張志國(guó) 班高晗

摘要：碳儲(chǔ)量變化是衡量陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。以河南省洛陽市為例，分析2005—2015年土地利用變化，利用Invest模型計(jì)算洛陽市碳儲(chǔ)量并分析碳儲(chǔ)量的變化。結(jié)果表明，洛陽市碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)南多北少、山多谷少的空間分布特征。10年間洛陽市碳儲(chǔ)量略有增加，說明在地形復(fù)雜經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的區(qū)域，只要科學(xué)劃分生態(tài)功能區(qū)，注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)，提高土地利用效率，就可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：碳儲(chǔ)量;時(shí)空變化;土地利用;生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評(píng)估模型（InVEST）;洛陽

中圖分類號(hào)： F323.211 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2021）14-0226-05

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與溫室效應(yīng)是近些年國(guó)際地學(xué)、生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)共同關(guān)注的全球變化研究熱點(diǎn)。我國(guó)學(xué)者方精云等系統(tǒng)分析我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯大小及其機(jī)制，并闡明我國(guó)陸地碳匯/源的時(shí)空格局及其機(jī)制，為我國(guó)制定相關(guān)政策提供依據(jù)[1]。劉領(lǐng)等還對(duì)我國(guó)森林、土壤、草地等不同生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量變化及其影響因素進(jìn)行研究[2-4]。朱文博等認(rèn)為，土地利用變化是引起陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化主要的因素，模擬淇河流域3種土地利用模式情況下碳儲(chǔ)量的變化[5]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評(píng)估模型（integrated valuation of ecosystem services and trade-offs，InVEST）以土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、多情景下的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量評(píng)估。國(guó)內(nèi)學(xué)者陸續(xù)利用InVEST模型開展我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值和區(qū)域碳儲(chǔ)量的研究。韓晉榕利用InVEST模型對(duì)遼中南地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量進(jìn)行評(píng)估，用來研究城市擴(kuò)張對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響[6]。張?jiān)瀑坏壤肐nVEST模型對(duì)江蘇省海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量進(jìn)行定量估算，獲取長(zhǎng)時(shí)間序列的碳儲(chǔ)量變化數(shù)據(jù)，并探究江蘇省海岸帶碳儲(chǔ)量的時(shí)空變異[7]。蔣九華等借助InVEST模型評(píng)估北京市房山區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量，將量化的森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量以直觀的可視化形式表現(xiàn)出來，這對(duì)于提高北京地區(qū)的森林碳儲(chǔ)量估算精度和森林固碳增匯經(jīng)營(yíng)管理具有一定的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值[8]。邱建慧使用InVEST模型分析1995—2015年圍填?；顒?dòng)對(duì)濱海濕地土地利用和碳儲(chǔ)量的影響，以及圍填海對(duì)沿岸國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的影響[9]。河南省洛陽市地處我國(guó)中部地區(qū)，是我國(guó)老工業(yè)基地，在地形地貌上屬于第二級(jí)階梯向第三級(jí)階梯過渡的地帶。該區(qū)域地形起伏較大，土地類型豐富，受人類活動(dòng)影響較大，土地利用類型變化明顯。因此，本研究以2005、2015年洛陽市土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用InVEST模型的碳儲(chǔ)量模塊評(píng)估10年洛陽市生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

洛陽市位于河南省中西部（34°32′～32°45′N、112°16′～112°37′E），西依秦嶺，東臨嵩岳，北靠太行黃河，南望伏牛，東西長(zhǎng)約179 km，南北寬約 168 km，總面積1.52萬km2，總?cè)丝?17.02萬人，常住人口城鎮(zhèn)化率59.1%。洛陽市地勢(shì)西高東低，境內(nèi)山川丘陵交錯(cuò)，地形復(fù)雜，其中山區(qū)占45.51%，丘陵占40.73%，平原占13.8%。境內(nèi)有黃河、洛河、伊河、清河、磁河、鐵灤河、澗河、瀍河等10余條河流，分屬黃河、淮河、長(zhǎng)江三大水系。年平均氣溫為12.2～24.6 ℃，年降水量為528～800 mm，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

