基于InVEST模型近10年太湖流域土地利用變化下碳儲(chǔ)量功能

榮月靜++張慧++趙顯富

摘要：應(yīng)用“全國(guó)生態(tài)環(huán)境十年變化（2000—2010年）遙感調(diào)查與評(píng)估”項(xiàng)目中2000、2010年2期土地覆蓋類型數(shù)據(jù)和生物量數(shù)據(jù)，并根據(jù)《基于1 ∶ 100萬(wàn)世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（HWSD）的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集》計(jì)算太湖流域地區(qū)土壤碳密度、植被（地上、地下）碳密度，并分別計(jì)算2000、2010年太湖流域地區(qū)碳儲(chǔ)量，結(jié)合土地利用變化轉(zhuǎn)移情況，分析土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量變化的影響。結(jié)果表明：太湖流域地區(qū)近10年碳儲(chǔ)量總體呈下降趨勢(shì)，碳儲(chǔ)量?jī)魷p少了 914.80萬(wàn)t，其中土壤碳儲(chǔ)量下降了1 375.66萬(wàn)t，主要是由于林草濕地等土地類型轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地所致；植被碳儲(chǔ)量上升了460.86萬(wàn)t，主要由于林草地近10年生物量上升所致，雖然農(nóng)田和建設(shè)用地向林草地轉(zhuǎn)換使得植被碳儲(chǔ)量有所上升，但土地利用轉(zhuǎn)換不是植被碳儲(chǔ)量上升的主要驅(qū)動(dòng)因素。

關(guān)鍵詞：太湖流域；土地利用變化；碳儲(chǔ)量；InVEST模型

中圖分類號(hào)： F323.211文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）06-0447-04

收稿日期：2015-04-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（編號(hào)：201209029-1）。

作者簡(jiǎn)介：榮月靜（1989—），女，山西陽(yáng)泉人，碩士，研究方向?yàn)閰^(qū)域生態(tài)恢復(fù)與資源可持續(xù)利用。E-mail：rongyuejing@126.com。

通信作者：張慧，博士，研究員，研究方向?yàn)閰^(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)承載力和生態(tài)安全評(píng)價(jià)。E-mail：zhnies@126.com。 研究土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量變化的影響對(duì)于區(qū)域土地利用的規(guī)劃和碳管理都有重要的參考意義。氣候變暖影響土地利用方式，進(jìn)而影響碳儲(chǔ)量的變化[1-2]。1970年開(kāi)始，全球氣候開(kāi)始轉(zhuǎn)暖，我國(guó)的增溫速度明顯高于全球平均速度[3]。1990年以來(lái)，太湖流域發(fā)生突變式增溫，導(dǎo)致土地利用類型發(fā)生很大變化[4-5]，嚴(yán)重影響流域碳儲(chǔ)量。目前，國(guó)內(nèi)外利用RS（遙感）、GIS（地理信息系統(tǒng)）和模型方法對(duì)土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量變化的影響研究日益增多。Houghton等研究了美國(guó)土地利用方式變化引起CO2排放變化，從而引起碳儲(chǔ)量變化[5]。Caspersen等采用森林生長(zhǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)研究土地利用變化與碳儲(chǔ)量之間的關(guān)系[6]。Defiles分析了未來(lái)土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的影響[7]。國(guó)內(nèi)學(xué)者多數(shù)通過(guò)研究土壤和植被碳儲(chǔ)量變化來(lái)分析陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的變化。方精云等利用森林蓄積量和生物量轉(zhuǎn)換因子法分析中國(guó)1949—1998年森林碳儲(chǔ)量[8-10]。李海奎等采用森林清查資料計(jì)算中國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量[11]。王淑君等利用回歸模型和森林生物量轉(zhuǎn)換因子法計(jì)算廣州市森林碳儲(chǔ)量[12]。張興榆等利用政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）模型分析太湖區(qū)域1980—2005年土地利用變化對(duì)植被碳儲(chǔ)量影響得出，1980—2005年土地利用結(jié)構(gòu)變化規(guī)律為林地、草地面積減少，建設(shè)用地面積增加，1980—1990年植被碳儲(chǔ)量減少6422萬(wàn)t，1990—2005年減少68.31萬(wàn)t[13]。魏文佳等采用IPCC指南提供方法和參數(shù)計(jì)算太湖流域1980—2005年土地利用類型變化引起的總碳儲(chǔ)量變化，得出1980—2005年太湖流域土地利用結(jié)構(gòu)變化主要表現(xiàn)為農(nóng)田的逐年減少和聚居地的持續(xù)增長(zhǎng)；總碳儲(chǔ)量變化為1980—1995年上升15 528.43萬(wàn)t，1995—2000年上升15 398.89萬(wàn)t，2000—2005年上升15 713.44萬(wàn)t[14]。前人針對(duì)太湖流域土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量變化影響的研究一方面使用IPCC指南提供方法和參數(shù)，這些參數(shù)可能與流域的實(shí)際情況有所出入，使得結(jié)果不精確；另一方面前人沒(méi)有全面考慮碳源，如僅考慮植碳儲(chǔ)量；同時(shí)研究時(shí)段均為1980—2005年。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，充分考慮土壤、植被2大碳源，研究時(shí)段為2000—2010年，通過(guò)土壤屬性數(shù)據(jù)計(jì)算土壤碳密度，采用生物量轉(zhuǎn)換因子法、地下地上生物量比值法分別計(jì)算地上、地下植被碳密度，旨在為合理確定太湖流域土地利用模式提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

