基于PLUS-InVEST模型的濮陽市土地利用變化與碳儲量評估

關鍵詞：碳儲量；土地利用；PLUS-InVEST模型；濮陽市中圖分類號：TP79；X171.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2025.08.023引用格式：，，，等.基于PLUS-InVEST 模型的濮陽市土地利用變化與碳儲量評估［J].人民黃河，2025，47（8） ：140-145.

Assessment of Land Use Change and Carbon Storage in Puyang City Based on PLUS-InVEST Model

LI Jiafan ^1，2 ，FU Hao3， ZHANG Panyue3， ZHANG Guangming1， Guo Ruili ⁴ （20 （1.SchoolofEnergyandEnvironmentEnginering，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin3O0401，China；2.NationalJoint Research CenterforEcological Conservationand High Quality Development of the Yelow River Basin，Beijing 10o012，China;

3.School of Environmental Scienceamp; Engineering，Beijing Forestry University，Beijing 1OOo84，China;

4.Puyang City Ecological Environment Monitoring and Security Center，Puyang 457Ooo，China）

Abstract：Landusechangeisoneof he mainfactorscausingchanges incarbonstocks.BasedonthelandusedataofPuyangCityfrom2010 to 2020，thePLUS-InVSETmodelwasusedtopredictthespatialandtemporalchangesilandusetypesandcarbonstorageinPuyangCity by035underthefoursenariosofaturalevelopent，onomicdevelopment，farandprotectionandordinateddevelopntee sultsshowthatthemainlandusetypesinPuyangCityfrom2O10toOOareculivatedlandandconstructionland，andthereisacotiuous decreaseincarbonstoragewitinPuyangCityWhencomparingwithcarbonstoragelevelsinO2O，tisoservedtatundernatraldevelop mentscenarios，thereisasignificantdecreaseincarbonstorage，however，undercoperativecultivatedlandprotectionsenarios，an increasencarbonstorageisnoted.Carbonstoragechangesofcloselyrelatedtochangesoflandusetypes，andcarbonstoragechangeshen land use types shift.

Key words：carbon storage；land use；PLUS-InVEST Model;Puyang City

土地利用變化是引起碳儲量變化的主要因素之一，土地利用通過改變生態系統結構影響碳儲量在碳循環等方面發揮著重要作用[2-3]，因此基于土地利用變化預測不同情景下區域未來碳儲量變化，對于優化區域國土空間格局、落實“雙碳”戰略目標具有重要意義[4-5] 。

斑塊生成土地利用模擬模型（PLUS）可以識別土地利用變化，同時可以模擬城市規劃和土地開發對城市發展和環境保護的影響。生態系統服務功能和權衡綜合評價模型（InVEST）[6]可以量化生態系統提供的各種服務，并進行時空分析。PLUS-InVEST模型在土地利用與碳儲量評估方面取得了豐富的研究成果，Si等[7基于PLUS-InVEST模型預測了福建省碳儲量，秦正等8基于PLUS-InVEST模型對濟南市進行了多情景土地利用變化模擬與碳儲量評估，Zhao等[基于PLUS-InVEST模型分析了青藏高原的碳儲量變化并探究了其驅動因素，李佳珂等[基于PLUS-InVEST模型預測了烏魯木齊市碳儲量時空演變。

濮陽市地處黃河下游，其生態環境受損不僅威脅人民生產和生活安全，而且會對濮陽市水資源安全和社會經濟發展產生負面影響[\"]。本文以黃河流域資源枯竭型城市濮陽市為研究對象，分析2010—2020年土地利用變化特征，并根據土地利用數據、社會經濟發展狀況、氣候變化數據等預測2035年自然發展情景、耕地保護情景、經濟發展情景、協調發展情景的碳儲量，以期為濮陽市土地利用結構優化、“雙碳”目標下制定經濟發展與生態環境協調發展的城市發展策略提供理論依據。

