用上述方法提供了良好的成功范例。

近年來，太原市城市發(fā)展迅速，土地利用/覆被變化(Land Use/Cover Chang,LUCC)顯著[16-17]。但是，對(duì)于該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量現(xiàn)狀評(píng)估及未來發(fā)展變化趨勢(shì)的相關(guān)研究還不深入。為了探討城市擴(kuò)張背景下土地覆蓋類型變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響，本文以太原市2000年、2010年和2020年3期土地覆蓋類型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用CA-Markov模型和Logistic回歸模型并耦合InVEST模型，對(duì)太原市城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響進(jìn)行評(píng)估，揭示LUCC影響下太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的時(shí)空變化特征及其未來發(fā)展趨勢(shì)，以期為太原市未來土地利用規(guī)劃和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

太原市地處黃土高原東部的汾河河谷平原，地理坐標(biāo)為37°27′～38°25′N、111°30′～113°09′E(見圖1)，是我國中部地區(qū)的重要中心城市，為太原都市圈核心城市。近年來，隨著工業(yè)化和城市化水平的不斷提高，城市化率達(dá)到85%以上，該市下轄6區(qū)4縣，總面積約為6 988 km2，2020年11月常住人口達(dá)到530萬人，快速城市化使該地區(qū)土地覆蓋類型發(fā)生了較大的變化[16-17]。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所需的數(shù)據(jù)包括土地覆蓋類型數(shù)據(jù)和土地驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)。土地覆蓋類型數(shù)據(jù)來源于研究區(qū)2000年、2010年和2020年的Landsat系列數(shù)據(jù)(見表1)，并根據(jù)太原市實(shí)際地表覆蓋情況，將經(jīng)遙感解譯得到的太原市2000年、2010年和2020年3期土地覆蓋類型數(shù)據(jù)分為耕地、林地、草地、灌木地、水體、濕地和人造地表。土地覆蓋類型變化受到人文和自然等多種因素的影響，用于預(yù)測研究區(qū)土地覆蓋類型變化的土地驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)主要有：地形數(shù)據(jù)，包括太原地區(qū)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)和坡度；氣象數(shù)據(jù)，包括太原地區(qū)年均氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，包括太原市行政區(qū)劃矢量、交通網(wǎng)絡(luò)、河流水系、人口密度和國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、公里網(wǎng)格柵格數(shù)據(jù)，見表1。

表1 研究數(shù)據(jù)與來源

2 研究方法

2.1 InVEST模型

InVEST模型是用于評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值、支持生態(tài)系統(tǒng)管理和決策的一套模型系統(tǒng)，它包括陸地、淡水和海洋三類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估模型[18]。本研究利用InVEST模型中的Carbon模塊分析2000—2030年太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的時(shí)空分布格局。生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量包括植被地上部分碳儲(chǔ)量、植被地下部分碳儲(chǔ)量、土壤碳儲(chǔ)量和死亡有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量。根據(jù)土地覆蓋類型分類情況，分別對(duì)不同土地覆蓋類型的平均碳密度進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，然后用各種土地覆蓋類型的面積乘以其碳密度并求和，可得出研究區(qū)的總體碳儲(chǔ)量。由于死亡有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量含量非常低，一般不予考慮[19]。生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式如下：

Ctotal=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(1)

式中:Ctotal為生態(tài)系統(tǒng)總體碳儲(chǔ)量(t)；Cabove為植被地上部分碳儲(chǔ)量(t)；Cbelow為植被地下部分碳儲(chǔ)量(t)；Csoil為土壤碳儲(chǔ)量(t)；Cdead為死亡有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量(t)。

基于研究區(qū)各種土地覆蓋類型的碳密度和土地覆蓋類型數(shù)據(jù)，太原市內(nèi)每種土地覆蓋類型的碳儲(chǔ)量計(jì)算公式為

Ctotali=(Cabovei+Cbelowi+Csoili+Cdeadi)×Si

(2)

式中：i為土地覆蓋類型；Ctotali為土地覆蓋類型i的總體碳儲(chǔ)量(t)；Cabovei為土地覆蓋類型i的植被地上部分碳密度(t/hm2)；Cbelowi為土地覆蓋類型i的植被地下部分碳密度(t/hm2)；Csoili為土地覆蓋類型i的土壤碳密度(t/hm2)；Cdeadi為土地覆蓋類型i的死亡有機(jī)質(zhì)碳密度(t/hm2)；Si為土地覆蓋類型i的面積(hm2)。

