基于土地利用碳密度的丹江口庫區碳儲量空間分布特征分析

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

AnalysisofSpatialDistributionCharacteriticsofCarbonStorageinDanjangkouReservoirRegionBasedonLand-useCarbonDen sity

YAOJia-yin，LINan-xinDENGZi-xi（FacultyofResourceandEnviroentScieceHubeiUniveity，KeyaboratoryofRegioal Development and Environmental Response，Wuhan，Hubei 430062）

AbstractThoughcorectingland-usecarbondensityusing022landuseataandtheIVESTodel，thecharacteristicsandipactf lnd-useontespatialdistrbutiofarbonstorageinteanjangkouresevogionwereivestigatedTesultsshoedtatin， theland-usetypeofDanjiangkoureservoirregionwas dominatedbyforestandfarmland，withthetotal proportionmore than 90% ; forest was mainlydistributedinteoutaiousandillreasineorten，westeandouthpartsofereseirgionandfalandws mainlydistributedneastepartandtvalyreasiineesegion.Tearbdensiofirentlandusetsinse voirregionwasvariedSoilorganiccarbondnsityontributedostsignificantlytothetotalcbondensityofachland-usetypeUderthe influence of temperature and rainfall，the total carbon density of forest in 2O22 was the highest at 119.80Vhm² ，far exceeding that of other land types. The total carbon storage in Danjiangkou reservoir region in 2O22 was 1.79×10⁸ t. Among them，forest and farmland were the most important carbon pools，and the total carbon storage of the two was 99. 45% . Influenced by the spatial pattern of land-use and carbon density， thecarbonstoragemainlyshowdtespatialdistributionharacteristicsoflowerintheareaearwaterandhigherintheaeaaayfrowater. KeywordsCarbndsity;arbonstoage;aracteristsofspatialdistrution;LanduseteVESTodel;njangkoeseiio

區域土地利用是陸地生態系統碳儲量的主要影響因素之一。目前關于土地利用與碳儲量的研究已經取得了大量成果，內容涉及土地利用變化對區域碳儲量的影響[1-2]、碳密度和碳儲量的驅動機制[3-4]、利用模型定量估算與預測碳儲量[5-6]等。生態系統服務和權衡的綜合評估（integrated valu-ationofecosystemservicesandtrade-offs，InVEST）模型的碳儲量模塊因具有簡化數據、快速便捷、結果可視化等優點被廣泛應用基于區域土地利用數據估算碳儲量的研究中[1-2]。其中，碳密度是該模塊運行所需的重要參數數據，然而目前尚無統一的碳密度數據和標準[7-8]，使得多數相關研究僅將土地利用變化作為變量，缺少對受氣候因素影響的碳密度的考慮，影響了研究結果的精度。

丹江口水庫作為我國“南水北調”的中線水源地，庫區土地利用規劃應注重環境質量和生態安全。研究土地利用對碳儲量及其空間分布的影響，可以為丹江口庫區土地利用格局優化和生態系統的固碳能力提升提供參考。鑒于此，該研究以2022年為研究時段，考慮氣溫和降水因子以校正庫區土地利用類型碳密度，并基于該年土地利用數據，運用InVEST模型，研究土地利用碳密度對丹江口庫區碳儲量及其空間分布的影響。

1資料與方法

1.1研究區概況丹江口水庫位于漢江中上游（ 32^°14^′～ ，地處北亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫 15.6^°C 左右，年降水量 700～1000mm 。庫區涉及河南省淅川縣、西峽縣和湖北省丹江口市、鄖西縣、鄖陽區、張灣區、茅箭區等行政區（圖1），面積共 17 949km² ，區內地勢西北高、東南低，多丘陵和山地；河流廣布，水系發達，丹江口水庫的主要水源支流丹江和漢江自西北向東南貫穿庫區后匯入。土壤類型以石灰土和黃棕壤為主，植被類型豐富，以亞熱帶常綠闊葉混交林為主。

1.2數據來源該研究使用的 2022年土地利用柵格數據來源于武漢大學的楊杰和黃昕教授在谷歌地球引擎（GEE）平臺上制作發布的中國年度土地覆蓋數據集CLDC[9]，空間分辨率為 30m ，該數據集中研究區的土地利用類型包括耕地、林地、灌木林地、草地、水域、裸地、不透水面共7種。氣溫和降水數據源于國家氣象科學數據共享服務平臺（http：//data.cma.cn）及《中國氣候公報》。DEM數據來源于中國科學院地理空間數據云網站（https：//www.gscloud.cn），空間分辨率為 30m 。

