基于GIS的清江盆地長(zhǎng)時(shí)間尺度區(qū)域土地利用碳排放效應(yīng)

摘要：利用1930—2010年江西省鄱陽(yáng)湖流域清江盆地土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合碳排放系數(shù)和STIRPAT模型，探討了該時(shí)間段研究區(qū)碳排放的變化過(guò)程和影響因素。結(jié)果表明，1930—2010年凈碳排放量從" " " " " 43 312.9 t增長(zhǎng)至87 412.3 t。碳源由46 331.0 t增長(zhǎng)至97 816.2 t；碳匯則由3 018.1 t變化為10 403.9 t?；貧w分析顯示，1930—2010年碳匯的占比總體上處于增加趨勢(shì)。耕地、草地、水域和未利用土地的變化不明顯，林地和建設(shè)用地變化較大。STIRPAT模型分析結(jié)果顯示，耕地和建設(shè)用地是清江盆地1930—2010年土地利用碳排放增加的主要驅(qū)動(dòng)因素，耕地和建設(shè)用地每增加1%，會(huì)分別導(dǎo)致碳排放增加5.250%和0.688%。

關(guān)鍵詞：土地利用；碳排放效應(yīng)；長(zhǎng)時(shí)間尺度；清江盆地；GIS

中圖分類號(hào)：F301.2；X321" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2024）11-0043-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.11.008 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

The effect of regional land use carbon emissions on a long-term scale in the Qingjiang Basin based on GIS

WAN Zhi-wei1， ZHANG Cheng-hao1， LI Xiu-juan1， ZHANG Zhi2

（1.School of Geography and Environmental Engineering， Gannan Normal University， Ganzhou" 341000， Jiangxi， China；

2.School of Ecology and Environment， Yuzhang Normal University， Nanchang" 330103， China）

Abstract： Based on the land use data of Qingjiang Basin of the Poyang Lake Basin of Jiangxi Province from 1930 to 2010， combined with the carbon emission coefficient and STIRPAT model， the change process and influencing factors of carbon emission in the study area during this period were discussed. The results indicated that the net carbon emissions increased from 43 312.9 tons to 87 412.3 tons from 1930 to 2010. The carbon source increased from 46 331.0 tons to 97 816.2 tons. The carbon sink had changed from 3 018.1 tons to 10 403.9 tons. Regression analysis showed that the proportion of carbon sinks had generally been increasing from 1930 to 2010. The changes in arable land， grassland， water bodies and unused land were not significant， while the changes in forest land and construction land were significant. The analysis results of the STIRPAT model showed that arable land and construction land were the main driving factors for the increase in land use carbon emissions in the Qingjiang Basin from 1930 to 2010. For every 1% increase in arable land and construction land， carbon emissions increased by 5.250% and 0.688%， respectively.

Key words： land use； carbon emission effect； long-term scale； Qingjiang Basin； GIS

人類活動(dòng)的空間過(guò)程和人地關(guān)系演進(jìn)是全球變化研究的重要方向［1］，特別是在東亞等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)文明區(qū)，人類活動(dòng)所造成的土地利用/覆被變化（Land use and land cover change，LUCC）是區(qū)域歷史景觀變化的主要驅(qū)動(dòng)力，并成為影響土地碳排放的關(guān)鍵因素［2］。尤其是在人類活動(dòng)的干擾下，大量自然植被向耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致土地利用碳排放顯著增加［3］。LUCC因此成為影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)，并進(jìn)一步導(dǎo)致碳源和碳匯重新分布的關(guān)鍵因素［4］。

近年來(lái)，土地利用變化和歷史土地利用重建工作逐漸受到重視［5］。尤其是諸多國(guó)際研究計(jì)劃，如過(guò)去全球變化研究（PAGES）［6］、國(guó)際地圈生物圈研究（IGBP）［7］、全球變化人文因素研究（IHDP）［8］等都將重建歷史時(shí)期土地利用視為主要研究模塊。國(guó)際上形成了數(shù)個(gè)歷史土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)，如美國(guó)威斯康辛大學(xué)的SAGE全球土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)［9，10］、荷蘭環(huán)境研究所的HYDE全球歷史環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)［11］等，這些數(shù)據(jù)庫(kù)在全球生態(tài)演變和環(huán)境史研究方面起到了十分重要的基礎(chǔ)作用，為歷史時(shí)期人地關(guān)系和相關(guān)生態(tài)模型、碳循環(huán)和碳排放效應(yīng)模擬提供了本底框架。只有更好地了解過(guò)去的土地利用變化過(guò)程和格局，才能對(duì)未來(lái)低碳目標(biāo)下的土地合理利用和人類減排適應(yīng)機(jī)制提供關(guān)鍵參數(shù)。

