京津冀城市群生態(tài)空間固碳服務(wù)功能及其與景觀格局的關(guān)系特征

邱陳瀾, 王彩俠,章 瑞,馮 悅,張?jiān)坡?*,李 雄,王凱平

1 北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院, 北京 100083 2 北京東方暢想建筑設(shè)計(jì)有限公司,北京 100083 3 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083

氣候變暖是當(dāng)前全球面臨的重要環(huán)境問(wèn)題之一,氣候變化研究的一個(gè)重要任務(wù)是闡明陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯演變、固碳能力以及未來(lái)演變趨勢(shì)[1—2]。生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)捕獲大氣中的碳并將其固定起來(lái)抵消人類向大氣中排放的一部分CO2,從而起到調(diào)節(jié)氣候的作用[3],城市建設(shè)用地外的植物群落,如耕地、林地、草地等,可以更高效地將空氣中的CO2等溫室氣體固定在植物及土壤中[4]。近年來(lái)眾多研究表明,土地利用通過(guò)改變地表自然覆被與人類活動(dòng)強(qiáng)度來(lái)影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)[5—6],農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、森林草地的退化、城市建設(shè)等土地利用方式的變化引起的碳排放增加是導(dǎo)致氣候變暖的重要因素[7]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過(guò)程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務(wù)[8],固碳服務(wù)功能是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[9]。因此,宜從生態(tài)空間土地利用的視角開(kāi)展固碳服務(wù)功能研究[10]。借鑒國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究,本文采用的生態(tài)空間定義及范圍為：城市建設(shè)用地外的所有綠色植被覆蓋的土地類型(含農(nóng)地等)[11]。景觀格局及其變化是自然和人為多種因素相互作用所產(chǎn)生的對(duì)一定區(qū)域生態(tài)環(huán)境體系的綜合反映,是土地利用與時(shí)空變化研究的重要分析手段[12]。在城市化進(jìn)程快速發(fā)展之下,城市群原有生態(tài)空間的破壞[13]使得各類景觀破碎化,影響了景觀格局中的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)[14],包括固碳服務(wù)功能在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。城市群作為主體城市化區(qū)域和核心經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)[15],其健康可持續(xù)發(fā)展已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的主導(dǎo)力量[16],然而持續(xù)遭到破壞[13]的生態(tài)空間為城市群碳匯效應(yīng)與碳平衡可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)挑戰(zhàn)。因此,探索大尺度城市群生態(tài)空間的碳匯演變,探究其固碳服務(wù)功能與景觀格局的關(guān)系,是在應(yīng)對(duì)氣候變化背景下對(duì)城市群生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究深化,對(duì)改善區(qū)域氣候、提升區(qū)域生態(tài)環(huán)境功能及實(shí)現(xiàn)城市群區(qū)域健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近年來(lái)學(xué)者對(duì)森林[17—18]、草地[19]、耕地[20—21]等不同生態(tài)空間土地利用類型及不同區(qū)域[22—23]的碳匯演變及固碳能力等做了相關(guān)研究,同時(shí)對(duì)于景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[24—27]的關(guān)系做了大量相關(guān)研究。以上研究具有相當(dāng)好的基礎(chǔ),但是具有針對(duì)的土地類型較為單一,選取的區(qū)域尺度較小,選取的區(qū)域?qū)ο蟛粔虻湫?少有結(jié)合熱點(diǎn)探討某一種特定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與景觀生態(tài)格局之間的相關(guān)性等問(wèn)題。在上述分析的基礎(chǔ)上,為響應(yīng)國(guó)家碳中和政策和低碳發(fā)展的目標(biāo),應(yīng)對(duì)城市群生態(tài)空間土地利用變化帶來(lái)的氣候環(huán)境問(wèn)題,本文選取京津冀區(qū)域中人口最為稠密、土地利用方式復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)社會(huì)脅迫效應(yīng)顯著的,以北京、天津兩大超級(jí)城市為核心的城市群區(qū)域作為研究對(duì)象,從生態(tài)空間不同土地利用類型出發(fā),對(duì)京津冀城市群固碳服務(wù)功能時(shí)空變化及其與景觀格局之間的關(guān)系特征進(jìn)行研究探討。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