InVEST模型模擬的精確性依靠于輸入合理的參數(shù)，因此選擇合適的土地覆蓋類型碳密度數(shù)據(jù)是模擬生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的關(guān)鍵。其碳儲(chǔ)量模型將某一土地覆蓋類型的碳密度看作是一個(gè)常量，即隨著時(shí)間的推移，任何一個(gè)土地覆蓋類型不發(fā)生改變的柵格，其固碳量不會(huì)發(fā)生改變。

已有研究表明，氣候類型相同的土地覆蓋類型碳密度差異較小。因此，本研究以多個(gè)土地覆蓋類型碳密度數(shù)據(jù)集[20-22]和已發(fā)表文獻(xiàn)[15,23]作為參考，采用降水和氣溫因子通過公式修正本地化土地覆蓋類型碳密度數(shù)據(jù)，反演得到太原市生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量[24]。具體計(jì)算公式如下：

CBP=6.798 1e0.005 41MAP

(3)

CBT=28×MAT+398

(4)

CSP=3.396 8×MAP+3 996.1

(5)

式中：MAT表示年均氣溫(℃)；MAP表示年均降水量(mm)；CBP、CBT分別為根據(jù)年均降水量和年均氣溫得到的植被碳密度(kg/m2)；CSP為根據(jù)年均降水量得到的土壤碳密度(kg/m2)。

分別將太原市和全國的年均氣溫和年均降水量代入上述公式，兩者之比為碳密度修正系數(shù)，其計(jì)算公式為

(6)

(7)

綜合得到太原市不同土地覆蓋類型的碳密度數(shù)據(jù)，見表2。

表2 太原市不同土地覆蓋類型的碳密度數(shù)據(jù)

2.2 CA-Markov模型

馬爾科夫(Markov)模型是基于馬爾科夫隨機(jī)過程而形成的一個(gè)過程理論模型，具有對(duì)土地覆蓋類型變化的預(yù)測能力。利用該模型對(duì)土地覆蓋類型變化過程進(jìn)行轉(zhuǎn)換研究，可以求出1期和2期的面積轉(zhuǎn)移矩陣和面積轉(zhuǎn)移概率矩陣，并以此為基礎(chǔ)預(yù)測后續(xù)變化[25]。Markov模型的數(shù)學(xué)公式如下:

(8)

(9)

(10)

上式中：Sij表示太原市內(nèi)土地覆蓋類型i在具體的目標(biāo)時(shí)段內(nèi)轉(zhuǎn)化為土地覆蓋類型j的面積轉(zhuǎn)移矩陣;Pij表示太原市內(nèi)土地覆蓋類型i在具體的目標(biāo)時(shí)段內(nèi)轉(zhuǎn)化為土地覆蓋類型j的面積轉(zhuǎn)移概率矩陣；St、St+1為t、t+1時(shí)期土地利用狀態(tài)。

由于Markov模型中沒有充分考慮空間參數(shù)，故無法識(shí)別土地覆蓋類型的空間變異性。而元胞自動(dòng)機(jī)(Cellular Automaton,CA)模型能夠通過定義局部的元胞鄰近關(guān)系，使用相對(duì)簡單的局部轉(zhuǎn)換規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化模擬。CA模型的數(shù)學(xué)公式如下：

S(t+1)=f(S(t),N)

(11)

式中:S為元胞有限、離散狀態(tài)的集合；f為局部空間的元胞轉(zhuǎn)化規(guī)則；t、t+1為兩個(gè)不同的時(shí)刻；N為元胞領(lǐng)域。

CA-Markov模型結(jié)合了CA模型對(duì)復(fù)雜空間動(dòng)態(tài)演變的模擬能力和Markov模型長時(shí)間序列模擬預(yù)測的優(yōu)勢(shì)，可在自然環(huán)境因素不發(fā)生突變、社會(huì)發(fā)展保持現(xiàn)有速度的條件下，從數(shù)量和空間兩個(gè)角度更加全面地對(duì)未來土地覆蓋類型變化進(jìn)行模擬分析與預(yù)測。