1數據來源與研究方法

濮陽市位于河南省東北部，處于豫、魯、冀三省交界處，土地肥沃適宜農業發展，主要種植小麥、玉米等農作物。濮陽市氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，四季分明，夏季炎熱、冬季寒冷。近年來濮陽市社會經濟發展較快，工業、農業和服務業發展均衡，油氣資源豐富，但2013年被列為衰退型資源枯竭城市[12]，產業結構轉型升級任務緊迫，因此探究其土地利用變化與碳儲量變化十分重要。

1.1 數據來源

研究數據包括土地利用、自然環境、社會經濟三方面，數據來源見表1。其中高程、GDP、距政府距離、距道路距離、人口、距鐵路距離、年降水量、坡度作為土地利用變化驅動因子，用于土地利用變化預測。為了確保數據統一、準確可靠，將所有數據轉換到WGS_1984_Albers投影坐標系，并重采樣至分辨率為 30m 。

表1數據來源

Tab.1 Data Source

1.2 研究方法

1）基于PLUS模型的土地利用轉移矩陣。PLUS模型可以預測未來土地利用變化[13]。首先，利用濮陽市2010年、2015年兩期土地利用數據，在PLUS模型的用地擴張分析策略（LEAS）模塊得到2010—2015年各類型土地擴張情況；然后，在基于多類隨機斑塊種子的CA模型（CARS）中設置領域權重和土地利用轉移矩陣，得到2020年土地利用類型空間分布；最后，通過精度驗證后，根據土地利用轉換矩陣以及鄰域權重進行土地利用多情景模擬預測[14]

情景模擬旨在預測未來不同發展情景下土地利用的變化趨勢。綜合濮陽市未來發展劃、自然地理特征，設定了4種發展情景。自然發展情景：不考慮任何規劃政策對土地利用變化的影響，依據馬爾可夫模型得到2015—2020年各土地利用類型轉移率，據此預測未來各土地利用類型轉移情況，同時限制水域向其他用地類型轉移；耕地保護情景：濮陽市農業發展面臨諸多挑戰和機遇，結合《濮陽市2023年國民經濟和社會發展計劃》中的鄉村振興戰略，根據濮陽市2015—2020年各土地利用類型轉移率，提出耕地保護情景，即控制耕地向建設用地轉移的概率減小 70% ，向草地、水域轉移的概率減小 40% ；經濟發展情景：根據濮陽市2015—2020年各土地利用類型轉移率，將建設用地向其他土地利用類型轉移的概率減小 40% ，使耕地、林地、草地、水域轉移到建設用地的概率分別增大40%，10%，20%，10% ；協調發展情景：對照《濮陽市國土空間總體規劃（2021—2035年）》，根據濮陽市2015—2020年各土地利用類型轉移率，控制林地、草地向建設用地轉化的概率減小 20% ，建設用地轉化為草地的概率增大 10% ，以此建立兼顧生態環境和社會經濟發展的土地利用格局。

2）基于InVEST模型評估不同土地利用類型的碳儲量。InVEST模型中的Carbon模塊，以土地利用數據為主要數據源，為碳儲量評估提供了一種快速、直觀的方法。碳儲量包括地上生物碳、地下生物碳、土壤有機碳、調落物有機碳4種，碳儲量計算公式[15-16]：

C_total=C_above+C_below+C_soil+C_dead

式中： C_total 為生態系統的碳儲量， C_above 為地上生物碳儲量， C_below 為地下生物碳儲量， C_soil 為土壤有機碳儲量， C_dead 為凋落物有機碳儲量。

碳密度受氣候、土壤性質和土地利用類型等影響[]，碳儲量與碳密度正相關，即碳密度越大，單位面積內的碳儲存能力越強。碳密度與年降水量、年均氣溫具有相關性[18]，因此根據降水量和氣溫兩個氣候因子對碳密度進行修正。根據Alam等[的研究利用式（2）修正降水量對碳密度的影響，并參考Giardina等[20]、陳光水等[21]的研究利用式（3）修正氣溫對碳密度的影響。將碳密度修正系數與全國碳密度數值相乘即為濮陽市碳密度。