京津冀地區(qū)是我國(guó)的“首都經(jīng)濟(jì)圈”,也是我國(guó)的三大城市群之一,是中國(guó)北方地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口聚集的中心,在中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。本研究將北京、天津、承德、唐山、張家口、保定、滄州、廊坊8個(gè)城市劃定為研究區(qū)域(圖1),地處東經(jīng)113°40′—119°19′,北緯37°29′—42°37′。位于黃河下游以北,北靠燕山山脈,南朝華北平原,西倚太行山,東臨渤海灣,屬于典型溫帶季風(fēng)氣候,地勢(shì)由西北向東南逐漸傾斜,降水量自東南向西北遞減,地貌類型多樣。根據(jù)2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),該區(qū)域總面積16萬(wàn)平方千米,NDVI平均值為0.753,其中耕地面積占總用地類型的45.87%,林地占22.36%,草地占16.80%,水域占3.55%,建設(shè)用地占總10.50%,城鎮(zhèn)化率高達(dá)70%,是中國(guó)北方城鎮(zhèn)化發(fā)展最為迅速的區(qū)域,具備發(fā)展成為世界級(jí)城市群的巨大潛力。

圖1 研究區(qū)域區(qū)位圖Fig.1 Location map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

研究數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及行政區(qū)劃來(lái)源于中國(guó)

科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心；生態(tài)空間土地利用數(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,分為耕地、林地、草地3類；遙感數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家地理信息空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)。以上數(shù)據(jù)分辨率均為1km×1km。

通過(guò)對(duì)比1998—2018年NDVI的平均值,根據(jù)突變點(diǎn)并結(jié)合京津冀的發(fā)展歷程篩選出具有代表性的4個(gè)時(shí)間：2000年、2005年2015年和2018年,基于ENVI 5.5和ArcGIS 10.6軟件對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行波段合成、鑲嵌、裁剪、大氣校正等預(yù)處理,參考《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2007),結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況及研究目的將研究區(qū)的土地利用類型劃分為林地、草地、耕地、水域、建設(shè)用地和未利用地6類,根據(jù)本文所采用的生態(tài)空間定義選擇耕地、林地、草地3種用地,利用ENVI軟件對(duì)影像進(jìn)行監(jiān)督分類,建立土地利用覆蓋空間數(shù)據(jù)對(duì)分類后的圖像進(jìn)行分類精度評(píng)估,總的精確度高于最低允許精度要求。獲得不同時(shí)期景觀組分分類圖后,在ArcGIS 10.6中進(jìn)行計(jì)算并制作專題圖進(jìn)行分析。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化計(jì)算

通過(guò)ArcGIS 10.6圖形切割處理和面積平差計(jì)算,實(shí)現(xiàn)2000、2005、2015、2018四年分別的生態(tài)空間土地利用分類面積匯總,分別計(jì)算出當(dāng)年生態(tài)空間耕地、林地、草地3個(gè)類型的土地面積及階段變化量。

1.3.2 生態(tài)空間固碳量時(shí)空分布計(jì)算

植被固碳能力可以用植物所固定的總初級(jí)生產(chǎn)力減去植物的呼吸作用的差值來(lái)表示[28],即植被 NPP,本研究NPP分布如圖2所示,NPP數(shù)據(jù)來(lái)源于資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心及國(guó)家地理信息空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)。本研究使用NPP數(shù)值通過(guò)ArcGIS 10.6柵格計(jì)算方法來(lái)估算京津冀城市群?jiǎn)挝幻娣e(以1km×1km為單位)固碳量分布及京津冀城市群生態(tài)空間不同用地平均單位面積固碳量及年總固碳量。

文本采用的區(qū)域生態(tài)空間固碳量計(jì)算公式如下[29]：

Gv=1.63Rc×A×NPP

式中,Gv為植被年固碳量(kg),Rc為CO2中碳的含量(kg),取值27.27%,A為生態(tài)空間面積(hm2)。

圖2 2000、2005、2015、2018年分別的凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)分布圖Fig.2 Net primary productivity (NPP) distribution for the four years 2000, 2005, 2015 and 2018

