基于碳密度修正的甘肅省土地利用變化對碳儲量的影響

任璽錦, 裴婷婷, 陳英, 謝保鵬, 程東林

基于碳密度修正的甘肅省土地利用變化對碳儲量的影響

任璽錦, 裴婷婷, 陳英*, 謝保鵬, 程東林

甘肅農業大學管理學院, 蘭州 730070

研究甘肅省土地利用變化對陸地生態系統碳儲量的影響, 以期為甘肅省生態文明建設提供一定理論參考。因此，基于遙感數據, 通過修正全國碳密度得到甘肅省碳密度, 應用修正的碳密度輸入InVEST模型對1990—2015年甘肅省碳儲量進行估算, 分析土地利用變化對碳儲量的影響。研究結果表明: 1)1990—2015年, 甘肅省建設用地面積增加1268 km2, 增幅為38.09%; 未利用地面積共減少1850 km2, 減幅為1.08%。約有1.71%的土地發生了轉移, 其中耕地和草地、建設用地、未利用地之間的轉化是甘肅省土地利用變化的主要特征。2)甘肅省碳儲量總體呈上升趨勢。因土地利用類型轉化引起碳儲量凈增加251.46萬t, 其中植被碳儲量和土壤碳儲量分別增加89.06 萬t和162.40 萬t。3)未利用地向耕地、草地和林地轉化是碳儲量增加的主要原因, 而耕地向建設用地轉化是造成碳儲量減少的重要因素。4)優化土地利用結構, 提高林地面積規模, 控制建設用地增速, 能夠對陸地生態系統碳積蓄產生積極的效果。

土地利用變化; 碳儲量; InVEST模型; 碳密度修正; 甘肅省

0 前言

土地利用覆蓋變化是全球氣候變化的重要驅動力, 對生態服務系統功能產生重要的影響[1]。近50年, 由于人類活動所導致的溫室效應使得全球氣溫上升, 威脅人類生存發展[2]。因此, 減少溫室氣體排放已經成為全人類面臨最嚴峻的環境變化問題。陸地生態系統作為大氣中CO2重要的源和匯, 在維持全球碳循環和全球氣候變化中起著極其重要的作用[3]。土地利用變化是驅動陸地生態系統碳循環過程的重要因素, 不同土地利用類型的固碳能力存在差異, 因此, 土地利用類型的變化對碳儲量的變化有較大的影響[4]。

目前學者們就土地利用變化對陸地生態系統碳儲量的影響進行了大量研究。陳耀亮等探討了1975—2005年中亞土地利用變化對植被碳儲量的影響[5]。王淵剛等在近50年瑪納斯河流域土地利用變化對碳儲量影響的研究中發現, 因土地利用類型的轉化和轉換后不同地類碳密度的差異, 將會引起碳儲量變化[6]。呂欣怡、韓晉榕等通過InVEST模型對不同土地利用變化情景下引起的碳儲量變化進行了測算[7–8]。郭曉敏等人研究了揚子江城市群土地利用時空變化及對陸地生態系統碳儲量的影響[9]。然而, 甘肅省在該方面的研究主要側重小尺度的森林、土壤等典型陸地生態系統的碳儲量研究, 利用大尺度的LUCC遙感數據分析土地利用類型的轉化對碳儲量的影響較少[10–11], 且隨著甘肅省經濟的快速發展, 城市化進程不斷加快, 土地利用變化也會發生顯著變化, 而甘肅省作為我國的生態屏障, 其生態環境質量事關整個民族的生存質量和發展空間, 其土地利用方式對于維護生態平衡和地區可持續發展尤為重要。因此, 本文將通過修正全國碳密度, 獲得甘肅省碳密度, 利用InVEST模型分析1990—2015年甘肅省土地利用變化對碳儲量的影響, 以期為甘肅省生態文明建設和引導城市低碳發展提供一定的科學依據和理論支撐。

