基于PLUS-InVEST的池州市土地利用及碳儲量時空演變分析

張姣姣，仵振東，武玲玲

（池州學院 地理與規劃學院，安徽 池州 247000）

全球氣候變暖是對全人類生存和地球環境問題的嚴重威脅。溫室氣體排放是全球氣候變化和人類生存環境改變的首要原因。土地利用結構的變化是影響溫室氣體排放的主要因素之一。現今，土地利用變化越來越劇烈，特別是現如今我國各個城市經濟發展飛速變化，城市現代化的經濟和工業發展與城市生態環保問題越來越成為人們關注的重點[1］。如何直接有效降低城市碳排放和保護生態環境成為系列重大問題。國內外許多專家學者已通過研究土地利用變化導致大量的碳排放對大氣造成污染，從而帶來一系列的生態環境問題。Olorunfemi等[2］對尼日利亞西南部等區域的不同土地覆蓋類型下的總體生態系統碳儲量進行估計，研究發現森林的總碳儲量為最多，農田的總碳儲量最少。馬海良等[3］以武漢市作為研究區域，研究發現區域內湖泊面積的改變對于區域內碳排放量的改變有很大程度上的影響。Zhu等[4］以浙江省為研究區域，在區域內利用1970—2010年土地利用變化以及植被覆蓋度的變化情況對于碳排放的影響進行研究。周嘉等[5］利用中國多個省份測算研究區域內土地利用面積變化而導致的碳排放量的改變。馮杰等[6］、李波等[7］選擇中國區域作為研究對象，分析中國土地利用碳排放變化情況。

池州市作為安徽省的一個地級市，近年來經濟發展迅速，在實現經濟與環境同步平衡發展的問題上，具有較高的難度。通過開展池州市土地利用碳排放的動態變化、碳排放變化影響因素與減少碳排放增長研究，利用池州市2000—2030年的土地利用不同地類面積的變化，基于InVEST模型對池州市土地利用類型的碳儲量進行核算，分析池州市研究期間內碳儲量的演變動態特征變化，結合池州市不同經濟情況和發展情況變化尋找合理有效的土地利用方式的轉變。

1 研究方法及數據來源

1.1 研究區域概況

池州，又名為貴池、秋浦，是安徽省內西南部的一個地級市（圖1），也是長江經濟帶中重要的城市之一，長三角城市群成員之一。是安徽省“兩山一湖”組成部分。九華山、牯牛降位于池州東南部，緯度較高，是皖南地區主要山體的組成部分，中部為緯度較低的丘陵區，其余地區地勢較平，其中草地和林地居多，河湖交錯，風景優美。池州市土地資源類型多樣，氣候溫暖，地表水儲備豐富，2020年平均氣溫為17.2 ℃，年降水量2065.2 mm。

圖1 池州市位置分布圖Fig.1 Location distribution of Chizhou City

1.2 研究方法

（1）基于PLUS模型的土地預測

PLUS模型是由中國地質大學（武漢）地理與信息工程學院&國家GIS工程技術研究中心的高性能空間計算智能實驗室（HPSCIL）所開發的[8］。PLUS模型是一個基于柵格數據的可用于斑塊尺度土地利用/土地覆蓋（LULC）變化模擬的元胞自動機（CA）模型。PLUS模型集成了基于土地擴張分析的規則挖掘方法和基于多類型隨機種子機制的CA模型，可用于挖掘土地擴張的驅動因素并預測土地利用景觀的斑塊級演化。

本次共選擇了15個社會經濟和氣候環境因子（土壤，人口，GDP，DEM，坡度，年均氣溫，年均降水，到政府、高速公路、鐵路、主干道、1級道路、2級道路、3級道路距離和水域距離）作為自變量，為保護大型水體、湖泊和自然保護區，利用ArcGIS將池州市平天湖、升金湖、董鋪水庫等大型水域設置成限轉區域，基于PLUS模型，預測池州市2030 年土地利用變化。得到模擬的Kappa 系數為0.8，總體精度為0.9，預測的結果如圖2 所示，PLUS在池州市土地利用模擬的精度較高，適用性較好。

圖2 修正后碳密度Fig.2 Modified carbon density

（2）基于InVEST的碳儲量計算

InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）模型即生態系統服務評估與權衡模型，可于評估生態系統服務功能量及其經濟價值、支持生態系統管理和決策的一套模型系統，包括陸地、淡水和海洋三類生態系統服務評估模型[9］。碳模塊是InVEST模型中較為簡單的一個功能，該模型將生態系統的碳儲量劃分為4個基本碳庫：地上生物碳（土壤以上所有存活的植物中的碳）、地下生物碳（存在于植物活根系統中的碳）、土碳（分布在有機土壤和礦質土中的有機碳）、死亡有機碳（凋落物、倒立或站立的已死亡樹木中的碳），計算公式如下：

