吉林省東遼縣土地利用/覆被變化及其對碳儲量影響

任婉俠，董書恒，肖 驍，薛 冰

(1.中國科學院沈陽應用生態研究所 污染生態與環境工程重點實驗室，遼寧 沈陽110016；2.遼寧省環境計算與可持續發展重點實驗室，遼寧 沈陽110016)

0 引言

土地利用與覆被變化是人類改變陸地生態系統生物質生產的主要方式之一，是影響陸地系統碳循環過程，引起碳源、匯變化的重要原因[1-3]，也是造成全球溫室效應的主要人為驅動力[4]，并且對全球糧食安全和可持續發展發揮著核心作用[5-6].2007—2016年，農業、林業和土地利用變化導致溫室氣體排放分別占全球人為二氧化碳(CO2)排放的13.0%、甲烷(CH4)排放的44.0%、氧化亞氮(N2O)排放的81.0%，其排放量占人為溫室氣體總排放的23.0%[7]，如果將運輸等食品生產前后相關活動的排放量計算在內，比例達到37.0%[6].政府間氣候變化專門委員會(IPCC)最新報告指出，目前土地利用模式加劇了全球變暖，并惡化了由此帶來的環境破壞[6].因此，土地利用/覆被變化是綠色低碳發展和碳排放研究的重要切入點，也是進行碳排放調控的重要工具之一[8].

目前國內外已針對不同時空尺度的土地利用/覆被變化及其碳效應開展了廣泛研究.例如，學者利用簿記模型評估了近300年中國耕地開墾導致的陸地生態系統碳收支變化，發現過去300年中國耕地面積累計增加約7.93×107hm2，開墾的耕地主要來源于森林和草地，這就導致我國東北地區和西南地區的生態系統碳儲量減少顯著[9].另有學者分別針對森林、草地、農業或者特定的生態系統開展熱點區域和國家的土地利用變化及對碳儲量影響研究，例如歐盟[10]、亞洲[11]、亞馬遜地區[12-14]、喜馬拉雅地區[15]、中國[4，16]、美國[17-18]、印度尼西亞東加里曼丹省[19]等.比如，劉紀元等認為1990—2000年中國土地利用變化導致陸地土壤有機碳庫減少42.5～112.8 Tg，其中林地和草地土壤碳儲量分別減少38.9～72.9 Tg和38.7～126.6 Tg[20]；方精云等認為1981—2000年中國陸地生態系統總碳匯相當于中國工業CO2排放量的20.8%～26.8%[21]；Piao等認為20世紀80年代和90年代的中國陸地生態系統吸納了人為源碳排放總量的28.0%～37.0%[22]；Lai等研究發現，土地利用/覆被變化使中國植被碳儲量增加了13.2 TgC·yr-1，而土壤有機碳減少了11.5 TgC·yr-1，土地管理造成101.8 TgC·yr-1的碳損失[16].因此土地利用管理對減少全球碳排放至關重要[23].

綜合來看，當前土地利用/覆被變化及其碳儲量影響研究主要集中在全球、國家、流域和省市尺度，對基于縣域以及鄉鎮尺度的土地利用/覆被變化導致陸地生態系統碳儲量變化的研究相對缺乏.特別是改革開放以來，我國縣域及其鄉鎮土地利用/覆被變化顯著，而碳排放的持續增長已成為我國廣大農村地區面臨的重大挑戰之一.因此，基于我國基本行政單元的縣域及其所轄鄉鎮的農村碳減排是推動中國整體碳排放降低的重要方向，也為鄉村振興、美麗中國等重大戰略實施提供科學支撐.東北地區是我國工業和農業基地，維護國家國防安全、糧食安全、生態安全、能源安全和產業安全的戰略地位十分重要.本文以我國東北地區典型商品糧基地的東遼縣為研究對象，探討1980—2018年東遼縣及所轄鄉鎮土地利用/覆被變化及其對陸地生態碳儲量的影響，從而為碳約束下我國縣域鄉鎮土地利用管理和決策提供科學依據，并為縣域及其鄉鎮制定合理的碳排放政策提供參考.

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

東遼縣(圖1)位于吉林省中南部，東遼河上游，地處東經124°49′59″-125°34′40″，北緯42°36′45″-43°13′33″，屬中溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，也屬生態脆弱帶，水土流失嚴重.多年平均溫度5.2 ℃，有效積溫2 700～2 800 ℃，年降雨量600～700 mm.東遼縣地處長白山余脈和松遼平原的過渡地帶，地貌以低山丘陵為主，屬典型半山區.研究區土類主要以白漿土為主，植被類型屬于長白山植物區系.

