基于碳儲存變化的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)修復策略
——以海南島東南海岸帶為例

孫天成，馬梓程，黃贊慧，王照翻，陳 思，肖 瑤，謝翠容，岳常海，賈鳳鳴，張 倩

［1.中國地質(zhì)調(diào)查局海口海洋地質(zhì)調(diào)查中心，海口 571127；2.湖北省國土測繪院，武漢 430034；3.中國地質(zhì)大學（武漢），武漢 430074］

海岸帶是陸地主導的全球進程和海洋主導的全球進程相結(jié)合并相互作用的區(qū)域，這些相互作用的平衡為依賴梯度的生態(tài)系統(tǒng)、氣候、地貌、人類居住等提供了一個獨特的領(lǐng)域，更重要的是，反應了高度動態(tài)的物理、化學和生物過程。海岸帶是重要的碳匯和氧源區(qū)（Christopher et al., 2005），對全球氣候變化至關(guān)重要（Nemani et al., 1995；張麗 等，2020），其碳儲存功能可有效地將有機碳進行封存固定，沿海濕地在生長過程中吸收碳，并將其中的大部分轉(zhuǎn)化為其根系所保持的豐富有機土壤。有研究（Herr et al., 2016）顯示：以2016 年全球海岸帶面積為基線，如果一年中海岸帶濕地流失減少一半，二氧化碳排放量將減少0.23 億t。如果沿海濕地恢復到1990年的水平，相當于抵消了7 740萬t煤炭的燃燒量。因此，保護和恢復沿海生態(tài)系統(tǒng)，特別是海岸帶潮汐鹽沼、海草草甸和紅樹林，是緩解和適應氣候變化的自然解決辦法（邢慶會 等，2022）。

然而，海岸帶是全球變化的敏感區(qū)和脆弱區(qū)，近幾十年來，環(huán)境的改變、如全球變暖、營養(yǎng)鹽分輸入上升、臺風肆虐，以及人為干擾，如人口迅速增長、填海造陸、養(yǎng)殖業(yè)興盛、工業(yè)及村鎮(zhèn)擴張侵占林草地等，使全球海岸帶地區(qū)發(fā)生劇烈變化（洪華生 等，2003；李剛 等，2018；王金華 等，2020；隋玉正 等，2021；王法明 等，2021），導致其濕地面積萎縮、斑塊破碎、土壤質(zhì)量降低，最終致使碳匯功能持續(xù)下降。基于此，國內(nèi)外學者通過研究沿岸城市及海岸帶生態(tài)系統(tǒng)碳儲存的變化，實現(xiàn)對區(qū)域碳匯的動態(tài)監(jiān)測，并將其與生態(tài)修復相聯(lián)系，運用至生態(tài)修復策略中。如Wang （2018）、嚴格（2014）、劉子剛（2004）、Lavery（2013）等使用不同的方法測算了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量、濕地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及藍碳，并探討了碳儲存在相關(guān)生態(tài)修復方面的應用。

海南島東南海岸生物資源豐富，但由于經(jīng)濟建設(shè)和亂砍濫伐、海岸帶養(yǎng)殖及旅游開發(fā)等，海岸帶天然林、濕地草地銳減，導致氣候干熱、土地荒漠化日益嚴重。近年來，許多學者也使用各類不同方法對海南島碳儲量、碳密度等進行研究，以分析海南島碳儲量現(xiàn)狀。如官惠玲等（2019）以海南島主要的3 種草地類型（低地鹽化草甸、熱性灌草叢、熱性草叢）為對象，采用收獲法收集地上活體植物、凋落物樣品等分析草地的地上活體、凋落物、根系生物量以及各生物量和土壤的碳密度，并結(jié)合海南島草地分布，探討海南島草地的碳密度分布格局及碳儲量現(xiàn)狀。段璇瑜等（2022）基于1990—2020年土地利用遙感解譯數(shù)據(jù)，運用ArcGIS與In-VEST 模型，探究了海南島土地利用時空演變及碳儲量響應狀況。楊眾養(yǎng)（薛楊，2017）團隊開展了海南島東北部沿海防護林生物量與碳儲量監(jiān)測與評價研究，建立了海南島東北部木麻黃沿海防護林生物量與碳儲量的估測和動態(tài)評估模型。然而，當前研究更多的側(cè)重于對海南島林草地或海南島整體的碳儲量現(xiàn)狀估算，在濱海濕地、海岸帶碳儲量、碳儲量與生態(tài)修復思想相整合等方面尚有更多探索空間。

鑒于此，本文以海南島東南重點海岸帶為研究區(qū)，對其碳儲量進行評估模擬，識別其碳儲存時空變化。并以碳達峰碳中和、國土空間生態(tài)修復、海域海島可持續(xù)管理等思想為導向，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務價值與碳儲存能力分級構(gòu)建生態(tài)修復分區(qū)，以提升海岸帶碳儲存功能、修復保護海岸帶生態(tài)環(huán)境為目標，提出相應的生態(tài)保護修復策略。旨在為海南省東南海岸帶藍碳生態(tài)系統(tǒng)的保護與修復，完善海洋生態(tài)補償機制和海洋可持續(xù)發(fā)展方式等提供建議，為海南省扎實推進基于生態(tài)系統(tǒng)的海岸帶綜合管理等提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于海南島東南海岸帶，地處萬寧市、陵水縣、三亞市沿海及鄰近海域地區(qū)，18°12'42"—19°00'11"N，109°30'12"—110°33'12" E，面積約740.31 km2（圖1）。屬熱帶季風海洋性氣候，夏長冬短，年均溫較高，通常在22～25℃；雨季旱季分明，年降水量為1 500～2 500 mm；自然資源豐富，但易受臺風侵襲，洪澇災害多發(fā)。地形整體自陸地向海洋緩慢傾斜，陸域以平原地貌為主，在靠內(nèi)陸側(cè)地區(qū)分布有臺地地貌，在三亞市南部、萬寧市西南部分布著丘陵地貌。海岸線較為曲折，岬角眾多，形成以砂質(zhì)岸線為主，基巖岸線為輔，二者相間的岸線格局。近海部分地貌以水下岸坡地貌為主，其上發(fā)育小型沙波、淺灘、沙丘。海域沉積環(huán)境受區(qū)內(nèi)多個入海河流影響，以砂質(zhì)粉砂淺海沉積為主，主要河流有深田河、陵水河、太陽河等。海域內(nèi)水深過渡傾緩，水深等值線為北東向。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographic location of the study area