1.3 研究方法

1.3.1碳密度校正。該研究整理匯總相關學者關于土地利用類型碳密度的研究成果[10-13]，根據研究區氣溫和降水條件，利用前人構建的碳密度校正模型[1]對我國土地利用類型平均碳密度數據進行校正，得到丹江口庫區土地利用類型的碳密度校正系數。具體如下：

圖1研究區地理位置

Fig.1The geographic position of the study region

（1）考慮年平均氣溫對碳密度的影響。當 MAPgt;400mm 時：

K_bt=43.0–0.4t

K_dt=2.03–0.03t

（2）考慮年降水量對碳密度的影響。當 MATgt;10^qC 時：

K_bp=5.87+0.02p

K_dp=0.85+0.004p

則碳密度校正系數的表達式為

式中：MAP是年降水量；MAT是年平均氣溫： Ψ_tΨ_t 是需要校正碳密度的區域的年平均氣溫 （C）_：p 是需要校正碳密度的區域的年降水量（ Π_mm ）； K_b 是生物量碳密度校正系數，用于校正地上生物量碳密度和地下生物量碳密度； K_s 是土壤有機質碳密度校正系數； K_d 是死亡有機質碳密度校正系數。

1.3.2碳儲量時空動態模擬。InVEST模型[14的碳儲量功能模塊基于土地利用數據及其對應的不同碳庫碳密度值，模擬各時空尺度的區域碳儲量并將結果可視化。碳庫包括地上生物量碳庫、地下生物量碳庫、土壤有機質碳庫、死亡有機質碳庫。土地面積與碳密度的乘積即為碳庫的碳儲量。故InVEST模型的碳儲量功能模塊的運行原理如下：

C_i=C_i-above+C_i-below+C_i-soil+C_i-dead

式中， i 是某一種土地利用類型； C_i 是土地利用類型 i 的總碳儲量密度（ t/hm² ）； C_i-above 是土地利用類型 i 的地上生物量碳密度 ??hm² ）； C_i-below 是土地利用類型 i 的地下生物量碳密度

（t/hm²）;）;C_i-soil 是土地利用類型 i 的土壤有機質碳密度

（t/hm²）;C_i=dead 是土地利用類型 i 的死亡有機質碳密度 ）； C_tot 是研究區的總碳儲量（t）； S_i 是土地利用類型 i 的面積 （hm²）：n 是土地利用類型的分類數目。

2結果與分析

2.1 土地利用分析

2.1.1土地利用結構。2022年丹江口庫區以林地和耕地為主，二者面積占比達庫區總面積的 92.58% ；水域和不透水面相對較少，面積占比分別為 4.50%.2.39% ;草地、灌木林地和裸地的面積占比極低，總占比不足庫區總面積的 1.00% 。

2.1.2土地利用空間分布特征。從2022年丹江口庫區土地利用空間格局（圖2）可以看出，丹江口水庫位于庫區的東部，林地距水庫較遠，集中連片分布在庫區的北部、中西部和南部的山地丘陵地區。耕地毗鄰水庫岸線，集中分布在庫區的東部平原，或者與河流沿岸、林地交錯分布于中西部的盆地峽谷地區。不透水面以當地城鎮和農村等建設用地為主，聚集于耕地和水域附近，呈片狀分布于庫區東部平原地區，少部分呈點狀零散分布于庫區東北部和西南部的峽谷盆地及海拔較低的丘陵地區。

2.2 碳儲量分析

2.2.1土地利用碳密度。根據研究區碳密度校正系數對我國各類用地平均碳密度進行校正，得到2022年丹江口庫區土地利用類型的校正碳密度（表1）。從表1可以看出，研究區內不同土地利用類型的碳密度差異明顯。林地的總碳密度遠高于其他土地利用類型；耕地、草地和灌木林地的總碳密度較高且處于同一水平；裸地的總碳密度極低；水域和不透水面幾乎無固碳能力。具體來看，林地的4個碳庫碳密度均為最高，其中，地上生物量和地下生物量的碳密度遠高于其他地類的同類型碳庫碳密度。除水域和不透水面以外，各土地利用類型的土壤有機質碳密度均高于其他3個碳庫碳密度，耕地、林地、灌木林地和草地的土壤有機質碳密度較高，且處于同一水平，而裸地的土壤有機質碳密度雖然較低，但是該地類總碳密度的唯一有效構成部分。因此，丹江口庫區土壤有機質碳密度至關重要，對各土地利用類型的總碳密度貢獻顯著。