1.3.3 景觀指數(shù)選取計(jì)算

景觀指數(shù)是高度濃縮景觀格局信息,反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo)[30],不同類型的景觀指數(shù)反映了景觀格局在不同水平的演變以及景觀結(jié)構(gòu)的變化[31],在眾多景觀格局的分析方法中,景觀指數(shù)的應(yīng)用最為廣泛。本文根據(jù)研究區(qū)的景觀格局特點(diǎn),為從景觀結(jié)構(gòu)、景觀多樣性、空間異質(zhì)性、景觀破碎度和人類活動(dòng)影響程度等多方面研究區(qū)域景觀格局特征,分別選取了包含斑塊水平、類型水平、景觀水平3種尺度的7種景觀指數(shù),分別為斑塊密度PD、最大斑塊指數(shù)LPI、斑塊形狀指數(shù)LSI、景觀百分比PLAND、Shannon多樣性指數(shù)SHDI、Shannon均勻度指數(shù)SHEI、景觀聚集度CONTAG,通過(guò)Fragstats 4.2軟件對(duì)各景觀指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。各指標(biāo)計(jì)算方法及生態(tài)學(xué)意義見(jiàn)表1[30]。

1.3.4 固碳量與景觀指數(shù)相關(guān)性檢驗(yàn)

選用2018年8個(gè)城市3種類型用地的固碳量與其相對(duì)應(yīng)的幾種景觀指數(shù),通過(guò)SPSS 26軟件中的pearson相關(guān)系數(shù)、雙尾T檢驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn),得到相應(yīng)固碳量與景觀指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,以此反映京津冀城市群不同類型用地景觀格局和其固碳服務(wù)功能的相關(guān)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 2000—2018年京津冀城市群生態(tài)空間土地利用變化分析

由京津冀城市群生態(tài)空間土地覆被解譯分類表(表2)和京津冀生態(tài)空間土地覆被分布圖(圖3)可知京津冀生態(tài)空間用地類型在2000—2018年間的分布與面積變化情況。在2000年、2005年、2015年、2018年四年,3種用地的面積大小排序均為耕地>林地>草地,耕地為優(yōu)勢(shì)景觀類型。耕地面積在2000—2005年、2005—2015年兩個(gè)階段減少,增幅分別為-1.06%及-1.05%,在2015—2018年間增加,幅度為0.48%,到2018年總面積減少了2094.837km2,總增幅為-1.65%。林地面積在3個(gè)階段均表現(xiàn)為減少,在2000—2005年間、2005—2015年間增幅均-0.08%,在2015—2018年間減量增幅劇增,達(dá)到10.44%,到2018年總面積減少了7300.558km2,總增幅為-10.44%。草地面積在3個(gè)階段同樣均減少且減量微小,增幅分別為-0.44%、-0.26%、-2.37%,到2018年時(shí)總面積減少了508.119km2,總增幅為-0.46%。2000—2018年間3種用地面積總減少量排序?yàn)榱值?耕地>草地,總增幅量排序同為林地>耕地>草地?？偵鷳B(tài)空間用地面積在3個(gè)階段均表現(xiàn)為減少,總減量達(dá)9903.515km2,增幅為-0.46%。

表1 景觀指數(shù)說(shuō)明表

圖3 2000、2005、2015、2018年分別的生態(tài)空間土地覆被分布圖Fig.3 Ecological spatial land cover distribution for the four years 2000, 2005, 2015 and 2018

從京津冀城市群生態(tài)空間土地利用類型分布來(lái)看,耕地作為區(qū)域東南半部的主導(dǎo)類型,林地為區(qū)域西北半部的主導(dǎo)類型,草地的分布則多與林地相間。耕地其主要分布于研究區(qū)西北部的張家口境內(nèi)、區(qū)域中部及東南部包括北京市區(qū)周邊、唐山、天津、廊坊、滄州及保定。林地和草地的分布緊密程度較高,主要分布于研究區(qū)東北至西南上部包括承德大部及北京西北部、保定東北部及張家口東部。從時(shí)間變化來(lái)看,2000年、2005年、2015年3個(gè)時(shí)間點(diǎn)耕地、林地、草地的地域分布情況基本不變,2018年北京市內(nèi)西北部大面積的林地轉(zhuǎn)化為耕地。