1.2.1 土地利用數(shù)據(jù) 遙感影像數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn/），包括2005年Landsat7影像3景和2015年Landsat7影像3景影像，空間分辨率為30 m，時(shí)間為5—6月。運(yùn)用ENVI軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、鑲嵌和影像裁剪等預(yù)處理;采用人機(jī)交互解譯的方式對(duì)遙感影像得到的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010—2017），同時(shí)結(jié)合洛陽市土地利用的實(shí)際情況進(jìn)行判別，將洛陽市土地利用分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地等六大類型。借助Google Earth高分影像和野外采集的驗(yàn)證樣本對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。投影坐標(biāo)統(tǒng)一為Krasovsky_1940_Albers。

1.2.2 碳密度數(shù)據(jù) 碳密度是指單位面積上的碳儲(chǔ)量。地上部分碳密度是指地表以上0～20 cm附近單位面積上碳存儲(chǔ)量的平均值;地下部分碳密度是指地表以下0～20 cm附近單位面積上碳存儲(chǔ)量的平均值;土壤碳密度是指地表以下20～100 cm附近單位面積上碳儲(chǔ)量的平均值。

碳密度主要通過查閱資料得到。首先，根據(jù)李克讓等對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)碳密度的研究，得到全國(guó)范圍內(nèi)的碳密度數(shù)據(jù)[10-13]。其次，根據(jù)賈松偉等的研究成果，得到河南省內(nèi)的碳密度數(shù)據(jù)[14-16]。由此得到不同土地利用方式的碳密度數(shù)據(jù)。學(xué)者們普遍認(rèn)為溫度和降水是影響碳輸入和輸出的2個(gè)最主要因素，通過查閱資料可知洛陽市的年平均氣溫為 14.7 ℃，年降水量為601.6 mm。最后，將洛陽市年平均溫度和年降水量作為參考因子，代入陳光水等關(guān)于生物碳密度和土壤碳密度分別與溫度和降水量的關(guān)系模型[17]中，從而得到修正后的洛陽市碳密度估算值（表1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 2005—2015年洛陽市土地利用變化特征

由圖1、圖2可知，2005—2015年10年間洛陽市耕地與林地一直都是占比最多的2種土地利用類型，也是變化最大的2種用地類型，耕地比重由46.3%降為34.6%，下降了11.7百分點(diǎn);林地占比由39.1%增加到51.3%，增加了12.2百分點(diǎn)。耕地主要以洛陽市北部的宜陽縣、洛寧縣、伊川縣、新安縣、偃師市、孟津縣所占比重較多，林地主要以洛陽市南部的欒川縣、嵩縣和汝陽縣所占比重較多。

利用ArcGIS 10對(duì)洛陽市2005、2015年2期土地利用數(shù)據(jù)建立轉(zhuǎn)移矩陣（表2），由此可知洛陽市10年內(nèi)土地利用類型轉(zhuǎn)移的變化特征。2005—2015 年耕地面積年均減少1.8萬hm2，主要轉(zhuǎn)出為林地、建設(shè)用地、水域等多種類型，其中轉(zhuǎn)為林地的比例最大，達(dá)到64.2%;其次為建設(shè)用地和水域，分別占耕地總轉(zhuǎn)出量的26.8%、4.8%。建設(shè)用地面積由7.7萬hm2增加到13.6萬hm2，年均增長(zhǎng) 0.6萬hm2，主要由耕地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入率為82.9%。林地面積顯著增加，主要來源于耕地、草地的轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入率分別為63.8%、32.0%。草地面積急劇減少，減少了71.3%，主要轉(zhuǎn)為林地和耕地，其轉(zhuǎn)出率分別為80.3%、14.8%。未利用地增長(zhǎng)迅速，從2005年的0.02萬hm2增加到2015年的0.3萬hm2，增長(zhǎng)率為1 071.8%，其中耕地轉(zhuǎn)化為未利用地的比重占總比重的57.6%。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳密度的時(shí)空變化