圖1 吉林省東遼縣及其所轄鄉鎮區位圖

東遼縣行政區劃面積2 172.0 km2，轄9鎮4鄉(圖1)，234個行政村，2016年人口34.3萬，城鎮化率21.4%，60歲及以上人口占總人口51.7%，老齡化嚴重；人均生產總值47 336.0元，與發達國家步入老齡化社會的人均生產總值1～3萬美元相比，東遼縣呈現顯著的“未富先老”的特征.2016年東遼縣地區生產總值162.4億元，一、二、三產增加值比重13.4∶62.2∶24.4，一、二、三產從業人員比重52∶22∶26，農業是農民就業和收入來源第一大戶.2016年全縣玉米播種面積占全縣耕地面積的88.0%，是我國重要的“玉米生產基地”和“商品糧基地縣”.

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用數據來源與處理

本文采用的土地利用數據包括吉林省東遼縣1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2018年8期的土地利用數據.本研究以Landsat TM/ETM遙感圖像為數據源，分別獲取空間分辨率為30 m×30 m的遙感影像圖，成像時間均為8月，無云或少云，地物分辨明顯.基于ENVI圖像處理軟件對遙感圖像進行幾何校正、輻射校正、影像增強和圖像剪裁等預處理，在專家的參與下，根據影像光譜特征，結合野外實測資料，同時參照有關地理圖件，對地物的幾何形狀，顏色特征、紋理特征和空間分布情況進行分析，并在綜合專家意見后，建立遙感影像解譯標志，然后通過解譯最終獲得土地利用柵格數據和土地利用/覆被圖，并通過將外業調查和隨機抽取動態圖斑進行重復判讀分析相結合的方法檢查數據產品質量.解譯精度達到86.0%，能夠滿足研究需要.該土地利用數據集將趨于土地利用類型分為6大類25小類[24].本文根據研究需要，對原始數據的25小類進行合并，得到耕地(水田、旱田)、林地(有林地、灌木林、疏林地及其他林地等)、草地(高覆蓋度草地和中覆蓋度草地)、水域(湖泊、水庫坑塘和灘涂等)、建設用地(城鎮用地、農村居民點和其他建設用地)和未利用地(裸土地和裸巖石等)6類用地類型.

1.2.2 土地利用/覆被變化碳儲量分析

陸地生態系統碳循環的研究方法主要有三類：一是通過土地利用變化估算不同時期、不同土地利用類型的面積和碳密度動態，依據《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》(簡稱《指南》)中建議方法來推算陸地生態系統碳收支；二是采用森林/土壤清查資料的估算途徑；三是采用各種環境參數模型方法，利用環境因子與陸地植被/土壤生產力之間的相互作用關系建立模型，然后間接推算陸地植被生物量和土壤碳儲量變化[24].本研究依據數據資料可獲取性和有效性等，本研究選擇第一種方法核算東遼縣及所轄鄉鎮土地利用/覆被變化對陸地生態系統碳儲量的影響.

《指南》認為在農業、林業和其他土地利用部門內CO2排放量和清除量的估算通常基于生態系統碳庫的變化，即每一種土地利用類型的碳循環過程主要在生物量(地表及地下生物量)、死有機物質(死生物體、凋落物)及土壤這3類碳庫中進行.因此，某種土地利用類別碳庫變化的通用計算公式為：

ΔCLUi=ΔCAB+ΔCBB+ΔCDW+ΔCLI+ΔCSO+ΔCHWP

(1)

式中，ΔCLUi為某種土地利用類別中的碳儲量變化；下標表示以下碳匯：AB=地上部生物量；BB=地下部生物量；DW=死木；LI=枯枝落葉；SO=土壤；HWP=采伐的木材產品.

研究區內所有土地利用類型的碳庫變化的計算公式如下：

ΔCAFOLU=ΔCFL+ΔCCL+ΔCGL+ΔCWL+ΔCSL+ΔCOL

(2)

其中，ΔC為碳庫變化；AFOLU=農業、林業和其他土地利用；FL=林地；CL=耕地；GL=草地；WL=水淹地/濕地；SL=建設用地/聚居地；OL=其他土地.

