基于InVEST模型的碳儲量時空變化研究

摘要：碳達峰和碳中和是生態文明建設和高質量發展的重要內容，是應對氣候變化的關鍵舉措，也是構建人類命運共同體的重要一環。土地利用變化往往會造成區域碳收支變化，隨著科學技術的發展，利用空間模型評估碳儲量的方法也逐漸被廣泛認可和接受。生態系統服務和權衡的綜合評估（InVEST）模型具有數據獲取容易、空間制圖表達效果好的優勢，應用較為廣泛。秦嶺是我國重要的生態安全屏障，秦嶺北麓鄰近西安市，城市經濟發展和生態環境變化的沖突較為顯著，秦嶺北麓生態系統的固碳功能有利于區域生態文明建設和可持續發展。本文以秦嶺北麓為研究區，采用土地利用轉移矩陣分析土地利用變化，然后運用InVEST模型量化評估碳儲量，明確碳儲量時空變化特征。研究結果表明，秦嶺北麓的土地利用類型以林地和草地為主；2005—2015年，林地和建設用地增長較為顯著，碳儲量的時間變化比較穩定。本研究可為秦嶺北麓的生態環境治理和可持續發展提供一定的理論依據。

關鍵詞：土地利用變化；InVEST模型；碳儲量時空變化；秦嶺北麓

中圖分類號：X171 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）08-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.08.048

Research on spatiotemporal changes of carbon storage based on InVEST model

——Taking the northern foothills of Qinling Mountains as an example

MA Ling1， SU Pengzong2， LIU Xing2

（1. PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited， Xi'an 710065， China; 2. Xi'an City Development Information Technology Co.， Ltd.， Xi'an 710018， China）

Abstract： Carbon peaking and carbon neutrality are important components of ecological civilization construction and high-quality development， key measures to address climate change， and an important part of building a community with a shared future for mankind. Land use change often leads to changes in regional carbon budget， with the development of science and technology， the method of using spatial models to assess carbon storage has gradually been widely recognized and accepted. The integrated valuation of ecosystem services and trade-offs （InVEST） model has the advantages of easy data acquisition and good spatial mapping expression， and is widely used. Qinling Mountains are an important ecological security barrier in China， the northern foothills of Qinling Mountains is adjacent to Xi'an City， and there is a significant conflict between urban economic development and ecological environment changes， the carbon sequestration function of the ecosystem in the northern foothills of Qinling Mountains is conducive to the construction of regional ecological civilization and sustainable development. This paper takes the northern foothills of Qinling Mountains as the research area， uses land use transfer matrix to analyze land use change， and then uses the InVEST model to quantitatively evaluate carbon storage， clarifying the spatiotemporal change characteristics of carbon storage. The research results indicate that the land use types in the northern foothills of Qinling Mountains are mainly forest and grassland; from 2005 to 2015， the growth of forest land and construction land was significant， and the temporal changes in carbon storage were relatively stable. This study can provide a certain theoretical basis for the ecological environment treatment and sustainable development of the northern foothills of Qinling Mountains.

Keywords： land use change; InVEST model; spatiotemporal changes in carbon storage; northern foothills of Qinling Mountains

碳達峰和碳中和是全球生態環境治理和可持續發展的重要基礎[1]。土地利用的變化往往會造成區域的碳收支變化[2]，隨著地理信息系統（GIS）的發展，利用空間模型評估碳儲量的方法也逐漸被學者認可和接受。其中，生態系統服務和權衡的綜合評估（InVEST）模型由美國斯坦福大學開發，具有數據獲取容易、空間制圖表達效果好的優勢，應用較為廣泛[3-4]。秦嶺是我國重要的地理分界線，具有重要的生態屏障功能，同時在生物多樣性維持、水源涵養、土壤保持和固碳方面發揮著重要作用。秦嶺北麓鄰近西安市，城市經濟發展和生態環境變化的沖突較為顯著，秦嶺北麓生態系統的固碳功能有利于區域生態文明建設和可持續發展。本文以秦嶺北麓為研究區，基于2005年、2015年的土地利用數據，分析研究時段內的土地利用變化，并運用InVEST模型分析碳儲量時空變化，為區域的生態管理和碳政策制定提供理論依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