隨著人類文明進(jìn)程的發(fā)展，人文因素在LUCC碳排放效應(yīng)中所起到的作用越來(lái)越顯著［12］。相關(guān)研究表明［13］，在過(guò)去的100年間土地利用變化導(dǎo)致的CO2排放量占全部人類活動(dòng)碳排放的33%以上。Goldewijk等［14］的研究表明，土地利用變化對(duì)全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)可以占到24%以上。與此同時(shí)，為了更好地進(jìn)行氣候和環(huán)境演變相關(guān)模式的開(kāi)發(fā)，亟需歷史時(shí)期土地利用數(shù)據(jù)作為模型的基本參數(shù)和檢驗(yàn)依據(jù)。自20世紀(jì)90年代以來(lái)國(guó)際科學(xué)界組織了一系列研究計(jì)劃，如IGBP/BIOME300-BIOME6000、PAGES、LandCover6k等［15］。在這些研究項(xiàng)目的推動(dòng)下，定量重建歷史時(shí)期，特別是近100年來(lái)主要土地利用類型的空間格局和演變過(guò)程成為研究的熱點(diǎn)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在不同尺度上建立了數(shù)套大洲或國(guó)家尺度的歷史土地利用數(shù)據(jù)集，如美國(guó)Wisconsin大學(xué)全球土地利用數(shù)據(jù)集（SAGE）［9，10］、荷蘭環(huán)境研究所全球歷史環(huán)境數(shù)據(jù)集（HYDE）［11］和中國(guó)科學(xué)院中國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)區(qū)歷史耕地?cái)?shù)據(jù)集（CHCD）［2］等。最新版的HYDE數(shù)據(jù)集覆蓋了全球過(guò)去12 000年來(lái)大尺度的耕地、林地、草地等空間分布，SAGE數(shù)據(jù)集也包括了全球尺度上公元1 700年以來(lái)耕地的分布狀況。這些數(shù)據(jù)集的開(kāi)發(fā)為定量化測(cè)度生態(tài)格局變化提供了模型邊界和精度校驗(yàn)的對(duì)比數(shù)據(jù)，同時(shí)也為全球和大洲尺度上的生態(tài)模型、碳循環(huán)重建等工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［16］。相關(guān)學(xué)者基于不同時(shí)間尺度的土地利用數(shù)據(jù)，分析了LUCC與陸地碳循環(huán)的關(guān)系。如Hutyra等［17］分析了美國(guó)西部地區(qū)城市建設(shè)用地變化與陸地碳儲(chǔ)量之間的相關(guān)關(guān)系，表明其他類型土地在向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換之后土壤碳儲(chǔ)量顯著下降。

土地利用碳排放效應(yīng)已成為全球區(qū)域變化研究的主要方向，對(duì)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和小尺度范圍下的碳排放政策制定具有重要價(jià)值。因此，本研究利用1930—2010年江西省鄱陽(yáng)湖流域清江盆地土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合碳排放系數(shù)和STIRPAT模型，分析了該時(shí)間段研究區(qū)碳排放的變化過(guò)程和影響因素。

1 研究區(qū)域

清江盆地是江西省內(nèi)的主要糧食產(chǎn)區(qū)，位于北緯27°30′—28°30′，東經(jīng)114°50′—115°50′。這一范圍屬于宜春市、吉安市和新余市3市交界區(qū)域，地形相對(duì)平坦，盆地內(nèi)部耕地較多。研究區(qū)在地貌上大體屬于河谷區(qū)，較多的河流流經(jīng)該地區(qū)。該地區(qū)氣候溫暖、年降水量較高，因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型多樣，屬于傳統(tǒng)的農(nóng)耕文明地區(qū)。同時(shí)，該地區(qū)還具有較高的森林覆蓋率，自然條件優(yōu)越。考慮到清江盆地范圍較大，因此本研究選取清江盆地北部的核心區(qū)域，主要是高安市南部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域。

2 研究方法與數(shù)據(jù)

2.1 碳排放模型

參考IPCC《國(guó)家溫室氣體排放清單指南》，并結(jié)合相關(guān)學(xué)者的碳排放計(jì)算模型研究成果，對(duì)耕地、林地、草地、水域、未利用土地采用直接碳排放系數(shù)法進(jìn)行碳排放量的計(jì)算［3］，計(jì)算式如下。

