基于InVEST模型的撫順市碳儲量時空演變研究

關(guān)鍵詞土地利用變化；InVEST模型；碳儲量；時空變化；撫順市

中圖分類號X87文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號 0517-6611（2025）08-0055-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.08.012

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

AbstractTakingFushnCityatheresearcareaasedonlandusedatafrom0，0，2010，215nd，thecarbonstoragehnges intheareawereanaldusingArcSsoftwareandInVESTodelTeresultssowedthattheareaofaablelandforestandgasladd decreasedfromotO2hiletareaofwaterbodiesonstructionlandndusedlandhdincreasedTearboeseshn City in 2000，2005，2010，2015，2020 were and ，respectively ，showing a decreasing trend year by year，with a total decrease of over the past 21 years.The carbon sequestration capacity of forest was the strongest，hiletatofuusedlandastheakestTedreaseiforestandgaslandreaadteireaseincostructionladaraere the main reasons for the decline in carbon storage in Fushun City in recent years.

Key wordsLand use change；InVEST model；Carbon storage；Spatiotemporal changes ；Fushun City

近年來城市化的快速發(fā)展及人類活動的不斷加劇導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)承載了巨大壓力，帶來了氣候變暖、海平面上升等一系列環(huán)境問題[1-2]。陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量作為全球碳儲存的重要組分之一[3]，能夠封存大氣中的碳并存儲于土壤中[4]，對于緩解氣候變化、維持生態(tài)平衡、促進(jìn)全球碳循環(huán)等具有重要作用，已作為衡量生態(tài)系統(tǒng)對于碳排放承載力的一項(xiàng)重要指標(biāo)[5-6]。土地利用覆被變化通過改變土壤和植被的分布和固碳能力，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，是導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化的主要驅(qū)動因素[7]。近年來我國人口的加速增長、建設(shè)用地不斷擴(kuò)張及森林砍伐等行為導(dǎo)致碳儲量正在逐漸下降，因此定量評估土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的響應(yīng)關(guān)系對于未來土地規(guī)劃和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

對于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的計算國內(nèi)外眾多學(xué)者都開展了大量研究，研究方法因尺度大小而異。傳統(tǒng)的估算方法如生物量法、蓄積量法通常需要野外調(diào)查、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等方式來計算，雖然操作簡單估算清晰，但缺乏空間代表性，僅適用于中小尺度的研究[8]；而基于遙感的模型估算法很好地解決了這些問題，不僅適用于中大尺度區(qū)域的研究，與傳統(tǒng)方法相比還具有計算方式靈活、輸出結(jié)果更具可視性等優(yōu)點(diǎn)，其中InVEST模型以其運(yùn)行速度快、數(shù)據(jù)要求簡單等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于眾多的國家和地區(qū)，成為目前使用最多的模型之-[9-10]。如 Hernández-Guzmán 等[1]基于 InVEST模型和元胞自動機(jī)模型分析了墨西哥西部盆地1986—2017年土地利用覆被變化及該區(qū)域的碳儲量變化，證明了InVEST模型計算的準(zhǔn)確性；Wang等[12]利用MLP模型和InVEST模型計算了三峽水庫城市1995—2025年陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳損失，發(fā)現(xiàn)城市擴(kuò)張會導(dǎo)致嚴(yán)重的陸地碳損失，對生態(tài)系統(tǒng)有巨大潛在威脅；鄧喆等[13]以祁連山國家公園為研究區(qū)，基于In-VEST模型中的碳儲量模塊分析了土地利用變化對碳儲量的影響，發(fā)現(xiàn)土地利用的轉(zhuǎn)移變化對碳儲量的增減變化有主要影響。

撫順市作為遼寧省重要的工業(yè)基地，近年來礦區(qū)的大量開采對市區(qū)的土地利用格局和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。該研究利用2000、2005、2010、2015、2020年土地利用數(shù)據(jù)和InVEST模型的碳儲量模塊，分析近21年來撫順市土地利用變化格局及碳儲量分布情況，探討土地利用變化對該區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響，以期為撫順市土地利用規(guī)劃和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況撫順市位于遼寧省東北部，東與吉林省接壤，西接沈陽，北與鐵嶺相接，南與本溪相望，地處長白山余脈，地理坐標(biāo)為 ，下轄4區(qū)（新?lián)釁^(qū)、望花區(qū)、東洲區(qū)、順城區(qū)）3縣（撫順縣、新賓滿族自治縣、清原滿族自治縣），如圖1所示。全市土地總面積約 ，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地貌特征以山地為基礎(chǔ)，處于中緯地帶，屬于典型的溫帶季風(fēng)氣候。撫順市歷史悠久，是清王朝發(fā)祥地，也是遼寧重要的工業(yè)基地，同時也是我國最大的特殊鋼生產(chǎn)基地，其獨(dú)特的氣候和地理位置使該地區(qū)水資源、生物資源、礦產(chǎn)資源豐富。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1土地利用數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn），分辨率為 ，被分為6個一級類和25個二級類型，經(jīng)過掩膜提取和重分類后，將土地利用分為耕地（水田、旱地）、林地（有林地、灌木林、疏林地、其他林地）、草地（高覆蓋度草地、中覆蓋度草地）水域（河渠、湖泊、水庫坑塘、灘地）建設(shè)用地（城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地）未利用地（沼澤地、裸土地、裸巖石質(zhì)地）共6類，最終得到2000、2010、2020年3期的土地利用柵格圖。

