李　濤，楊知建，甘德欣，王志遠(yuǎn)，陳　希,3，齊增湘①

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙　410128； 2.南華大學(xué)設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)　421001；3.郴州市生物研究所，湖南 郴州　423000)

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長(zhǎng)株潭城市群土地利用/覆被變化對(duì)碳效應(yīng)的影響

李濤1,2，楊知建1，甘德欣1，王志遠(yuǎn)2，陳希1,3，齊增湘2①

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410128； 2.南華大學(xué)設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001；3.郴州市生物研究所，湖南 郴州423000)

摘要：基于1990、1995、2000、2005、2010年長(zhǎng)株潭城市群土地利用數(shù)據(jù)及植被類型圖、土壤類型圖，借助ArcGIS 10.0軟件，從土地利用類型的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變方向、轉(zhuǎn)變帶來(lái)的碳排放強(qiáng)度及碳匯空間分布的區(qū)域差異性等方面，分析20 a間研究區(qū)土地利用/覆被變化引起的碳效應(yīng)。結(jié)果表明：(1)1990—2010年間，長(zhǎng)株潭城市群土地利用類型變化的顯著特征為耕地與林地間的相互轉(zhuǎn)變以及耕地、林地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變；(2)長(zhǎng)株潭城市群碳效應(yīng)變化呈倒“U”形趨勢(shì)，整體碳匯能力減弱，碳效應(yīng)空間分異明顯。與其他區(qū)縣相比，長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3市市區(qū)及望城縣、長(zhǎng)沙縣這5個(gè)區(qū)縣的土地利用轉(zhuǎn)變碳效應(yīng)及碳匯能力變化更明顯，差異性大，這與區(qū)域人口密度及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不均衡直接相關(guān)；(3)可考慮通過(guò)限制林地及草地轉(zhuǎn)出、優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)布局、防止生境破碎化及生態(tài)系統(tǒng)退化等措施來(lái)控制土地利用碳排放。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)株潭城市群；土地利用/覆被；碳效應(yīng)

已有研究表明,土地利用/覆被變化是影響陸地系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程,引起碳源、碳匯變化,并進(jìn)一步影響區(qū)域乃至全球碳平衡的重要原因[1-4]。國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中有關(guān)應(yīng)對(duì)溫室氣體的國(guó)家策略,也提出研究通過(guò)調(diào)整土地利用實(shí)現(xiàn)碳減排是國(guó)家重點(diǎn)科技領(lǐng)域以及優(yōu)先主題。HOUGHTON等[5-6]研究了美國(guó)土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響;DEFRIES[7]則研究了未來(lái)土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和氣候變化的影響。國(guó)內(nèi)學(xué)者方精云等[8-9]和李克讓等[10]對(duì)我國(guó)陸地植被碳儲(chǔ)量進(jìn)行了總體估算,得出森林、草地、灌草叢的碳匯能力及我國(guó)陸地植被碳匯動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì);賴力[11]和張梅等[12]對(duì)我國(guó)土地利用的碳排放效應(yīng)及區(qū)域土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳排放強(qiáng)度進(jìn)行了研究;李凌浩[13]和楊景成等[14]則對(duì)我國(guó)土地利用變化對(duì)土壤和植被碳儲(chǔ)量變化的影響及作用機(jī)制等進(jìn)行了理論探討。相關(guān)研究主要集中在陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳效應(yīng)機(jī)理及碳排放核算方面,對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間尺度上因土地利用類型轉(zhuǎn)變而造成的碳排放及碳匯能力空間分布特征的研究尚顯不足。為此,對(duì)長(zhǎng)株潭城市群為5種主要土地利用類型的轉(zhuǎn)變方向及其引起的碳效應(yīng)進(jìn)行定量分析,并對(duì)碳匯的空間分布變化進(jìn)行模擬,以期為長(zhǎng)株潭城市群土地利用空間結(jié)構(gòu)的低碳規(guī)劃和科學(xué)管理提供參考。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