對每種土地利用類別的碳庫變化進行估算包括保持不變的土地利用類別和轉變為另一種土地利用類別的土地.在本研究計算過程中，對耕地、林地、草地、濕地、建設用地和其他土地(包括裸地等)進行估算.而在對濕地估算過程中，本研究僅對水淹地(水產養殖、池塘、天然河流和湖泊等)進行分析，同時對水淹地只提供轉化為水淹地的土地產生的碳排放的估算方法，對仍為水淹地的濕地的碳庫變化不予考慮.計算過程中各因子選擇遵循優先選擇吉林省數據，其次為東北地區數據，然后選擇基于中國區域案例研究成果，最后選擇IPCC推薦數據的原則，盡量降低因子選擇帶來的評估誤差.

東遼縣所轄13個鄉鎮的土地利用/覆蓋變化引起的碳儲量變化采用直接碳排放系數法進行核算.碳排放量估算模型為：

E=∑λi=∑Siδi

(3)

式中，E為碳排放總量(tC)；λi為第i種土地利用方式產生的碳排放量/碳匯量(tC)；Si為第i種土地利用方式對應的土地面積(hm2)，其中包括耕地、林地、草地、水域和濕地、建設用地以及未利用地；δi為第i種土地利用方式的碳排放(吸收)系數(tC·hm-2).根據相關研究成果，選取耕地的凈碳排放(蓄積)系數為-0.372 tC·hm-2、林地為0.487 tC·hm-2、草地為0.191 tC·hm-2、水域和濕地0.41 tC·hm-2、建設用地-55.603 tC·hm-2和未利用地的0.005 tC·hm-2(“+”表示碳蓄積、“-”表示碳排放[25].

2 結果與分析

1980—2018年，由于人口增加、經濟發展、產業調整等因素對東遼縣土地利用活動產生顯著影響，其土地利用與土地覆被發生明顯變化，主要發生在耕地、林地、草地和建設用地之間.

2.1 東遼縣及所轄鄉鎮土地利用/覆蓋變化特征

耕地和林地始終是東遼縣最主要的土地利用/覆被類型，占全縣土地總面積的比例維持在90.0%左右，而且東遼縣耕地與林地面積變化是相互關聯的，表現出此消彼長的趨勢，具有較好的相關性，也就是說耕地迅速減少的時期，恰是林地快速增加的時期，說明新增林地部分來自于退耕還林(如圖2和圖3所示).

圖2 1980年和2018年東遼縣土地利用/覆被變化

圖3 1980—2018年東遼縣主要土地利用類型面積變化

由圖3和表1可知，東遼縣耕地占土地總面積比例由1980年的56.1%下降至1995年最低點的51.6%，然后逐漸回升至2018年的53.6%.盡管旱地一直在耕地中占據主導地位，2018年旱地面積占耕地的86.0%，但是由于近年東遼縣加大了對水庫、水利等設施的投入，促使東遼縣水域面積由1980年的1.5%增加到2018年的1.9%，主要來自水庫坑塘的增加和灘涂的減少，因此近年東遼縣水田面積持續增加，其占耕地總面積的比例由1980年的10.1%增加到2018年的14.0%，特別是2010年后水田面積增長明顯.1980—2018年東遼縣耕地面積減少了4.5%.

林地是東遼縣第二大土地利用類型，占東遼土地總面積比例由1980年的35.4%升至1995年最高點的38.1%，然后逐漸穩定在37.0%左右；主要包括有林地和疏林地，占林地總面積的95.0%～99.0%，其中有林地占林地總面積的比例由1980年的59.5%增加到2018年的87.8%，而疏林地由36.40%降到11.3%，說明東遼縣森林資源質量有所提升.1980—2018年東遼縣林地面積增加了5.1%.東遼縣草地面積減少顯著，其占總土地面積的比例由1980年的2.4%降至2018年的1.3%，主要以中覆蓋度草地減少和高覆蓋度草地增加為主.1980—2018年東遼縣草地面積減少了45.6%.水域面積增加明顯，1980—2018年增加了24.4%.除此之外，建設用地增加顯著，其占土地總面積的比例由1980年的4.5%增加到2018年的5.9%，主要來自農村居民點和其他建設用地的增加.1980—2018年東遼縣建設用地面積增加了32.3%.

表1 1980—2018年東遼縣不同土地利用/覆被類型占總面積的比例/%

對東遼縣所轄的9鎮4鄉來說，其土地利用/覆被變化見表2.對耕地而言，9個鄉鎮的耕地面積均減少，其中，遼河源鎮耕地面積減少最為顯著，占全縣耕地變化總量的37.6%，其次是白泉鎮，占23.1%；而僅有安恕鎮、平崗鎮、金洲鄉和建安鎮4個鄉鎮耕地面積有所增加，其中安恕鎮增加的耕地面積最大，達到308.3 hm2.