1.2.2行政邊界數(shù)據(jù)。行政邊界數(shù)據(jù)來自全國地理信息資源目錄系統(tǒng)（https：//www.webmap.cn/），經(jīng)提取得到撫順市的矢量數(shù)據(jù)。

1.2.3 DEM數(shù)據(jù)。高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（ht-tps：//www.gscloud.cn/），分辨率為

1.2.4碳密度數(shù)據(jù)。該研究以研究區(qū)相近地區(qū)的大量研究成果為綜合參考[14-17]，總結(jié)出該地區(qū)的碳密度數(shù)據(jù)，如表1所示。

單位：

1.3研究方法該研究運(yùn)用InVEST模型中的碳儲量模塊進(jìn)行研究，該模塊將陸地的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量劃分為地上生物碳、地下生物碳、土壤有機(jī)質(zhì)碳和死亡有機(jī)質(zhì)碳4個基本碳庫[3]，其原理是以土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，各地類的面積與各個碳庫的碳密度均值的乘積總和是碳儲量的最終結(jié)果，具體計算公式如下：

式中： 為總碳儲量（ ）； 為土壤地上部分的碳儲量 ）； 為土壤地下部分的碳儲量 ）； 為土壤中有機(jī)質(zhì)碳儲量（ ）； 為已死亡的有機(jī)質(zhì)碳儲量（20 ）°

2 結(jié)果與分析

2.1土地利用時空變化分析從土地利用類型面積占比情況（表2）來看，2000—2020年撫順市土地利用類型以林地為主，占研究區(qū)總面積的 7 5 % 以上，其次是耕地，占總面積的1 9 % 以上，草地、水域、建設(shè)用地和未利用地的面積均較小，4種地類的面積總和僅占研究區(qū)的 5 % 左右，近21年來撫順市各地類的面積均有所變化，但總體的占比結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

由土地利用類型面積變化情況（表2）可知，2000—2020年撫順市耕地、林地、草地的面積有所減少，水域、建設(shè)用地、未利用地的面積有所增加。與2000年相比，2020年耕地面積減少了 ，降幅達(dá)到 3 . 5 5 % ；林地面積減少了 ，降幅為 0 . 4 4 % ；草地面積減少了 ，降幅達(dá)到 6 5 . 6 5 % ；水域面積變化較小，近21年內(nèi)僅增加了 ，增幅為 1 . 0 0 % ；建設(shè)用地面積大量增加，2000—2020年共增加了 ，增幅高達(dá) 7 2 . 9 8 % ，在所有地類中面積變化最大；未利用地面積僅增加了 ，增幅為 6 . 7 3 % 。

從土地利用空間分布（圖2）可以看出，撫順市土地利用空間分布主要以林地為主，覆蓋在撫順市的大部分地區(qū)；耕地的分布受地形海拔影響，多分散在撫順市較低海拔的地區(qū)；草地面積較小，且近21年空間分布變化較為劇烈，2000—2005年呈斑點(diǎn)狀分散在撫順市西部、南部和中東部地區(qū)，而2005年以后草地面積大量減少，大部分草地消失，到2020年僅剩少量草地呈斑塊狀集中在撫順市西部，還有少量以點(diǎn)狀分散在南部地區(qū)；水域的空間分布較為穩(wěn)定，集中分布在撫順市西部地區(qū)，2000—2020年無明顯變化；建設(shè)用地呈點(diǎn)狀分散在撫順市境內(nèi)，在撫順市的西部分布較為集中，近21年來西部的部分耕地被建設(shè)用地所侵占，使建設(shè)用地的面積有明顯的擴(kuò)增；未利用地由于面積太小，導(dǎo)致其空間分布并不明顯，2010年以前未利用地呈點(diǎn)狀分布在西部和南部地區(qū)，之后的未利用地逐漸破碎化，到2020年未利用地向撫順市中部轉(zhuǎn)移，以斑塊形式零星分布在中部和西部地區(qū)。

2.2碳儲量時空變化分析運(yùn)用 模型的碳儲量模塊對撫順市2000—2020年碳儲量變化進(jìn)行估算，結(jié)果如圖3所示。從時間變化來看，2000、2005、2010、2015、2020年撫順市碳儲量分別為 、 ，呈逐年遞減趨勢，其中2005—2010年碳儲量下降最明顯，21年來碳儲量共減少了 2

