基于InVEST模型的碳儲量時空變化研究

摘要：碳達峰和碳中和是生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展的重要內(nèi)容，是應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵舉措，也是構(gòu)建人類命運共同體的重要一環(huán)。土地利用變化往往會造成區(qū)域碳收支變化，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用空間模型評估碳儲量的方法也逐漸被廣泛認可和接受。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評估（InVEST）模型具有數(shù)據(jù)獲取容易、空間制圖表達效果好的優(yōu)勢，應(yīng)用較為廣泛。秦嶺是我國重要的生態(tài)安全屏障，秦嶺北麓鄰近西安市，城市經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境變化的沖突較為顯著，秦嶺北麓生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能有利于區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展。本文以秦嶺北麓為研究區(qū)，采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析土地利用變化，然后運用InVEST模型量化評估碳儲量，明確碳儲量時空變化特征。研究結(jié)果表明，秦嶺北麓的土地利用類型以林地和草地為主；2005—2015年，林地和建設(shè)用地增長較為顯著，碳儲量的時間變化比較穩(wěn)定。本研究可為秦嶺北麓的生態(tài)環(huán)境治理和可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土地利用變化；InVEST模型；碳儲量時空變化；秦嶺北麓

中圖分類號：X171 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）08-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.08.048

Research on spatiotemporal changes of carbon storage based on InVEST model

——Taking the northern foothills of Qinling Mountains as an example

MA Ling1， SU Pengzong2， LIU Xing2

（1. PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited， Xi'an 710065， China; 2. Xi'an City Development Information Technology Co.， Ltd.， Xi'an 710018， China）

Abstract： Carbon peaking and carbon neutrality are important components of ecological civilization construction and high-quality development， key measures to address climate change， and an important part of building a community with a shared future for mankind. Land use change often leads to changes in regional carbon budget， with the development of science and technology， the method of using spatial models to assess carbon storage has gradually been widely recognized and accepted. The integrated valuation of ecosystem services and trade-offs （InVEST） model has the advantages of easy data acquisition and good spatial mapping expression， and is widely used. Qinling Mountains are an important ecological security barrier in China， the northern foothills of Qinling Mountains is adjacent to Xi'an City， and there is a significant conflict between urban economic development and ecological environment changes， the carbon sequestration function of the ecosystem in the northern foothills of Qinling Mountains is conducive to the construction of regional ecological civilization and sustainable development. This paper takes the northern foothills of Qinling Mountains as the research area， uses land use transfer matrix to analyze land use change， and then uses the InVEST model to quantitatively evaluate carbon storage， clarifying the spatiotemporal change characteristics of carbon storage. The research results indicate that the land use types in the northern foothills of Qinling Mountains are mainly forest and grassland; from 2005 to 2015， the growth of forest land and construction land was significant， and the temporal changes in carbon storage were relatively stable. This study can provide a certain theoretical basis for the ecological environment treatment and sustainable development of the northern foothills of Qinling Mountains.

Keywords： land use change; InVEST model; spatiotemporal changes in carbon storage; northern foothills of Qinling Mountains

碳達峰和碳中和是全球生態(tài)環(huán)境治理和可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1]。土地利用的變化往往會造成區(qū)域的碳收支變化[2]，隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）的發(fā)展，利用空間模型評估碳儲量的方法也逐漸被學(xué)者認可和接受。其中，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評估（InVEST）模型由美國斯坦福大學(xué)開發(fā)，具有數(shù)據(jù)獲取容易、空間制圖表達效果好的優(yōu)勢，應(yīng)用較為廣泛[3-4]。秦嶺是我國重要的地理分界線，具有重要的生態(tài)屏障功能，同時在生物多樣性維持、水源涵養(yǎng)、土壤保持和固碳方面發(fā)揮著重要作用。秦嶺北麓鄰近西安市，城市經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境變化的沖突較為顯著，秦嶺北麓生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能有利于區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展。本文以秦嶺北麓為研究區(qū)，基于2005年、2015年的土地利用數(shù)據(jù)，分析研究時段內(nèi)的土地利用變化，并運用InVEST模型分析碳儲量時空變化，為區(qū)域的生態(tài)管理和碳政策制定提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

秦嶺北麓是指秦嶺北坡25°坡線以下至0°坡線，并向平原延伸數(shù)千米的環(huán)山帶狀區(qū)域，其核心部分位于西安市，包括周至縣、長安區(qū)、鄠邑區(qū)、藍田縣、臨潼區(qū)和灞橋區(qū)。秦嶺北麓屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，地形以山地為主，地勢南高北低，自然植被以溫帶落葉闊葉林為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的土地利用數(shù)據(jù)下載于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn），分辨率為30 m，共有2期。該數(shù)據(jù)由Landsat 8衛(wèi)星的遙感影像目視解譯而來。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣利用馬爾可夫模型原理，通過二維矩陣對地區(qū)內(nèi)不同時期的土地利用類型變化關(guān)系進行分析，定量表述不同土地利用類型在一段時期內(nèi)的轉(zhuǎn)化關(guān)系和轉(zhuǎn)移速率，在國土空間規(guī)劃領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1.3.2 InVEST模型

運用InVEST模型的Carbon模塊，基于土地利用和土地覆蓋類型地圖及4個碳庫（地上生物量、地下生物量、土壤、死亡有機物）的碳儲量，計算當(dāng)前土地利用格局下碳儲量或者一個時間段內(nèi)的碳儲量[5-7]。在InVEST模型中，Carbon模塊對碳儲量計算和碳轉(zhuǎn)移過程進行簡化，其假定碳儲量為靜態(tài)、不隨時間推移而改變，且區(qū)域內(nèi)每一處土地利用類型的碳密度是唯一值[8-11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 秦嶺北麓土地利用變化

