土地利用變化驅動下洛陽市生態系統碳儲量時空變異

張志國 班高晗

摘要：碳儲量變化是衡量陸地生態系統碳循環的關鍵指標之一。以河南省洛陽市為例，分析2005—2015年土地利用變化，利用Invest模型計算洛陽市碳儲量并分析碳儲量的變化。結果表明，洛陽市碳儲量呈現南多北少、山多谷少的空間分布特征。10年間洛陽市碳儲量略有增加，說明在地形復雜經濟較發達的區域，只要科學劃分生態功能區，注重生態環境保護和建設，提高土地利用效率，就可以實現經濟和生態的協調發展。

關鍵詞：碳儲量;時空變化;土地利用;生態系統服務和權衡的綜合評估模型（InVEST）;洛陽

中圖分類號： F323.211 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2021）14-0226-05

陸地生態系統碳循環與溫室效應是近些年國際地學、生態學和環境科學共同關注的全球變化研究熱點。我國學者方精云等系統分析我國陸地生態系統碳匯大小及其機制，并闡明我國陸地碳匯/源的時空格局及其機制，為我國制定相關政策提供依據[1]。劉領等還對我國森林、土壤、草地等不同生態系統的碳儲量變化及其影響因素進行研究[2-4]。朱文博等認為，土地利用變化是引起陸地生態系統碳儲量變化主要的因素，模擬淇河流域3種土地利用模式情況下碳儲量的變化[5]。生態系統服務和權衡的綜合評估模型（integrated valuation of ecosystem services and trade-offs，InVEST）以土地利用數據為基礎，可以實現多目標、多情景下的生態系統碳儲量評估。國內學者陸續利用InVEST模型開展我國生態系統服務功能價值和區域碳儲量的研究。韓晉榕利用InVEST模型對遼中南地區陸地生態系統的碳儲量進行評估，用來研究城市擴張對生態系統碳儲量的影響[6]。張云倩等利用InVEST模型對江蘇省海岸帶生態系統的碳儲量進行定量估算，獲取長時間序列的碳儲量變化數據，并探究江蘇省海岸帶碳儲量的時空變異[7]。蔣九華等借助InVEST模型評估北京市房山區森林生態系統的碳儲量，將量化的森林生態系統碳儲量以直觀的可視化形式表現出來，這對于提高北京地區的森林碳儲量估算精度和森林固碳增匯經營管理具有一定的現實應用價值[8]。邱建慧使用InVEST模型分析1995—2015年圍填海活動對濱海濕地土地利用和碳儲量的影響，以及圍填海對沿岸國家級自然保護區的影響[9]。河南省洛陽市地處我國中部地區，是我國老工業基地，在地形地貌上屬于第二級階梯向第三級階梯過渡的地帶。該區域地形起伏較大，土地類型豐富，受人類活動影響較大，土地利用類型變化明顯。因此，本研究以2005、2015年洛陽市土地利用數據為基礎，運用InVEST模型的碳儲量模塊評估10年洛陽市生態系統碳儲量變化。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

洛陽市位于河南省中西部（34°32′～32°45′N、112°16′～112°37′E），西依秦嶺，東臨嵩岳，北靠太行黃河，南望伏牛，東西長約179 km，南北寬約 168 km，總面積1.52萬km2，總人口717.02萬人，常住人口城鎮化率59.1%。洛陽市地勢西高東低，境內山川丘陵交錯，地形復雜，其中山區占45.51%，丘陵占40.73%，平原占13.8%。境內有黃河、洛河、伊河、清河、磁河、鐵灤河、澗河、瀍河等10余條河流，分屬黃河、淮河、長江三大水系。年平均氣溫為12.2～24.6 ℃，年降水量為528～800 mm，屬溫帶大陸性季風氣候。

1.2 數據來源及處理

1.2.1 土地利用數據 遙感影像數據來源于地理空間數據云網站（http：//www.gscloud.cn/），包括2005年Landsat7影像3景和2015年Landsat7影像3景影像，空間分辨率為30 m，時間為5—6月。運用ENVI軟件對遙感影像進行輻射定標、大氣校正、鑲嵌和影像裁剪等預處理;采用人機交互解譯的方式對遙感影像得到的土地利用數據進行監督分類，根據國家標準《土地利用現狀分類》（GB/T 21010—2017），同時結合洛陽市土地利用的實際情況進行判別，將洛陽市土地利用分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地等六大類型。借助Google Earth高分影像和野外采集的驗證樣本對解譯結果進行精度驗證。投影坐標統一為Krasovsky_1940_Albers。

