東北地區(qū)碳儲(chǔ)量演變趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)因子分析

摘要" 碳儲(chǔ)量是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要組成部分之一，其演變趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)因子的揭示對(duì)于維護(hù)地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)安全具有重要意義。本研究利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與權(quán)衡綜合評(píng)估（InVEST）模型的碳儲(chǔ)量模塊對(duì)東北地區(qū)2000—2020年10年間隔的碳儲(chǔ)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析其演變趨勢(shì)；并使用地理探測(cè)器（Geodetector）模型對(duì)影響該地區(qū)碳儲(chǔ)量的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行探測(cè)與分析。結(jié)果表明，2000—2020年，研究區(qū)碳儲(chǔ)量總體呈下降趨勢(shì)，降幅0.20%。其中，2000—2010年碳儲(chǔ)量減少了0.15%，2010—2020年碳儲(chǔ)量減少了0.05%。不同土地利用類(lèi)型的碳儲(chǔ)量存在明顯差異，其中林地的碳儲(chǔ)量增量最大，達(dá)0.14×10^9"t。2000—2020年，影響研究區(qū)碳儲(chǔ)量的主導(dǎo)因子為總初級(jí)生產(chǎn)力，2000、2010和2020年的單因子探測(cè)q值分別為0.562、0.576和0.569。交互探測(cè)解釋力最強(qiáng)的因子為總初級(jí)生產(chǎn)力和年平均氣溫，2000、2010和2020年兩者交互作用的q值分別為0.748、0.756和0.750。研究結(jié)果為推進(jìn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提升提供參考。

關(guān)鍵詞" 碳儲(chǔ)量；InVEST模型；Geodetector模型；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能

中圖分類(lèi)號(hào)" S157"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼" A"""""" 文章編號(hào)" 1007-7731（2025）06-0078-05

DOI號(hào)" 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.06.019

Evolution trend and driving factors analysis of carbon storage in Northeast China

ZHAO He

（Harbin Normal University， Harbin 150025， China）

Abstract" Carbon storage is one of the important components of ecosystem services function， and its evolution trend and driving factors are of great significance for maintaining regional ecosystem security. In this study， the carbon storage module of integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs （InVEST） model was used to evaluate the 10-year interval carbon storage in Northeast China from 2000 to 2020， and analyzed its evolution trend， and the driving factors affecting carbon storage were detected by Geodetector. The results showed that，from 2000 to 2020， the carbon storage generally showed a decreasing trend by 0.20% in the survey region. It was decreased by 0.15% in the first decade and 0.05% in the last decade. Over the past 20 years， the carbon storage was significantly different in different land use types. The increment of forest carbon storage was the largest （0.14×10⁹ t）. In the past 20 years， the dominant factor affecting carbon storage was gross primary productivity， and the single factor detection q values in 2000， 2010 and 2020 were 0.562， 0.576 and 0.569， respectively in the survey region. The strongest explanatory power factors were gross primary productivity and annual mean temperature. The q values of their interactions in 2000， 2010 and 2020 were 0.748， 0.756 and 0.750， respectively. The research results provided a reference for promoting the improvement of regional ecosystem services.

Keywords" carbon storage; InVEST model; Geodetector model; ecosystem service function

碳儲(chǔ)量是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要組成部分之一，在維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮重要作用^[1]。碳儲(chǔ)量與氣候調(diào)節(jié)和土地利用密切相關(guān)，是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的關(guān)鍵指標(biāo)之一^[2-3]。土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)變通常伴隨著大量的碳交換，并通過(guò)改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能來(lái)改變碳循環(huán)^[4]。隨著氣候變暖和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地利用類(lèi)型發(fā)生了巨大變化，從而導(dǎo)致區(qū)域碳儲(chǔ)量發(fā)生不同程度的時(shí)空變化^[5]。因此，針對(duì)東北地區(qū)碳儲(chǔ)量演變趨勢(shì)和驅(qū)動(dòng)因子的研究對(duì)地區(qū)生態(tài)安全具有重要意義。

