珠江西岸生態系統碳儲量對土地利用變化的響應

周汝波, 林媚珍, 吳卓, 龔建周

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珠江西岸生態系統碳儲量對土地利用變化的響應

周汝波, 林媚珍*, 吳卓*, 龔建周

廣州大學地理科學學院, 廣州 510006

開展生態系統碳儲量與土地利用變化之間的關系分析研究, 對快速城鎮化區域的經濟與生態協調發展具有重要意義。通過利用ArcGIS平臺和InVEST模型, 對珠江西岸1990年、2000年、2010年、2015年碳儲量進行估算, 并分析碳儲量對土地利用變化的響應情況。結果表明: 1、珠江西岸在1990—2015年近25年間土地利用變化劇烈, 其中耕地的面積減少最迅速, 而建設用地的面積增幅最大。2、研究期間, 土地利用類型之間的相互轉化主要發生在草地、耕地、建設用地、林地與水域之間, 并且主要發生在佛山市、中山市和珠海市。3、珠江西岸在1990年、2000年、2010年、2015年的碳儲量分別為1528.1×105t、1511.4×105t, 1504.5×105t和1513.8×105t, 碳儲量總體呈下降趨勢。4、珠江西岸在25年間由不同土地利用類型轉化造成碳儲量減少了9.65×105t, 其中耕地轉出、水域轉出和未利用土地轉出有利于碳儲量增加, 而林地轉出、草地轉出和建設用地轉出則導致區域碳儲量減少。

碳儲量; InVEST模型; 土地利用變化; 珠江西岸

1 前言

隨著世界各國工業化進程加快, 溫室氣體濃度不斷上升, 全球變暖等一系列的氣候問題也受到國際科學組織和各國政府的高度重視[1]。陸地生態系統中的固碳作用能夠影響區域氣候的變化, 對緩解全球變暖具有重要作用[2]。地球上碳循環與碳儲量變化也因其在全球變化研究中的重要地位, 已持續多年成為國際上關注的焦點[3]。土地利用變化是影響生態系統服務變化最為直接和關鍵的驅動力之一, 碳儲存的時空變化也必將受到土地利用變化的影響[4]。土地利用類型的轉化將直接影響區域內植被、土壤等物質的固碳能力, 從而導致整個區域的碳儲量發生動態變化[5]。因此, 研究碳儲量對土地利用變化的響應, 對于了解區域氣候的變化和保護人類生存的生態環境具有關鍵性的作用。

傳統的碳儲量估算方法如蓄積量法、生物量法、箱式法、微氣象學法等對碳儲量的估算清晰明確, 操作簡便, 應用比較廣泛[6]。但是對于長時間序列與大尺度的碳儲量變化對自然和人類活動的響應, 傳統的碳儲量估算方法并不能準確反映其關系, 已不能滿足當前研究的需要。隨著信息技術的發展, 以模型模擬為主的碳儲量估算方法應運而生, 其中以CASA模型[7]、BGC-ES模型[8]、InVEST模型[9]等為代表。相比于其他模型, 基于GIS平臺運作的InVEST模型在其數據可獲得性、空間分析功能等方面優于其他模型, 能實現碳儲量空間分布與動態變化的空間制圖, 清楚地反映土地利用變化與碳儲量之間的關系, 被廣泛運用于不同的國家與地區。如Delphin等[10]運用InVEST模型評估了美國佛羅里達州的蘇望尼河流域和彭薩科拉灣流域的亞熱帶森林地上碳儲量受颶風的影響程度; 張靖等[11]運用InVEST模型采用8種不同的土地利用情景, 對內蒙古烏審旗碳增匯潛力進行估算, 并提出適應該旗地域特點的碳增匯調控途徑。這些不同國家、地區對于InVEST模型的運用, 充分說明了該模型能對生態系統碳儲量進行很好的估算, 故本研究將采用該模型探究珠江西岸1990—2015年的碳儲量對與土地利用變化的響應。