根據(jù)中國《全國海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查簡明規(guī)程》規(guī)定，以海南島東南海岸帶海域6 m 等深線與海岸線陸側(cè)約2 km為海岸帶，等深線0～6 m范圍作為淺海（全國海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查簡明規(guī)程編寫組，1986），以此為研究區(qū)展開生態(tài)系統(tǒng)修復研究。

1.2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

1.2.1 技術(shù)流程 結(jié)合InVEST 模型對研究區(qū)不同時段的碳儲存進行評估模擬，識別其碳儲存時空變化。分析研究區(qū)不同區(qū)域碳損失程度差異，劃定生態(tài)修復分區(qū)。并根據(jù)生態(tài)保護修復標準，從提升海岸帶碳儲存功能角度出發(fā)，提出相應的生態(tài)保護修復方案建議和意見，技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 基于碳儲存變化的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)修復技術(shù)路線Fig.2 Technical route of coastal ecosystem restoration based on carbon storage change

1.2.2 數(shù)據(jù)來源 土地利用數(shù)據(jù)來自于Yang 等（2021）基于GEE平臺，根據(jù)Landsat 8影像提取的中國土地利用覆蓋集（CLCDS）①https://essd.copernicus.org/articles/13/3907/2021/。該數(shù)據(jù)集分辨率為30 m，選取其中2000、2010、2020 年的土地利用數(shù)據(jù)，與對應時間段的中國濱海灘涂濕地分布數(shù)據(jù)疊加（胡忠文 等，2021），最后使用研究區(qū)邊界裁剪得到土地利用數(shù)據(jù)。其土地利用可分為10類，分別為淺海、耕地、林地、疏林地、草地、水域、裸地、建設(shè)用地、灘涂及鹽沼（圖3）。其中，耕地主要分布在近海岸帶附近區(qū)域，沿海岸帶呈環(huán)狀分布，建設(shè)用地主要分布在近海村鎮(zhèn)等區(qū)域周邊，林地及草地主要分布于研究區(qū)耕地以北區(qū)域，靠近中部山區(qū)區(qū)域。

圖3 研究區(qū)2000—2020年土地利用空間分布Fig.3 Spatial distribution of land use in the studyarea from 2000 to 2020

環(huán)境中已有的碳儲存大部分依靠4種基本的碳庫：地上生物量、地下生物量、土壤和死亡有機物。地上生物量包括土壤以上所有存活的植物材料（如樹皮、樹干、樹枝和樹葉）；地下生物量包括地上植物持續(xù)存活的根系統(tǒng)；土壤庫通常被限制為礦質(zhì)土壤的有機碳，包括有機土壤；死亡的有機物包括凋落物、枯枝落葉或站立著的已死亡的樹木中的有機碳含量（Liu et al., 2022）。據(jù)此，收集了研究區(qū)4種碳庫的相關(guān)碳密度數(shù)據(jù)。其中，地上生物量碳庫根據(jù)已有研究（曹軍 等，2002；張鐿鋰 等，2004；官惠玲 等，2019），按照USGS （United States Geological Survey）土地利用/覆被，采用生物量法結(jié)合實地測量，計算獲得海南島各土地利用的碳儲量和碳密度。地下碳庫參考梅雪英等（2007）根據(jù)實地采樣估算的濕地現(xiàn)存生物量和初級生產(chǎn)力，采用光合作用原理進一步計算所得碳密度，以地上生物量的30%～80%估算獲得地下碳密度。土壤碳庫參考張固成等（2011）在海南島采集的土壤樣品測算所得其土壤有機碳含量及空間分布，按照研究區(qū)用地類型對應其土壤碳密度取值獲得。死亡有機物碳庫參考文獻（朱麗亞 等，2022）對海岸帶景觀的死亡有機碳庫賦值，并結(jié)合國家生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心②http://www.cnern.org.cn/中海南島不同景觀生態(tài)系統(tǒng)碳密度的數(shù)據(jù)所得，具體見表1所示。

表1 研究區(qū)土地利用類型碳庫碳密度Table 1 Carbon density of land use carbon pool in the study area t/hm2

生態(tài)系統(tǒng)服務價值數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心③http://www.resdc.cn的中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布數(shù)據(jù)集。其中包括2020年全國生態(tài)系統(tǒng)服務價值分布圖，其單位為元/hm2。