1 研究區與數據

1.1 研究區域

甘肅省位于32°31′N—42°57′N, 92°13′E—108° 46′E, 地處黃土高原、青藏高原和內蒙古高原三大高原的交匯地帶, 地形破碎, 地貌類型齊全, 氣候復雜多樣。年均溫為0—15℃, 年平均降水量在40—750 mm之間, 降水空間分布差異顯著, 干旱、半干旱區達到總面積的75%。截止2017年, 全省土地總面積為42.58萬km2, 土地開發利用面積為27.71萬km2, 土地利用率僅為65.07%。荒漠化土地面積為19.50萬km2, 占全省土地總面積的45.79% (甘肅省第五次荒漠化和沙化監測統計)。全省森林覆蓋率11.28%, 其中天然林是甘肅省碳儲量的主要來源, 其類型主要包括櫟類、闊葉混交林、冷杉林和云杉林[12]。有機碳儲量占前5位的土壤類型為亞高山草甸土、高山草甸土、褐土、灰褐土, 亞高山草原土[13]。

1.2 數據來源

本研究包括的基本數據有: 甘肅省(市級)行政邊界數據來自資源環境數據云平臺(http://www. resdc.cn); 30m DEM 數據來自美國地質勘探局網站(https://earthexplorer.usgs.gov); 1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年六期的LUCC遙感影像數據來源于資源環境數據云平臺, 空間分辨率為1km。利用ArcGIS 10.2 軟件平臺將甘肅省24個二級地類合并為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6個大類。碳密度通過查閱文獻, 并根據甘肅省氣候條件, 對甘肅省碳密度進行修正, 得到甘肅省各土地利用類型的碳密度。

2 研究方法

2.1 計算模型

InVEST模型是由美國斯坦福大學、大自然保護協會(TNC)與世界自然基金會(WWF)聯合開發的能夠直觀、可視化表達生態系統服務功能價值的一種工具。通過模擬不同土地覆被情景下生態服務系統物質量和價值量的變化, 為決策者權衡人類活動的效益和影響提供科學依據。它主要包括淡水生態系統評估、海洋生態系統評估和陸地生態系統評估三大生態系統服務功能評估模塊, 其中陸地生態系統評估模塊包括生物多樣性、碳儲量、農作物授粉和木材產量四個子模塊[14]。

圖1 甘肅省地理位置區位圖

Figure 1 Location map of Gansu Province

2.2 碳儲量計算

2.2.1 碳儲量計算公式

碳儲量通過InVEST模型中的碳模塊來測算, 具體計算公式為:

式中, C為總碳儲量, C為地上碳儲量, C為地下碳儲量, C為土壤碳儲量, C為死亡有機物碳儲量。

全國水平下和西部干旱區水平下不同地類對應的碳密度數據通過文獻[15—21]獲得(表1)。本研究碳儲量主要計算各種用地類型地上植被、地下植被和土壤碳密度值, 死亡有機物碳儲量由于在碳庫中所占比重較小, 故在本研究中不予考慮。

2.2.2 碳密度的修正

碳密度修正公式的選擇以通用程度高且氣候條件較相似為原則, 對全國水平下的碳密度進行修正。年降水量與生物量和土壤碳密度的關系采用Alam研究中的公式(公式2, 公式3)[22]; 年均溫與生物量碳密度的關系借鑒Giardina、陳光水等人研究中的公式(公式4)[23—25]。而氣溫與土壤碳密度的相關性明顯低于降水, 因此本文僅考慮降水量對土壤碳密度的影響[26]。

式中: C為根據年降水量得到的土壤碳密度(kg·m-2), C、C分別是根據年降水量和年均溫得到的生物量碳密度(kg·m-2), MAP是年均降水量(mm), MAT是年均氣溫(℃)。

表1 生物量碳密度和土壤碳密度(kg·m–2)

將甘肅省和全國的年均溫值和年均降水量值(全國和甘肅省年均溫、年均降水量的值分別確定為9 ℃/6.3 ℃和628 mm/340.8 mm)帶入上述公式, 二者之比(公式5－6)即為甘肅省碳密度修正系數。

式中:、分別為生物量碳密度的降水因子和氣溫因子修正系數,＇和〞分別是甘肅省和全國的碳密度數據;、分別為生物量碳密度修正系數和土壤碳密度修正系數。將碳密度修正系數與全國碳密度數值相乘即是甘肅省碳密度數據(表2)。

2.2.3 土地利用變化引起的碳儲量計算

利用ArcGIS 10.2 軟件中的Raster Calculator工具, 對1990年和2015年的土地利用變化數據進行運算, 可得到研究區1990—2015年土地轉移矩陣(表4)。土地利用變化引起的碳儲量變化則等于各轉化地類的植被、土壤碳密度的變化值乘以土地轉移矩陣面積, 公式如下[9]:

式中:為碳儲量總變化量,, 為第種土地類型轉移為第種土地類型的面積(km2); ?為第種土地類型轉移為第種土地類型的碳密度變化(kg·m-2); 106為單位之間的轉換;=1, 2, 3, 4, 5, 6;=1, 2, 3, 4, 5, 6, 按數字排序依次為耕地、林地、草地、建設用地、水域和未利用地。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

3.1.1 土地利用類型面積變化分析

總體來說, 1990－2015年甘肅省各地類面積變化主要表現為耕地、建設用地面積大量增加; 未利用地面積大量減少; 林地和水域面積少量增加以及草地面積的少量減少。其中, 耕地面積增加534 km2, 增加幅度為0.82%; 未利用地面積大量減少, 共減少1850 km2, 減少幅度是1.08%; 水域面積增加91 km2, 增加幅度為2.74%, 林地面積增加149 km2, 增加幅度為0.39%; 草地面積減少192 km2, 減少幅度是0.13%。建設用地在全省總面積中占比較小, 但發生了較為明顯的面積變化, 1990年面積為3329 km2, 2015年面積為4597 km2, 凈增加1268 km2, 增加幅度為38.09%(圖2)。

具體來說, 25a間, 耕地面積呈現先增后減趨勢, 主要表現為1990－2005年耕地面積增加, 2005－2015年耕地面積減少。其中耕地面積增加幅度最大的為1990－1995年, 增加了479 km2, 增長幅度為0.74%; 耕地面積減少幅度最大的為2010－2015年, 減少了127 km2, 減少幅度為0.19%。林地面積呈現先減后增再減趨勢, 面積增減基本相抵。其中1990－1995年林地面積減少幅度最大, 為1.13%, 減少量達到430 km2; 2000－2005年林地面積增加幅度最大, 為1.15%, 增加量達到435 km2。草地面積波動減少, 其中面積減少幅度最大的為1995－2000年, 減少了354 km2, 減少幅度為0.25%, 增加幅度最大的為2005－2010年, 增加了255 km2, 增加幅度為0.18%。水域面積呈現先減后增趨勢, 1990－2015年水域面積共增加了93 km2, 其中2010－2015年面積增加幅度最大, 為2.80%, 增加了95 km2。建設用地面積呈現持續增加趨勢, 由1990年的3329 km2增加至2015年的4597 km2, 增加量為1268 km2, 其中2010－2015年增加幅度最大, 為22.23%。未利用地面積呈現持續減少趨勢, 1990－2015年共減少1850 km2, 其中2000－2005年減少幅度最大, 為0.48%(表3)。

表2 甘肅省碳密度(kg·m–2)

圖2 1990－2015年甘肅省各地類面積變化量圖

Figure 2 The variation of land area of different types from 1990 to 2015 in Gansu Province

3.1.2 土地利用類型轉移分析

表4顯示了1990－2015年間甘肅省土地利用轉移情況。甘肅省約有1.71%的土地發生了轉移。建設用地是主要的轉入者, 凈轉入量為1268 km2, 這期間主要接受了耕地、草地和未利用地的大量轉入, 面積增長較快; 而未利用地面積較大, 是主要的轉出者, 主要轉為耕地和草地, 轉出面積相對較大。研究期內, 主要轉移類型包括: 一是草地為耕地的主要轉入者, 草地轉為耕地的面積為1230 km2, 占各地類轉入耕地面積的46.03%。二是耕地為建設用地的主要轉入者, 耕地轉為建設用地的面積為755 km2,占各地類轉入建設用地面積的58.67%。三是未利用地主要轉出為耕地, 未利用地轉為耕地的面積為1271 km2, 占未利用地轉出各地類面積的56.61%。

綜上可知, 耕地與草地、建設用地、未利用地之間的轉化是甘肅省土地利用變化的主要特征。圖3顯示了1990－2015年甘肅省3種主要轉化地類的空間分布, 耕地、草地和未利用地的轉出總面積占轉移地類總面積的89.31%。其中, 未利用地轉出是河西地區土地轉移的主體, 主要包括酒泉市、嘉峪關市、張掖市、金昌市和武威市, 其中金昌市和武威市未利用地轉移分布較為集中。耕地轉出主要分布于甘肅中東部, 其中蘭州市耕地轉移圖斑分布較為集中, 定西市、平涼市和天水市以小圖斑的形式零星分布。草地的轉出以小圖斑的形式零星分布于全省, 其中張掖市中部、慶陽市北部、隴南市西南部和甘南藏族自治州北部分布數量相對較多。