在關于六市一區創建“中國制造2025”試點示范城市群的背景下, 相比于珠江東岸, 珠江西岸作為粵港澳大灣區廣東省的重要城市群, 其正經歷由傳統的“基塘農業”向現代化制造業轉型的過程, 應重點關注生態環境及其功能的演變過程。同時, 在我國提出的2030年碳排放達到峰值的目標要求下, 研究經濟快速發展區域生態系統碳儲量的變化對區域內部經濟與生態的協調發展具有重要意義。本研究利用InVEST模型, 以珠江西岸為例開展過去25年(1990—2015年)碳儲量對土地利用變化的響應研究, 以期探求不同土地利用類型間的轉化過程對區域碳儲量的影響。

2 研究區概況

珠江西岸(21°28′N—24°24′, 111°16′E—114°19′E)地處亞熱帶季風氣候區(圖1), 氣候溫和, 年平均氣溫為22℃, 年平均降水量為1888 mm, 地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林。珠江西岸地理位置為優越, 位于廣東省中部, 毗鄰港澳, 具有獨特的地理區位優勢。珠江西岸的各城市憑借獨特的自然環境優勢曾廣泛發展基塘農業, 農業發展規模龐大。早在明朝末期(16世紀末、17世紀初), 珠江三角洲已經出現“桑基魚塘”, 但在20世紀30年代以來, 傳統的“桑基魚塘”進入衰退期[12]。特別是進入21世紀后, 珠江西岸更是改變經濟發展模式, 大力發展制造業, 珠江西岸先進裝備制造產業帶建設也譽為廣東“區域轉型”的戰略布局。珠江西岸通常包括六市一區, 具體指珠海市、佛山市、中山市、江門市、陽江市、肇慶市和順德區。

3 研究方法及數據來源

3.1 數據來源與處理

1990年、2000年、2010年、2015年的四期珠江西岸土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn), 數據生產制作是以各期Landsat TM/ETM遙感影像, 通過人工目視解譯生成, 四期的土地利用數據空間精度均為1 km × 1 km。為了碳儲量估算更加精確, InVEST模型所輸入的土地利用數據將使用二級地類(共21類)進行運算。在分析過程中利用ArcGIS 10.2軟件平臺對珠江西岸四期土地利用數據進行合并, 劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地以及未利用土地。

圖1 珠江西岸位置圖

碳密度數據是InVEST模型計算生態系統碳儲量的重要參數, 主要包括地上植被碳密度、地下植被碳密度、土壤碳密度、死亡有機物碳密度。本研究的碳密度數據來源于相關文獻的查閱, 地上植被碳密度參考吳佩君等[13]針對廣東省地區的碳密度相關研究成果。地下植被碳密度參考地上地下生物量比例關系, 根據方精云提出的基于森林植被材積的生物量轉換因子法[14]對地下生物量碳密度進行換算(公式1、公式2)。

地上植被碳密度計算公式:

地下植被碳密度計算公式:

3.2 研究方法

3.2.1 碳儲量計算

InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Service and Trade-offs)模型全稱為生態系統服務功能綜合估價和權衡得失評估模型, 是由美國斯坦福大學、大自然保護協會(TNC)和世界自然基金會(WWF)聯合開發的開源式生態系統服務功能評估模型[20]。InVEST模型中的碳儲存模塊是使用研究區域土地利用/覆被變化圖和四大碳庫(地上植被、地下植被、土壤、死亡有機物)的碳儲量來估算當前景觀下的碳儲量或者一個時間段內的碳固持。模型通過將四種碳庫的儲量相加來評價每個地圖單元和整個景觀的總碳儲量。根據模型用戶手冊, InVEST模型中的碳儲存模塊所做的前提假設是將某一土地利用類型的碳密度看作是一個常量。我們通常所指的碳儲量一般為植被碳儲量(地上植被碳儲量和地下植被碳儲量之和)與土壤碳儲量之和[21]。將珠江西岸四期的土地利用數據與各土地利用類型的碳密度數據輸入InVEST模型中, 即可得到珠江西岸不同時期的碳儲量空間變化。碳儲量計算公式為:

表1 土地利用類型碳密度

3.2.2 土地利用變化引起的碳儲量變化計算

對于土地利用變化引起的碳儲量變化計算, 首先可利用ArcGIS 10.2中的柵格計算器對珠江西岸1990年和2015年的土地利用柵格圖進行計算可得到珠江西岸兩期數據的轉移矩陣, 然后利用分區統計模塊可將珠江西岸1990—2015年的碳儲量變化數據與土地利用轉移矩陣柵格數據進行疊加區域分析, 即可得到珠江西岸土地利用變化對應的碳儲量變化情況。

4 結果與分析

4.1 土地利用變化分析

珠江西岸在1990—2015年近25年以來, 各種土地利用類型均發生了變化, 主要表現為耕地、林地、未利用土地面積減少, 水域、草地、建設用地面積增加。其中, 耕地的面積減少最迅速, 降幅達到16.33%, 面積減少了1855.6 km2; 林地面積減少了300.74 km2, 降幅達1.35%; 未利用土地面積減少1.22 km2, 降幅達4.53%。而在1990—2015年這一時段, 建設用地的面積增加最為迅速, 共增加了1916.36 km2, 增幅達到128.78%; 其次是水域面積, 增加了234.71 km2, 增幅為8.08%; 最后是草地面積, 增加了14.92 km2, 增幅為1.68%(表2)。

在研究期間, 土地利用類型之間的相互轉化主要發生在草地、耕地、建設用地、林地與水域之間, 未利用土地的轉化較少(表4)。在珠江西岸近25年內, 由于人口的較快增長與經濟轉型的需要, 使大量耕地(1580.33 km2)和林地(616.21 km2)向建設用地轉移; 并且陸地也開始向水域延伸, 有586.80 km2的水域轉移為建設用地, 以滿足由人口膨脹所帶來的居住用地與生活用地需要。這種土地利用面積的轉移主要發生在佛山市、中山市和珠海市。受到2006年《廣東省環境保護規劃》出臺、劃定了珠三角西部丘陵水土保持與生態農業生態亞區、中珠(澳)珠江西岸都市生態亞區等生態功能區的影響, 區域內有2707.39 km2的林地和624.78 km2的水域向耕地轉移, 481.45 km2的林地向草地轉移, 同樣也有2902.17 km2的耕地和437.35 km2的草地向林地轉移, 以期能實現經濟增長與環境保護良性發展的格局, 實現建設綠色廣東的目標。

4.2 碳儲量變化分析

為了體現珠江西岸1990—2015年碳儲量的總體變化趨勢, 我們用InVEST模型分別估算了珠江西岸1990年、2000年、2010年、2015年四期碳儲量數據。

從總體趨勢來看, 經InVEST模型的計算可知, 珠江西岸在1990年、2000年、2010、2015年的碳儲量分別為1528.1×105t、1511.4×105t, 1504.5×105t和1513.8×105t, 1990—2015年期間共減少了14.3×105t, 碳儲量總體呈下降趨勢。其中, 在1990—2000年期間碳儲量下降幅度最大, 共減少了16.7×105t, 降幅為1.09%; 而在2010—2015年期間碳儲量略有上升, 共增加了9.3×105t, 增幅為0.62%(圖3)。