長(zhǎng)株潭城市群位于湖南省東部,其地理位置界于北緯26°03′～28°41′,東經(jīng)111°53′～114°15′之間,包括長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3市(僅指市區(qū)，下同)等15個(gè)區(qū)縣。地勢(shì)東北高、西南低,土地利用類型以林地、耕地為主,建設(shè)用地比例相對(duì)較大,土地利用綜合程度高,土地總面積為2.81萬(wàn)km2,占全省總面積的13.26%,是湖南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平最高的地區(qū)。2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)GDP達(dá)11 555.87億元,占全省GDP的41.15%。

研究所用數(shù)據(jù)包括長(zhǎng)株潭植被類型圖,土壤類型圖以及1990、1995、2000、2005、2010年長(zhǎng)株潭地區(qū)TM遙感數(shù)據(jù)。植被類型圖由中國(guó)科學(xué)院植物研究所編制的1∶400萬(wàn)中國(guó)植被圖數(shù)字化處理后得到,土壤類型圖根據(jù)中國(guó)土壤普查辦公室1995年編制并出版的《1∶100萬(wàn)中華人民共和國(guó)土壤圖》數(shù)字化形成,TM遙感數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所制作,分辨率為30 m,格式為GRID。由于缺少水域碳庫(kù)數(shù)據(jù),筆者未將其轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出引起的碳效應(yīng)納入研究范圍。

2研究方法

2.1土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳排放強(qiáng)度

2.1.1土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣用以表達(dá)不同用地類型之間面積相互轉(zhuǎn)化的數(shù)量關(guān)系,可表達(dá)為

(1)

式(1)中,B1n為k時(shí)期第1種土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)閗+1 時(shí)期第n種土地利用類型的面積,km2,其余變量含義可依次類推;n為研究區(qū)域土地利用類型總數(shù)。

利用ArcGIS10.0軟件的柵格計(jì)算器(RasterCalculator)工具對(duì)研究時(shí)段內(nèi)長(zhǎng)株潭城市群的土地利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行組合運(yùn)算,得到1990—2010年長(zhǎng)株潭城市群土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(不含水域)。

2.1.2土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳效應(yīng)核算

(1)植被及土壤碳密度估算

土地利用類型的二級(jí)分類包括林地、灌木林、疏林地、其他林地和高、中、低覆蓋度草地等25個(gè)類型,利用此分類進(jìn)行碳效應(yīng)分析顯然能使研究結(jié)果更為精準(zhǔn),但同時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也非常龐大。鑒于篇幅所限,筆者僅使用土地利用類型的一級(jí)分類指標(biāo),同時(shí)為兼顧數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,一級(jí)分類土地利用類型的植被(土壤)碳密度由對(duì)二級(jí)分類土地利用類型的植被(土壤)碳密度求算術(shù)平均值取得,具體方法借鑒賴力[11]和張梅等[12]的研究,公式為

(2)

由此計(jì)算得到長(zhǎng)株潭地區(qū)的植被及土壤碳密度值,不同土地利用類型的碳匯能力值參照方精云等[9]的研究成果,具體結(jié)果見表1。

(2)土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳排放計(jì)算

土地利用類型的綜合碳密度為其植被碳密度與土壤碳密度之和,土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳效應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式為

Pi=(Cai-Cbi)/N+Ii。

(3)

式(3)中,Pi為第i種土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳效應(yīng)強(qiáng)度系數(shù),t·hm-2;Cai為第i種土地利用類型變化前的綜合碳密度,t·hm-2;Cbi為第i種土地利用類型變化后的綜合碳密度,t·hm-2;N為碳效應(yīng)的響應(yīng)周期,該研究定義為20 a;Ii為變化后土地利用類型的碳匯能力,t·hm-2。由此計(jì)算長(zhǎng)株潭城市群土地利用類型變化的碳效應(yīng)強(qiáng)度系數(shù),結(jié)果見表2。

表1長(zhǎng)株潭地區(qū)各土地利用類型植被、土壤碳密度及碳匯能力

Table 1Vegetation， soil carbon density and carbon sequestration capacity relative to type of land use in the CZT areat·hm-2

表2長(zhǎng)株潭地區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳效應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)

Table 2Carbon effect intensity of the changes in land use in the CZT areat·hm-2

長(zhǎng)株潭地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳效應(yīng)的計(jì)算公式為

