基于InVEST模型的鄭州市生態(tài)系統(tǒng)固碳能力評(píng)估

溫靜宜 王佳瑤 葉松竹 趙倩彤 張靜靜

（鄭州師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院，河南 鄭州 450044）

0 引言

全球氣候變化導(dǎo)致極端氣候事件頻發(fā)，對(duì)人類生活環(huán)境造成了一定挑戰(zhàn)。人類現(xiàn)在需要對(duì)如何在不過(guò)度使用后代生活資源的前提下合理地利用當(dāng)前環(huán)境資源這一目標(biāo)進(jìn)行深刻的思考。我國(guó)爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)，行動(dòng)刻不容緩［1］。在碳循環(huán)過(guò)程中，碳被陸地生態(tài)系統(tǒng)存儲(chǔ)的環(huán)節(jié)至關(guān)重要，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量提高，可以有效減少溫室效應(yīng)對(duì)氣候的影響，這種固碳方法在國(guó)際上被公認(rèn)是經(jīng)濟(jì)可行的［2］。有學(xué)者模擬土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響變化，較直觀地表現(xiàn)出研究區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)蓄碳能力［3-4］，有利于進(jìn)一步加強(qiáng)未來(lái)的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理，也為提升城市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量提供新途徑、新思路。城市陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力的主要表現(xiàn)為城市的土地利用類型通過(guò)改變陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和過(guò)程來(lái)影響其碳儲(chǔ)量。研究表明［5-6］，碳儲(chǔ)量功能對(duì)生態(tài)環(huán)境狀況的改變意義非凡，且生態(tài)系統(tǒng)蓄碳量空間分布的差異是自然和人為雙重因素的共同結(jié)果。在全球生態(tài)系統(tǒng)方面，碳儲(chǔ)量發(fā)生降低現(xiàn)象的主要原因是熱帶雨林的濫砍亂伐［7-8］；在城市生態(tài)系統(tǒng)方面，土地利用類型的變化是碳儲(chǔ)量發(fā)生時(shí)空分布變化的重要因素，且其貢獻(xiàn)率高達(dá)90%左右［9］，即城市建設(shè)用地的擴(kuò)張是導(dǎo)致城市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量降低不可忽視的因素。諸多學(xué)者針對(duì)土地利用對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響展開(kāi)了大量研究［10-12］。其研究結(jié)果均表明，土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)提升陸地生態(tài)系統(tǒng)的蓄碳能力具有明顯且有效的作用，且學(xué)者提出了要加強(qiáng)對(duì)土地的集約化利用，保護(hù)農(nóng)田，減少人為活動(dòng)對(duì)土地的濫用與亂用的建議，以有效提升城市陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)碳的儲(chǔ)蓄能力。侯麗朋等［13］研究發(fā)現(xiàn)鄭州市農(nóng)業(yè)種植、林地、城市綠地、城市水域是鄭州市主要碳匯來(lái)源，但是碳吸收不足以補(bǔ)償總的碳排放量，且其研究結(jié)果指出鄭州市的碳循環(huán)壓力在不斷增加，城市的碳生產(chǎn)能力在不斷提升。因此，預(yù)測(cè)鄭州市土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)其陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響，定量評(píng)估鄭州市固碳能力，優(yōu)化鄭州市土地利用分布，對(duì)提升鄭州市生態(tài)系統(tǒng)固碳能力有著重大的意義，也進(jìn)而為緩解氣候變化貢獻(xiàn)一份力量。本研究使用可模擬城市不同土地利用下生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值量的工具——InVEST 模型其中的碳儲(chǔ)量模塊，反映一定時(shí)間尺度內(nèi)鄭州市碳儲(chǔ)量的空間變化等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析提出鄭州市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的相應(yīng)措施與方法。以鄭州市2017 年土地利用及相關(guān)碳密度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算與分析鄭州市不同土地利用碳儲(chǔ)量和鄭州市碳匯能力，有利于城市管理者與規(guī)劃者進(jìn)一步提升鄭州市生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力，提高鄭州市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量而作出精準(zhǔn)有效的決策，且在一定程度上為低碳環(huán)保建設(shè)及城市生態(tài)系統(tǒng)固碳建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心提供的地表覆蓋數(shù)據(jù)（http：//www.Globallandcover.com），并將土地利用二級(jí)類合并為一級(jí)類，分別為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地六類。