2.3 土地利用類型動(dòng)態(tài)度計(jì)算

土地利用類型動(dòng)態(tài)度用來描述研究區(qū)域某一定時(shí)間范圍內(nèi)土地覆蓋類型的變化情況，可反映土地覆蓋類型變化的激烈程度。土地利用類型動(dòng)態(tài)度越高，土地覆蓋類型變化越激烈[26]。通過各時(shí)期土地利用類型動(dòng)態(tài)度的變化來研究研究區(qū)域土地覆蓋類型的變化特征，從而為該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量時(shí)空變化趨勢(shì)預(yù)測提供依據(jù)[27]。土地利用類型動(dòng)態(tài)度的計(jì)算公式如下:

(12)

式中:K為研究區(qū)內(nèi)某種土地利用類型動(dòng)態(tài)度;Ua和Ub分別為研究期初和期末研究區(qū)內(nèi)某種土地利用類型的面積(km2)；T為研究期的時(shí)間長度。

2.4 模型精度評(píng)價(jià)

本研究以太原市2020年實(shí)際土地覆蓋類型數(shù)據(jù)為底圖，基于太原市2000年和2010年的土地覆蓋類型數(shù)據(jù)，利用CA-Markov模型，預(yù)測得到太原市2020年土地覆蓋類型數(shù)據(jù)，再利用Crosstab工具進(jìn)行模型精度驗(yàn)證，即通過輸入太原市2020年實(shí)際土地覆蓋類型圖并與模型預(yù)測得到的太原市2020年土地覆蓋類型圖進(jìn)行對(duì)比，以Kappa系數(shù)對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 2000—2020年太原市土地覆蓋類型與生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化分析

3.1.1 土地覆蓋類型變化分析

基于遙感解譯的太原市2000年、2010年和2020年3期地表覆蓋類型數(shù)據(jù)，經(jīng)過CA-Markov模型分析得出太原市近20年來土地覆蓋類型面積和土地利用類型動(dòng)態(tài)度變化，見表3和表4。

表3 太原市2000年、2010年和2020年3期土地覆蓋類型面積及其所占比例

由表3可知：

(1) 太原市最主要的土地覆蓋類型是耕地，其面積占太原市總面積的比例在32%以上，是研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)土地覆蓋類型；其次是林地和草地，分別占太原市總面積的27%、24%以上；再次為人造地表，占太原市總面積的5%以上；而灌木地、濕地和水體的面積較少，均不足研究區(qū)總面積的1%。

(2) 2000—2020年間太原市各種土地覆蓋類型面積都發(fā)生了不同程度的變化，其中變化幅度最大的是耕地和人造地表；除耕地外，其余土地覆蓋類型的面積均持續(xù)增加，其中人造地表面積增加最多，為351.39 km2，占太原市總面積的比例由2000年的5.3%上升到2020年的10.4%，城市擴(kuò)張明顯加快。

由表4可知：

(1) 2000—2010年間太原市土地利用類型動(dòng)態(tài)度較低，土地覆蓋類型變化相對(duì)平緩；2010—2020年間太原市土地利用類型動(dòng)態(tài)度較高，土地覆蓋類型變化相對(duì)劇烈，表明在2010年以后，太原市耕地快速減少，城市擴(kuò)張顯著加快。

(2) 過去的20年間，太原市耕地面積累計(jì)減少了637.22 km2，與2000—2010年間太原市人造地表面積增量僅為116.37 km2相比，2010—2020年太原市隨著城市擴(kuò)張加快，其規(guī)模約為2000—2010年面積增量的2倍，達(dá)到235.02 km2，這表明太原市經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市化程度不斷提高。

(3) 太原市草地面積呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢(shì)，其前期的土地利用類型動(dòng)態(tài)度明顯高于后期。2000—2010年間，太原市草地面積的增加主要來自于耕地轉(zhuǎn)入，受到退耕還草政策的影響，有126.60 km2面積的耕地轉(zhuǎn)入草地(見圖2)；2010—2020年間，太原市草地面積的減少主要是由于農(nóng)民對(duì)宜林荒山、荒坡的承包種植，這在一定程度上促進(jìn)了草地向林地的轉(zhuǎn)移。