2.2 2000—2018年京津冀城市群生態(tài)空間固碳分布與演變分析

由2000年、2005年、2015年、2018年4年生態(tài)空間各類型用地總固碳量表(表3)可知京津冀生態(tài)空間3種用地年固碳量在2000—2018年間的增長(zhǎng)量與增長(zhǎng)比例的情況。在2000年、2005年、2015年、2018年4年,3種用地的年固碳量大小排序均為耕地>林地>草地。耕地年固碳量在2000—2005、2005—2015、2015—2018年3個(gè)階段均表現(xiàn)為增加,2000—2005年間增幅最大,達(dá)到了38.45%,后兩個(gè)時(shí)期的增幅分別為3.07%,11.28%,2000—2018年期間總增幅為58.80%。林地年總固碳量在2000—2005年、2015—2018年兩個(gè)階段表現(xiàn)為增加,增幅分別為24.42%,6.70%,在2005—2015階段表現(xiàn)為減少,增幅為-8.42%,2000—2018年期間總增幅為21.90%。草地年固碳量在2000—2005年、2005—2015年、2015—2018年3個(gè)階段均表現(xiàn)為增加,增幅分別為35.63%、5.64%、8.20%,2000—2018年期間總增幅達(dá)到55.03%。2000—2018年間3種用地年固碳量總增長(zhǎng)排序?yàn)楦?林地>草地,總增幅量排序?yàn)楦?草地>林地。生態(tài)空間年總固碳量在2000—2005與2015—2018年兩個(gè)階段表現(xiàn)為增加,且在2000—2005期間增幅較大,增幅分別為32.21%與9.22%。生態(tài)空間年總固碳量在2005—2015間表現(xiàn)為減少,增幅為-1.01%。2000—2018年間表現(xiàn)為增加,總增幅為42.95%。

表3 2000、2005、2015、2018年生態(tài)空間各類型用地總固碳量表

由 2000年、2005年、2015年、2018年4年生態(tài)空間用地平均單位固碳量表(表4)及4年的耕地單位面積固碳量分布圖(圖4)可知2000—2018年間研究區(qū)耕地平均單位固碳量、不同地區(qū)耕地的單位面積固碳量差異及變化情況。單位面積固碳量反應(yīng)的特定位置固碳能力的強(qiáng)弱,從區(qū)域分布來(lái)看,4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的單位面積固碳量區(qū)域差異較為顯著,總體上均呈由西北部至東南部遞增的趨勢(shì),在東南部區(qū)域又以唐山中大部,保定東南部及天津西北部數(shù)值最高。從時(shí)間變化來(lái)看,2018年北京西北部數(shù)值顯著增大。從研究區(qū)平均單位固碳量與最高單位固碳量的數(shù)值關(guān)系來(lái)看,四年研究區(qū)耕地的平均單位固碳量分別為16021990.406、22421947.245、23247808.804、25869464.899kg/km2,而四年研究區(qū)內(nèi)耕地的最大單位固碳量分別為75914728、82781000、77993328、90501928kg/km2。耕地平均單位固碳量與最大單位固碳量的數(shù)差異較大,反應(yīng)出耕地單位固碳值普遍較低。同時(shí),雖然研究區(qū)耕地平均單位固碳量與最大單位固碳量均逐個(gè)時(shí)期遞增,但最大單位固碳量的增加幅度遠(yuǎn)大于與平均單位固碳量,導(dǎo)致平均值與最大值差距逐漸增大。

表4 2000、2005、2015、2018年生態(tài)空間各類型用地平均單位固碳量表/(kg/km2)

圖4 2000、2005、2015、2018年分別的耕地單位面積固碳量分布圖Fig.4 Distribution of carbon sequestered per unit area of cropland for each of the four years 2000, 2005, 2015 and 2018

由 2000年、2005年、2015年、2018年4年生態(tài)空間用地平均單位固碳量表(表4)及4年的林地單位面積固碳量分布圖(圖5)可知2000—2018年間研究區(qū)林地平均單位固碳量、不同地區(qū)林地的單位面積固碳量差異及變化情況。從區(qū)域分布來(lái)看,4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的林地單位固碳量均呈總體上由分布區(qū)中部向四周擴(kuò)散的趨勢(shì),北京市內(nèi)林地單位面積固碳量值處于較高水平,承德及保定次之,承德市內(nèi)東南部的數(shù)值水平接近于北京數(shù)值,往西北部則逐漸遞減。從各時(shí)間變化來(lái)看,2018年北京西北部固碳數(shù)值明顯減小。從研究區(qū)平均單位固碳量與最高單位固碳量的數(shù)值關(guān)系來(lái)看,四年研究區(qū)林地的平均單位固碳量分別為27774357.419、34588531.660、35336453.285、37806906.322kg/km2,而4年研究區(qū)內(nèi)林地的最大單位固碳量分別為75352352、84405128、82687096、90595952kg/km2。同耕地,林地平均單位固碳量與最大單位固碳量的數(shù)值差異大,反應(yīng)出林地單位固碳值普遍較低。研究區(qū)林地平均單位固碳量與最大單位固碳量均逐個(gè)時(shí)期遞增,但平均值與最大值差距無(wú)明顯增大。