C_BP=6.7981e^0.00541SP（R²=0.70）

C_BT=28S^T+398（R²=0.47，Plt;0.01）

K_B=K_BTK_BP

式中： S^p 為年降水量， S^T 為年均氣溫， C_BP?C_BT 分別為根據年降水量、年均氣溫得到的生物量碳密度， K_BP 為生物量碳密度的降水量修正系數， K_BT 為生物量碳密度的氣溫修正系數， C_BP^'、C_BP^'（C_BT^'、C_BT^'） 分別為濮陽市、全國根據年降水量（年均氣溫）得到的生物量碳密度，K_B 為生物量碳密度修正系數， R² 為確定系數， P 為顯著性水平。

修正后的碳密度見表2，將修正后的碳密度與其對應的土地利用類型面積相乘，再由式（1）即可計算得出不同土地利用類型的碳儲量。

表2修正后濮陽市各土地利用類型碳密度

Tab.2 CarbonDensityofEachLandUseTypeAfter

2 結果與分析

2.1 2010一2020年濮陽市土地利用時空演變

借助ArcGIS，參考《土地利用現狀分類》（GB/T21010—2017），得到濮陽市2010—2020年土地利用現狀圖，分析2010—2020年濮陽市土地利用年際變化特征。2010年、2015年、2020年土地利用類型分布見圖1。

圖1土地利用類型分布

Fig.1 Distribution of Land Use Types

2010—2020年濮陽市以耕地和建設用地為主（見圖2），2010年、2015年、2020年兩種地類面積的合計占比分別為 97.16%.97.24%.97.39% 。濮陽市耕地分布相對均勻，建設用地集中分布在濮陽市西部。2010—2020年建設用地面積增長最明顯，這主要歸因于城市化進程的加速和經濟的快速發展，城市人口的聚集和基礎設施建設都促使建設用地不斷擴張。耕地面積占比較大且分布均勻，耕地轉移主要是城市擴張占用及農業結構調整所致。林地、草地和水域面積變化相對較小，主要原因是當地生態保護政策的實施以及自然條件的限制。整體上，濮陽市這10a間以耕地和建設用地為主，且建設用地的變化速率遠超其他地類，反映了城市發展對土地利用的影響。

圖2濮陽市2010—2020年土地利用轉移桑基圖Fig.2Land Use Transfer Sankey Diagram ofPuyang City from2010to 2020

2.2 精度驗證

將研究區2020年實際土地利用數據與PLUS模型預測的2020年土地利用數據進行Kappa檢驗，結果表明Kappa系數為0.863，大于0.75，表明一致性較好，精度較高，可以采用PLUS模型開展濮陽市土地利用變化的多情景預測。

2.3 不同情景的土地利用變化分析

基于濮陽市2010—2020年土地利用數據，采用PLUS模型預測4種發展情景下2035年土地利用類型分布，結果見圖3、表3。自然發展情景下，2035年耕地、林地、草地減少，水域、建設用地增加，增加的建設用地大部分由耕地轉移而來。經濟發展情景下，耕地面積較自然發展情景明顯增加，原因可能是，首先，耕地面積增加能直接提升糧食產量，保障糧食安全；其次，耕地面積增加會帶動農業產業化，促進農業產值增加，這會帶動農村經濟發展，增加收入；最后，耕地面積的擴大為農業的規模化和現代化發展創造了有利條件，顯著提高農業生產效率。建設用地較自然發展情景減少，原因可能是，在經濟發展情景中，隨著科技進步和產業升級，濮陽市更加注重土地的集約利用，同時科學調整城市規劃，優化城市功能布局。對比另外3種發展情景，耕地保護情景下，耕地得到有效保護，說明濮陽市未來如果實施嚴格耕地保護和土地用途管制政策，嚴禁非農業建設違法占用基本農田，就可以保護耕地不受侵占。協調發展情景下，耕地減少，林地、草地、水域、建設用地較2020年均呈上升趨勢，建設用地擴增速率較自然發展情景有所減緩，水域增加面積介于經濟發展情景和耕地保護情景之間，表明協調發展情景兼顧了經濟發展與生態保護。