生態(tài)系統(tǒng)服務（Ecological Services）是指通過生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務（歐陽志云 等，2013）。不同土地利用類型具有不同的生態(tài)服務功能與價值，中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布數(shù)據(jù)集是以全國陸地生態(tài)系統(tǒng)類型遙感分類為基礎(chǔ)，生態(tài)系統(tǒng)類型包括：旱地、農(nóng)田、針葉林、針闊混交林、闊葉林、灌木林、草原、灌草叢、草甸、濕地、荒漠、裸地、水系、冰川積雪、人工表面（包括建筑用地、工礦用地）15 個二級類（農(nóng)田、森林、草地、濕地、荒漠、水域6 個一級類）。參考謝高地等（2015）生態(tài)服務價值當量因子法，依據(jù)全國凈初級生產(chǎn)力NPP、降水量、土壤保持空間分布數(shù)據(jù)，分別對生態(tài)系統(tǒng)各服務價值當量因子價值進行調(diào)整，計算了全國11種生態(tài)服務的價值。本文使用研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務總值作為生態(tài)修復分區(qū)的判斷因素之一。

1.2.3 InVEST 模型 生態(tài)系統(tǒng)服務綜合評估和權(quán)衡（InVEST, Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs）模型是由美國斯坦福大學、大自然保護協(xié)會（TNC）與世界自然基金會（WWF）聯(lián)合開發(fā)的用于生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估的模型系統(tǒng)（Tang et al., 2015）。目前，該模型已在20多個國家和地區(qū)的空間規(guī)劃、生態(tài)補償、風險管理、適應氣候變化等環(huán)境管理決策中得到廣泛應用。

其中，碳儲存和固存模型可用于估算景觀中當前儲存的碳量，InVEST 模型使用土地利用分類圖及木材采伐量、采伐產(chǎn)品降解率和4個碳庫的碳密度估算在當前景觀下碳儲量或者一個時間段內(nèi)的碳固持（劉曉娟 等，2019）。模型的數(shù)學原理（Tang et al., 2015）為：

式中：A表示研究區(qū)域的總碳儲量；m表示土地利用類型；n表示土地利用類型的數(shù)量；Sm表示土地利用類型m的面積；Cma、Cmb、Cms和Cmd分別代表該種土地利用類型m的地上生物碳儲量、地下生物碳儲量、土壤有機和死亡有機碳儲量的碳密度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用時空變化

2.1.1 土地利用時空演變 根據(jù)研究區(qū)2000、2010、2020年土地利用數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析其各土地利用類型，其面積及占比如圖4 所示。可知：從2000-2020年，耕地、林地始終是研究區(qū)主要土地利用類型，為優(yōu)勢地類，兩者占比總和均超過70%。耕地主要分布在近海岸帶附近區(qū)域，林地及草地主要分布于研究區(qū)耕地以北區(qū)域。從2000-2020 年，耕地面積先減少后增加，至2020 年面積達到301.42 km2，占所有土地利用類型的46.93%，20 年間增加了11.12 km2。林地面積持續(xù)減少，至2020年面積達到176.89 km2，占比為27.54%，20年間減少了21.10 km2。20年間，草地、水域及裸地均呈現(xiàn)減少的趨勢，建設(shè)用地面積持續(xù)增長明顯，2000-2020年面積增加了28.42 km2。

圖4 2000—2020年研究區(qū)土地利用面積Fig.4 Area of land use in the study during 2000-2020

2.1.2 土地利用流向分析 根據(jù)2000-2020 年研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，得到3個時間段內(nèi)的土地利用流向（圖5）。總的來說，2000-2020年發(fā)生變化的土地利用面積占研究區(qū)總面積的19.09%。其中，耕地與林地的互相轉(zhuǎn)化最為明顯，變化也較為劇烈，其轉(zhuǎn)出率分別為15.77%和20.09%。其中，耕地轉(zhuǎn)化為林地的面積為17.39 km2，轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積為21.65 km2，轉(zhuǎn)化為鹽沼的面積為1.19 km2。林地轉(zhuǎn)化為耕地的面積為36.18 km2，轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積為2.39 km2。建設(shè)用地及鹽沼的轉(zhuǎn)入趨勢顯著，其轉(zhuǎn)入率分別為63.71%和97.93%（圖6），多為耕地、林地、草地等轉(zhuǎn)變而來。

圖5 研究區(qū)土地利用流向Fig.5 Flow chart of land use in the study area

圖6 2000—2020年研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出率Fig.6 Transfer in and transfer out rate of land use in the study area from 2000 to 2020

2000-2010年研究區(qū)土地利用時空變化格局以林地面積增加為主，主要由耕地、草地、濕地和水域等轉(zhuǎn)化而來，從2000-2010年，耕地的轉(zhuǎn)出率為20.85%，多為耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值丶敖ㄔO(shè)用地，面積分別為224.89 和23.04 km2。草地和裸地的轉(zhuǎn)出率較高，分別為66.08%和62.52%；建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入率較高，為42.78%。2010-2020 年土地利用變化以耕地和建設(shè)用地顯著增加、林地面積明顯減少為主，部分林地轉(zhuǎn)變成耕地及建設(shè)用地。從2010-2020 年，林地的轉(zhuǎn)出率為11.78%，較2000-2010年提升了6.29%；耕地的轉(zhuǎn)入率為25.21%，較2000-2010 年提升了14.11%。灘涂及建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入率較高，分別為84.20%和38.10%。