圖2 2000—2020年太原市LUCC轉(zhuǎn)移圖

(4) 2000—2010年間太原市水體的面積變化較為明顯，面積增加了18.24 km2，幾乎達(dá)到了2000年水體面積的2倍，這主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)西北部汾河水庫面積的增加所致。

(5) 此外，太原市濕地和灌木地面積也均在持續(xù)增加，2000—2020年間濕地和灌木地的動(dòng)態(tài)度分別為25.6%和15.0%，其面積分別為2000年的6倍和4倍。

總體來看，人造地表的動(dòng)態(tài)度僅次于濕地和灌木地，這表明太原市最明顯的土地覆蓋類型變化就是在城市化背景下耕地和草地等土地覆蓋類型轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫兀绕涫歉氐霓D(zhuǎn)變量最大。

3.1.2 土地覆蓋類型變化的影響因素分析

利用Logistic回歸分析得到不同影響因素對(duì)太原市土地覆蓋類型空間分布的標(biāo)準(zhǔn)化Logistic回歸系數(shù),見表5。

表5 不同影響因素對(duì)太原市土地覆蓋類型空間分布的標(biāo)準(zhǔn)化Logistic回歸系數(shù)

由表5可知：

(1) 耕地主要受自然因素(坡度和海拔)的負(fù)向影響，即坡度和高程值越大，耕地分布的可能性越小。太原市耕地主要分布于汾河兩岸的谷地上，地形較為平坦，利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

(2) 林地和灌木地主要受海拔高度的正向影響和人口密度的負(fù)向影響，即在海拔較高的區(qū)域林地和灌木地的分布概率大，人口分布密集的地區(qū)受人類活動(dòng)的影響較大，林地和灌木地的分布概率較小。太原市的林地和灌木地主要分布在東西兩側(cè)海拔較高、人口較為稀疏的山地。

(3) 影響草地覆蓋的關(guān)鍵因素為人口密度(負(fù)向)和降水(正向)，即受人類活動(dòng)的影響較少且降水充足的地區(qū)草地的分布概率較高。太原市的草地主要分布在境內(nèi)西部山脈和盆地的邊緣地帶。

(4) 水體主要受坡度的影響，地勢(shì)越平緩，水體的分布概率越高。太原市水體覆蓋主要是流經(jīng)太原境內(nèi)的汾河，覆蓋較為穩(wěn)定。

(5) 濕地主要受海拔和坡度的負(fù)向影響和溫度的正向影響，主要分布于海拔較低、地勢(shì)較為平緩且溫度相對(duì)較高的地區(qū)。太原市的濕地主要分布于中部的汾河濕地公園、晉陽湖公園和西部的汾河水庫。

(6) 人造地表的分布主要受坡度、人口密度和距道路距離的影響，在地形較為平坦、人口聚集且交通便利的地區(qū)其分布概率較大。太原市的人造地表主要分布于中南部汾河兩側(cè)的河谷平原。

從太原市2000—2020年間的土地覆蓋類型變化可以看出，受地形條件的限制，主城區(qū)南部的耕地逐漸減少，轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗽斓乇?，即太原市主城區(qū)主要向南部擴(kuò)張。此外，太原市土地覆蓋類型的變化還受到當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)政策的影響，如：受退耕還林保護(hù)政策的影響，太原市林地面積由2010年以前的減少趨勢(shì)，轉(zhuǎn)變?yōu)?010年后的增加趨勢(shì),且變化強(qiáng)度和土地利用類型動(dòng)態(tài)度均遠(yuǎn)高于2010年之前；隨著山西省濕地保護(hù)政策的實(shí)施和晉陽湖濕地公園的建成，太原市濕地覆蓋面積呈快速增長趨勢(shì)。

Logistic回歸分析結(jié)果的擬合精度評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：太原市耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、人造地表的ROC曲線線下面積值分別為0.940、0.956、0.900、0.962、0.965、0.970、0.979，均大于0.75，表明各種影響因素與土地覆蓋類型之間建立的回歸模型的擬合精度均滿足要求。

3.1.3 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的變化特征分析

將修正后得到的太原市土地覆蓋類型碳密度數(shù)據(jù)，并結(jié)合土地覆蓋類型數(shù)據(jù)導(dǎo)入InVEST模型的碳模塊下運(yùn)行，經(jīng)估算得到2000年、2010年、2020年太原市不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)，見圖3。