圖2 珠江西岸1990—2015年土地利用圖

表2 1990－2015年土地利用類型面積與比例

圖3 珠江西岸各年份總碳儲量及不同土地利用類型碳儲量變化圖

從不同的土地利用類型來看, 珠江西岸在研究期間不同土地類型的碳儲量均有發生變化。大體可表征為: 耕地的碳儲量一直呈下降趨勢, 由1990年的306.02×105t下降到2015年的255.28×105t, 且1990—2000年這一時段的下降速率最快, 到了2010—2015年這一時段下降速率降低; 林地的碳儲量雖說呈下降趨勢, 但是林地仍然是珠江西岸最主要的碳庫, 且各時間段之間的下降幅度并不大, 由1990年到2015年只減少了19.47×105t; 草地的碳儲量由1990年到2010年一直呈下降趨勢, 但在2010—2015年則呈上升趨勢, 由88.49×105t上升到100.86× 105t; 建設用地的碳儲量則一直呈上升趨勢, 由1990年的45.23×105t上升到2015年的97.73×105t; 未利用土地的碳儲量所占比例較少, 且在研究期間變化量不大。

從碳儲量的空間分布及變化來看, 珠江西岸的碳儲量分布存在明顯的空間異質性。整個珠江西岸碳儲量較高的地區主要分布在北部的肇慶市與南部的江門市、陽江市, 東部的佛山市、中山市與珠海市碳儲量偏低。1990年與2015年兩期的碳儲量較高的地區基本與林地、草地、耕地的空間分布一致,而碳儲量較低的地區基本與水域、建設用地與未利用土地的空間分布一致。同時, 為了清楚反映碳儲量的空間變化情況, 本研究將1990—2015年的碳儲量變化分為3類: 明顯減少、基本不變、明顯增加(表3)。從表3、圖4可知, 1990—2015年珠江西岸碳儲量發生了較大的變化, 明顯增加的區域面積最大(63.10%), 主要分布在肇慶市、陽江市、江門市; 基本不變(16.21%)和明顯減少的區域(20.69%)主要分布在佛山市、中山市和珠海市。由上可知, 明顯增加的面積大于明顯減少的面積, 但總體碳儲量仍呈下降趨勢, 說明了不同地區碳儲量下降的幅度要大于其空間碳儲量上升的幅度。

表3 1990年－2015年碳儲量變化面積

圖4 不同時期碳儲量空間分布及變化圖

4.3 碳儲量對土地利用變化的響應

表4反映了珠江西岸1990—2015年由于土地利用類型變化所引起的碳儲量變化情況。研究結果表明, 由于不同土地利用類型之間的轉化, 使珠江西岸的總碳儲量在近25年來減少了9.65×105t, 其中植被碳儲量減少了15.72×105t, 土壤碳儲量增加了6.07×105t。由各土地利用類型轉化匯總結果顯示可看出, 耕地轉出使得區域內碳儲量增加44.74×105t。其中主要是因為大面積的耕地轉為林地與草地, 使植被碳儲量和土壤碳儲量增加, 特別是耕地轉化為林地時土壤碳儲量增加了32.28×105t, 從而使整體的耕地轉出有利于總碳儲量的增加; 而林地轉出與草地轉出分別使區域內碳儲量減少48.75×105t和60.34×105t, 主要是因為大量的林地、草地向耕地、建設用地、水域轉化, 非常不利于碳匯的形成; 而由于水域在本研究中碳密度設為0 t·hm-2, 故水域轉出非常有利于碳匯的形成, 使整個研究區碳儲量增加了57.24×105t; 由于建設用地轉化為水域的面積較大, 使得建設用地轉出的碳儲量減少了2.82×105t。綜上所述, 珠江西岸在近25年間耕地轉出、水域轉出和未利用土地轉出有利于區域內碳儲量增加, 而林地轉出、草地轉出和建設用地轉出則導致區域內碳儲量減少。