2.2.1 洛陽市總固碳量測(cè)算 根據(jù)洛陽市土地利用類型及碳密度表，通過InVEST模型分別計(jì)算出洛陽市2005、2015年碳儲(chǔ)量值（表3）。洛陽市2005年碳儲(chǔ)量為24 514.9萬t，2015年碳儲(chǔ)量為 26 859.7萬t，累計(jì)增長(zhǎng)9.6%。從總體上看，這10年來洛陽市碳儲(chǔ)量向穩(wěn)中有升的方向發(fā)展，雖然10年中洛陽市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建設(shè)快速，但是整體碳儲(chǔ)量卻略有增加，并沒有因?yàn)榻?jīng)濟(jì)的發(fā)展導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)中CO2增加，對(duì)于區(qū)域碳中和目標(biāo)很有意義。

2.2.2 不同土地利用類型碳儲(chǔ)量變化 根據(jù)InVEST模型得到洛陽市2005—2015年碳儲(chǔ)量，利用ArcGIS對(duì)模型運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析得到洛陽市2005—2015年不同土地利用類型對(duì)應(yīng)的碳儲(chǔ)量。耕地碳儲(chǔ)量呈下降趨勢(shì)， 從2005年的7 923.1萬t下降到2015年的5 833.2萬t，累計(jì)減少量達(dá)到 2 089.9萬t。林地碳儲(chǔ)量由2005年的14 842.9萬t增加到2015年的19 623.6萬t，累計(jì)增加4 780.7萬t。草地碳儲(chǔ)量由2005年的1 082.5萬t銳減到2015年的310.9萬t，年均減少77.2萬t。建設(shè)用地碳儲(chǔ)量從467.1萬t增加到現(xiàn)在的821.1萬t，年均增加35.4萬t，增加幅度為75.8%。水域碳儲(chǔ)量也呈增加趨勢(shì)，從2005年的197.8萬t增加到2015年的 253萬t，增加了27.9%。未利用地碳儲(chǔ)量增加迅速，由2005年的1.5萬t增加到2015年的18.0萬t。

2.2.3 碳儲(chǔ)量空間特征 洛陽市碳儲(chǔ)量的空間特征受地形和土地利用類型影響。洛陽市碳儲(chǔ)量主要存儲(chǔ)在西南部和南部的伏牛上、外方山、熊耳山和崤山，海拔基本都位于500 m以上。從行政區(qū)劃分布看，碳儲(chǔ)量較豐富的縣域主要是嵩縣、欒川縣和洛寧縣。碳儲(chǔ)量豐富的縣域主要土地利用類型以林地為主。碳儲(chǔ)量變化較大的縣域是洛寧縣、新安縣和孟津縣。洛寧縣碳儲(chǔ)量由2005年的3 590.9萬t增加到2015年的4 573.4萬t，增加率為27.4%;新安縣碳儲(chǔ)量由2005年的1 434.7萬t增長(zhǎng)到2015年的1 753.3萬t，增加率為22.2%;孟津縣碳儲(chǔ)量由2005年的819.7萬t增長(zhǎng)到2015年的967.6萬t，增加率為18%。

2.3 碳儲(chǔ)量影響因素

通過分析2005—2015年洛陽市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和土地利用變化因素，發(fā)現(xiàn)影響洛陽市碳儲(chǔ)量變化的主要因素是國(guó)家生態(tài)保護(hù)政策和洛陽市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城鎮(zhèn)化。