1.2.2 碳密度數據 碳密度是指單位面積上的碳儲量。地上部分碳密度是指地表以上0～20 cm附近單位面積上碳存儲量的平均值;地下部分碳密度是指地表以下0～20 cm附近單位面積上碳存儲量的平均值;土壤碳密度是指地表以下20～100 cm附近單位面積上碳儲量的平均值。

碳密度主要通過查閱資料得到。首先，根據李克讓等對全國范圍內碳密度的研究，得到全國范圍內的碳密度數據[10-13]。其次，根據賈松偉等的研究成果，得到河南省內的碳密度數據[14-16]。由此得到不同土地利用方式的碳密度數據。學者們普遍認為溫度和降水是影響碳輸入和輸出的2個最主要因素，通過查閱資料可知洛陽市的年平均氣溫為 14.7 ℃，年降水量為601.6 mm。最后，將洛陽市年平均溫度和年降水量作為參考因子，代入陳光水等關于生物碳密度和土壤碳密度分別與溫度和降水量的關系模型[17]中，從而得到修正后的洛陽市碳密度估算值（表1）。

2 結果與分析

2.1 2005—2015年洛陽市土地利用變化特征

由圖1、圖2可知，2005—2015年10年間洛陽市耕地與林地一直都是占比最多的2種土地利用類型，也是變化最大的2種用地類型，耕地比重由46.3%降為34.6%，下降了11.7百分點;林地占比由39.1%增加到51.3%，增加了12.2百分點。耕地主要以洛陽市北部的宜陽縣、洛寧縣、伊川縣、新安縣、偃師市、孟津縣所占比重較多，林地主要以洛陽市南部的欒川縣、嵩縣和汝陽縣所占比重較多。

利用ArcGIS 10對洛陽市2005、2015年2期土地利用數據建立轉移矩陣（表2），由此可知洛陽市10年內土地利用類型轉移的變化特征。2005—2015 年耕地面積年均減少1.8萬hm2，主要轉出為林地、建設用地、水域等多種類型，其中轉為林地的比例最大，達到64.2%;其次為建設用地和水域，分別占耕地總轉出量的26.8%、4.8%。建設用地面積由7.7萬hm2增加到13.6萬hm2，年均增長 0.6萬hm2，主要由耕地轉入，轉入率為82.9%。林地面積顯著增加，主要來源于耕地、草地的轉入，轉入率分別為63.8%、32.0%。草地面積急劇減少，減少了71.3%，主要轉為林地和耕地，其轉出率分別為80.3%、14.8%。未利用地增長迅速，從2005年的0.02萬hm2增加到2015年的0.3萬hm2，增長率為1 071.8%，其中耕地轉化為未利用地的比重占總比重的57.6%。

2.2 生態系統碳儲量和碳密度的時空變化

2.2.1 洛陽市總固碳量測算 根據洛陽市土地利用類型及碳密度表，通過InVEST模型分別計算出洛陽市2005、2015年碳儲量值（表3）。洛陽市2005年碳儲量為24 514.9萬t，2015年碳儲量為 26 859.7萬t，累計增長9.6%。從總體上看，這10年來洛陽市碳儲量向穩中有升的方向發展，雖然10年中洛陽市經濟發展，建設快速，但是整體碳儲量卻略有增加，并沒有因為經濟的發展導致區域生態系統中CO2增加，對于區域碳中和目標很有意義。