[E=ei=Si×δi]" " " " " "（1）

式中，E表示碳排放總量；ei表示各土地利用類型產(chǎn)生的碳排放量；Si表示各土地利用類型的面積；δi表示各土地利用類型的碳排放系數(shù)，其中，數(shù)值為正表示碳源，數(shù)值為負(fù)表示碳匯。耕地碳排放系數(shù)為0.049 7 kg/（m2·年），水域的碳排放系數(shù)為-0.025 1 kg/（m2·年），林地的碳排放系數(shù)為-0.058 1 kg/（m2·年），草地的碳排放系數(shù)為-0.002 1 kg/（m2·年），未利用土地的碳排放系數(shù)一般取值為-0.000 5 kg/（m2·年）。對(duì)于建設(shè)用地，由于該地區(qū)都是鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在區(qū)域，因此直接選用非城市建設(shè)用地的碳排放系數(shù)3.607 0" "kg/（m2·年）。

2.2 STIRPAT模型

STIRPAT模型是基于IPAT模型的隨機(jī)改進(jìn)形式，可以反映驅(qū)動(dòng)力之間函數(shù)關(guān)系的非線性比例關(guān)系，自提出之后便成為碳排放影響因素分析的常用研究手段［3］。該模型的計(jì)算式如下。

[Ii=aPbiAciTdiei]" " " " " " " " " " "（2）

式中，I為土地利用碳排放；P、A和T分別為林地、耕地、建設(shè)用地面積；a、b、c、d分別為式中各變量的系數(shù)；e代表誤差項(xiàng)。其中，碳匯取值為其絕對(duì)值。將式（2）兩邊取對(duì)數(shù)可得：

lnIi=lna+blnPi+clnAi+dlnTi+lnei" " " " " " （3）

綜合重建的相關(guān)碳排放規(guī)模以及林地、耕地和建設(shè)用地的面積，基于SPSS 20和Matlab 2018a數(shù)據(jù)處理平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)回歸和統(tǒng)計(jì)分析。相關(guān)驅(qū)動(dòng)力因素的系數(shù)（b、c、d）等于1，說(shuō)明碳排放與相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力因素存在同比例的對(duì)應(yīng)關(guān)系；系數(shù)大于1，說(shuō)明增加該驅(qū)動(dòng)力因素所引起的碳排放變化的增加速度超過(guò)了驅(qū)動(dòng)力本身的變化速率；系數(shù)小于1，說(shuō)明增加該驅(qū)動(dòng)力因素所引起的碳排放變化的增加速度小于驅(qū)動(dòng)力本身的變化速率。

2.3 數(shù)據(jù)與分析方法

主要利用1930—2010年的地形圖資料和遙感衛(wèi)星影像，其中1930年的數(shù)據(jù)來(lái)源于1930年實(shí)測(cè)地形圖并進(jìn)行土地利用GIS提取和重建獲得；1980年和2010年的土地利用資料來(lái)源于Landsat遙感衛(wèi)星解譯的數(shù)據(jù)。全部數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 10.5軟件中，并使用Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理和處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時(shí)間段的土地利用碳排放

通過(guò)對(duì)1930年、1980年和2010年研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并按照相關(guān)碳排放計(jì)算公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以得到自1930年以來(lái)的土地利用碳排放情況，結(jié)果如圖1所示。研究區(qū)的凈碳排放量從1930年的43 312.9 t增長(zhǎng)至2010年的87 412.3 t，增長(zhǎng)了1.02倍。一般而言，耕地、建設(shè)用地的碳排放為正值，屬于碳源；林地、草地、水域和未利用土地一般都可以吸收或沉淀一部分的碳排放，因此被視為碳匯。1930—2010年，碳源由46 331.0 t增長(zhǎng)至" " 97 816.2 t；碳匯則由3 018.1 t變化為10 403.9 t?？傮w而言，碳匯有一定程度增加，但是其增長(zhǎng)幅度小于碳源的增長(zhǎng)幅度，因此凈碳排放在近百年中還是出現(xiàn)了明顯的增加。

3.2 土地利用碳排放的變化分析

碳源與碳匯的比值反映了土地利用總體碳排放的趨勢(shì)，因此對(duì)1930年、1980年和2010年的碳源與碳匯比值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果（圖2）表明，碳源與碳匯比值呈顯著下降趨勢(shì)，回歸分析表明Plt;0.01，相關(guān)系數(shù)（R）為0.832，顯著相關(guān)。由此可見(jiàn)，在近百年的發(fā)展過(guò)程中，碳匯的占比總體上處于增加的趨勢(shì)。盡管區(qū)域的凈碳排放量在增加，但是相關(guān)的林地等碳匯面積有一定幅度的上升，因此在一定程度上緩解了區(qū)域的碳排放壓力。