對林地來說，遼河源鎮林地面積增加最為顯著，增加量占全縣林地變化總量的47.8%，其次為渭津鎮，占22.7%，而金洲鄉和建安鎮林地面積減少最為明顯.對草地而言，8個鄉鎮的草地面積減少，其中平崗鎮草地面積減少最多，占全縣草地變化總量的22.7%，其次是渭津鎮，占21.5%；有5個鄉鎮草地面積有所增加，其中凌云鄉草地面積增加最顯著.

對建設用地來說，13個鄉鎮中，僅有安恕鎮建設用地略微降低，其他鄉鎮均增加，其中縣政府所在地白泉鎮是建設用地增加最為顯著的地區，占全縣建設用地變化總量的21.3%，其次為建安鎮，占14.4%.

表2 1980—2018年東遼縣所轄鄉鎮土地利用/覆蓋變化/hm2

表3為東遼縣1980—2018年土地利用轉移矩陣.從轉入和轉出面積來看，轉入面積最多的是耕地和林地，轉入面積分別為277.9 km2、161.4 km2，其次為草地、建設用地和水域，未利用地是轉入面積最小的土地利用類型；轉出面積最多的也是耕地和林地，分別為222.4 km2、200.6 km2，其次為建設用地、草地和水域.綜上，東遼縣土地利用轉換主要集中在耕地、林地、草地和建設用地之間，主要轉化方向為：耕地與林地之間相互轉換，草地與耕地和林地之間相互轉化，而建設用地主要來自耕地.

表3 1980—2018年東遼縣土地利用轉移矩陣/km2

2.2 東遼縣及所轄鄉鎮土地利用/覆蓋變化引起的碳儲量變化特征

圖4為不同時間段東遼縣陸地生態系統碳儲量變化，從中可以看出，2005—2010年是東遼縣陸地生態系統碳儲量變化最為顯著的時間段，碳儲量減少了2.2×106t，其次為1995—2000年，碳儲量減少了9.3×105t.1980—2018年東遼縣土地利用/覆被變化導致陸地生態系統碳儲量減少6.4×106t.而耕地和林地是東遼縣陸地生態系統碳儲量變化的主要來源，其中，耕地是主要碳源、林地是主要碳匯(圖5).而且東遼縣碳儲量增加除了來自固有林地的碳蓄積外，還主要來自于其他土地轉變成林地，例如耕地轉變成林地、草地轉變成林地，而其碳儲量減少除了土地耕種導致的大量碳排放外，林地和草地轉變成耕地等土地利用/覆蓋變化也是其碳儲量減少的主要方式(表4).森林生態系統是最大的陸地碳庫，在全球碳循環中起著至關重要的作用，其相對較小的變化將會對全球碳循環產生顯著影響.森林生態系統遭到破壞，尤其是森林砍伐后變為農田和草地，會導致碳由陸地生物圈向大氣大量釋放，其釋放量可與化石燃燒引起的溫室氣體釋放量相當.因此，植樹造林、退耕還林、保護性耕作等措施是增強東遼縣陸地生態系統碳蓄積的重要手段.

圖4 不同時間段東遼縣陸地生態系統碳儲量變化

圖5 東遼縣土地利用類型變化導致碳儲量變化分布

表4 東遼縣不同土地利用類型轉變碳儲量變化

圖6為東遼縣13個鄉鎮土地利用/覆被變化引起的碳儲量變化，從中發現安恕鎮是東遼縣唯一的陸地生態系統碳儲量增加的鄉鎮，縣政府所在地的白泉鎮是碳儲量減少最多的鄉鎮，其次為建安鎮和安石鎮.另外，1995—2005年間有部分鄉鎮的碳儲量是增加的，占總鄉鎮數的65.4%；但是，緊接著的2005—2010年間不僅有12個鄉鎮碳儲量減少，而且是其碳儲量減少最為顯著的時間段，其中建安鎮、安石鎮和金洲鄉對東遼縣陸地生態系統碳儲量減少的貢獻最大.除此之外，2010—2018年白泉鎮、渭津鎮和泉太鎮三鎮趨向于成為東遼縣重要的碳源區.東遼縣各鄉鎮土地利用/覆蓋變化導致人均碳儲量變化強度差異顯著，其中金洲鄉人均年碳排放強度最大，達到-23.2 kgC·人-1，其次為建安鎮和泉太鎮，分別為-21.4 kgC·人-1和-20.3 kgC·人-1，白泉鎮為-17.4 kgC·人-1，位列第四.而安恕鎮是東遼縣13個鄉鎮中唯一的其土地利用/覆被變化導致碳吸收的鄉鎮，其人均吸收強度為2.7 kgC·人-1.