碳密度數(shù)據(jù)參考赫曉慧等［14］關(guān)于中原城市群生態(tài)系統(tǒng)碳密度的研究結(jié)果。

1.2 基于InVEST模型的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量評(píng)估

1.2.1 InVEST 模型的碳儲(chǔ)量計(jì)算。碳儲(chǔ)量計(jì)算包括常見(jiàn)的四大基本碳庫(kù)（地上、地下、土壤和死亡有機(jī)質(zhì)），但由于死亡有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)數(shù)據(jù)難以獲取，所以本研究?jī)H考慮三大碳庫(kù)碳儲(chǔ)量。

1.2.2 碳密度的選定。首先，根據(jù)郝曉慧等［14］的研究獲得鄭州市耕地、林地、草地以及水域的地上、地下生物量和土壤碳密度數(shù)據(jù)以及建設(shè)用地和未利用地的土壤碳密度，見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)土地利用類型的碳密度

在模塊中基于土地利用和碳密度數(shù)據(jù)，計(jì)算2017年鄭州市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量，并進(jìn)行空間異質(zhì)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄭州市土地利用類型及分析

由表2及圖1可知，鄭州市耕地面積最大，占鄭州市總面積的61.106%，分布面積較廣，除中心城

圖1 鄭州市土地利用類型分布圖

表2 研究區(qū)土地利用類型面積及占比

單位：t/hm2區(qū)和西部山區(qū)以外，其他地區(qū)均有分布。其次為建設(shè)用地，隨著近年來(lái)城市化發(fā)展程度的不斷提高，建設(shè)用地面積不斷擴(kuò)大，占鄭州市總面積的28.182%，主要分布于鄭州市中部主城區(qū)。林地、草地分別占比7.467%、1.770%，分布于西部和西南部山區(qū)及丘陵地區(qū)。水域占1.473%，分布于北部黃河流經(jīng)地區(qū)。未利用地面積極小，占0.003%，零星分布于主城區(qū)等地。

2.2 鄭州市生態(tài)系統(tǒng)固碳能力分析

2.2.1 不同土地利用類型碳儲(chǔ)量和碳密度對(duì)比分析。根據(jù)研究數(shù)據(jù)計(jì)算得出，鄭州市2017 年總碳儲(chǔ)量為5 385.502×102t，其中地上碳儲(chǔ)量為319.121×102t，地下碳儲(chǔ)量為63.824×102t，土壤碳儲(chǔ)量為5 002.557×102t，說(shuō)明鄭州市生態(tài)系統(tǒng)具有較好的碳吸收能力。

鄭州市各土地利用類型碳儲(chǔ)量及碳密度見(jiàn)表3。由表3 可知，整體來(lái)看，鄭州市林地碳密度最高，達(dá)到89.362 t/hm2；耕地次之，為75.436 t/hm2；建設(shè)用地和未利用地的碳密度值中等，分別為60 t/hm2和53.300 t/hm2；草地和水域碳密度值最低，分別為46.230 t/hm2和36.960 t/hm2。由上述數(shù)據(jù)可以看出，耕地碳密度值較高，且由于耕地面積在鄭州市各土地利用類型中占比最大，占鄭州市生態(tài)系統(tǒng)固碳的主要地位。

表3 研究區(qū)土地利用類型碳儲(chǔ)量和碳密度

耕地的碳儲(chǔ)量最大，達(dá)到3 494.409×102t，占總碳儲(chǔ)量的64.88%?？梢?jiàn)在鄭州市生態(tài)系統(tǒng)中，耕地碳儲(chǔ)量在各種土地利用類型中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，是生態(tài)系統(tǒng)中碳儲(chǔ)量蓄積的主力。隨著城市化進(jìn)程不斷加快，鄭州市建設(shè)用地也占據(jù)鄭州市28.182%的用地面積，碳儲(chǔ)量達(dá)到1 281.828×102t，建設(shè)用地的地上及地下生物量極低，但土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較高，因此也具有一定的固碳能力。林地固碳能力顯著，碳儲(chǔ)量達(dá)到505.845×102t，也在鄭州市生態(tài)系統(tǒng)固碳中起到重要作用。