自然因素和社會為因素都可能導致土地利用的轉(zhuǎn)變，2005 年“達維”、2014 年最強“威馬遜”、2016年“莎莉嘉”等臺風襲擊萬寧、文昌等地，對海岸帶的海防林造成嚴重破壞（劉曠勛 等，2008；張書齊，2019），導致海岸帶林地面積減少。而社會因素中人口變化及經(jīng)濟發(fā)展是導致土地利用改變的重要原因（張國橋，2013）。《2020年海南統(tǒng)計年鑒》（海南省統(tǒng)計局 等，2021）顯示2020年底海南省常住人口944.72萬人，較2000年人口增長157.72萬人，增加的大部分人口集中居住在海岸帶及其周邊地區(qū)。根據(jù)《2020年海南省國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》（海南省統(tǒng)計局 等，2021），2000 年為526.82 億元，2020 年地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）為5 532.39 億元，增長了近10 倍。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)組成上，第一產(chǎn)業(yè)與第二產(chǎn)業(yè)所占比例下降明顯，第三產(chǎn)業(yè)增長明顯，說明海南省的主導產(chǎn)業(yè)已從農(nóng)業(yè)、工業(yè)轉(zhuǎn)向服務業(yè)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變也對土地利用變化產(chǎn)生影響。人口的強勢增長與經(jīng)濟的快速發(fā)展導致建設(shè)用地面積的大幅度增長。從政策因素上看，2000-2020 年，海南省大力發(fā)展旅游業(yè)開發(fā)的項目，也是促使建設(shè)用地面積增長的因素之一。《海南省土地利用總體規(guī)劃》（2006-2020）（中華人民共和國自然資源部，2010）指出耕地面積至2020年保有量應為718 000 hm2，規(guī)劃期內(nèi)對破壞的耕地進行退耕，這可能是耕地面積減少的原因。

2.2 碳儲量時空演變

2.2.1 柵格碳儲存變化 基于InVEST 模型中的碳儲存模塊計算得到研究區(qū)2000、2010、2020年柵格單元的碳儲量。圖7 顯示：碳密度為1.18～8.52 t/hm2，從2000-2020 年，單位柵格碳密度均值持續(xù)降低，在2000 年最高，為4.03 t/hm2，2020 年達到最低，為3.87 t/hm2。所有土地利用類型的單位柵格碳密度值從大到小依次為林地、疏林地、耕地、草地、鹽沼、灘涂、水域、裸地、建設(shè)用地（表2）；在所有土地利用類型中，碳儲量最多的為林地，其次為耕地，分別為0.137、0.096 Gt。

表2 2020年研究區(qū)不同土地利用類型的平均單位柵格碳密度統(tǒng)計Tab.2 Statistics of average grid carbon density of different land use types in the study area in 2020 t/hm2

圖7 2000—2020年研究區(qū)單位柵格碳密度分布Fig.7 Grid carbon storage distribution in the study area from 2000 to 2020

按照行政區(qū)對研究區(qū)的柵格碳密度進行統(tǒng)計分析（圖8）。從時間上看，20年間3個區(qū)域的平均柵格碳密度值都逐漸下降；從空間上看，3 個區(qū)域的平均柵格碳密度值從大到小排序為三亞市、陵水彝族自治縣、萬寧市，其平均柵格碳儲量分別為5.60、4.02、3.64 t/hm2。2000-2020 年，三亞市區(qū)域的平均柵格碳密度值降低最為顯著，從2000年的5.70下降至2020年的5.45 t/hm2，下降了0.25 t/hm2；陵水彝族自治縣與萬寧市分別下降了0.16和 0.22 t/hm2。20 年間，碳儲量低的區(qū)域沿著海岸帶環(huán)線向內(nèi)陸延伸，萬寧市區(qū)域單位柵格碳密度值最低，三亞市區(qū)域單位柵格碳密度降低最多，其原因可能是萬寧市長時間的不合理土地開發(fā)、淺海的養(yǎng)殖業(yè)的興盛及三亞市部分區(qū)域旅游業(yè)的大力發(fā)展，導致不透水表面及養(yǎng)殖坑塘增加，植被覆蓋和土壤質(zhì)量下降，最終使地上生物量及土壤有機碳儲量下降。

圖8 2000—2020年不同行政區(qū)內(nèi)的平均單位柵格碳密度值Fig.8 Carbon storage density per unit grid in different administrative regions from 2000 to 2020

柵格碳儲存量較高的區(qū)域主要集中在較為內(nèi)陸的區(qū)域及研究區(qū)南部，主要分布林地、水域及草地。根據(jù)2000-2020年碳儲量平均值與其對應面積的乘積，得到研究區(qū)2000-2020 年的碳儲存總量：2000、2010、2020年碳儲存總量分別為2.87、2.85、2.76 Gt，整體逐段下降，共減少了0.11 Gt，減少顯著。

根據(jù)2000-2020 年研究區(qū)4 類碳儲量得到圖9所示變化結(jié)果。結(jié)果顯示，2000-2020年不同地層的碳儲量變化較為明顯，其含量由高到低依次為土壤有機碳儲量、地上生物碳儲量、地下生物碳儲量和死亡有機碳儲量。地上生物碳儲量顯著下降，其可能原因是林地、草地、水域面積的減少；地下生物碳儲量、土壤有機碳儲量與死亡有機碳儲量變化趨勢類似，均為波動下降；土壤有機碳儲量在2010年達到最大值，為1.648 Gt。從4 個碳庫的碳儲量變化看，地上生物碳儲量的持續(xù)減少是研究區(qū)碳儲量持續(xù)減少的主要影響因素。

圖9 不同類型地層的碳儲量統(tǒng)計Fig.9 Carbon stock statistics of different types of formations