(4)

式(4)中,LC為土地利用類型變化引起的碳效應(yīng),t·hm-2;Si為第i種土地利用類型的變化面積,hm2;n為土地利用類型數(shù)。

2.2區(qū)域差異性分析

區(qū)域變化率與全局變化率的比值可用于反映區(qū)域差異,其計(jì)算公式為

(5)

式(5)中,R為空間相對(duì)變化率;RL和RC分別為區(qū)域和全局變化率;La和Lb分別為研究時(shí)段初期與末期區(qū)域碳匯能力,t·hm-2;Ca和Cb分別為研究時(shí)段初期與末期全局(即整個(gè)研究區(qū))碳匯能力,t·hm-2。R有以下特征:(1)|R|≥1,表示區(qū)域碳匯能力變化幅度高于全局。R≥1,表示區(qū)域與全局變化趨勢(shì)一致;R≤-1,表示區(qū)域與全局變化趨勢(shì)相反。(2)|R|<1,表示區(qū)域碳匯能力變化幅度小于或等于全局。-1

2.3碳匯能力空間分布制圖

在ArcGIS 10.0軟件中,利用重分類工具將研究區(qū)按土地利用類型的一級(jí)分類分離為5個(gè)圖層,再對(duì)各圖層進(jìn)行焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì),之后利用Raster Calculator(柵格計(jì)算器)工具將以上5個(gè)圖層乘以各自的碳匯能力指標(biāo)后再進(jìn)行加法計(jì)算,將得到的結(jié)果用3 km×3 km的網(wǎng)格轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)值提取,再用普通克里金插值法得到最終分布圖。采用自然間斷點(diǎn)法將最終結(jié)果劃分為高、較高、中等、較低和低5個(gè)等級(jí)。

3研究結(jié)果

3.1土地利用類型轉(zhuǎn)變的碳效應(yīng)

近20 a間長(zhǎng)株潭土地利用轉(zhuǎn)移面積及碳效應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表3。由表3可知,1990—2010年長(zhǎng)株潭城市群的陸地生態(tài)系統(tǒng)中,土地利用方式變化的顯著特征為耕地與林地間的相互轉(zhuǎn)變,以及耕地、林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變,并具有不同的時(shí)間特征。1990—1995年間,研究區(qū)耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?以及耕地、林地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地對(duì)碳效應(yīng)的影響顯著,研究區(qū)碳效應(yīng)總體表現(xiàn)為碳匯;1995—2000年間,林地變化最為顯著,主要變化方向?yàn)檗D(zhuǎn)變至耕地及建設(shè)用地,研究區(qū)碳效應(yīng)總體表現(xiàn)為碳排放;2000—2005年間,依然表現(xiàn)為林地變化最顯著,此時(shí)段內(nèi)林地主要向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變,研究區(qū)碳效應(yīng)總體表現(xiàn)為碳排放;2005—2010年間,土地利用方式變化的顯著特征為耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?以及林地轉(zhuǎn)變?yōu)楦丶敖ㄔO(shè)用地,研究區(qū)碳效應(yīng)總體表現(xiàn)為碳匯。在以上4個(gè)研究時(shí)段中,以2000—2005及2005—2010年的碳效應(yīng)表現(xiàn)最為強(qiáng)烈。

3.2碳匯能力的空間分布特征

碳匯能力的空間分布結(jié)果為連續(xù)的柵格表面,其值為 0～0.52。利用自然間斷點(diǎn)法將1990年的研究區(qū)劃分為碳匯低區(qū)(Ⅰ級(jí))、碳匯較低區(qū)(Ⅱ級(jí))、碳匯中等區(qū)(Ⅲ級(jí))、碳匯較高區(qū)(Ⅳ級(jí))和碳匯高區(qū)(Ⅴ級(jí))5類;為使研究初期與末期結(jié)果具有可比性,1995、2005及2010年的研究區(qū)參照1990年的閾值區(qū)間進(jìn)行劃分,劃分結(jié)果見圖1。在ArcGIS 10.0軟件中統(tǒng)計(jì)獲得各區(qū)對(duì)應(yīng)面積,具體結(jié)果見表4。