2.2.2 碳儲(chǔ)量和碳密度空間變化分析。圖2為碳密度空間分布圖，圖3 為碳密度分級(jí)示意圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，鄭州市碳密度低值區(qū)（≤60 t/hm2）主要分布于西北、東北邊緣地區(qū)，即黃河水域，黃河水域由于生物量較小，碳匯能力較弱；其次零星分布于西部山區(qū)和鄭州市主城區(qū)，而西部山區(qū)有小部分草地與建設(shè)用地分布，這部分土層較薄，草地分布較多，但由于其固碳能力較弱，因此碳密度較低，主城區(qū)多為建筑用地，但也有未利用地零星分布，該土地利用類型生物量小，碳匯能力弱。高值區(qū)（≥80 t/hm2）主要分布于西部山區(qū)與西南片區(qū)，該地水資源發(fā)達(dá)，林地資源豐富，森林覆蓋率高，生物量大，是鄭州市最為活躍的生態(tài)系統(tǒng)，因此為碳密度高值區(qū)。中值區(qū)（60～80 t/hm2）主要分布于鄭州市大部分耕地地區(qū)及北偏東部鄭州市主城區(qū)。鄭州市耕地面積大、分布廣，因耕地生物量大，植物光合作用能力強(qiáng)，生態(tài)系統(tǒng)較為活躍，加上施肥等農(nóng)田管理措施的作用，該生態(tài)系統(tǒng)固碳能力得到增強(qiáng)，因而碳密度中等偏高。鄭州市主城區(qū)大部分為建設(shè)用地，碳密度中等偏低，這是由于該地區(qū)城市化程度高，因此建設(shè)用地集中分布，地上生物量小，碳匯能力較弱。

圖2 鄭州市碳密度空間分布圖

圖3 鄭州市碳密度分級(jí)示意圖

3 結(jié)論

本研究基于土地利用和碳密度數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS 和InVEST 模型，計(jì)算得出鄭州市不同土地利用類型的碳儲(chǔ)量以及碳密度空間分布，從而對(duì)鄭州市生態(tài)系統(tǒng)固碳能力進(jìn)行評(píng)估，得到的結(jié)論如下。①鄭州市土地利用以耕地與建設(shè)用地為主，其次為林地與草地，水域和未利用地面積較小。②鄭州市林地碳密度最高，達(dá)到89.362 t/hm2；耕地次之，為75.436 t/hm2。鄭州市生態(tài)系統(tǒng)整體碳儲(chǔ)量為5 385.50×102t，其中耕地碳儲(chǔ)量達(dá)到3 494.409×102t，占總碳儲(chǔ)量的64.88%?？梢?jiàn)在鄭州市生態(tài)系統(tǒng)中，由于耕地面積在鄭州市各土地利用類型中占比最大，耕地碳儲(chǔ)量在各種土地利用類型中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，是生態(tài)系統(tǒng)中碳儲(chǔ)量蓄積的主力。③鄭州市碳密度低值區(qū)主要分布于西北、東北邊緣地區(qū)，其次零星分布于西部山區(qū)和鄭州市主城區(qū)；高值區(qū)主要分布于西部山區(qū)及西南片區(qū)；中值區(qū)主要分布于鄭州市大部分耕地地區(qū)及北偏東部鄭州市主城區(qū)。

由以上結(jié)論可知，由于耕地在鄭州市生態(tài)系統(tǒng)中固碳價(jià)值巨大，因此要在保證耕地?cái)?shù)量的基礎(chǔ)上提高耕地的質(zhì)量，強(qiáng)化耕地碳匯能力。而林地碳密度最高，但面積占比較小，通過(guò)植樹(shù)造林及優(yōu)化林地結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提升生態(tài)系統(tǒng)固碳能力。隨著鄭州市的快速發(fā)展，建設(shè)用地侵占耕地、林地會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)固碳能力降低，因此要合理規(guī)劃土地利用，控制建設(shè)用地增加速度，保護(hù)耕地與林地。鑒于此，鄭州市應(yīng)優(yōu)化耕地結(jié)構(gòu)，注重耕地保護(hù)，推進(jìn)植樹(shù)造林，優(yōu)化林地結(jié)構(gòu)，并控制建設(shè)用地的增加速度。