2.2.2 “碳匯”“碳源”區(qū)劃分 碳儲存的動態(tài)變化即指示區(qū)域碳儲量總量的增減，一定時間段內(nèi)某區(qū)域碳儲存總量增加明顯，即認為該地區(qū)為“碳匯”，一定時間段內(nèi)該區(qū)域碳儲存總量顯著減少，即認為其為“碳源”區(qū)，若總量保持在一定范圍即為“收支平衡”區(qū)。土地利用方式的轉(zhuǎn)變會影響區(qū)域碳儲量，使“碳匯”“碳源”區(qū)相互轉(zhuǎn)變。

分析2000-2010、2010-2020年2個時間段的碳儲存結(jié)果，根據(jù)區(qū)域碳儲量在對應時間段內(nèi)的增減情況，劃分碳區(qū)并統(tǒng)計各時間段內(nèi)碳區(qū)面積（圖10、表3）。總體上，2000-2010年，碳源區(qū)面積始終大于碳匯區(qū)面積，碳源區(qū)面積持續(xù)增長，面積為47.65 km2，碳匯區(qū)面積為36.75 km2；2010-2020年，碳匯區(qū)迅速減少，比上一階段面積減少2.37 km2，碳源區(qū)面積為53.22 km2，比上一階段增加5.57 km2，且向內(nèi)陸發(fā)展趨勢明顯，部分區(qū)域碳儲存功能被嚴重損壞。圖10顯示，海岸帶南部北高村附近區(qū)域，碳匯區(qū)面積減少，碳源區(qū)面積明顯增加，在2000-2010年碳匯區(qū)區(qū)域集中于蜈支洲島上方，而到2010-2020年，該區(qū)域大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚磪^(qū)。這反映研究區(qū)碳儲存功能下降的區(qū)域持續(xù)增多，生態(tài)系統(tǒng)退化趨勢顯著。

圖10 2000—2010年及2010—2020年研究區(qū)碳匯、碳源區(qū)劃分Fig.10 Division of carbon sink and carbon source areas in the study area during 2000-2010 and 2010-2020

表3 2000—2010年及2010—2020年研究區(qū)碳匯、碳源區(qū)面積變化Table 3 Change of carbon sink and carbon source area in the study area during 2000-2010 and 2010-2020 km2

2.2.3 碳儲存功能評價 2000-2020年，由于經(jīng)濟建設(shè)和亂砍濫伐、海岸帶養(yǎng)殖及旅游開發(fā)等人類工程活動，研究區(qū)天然林、濕地草地銳減，導致氣候干熱、土地荒漠化日益嚴重，碳匯區(qū)面積減小，碳儲存功能持續(xù)下降。而對研究區(qū)碳儲存功能進行分級評價，能更精準的識別研究區(qū)生態(tài)被破壞、碳損失為較嚴重的區(qū)域，有利于對其進行及時的修復，維護地區(qū)碳儲存。通過NBC（自然斷點分類法）按照碳損失程度對生態(tài)系統(tǒng)碳損失功能進行分級，得到其分級結(jié)果（圖11）。

其中，碳儲存功能評價等級極差、差、良好的地區(qū)面積分別為39.84、27.31和10.85 km2。等級為差和較差的區(qū)域主要分布在研究區(qū)北部萬寧市和樂鎮(zhèn)、東澳鎮(zhèn)附近，南部海岸帶沿線，蜈支洲島上方區(qū)域，古樓村周邊區(qū)域（圖11-a1、b1）；西南部主要分布于三亞市、鳳凰島等東部區(qū)域；中部主要分布于陵水彝族自治縣、沿海的赤嶺村、南灣村、大坡村等附近區(qū)域。優(yōu)和良好的區(qū)域主要分布于研究區(qū)北部海岸帶，和樂鎮(zhèn)下方湖泊周邊的灘涂及近海濕地水域等區(qū)域。從圖11-a2、b2 可得出，碳儲存功能較差的區(qū)域土地利用類型多為耕地、裸地及建設(shè)用地。

圖11 生態(tài)系統(tǒng)碳儲存功能評價Fig.11 Evaluation of carbon storage function of ecosystem

3 生態(tài)修復

3.1 生態(tài)修復分區(qū)

基于2020年中國陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布數(shù)據(jù)，得到海南省陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布數(shù)據(jù)（徐新良 等，2017），其分布見圖12 所示。采用NBC（自然斷點分類法）對生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行分類，從1級至4級等級越高代表價值越高。

圖12 研究區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值分級Fig.12 Classification of terrestrial ecosystem service value in the study area

結(jié)合《海島生態(tài)整治修復技術(shù)指南》《濱海濕地生態(tài)修復技術(shù)指南》等的原則和規(guī)定，將碳儲存功能空間分布與海南島陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值進行空間分布疊加，劃分出自然修復區(qū)、人工輔助區(qū)、適度開發(fā)區(qū)和重建修復區(qū)4類生態(tài)修復分區(qū)（李楊帆 等，2020）。其中，重建修復區(qū)的碳儲存功能差及生態(tài)系統(tǒng)服務價值低，該區(qū)域大都受到外力脅迫基本喪失碳儲存功能，生態(tài)系統(tǒng)大部分遭到嚴重破壞，退化或完全改變，無法通過自然再生或在少量人工輔助下實現(xiàn)自然恢復。重建修復區(qū)面積為54.13 km2，分布在研究區(qū)的北部的耕地區(qū)域，中南部黎安鎮(zhèn)、童灣村附近建設(shè)用地、裸地、淺海水域等區(qū)域，南部沿海萬福村、三亞市附近（圖13）。人工輔助區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值高且碳儲存功能一般，生態(tài)系統(tǒng)的完整性可以修復到較高水平，該區(qū)域面積為161.08 km2，主要分布在萬寧市沿海、湖泊灘涂周邊，和西部林地、耕地、裸地區(qū)域。自然修復區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值高且碳儲存功能一般至優(yōu)良的區(qū)域，該區(qū)域面積為489.12 km2，在研究區(qū)全境均有大量分布。適度開發(fā)區(qū)為生態(tài)系統(tǒng)服務價值一般且碳儲存功能較高的區(qū)域，該區(qū)域面積為35.98 km2，主要分布在中西部沿海區(qū)域，長坡村、九所村、第三村等村鎮(zhèn)附近。