選擇太湖流域地區(qū)為研究區(qū)，太湖流域位于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，位于30°21′～32°04′N，119°08′～121°20′E（圖1），太湖流域地區(qū)總面積約375.04萬(wàn)hm2，地處亞熱帶區(qū)域，氣候溫暖濕潤(rùn)，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展。近幾十年來(lái)，由于人類活動(dòng)的影響，太湖流域土壤類型、植被類型、土地利用方式發(fā)生很大變化，導(dǎo)致太湖流域的碳儲(chǔ)量功能發(fā)生明顯變化。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來(lái)源本研究需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：（1）基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，包括流域邊界、各縣（市）邊界等（來(lái)自國(guó)家測(cè)繪地理信息局）；（2）土地利用類型，包括2000、2010年2期；（3）生物量數(shù)據(jù)，包括2000、2010年2期；（4）土壤數(shù)據(jù)，包括土壤表層的有機(jī)碳含量、土種平均容量和各土種平均表層厚度（0～30 cm）。土地利用類型和生物量數(shù)據(jù)來(lái)源于“全國(guó)生態(tài)環(huán)境十年變化（2000—2010年）遙感調(diào)查與評(píng)估”項(xiàng)目的解譯結(jié)

果。土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于《基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（HWSD）的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集》[15]。

1.2.2研究方法應(yīng)用土地利用類型面積的乘積來(lái)計(jì)算碳儲(chǔ)量。碳密度庫(kù)主要包括土壤碳庫(kù)、地上植被碳庫(kù)、地下植被碳庫(kù)、死亡有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)，死亡有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)由于數(shù)據(jù)來(lái)源缺乏且占碳庫(kù)比例較小，本研究不予考慮。碳密度庫(kù)計(jì)算公式如下：

Cstorage=（Csoil+Cabove+Cbelow）×S。

（1）

其中：Cstorage為土地利用類型的碳儲(chǔ)量，kg；Csoil為單位面積的土壤碳儲(chǔ)量，即土壤碳密度，kg/m2；Cabove、Cbelow分別為單位面積地上、地下植被碳儲(chǔ)量，即地上、地下植被碳密度，kg/m2；S為土地利用類型的面積，m2。

2.2.1土地利用處理土地利用數(shù)據(jù)分類采用“全國(guó)生態(tài)環(huán)境十年變化（2000—2010年）遙感調(diào)查與評(píng)估”項(xiàng)目中的土地類型分類，包括以下6種類型：（1）林地（包括常綠闊葉林、常綠針葉林等）；（2）草地（草叢、稀疏草地等）；（3）濕地（河流、湖泊、水庫(kù)坑塘、運(yùn)河水渠等）；（4）農(nóng)田（水田、旱地等）；（5）建設(shè)用地（居住地、廠礦、交通用地、喬木綠地、灌木綠地等）；（6）未利用地。

1.2.2.2碳密度處理（1）土壤碳密度。本研究中各土種土壤碳密度來(lái)源于《1 ∶ 100萬(wàn)世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（HWSD）的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集》[15]，分辨率為1 000 m×1 000 m，選取研究區(qū)土壤屬性數(shù)據(jù)，包括土壤表層的有機(jī)碳含量、土種平均容量和各土種平均表層厚度（0～30 cm），通過(guò)公式（2）求得基礎(chǔ)土壤碳密度數(shù)據(jù)。考慮到由于土地利用變化引起土壤屬性變化，因此本研究結(jié)合2000、2010年的土地利用數(shù)據(jù)對(duì)碳密度數(shù)據(jù)進(jìn)行重新賦值，分別得到研究區(qū)2000、2010年表層土壤的碳密度數(shù)據(jù)。表層土壤的碳密度計(jì)算公式如下：