2.3.1 國(guó)家生態(tài)保護(hù)政策的影響 近年來，國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)越來越重視，出臺(tái)了許多生態(tài)保護(hù)政策并開展了許多生態(tài)保護(hù)工程。這些生態(tài)保護(hù)政策和措施促進(jìn)了土地保護(hù)，優(yōu)化了區(qū)域土地利用類型。特別是退耕還林（草）重大工程，洛陽市截至2015年年底，全市共計(jì)劃完成退耕還林工程計(jì)劃任務(wù)14.52萬hm2，其中退耕還林3.77萬hm2，荒山造林8.3萬hm2，封山育林2.45萬hm2。受退耕還林工程影響，洛陽市土地利用類型發(fā)生了巨大變化，主要是耕地變?yōu)榱值睾筒莸兀^而使得碳儲(chǔ)量也發(fā)生了巨大的變化。洛寧縣和宜陽縣的碳儲(chǔ)量迅速增加得益于2縣原有許多耕地和草地在“退耕還林”中變成林地。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城鎮(zhèn)化 洛陽市是河南省副中心城市，也是經(jīng)濟(jì)第二大市。2005—2015年，洛陽市的GDP總量增長(zhǎng)了68.3%。由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，第一產(chǎn)業(yè)的比重逐年下降，第二、第三產(chǎn)業(yè)的比重逐年增加，導(dǎo)致大量的農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)化為非農(nóng)用地，建設(shè)用地的面積增加明顯。以位于洛陽市市區(qū)東鄰的偃師市為例，偃師市由于地理優(yōu)勢(shì)和其他因素，10年間經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，建設(shè)用地面積增長(zhǎng)迅速，以致于區(qū)域碳儲(chǔ)量總量下降。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加加快洛陽市城市化，市區(qū)建設(shè)面積迅速擴(kuò)大。2005年洛陽市人口為641.7萬人，2015年洛陽市人口增加到700.28萬人，城鎮(zhèn)化率由38.01%迅速提高到52.65%。洛陽市區(qū)建設(shè)面積由2005年的 16 946.3 hm2 增加到2015年的23 112.5 hm2，用地占比由36.2%增長(zhǎng)到了49.5%，增加了13.3百分點(diǎn)。這些都導(dǎo)致碳儲(chǔ)量減少。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

第一，2005—2015年洛陽市土地變化劇烈，但是區(qū)域碳儲(chǔ)量總量并沒有隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的增長(zhǎng)而減少，反而略有增加。說明科學(xué)合理的生態(tài)保護(hù)政策和生態(tài)建設(shè)工程可以有效抵消由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來的碳儲(chǔ)量下降趨勢(shì)。第二，洛陽市碳儲(chǔ)量主要集中在生態(tài)環(huán)境良好的洛陽市西南和南部山區(qū)。河谷平原經(jīng)濟(jì)建設(shè)較好，碳儲(chǔ)量較少，并呈略微下降趨勢(shì)。第三，2005—2015年洛陽市碳儲(chǔ)量的變化說明地形復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的區(qū)域只要能夠科學(xué)劃分生態(tài)功能區(qū)、高效利用土地、重視生態(tài)保護(hù)并開展生態(tài)建設(shè)，就能夠做到生態(tài)環(huán)境改善與經(jīng)濟(jì)快速進(jìn)步協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.2 討論

本研究在計(jì)算區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量時(shí)，其精度受到諸多因素影響，今后應(yīng)進(jìn)一步開展高精度的區(qū)域碳儲(chǔ)量的研究。（1）受影像精度和分類方法的影響，本研究中土地利用類型分類精度與實(shí)地真實(shí)物地類型存在一定的誤差。本研究使用的碳密度值均是根據(jù)以往的文獻(xiàn)資料和其他學(xué)者的研究成果，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐臏囟群徒邓扔绊懸蜃舆M(jìn)行修正而來。然而，不同土地利用類型對(duì)應(yīng)的碳密度值隨著環(huán)境的變化、人類活動(dòng)等因素的影響而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。因此，使用的碳密度值不能表示精準(zhǔn)的碳密度值，由此計(jì)算的碳儲(chǔ)量值存在一定的誤差。InVEST模型是針對(duì)美國(guó)生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的服務(wù)模型，是否完全適合我國(guó)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價(jià)值研究，有待商榷。本研究按照一級(jí)用地類型統(tǒng)一進(jìn)行碳密度賦值，但是學(xué)者發(fā)現(xiàn)每一地類下面不同地物類型所對(duì)應(yīng)的碳密度值不盡相同[18]，因此計(jì)算得到的碳儲(chǔ)量值與本地的真實(shí)碳密度值有所差異。

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