表3 甘肅省典型年份間土地利用面積變化

圖3 1995－2015年甘肅省主要土地類型轉出空間分布圖

Figure 3 Spatial distribution of major transferred land types from 1995 to 2015 in Gansu Province

3.2 碳儲量變化分析

3.2.1 不同時期總碳儲量變化

經InVEST模型計算得到甘肅省典型年份碳儲量值及變化趨勢, 如圖4所示。25a間, 甘肅省碳儲量波動上升, 固碳量凈增加253.30 萬t。1995年和2015年, 固碳潛力呈下降趨勢, 碳儲量分別減少289.09 萬t和580.96 萬t; 1995－2000年、2000－2005年和2005－2010年三個階段固碳潛力明顯上升, 其中2000－2005年碳儲量增加最多, 累計固碳量為546.70 萬t。2005年后固碳速率上升緩慢, 在2010年碳儲量達到研究期內最大值。

3.2.2 土地利用變化引起的碳儲量變化

根據1990－2015年甘肅省土地利用轉移矩陣及各地類的植被碳密度和土壤碳密度測算土地利用變化對碳儲量變化的影響。結果如表5所示: 1990－2015年研究區土地利用變化導致碳儲量總量增加251.46 萬t, 其中植被碳儲量總量增加89.06 萬t, 土壤碳儲量總量增加162.40 萬t。耕地、林地和草地轉出類型使得碳儲量大量減少, 共計減少1338.7 萬t, 耕地轉為建設用地導致碳儲量總量減少807.85萬t, 占整個區域碳儲量減少總量的60.35%。水域、建設用地和未利用地轉出類型使碳儲量總量分別增加89.52 萬t、15.11 萬t和1485.52 萬t。其中耕地、林地和草地3類生態用地轉為水域、建設用地和未利用地使植被碳儲量和土壤碳儲量均發生了減少, 不利于碳匯的形成。草地－耕地和水域－未利用地的土地轉換類型使土壤碳儲量增加而造成植被碳儲量減少; 耕地－草地和未利用地－水域的土地轉移類型使得植被碳儲量增加而造成土壤碳儲量發生減少; 其他土地轉移類型, 如耕地－林地、草地－林地、水域－耕地及建設用地－林地等土地轉移類型使得植被碳儲量和土壤碳儲量均增加。

圖4 甘肅省典型年份碳儲量總量及變化趨勢

Figure 4 Total carbon storage and change trends among typical years in Gansu Province

表5 1990－2015年甘肅省各土地利用類型轉化下的碳儲量變化

4 討論

深入探究甘肅省土地利用變化對陸地碳儲量的影響, 對于甘肅省探索未來低碳發展有重要意義。本文的土地利用方面數據來源于資源環境數據云平臺1km LUCC遙感影像數據, 分類依據為中國科學院土地利用遙感監督分類系統, 將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地六類, 應該能夠科學準確地反映出1990－2015年甘肅省土地利用變化和轉移情況。修正后的草地生物量碳密度和耕地土壤碳密度分別與沈海花等[27]研究中的甘肅省草地平均碳密度(地上碳密度為0.13 kg·m-2, )和張梅等[19]研究中的中國西北地區耕地土壤碳密度(8.25 kg·m-2)更接近, 說明本文修正后的碳密度值更能代表研究區的平均碳密度情況。

土地利用變化對碳儲量具有重要影響[28]。一方面, 土地利用類型的轉化使各地類碳密度發生變化, 從而影響碳儲量的變化。一般來說, 當碳密度低的土地類型向碳密度高的土地類型轉化時, 將會導致碳儲量增加; 反之, 則會造成碳儲量減少, 這與劉淑琴[29]等人研究結果一致。同時, 研究發現, 林地對于陸地生態系統的碳儲量具有很大的影響, 林地轉換為其他地類, 植被和土壤碳儲量都會減少, 其他地類轉換為林地, 植被和土壤碳儲量都會增加, 說明林地具有較高的碳密度, 可以有效增加碳匯水平[30]。另一方面, 各地類土地面積的變化也會引起陸地生態系統碳儲量變化。2000－2010年甘肅省林地和草地面積增加的同時碳儲量也在增加。這是可能是因為甘肅省的退耕還林還草政策, 鼓勵對坡耕地實施停止耕種, 改為植樹種草, 恢復植被, 使得林地和草地面積得到快速擴張, 碳儲量隨之增加。但由于各地類碳密度的地面實測數據缺失, 將會對研究結果的準確性造成一定的影響, 這是本研究的一大不足。今后的研究需要長期觀察和大規模實驗以收集準確的數據, 采用空間分辨率更高的LUCC遙感數據, 獲得更可靠的LUCC碳儲量計算結果。