由圖1可見,1990—2010年碳匯能力的空間分布變化不顯著,碳匯低區(qū)主要分布于長(zhǎng)株潭城市群核心區(qū),重心向北偏移,并呈向外部擴(kuò)張趨勢(shì),其分布形態(tài)與建設(shè)用地的空間分布吻合。碳匯高區(qū)主要分布于瀏陽(yáng)市東部、醴陵市北部、株洲縣南部、攸縣東南部、茶陵縣南部及炎陵縣,其分布形態(tài)與林地分布相一致,重心向南偏移,面積呈減少趨勢(shì)。

表31990—2010年間長(zhǎng)株潭土地利用轉(zhuǎn)移面積及碳效應(yīng)

Table 3Area and carbon effect of land use transformation in the CZT area in the period of 1990-2010

年份土地類型耕地林地草地建設(shè)用地未利用地轉(zhuǎn)移面積/hm2碳效應(yīng)/t轉(zhuǎn)移面積/hm2碳效應(yīng)/t轉(zhuǎn)移面積/hm2碳效應(yīng)/t轉(zhuǎn)移面積/hm2碳效應(yīng)/t轉(zhuǎn)移面積/hm2碳排放/t合計(jì)碳效應(yīng)/t1990—1995耕地 3508.56-4806.73 46.17-11.54 3379.771149.120.000.00-3669.15林地1072.71772.35421.47257.101510.201797.1416.3824.412850.99草地0.900.06698.40-824.1112.876.820.000.00-817.23建設(shè)用地183.69-86.33179.28-306.570.000.000.000.00-392.90未利用地0.000.0021.15-42.5114.94-13.1513.95-4.19-59.841995—2000耕地762.66-1044.841.80-0.452264.94770.080.000.00-275.21林地2776.591999.14712.71434.752089.982487.0813.0519.444940.42草地99.906.99231.39-273.040.000.0014.9412.40-253.65建設(shè)用地1322.46-621.56322.29-551.120.000.000.000.00-1172.67未利用地0.000.000.000.0016.38-14.410.000.00-14.412000—2005耕地1072.26-1469.007.38-1.855897.522005.1631.2319.99554.30林地1375.92990.6658.1435.476502.507737.9810.8016.098780.19草地40.322.8287.57-103.3354.0928.670.000.00-71.84建設(shè)用地343.71-161.54343.98-588.210.000.000.090.03-749.72未利用地0.000.002.88-5.7990.09-79.280.000.00-85.072005—2010耕地24504.30-33570.89389.97-97.497523.642558.041.440.92-31109.42林地23393.8816843.59996.21607.695841.996951.978.3712.4724415.72草地374.7626.231083.96-1279.0741.4921.991.531.27-1229.58建設(shè)用地2343.96-1101.66980.37-1676.4315.75-9.140.000.00-2787.23未利用地10.35-7.976.12-12.308.19-7.215.67-1.70-29.18

某一行數(shù)據(jù)為某時(shí)段內(nèi)該行對(duì)應(yīng)的土地利用類型向其他土地利用類型的轉(zhuǎn)移面積及碳效應(yīng)。碳效應(yīng)為負(fù)值表示碳匯,正值表示碳排放。

圖1　1990—2010年長(zhǎng)株潭城市群碳匯能力的空間分布特征

表41990—2010年長(zhǎng)株潭城市群碳匯能力分級(jí)及對(duì)應(yīng)面積

Table 4Grading of carbon sequestration capacity and area of each grade in the CZT area in 1990-2010

碳匯區(qū)等級(jí)1990年1995年2000年2005年2010年面積/hm2占比/%面積/hm2占比/%面積/hm2占比/%面積/hm2占比/%面積/hm2占比/%Ⅰ級(jí)238210.508.50242065.338.63 251439.558.96261952.719.33267034.069.52Ⅱ級(jí)492628.7817.57483780.2117.234490438.5517.47491840.3017.52498323.4017.77Ⅲ級(jí)691590.1824.66695620.2224.78690363.6524.59685369.9024.41682566.3924.34Ⅳ級(jí)777359.9827.72778326.8027.73774030.8727.57771052.1027.46767109.667.36Ⅴ級(jí)604331.0221.55604418.6321.53597847.9121.30593905.4821.15589086.9521.01