式中：Ctotal為總碳儲量；Cabove為地上生物碳儲量；Cbelow為地下生物碳儲量；Csoil為土壤碳儲量；Cdead為死亡有機物碳儲量。

InVEST模型首先需要確定碳密度數據。相關研究表明碳密度與年降水量呈正相關，與年均氣溫呈弱相關[10-11］，因此采用已有年降水因子修正關系模型[12-13］修正土壤有機質碳密度。

式中：CSP為年降水量修正后的土壤有機質碳密度，KSP為土壤有機質碳密度修正系數，C'SP和C″SP分別為年降水量修正后的池州市和全國土壤有機質碳密度。

參照已有研究[14-18］土壤有機質碳密度數據，并結合各土地利用類型之間的碳密度關系[12］，修正獲得碳密度數據如圖2所示。

1.3 數據來源

所使用的3 期土地利用數據（2000 年、2010 年、2020 年）來源于全球30 米地表覆蓋（GlobeLand30）數據集，空間分辨率為30 m，利用ARCGIS 重分類，將土地利用類型分為6 大類：耕地、林地、草地、水域、人造地表、未利用地。預測選取的15 個社會經濟和氣候環境因子數據分別來源于地理空間數據云平臺（https://www.gscloud.cn）、CRUTS 官網（https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/hrg/）、中國科學院資源環境科學與數據中心（https://www.resdc.cn）和Open-StreetMap（https://www.openstreetmap.org/）。

2 結果與分析

2.1 池州市土地利用變化分析

2000—2030 年池州市土地利用分布和面積比例如圖3和表1所示。2000—2030年池州市及其1個下轄市區3個縣均呈現以林地為主的土地利用結構。在整個研究期內，池州市林地面積均達到了65%以上，其次是耕地，面積占比達到了23%以上。2000—2010、2010—2020、2020—2030 年間地類面積減少最多的分別為未利用地、林地和林地，減少的面積分別為75.46 km2、72.76 km2、75.07 km2，2000—2010、2010—2020、2020—2030 年間面積增加最多的分別是水域、人造地表和人造地表，增加的面積分別為57.69 km2、68.99 km2、57.17 km2。2000—2030整體來看面積減少最多的是林地，增加最多的是人造地表，總體上耕地、水域和人造地表呈增長趨勢，林地、草地和未利用地呈減少趨勢。

表1 池州市2000年至2030年土地利用面積及比例Table 1 The area and proportion of land use in Chizhou from 2000 to 2030

圖3 2000—2030年池州市土地利用圖Fig.3 Land use map of Chizhou City from 2000 to 2030

2000—2030 年間池州市下轄區中石臺縣的林地面積占比最大，均達到了89%以上，其他3 個區域差別不大，均在60%左右。其次是耕地，整個研究期內貴池區、東至縣呈增加趨勢，分別增加了2.27%、0.93%，石臺縣和青陽縣呈減少趨勢，分別減少了7.54%、2.49%。水域主要分布在貴池區和東至縣的北部，其他土地類型在各轄區分布差別不大。人造地表在研究區域內呈現市轄鎮中心呈大型聚集分布，村落建筑物成離散分布、小型聚集。人造地表所占面積在整個研究期內一直呈現增長趨勢，各轄區均有不同程度的增加，其中貴池區面積增加最多，青陽縣增長速率最快，這與城市的快速發展息息相關，城鎮化工業化及人口的增加導致了人造地表面積的快速增加。

2.2 池州市碳儲量變化分析

2.2.1 池州市碳儲量時空變化

利用InVEST 模型的固碳模塊獲得了池州市2000、2010、2020、2030 年的碳儲量。池州市4 個時期的總碳儲量分別為3.81×108t、3.80×108t、3.76×108t、3.77×108t，總體呈減少趨勢，共減少了4.85×106t，減幅1.27%。2010—2020 年碳儲量減少了1.84×106t，主要是因為池州市經濟的快速發展、城市快速擴張，建設用地大量占用林地等生態用地，使得池州市的碳儲量在逐年減少，碳儲量達到了流失的高峰。2010—2020 年碳儲量減少了3.15×106t，減幅達0.83%，主要是因為退耕還林等生態環境保護政策出臺，使得池州市碳儲量減少減緩。2020—2030 年自然發展下碳儲量增加了1.40×105t，預測主要是為了土地利用變化時保護平天湖等生態區域。池州市2000—2030年碳儲量空間分與土地利用類型的空間分布情況呈現一致性。2020—2030年間碳儲量最高的區域主要是海拔較高的林地，植被覆蓋面積高碳儲存能力強。較高的為耕地分布區域，大部分集中在靠近長江等水域附近。最低的區域為平天湖、升金湖、長江等的水域，成片狀、帶狀分布在池州市北部區域。

從池州市4個時期的碳儲量空間變化來看（圖4），碳儲量空間變化分布與地類變化空間分布基本一致。2000—2010 年碳儲量變化區域主要在升金湖、平天湖等水域，2010—2020 年主要分布在耕地周邊，2020—2030年在人造地表周邊較多。整體來看，隨著時間的變化，池州市2000—2030年碳儲量的空間分布發生了改變，但整體分布結構未發生改變。