圖6 東遼縣不同土地利用/覆被變化的碳儲量變化

3 討論

1)《東遼縣土地利用總體規劃(2006—2020年)修改方案》中規定到2020年，東遼縣耕地保有量不得低于100 204 hm2；林地保有量達到80 400 hm2；建設用地總規模控制在17 309 hm2以內[26].2018年東遼縣耕地面積約117 326 hm2、林地面積81 500 hm2、建設用地約12 947 hm2，與2020年規劃的主要用地類型規模相比耕地和建設用地等主要碳源存在較大發展空間，而作為主要碳匯的林地規模卻已達飽和狀態，也就意味著東遼縣陸地生態系統碳儲量將進一步降低，會進一步釋放出大量溫室氣體，致使基于碳減排的東遼縣生態建設和綠色發展面臨更大壓力.因此，改進耕作方式，發展保護性耕作是以糧食生產為主的商品糧基地減少碳排放實現可持續發展的重要途徑[27-28].而實施森林質量精準提升工程是增強東遼縣森林生態功能和提升其碳匯能力的重要方式.

2)本文碳密度數據等系數是通過搜集前人研究成果獲得，缺乏東遼縣本地植被碳密度、土壤碳密度等實地監測數據，致使東遼縣土地利用/覆被變化導致的陸地生態系統碳儲量變化的估算結果的精確性需要更多的本土研究進行強化和補充.例如，目前，關于吉林省的土地利用/覆被變化及其碳儲量的研究主要集中于吉林省西部地區[29-30]，而且森林生態系統碳密度集中于吉林省東部的長白山地區，這一區域主要分布著以天然起源的、生物量較高的針闊混交林和亞高山針葉林，具有較高的碳密度[31]，與包括東遼縣在內的吉林省中部地區的人工林碳密度存在顯著差異.

綜上所述，作為東北地區保障國家糧食安全和生態安全的典型縣域，東遼縣陸地生態系統固碳能力呈減弱趨勢，同時還伴隨著東北地區不斷惡化的水土流失，東遼縣需強化保護性耕作技術與措施的推廣與應用，促進東遼縣農業生態系統可持續發展.另外，東遼縣森林多為人工林，森林碳密度較低，致使其碳匯潛力提升受限，因此應堅持不斷加強森林資源保護管理，實施森林質量精準提升工程，持續改善東遼縣森林生態系統的生態功能并增強其植被碳匯能力.最后，東遼縣建設用地擴張明顯，農用地被建設用地占用所引發的碳排放不僅是東遼縣面對的挑戰，也是包括中國在內的大量發展中國家基層行政單元面臨的共性問題，因此控制建設用地規模和提升其用地效率是調控其碳排放的重要方式.

4 結論

1)耕地和林地是東遼縣主要土地利用/覆被類型.1980—2018年東遼縣耕地和草地面積分別減少4.5%和45.6%，林地、水域和建設用地擴張明顯，面積分別增加5.1%、24.4%和32.3%.對東遼縣所轄的13個鄉鎮來說，遼河源鎮耕地減少和林地增加最為顯著，分別占耕地和林地面積變化總量的37.6%和47.8%；12個鄉鎮建設用地面積均增加，其中縣政府所在地白泉鎮建設用地增加最為顯著，占建設用地變化總量的21.3%.

2)1980—2018年，東遼縣各土地利用/覆蓋變化的主要轉化方向為：耕地與林地之間相互轉換，草地與耕地和林地之間相互轉化，而建設用地主要來自耕地.

3)1980—2018年東遼縣土地利用/覆被變化導致陸地生態系統碳儲量減少6.4×106t.2005—2010年是東遼縣陸地生態系統碳儲量變化最為顯著的時間段，碳儲量減少了2.2×106t，其次為1995—2000年，碳儲量減少了9.3×105t.而耕地和林地是東遼縣陸地生態系統碳儲量變化的主要來源，其中耕地是碳源、林地是碳匯.而且安恕鎮是東遼縣唯一的碳儲量增加的鄉鎮，縣政府所在地的白泉鎮是碳儲量減少最多的鄉鎮.白泉鎮、渭津鎮和泉太鎮三鎮趨向于成為東遼縣重要的碳源區.