圖5 2000、2005、2015、2018年分別的林地單位面積固碳量分布圖Fig.5 Distribution of carbon sequestered per unit area of forest land for four years 2000, 2005, 2015 and 2018 respectively

圖6 2000、2005、2015、2018年分別的草地單位面積固碳量分布圖Fig.6 Distribution of carbon sequestration per unit area of grassland for each of the four years 2000, 2005, 2015 and 2018

由 2000年、2005年、2015年、2018年4年生態(tài)空間用地平均單位固碳量表(表4)及4年的草地單位面積固碳量分布圖(圖6)可知2000—2018年間研究區(qū)草地平均單位固碳量、不同地區(qū)草地的單位面積固碳量差異及變化情況。從區(qū)域分布來(lái)看,4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的草地單位固碳量總體上均呈由東北及西南部向中部遞減的趨勢(shì),承德大部與保定西部區(qū)域數(shù)值較高,張家口區(qū)域數(shù)值較低。從時(shí)間變化來(lái)看,2000—2018年期間變化呈現(xiàn)出高數(shù)值向承德東部移動(dòng)的趨勢(shì)。從研究區(qū)平均單位固碳量與最高單位固碳量的數(shù)值關(guān)系來(lái)看,4年研究區(qū)草地的平均單位固碳量分別為15076585.653、20538448.872、21836300.932、23627288.110kg/km2,而四年研究區(qū)內(nèi)草地的最大單位固碳量分別為78310456、81950336、79896704、90595952kg/km2。同耕地與林地,草地平均單位固碳量與最大單位固碳量的數(shù)差異較大,反應(yīng)出草地單位固碳值普遍較低。在時(shí)間變化上,研究區(qū)林地平均單位固碳量逐個(gè)時(shí)期遞增,但最大單位固碳量在2000年、2005年與2015年變化不大,在2018年數(shù)值增大明顯,同時(shí)平均值與最大值差距也在2018年顯著增大。

2.3 2018京津冀城市群生態(tài)空間不同土地利用類型固碳服務(wù)功能與景觀指數(shù)關(guān)系分析

使用2018年研究區(qū)8個(gè)城市生態(tài)空間三類用地的相關(guān)數(shù)據(jù),通過(guò)SPSS 26軟件中的pearson相關(guān)系數(shù)、雙尾T檢驗(yàn)對(duì)各城市生態(tài)空間相應(yīng)景觀指數(shù)表(表5)及各城市不同類型生態(tài)空間用地年總固碳量(表6)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗(yàn),不同類型的景觀格局指數(shù)與不同類型用地的年總固碳量的相關(guān)性結(jié)果如上表(表7、8、9、10)所示：耕地年總固碳量與其對(duì)應(yīng)的各景觀指數(shù)沒(méi)有明顯相關(guān)性；林地年總固碳量與最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊形狀指數(shù)(LSI)、景觀百分比(PLAND)有0.01級(jí)別的顯著正相關(guān)性,相關(guān)性指數(shù)分別為0.969、0.858、0.915,表明林地固碳量越大時(shí),其斑塊形狀復(fù)雜程度及斑塊分離程度越大,內(nèi)部的優(yōu)勢(shì)景觀斑塊占比增大,優(yōu)勢(shì)景觀越突出；草地年總固碳量與斑塊密度(PD)、景觀百分比(PLAND)有0.05級(jí)別的顯著正相關(guān)性,相關(guān)性指數(shù)分別為0.756、0.790,與斑塊形狀指數(shù)(LSI)有0.01級(jí)別的顯著正相關(guān)性,相關(guān)性指數(shù)為0.907,說(shuō)明草地的年總固碳量越大時(shí),內(nèi)部斑塊的破碎化程度越大,優(yōu)勢(shì)景觀越突出,斑塊形狀越不規(guī)則。生態(tài)空間總固碳量與其斑塊形狀指數(shù)(LSI)有0.01級(jí)別的顯著正相關(guān)性,相關(guān)性指數(shù)為0.879,說(shuō)明生態(tài)空間年總固碳量越大,斑塊形狀復(fù)雜程度越大,斑塊分離程度越大。