從各土地利用類型碳排放的變化（圖3）來(lái)看，1930—2010年耕地、草地、水域和未利用土地的碳排放變化不明顯，林地和建設(shè)用地的碳排放有較大的變化。林地的碳匯效應(yīng)從1930年的1 970.1 t增加為2010年的9 653.3 t，總體上林地所占比例出現(xiàn)了較大程度的恢復(fù)。建設(shè)用地的碳源效應(yīng)在近百年時(shí)間段中持續(xù)增加，增加幅度為2.78倍?？梢钥闯?，建設(shè)用地的大面積增加是導(dǎo)致該區(qū)域建設(shè)用地碳源效應(yīng)和凈碳排放增加的主要驅(qū)動(dòng)因素。

3.3 土地利用碳排放的影響因素

采用SPSS 20和Matlab 2018a軟件對(duì)研究區(qū)1930—2010年土地利用碳排放進(jìn)行STIRPAT模型分析，結(jié)果（表1）顯示林地的碳排放（lnPi）沒(méi)有進(jìn)入到回歸模型中，說(shuō)明其所占比例較小，未能通過(guò)模型的檢驗(yàn)。耕地碳排放（lnAi）在回歸模型中的系數(shù)大于1，說(shuō)明其變化所引起的碳排放變化的增加速度超過(guò)了驅(qū)動(dòng)力本身的變化速率。盡管建設(shè)用地碳排放（lnTi）的回歸方程系數(shù)小于1，其變化導(dǎo)致的碳排放強(qiáng)度低于耕地變化所導(dǎo)致的碳排放，但是建設(shè)用地每增加1%，仍然會(huì)導(dǎo)致0.688%的碳排放增加量。

4 小結(jié)

本研究以江西省鄱陽(yáng)湖流域清江盆地北部核心區(qū)域1930—2010年的土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用碳排放系數(shù)模型和STIRPAT模型進(jìn)行建模分析，深入探討了研究區(qū)近百年來(lái)土地利用碳排放效應(yīng)和變化趨勢(shì)。研究主要得到以下結(jié)論。

1）1930—2010年清江盆地北部核心區(qū)域凈碳排放量從1930年的43 312.9 t增長(zhǎng)至2010年的87 412.3 t，增長(zhǎng)了1.02倍。碳源由46 331.0 t增長(zhǎng)至97 816.2 t；碳匯由3 018.1 t增長(zhǎng)至10 403.9 t。碳匯有一定程度增加，但是其增長(zhǎng)幅度小于碳源的增長(zhǎng)幅度，因此總體的凈碳排放量在近百年中還是出現(xiàn)了明顯的增加。

2）1930年、1980年和2010年3個(gè)時(shí)間段的碳源與碳匯比值分析結(jié)果顯示，碳源與碳匯比值呈顯著下降趨勢(shì)，回歸模型的P小于0.01，相關(guān)系數(shù)為0.832，呈顯著相關(guān)。在近百年的發(fā)展過(guò)程中，碳匯的占比總體上處于增加趨勢(shì)。

3）1930—2010年耕地、草地、水域和未利用土地的碳排放變化不明顯，林地和建設(shè)用地的碳排放變化較大。林地的碳匯效應(yīng)從1930年的1 970.1 t增加為2010年的9 653.3 t。建設(shè)用地的碳源效應(yīng)在1930—2010年持續(xù)增加，增加幅度為2.78倍。

4）STIRPAT模型分析結(jié)果顯示，耕地和建設(shè)用地是清江盆地近百年來(lái)土地利用碳排放增加的主要驅(qū)動(dòng)因素。其中，耕地每增加1%，會(huì)導(dǎo)致碳排放增加5.250%；建設(shè)用地每增加1%，會(huì)導(dǎo)致碳排放增加0.688%。

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收稿日期：2023-12-14

基金項(xiàng)目：江西省高校人文社會(huì)科學(xué)研究一般項(xiàng)目（JC21113）

作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)智?。?984-），男，江西南昌人，副教授，博士，主要從事土地利用變化與環(huán)境演變研究，（電話）0797-8393756

（電子信箱）wzw3392008@sina.com；通信作者，李秀娟（1988-），女，講師，碩士，主要從事土地利用與可持續(xù)發(fā)展研究，

（電子信箱）119225793@qq.com。