碳中和導向下基于InVEST模型的城市生態(tài)空間系統(tǒng)評價研究

郭茹　邵光輝　劉林京　曹曉靜　賈海峰

關鍵詞：土地利用；生態(tài)空間；碳中和；空間分析；元胞自動機

中圖分類號：X820 文獻標志碼：B

Key words：land use; ecological space; carbon neutrality; spatial analysis; cellular automata空間。中國2020年提出“爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和”，對未來生態(tài)碳匯能力和水平形成了剛性約束，而生態(tài)空間則是生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力和水平的物理承載。面向碳中和目標的生態(tài)空間管控是一個涉及生態(tài)、經(jīng)濟和社會系統(tǒng)多元協(xié)同的復雜工程，面臨諸多挑戰(zhàn)。一是對微觀尺度下生態(tài)空間管控單元的精細化研究不足，尤其是對不同尺度管控單元劃定科學性與管控有效性的評價分析；二是目前生態(tài)空間管控單元主要依據(jù)其歷史和現(xiàn)狀情況進行評估、分級與劃定，未充分考慮土地演化對其長遠影響，難以應對未來土地利用變化所造成的生態(tài)安全風險；三是對生態(tài)碳匯能力與水平的有效評估亟待加強。

針對當前管控要求與未來需要，研究利用Arc-GIS技術，建立了基于InVEST模型的生態(tài)空間系統(tǒng)評價方法，對城市生態(tài)空間的數(shù)量、格局與品質進行綜合性評估，以期為碳中和導向下的生態(tài)空間規(guī)劃與管控提供參考基準和定量分析工具，為上海乃至全國開展基于生態(tài)空間科學管控的氣候變化應對提供借鑒。

2研究方法與研究區(qū)域

2.1城市生態(tài)空間系統(tǒng)評價方法

研究面向國家碳中和戰(zhàn)略目標，提出了一種融合了城市生態(tài)空間數(shù)量、格局和碳匯水平的系統(tǒng)評價方法。通過土地利用轉移矩陣識別城市生態(tài)空間數(shù)量變化水平，采用景觀水平指數(shù)評估生態(tài)空間變化的空間格局特征，同時基于InVEST模型開展了生態(tài)空間碳匯水平評估。

2.1.1生態(tài)空間數(shù)量評價方法

研究從靜態(tài)和動態(tài)兩個角度分析了生態(tài)空間數(shù)量變化。靜態(tài)方面，統(tǒng)計了不同年份各類土地的絕對數(shù)量與比例，明確了土地利用演化整體趨勢；動態(tài)方面，利用土地利用轉移矩陣，明確了土地利用演化的具體類型。

2.1.2生態(tài)空間格局評價方法

景觀指數(shù)是生態(tài)空間景觀格局分析的重要方法之一，可表征景觀的破碎化程度以及連通性、穩(wěn)定性等特征。為了定量識別城市生態(tài)空間格局破碎化趨勢和復雜性程度，研究采用景觀指數(shù)法評估生態(tài)空間變化的空間格局特征，包括邊緣密度、面積加權平均斑塊分維數(shù)和景觀聚合度指數(shù)。

式（4）中，C_total、C_above、C_below、C_soil和C_dead分別代表研究區(qū)域內的總碳匯量、地上生物碳匯量、地下生物碳匯量、土壤有機質碳匯量，死亡有機質碳匯量，單位均為tC。

研究采用不同生態(tài)空間類型碳密度法對碳匯能力進行估算。碳密度指單位面積生態(tài)空間中的碳匯量，單位為tC·ha^-1。

2.2數(shù)據(jù)來源

研究采用的土地利用數(shù)據(jù)來自中國自然資源部下轄國家基礎地理信息中心全球地表覆蓋30米分辨率遙感數(shù)據(jù)制圖成果（GlobeLand30）。行政區(qū)劃數(shù)據(jù)來自國家基礎地理信息中心。DEM高程數(shù)據(jù)來自全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)產品（ASTER GlobalDigital Elevation Model，ASTER GDEM）。路網(wǎng)數(shù)據(jù)來自中國城市規(guī)劃設計研究院上海分院。其他數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局網(wǎng)站、上海統(tǒng)計年鑒（2004年- 2020年）等。