表5 2018年京津冀8個(gè)城市不同類型用地景觀指數(shù)表

表6 2018年京津冀8個(gè)城市不同類型用地年總固碳量表/kg

表7 2018年不同景觀格局指數(shù)與耕地固碳功能的對(duì)應(yīng)相關(guān)性

表8 2018年不同景觀格局指數(shù)與林地固碳功能的對(duì)應(yīng)相關(guān)性

表9 2018年不同景觀格局指數(shù)與草地固碳功能的對(duì)應(yīng)相關(guān)性

表10 2018年不同景觀格局指數(shù)與生態(tài)空間固碳功能的對(duì)應(yīng)相關(guān)性

3 討論

3.1 生態(tài)空間不同土地利用類型固碳量及固碳能力變化及差異

根據(jù)京津冀城市群生態(tài)空間固碳分布與演變結(jié)果來(lái)看,同一用地類型在研究區(qū)不同區(qū)域、不同時(shí)期的固碳能力不同且差異較大。探討原因,可能與不同用地的植物類型及其所在地的自然地理?xiàng)l件對(duì)固碳方式的影響有關(guān)。從植物種類來(lái)說(shuō),固碳量數(shù)值大小與植被NPP值大小有關(guān),不同地點(diǎn)植物種類差異會(huì)導(dǎo)致其固碳功能差異[21]。從碳儲(chǔ)密度來(lái)說(shuō),森林生態(tài)系統(tǒng)平均植物碳貯存密度為189mg/hm2,草原和農(nóng)田植物碳貯存密度分別為21mg/hm2和5mg/hm2[32]。從土地利用影響因素來(lái)說(shuō),耕地固碳功能不同于林地、草地固碳功能,耕地是人工控制下的開(kāi)放式自然生態(tài)系統(tǒng),固碳受氣候狀況、土壤類型、管理措施、計(jì)量時(shí)間等多因素影響[20],其固碳能力在不同的時(shí)空尺度上存在較大差異,應(yīng)充分考慮系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程；林地凈固碳量與森林植被碳吸收、土壤碳釋放、枯枝落葉分解速率等關(guān)系密切,受林分類型和大小、地形地貌、氣候等因素影響[33—34],例如,微生物相對(duì)容易分解利用碳氮比低的灌木林枯落物,使喬木固沙林土壤有機(jī)物較多停留在土壤中,造成其總碳累積速率與效應(yīng)比灌木林高[35]；草地有機(jī)碳固定受氣候、植被、土壤理化特性以及人類活動(dòng)等諸多物理、生物和人為因素交互作用的影響,人文因素包括灌溉、引種、補(bǔ)播及松土改良等的土地利用和土地管理措施,自然因素包括溫度、降水等氣候因子及大氣CO2濃度等[36—37]。

3.2 基于不同土地利用類型固碳服務(wù)功能與景觀指數(shù)的關(guān)系的生態(tài)空間優(yōu)化策略

根據(jù)固碳功能與景觀指數(shù)的相關(guān)性結(jié)果來(lái)看,不同生態(tài)空間用地類型的固碳功能與不同景觀指數(shù)的相關(guān)性不同,各個(gè)景觀指數(shù)對(duì)固碳量的變化均無(wú)明顯負(fù)向作用。但本實(shí)驗(yàn)僅研究了其相關(guān)性,對(duì)于相互作用的因果方有待進(jìn)一步研究證實(shí)。針對(duì)生態(tài)空間不同用地類型所相關(guān)的不同景觀指數(shù)的特點(diǎn),可采取提高與其相關(guān)性強(qiáng)的景觀指數(shù)的措施或增強(qiáng)該類型用地的固碳服務(wù)功能進(jìn)行相互間的優(yōu)化提升。在影響景觀格局的可能因素方面,社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整等造成城市建設(shè)用地規(guī)模擴(kuò)大和生態(tài)空間萎縮,改變了景觀格局[38],進(jìn)而對(duì)生態(tài)空間用地固碳服務(wù)功能造成影響。生態(tài)空間土地利用類型耕地、林地、草地都為碳匯用地,綜合研究結(jié)果,優(yōu)化生態(tài)空間用地結(jié)構(gòu)可以更合理地利用土地,提高碳匯效益。優(yōu)化策略應(yīng)落實(shí)到具體的碳匯用地調(diào)整上,如：增加林地等碳匯能力佳的用地類型；通過(guò)重組生態(tài)廊道、碳匯斑塊來(lái)提升碳匯效益；嚴(yán)格劃定保護(hù)隔離線和緩沖區(qū)域,把受人類活動(dòng)干擾的區(qū)域轉(zhuǎn)移到低匯區(qū)；可持續(xù)地優(yōu)化城鄉(xiāng)土地利用結(jié)構(gòu),形成耕地、林地、草地按合理比例混合的布局形式等。從土地利用角度出發(fā),同時(shí)結(jié)合城市群特點(diǎn)與景觀生態(tài)學(xué)、國(guó)土空間規(guī)劃等相關(guān)理論,對(duì)研究區(qū)生態(tài)空間進(jìn)行策略優(yōu)化,可以為提升京津冀群的碳匯效益及整體碳循環(huán),創(chuàng)造健康可持續(xù)的健康低碳環(huán)境提供指導(dǎo)。