圖13 研究區(qū)生態(tài)修復分區(qū)Fig.13 Ecological restoration zoning of the study area

3.2 重點修復措施

以需要實施修復措施的3個分區(qū)（自然修復區(qū)、人工輔助區(qū)及重建修復區(qū)）為基礎(chǔ)，以恢復海岸帶生態(tài)系統(tǒng)碳儲存為目標，以保護保育為面，以重建修復為點，以海岸帶碳廊道網(wǎng)絡為線（葉有華 等，2021），結(jié)合海南省國土空間規(guī)劃，海岸帶生態(tài)保護修復、流域山水林田湖草生態(tài)保護修復等重點工程，通過生態(tài)修復建設(shè)達到海岸帶生態(tài)系統(tǒng)受損狀況大幅改善、生態(tài)系統(tǒng)功能和碳儲存能力提升的目的。

3.2.1 自然修復區(qū) 自然修復區(qū)是碳儲存功能較高、生態(tài)系統(tǒng)服務價值也較高的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出輕微破壞，但維持在自我穩(wěn)定的狀態(tài)內(nèi)。區(qū)域林內(nèi)有足夠繁殖體、自我更新能力強。針對該修復區(qū)內(nèi)自然林草地、鹽沼與灘涂區(qū)域，如研究區(qū)內(nèi)三亞市南部區(qū)域、陵水彝族自治縣中部等地區(qū)，應加強海岸帶保護，嚴格管控沿海岸段的開發(fā)利用，以沿海岸段為環(huán)，統(tǒng)籌濱海灘涂、海岸、濕地系統(tǒng)的治理維護，確保自然岸線保有率。對于碳匯價值豐富的區(qū)域，應創(chuàng)新生態(tài)資源價值轉(zhuǎn)化通道。堅持生態(tài)保護優(yōu)先，挖掘生態(tài)資源價值，探索提供高價值生態(tài)產(chǎn)品，積極增加區(qū)域碳匯，建立差異化生態(tài)補償機制。具體措施為：

1）保護林草地，主要采取去除外界壓力或干擾、封灘育林的方式。常見的干擾因素包括林下采捕、果實采集、污染排放、家禽養(yǎng)殖以及輕微的病蟲害和海漂垃圾等。對于植被退化程度較輕，區(qū)內(nèi)幼苗和繁殖體數(shù)量較多區(qū)域，應消除常見外界壓力或干擾，充分發(fā)揮植被自我修復能力。

2）針對灘涂鹽沼區(qū)域，可制定海灘保護方案，封灘育林。

3）針對淺海及灘涂區(qū)域，應重點關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)完整與健康，采取水系恢復、海草床等植被保育、水質(zhì)污染防治、過度捕撈防治等措施，盡可能恢復受損濱海濕地的結(jié)構(gòu)與功能，最終通過區(qū)域的自我修復達到提升碳儲存功能的目的。

3.2.2 人工輔助區(qū) 人工輔助區(qū)內(nèi)多覆蓋潟湖、養(yǎng)殖坑塘、鹽田及農(nóng)場，土地利用粗放，并且多處存在旅游業(yè)開發(fā)導致海岸侵蝕沙化加劇的現(xiàn)象。海岸潟湖是重要的海岸濕地類型之一，能發(fā)揮防潮護岸、降解污染、防洪保水等作用（吳協(xié)保 等，2020）。但由于部分區(qū)域漁民長期以養(yǎng)殖為主要用地方式，漁排養(yǎng)殖區(qū)產(chǎn)生的餌料沉降于海底腐爛，導致海水水質(zhì)下降，海草床等濱海濕地面積萎縮，海岸帶生態(tài)服務功能下降，碳儲量損失嚴重。為防止其損失惡化，提出以下修復措施：

1）以海南島主要入海河流為廊道，統(tǒng)籌山水林田湖海的系統(tǒng)保護，重點治理河口、潟湖等河海交匯區(qū)，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的山海相通。針對養(yǎng)殖坑塘面積過大，如陵水新村潟湖和黎安潟湖、萬寧東魯?shù)葏^(qū)域，在保持原有植被不被破壞的基礎(chǔ)上，適當拆除養(yǎng)殖區(qū)，保留部分坑塘的塘壩，調(diào)整現(xiàn)有粗放式養(yǎng)殖方案。

2）以資源環(huán)境承載力為基準，優(yōu)化近岸海域建設(shè)活動，除保障性產(chǎn)業(yè)用海外，其他海域空間以保護為主，積極拓展深遠海的開發(fā)利用，發(fā)展新興海洋產(chǎn)業(yè)。針對養(yǎng)殖池塘以潟湖、河道等為廢水排放造成的水質(zhì)污染、河道淤積及損害淺海生態(tài)等狀況，可以采用清理岸線各類垃圾，建設(shè)垃圾收集點及轉(zhuǎn)運站，配套污水處理設(shè)備，在近岸水深5 m 以內(nèi)的海底以及灘涂放流貝類、清淤疏浚等措施。