圖32035年不同情景下土地利用類型分布Fig.3Distribution ofLand Use TypesUnderDifferentScenariosin2035

2.4土地利用碳儲量時空變化

基于InVEST模型對濮陽市2010年、2015年、2020年碳儲量進行計算，得到碳儲量分布，見圖4。濮陽市低碳儲量區域主要為建設用地，而高碳儲量區域主要為林地，在城鎮化建設過程中會導致植被破壞、土地覆蓋變化，進而影響碳儲量。

表3不同情景下各土地利用類型面積及其變化

rab.3 Area and Its Change of Different Land Use Types Under Different Scenarios

圖4濮陽市碳儲量分布

Fig.4Carbon Storage Distribution of Puyang City

從表4可以看出，濮陽市碳儲量總體呈下降趨勢。“十二五\"期間濮陽市重點實施中原經濟區發展戰略，隨著經濟發展，建設用地面積增加，導致植被減少、土壤碳釋放，進而導致地表和土壤中的碳儲量減少。“十三五\"期間濮陽市更加重視生態環境保護，碳儲量下降趨勢有所減緩。此外，濮陽市不同土地利用類型的變化趨勢不同，不同土地利用類型的碳儲量存在明顯差異，耕地、林地、草地碳儲量均呈減小趨勢，其減小比例分別為 3.74%，23.45%，6.09% 。總體來說，碳儲量呈下降趨勢；耕地碳儲量貢獻值最大，建設用地碳儲量貢獻值逐漸增大。

表4不同情景下各土地利用類型碳儲量

Tab.4Carbon Storage of DifferentLand Use Types Under Different Scenarios

濮陽市4種發展情景的碳儲量存在差異。自然發展情景碳儲量減少最顯著，耕地保護情景碳儲量增加。耕地保護情景固碳能力最好，保護耕地可以使得固碳能力增強，進而更好地完成碳中和、碳達峰戰略目標。協調發展情景下，雖然碳儲量減少，但是減少的速率相較于其他情景緩慢，說明協調發展情景下土地利用變化對比其他情景對碳儲量的影響是積極的，此情景能夠平衡生態保護與經濟發展之間的關系。

利用PLUS-InVEST模型，評估并預測4種發展情景下濮陽市土地利用和碳儲量變化發現，2010—2020年濮陽市碳儲量呈下降趨勢；自然發展情景下，2035年濮陽市建設用地面積將增加 93.13km² ，大量耕地轉移為建設用地；碳儲量變化與土地利用類型變化關系密切，土地利用類型發生轉移時碳儲量也隨之變化。

3 結論與建議

2010—2020年濮陽市碳儲量呈減少趨勢，主要原因是大量耕地轉移為建設用地，建設用地的碳儲存能力弱，進而降低碳儲量。2010—2020年濮陽市土地利用變化以耕地轉移為建設用為主。根據2015—2020年土地利用數據，設置4種發展情景的土地變化情況如下：自然發展情景下，耕地、林地、草地面積持續減少，建設用地面積持續增加；對比另外3種發展情景，耕地保護情景下耕地得到了有效保護；經濟發展情景下，耕地面積小幅減少、建設用地面積略降，林地和草地面積增加；協調發展情景兼顧了經濟發展與生態保護，使其均衡發展。2035年，自然發展情景、耕地保護情景、經濟發展情景、協調發展情景下濮陽市碳儲量分別為5757.06萬、6141.28萬、5896.39萬、5903.53萬t，與2020年相比，耕地保護情景碳儲量增加，其他情景碳儲量均減少。

基于上述研究結論，提出以下建議：濮陽市政府應重點關注耕地資源的轉移過程，通過制定并實施相關政策措施，嚴格管控耕地轉化為建設用地的速度與規模，加強耕地保護；在未來國土空間規劃與土地利用管理工作中，應將碳儲量提升目標納人綜合考量體系，優化土地利用結構，加強生態系統的保護與修復；林地、草地須重點保護，遏制林地、草地流失。

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【責任編輯 呂艷梅】