圖4 2000—2030年池州市碳儲量空間變化Fig.4 Spatial variation of carbon storage in Chizhou City from 2000 to 2030

從池州市行政區劃4個時期的碳儲量來看，東至縣的碳量最高，碳儲量均達1.42×108t以上，其次是貴池區，達1.04×108t以上，青陽縣的碳儲量最低，最高為2000年5.47×107t。東至縣與青陽縣4個時期碳儲量差值達8.83×107t。2000—2030 年貴池區碳儲量減少最多，共減少了2.46×106t，減幅2.3%，總體表現為2000—2020年先減少，2020—2030年后增加的趨勢。石臺縣碳儲量總體表現為增加趨勢，共增加了0.56×103t，主要是由于近年來貴池區人造地表等非林地面積的增加，城鎮化工業化快速的發展，導致貴池區碳儲存能力減弱，而石臺縣加強了牯牛降國家級自然保護區的生態保護，強化了生態環境司法保護，一致積極推進生態文明建設，使得碳儲存能力增強。

2.2.2 池州市各地類碳儲量變化分析

池州市2000—2030年各地類的碳儲量如圖5所示。林地和耕地在4各時期對池州市生態系統碳儲量的貢獻最大，分別達到了83.66%和13.53%以上；其次是草地，達1.48%以上；其他地類所占比例均為1%以下。林地、草地和未利用地的碳儲量總體減少，分別減少了6.73×106t、6.19×105t、1.87×105t。林地表現為先下降后增加的趨勢，從2000 年的84.44%降到了2020 年的83.66%后，2030 年比例增加了0.08%。草地先增加后下降，2010 年1.75%下降到2030 年1.48%。未利用地呈持續下降趨勢，從2000 年0.11%降為0.06%。耕地和人造地表碳儲量總體增加，分別增加1.24×105t、2.57×106t。耕地呈波動式上升，2020 年占比最高，達13.97%。人造地表增加最多，增幅達230.16%，總體呈持續增長趨勢。導致人造地表的碳儲量增加的原因主要是城市用地的不斷擴張，林地、草地面積雖然減少但仍是池州市碳儲量的主要來源，2010年后守住耕地紅線和保護生態紅線等相關政策實施以后，碳儲量后期呈增長趨勢。

圖5 2000—2030年池州市各地類碳儲量Fig.5 Carbon storage in Chizhou from 2000 to 2030

2000—2030 年池州市地類轉換導致的碳儲量變化如表2所示。草地共轉出150.06 km2，碳儲量增加了2.31×106t，主要轉為了林地和耕地，占總轉出面積的82.68%。耕地主要轉出為林地和人造地表，面積分別為190.88 km2、97.78 km2，碳儲量共增加了4.67×106t。林地主要轉出為耕地，達轉出面積的55.18%，碳儲量共減少了1.46×107t。人造地表面積共轉入了164.95 km2，主要由耕地、林地轉入，碳儲量共減少了2.99×106t。水域主要轉出為耕地，主要由林地、未利用地轉入，轉入導致減少的碳儲量為3.58×106t。未利用地主要轉為水域，因轉出導致碳儲量增加0.70×106t，主要由林地轉入，轉入導致碳儲量減少4.67×105t。由池州市土地利用轉移可知，土地利用類型的變化影響著碳儲量的變化。

表2 池州市2000—2030年地類轉換引起的碳儲量變化（單位：104 t）Table 2 Changes of carbon storage caused by land conversion in chizhou city from 2000 to 2030(unit:104 t）

3 結論

2000—2030年池州市主要地類為林地和耕地，30年間林地、草地和未利用地面積呈減小趨勢，共減少了226.26 km2，其中林地面積減少最多；耕地、水域和人造地表用地面積呈增加趨勢，人造地表面積增加最多。池州市碳儲量數量上呈波動性變化，整體呈減少趨勢，預測的2030年碳儲量較2020年增加了1.40×105t。空間分布上與土地利用類型具有較好的一致性。

基于InVEST模型進行碳儲量計算時，各地類的碳密度為預先設定的固定值，不同土地利用類型具有較明顯差異的固碳能力，不同地類的固碳能力與碳密度值呈正相關。各地類之間相互流轉對碳儲量的值產生較大影響。林地作為池州市的主要用地類型，水域、未利用地等向林地的流轉，提高了池州市碳匯水平，但是林地向耕地、人造地表等的大量轉換，一定程度上降低了池州市的固碳率。人造地表因植被覆蓋度低、碳排放量較大，且耕地、林地、草地大量向人造地表的轉化極大地提高了池州市的碳源排放。因此碳儲量主要受地類面積變化的影響。

生態系統固碳能力與土地利用類型轉換之間密切相關，不同地類之間的流轉使得碳儲量發生較大改變。隨著城市的快速擴張、人口數量的增加，池州市未來發展需繼續加強土地優化政策，落實生態紅線等生態保護政策，控制人造地表數量，保護林地、草地土地利用類型并穩定其數量，提高池州市生態系統固碳能力。