圖3 2000年、2010年和2020年太原市不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量

由圖3可知：

(1) 2010—2020年間，太原市陽曲縣和古交市由于土地面積較大，所以生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量也相對(duì)最高，生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量平均值為3 070.76×104t和2 227.00×104t;而清徐縣生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量最低，生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量平均值僅為810.27×104t，這可能是由于該地區(qū)土地面積較小且被大量碳密度較低的地類覆蓋所致。

(2) 太原市主城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量變化最大，在2000—2020年間生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量持續(xù)減少，累計(jì)減少了175.39×104t，減幅為9.6%，并受人類活動(dòng)的影響，該區(qū)域大量的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗽斓乇?，?dǎo)致該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量不斷降低；古交市2000—2010年間生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量增加了1.42×104t，但至2020年又減少了6.70×104t，生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量總體保持穩(wěn)定；婁煩縣、清徐縣和陽曲縣在這個(gè)時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量均持續(xù)減少，20年間分別減少了37.21×104t、31.09×104t和4.12×104t。

(3) 當(dāng)碳密度值較高的林地和草地轉(zhuǎn)變?yōu)樘济芏容^低的其他土地覆蓋類型時(shí)，會(huì)導(dǎo)致區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的下降。2010年以后，太原市城市建設(shè)顯著加快，進(jìn)入了一個(gè)新的高峰，隨著主城區(qū)南部的晉陽湖片區(qū)和龍城新區(qū)的開發(fā)與發(fā)展，2010—2020年間生態(tài)系統(tǒng)的碳流失顯著加快，碳流失量達(dá)到156.33×104t，占該地區(qū)碳總流失量的61%以上。這是由于該時(shí)期太原市經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城鎮(zhèn)化速度加快，對(duì)于土地開發(fā)的需求較為強(qiáng)烈所致。

3.1.4 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的空間變化特征分析

從太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的空間分布來看，該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的空間分布具有明顯的空間異質(zhì)性特征。圖4為2000年、2010年和2020年太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的空間分布情況。

由圖4可知：高碳儲(chǔ)量地區(qū)主要分布在太原市主城區(qū)西部的山區(qū)，該區(qū)域海拔較高、坡度較大，擁有很高的森林覆蓋面積，植被覆蓋率較高；碳儲(chǔ)量較低的地區(qū)主要分布在太原市中部的汾河谷地，該區(qū)域海拔較低、地形較為平緩，城市化水平較高，被大量農(nóng)田覆蓋，受人類活動(dòng)的影響較大，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量長期維持在較低水平。

圖4 太原市2000年、2010年和2020年生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的空間分布圖

圖5為2000—2010年和2010—2020年太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的空間分布變化。

圖5 2000—2020年太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的空間變化分布

由圖5可知：

(1) 從太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的空間變化特征來看，變化的區(qū)域主要在主城區(qū)四周和西部的山區(qū)。2000—2010年間，太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量顯著下降的區(qū)域分布在小店區(qū)、晉源區(qū)、萬柏林區(qū)、尖草坪區(qū)、杏花嶺區(qū)和迎澤區(qū)，主要集中在主城區(qū)范圍內(nèi)，這一時(shí)期城市擴(kuò)張較慢，主要沿主城區(qū)向四周發(fā)展，靠近市中心附近區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量明顯減少。

(2) 2010年以后太原市城市擴(kuò)張加劇，大量的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗽斓乇?，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量減少加快。受城市南擴(kuò)的影響，太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量大面積下降的區(qū)域主要是晉源區(qū)、小店區(qū)和迎澤區(qū)，城市中心區(qū)域附近也有零星減少，如萬柏林區(qū)、尖草坪區(qū)和杏花嶺區(qū)，而太原市西部區(qū)域的古交市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量較為穩(wěn)定，這是由于該區(qū)域覆蓋有大量的森林資源，且地勢(shì)陡峭、海拔較高，城鎮(zhèn)擴(kuò)張能力較弱；此外，得益于“退耕還林”政策的實(shí)施，太原市陽曲縣西部的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量也呈現(xiàn)大范圍的增加。總體上看，太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量有明顯的減少，2010年以后的下降幅度高于前期。