3結果與討論

3.1上海市生態(tài)空間數(shù)量演變

3.2上海市生態(tài)空間格局演變

如表1和圖2所示，2000年-2020年上海市總體生態(tài)空間格局呈現(xiàn)破碎化發(fā)展，但破碎化程度逐漸降低。城鎮(zhèn)開發(fā)邊界從“攤大餅”式的無序擴張，轉型為多樣化、集中式發(fā)展，耕地面積顯著減少，林

城鎮(zhèn)化發(fā)展導致2000年-2020年上海市建設用地不斷增加，耕地面積持續(xù)減少，但兩者總量基本穩(wěn)定在63萬公頃左右。同時，林地、草地、濕地面積增長迅速，生態(tài)空間類型趨于多樣，生態(tài)空間持續(xù)拓展。

分區(qū)域看（如圖1所示），中心城區(qū)主要土地利用類型為建設用地，2000年-2020年，長寧區(qū)、普陀區(qū)、楊浦區(qū)建設用地有所增長，黃浦區(qū)與虹口區(qū)建設用地保持穩(wěn)定，徐匯區(qū)與靜安區(qū)建設用地有所減少。生態(tài)空間方面，至2020年，中心城區(qū)耕地面積已不足2公頃，林草地面積大幅提升，水體面積保持穩(wěn)定。除崇明區(qū)外，其他區(qū)域耕地面積均逐年減少。

總體而言，2000年-2020年間，土地利用類型從“兩分城市六分田”格局轉變?yōu)椤八姆殖鞘兴姆痔铩备窬?。其中，耕地面積減少，建設用地快速上升，水體面積略有下降，林地、草地、濕地等生態(tài)空間占比有所增加，“向海要地”速度放緩。從土地利用轉化趨勢來看，各地類穩(wěn)定性由高到低排列依次為建設用地、水體和耕地、濕地、草地、林地。草地沿外環(huán)綠道及社區(qū)街道呈現(xiàn)“一環(huán)星布”式發(fā)展，水體濕地保持穩(wěn)定。生態(tài)空間的分布與品質更加優(yōu)化，但優(yōu)勢斑塊的連通度有所下降，整體景觀趨于破碎復雜，生態(tài)空間受到人類活動的影響更加顯著，生態(tài)安全風險有所增加，保證其穩(wěn)定性的維護運營成本顯著提升。

建設用地方面，2000年-2010年，上海市建設用地擴張增速達51.50%，將大量耕地轉化為城鎮(zhèn)空間，建設用地景觀分布更加破碎；2010年-2020年，上海市建設用地擴張速度放緩，僅增長15.27%。耕地方面，2000年-2010年，上海市耕地減少17.75%；2010年-2020年，上海市耕地減少15.54%，耕地向林地、草地、濕地轉移明顯，圍墾造田速度略有下降，耕地空間布局逐步呈碎片化。林草地方面，2000年-2010年，上海市中心城區(qū)林草地有所減少，城市綠地主要依托森林公園建設；2010年-2020年，上海市中心城綠帶建設成效顯著，城市綠地服務能力顯著提升。濕地方面，2000年-2010年，上海市濕地增長81.00%；2010年-2020年，上海濕地增長迅速放緩，增長僅3.56%。水體方面，2000年-2010年，上海市水體減少12.14%；2010年-2020年，上海市水體減少幅度縮小至2.27%，城市建成區(qū)內水體面積有所增加，與崇明區(qū)圍墾導致水體減少形成對沖，水體總面積逐漸趨于平衡。

總體來看，上海市生態(tài)空間趨于破碎化發(fā)展，生態(tài)安全風險有所增加，維護運營成本顯著提升。應加強生態(tài)空間綜合管控，在生態(tài)稟賦良好的區(qū)域預留大型生態(tài)空間建設地塊。立足本地水網(wǎng)密布的景觀特征，因地制宜提升生態(tài)空間連通性。堅持保護優(yōu)先，自然恢復為主的方針，加強自然濕地保護，通過減少不必要的人工干預降低運營維護成本。