區(qū)域碳儲(chǔ)量的評(píng)估方法主要包括野外采樣調(diào)查、遙感信息檢索和模型模擬評(píng)估^[6]等。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與權(quán)衡綜合評(píng)估（InVEST）模型能夠準(zhǔn)確反映多尺度的碳儲(chǔ)量時(shí)空變化，具有操作方法簡(jiǎn)單、參數(shù)獲取方便以及成果直觀可視化表達(dá)等優(yōu)點(diǎn)^[7-8]，常用于模擬評(píng)估土地利用變化引起的碳儲(chǔ)量變化^[3]。InVEST模型的碳儲(chǔ)量模塊簡(jiǎn)化了評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的碳循環(huán)過(guò)程，可以量化評(píng)估區(qū)域碳儲(chǔ)量及其隨時(shí)間推移的變化。已有研究證明，InVEST模型在評(píng)估和研究土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響方面較為有效^[9]。例如，Zarandian等^[10]利用InVEST模型評(píng)估了土地利用變化對(duì)森林景觀碳儲(chǔ)存和碳固存的影響；Lahiji等^[11]綜合多目標(biāo)土地利用配置和InVEST模型，研究了不同土地利用政策對(duì)農(nóng)林混合景觀中碳儲(chǔ)量變化的影響；Liu等^[12]通過(guò)整合CA-Markov模型和InVEST模型，分析了1992—2019年海南島生態(tài)系統(tǒng)土地利用與碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化以及兩者之間的關(guān)系，并對(duì)未來(lái)不同情景下的碳儲(chǔ)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)；楊瀲威等^[13]耦合PLUS模型和InVEST模型，預(yù)測(cè)了西安市未來(lái)不同情景下土地利用及碳儲(chǔ)量的時(shí)空變化特征，研究了土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響。

東北地區(qū)擁有廣闊的天然林區(qū)，形成了茂密的原始森林分布帶，是重要的生態(tài)安全屏障和糧食生產(chǎn)基地，區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)、林業(yè)和工業(yè)全面發(fā)展，對(duì)土地利用變化和氣候變化表現(xiàn)出較高的敏感性。研究區(qū)全面啟動(dòng)了天然林保護(hù)計(jì)劃，致力于保護(hù)生態(tài)用地，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能得到有效提升。本研究探討了土地利用變化影響下，2000—2020年?yáng)|北地區(qū)碳儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)及時(shí)空分布格局；評(píng)價(jià)氣候、自然地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等驅(qū)動(dòng)因子對(duì)該地區(qū)碳儲(chǔ)量的影響，為研究區(qū)自然資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境的有效管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)基本情況

東北地區(qū)地處東北亞的核心地帶，其維度范圍在38"°43′—53"°34′ N，118"°53′—135"°06′ E。該地區(qū)氣候類(lèi)型屬于溫帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫較低，四季分明，擁有豐富的生物群落。地形以平原、丘陵和山地為主，形成了山環(huán)水繞的地理格局。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 本研究使用了土地利用、氣象、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)地理信息以及自然地理等多種空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)具體來(lái)源：土地利用數(shù)據(jù)為柵格格式，來(lái)源于哥白尼氣候數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心；氣象數(shù)據(jù)類(lèi)型（年平均氣溫、年平均降水），為柵格格式，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)類(lèi)型（人口密度、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和夜間燈光），為柵格格式，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心；基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)類(lèi)型（距居民點(diǎn)距離、距公路距離、距鐵路距離和距河流距離），為矢量格式，來(lái)源于全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)；自然地理數(shù)據(jù)類(lèi)型（總初級(jí)生產(chǎn)力、歸一化植被指數(shù)、高程、坡度、坡向和地形起伏度），為柵格格式，其中總初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)，歸一化植被指數(shù)和高程數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，其他數(shù)據(jù)采用ArcGIS軟件對(duì)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析得到。

1.2.2 碳密度數(shù)據(jù) 研究所需的各土地利用類(lèi)型的碳密度數(shù)據(jù)主要通過(guò)查閱文獻(xiàn)并整理總結(jié)相關(guān)研究成果獲得，且優(yōu)先參考近期的研究成果，最終得到適用于研究區(qū)各土地利用類(lèi)型的碳密度數(shù)值（表1）。