Csoil=TOC×y×H×10-1。

（2）

式中：Csoil為土壤碳密度，kg/m2；TOC為有機(jī)碳含量，g/kg；y為土種平均土壤密度，g/cm3；H為各土種平均表層厚度，cm。

（2）地上植被碳密度。按照Brown提出的基于森林植被材積的生物量轉(zhuǎn)換因子法[16-17]計(jì)算地上植被碳密度。地上植被碳密度計(jì)算公式如下：

Cabove=a× DWi。

（3）

式中：Cabove為地上植物碳密度，kg/m2，；DWi為地上生物量，kg/m2 ；a為轉(zhuǎn)換系數(shù)。其中生物量數(shù)據(jù)采用“全國(guó)生態(tài)環(huán)境十年變化（2000—2010年）遙感調(diào)查與評(píng)估”項(xiàng)目的地上生物量數(shù)據(jù)，分辨率為250 m×250 m，轉(zhuǎn)換因子林地取05，其他土地類型取0.45。

（3）地下植被碳密度。采用生物量轉(zhuǎn)換因子法計(jì)算地下植被碳密度。地下植被碳密度計(jì)算公式如下：

Cbelow=a×b×DWi。

（4）

式中：Cbelow為地下植物碳密度，kg/m2；a為轉(zhuǎn)換系數(shù)；b為地下地上生物量比值。

其中地下生物量通過(guò)地上生物量和地下地上生物量比值計(jì)算得到。本研究重點(diǎn)關(guān)注林地、草地2種生態(tài)系統(tǒng)的地下生物量，由于耕地生物量更注重有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的地上作物籽實(shí)部[18]，因此本研究不考慮耕地的地下生物量。前人對(duì)地下地上生物量的比值作過(guò)詳細(xì)研究，方精云等研究了不同森林植被類型的地下地上生物量的比值，其中闊葉林、針葉林和針闊混交林比值在0.2～0.4之間[8]。樸世龍等于2004年估算了我國(guó)草地地下生物量、地上生物量的比例關(guān)系，其中草叢、稀疏草地的地下生物量、地上生物量比值為4.3[10]。根據(jù)“全國(guó)生態(tài)環(huán)境十年變化（2000—2010年）遙感調(diào)查與評(píng)估”項(xiàng)目的解譯結(jié)果，研究區(qū)林地以闊葉林為主，草地以草叢為主，因此筆者定義研究區(qū)林地地下地上生物量比值取0.2，草地取4.3。

2結(jié)果與分析

2.1土地利用變化與轉(zhuǎn)移矩陣

2000—2010年，太湖流域各土地利用類型均發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為林地、建設(shè)用地面積增加，農(nóng)田、濕地、草地面積減少。林地面積比例從15.85%增加到16.80%，建設(shè)用地面積比例從15.47%增加到27.54%，農(nóng)田面積比例從50.40%減少到3864%，濕地面積比例從17.34%減少到16.43%，草地面積比例從0.92%減少到0.58%（表1）。

近10年太湖流域土地利用轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在林地、草地、濕地、農(nóng)田、建設(shè)用地之間。太湖流域內(nèi)人口增加，使得部分農(nóng)田轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地；由于農(nóng)業(yè)上不合理的灌溉，使得部分農(nóng)田（46 740.31 hm2）成為了濕地，另外有部分濕地（46 267.82 hm2）轉(zhuǎn)換為農(nóng)田；受退耕還林、還草政策的影響，區(qū)域內(nèi)有38 962.98 hm2農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀? 595.01 hm2農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀煌瑯佑? 350.82 hm2林地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田，3 153.93 hm2 草地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田；建設(shè)用地的不斷增加，除了來(lái)源于農(nóng)田的轉(zhuǎn)換外，還有部分濕地（34 410.98 hm2）、部分草地（12 869.29 hm2）轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地（表2）。