4 結(jié)論

本研究利用1998—2018年間京津冀地區(qū)的發(fā)展歷程中具有代表性的4個(gè)時(shí)間點(diǎn)(2000年、2005年、2015年、2018年)生態(tài)空間3種用地類型耕地、林地、草地的土地覆被及植被固碳量數(shù)據(jù),研究了生態(tài)空間土地利用變化、單位面積固碳量及年總固碳量的變化和分布特點(diǎn),利用2018年8個(gè)城市各自的生態(tài)空間用地固碳量與不同景觀指數(shù)的關(guān)系,研究了生態(tài)空間固碳服務(wù)功能與景觀格局的關(guān)系特征,并根據(jù)上述研究結(jié)果提出相關(guān)探討。

研究結(jié)果表明：

(1)京津冀生態(tài)空間中耕地、林地、草地均為碳匯用地,2000—2018年期間用地面積排序?yàn)椋焊?林地>草地,用地面積減少量排序?yàn)椋毫值?耕地>草地。耕地為研究區(qū)東南半部的主導(dǎo)類型,林地作為區(qū)域西北半部的主導(dǎo)類型,草地分布呈與林地相間狀態(tài)。從時(shí)間變化來(lái)看,2000年、2005年、2015年3個(gè)時(shí)間點(diǎn)耕地、林地、草地的分布情況基本不變,2018年北京市內(nèi)西北部大面積的林地轉(zhuǎn)化為耕地。

(2)2000—2018年期間生態(tài)空間3種用地的年固碳量排序?yàn)椋焊?林地>草地,用地年固碳量增長(zhǎng)量排序?yàn)楦?林地>草地。從平均單位固碳量來(lái)說(shuō),4個(gè)時(shí)間點(diǎn)均表現(xiàn)為：林地>耕地>草地。從單位固碳量時(shí)空變化來(lái)看,區(qū)域分布差異明顯且隨時(shí)間變化量大。

(3)從生態(tài)空間不同用地類型的固碳量與景觀格局的關(guān)系來(lái)看,耕地年總固碳量與其各景觀指數(shù)沒(méi)有明顯相關(guān)性；林地年總固碳量與最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊形狀指數(shù)(LSI)、景觀百分比(PLAND)有0.01級(jí)別的顯著正相關(guān)性；草地年總固碳量與斑塊密度(PD)、景觀百分比(PLAND)有0.05級(jí)別的顯著正相關(guān)性,與斑塊形狀指數(shù)(LSI)有0.01級(jí)別的顯著正相關(guān)性；生態(tài)空間總固碳量與斑塊形狀指數(shù)(LSI)有0.01級(jí)別的顯著正相關(guān)性。

根據(jù)研究結(jié)果提出了相關(guān)原因討論,同時(shí)基于固碳服務(wù)功能與景觀格局的關(guān)系特征,從土地利用角度提出了京津冀生態(tài)空間土地利用優(yōu)化策略。本文對(duì)前人研究進(jìn)行了理論補(bǔ)充及實(shí)驗(yàn)完善,對(duì)全球變暖之下城市群生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供了方法指導(dǎo)和借鑒。本文僅選取京津冀城市群進(jìn)行分析說(shuō)明,對(duì)于其他城市群區(qū)域存在的差異性未能顧及；不同類型的生態(tài)空間用地與景觀指數(shù)的相關(guān)性差異原因尚未確鑿；僅研究了其相關(guān)性,對(duì)于相互作用的因果方及作用機(jī)制有待深入深。