由表4可知,近20 a來(lái)Ⅰ、Ⅱ級(jí)碳匯區(qū)面積呈增加趨勢(shì),其中Ⅰ級(jí)碳匯區(qū)面積顯著增加,共增加28 823.56 hm2,占Ⅰ、Ⅱ級(jí)碳匯區(qū)總增加面積的83.6%,Ⅰ、Ⅱ級(jí)碳匯區(qū)面積占整個(gè)研究區(qū)面積的比例累計(jì)增加1.22百分點(diǎn);Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)碳匯區(qū)面積呈減少趨勢(shì),其中Ⅴ級(jí)碳匯區(qū)面積減少最為顯著,20 a來(lái)共減少15 244.07 hm2,占Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)碳匯區(qū)總減少面積的44.3%。

3.3區(qū)域土地利用類型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的碳匯能力空間變化差異

1990—2010年長(zhǎng)株潭城市群土地利用轉(zhuǎn)變引起的碳匯能力空間變化差異見表5。

表51990—2010年長(zhǎng)株潭城市群土地利用類型轉(zhuǎn)變引起的碳匯能力空間變化差異

Table 5Spatial variation of carbon sequestration capacity caused by changes in land use in the CZT area in 1990-2010

區(qū)縣1990—1995年1995—2000年2000—2005年2005—2010年空間相對(duì)變化率碳匯能力變化率/%空間相對(duì)變化率碳匯能力變化率/%空間相對(duì)變化率碳匯能力變化率/%空間相對(duì)變化率碳匯能力變化率/%寧鄉(xiāng)縣15.750.270.56-0.130.65-0.261.31-0.35望城縣21.810.374.27-0.984.85-1.954.60-1.21長(zhǎng)沙縣-27.66-0.470.84-0.192.39-0.964.34-1.14瀏陽(yáng)市-3.70-0.060.80-0.180.54-0.220.43-0.11長(zhǎng)沙市-343.39-5.90-2.020.4620.41-8.2235.84-9.45醴陵市-5.34-0.090.21-0.050.88-0.35-0.110.03株洲縣3.070.051.19-0.270.65-0.260.44-0.12攸縣13.170.231.31-0.300.11-0.040.10-0.03茶陵縣7.160.120.97-0.220.48-0.19-0.360.09炎陵縣-5.30-0.09-0.040.010.07-0.03-0.270.07株洲市-20.91-0.364.00-0.925.13-2.074.50-1.19韶山市7.510.130.60-0.140.09-0.041.20-0.32湘鄉(xiāng)市21.450.371.67-0.380.40-0.160.20-0.05湘潭縣8.900.150.77-0.180.68-0.270.49-0.13湘潭市-19.04-0.336.02-1.387.96-3.207.80-2.06

正值表示與整個(gè)研究區(qū)變化趨勢(shì)一致,負(fù)值表示與整個(gè)研究區(qū)變化趨勢(shì)相反。

由表5可知,1990—2010年長(zhǎng)株潭城市群土地利用類型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致區(qū)域碳匯能力變化呈現(xiàn)顯著的空間差異。1990—1995年間,長(zhǎng)沙市、長(zhǎng)沙縣、株洲市、湘潭市這4個(gè)區(qū)縣與長(zhǎng)株潭總體碳匯能力變化趨勢(shì)相反,碳匯能力變化率(研究時(shí)段內(nèi)碳匯能力變化量與研究初期碳匯能力的比值)分別為-0.59%、-0.47%、-0.36%和-0.33%;湘鄉(xiāng)市、望城縣、寧鄉(xiāng)縣、攸縣與長(zhǎng)株潭總體碳匯能力變化趨勢(shì)相同,碳匯能力變化率分別為0.37%、0.37%、0.27%和0.23%。1995—2000年間,望城縣、長(zhǎng)沙市、株洲縣、攸縣、株洲市、湘鄉(xiāng)市以及湘潭市這7個(gè)區(qū)縣的碳匯能力變化幅度高于整個(gè)研究區(qū),其中僅長(zhǎng)沙市市區(qū)的變化趨勢(shì)與研究區(qū)總體變化趨勢(shì)相反,其變化率為0.46%。2000—2005年間,有15個(gè)區(qū)縣的變化趨勢(shì)與研究區(qū)總體變化趨勢(shì)相一致,表現(xiàn)為碳匯能力減弱,其中變化幅度高于長(zhǎng)株潭總體變化幅度的有長(zhǎng)沙市、湘潭市、株洲市、望城縣及長(zhǎng)沙縣。2005—2010年間,除醴陵市、茶陵縣及炎陵縣外,其余12個(gè)區(qū)縣的變化趨勢(shì)均與研究區(qū)總體變化趨勢(shì)相同,碳匯能力繼續(xù)減弱,其中長(zhǎng)沙市、湘潭市、望城縣、株洲市、長(zhǎng)沙縣、寧鄉(xiāng)縣以及韶山市這7個(gè)區(qū)縣變化幅度高于研究區(qū)平均水平。