2.2碳密度變化

由表3可知，2000—2010年土壤和植被碳密度的總體分布和變化情況為：2000年土壤碳密度范圍為0～10.73 kg/m2，其中土壤碳密度范圍為3.00～3.50 kg/m2的比例最高，為36.40%，其次是土壤碳密度為0～1.00、1.00～1.50、1.50～2.00 kg/m2的，比例分別為2391%、18.48%、12.08%。2010年土壤碳密度范圍為0～8.23 kg/m2，其中土壤碳密度為0～1.00 kg/m2的比例最高，為43.92%，其次是3.00～3.50、1.00～1.50、1.50～2.00 kg/m2的，比例分別為27.42%、12.09%、9.48%。2000—2010年土壤碳密度為 0～1.00 kg/m2的比例大幅增長(zhǎng)，上升20.01百分點(diǎn)；3.00～350、1.00～1.50、1.50～2.00 kg/m2 的比例分別降低8.98、639、2.60百分點(diǎn)，其他范圍無(wú)明顯變化。

2000年地上植被碳密度范圍為0～5.10 kg/m2，其中地上植被碳密度為0～0.25 kg/m2的比例最高，為4703%，其次是0.25～0.50 kg/m2的，比例為37.74%，其他范圍的比例較低。2010年地上植被碳密度范圍為0～9.80 kg/m2，其中地上植被碳密度為0～0.25 kg/m2的比例最高，為43.86%，其次是0.50～1.00 kg/m2的比例，為31.79%，其他范圍比例較低。可以看出，從2000年到2010年地上植被碳密度為050～100 kg/m2的比例上升27.56百分點(diǎn)，而0.25～050 kg/m2 的比例下降25.02百分點(diǎn)，其他范圍無(wú)明顯變化（表3）。

2000年地下植被碳密度范圍為0～18.38 kg/m2，其中地下植被碳密度為0～0.25 kg/m2的比例最高，為9305%，其他范圍比例較低。2010年地下植被碳密度范圍為0～26.30 kg/m2，其中地下植被碳密度為0～0.25 kg/m2 的比例最高，為93.04%，其他范圍比例較低。可以看出，2000—2010年地下植被碳密度比例變化有升有降，變化幅度不大（表3）。

2.3碳儲(chǔ)量變化

2.3.1土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量變化的影響分析通過(guò)以上分析可知，2000、2010年2期的碳儲(chǔ)存總量分別為10 562.02萬(wàn)、9 647.22萬(wàn)t，2000—2010年總碳儲(chǔ)量?jī)魷p少914.80萬(wàn)t，其中土壤碳儲(chǔ)量?jī)魷p少1 375.66萬(wàn)t，植被碳儲(chǔ)量?jī)粼黾?60.86萬(wàn)t（表4）。由于土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量變化的影響，總碳儲(chǔ)量?jī)魷p少914.80萬(wàn)t。

從表5可知，引起碳儲(chǔ)量減少的土地利用類型變化為：農(nóng)田、濕地、草地、林地等土地類型向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換，這些土地1 266.09萬(wàn)t。其中，農(nóng)田轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，減少的碳儲(chǔ)量最多，為1 121.77萬(wàn)t，占總碳儲(chǔ)量減少量的78.53%；其次為濕利用變化減少的碳儲(chǔ)量占總碳儲(chǔ)量減少量的88.63%，共地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，減少了85.72萬(wàn)t，占6%；草地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地減少了46.87萬(wàn)t，占3.28%；林地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地減少了11.73萬(wàn)t，占0.82%。草地、濕地轉(zhuǎn)換為農(nóng)田分別減少了589萬(wàn)、5.66萬(wàn)t，占總碳儲(chǔ)量減少量的比例較低。由此可見(jiàn)，生態(tài)用地和農(nóng)田轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地是碳儲(chǔ)量減少的主要原因。引起碳儲(chǔ)量增加的土地利用類型變化為：農(nóng)田轉(zhuǎn)換為林地、濕地，建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為農(nóng)田、濕地、林地。其中，農(nóng)田轉(zhuǎn)換為林地增加的碳儲(chǔ)量最多，為6.76萬(wàn)t，占總碳儲(chǔ)量增加量的132%。其次分別是建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為農(nóng)田、建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為濕地、農(nóng)田轉(zhuǎn)換為濕地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為林地，增加的碳儲(chǔ)量分別為4.82萬(wàn)、3.06萬(wàn)、1.43萬(wàn)、0.85萬(wàn)t，分別占總碳儲(chǔ)量增加量的0.94%、0.60%、0.28%、0.17%。可見(jiàn)，這些土地類型轉(zhuǎn)換對(duì)碳儲(chǔ)量增加造成的影響較小。