2.2.2 不同土地利用類型碳儲量變化 根據InVEST模型得到洛陽市2005—2015年碳儲量，利用ArcGIS對模型運行結果進行分析得到洛陽市2005—2015年不同土地利用類型對應的碳儲量。耕地碳儲量呈下降趨勢， 從2005年的7 923.1萬t下降到2015年的5 833.2萬t，累計減少量達到 2 089.9萬t。林地碳儲量由2005年的14 842.9萬t增加到2015年的19 623.6萬t，累計增加4 780.7萬t。草地碳儲量由2005年的1 082.5萬t銳減到2015年的310.9萬t，年均減少77.2萬t。建設用地碳儲量從467.1萬t增加到現在的821.1萬t，年均增加35.4萬t，增加幅度為75.8%。水域碳儲量也呈增加趨勢，從2005年的197.8萬t增加到2015年的 253萬t，增加了27.9%。未利用地碳儲量增加迅速，由2005年的1.5萬t增加到2015年的18.0萬t。

2.2.3 碳儲量空間特征 洛陽市碳儲量的空間特征受地形和土地利用類型影響。洛陽市碳儲量主要存儲在西南部和南部的伏牛上、外方山、熊耳山和崤山，海拔基本都位于500 m以上。從行政區劃分布看，碳儲量較豐富的縣域主要是嵩縣、欒川縣和洛寧縣。碳儲量豐富的縣域主要土地利用類型以林地為主。碳儲量變化較大的縣域是洛寧縣、新安縣和孟津縣。洛寧縣碳儲量由2005年的3 590.9萬t增加到2015年的4 573.4萬t，增加率為27.4%;新安縣碳儲量由2005年的1 434.7萬t增長到2015年的1 753.3萬t，增加率為22.2%;孟津縣碳儲量由2005年的819.7萬t增長到2015年的967.6萬t，增加率為18%。

2.3 碳儲量影響因素

通過分析2005—2015年洛陽市社會經濟發展狀況和土地利用變化因素，發現影響洛陽市碳儲量變化的主要因素是國家生態保護政策和洛陽市經濟發展與城鎮化。

2.3.1 國家生態保護政策的影響 近年來，國家對生態環境保護越來越重視，出臺了許多生態保護政策并開展了許多生態保護工程。這些生態保護政策和措施促進了土地保護，優化了區域土地利用類型。特別是退耕還林（草）重大工程，洛陽市截至2015年年底，全市共計劃完成退耕還林工程計劃任務14.52萬hm2，其中退耕還林3.77萬hm2，荒山造林8.3萬hm2，封山育林2.45萬hm2。受退耕還林工程影響，洛陽市土地利用類型發生了巨大變化，主要是耕地變為林地和草地，繼而使得碳儲量也發生了巨大的變化。洛寧縣和宜陽縣的碳儲量迅速增加得益于2縣原有許多耕地和草地在“退耕還林”中變成林地。

2.3.2 經濟發展與城鎮化 洛陽市是河南省副中心城市，也是經濟第二大市。2005—2015年，洛陽市的GDP總量增長了68.3%。由于經濟的發展，第一產業的比重逐年下降，第二、第三產業的比重逐年增加，導致大量的農業用地轉化為非農用地，建設用地的面積增加明顯。以位于洛陽市市區東鄰的偃師市為例，偃師市由于地理優勢和其他因素，10年間經濟發展迅速，建設用地面積增長迅速，以致于區域碳儲量總量下降。由于經濟發展和人口增加加快洛陽市城市化，市區建設面積迅速擴大。2005年洛陽市人口為641.7萬人，2015年洛陽市人口增加到700.28萬人，城鎮化率由38.01%迅速提高到52.65%。洛陽市區建設面積由2005年的 16 946.3 hm2 增加到2015年的23 112.5 hm2，用地占比由36.2%增長到了49.5%，增加了13.3百分點。這些都導致碳儲量減少。

3 結論與討論

3.1 結論

第一，2005—2015年洛陽市土地變化劇烈，但是區域碳儲量總量并沒有隨著經濟建設的增長而減少，反而略有增加。說明科學合理的生態保護政策和生態建設工程可以有效抵消由于經濟建設帶來的碳儲量下降趨勢。第二，洛陽市碳儲量主要集中在生態環境良好的洛陽市西南和南部山區。河谷平原經濟建設較好，碳儲量較少，并呈略微下降趨勢。第三，2005—2015年洛陽市碳儲量的變化說明地形復雜、經濟快速發展的區域只要能夠科學劃分生態功能區、高效利用土地、重視生態保護并開展生態建設，就能夠做到生態環境改善與經濟快速進步協調發展。