3）構(gòu)建“兩空間一紅線”近岸海域總體布局，對近岸海域開發(fā)保護功能進行引導。“兩空間”包括海洋生態(tài)空間和海洋開發(fā)利用空間，“一紅線”為海洋生態(tài)保護紅線。針對被人為開發(fā)過度，岸線侵蝕較為嚴重的地區(qū)，如三亞亞龍灣周邊區(qū)域，開展?jié)竦匦迯秃桶毒€修復工程，通過人工沙灘補沙、生態(tài)護坡、非法構(gòu)筑物拆除、退堤還林等針對性修復措施，恢復受損區(qū)域生態(tài)，進而恢復其碳儲存功能。對于侵蝕較嚴重岸段，需查清侵蝕機理，在必要的區(qū)域建設(shè)水下潛堤或人工岬角等，跟進修復進度。

4）建設(shè)以海岸帶一體化監(jiān)測體系為基礎(chǔ)的智慧海岸帶管理平臺，綜合運用現(xiàn)代化新型信息技術(shù)，歷史衛(wèi)星影像、無人機或航空影像、研究區(qū)基礎(chǔ)地理信息等，實現(xiàn)自動實時的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及修復進程監(jiān)測，以及時掌握區(qū)域生態(tài)狀況，跟進修復進度。在人工輔助區(qū)內(nèi)即對需要修復的區(qū)域進行識別，通過各種人為手段，輔助該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境修復工程，恢復其生態(tài)系統(tǒng)功能及碳儲存能力，實現(xiàn)人與自然和諧共處。

3.2.3 重建修復區(qū) 重建修復區(qū)內(nèi)碳儲量顯著下降，生態(tài)系統(tǒng)大部分退化或完全改變，海岸帶區(qū)域各生態(tài)斑塊連通性被阻隔，生境被破壞。為修復碳儲存功能，在消除脅迫因素的基礎(chǔ)上，實施生境修復、人工種植、封灘禁海等手段進行重建性修復。針對海南島東南海岸帶村鎮(zhèn)擴張、林草地侵占、沙灘退化等現(xiàn)象，加強圍填海管控，強化濕地生態(tài)建設(shè)與修復，構(gòu)建“一環(huán)、多廊、多點”濕地保護格局，建立以“自然保護區(qū)—濕地自然公園”為主體的濕地保護體系，保障濕地面積不減少、功能不降低。即利用重建濱海濕地，退養(yǎng)還濕，補充種植等生態(tài)重建的方式，增加淺海濕地面積、逐步恢復海岸帶區(qū)域植被及土壤質(zhì)地，這有利于增強區(qū)域地上生物量固碳量及土壤固碳能力，進而提高生態(tài)系統(tǒng)碳儲存能力。具體措施為：

1）針對海岸帶濱海濕地，如黎安鎮(zhèn)、桐海村等區(qū)域，拆除占據(jù)海域或灘涂的圍塘堤壩及構(gòu)筑物，修復微生物群落，恢復濕地鹽沼植被、補充種植適宜當?shù)貧夂颦h(huán)境的植被，增強受損濕地碳儲存功能。

2）強化水源涵養(yǎng)、水土保持等生態(tài)功能區(qū)的保護。針對因多處海水養(yǎng)殖坑塘而產(chǎn)生的垃圾廢水長期向海岸超標排放，導致的海防林樹木枯死，面積縮減，沙灘海灘侵蝕，淺海及近海區(qū)域的土壤環(huán)境及水質(zhì)被破壞的區(qū)域，如萬寧市港尾村、和樂鎮(zhèn)內(nèi)村仔村、東澳鎮(zhèn)中草村、外坡村、大石嶺北村等。應進行退養(yǎng)還濕工作，以地區(qū)海濱生態(tài)環(huán)境特征為依據(jù)，借助修筑防護堤、人工增沙、補沙和保育等手段，通過改善土壤結(jié)構(gòu)，重塑被侵蝕沙灘地區(qū)的水土平衡條件，從而達到維護沙灘平衡，降低海岸侵蝕的目的。

3）針對旅游業(yè)開發(fā)及村鎮(zhèn)擴張，不透水表面的增多導致的林草地侵占及部分岸線海防林密度稀疏，林地、濕地寬度縮減區(qū)域，如古樓村、蜈支洲島左側(cè)港尾村、龍江村、三亞市左側(cè)等地。應加強自然保護地及自然林草地監(jiān)管工作，恢復適宜本地環(huán)境生長的林木或灌叢，重現(xiàn)如木麻黃、青梅-柄果木林、萬寧水椰林、秋茄樹林、刺籬木灌叢、厚藤鋪地黍群落灌叢等原生景觀。

4）維護生物多樣性，加強外來物種管控，開展外來物種入侵調(diào)查，針對被外來物種侵占的生境，應及時對其進行完全徹底的清除及實行若干預防措施，保護本地生物多樣性。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