3.3上海市生態(tài)空間碳匯水平演變

從碳匯總量來看，2000年-2020年上海市生態(tài)空間碳匯總體呈現(xiàn)減弱趨勢，生態(tài)空間總體碳匯量減少6.22%。其中，2000年-2010年減少11.58%，2010年-2020年增長6.07%，生態(tài)空間碳匯量有所回升，生態(tài)品質退化趨勢明顯好轉。

從生態(tài)空間類型來看（如圖3所示），耕地碳匯是上海生態(tài)碳匯的主要形式。其中，2000年占比最高達93.85%，2020年占比下降至69.53%，占比明顯下降；林草地碳匯能力迅速提升，兩者之和從2000年的1.59%增加至2020年的21.37%水平，數(shù)量增長為12.59倍，填補了耕地面積下降導致的碳匯能力減少；濕地碳匯能力顯著提升，2020年占比達到9.10%。2020年，上海市生態(tài)空間碳匯分布更加多元，結構更加優(yōu)化，林草地與濕地碳匯量占比達到三分之一以上。

分區(qū)域來看，中心城區(qū)單位面積碳匯不及郊區(qū)，但波動幅度強于郊區(qū)，呈現(xiàn)明顯的空間差異。2000年-2010年，除崇明區(qū)外上海市所有地區(qū)單位面積碳匯均有所下降。其中中心城區(qū)單位面積碳匯減少40.88%，郊區(qū)減少19.56%，中心城區(qū)降幅明顯大于郊區(qū)。2010年-2020年，由于城市綠地建設加快發(fā)展，中心城區(qū)碳匯能力均有所增長。土地利用變化導致中心城區(qū)單位面積碳匯增長33.07%，郊區(qū)增長5.81%，中心城區(qū)增幅明顯大于郊區(qū)。上海市單位面積碳匯有所降低，2000年-2010年減少13.53%，2010年-2020年增長5.81%，生態(tài)品質退化趨勢有所減弱，碳匯降低速率減緩。

總體而言，上海市生態(tài)空間碳匯變化呈現(xiàn)較高的空間異質性，單位面積碳匯減少與耕地面積減少緊密相關，耕地作為半人工生態(tài)系統(tǒng)具有重要的碳匯價值，但這并不表示上海應當發(fā)展以耕地為主的碳匯結構。主要原因是耕地碳匯能力受生產方式影響顯著，由于生產能源消耗、化肥農藥施用以及不合理的耕作方式，容易導致耕地凈碳匯為負值。因此，上海應當積極調整目前較為脆弱的生態(tài)碳匯結構，全方位提升生態(tài)碳匯能力。同時，加強濕地管理，嚴格管控入侵植物，利用高碳匯植被提升濕地碳匯水平。此外，可結合海綿城市建設，對中心城區(qū)商業(yè)建筑、交通設施與私人住宅，廣泛開展節(jié)水型屋頂綠化、立面綠化、垂直綠化等立體綠化設施建設。

4結論

生態(tài)空間是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎，其安全正受到氣候變化與快速城鎮(zhèn)化的雙重威脅。傳統(tǒng)生態(tài)空間評價方法未充分考慮土地利用變化所造成的生態(tài)碳匯變化，對碳中和目標的影響機制仍不明確。研究以上海市為例，提出了碳中和導向下基于In-VEST模型的城市生態(tài)空間系統(tǒng)評價方法。結果顯示，2000年-2020年，上海市耕地面積減少，建設用地快速上升，水體面積略有下降，林地、草地、濕地等生態(tài)空間占比有所增加。生態(tài)空間的分布與品質更加優(yōu)化，但優(yōu)勢斑塊的連通度有所下降。生態(tài)空間碳匯變化呈現(xiàn)較高的空間異質性。研究提出的系統(tǒng)評價方法對城市生態(tài)空間數(shù)量、格局與品質開展綜合評估，可為碳中和導向下的生態(tài)空間規(guī)劃與管控提供參考基準和定量分析工具。