秦嶺北麓的土地利用類型以林地為主，按面積由大到小的排序為林地＞草地＞耕地＞建設(shè)用地＞水域＞未利用地。研究區(qū)北部海拔較低且地形平坦，而南部海拔較高、地形起伏較大，以林地和草地為主，秦嶺北麓土地利用類型符合人類活動和城市擴張的基本規(guī)律。林地和草地主要分布在秦嶺北麓南部和西南部，耕地則主要分布在西北部，秦嶺北麓存在多種土地利用類型錯綜復(fù)雜分布的規(guī)律，這一區(qū)域符合城市擴張邊緣區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)特征。

2005—2015年，研究區(qū)的土地利用轉(zhuǎn)移情況如表1所示。由此可知，10年間，草地轉(zhuǎn)出約31.93 km2，71%的草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀桓剞D(zhuǎn)出約53.24 km2，63%的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?；建設(shè)用地轉(zhuǎn)出約41.08 km2，52%的建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀涣值剞D(zhuǎn)出約90.99 km2，89%的林地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?；水域和未利用地變化幅度較小，較為穩(wěn)定。從各地類的數(shù)量變化來看，林地的總量有所增長，反映了研究區(qū)的造林工程取得一定成效。建設(shè)用地的增長也較為顯著，隨著經(jīng)濟建設(shè)和城市化的發(fā)展，建設(shè)用地不斷擴張。

2.2 秦嶺北麓碳儲量時空變化

2005—2015年，秦嶺北麓碳儲量時空變化如圖1所示。經(jīng)InVEST模型計算，2005年、2015年秦嶺北麓的碳儲量分別為27.10 t/hm2、27.22 t/hm2，變化趨勢較為穩(wěn)定[12-14]。與土地利用的分布情況相比，土地利用與碳儲量的分布密切相關(guān)，碳儲量由大到小的排序為林地＞草地＞耕地＞水域＞未利用地＞建設(shè)用地，表明生態(tài)用地對區(qū)域的固碳功能較為顯著。

3 結(jié)論

2005—2015年，秦嶺北麓的林地和建設(shè)用地面積有所增長，草地和耕地面積有所減少，水域和未利用地變化不明顯，主要原因是造林工程的實施和城市化的發(fā)展。草地、耕地兩種地類之間存在相互流轉(zhuǎn)的情況，林地的流向以草地為主，說明部分林地存在退化現(xiàn)象。部分建設(shè)用地流向林地，原因可能是一些廢棄的工礦用地通過造林綠化恢復(fù)為林地。水域和未利用地的土地流轉(zhuǎn)面積較小，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。建設(shè)用地的擴張會擠壓林地、草地和耕地等生態(tài)用地，造成區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力降低，這與林彤等[6]的研究結(jié)果一致。2005—2015年，秦嶺北麓的碳儲量均值基本保持穩(wěn)定，這與林地、草地等高固碳能力用地面積增加有關(guān)。因此，加強林地與草地的保護，科學(xué)合理造林，對于提升生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力具有重要意義。

參考文獻

1 衛(wèi) 東，曾聯(lián)波，李 想.碳匯效應(yīng)及其影響因素研究進展[J].地球科學(xué)進展，2023（2）：151-167.

2 李 月，羅紅芬.基于InVEST模型的黔中喀斯特地區(qū)建設(shè)用地擴張?zhí)純α孔兓芯縖J].西北林學(xué)院學(xué)報，2023（3）：1-13.

3 許源溪，周 波，蘇 杰.基于InVEST模型的四川省宜賓市2010—2020年碳承載力評價[J].水土保持通報，2023（1）：350-358.

4 張 鵬，李良濤，蘇玉姣，等.基于PLUS和InVEST模型的邯鄲市碳儲量空間分布特征研究[J].水土保持通報，2023（1）：1-11.

5 任胤銘，劉小平，許曉聰，等.基于FLUS-InVEST模型的京津冀多情景土地利用變化模擬及其對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響[J].生態(tài)學(xué)報，2023（11）：4473-4487.

6 林 彤，楊木壯，吳大放，等.基于InVEST-PLUS模型的碳儲量空間關(guān)聯(lián)性及預(yù)測：以廣東省為例[J].中國環(huán)境科學(xué)，2022（10）：4827-4839.

7 楊瀲威，趙 娟，朱家田，等.基于PLUS和InVEST模型的西安市生態(tài)系統(tǒng)碳儲量時空變化與預(yù)測[J].自然資源遙感，2022（4）：175-182.

8 邵 壯，陳 然，趙 晶，等.基于FLUS與InVEST模型的北京市生態(tài)系統(tǒng)碳儲量時空演變與預(yù)測[J].生態(tài)學(xué)報，2022（23）：9456-9469.

9 苗議藝.基于FLUS和InVEST模型的縣域土地利用變化及碳儲量優(yōu)化模擬研究[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2022：15-16.

10 陳前欣.基于Dinamica-EGO和InVEST模型耦合的沅陵縣碳匯時空動態(tài)研究[D].長沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2022：11-12.

11 宋子衿.基于InVEST模型土地利用變化下的甘孜州2000—2020年陸地碳儲量時空特征[D].雅安：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，2022：8-9.

12 鄧 喆，丁文廣，蒲曉婷，等.基于InVEST模型的祁連山國家公園碳儲量時空分布研究[J].水土保持通報，2022（3）：324-334.

13 孫亞楠，李曉靜，劉 猛.基于InVEST模型的太原生態(tài)系統(tǒng)碳儲量研究[C]//中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會2022年科學(xué)技術(shù)年會.2022.

14 盧雅焱，徐曉亮，李基才，等.基于InVEST模型的新疆天山碳儲量時空演變研究[J].干旱區(qū)研究，2022（6）：1896-1906.