3.2 太原市未來土地利用格局與生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化預(yù)測

3.2.1 2030年土地利用格局預(yù)測

對(duì)2020年太原市實(shí)際土地覆蓋類型圖與CA-Markov模型預(yù)測得到的2020年太原市土地覆蓋類型圖進(jìn)行模型精度檢驗(yàn)，得到的Kappa系數(shù)為0.864 5，表明模型模擬效果較好。利用通過驗(yàn)證的CA-Markov模型對(duì)2030年太原市各種土地覆蓋類型的土地利用格局進(jìn)行了預(yù)測，得到2030年太原市各種土地覆蓋類型的面積分別為：耕地1 834.36 km2、林地2 199.54 km2、草地1 821.17 km2、灌木地19.81 km2、濕地14.30 km2、水體 52.62 km2、人造地表959.68 km2，并繪制2030年太原市土地覆蓋類型分布圖，見圖6。

通過將2030年與2000—2020年太原市土地覆蓋類型分布圖進(jìn)行對(duì)比可知：2030年太原市土地利用類型分布格局與前一時(shí)期基本保持一致(見圖6)。其中，除耕地和草地面積繼續(xù)呈減少趨勢(shì)外(面積分別下降378.18 km2和15.53 km2，土地利用類型動(dòng)態(tài)度分別為-1.71%和-0.09%)，其余土地覆蓋類型面積均有所增加。由于太原市城市的快速發(fā)展，導(dǎo)致人造地表的面積從2020年的715.35 km2增加到2030年的959.68 km2，面積增加了244.32 km2，土地利用類型動(dòng)態(tài)度為3.42%。此外，2030年太原市林地、灌木地、濕地和水體面積較2020年分別增加了121.98 km2、8.28 km2、4.64 km2和4.48 km2，土地利用類型動(dòng)態(tài)度分別為0.59%、7.18%、4.81%和3.80%。林地、灌木地、濕地和水體等土地覆蓋類型面積的增加，可以有效減緩太原市由于城市擴(kuò)張導(dǎo)致的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的減少。

圖6 2000—2030年太原市土地覆蓋類型分布圖

3.2.2 2020—2030年生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的時(shí)空分布特征分析

分析未來太原市城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化的影響，可以反映在自然發(fā)展條件下太原市未來生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量時(shí)空分布的變化。未來太原市城市南部的小店區(qū)、晉源區(qū)和城市北部的杏花嶺區(qū)、尖草坪區(qū)內(nèi)人造地表的擴(kuò)張能力仍然較強(qiáng)，城市擴(kuò)張明顯，已建成區(qū)的斑塊會(huì)逐漸連接成一個(gè)整體，而城市外圍區(qū)域的耕地在未來有很大的可能性會(huì)轉(zhuǎn)化為人造地表，形成更大的斑塊，導(dǎo)致未來太原市區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量進(jìn)一步下降。預(yù)測結(jié)果表明2020—2030年太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量仍會(huì)繼續(xù)降低(2030年生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量為9448.29×104t)，預(yù)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量將會(huì)減少187.25×104t，降幅為1.94%，年均生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量減少18.73×104t。然而2000—2010年和2010—2020年間，太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的年均減少僅為9.79×104t和15.63×104t，表明隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市的加速擴(kuò)張，太原市整體生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的減少會(huì)逐漸加快。圖7顯示出太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的減少主要發(fā)生在主城區(qū)。到2030年太原市主城區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量為1 505.21×104t，減少了152.33×104t，主要減少的區(qū)域在小店區(qū)和晉源區(qū)的交界處，但由于主城區(qū)的東西兩側(cè)受制于地形因素，城鎮(zhèn)建設(shè)較為緩慢，因此碳流失較為緩慢。此外，太原市其他區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量也有不同程度的變化，特別是西部和東北部區(qū)域，由于林地等碳密度較高地類的增加，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量均有所增加。具體來看，太原市西部的古交市和婁煩縣內(nèi)被大片的森林所覆蓋，擁有豐富的林地、草地以及多種多樣的生物資源，對(duì)于平衡主城區(qū)由于人類活動(dòng)導(dǎo)致的土地覆蓋類型變化造成的碳流失和平衡整個(gè)太原地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)，以及減緩生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的下降具有重要作用。