2.3.2碳儲(chǔ)量變化空間分布從圖2、表6看出，太湖流域2000—2010年不同柵格土地利用類型變化對(duì)應(yīng)的碳儲(chǔ)量變化范圍為-113 975～3 234.84 t。本研究將碳儲(chǔ)量變化分為5類：明顯減少（-113 975～-1 000 t）、輕微減少（-1 000～-1 t）、基本不變（-1～1 t）、輕微增加（1～1 000 t）、明顯增加（1 000～3 234.84 t）。

太湖流域2000—2010年碳儲(chǔ)量變化以基本不變?yōu)橹鳎颊麄€(gè)研究區(qū)面積的85.79%，分布在太湖湖泊內(nèi)部和區(qū)域；其次是碳儲(chǔ)量減少，占整個(gè)研究區(qū)面積的13.81%，其中明顯減少占5.65%，輕微減少占8.16%，主要分布在無(wú)錫市南部、湖州市東南部和杭州市東部，這是由于近10年市轄區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張強(qiáng)烈，其分布呈現(xiàn)由城市中心往外逐步擴(kuò)散趨勢(shì)，導(dǎo)致碳儲(chǔ)量急劇下降；碳儲(chǔ)量增多面積占整個(gè)研究區(qū)的比例較低，為0.40%，其中明顯增多占0.05%，輕微增多占0.35%（表6）。碳儲(chǔ)量增多區(qū)域集中在上海市、蘇州市、無(wú)錫市、杭州市等城市外圍區(qū)域，這是由于這些地區(qū)響應(yīng)國(guó)家保護(hù)耕地紅線號(hào)召，

實(shí)現(xiàn)耕地占補(bǔ)平衡，部分建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田，同時(shí)太湖流域地區(qū)在水環(huán)境治理中實(shí)行退耕還湖措施。

3結(jié)論與展望

與前人計(jì)算太湖流域碳儲(chǔ)量研究比較，本研究充分考慮土壤、植被2大碳源，通過(guò)土壤屬性數(shù)據(jù)計(jì)算土壤碳密度，通過(guò)生物量轉(zhuǎn)換因子法計(jì)算植被碳密度，可以得到不同柵格土地利用類型變化對(duì)應(yīng)的碳儲(chǔ)量變化，與前人使用IPCC提供參數(shù)方法相比準(zhǔn)確率有極大提高。同時(shí)，前人計(jì)算1980—2005年碳儲(chǔ)量總量是上升趨勢(shì)，具有碳匯效應(yīng)，本研究得出2000—2010年碳儲(chǔ)量是下降趨勢(shì)，具有碳源效應(yīng)，主要是由于近10年城市擴(kuò)張劇烈，土壤碳儲(chǔ)量下降幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植被碳儲(chǔ)量增加的幅度所致。本研究區(qū)近10年凈減少碳儲(chǔ)量914.80萬(wàn)t，其中土壤碳儲(chǔ)量減少1 375.66萬(wàn)t，植被碳儲(chǔ)量增加460.86萬(wàn)t，碳儲(chǔ)量的變化受土壤碳儲(chǔ)量變化的影響較大。土壤碳儲(chǔ)量的減少主要是由于城市擴(kuò)張，導(dǎo)致農(nóng)田、濕地、草地、林地等土地類型轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，從而使得土壤儲(chǔ)量大幅度減少。植被碳儲(chǔ)量的增多主要是由于近10年來(lái)植被自身生長(zhǎng)，導(dǎo)致生物量增多，植被碳儲(chǔ)量增多，因此土地利用類型的轉(zhuǎn)換是植被碳儲(chǔ)量增多的影響因素，但不是主要的驅(qū)動(dòng)因素。本研究對(duì)太湖流域的土壤和植被碳儲(chǔ)量的計(jì)算結(jié)果存在一定的不確定性，這主要是由于碳儲(chǔ)量的變化過(guò)程除了與植被類型、土壤類型以及土地利用類型變化有關(guān)之外，還與復(fù)雜的氣候、輻射和地形等因素有關(guān)，區(qū)域尺度的碳儲(chǔ)量估算難以考慮到所有的因素。在今后的研究中要盡可能考慮各項(xiàng)因素，確保研究結(jié)果更加精確。

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