將InVEST模型的運(yùn)行結(jié)果導(dǎo)人ArcGIS中繪制得到撫順市2000—2020年碳儲量空間分布圖，如圖4所示。從空間分布上看，2000—2020年撫順市碳儲量的空間結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，無明顯的空間分布變化，高值區(qū)分布廣泛，覆蓋在撫順市大部分地區(qū)，土地利用類型主要為林地和草地；中值區(qū)集中在撫順市西側(cè)，土地利用類型以水域?yàn)橹鳎坏椭祬^(qū)的空間分布情況與耕地相似，空間結(jié)構(gòu)較為分散，在撫順市西部、東北部、東南部均有分布，其中西部的低值區(qū)分布較為集中。2000—2020年撫順市西側(cè)的高值區(qū)有明顯增加，結(jié)合土地利用變化來看，這可能與該地區(qū)草地面積的增加有關(guān)；受建設(shè)用地增加的影響，西部的碳儲量低值區(qū)也繼續(xù)向西側(cè)有明顯的擴(kuò)增。由此可見，林地、草地和水域?qū)犴樖锌傮w的固碳能力有明顯的促進(jìn)作用，而耕地和建設(shè)用地對固碳能力促進(jìn)作用不明顯。

2.3土地利用變化對碳儲量的影響利用ArcGIS中的分區(qū)統(tǒng)計工具對撫順市2000—2020年不同土地利用類型的碳儲量進(jìn)行計算，結(jié)果如表3所示?？傮w而言，林地的碳儲量最

單位： t

大，是撫順市碳庫的主要來源；未利用地的碳儲量最小，為0；各地類對碳儲量的貢獻(xiàn)程度由高到低依次為林地 gt; 耕地 gt; 水域 gt; 草地 gt; 建設(shè)用地 gt; 未利用地。受土地利用變化的影響，近21年來撫順市各地類的碳儲量均有一定程度變化，與2000年相比，2020年耕地、林地和草地的碳儲量有所減少，而水域和建設(shè)用地的碳儲量有所增加。具體而言，耕地的碳儲量呈先增后減的趨勢，2000—2020年共減少了 ；林地的碳儲量呈減少一增加一減少的趨勢，總體減少了 0 . 5 3 8 × t；草地的碳儲量減少量最大，呈增加一減少—增加的趨勢，近21年來共減少了 ；水域的碳儲量呈先減后增的趨勢，總體增加了 ；建設(shè)用地的碳儲量呈逐年穩(wěn)定增加的趨勢，21年來共增加了 t；未利用地的碳儲量沒有變化，均為0。

3結(jié)論與討論

該研究基于ArcGIS軟件和InVEST模型的碳儲量模塊評估了撫順市 2 0 0 0 ， 2 0 0 5 ， 2 0 1 0 ， 2 0 1 5 ， 2 0 2 0 年的土地利用時空變化和碳儲量時空變化，主要結(jié)論如下：

（1）撫順市土地利用類型主要為林地，占總面積的 7 5 % 以上。2000—2020年耕地、林地、草地的面積有所減少，而水域、建設(shè)用地和未利用地的面積有所增加，其中建設(shè)用地的面積變化最大，共增加 。撫順市土地利用的空間分布結(jié)構(gòu)總體較為穩(wěn)定，近21年來西部建設(shè)用地的擴(kuò)增較為明顯。

（2）2000、2005、2010、2015、2020年撫順市的碳儲量分別為 、 ，呈逐年遞減趨勢，21年來共減少了 以林地和草地為主的高值區(qū)廣泛覆蓋在大部分地區(qū)，以耕地為主的低值區(qū)集中于撫順市西部，此外在東北部和東南部地區(qū)也均有分布。

（3）林地的碳儲量最大，是撫順市碳庫的主要來源，未利用地的碳儲量最小，各地類對碳儲量的貢獻(xiàn)程度由高到低依次為林地 gt; 耕地 gt; 水域 gt; 草地 gt; 建設(shè)用地 gt; 未利用地。21年來耕地、林地和草地的碳儲量分別減少了 t，水域和建設(shè)用地的碳儲量分別增加了 t，未利用地的碳儲量沒有變化，均為0。

由該研究結(jié)果可知，林地、草地面積的減少和建設(shè)用地面積的增加是導(dǎo)致?lián)犴樖薪陙硖純α肯陆档闹饕颉Ｍ恋乩米兓瘜ι鷳B(tài)系統(tǒng)的固碳能力有很大影響，林地、草地等生態(tài)價值較高的地類對區(qū)域的固碳能力有明顯的促進(jìn)作用，而耕地、建設(shè)用地等人類活動頻繁、干擾強(qiáng)度較大的地區(qū)對區(qū)域的固碳能力促進(jìn)作用不明顯。未來撫順市應(yīng)注意土地資源的合理規(guī)劃，加強(qiáng)推進(jìn)退耕還林還草等生態(tài)工程的實(shí)施，提高地區(qū)的固碳能力，以促進(jìn)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

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