表4 1990－2015年土地利用類型轉化引起的碳儲量變化

同時, 研究發現耕地與建設用地相互轉化時, 碳儲量的變化情況與大多數的研究發現存在差異。主要表現為: 當耕地轉化為建設用地時, 植被碳儲量減少了7.94×105t, 土壤碳儲量增加了12.01×105t, 總碳儲量反而呈現增加狀態; 當建設用地轉化為耕地時, 植被碳儲量增加了1.91×105t, 土壤碳儲量減少了5.65×105t, 總碳儲量呈現減少狀態。而造成這種差異的原因主要有以下幾點: 首先, 分析形成這種差異的原因可能是由于珠江西岸的建設用地地面多由不透水表面構成, 一定程度上使地下土壤不能與外界進行能量交換, 土壤微生物在短期內呼吸減弱, 從而降低其對有機碳的分解能力, 最后導致土壤碳儲量不變或略有升高[22], 而當珠江西岸中耕地向建設用地轉化時, 土壤碳儲量增加了12.01×105t, 符合這種情況; 其次, 本研究中珠江西岸的建設用地中包含了一定面積的純人工城市綠化用地, 相比起半人工耕地生態系統可能具有更高的碳密度[23]; 再次本研究是基于一期的土地利用類型碳密度數據與四期土地利用變化數據相結合得到各個時期研究區的碳儲量結果, 進而評估珠江西岸碳儲量的分布情況, 經計算本研究建設用地的平均碳密度為29.55 t·hm-2, 而耕地的平均碳密度為26.89 t·hm-2, 則會出現耕地轉為建設用地時碳儲量增加的情況。

5 討論

根據研究結果可知, 珠江西岸在25年間碳儲量總體呈下降趨勢, 1990—2015年期間共減少了14.3×105t, 主要是由于區域內不同土地利用類型之間的相互轉化所導致的, 而林地、草地作為最主要的碳庫, 區域內林地轉出、草地轉出是碳儲量減少的重要原因。但是需要注意的是, 運用InVEST模型對珠江西岸碳儲量進行估算存在著不確定性因素。首先, InVEST模型對碳循環過程進行了簡化, 它利用不同土地利用類型的靜態的碳密度來估算碳儲量, 這將會一定程度上降低了碳儲量的估算精確度。然后, 本文所選用的碳密度數據雖經過研究區域的氣候帶分布地圖校正, 但由于缺少對珠江西岸不同時期的各種土地利用類型的碳密度的實測數據, 且所選用的碳密度數據空間驗證難度較大, 所以對估算結果將會造成一定的影響。最后, 本研究所采取的不同時期的土地利用類型圖分辨率相對較低, 這也會影響到碳儲量對土地利用變化的響應結果。

雖然InVEST模型具有不確定性, 但通過上述的研究結果可知, 本文所選用的碳密度數據符合研究區的實際情況, 且InVEST模型的通用性較高, 故本文對于珠江西岸碳儲量的時空分布及變化的模擬研究, 能與土地利用變化的情況相對應, 清楚地探明了珠江西岸在過去25年間碳儲量對土地利用變化的響應情況, 能夠對其經濟與生態的協調發展提供一定的參考。而在今后的研究中, 應加強對不同土地利用類型碳密度的監測和調查, 獲取長期的、動態的實驗觀測數據, 并利用更高分辨率的土地利用類型圖來提高模型的估算精度。同時, 在未來珠江西岸現代化制造業發展的過程中和我國2030年碳排放達到峰值的目標號召下, 應加強對珠江西岸未來城市擴張的模擬研究, 并對區域內的其他生態系統服務, 如水源涵養、土壤侵蝕、生境質量等進行量化研究, 以探討珠江西岸在發展過程對生態系統服務的影響, 為其經濟與生態環境協調可持續發展提供更加科學的參考依據。

6 結論

(1) 珠江西岸在1990—2015年近25年間土地利用變化主要表現為: 耕地、林地、未利用土地面積減少, 水域、草地、建設用地面積增加。其中耕地的面積減少最迅速, 降幅達到16.33%, 而建設用地的面積增幅最大, 達到128.78%。由于經濟發展需要, 區域內有1580.33 km2的耕地和616.21 km2的林地向建設用地轉移, 這種情況主要發生在佛山市、中山市和珠海市; 同時受政策的影響, 區域內林地、草地、耕地、水域之間也互相轉化, 其中林地與耕地兩者之間轉化最為活躍, 以期實現建設綠色廣東的目標。