海南島東南海岸帶的碳儲量分布具有明顯的空間區(qū)域特征，20 a間，研究區(qū)“碳源區(qū)”的面積始終大于“碳匯區(qū)”，“碳源區(qū)”面積持續(xù)增加，碳儲量低的區(qū)域沿著海岸帶環(huán)線向內(nèi)陸延伸，萬寧市區(qū)域單位柵格碳密度值最低，20 a間三亞市區(qū)域單位柵格碳密度降低最多。其主要原因在于海岸帶南部北高村附近、中部蜈支洲島上方等區(qū)域碳源區(qū)面積的增加，林草耕地等碳密度值高的地區(qū)面積的減少。土地利用中林地單位碳密度值最大，建設(shè)用地碳密度值最小，對應土地利用流向變化及其流動原因，耕地、林地、水域與建設(shè)用地的相互轉(zhuǎn)化是引起碳儲量變化的主要因素。可能是20世紀以來，人口的強勢增長與經(jīng)濟的快速發(fā)展、淺海的養(yǎng)殖業(yè)及旅游業(yè)規(guī)模的迅速擴張，海岸帶部分地區(qū)建設(shè)用地面積大幅度增長，林地和草地轉(zhuǎn)變成建設(shè)用地、灘涂鹽沼及水域等轉(zhuǎn)變成養(yǎng)殖坑塘，導致植被覆蓋和土壤質(zhì)量，地上生物量及土壤有機碳儲量的下降，養(yǎng)殖坑塘及鹽田的低效率利用導致濕地、海防林等面積萎縮，最終使碳匯區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚磪^(qū)。海南島東南海岸帶碳儲量的時空變化與已有研究（胡杰龍等，2015；朱美玲 等，2016；官惠玲 等，2019；江洪 等，2021）較為一致。

研究區(qū)碳儲存功能各等級之間呈現(xiàn)較為聚集的分布特征。等級為差和較差的區(qū)域主要分布在建設(shè)用地聚集，開發(fā)強度大的區(qū)域，如萬寧市和樂鎮(zhèn)、三公坡等區(qū)域；等級為優(yōu)和良好的區(qū)域主要分布于內(nèi)陸林草地、灘涂濕地及近海海防林等地，如陵水彝族自治縣光坡村、赤嶺村等區(qū)域、三亞市南部鳳凰島周邊區(qū)域。針對這種聚集性特征，提出了相應的修復措施，如恢復適宜本地環(huán)境生長的林木或灌叢的同時對外來物種進行調(diào)查，防止外來物種侵占本地生物生境，此方法能為濱海生物提供棲息地，遏制生境的持續(xù)破碎與擾動，維持區(qū)域生態(tài)平衡；利用人工輔助的手段，通過對養(yǎng)殖坑塘，河道，岸線的改善及整治，類似修復策略能連通區(qū)內(nèi)生態(tài)斑塊，恢復海岸帶生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)功能。然而本研究僅基于碳儲存對生態(tài)修復提供策略，對于開展完善的生態(tài)修復措施，還需要進一步開展實地調(diào)查，獲取更多當?shù)刭Y料進而制定生態(tài)修復總體方案。

InVEST 模型的運用能直觀地展現(xiàn)和定量地分析地類轉(zhuǎn)換和土地利用強度對碳儲量的影響，可以為區(qū)域兼顧經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)保護提供新思路，然而模型模擬過程中會存在許多不確定性（Clerici et al., 2019）。InVEST 模型碳儲量模塊假設(shè)生態(tài)系統(tǒng)碳密度數(shù)據(jù)在時間尺度上保持不變，但實際碳密度受多種因素的影響容易發(fā)生變化（Zhou et al.，2020），因此采用不變的碳密度數(shù)據(jù)可能會使研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲量估算存在誤差。此外，土地利數(shù)據(jù)因其分辨率及解譯過程，也會產(chǎn)生一定的誤差，對碳儲量模擬結(jié)果也存在一定影響。未來，應對研究區(qū)不同土地利用類型碳密度進行連續(xù)監(jiān)測，并提高土地利用數(shù)據(jù)的準確度及分辨率，從而提高碳儲量模擬精度。

4.2 結(jié)論

本文基于InVEST 模型估算2000、2010、2020年海南島東南海岸帶碳儲量，評價其碳儲存功能。依據(jù)生態(tài)修復原則及雙碳、國土空間規(guī)劃思想等，制定有針對性的海岸帶生態(tài)修復措施。主要得到以下結(jié)論：

1）2000-2020 年，耕地、林地始終是研究區(qū)主要土地利用類型，為優(yōu)勢地類。20 a來，耕地面積先減少后增加，林地面積持續(xù)減少，建設(shè)用地面積持續(xù)增長明顯。自然因素和社會因素的綜合影響造成土地利用的轉(zhuǎn)變，發(fā)生變化的土地利用面積占總面積的19.09%，變化也較為劇烈。建設(shè)用地及鹽沼的轉(zhuǎn)入趨勢顯著，多為耕地、林地、草地等轉(zhuǎn)變而來。

2）2000-2020年，柵格碳儲量最高的是林地，最低的是建設(shè)用地；碳儲量最多的為林地，其次為耕地，分別為0.137、0.096 1 Gt。從空間上看，碳儲量低的區(qū)域沿著海岸帶環(huán)線向內(nèi)陸延伸，萬寧市區(qū)域單位柵格碳密度值最低，三亞市區(qū)域單位柵格碳密度降低最多。2000、2010、2020年碳儲存總量分別為2.87、2.85、2.76 Gt。碳源區(qū)面積始終大于碳匯區(qū)面積，碳源區(qū)面積持續(xù)增長且向內(nèi)陸發(fā)展趨勢明顯，碳匯區(qū)面積在10 a間迅速減少，部分區(qū)域碳儲存功能被損壞。

3）依據(jù)碳儲存功能與陸地生態(tài)系統(tǒng)服務價值的疊加結(jié)果，劃分4個修復單元（自然修復區(qū)、人工輔助區(qū)、重建修復區(qū)和適度開發(fā)區(qū)）。針對不同的修復區(qū)，在國土空間規(guī)劃及碳中和碳達峰思想指導下，有針對性、差異化地提出包括退養(yǎng)還濕、岸線修復、濕地重建、加強監(jiān)管等生態(tài)修復策略。