1.3 研究方法

1.3.1 InVEST模型 在InVEST模型碳儲(chǔ)量模塊輸入土地利用柵格圖以及4個(gè)碳庫(kù)的碳密度數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出碳儲(chǔ)量。4個(gè)碳庫(kù)分別為地上生物量（土壤以上的樹(shù)皮、樹(shù)干、樹(shù)枝和葉片等所有生長(zhǎng)植物）、地下生物量（地上生物量的生長(zhǎng)根系）、土壤有機(jī)質(zhì)（土壤的有機(jī)成分）和枯落物有機(jī)質(zhì)（凋落物以及倒木、枯木中的碳）。碳儲(chǔ)總量為4個(gè)碳庫(kù)的平均碳密度與相應(yīng)土地利用類(lèi)型面積相乘的總和^[20]。碳儲(chǔ)量計(jì)算如式（1）～（2）。

1.3.2 Geodetector模型 地理探測(cè)器模型可用于探測(cè)單獨(dú)變量的空間異質(zhì)性，也可用于分析兩個(gè)變量之間空間分布的耦合性，探測(cè)兩個(gè)變量之間的因果關(guān)系。利用該模型對(duì)研究區(qū)3個(gè)時(shí)期碳儲(chǔ)量的空間異質(zhì)性進(jìn)行探測(cè)，分析不同驅(qū)動(dòng)因子對(duì)碳儲(chǔ)量的交互作用及影響程度。根據(jù)已有相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，選取年平均氣溫和年平均降水作為氣象因子，人口密度、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和夜間燈光作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子，距居民點(diǎn)、公路、鐵路和河流距離作為基礎(chǔ)地理信息因子，總初級(jí)生產(chǎn)力、歸一化植被指數(shù)、高程、坡度、坡向和地形起伏度作為自然地理因子，探測(cè)各因子對(duì)研究區(qū)碳儲(chǔ)量的影響程度。利用ArcGIS軟件自然斷點(diǎn)法對(duì)上述各因子進(jìn)行分級(jí)，輸入地理探測(cè)器模型進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)因子探測(cè)和交互探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果q值越大，說(shuō)明相應(yīng)驅(qū)動(dòng)因子對(duì)區(qū)域碳儲(chǔ)量的解釋力越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)碳儲(chǔ)量評(píng)價(jià)

2000—2020年研究區(qū)碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)明顯的空間分異現(xiàn)象，碳儲(chǔ)量高值區(qū)域主要分布在北部的小興安嶺和東部的長(zhǎng)白山山脈，東北部的三江平原、區(qū)域中心的松嫩平原和南部的遼河平原碳儲(chǔ)量次之。如表3所示，在研究時(shí)間段內(nèi)，研究區(qū)碳儲(chǔ)量整體呈下降趨勢(shì)，區(qū)域碳儲(chǔ)量總體減少了0.04×10⁹"t，降低了0.20%。其中，2000—2010年碳儲(chǔ)量從19.57×10⁹"t下降至19.54×10⁹"t，減少了0.03×10⁹"t（0.15%）；2010—2020年碳儲(chǔ)量下降至19.53×10⁹"t，10年間減少了0.01×10⁹"t（0.05%）（表2）。

研究區(qū)碳儲(chǔ)量主要分布于耕地、林地和草地，土地利用的變化導(dǎo)致了不同土地利用類(lèi)型的碳儲(chǔ)量呈不同程度的增加或減少趨勢(shì)。2000—2020年，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)土地的開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度加大，耕地、草地、稀疏植被和裸土地的碳儲(chǔ)量逐漸減少，至2020年分別降低了0.02×10⁹、0.22×10⁹、0.02×10⁹和0.02×10⁹"t。2000年以來(lái)，隨著研究區(qū)天然林保護(hù)工程的實(shí)施，生態(tài)用地得到有效保護(hù)，林地碳儲(chǔ)量獲得較大幅度增加，至2020年林地碳儲(chǔ)量增加了0.14×10⁹"t，建設(shè)用地和水域的碳儲(chǔ)量分別增加了0.09×10⁹和0.01×10⁹"t。