3.2 討論

本研究在計算區域生態系統碳儲量時，其精度受到諸多因素影響，今后應進一步開展高精度的區域碳儲量的研究。（1）受影像精度和分類方法的影響，本研究中土地利用類型分類精度與實地真實物地類型存在一定的誤差。本研究使用的碳密度值均是根據以往的文獻資料和其他學者的研究成果，并結合當地的溫度和降水等影響因子進行修正而來。然而，不同土地利用類型對應的碳密度值隨著環境的變化、人類活動等因素的影響而發生動態變化。因此，使用的碳密度值不能表示精準的碳密度值，由此計算的碳儲量值存在一定的誤差。InVEST模型是針對美國生態系統設計的服務模型，是否完全適合我國的生態系統服務及其價值研究，有待商榷。本研究按照一級用地類型統一進行碳密度賦值，但是學者發現每一地類下面不同地物類型所對應的碳密度值不盡相同[18]，因此計算得到的碳儲量值與本地的真實碳密度值有所差異。

參考文獻：

[1]方精云，樸世龍，劉 鴻，等. 中國陸地植被碳匯估算：整合觀測數據及遙感信息[C]//生態學與全面·協調·可持續發展——中國生態學會第七屆全國會員代表大會論文摘要薈萃. 北京：中國生態學會，2004：24-25.

[2]劉 領，王艷芳，悅飛雪，等. 基于森林清查資料的河南省森林植被碳儲量動態變化[J]. 生態學報，2019，39（3）：864-873.

[3]張 利，周廣勝，汲玉河，等. 中國草地碳儲量時空動態模擬研究[J]. 中國科學（地球科學），2016，46（10）：1392-1405.

[4]徐 麗，于貴瑞，何念鵬. 1980s—2010s中國陸地生態系統土壤碳儲量的變化[J]. 地理學報，2018，73（11）：2150-2167.

[5]朱文博，張靜靜，崔耀平，等. 基于土地利用變化情景的生態系統碳儲量評估——以太行山淇河流域為例[J]. 地理學報，2019，74（3）：446-459.

[6]韓晉榕. 基于InVEST模型的城市擴張對碳儲量的影響分析[D]. 長春：東北師范大學，2013.

[7]張云倩，張曉祥，陳振杰，等. 基于InVEST模型的江蘇海岸帶生態系統碳儲量時空變化研究[J]. 水土保持研究，2016，23（3）：100-105，111.

[8]蔣九華，齊 實，胡 俊，等. 基于InVEST模型的北京山區森林生態系統碳儲量評估分析[J]. 地球與環境，2019，47（3）：326-335.

[9]邱建慧. 圍填海活動對中國濱海濕地碳儲量的影響研究[D]. 廈門：廈門大學，2017.

[10]李克讓，王紹強，曹明奎.中國植被和土壤碳貯量[J]. 中國科學（地球科學），2003，33（1）：72-80.

[11]奚小環，楊忠芳，廖啟林，等. 中國典型地區土壤碳儲量研究[J]. 第四紀研究，2010，30（3）：573-583.

[12]羅懷良. 中國農田作物植被碳儲量研究進展[J]. 生態環境學報，2014，23（4）：692-697.

[13]朱 超，趙淑清，周德成. 1997—2006年中國城市建成區有機碳儲量的估算[J]. 應用生態學報，2012，23（5）：1195-1202.

[14]賈松偉. 河南省喬木林碳儲量動態變化及其碳匯經濟價值估算[J]. 河南農業科學，2014，43（5）：149-153.

[15]邸富宏. 黃河中游不同氣候類型灌草叢碳密度比較[J]. 林業資源管理，2015（5）：50-54.

[16]王艷芳，劉 領，李志超，等. 豫西黃土丘陵區洛陽市森林植被碳儲量和碳密度研究[J]. 草業科學，2015，24（10）：1-11.

[17]陳光水，楊玉盛，謝錦升，等. 中國森林的地下碳分配[J]. 生態學報，2007，27（12）：5148-5157.

[18]張卓亞，楊 欣. 銅壁關自然保護區不同森林生態系統碳儲量及碳密度評估[J]. 林業調查規劃，2017，42（5）：20-24.