5 結論

1990—2015年甘肅省土地利用類型變化中, 建設用地和未利用地面積變化數量最大。約有1.71%的土地發生轉移, 耕地與草地、建設用地和未利用地之間的轉化較為顯著, 未利用地為主要的轉出者, 建設用地為主要的轉入者。在此期間, 甘肅省碳儲量的增減與不同土地類型間的相互轉化密切相關。由于土地類型轉化, 引起碳儲量的增加值大于其減少值, 其中未利用地向耕地、草地和林地轉化是碳儲量增加的主要原因, 占碳儲量增加總量的69.25%; 耕地轉為建設用地是導致碳儲量減少的重要因素, 占碳儲量減少總量的60.35%。總體上, 1990－2015年甘肅省碳儲量呈現增加趨勢(共計凈增加251.46 萬t, 其中植被碳儲量總量增加89.06 萬t, 土壤碳儲量總量增加162.40 萬t), 這說明甘肅省土地利用方式在向著儲碳能力較高的模式轉化, 一定程度上反映了近些年甘肅省在生態文明建設方面取得的成果。

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Impact of land use change on carbon storage in Gansu Province based on carbon density correction

Ren Xijin, Pei Tingting, Chen Ying*, Xie Baopeng, Cheng Donglin

College of Management, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China

Researching the impact of land use change in Gansu province on the carbon storage of terrestrial ecosystem is the aiming for this paper, which would provide some theoretical references for the construction of ecological civilization in Gansu province. Based on the remote sensing data, obtaining the carbon density of Gansu province by revising the national carbon density, the revised carbon density is inputted into the InVEST model in order to estimate the carbon storage of Gansu province from 1990 to 2015 and analyze the impact of land use change on the carbon storage. The results are as follows. Firstly, the build-up land area in Gansu province had a dramatic increase of1268 km2with growth rates of 38.09%, while the unused land area shrank by 1850 km2, a decreased ratesof 1.08%. In all, 1.71% of the land was transferred, and the dominant conversion mainly occurred among cropland and grassland, build-up land, and unused land in Gansu province. Secondly, carbon storage in Gansu province was generally on the rise. Due to the conversion of land use types, the net increase of carbon storage was 2.51 million tons, of which the vegetation carbon storage and soil carbon storage increased by 0.89 million tons and 1.62 million tons, respectively. Thirdly, the main reason of causing the increase of carbon storage was the conversion of unused land to cropland, grassland and forest, and the conversion of cropland to build-up land was a significant factor that caused the reduction of carbon storage.At last, there was a positive effect on carbon storage of terrestrial ecosystem by optimizing the structure of land use, increasing the scale of forest,and controlling the growth rate of build-up land.

land use change; carbon storage; InVEST model; carbon density correction; Gansu Province

任璽錦, 裴婷婷, 陳英,等. 基于碳密度修正的甘肅省土地利用變化對碳儲量的影響[J]. 生態科學, 2021, 40(4): 66–74.

Ren Xijin, Pei Tingting, Chen Ying, et al. Impact of land use change on carbon storage in Gansu Province based on carbon density correction[J]. Ecological Science, 2021, 40(4): 66–74.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.04.008

K903

A

1008-8873(2021)04-066-09

2020-01-13;

2020-02-24

國家自然科學基金: 農民土地價值觀: 測度、變遷與影響(71563001); 甘肅農業大學人才專項基金: 2017RCZX-35; 甘肅省高等學校科研項目: 土地要素的減貧效應: 模式、機理及其在甘肅六盤山貧困片區的應用(2018A-037)

任璽錦(1996—), 女, 甘肅張掖人, 在讀碩士, 主要從事土地生態研究, E-mail: 315567174@qq.com

陳英, 男, 博士, 教授, 主要從事土地生態和土地資產研究, E-mail: cheny@gsau.edu.cn.