1990—2010年間,長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3市市區(qū)以及望城縣、長(zhǎng)沙縣這5個(gè)區(qū)縣的空間相對(duì)變化率明顯高于其余10個(gè)區(qū)縣。對(duì)比其余3個(gè)時(shí)段,1990—1995年15個(gè)區(qū)縣的碳匯能力變化差異呈現(xiàn)出明顯的極端分化現(xiàn)象:寧鄉(xiāng)縣、望城縣、攸縣、湘鄉(xiāng)市的變化方向與整個(gè)長(zhǎng)株潭研究區(qū)變化方向一致,碳匯能力增強(qiáng)現(xiàn)象明顯;長(zhǎng)沙縣、長(zhǎng)沙市、株洲市、湘潭市的碳匯能力變化方向與整個(gè)長(zhǎng)株潭研究區(qū)相反,碳匯能力減弱現(xiàn)象明顯。

4討論

4.1土地利用類型轉(zhuǎn)變的影響機(jī)制

氣候變化及自然地理?xiàng)l件對(duì)土地利用類型的變化均有一定影響,但人類活動(dòng)是土地利用變化最具活力的驅(qū)動(dòng)力。人口增長(zhǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及政策驅(qū)動(dòng)是引起長(zhǎng)株潭城市群土地利用變化的重要因素。耕地及建設(shè)用地對(duì)人類活動(dòng)響應(yīng)最為敏感,長(zhǎng)株潭人口由1990年的1 163.88萬(wàn)增加到2010年的1 331.70萬(wàn),汪朝暉等[15]在對(duì)湖南省耕地變化及驅(qū)動(dòng)力的研究中認(rèn)為人口系統(tǒng)壓力致使耕地面積增加。1990—2010年,長(zhǎng)株潭城鎮(zhèn)化水平由24.96%提高至60.70%,鄭瑜等[16]對(duì)長(zhǎng)株潭土地利用變化的研究也發(fā)現(xiàn)城鎮(zhèn)人口的急劇增加引起大量農(nóng)林用地轉(zhuǎn)變?yōu)槌青l(xiāng)建設(shè)用地。胡美紅[17]認(rèn)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展與長(zhǎng)株潭建設(shè)用地規(guī)模呈正相關(guān)。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要表現(xiàn)之一,長(zhǎng)株潭第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值逐步下降,第二、三產(chǎn)業(yè)所占比例已由1990年的74.34%上升到2010年的93.72%。因此,工業(yè)企業(yè)與工礦用地面積不斷增加,同時(shí)非農(nóng)產(chǎn)業(yè)和非農(nóng)人口在特定空間上的集聚又引起土地利用類型在產(chǎn)業(yè)上的重新分配和空間布局上的轉(zhuǎn)變,最終促使有較好交通及區(qū)位條件的耕地及林地向工礦用地轉(zhuǎn)變。政策方面,湖南省于2001年推行退耕、退草還林工程建設(shè),據(jù)《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》,截至2010年全省累計(jì)完成退耕還林面積達(dá)934 585 hm2,同時(shí)由于社會(huì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),不少其他用地類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾统鞘芯G地。