圖7 2000—2030年太原市土地覆蓋類型與生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化圖

3.3 討論

綜上分析可知，主城區(qū)快速擴(kuò)張?jiān)斐傻耐恋馗采w類型變化(主要是耕地面積的持續(xù)下降)，是太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量減少的主要原因。因此，太原市未來應(yīng)通過城鄉(xiāng)人造地表復(fù)墾復(fù)綠、不斷恢復(fù)濕地、興建生態(tài)公園、建立保護(hù)區(qū)、控制城市擴(kuò)張速度等措施，促進(jìn)人造地表向林地和草地轉(zhuǎn)變，減緩生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的減少。

LUCC與生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量有關(guān)，碳存儲(chǔ)被認(rèn)為是最復(fù)雜的問題，LUCC對(duì)生態(tài)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的影響。本研究以中國典型城市太原市為例，利用太原市2000年、2010年及2020年3期土地覆蓋類型數(shù)據(jù)，分析了太原市全域范圍內(nèi)近20年間土地覆蓋類型變化以及由土地覆蓋類型碳密度變化引起的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化。雖然模擬中存在一些不確定性，但研究結(jié)果較好地反映出2000—2020年間太原市土地覆蓋類型變化與生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化的關(guān)系，可以在一定程度上為區(qū)域未來土地規(guī)劃提供參考。為此，本文對(duì)未來的研究，提出如下建議：

(1) 本研究對(duì)太原市生態(tài)系統(tǒng)的地類劃分，受限于使用的遙感數(shù)據(jù)分辨率，僅劃分為耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體和人造地表。在今后的研究工作中，在獲取更高精度的遙感數(shù)據(jù)后，可對(duì)林地、灌木地按優(yōu)勢(shì)樹種，對(duì)農(nóng)田按作物類型進(jìn)一步細(xì)化，并確定細(xì)化類型的各部分碳密度，更準(zhǔn)確地運(yùn)用模型估算生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量。

(2) 現(xiàn)有的碳庫參數(shù)數(shù)據(jù)是通過采用降水和氣溫因子通過公式修正本地化土地覆蓋類型碳密度數(shù)據(jù)反演得到的，但是實(shí)際上土地覆蓋類型碳密度會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生改變。在今后的工作中，應(yīng)采用實(shí)地調(diào)研和預(yù)測模型相結(jié)合的方法，提高生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的估算精度。

4 結(jié)論與建議

本文結(jié)合多種影響因子，利用CA-Markov模型和Logistic回歸模型并耦合InVEST模型定量評(píng)估了太原市過去與未來時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量，明確了土地利用/覆蓋變化(LUCC)對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的潛在影響，可為太原市未來的土地利用規(guī)劃和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)，得到的主要結(jié)論如下:

(1) 2000—2020年間，太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量累計(jì)減少254.18×104t，降幅為2.6%，主城區(qū)面積的快速擴(kuò)張是導(dǎo)致太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量下降的主要原因。研究時(shí)段內(nèi)太原市土地覆蓋類型變化的特征主要表現(xiàn)為耕地面積持續(xù)減少和人造地表面積的增加。

(2) 太原市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量空間分布具有明顯的空間異質(zhì)性特征，總體表現(xiàn)為高碳儲(chǔ)量主要分布在西部山區(qū)，碳儲(chǔ)量較低的地區(qū)主要分布在中部的汾河谷地。這是由于太原市西部山區(qū)海拔較高、坡度較大，森林覆蓋面積大，生態(tài)環(huán)境較好，是生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的主要分布位置；中南部地區(qū)城市化水平較高，受人類活動(dòng)的影響較大，是城市擴(kuò)張的主要方向，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量相對(duì)較低。

(3) 在自然環(huán)境因素不發(fā)生突變、社會(huì)發(fā)展保持現(xiàn)有速度的條件下，2030年太原市人造地表的面積將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)張，擴(kuò)張重心朝向南部的晉源區(qū)和小店區(qū)。預(yù)計(jì)未來太原市生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量仍會(huì)繼續(xù)降低，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量減少的區(qū)域主要位于太原市主城區(qū)南部和北部附近，與城市擴(kuò)張的方向相同。未來隨著太原市碳流失的加劇，將會(huì)對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定造成較大的威脅，應(yīng)引起關(guān)注。