秦嶺北麓是指秦嶺北坡25°坡線以下至0°坡線，并向平原延伸數千米的環山帶狀區域，其核心部分位于西安市，包括周至縣、長安區、鄠邑區、藍田縣、臨潼區和灞橋區。秦嶺北麓屬于溫帶大陸性季風氣候區，地形以山地為主，地勢南高北低，自然植被以溫帶落葉闊葉林為主。

1.2 數據來源

本研究使用的土地利用數據下載于中國科學院地理科學與資源研究所的資源環境科學與數據中心（https：//www.resdc.cn），分辨率為30 m，共有2期。該數據由Landsat 8衛星的遙感影像目視解譯而來。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣利用馬爾可夫模型原理，通過二維矩陣對地區內不同時期的土地利用類型變化關系進行分析，定量表述不同土地利用類型在一段時期內的轉化關系和轉移速率，在國土空間規劃領域應用廣泛。

1.3.2 InVEST模型

運用InVEST模型的Carbon模塊，基于土地利用和土地覆蓋類型地圖及4個碳庫（地上生物量、地下生物量、土壤、死亡有機物）的碳儲量，計算當前土地利用格局下碳儲量或者一個時間段內的碳儲量[5-7]。在InVEST模型中，Carbon模塊對碳儲量計算和碳轉移過程進行簡化，其假定碳儲量為靜態、不隨時間推移而改變，且區域內每一處土地利用類型的碳密度是唯一值[8-11]。

2 結果與分析

2.1 秦嶺北麓土地利用變化

秦嶺北麓的土地利用類型以林地為主，按面積由大到小的排序為林地＞草地＞耕地＞建設用地＞水域＞未利用地。研究區北部海拔較低且地形平坦，而南部海拔較高、地形起伏較大，以林地和草地為主，秦嶺北麓土地利用類型符合人類活動和城市擴張的基本規律。林地和草地主要分布在秦嶺北麓南部和西南部，耕地則主要分布在西北部，秦嶺北麓存在多種土地利用類型錯綜復雜分布的規律，這一區域符合城市擴張邊緣區土地利用結構特征。

2005—2015年，研究區的土地利用轉移情況如表1所示。由此可知，10年間，草地轉出約31.93 km2，71%的草地轉變為耕地；耕地轉出約53.24 km2，63%的耕地轉變為草地；建設用地轉出約41.08 km2，52%的建設用地轉變為耕地；林地轉出約90.99 km2，89%的林地轉變為草地；水域和未利用地變化幅度較小，較為穩定。從各地類的數量變化來看，林地的總量有所增長，反映了研究區的造林工程取得一定成效。建設用地的增長也較為顯著，隨著經濟建設和城市化的發展，建設用地不斷擴張。

2.2 秦嶺北麓碳儲量時空變化

2005—2015年，秦嶺北麓碳儲量時空變化如圖1所示。經InVEST模型計算，2005年、2015年秦嶺北麓的碳儲量分別為27.10 t/hm2、27.22 t/hm2，變化趨勢較為穩定[12-14]。與土地利用的分布情況相比，土地利用與碳儲量的分布密切相關，碳儲量由大到小的排序為林地＞草地＞耕地＞水域＞未利用地＞建設用地，表明生態用地對區域的固碳功能較為顯著。

3 結論

2005—2015年，秦嶺北麓的林地和建設用地面積有所增長，草地和耕地面積有所減少，水域和未利用地變化不明顯，主要原因是造林工程的實施和城市化的發展。草地、耕地兩種地類之間存在相互流轉的情況，林地的流向以草地為主，說明部分林地存在退化現象。部分建設用地流向林地，原因可能是一些廢棄的工礦用地通過造林綠化恢復為林地。水域和未利用地的土地流轉面積較小，基本保持穩定狀態。建設用地的擴張會擠壓林地、草地和耕地等生態用地，造成區域生態系統的固碳能力降低，這與林彤等[6]的研究結果一致。2005—2015年，秦嶺北麓的碳儲量均值基本保持穩定，這與林地、草地等高固碳能力用地面積增加有關。因此，加強林地與草地的保護，科學合理造林，對于提升生態系統的固碳能力具有重要意義。

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