4.2土地利用類型轉(zhuǎn)變對(duì)碳效應(yīng)的影響

不同植被類型及其植被下土壤的有機(jī)碳密度差異顯著,長(zhǎng)株潭地區(qū)植被及土壤碳密度的高低排序?yàn)榱值?草地>耕地>建設(shè)用地>未利用地,李媛媛等[18]認(rèn)為,這主要是由于相對(duì)于耕地,林地和草地有更多的枯枝落葉和地下根系回歸土壤。高碳密度用地類型向低碳密度用地類型轉(zhuǎn)變表現(xiàn)為碳排放,反向轉(zhuǎn)變表現(xiàn)為碳匯。劉紀(jì)遠(yuǎn)等[1]對(duì)1990—2000年土地利用轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的中國(guó)土壤碳蓄積量變化進(jìn)行了測(cè)定,發(fā)現(xiàn)林地向草地及林地向耕地轉(zhuǎn)換造成的碳蓄積量損失分別約53.7 和99.5 Tg。周濤等[19]研究發(fā)現(xiàn)森林轉(zhuǎn)變?yōu)楦?土壤有機(jī)碳含量減少1.59 kg·m-3,草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貏t減少3.5 kg·m-3。人口增長(zhǎng)及城市化使生產(chǎn)、生活用地面積不斷擴(kuò)大,有大量林地和草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦丶敖ㄔO(shè)用地,以及耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,致使碳素從植被中釋放,同時(shí)土壤缺少植被的保護(hù)也導(dǎo)致碳素流失。HOUGHTON等[5]研究發(fā)現(xiàn),1850—2000年,由于森林向其他土地利用類型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致全球CO2凈排放(以C計(jì))156 Pg,中國(guó)為23 Pg。

4.3空間差異及其影響機(jī)制

對(duì)1990—2010年研究區(qū)15個(gè)區(qū)縣的土地利用/覆被變化分析發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3市市區(qū)及望城縣、長(zhǎng)沙縣這5個(gè)區(qū)縣的碳匯能力空間變化差異比其他區(qū)縣更明顯。1990—1995年,長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3市及長(zhǎng)沙縣這4個(gè)區(qū)縣的碳匯能力顯著減弱,尤以長(zhǎng)沙市市區(qū)表現(xiàn)最為強(qiáng)烈,其空間相對(duì)變化率達(dá)-343.39。1995—2000年,長(zhǎng)沙市碳匯能力有所增強(qiáng),這可能是由于城市綠化增加所致。

區(qū)域碳匯能力空間變化差異存在的根源主要在于區(qū)域人口密度及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不均衡。長(zhǎng)株潭3市主城區(qū)的空間距離較近,并與其周邊區(qū)縣保持著較強(qiáng)的協(xié)作,一體化程度較高,逐步發(fā)展為城市群區(qū),中心城區(qū)發(fā)展速度與距離較遠(yuǎn)的地區(qū)如茶陵縣、炎陵縣的差距逐漸擴(kuò)大。長(zhǎng)株潭地區(qū)的人口密度一直表現(xiàn)為西部高、東部低,北部高、南部低的狀態(tài)。有研究發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)90年代以來(lái),長(zhǎng)株潭地區(qū)的人口重心有向西北方向偏移的趨勢(shì)[20]。長(zhǎng)沙、株洲、潭湘3市市區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),其GDP首位度大,人口及經(jīng)濟(jì)的不均衡導(dǎo)致區(qū)域土地利用方式轉(zhuǎn)變方向及轉(zhuǎn)變量存在明顯差異,最終影響碳效應(yīng)及碳匯能力變化的差異。

5結(jié)論與建議

(1)長(zhǎng)株潭地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的植被及土壤碳密度表現(xiàn)為林地>草地>耕地>建設(shè)用地>未利用地。1990—2010年間,長(zhǎng)株潭城市群土地利用類型的轉(zhuǎn)變方式主要為耕地與林地的相互轉(zhuǎn)化,以及耕地、林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化,碳效應(yīng)變化呈倒“U”形趨勢(shì),長(zhǎng)株潭城市群整體碳匯能力減弱。