2.2 碳儲(chǔ)量驅(qū)動(dòng)因子分析

單因子探測(cè)結(jié)果顯示，各驅(qū)動(dòng)因子對(duì)碳儲(chǔ)量的空間分異特征均具有顯著影響?？偝跫?jí)生產(chǎn)力、高程、地形起伏度和坡度等自然地理因子是影響研究區(qū)碳儲(chǔ)量空間分布的關(guān)鍵因素。其中，總初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)碳儲(chǔ)量空間分布特征的解釋力最強(qiáng)，是主導(dǎo)因子，2000、2010和2020年的單因子探測(cè)q值分別為0.562、0.576和0.569。交互探測(cè)結(jié)果顯示，驅(qū)動(dòng)因子之間的交互作用均存在增強(qiáng)效應(yīng)，主要表現(xiàn)為雙因子增強(qiáng)，說(shuō)明因子間交互作用時(shí)的解釋力大于單因子。其中，總初級(jí)生產(chǎn)力和年平均氣溫的交互作用對(duì)該區(qū)域碳儲(chǔ)量分布的解釋力最強(qiáng)，2000、2010和2020年兩者交互作用的q值分別為0.748、0.756和0.750。

3 結(jié)論與討論

從研究結(jié)果來(lái)看，2000—2020年研究區(qū)碳儲(chǔ)量從19.57×10⁹"t下降至19.53×10⁹"t，總體減少了0.04×10⁹"t，降低了0.20%，碳儲(chǔ)量整體呈下降趨勢(shì)，這一結(jié)果與王佳琪等^[21]的研究基本一致。然而，本研究所用研究方法存在一定的局限性。一方面，InVEST模型碳儲(chǔ)量模塊簡(jiǎn)化了評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的碳循環(huán)過(guò)程，對(duì)于碳儲(chǔ)量的計(jì)算主要通過(guò)查閱已有研究成果中不同土地利用類(lèi)型的碳密度，忽略了不同土地類(lèi)型碳密度隨時(shí)間的變化，且對(duì)于細(xì)化的土地利用類(lèi)型的碳密度未充分考慮。后期研究中可對(duì)土地類(lèi)型進(jìn)行更加細(xì)致地分類(lèi)，同時(shí)引入實(shí)地采樣數(shù)據(jù)，以提高不同地類(lèi)碳密度值的準(zhǔn)確性。另一方面，影響碳儲(chǔ)量變化的驅(qū)動(dòng)因子復(fù)雜多樣，本研究?jī)H考慮了已有研究中的因子類(lèi)型，在未來(lái)研究中，對(duì)于驅(qū)動(dòng)因子的選擇可綜合考慮多種因素，并結(jié)合因子時(shí)空變化特征對(duì)其進(jìn)行分析，以提高分析結(jié)果的科學(xué)性。

本文耦合InVEST模型和Geodetector模型，對(duì)2000—2020年?yáng)|北地區(qū)碳儲(chǔ)量演變趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，近20年，該地區(qū)碳儲(chǔ)量的空間分布呈現(xiàn)明顯的異質(zhì)性，碳儲(chǔ)量整體呈下降趨勢(shì)，降幅0.20%。其中，2000—2010年碳儲(chǔ)量減少了0.15%；2010—2020年碳儲(chǔ)量減少了0.05%。研究期間，總初級(jí)生產(chǎn)力是影響該地區(qū)碳儲(chǔ)量空間分布的主導(dǎo)因子，因子間的相互作用對(duì)碳儲(chǔ)量分布的影響大于單因子，交互作用探測(cè)結(jié)果表明，總初級(jí)生產(chǎn)力和年平均氣溫的交互作用對(duì)該區(qū)域碳儲(chǔ)量分布的解釋力最強(qiáng)。研究結(jié)果明確了區(qū)域碳儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)因子，為進(jìn)一步推進(jìn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的改善提供參考。

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（責(zé)任編輯：何" 艷）

作者簡(jiǎn)介 趙賀（1985—），女，黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，從事遙感信息處理與應(yīng)用研究。

收稿日期 2024-10-26