圖22022年丹江口庫區土地利用空間格局

Fig.2Spatial pattern of land-use types in Danjiangkou reservoir region in 2022

表1 2022年丹江口庫區土地利用校正碳密度

Table1Corrected carbon density of land-use types in Danjiangkou reservoir region in 2022

2.2.2不同土地利用類型碳儲量。丹江口庫區不同土地利用類型的碳儲量具有明顯差異，碳儲量由大到小依次為林地1 （1.52×10⁸t）gt; 耕地 （0.26×10⁸t）gt; 草地 （5.39×10⁵t） gt;灌木林地 （0.57×10⁵t）gt; 裸地 （464.63t）gt; 水域 Ψ（0t）= 不透水面（0t）。鑒于丹江口庫區的水域和不透水面的總碳密度為0，因此該研究僅具體分析林地、耕地、草地、灌木林地和裸地5種土地利用類型的碳儲量。因丹江口庫區林地和耕地的面積大且碳密度高，所以林地和耕地成為丹江口庫區最為重要的碳庫，二者碳儲量之和約占所有土地利用類型的總碳儲量的 99.45% 。其中，林地的碳儲量最高，占比約 84.92% ，在區域固碳服務中貢獻顯著。草地、灌木林地和裸地的碳儲量占比小，均不足 1.00% ，在庫區的固碳服務中貢獻較低。

2.2.3碳儲量空間分布特征。基于丹江口庫區2022 年土地利用數據，運用InVEST模型中碳儲量模塊，可視化丹江口庫區碳儲量空間分布特征（圖3）。從圖3可以看出，2022年丹江口庫區碳儲量主要呈現近水低、遠水高的特殊空間分布格局。碳儲量高值區連片式分布于庫區的北部、西部、南部和中部距離水域較遠的部分；庫區東部和中部距離水域較近的區域碳密度較低，呈連片式集中分布；庫區東部和中部有大面積水域和不透水面分布，因此區域碳儲量為0，呈河流水庫狀或點狀分布。

圖32022年丹江口庫區碳儲量空間分布

Fig.3Spatial distribution of carbon storage in Danjiangkou reservoir region in 2022

3結論與討論

該研究以丹江口庫區為研究對象，使用氣溫和降水因子校正研究區土地利用的碳密度系數，以2022年為例，基于土地利用數據，運用InVEST模型，研究丹江口庫區土地利用碳密度對碳儲量及其空間分布的影響，得到以下主要結論：

（1）丹江口庫區受生態修復工程和耕地保護政策影響，土地利用類型以林地和耕地為主，水域和不透水面次之，其他地類極少。丹江口水庫作為我國南水北調中線工程的水源地，丹江口庫區2001年被列入全國退耕還林（草）工程試點，使得林地連片式分布于庫區北部、西部和南部距水庫較遠的山區。2013年，丹江口大壩加高工程竣工，并于2021年首次蓄滿 170m 水位，使得庫區內水域面積迅速擴大，由700.00km² 左右增長至 1 022.75km² 左右。為保障當地居民的生產生活需要，耕地和以建設用地為主的不透水面多毗鄰水域分布。

（2）在氣溫和降水的影響下，土地利用類型各碳庫的碳密度和總碳密度差異明顯。丹江口庫區土壤有機質碳密度對總碳密度貢獻顯著。林地的總碳密度為 119.80t/hm² ，遠高于其他地類。一般情況下，地表具有植被覆蓋的區域（如林地、灌木林地、草地、種植作物的耕地）的碳密度明顯高于無覆蓋的區域（如裸地、水域和不透水面）[15]。但有研究結果表明，植被覆蓋率高的地區會通過消耗更多的水資源來固碳以抵御干旱缺水[16]。丹江口水庫作為重要的蓄水區，蓄水量及其水質至關重要，因此需要科學管理以實現水碳系統的協同演化。另外，許多研究表明，碳密度與降水量和氣溫這2個氣候因子高度相關[17-18]，故在全球氣候變暖的背景下，氣候因子對估算區域碳儲量的影響不可忽視。

（3）在校正后的土地利用碳密度下，2022年丹江口庫區碳儲量約為 1.79×10⁸ t。由于庫區內林地和耕地面積大且總碳密度高，故成為該區域的主要碳庫，二者碳儲量總貢獻率達 99.45% 。受土地利用空間格局及其碳密度的影響，碳儲量主要呈現近水低、遠水高的特殊空間分布特征。

參考文獻

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