(2)長(zhǎng)株潭城市群的碳效應(yīng)空間分異明顯,長(zhǎng)沙、株洲、湘潭3市市區(qū)及望城縣、長(zhǎng)沙縣這5個(gè)區(qū)縣的土地利用轉(zhuǎn)變碳效應(yīng)及碳匯能力變化明顯,這與區(qū)域人口密度及經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡有直接關(guān)系。

(3)基于植被、土壤及土地利用類型數(shù)據(jù),利用ArcGIS 10.0軟件進(jìn)行碳效應(yīng)計(jì)算及其空間分布的模擬,該方法普適性強(qiáng),研究結(jié)果在城市空間的低碳規(guī)劃及碳減排管理中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。但由于數(shù)據(jù)的局限性,碳效應(yīng)的計(jì)算稍顯粗略,有待于新一輪植被資源調(diào)查、土壤普查和國(guó)土資源調(diào)查等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的充實(shí)及精度的提高,以便得到更為精確的研究結(jié)果。

(4)在土地管理及城鄉(xiāng)規(guī)劃中,可考慮通過(guò)限制林地及草地轉(zhuǎn)出,限制建設(shè)用地?cái)U(kuò)張,優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)。規(guī)劃編制應(yīng)注重土地利用結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及經(jīng)濟(jì)布局的合理性,減少區(qū)域差異引起生境破碎化以及生態(tài)系統(tǒng)退化而導(dǎo)致的碳匯能力降低,要實(shí)現(xiàn)從“增量”到“存量”與“減量”規(guī)劃的轉(zhuǎn)型。

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(責(zé)任編輯： 許素)

收稿日期：2015-08-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51478470);湖南省科技計(jì)劃(2014NK2012)

通信作者①E-mail: 610975289@qq.com

中圖分類號(hào)：X51；F301.24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-4831(2016)04-0539-07

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.004

作者簡(jiǎn)介：李濤(1984—),男,江蘇連云港人,講師,博士生,主要研究方向?yàn)榄h(huán)境生態(tài)及景觀生態(tài)學(xué)。E-mail: 413362361@qq.com

Influence of Changes in Land Use/Cover on Carbon Effect in Chang-Zhu-Tan Urban Agglomeration.

LI Tao1,2,YANG Zhi-jian1, GAN De-xin1, WANG Zhi-yuan2, CHEN Xi1,3, QI Zeng-xiang2

(1.College of Biological Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China；2.College of Design and Art, University of South China, Hengyang 421001, China；3.Biological Research Institute of Chenzhou, Chenzhou 423000, China)

Abstract:The Chang-Zhu-Tan urban agglomeration is one of the most important regions with well-developed socio-economy in the middle reaches of the Yangtze River. The study on carbon effect arising from transformation of land use types is of vital significance to carbon emission management and low carbon space planning in urban areas. Based on the land use data, vegetation type maps and soil type maps of 1990, 1995, 2000, 2005 and 2010 of the Chang-Zhu-Tan urban agglomeration, carbon effects arising from changes in land use/cover over the 20 years in the region were analyzed from the aspects of land use structure, its transformation direction, and consequent variation of carbon emission intensity and spatial distribution of carbon sequestration. Results show that: (1) in the period from 1990 to 2010, the changes in land use in the Chang-Zhu-Tan urban agglomeration were characterized mainly by transformations of cultivated land into wood land and vice versa, and of cultivated land and wood land into construction land; (2) the changes in carbon effect demonstrated a reversed “U-shape” trend, a weakening overall carbon sequestration capacity and distinct spatial differentiation of carbon effect. Compared with other areas, the five areas of the Urban Agglomeration, i.e. Changsha City, Zhuzhou City, Xiangtan City, Wangcheng County and Changsha County, witnessed remarkable changes in carbon effect and carbon sequestration capacity as a result of changes in land use, but the changes varied sharply from area to area, which is thought to be directly related to regional population density and unbalanced development of regional economy; and (3) it is advisable to control and use-triggered carbon emission through limiting alienation of forest land and grassland, optimizing land use structure and economic layout, and preventing fragmentation of habitat and degradation of ecosystem.

Key words:Chang-Zhu-Tan urban agglomeration; land use/cover; carbon effect