(2) 珠江西岸在1990年、2000年、2010年、2015年的碳儲量分別為1528.1×105t、1511.4×105t, 1504.5×105t和1513.8×105t, 1990—2015年期間共減少了14.3×105t, 碳儲量總體呈下降趨勢。在研究期間, 耕地的碳儲量一直呈下降趨勢, 林地的碳儲量雖呈下降趨勢但整體變化量不大, 草地的碳儲量則在2010—2015年則呈上升趨勢; 而在研究期間建設用地、水域的碳儲量一直呈上升趨勢。

(3) 珠江西岸在1990—2015年間由于不同土地利用類型之間的轉化使珠江西岸的總碳儲量減少了9.65×105t, 其中植被碳儲量減少了15.72×105t, 土壤碳儲量增加了6.07×105t。耕地轉出、水域轉出和未利用土地轉出有利于區域內碳儲量增加, 而林地轉出、草地轉出和建設用地轉出則導致區域內碳儲量減少, 不利于碳匯形成。

(4) 從近25年來珠江西岸生態系統碳儲量對土地利用變化的響應結果來看, 要促進其經濟與生態的協調發展, 需要不斷著手控制區域內林地、草地和耕地面積的減少量, 嚴控耕地開墾或建設用地占用, 同時還需要加強生態工程建設以提高區域各種生態系統的固碳能力。

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Responses of ecosystem carbon stocks to land use change on the west side of the Pearl River

ZHOU Rubo, LIN Meizhen*, WU Zhuo*, GONG Jianzhou

School of Geographical Sciences, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China

Research on the relationship between ecosystem carbon stocks and land use change is crucial, as it is significant for the coordinated development between economy and eco-environment in the rapidly-urbanized area. The carbon stocks on the west side of the Pearl River for the years 1990, 2000, 2010 and 2015 were simulated using the InVEST model and the ArcGIS software. Then, the responses of the ecosystem carbon stocks to land use change were analyzed. The results showed that: (1) dramatic change in land use on the west side of the Pearl River happened during the period 1990-2015; cropland decreased displayed the fasted reeducation, while build-up land showed the largest increase in the study area. (2) The transformation between different land uses occurred mainly between grassland, cropland, build-up land, forest, and water during the period, especially in the cities of Foshan, Zhongshan and Zhuhai. (3) The ecosystem carbon stocks on the west side of the Pearl River showed a decreasing trend, with the ecosystem carbon stocks of 1528.1×105t, 1511.4×105t, 1504.5×105t and 1513.8×105t for the years 1990, 2000, 2010 and 2015,respectively. (4) The total ecosystem carbon stocks were reduced by 9.65×105t due to land use change during the last 25 years. The reduction in cropland, water and the unused land was beneficial for the increase in carbon stocks; however, the reduction in forest, grassland and the build-up land led to the decrease in carbon stocks in the study area.

carbon stocks; InVEST model; land use change; the west side of the Pearl River

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.023

K903

A

1008-8873(2018)06-175-09

2018-06-30;

2018-07-11

國家自然科學基金項目(41771097)

周汝波(1995—), 男, 廣東廣州人, 碩士生, 主要從事生態系統服務研究, E-mail: 429732394@qq.com

林媚珍, 女, 教授, 主要研究方向為生態系統服務, 生態效應, E-mail: lmzh888@163.com; 吳卓, 男, 講師, 主要研究方向為綜合自然地理與全球變化響應, E-mail: wuzhuo@gzhu.edu.cn

周汝波, 林媚珍, 吳卓, 等. 珠江西岸生態系統碳儲量對土地利用變化的響應[J]. 生態科學, 2018, 37(6): 175-183.

ZHOU Rubo, LIN Meizhen, WU Zhuo, et al. Responses of ecosystem carbon stocks to land use change on the west side of the Pearl River[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 175-183.