關(guān)鍵詞 國土生態(tài)空間； 土地利用預測； 碳儲量； 生態(tài)保護紅線； 氣候變化

中圖分類號 TU984.2 ； F301.2 文獻標識碼 A 文章編號 1000-2421（2024）03-0089-11

氣候變化是當前全球面臨的主要環(huán)境問題之一［1］。《京都議定書》《巴黎協(xié)定》《聯(lián)合國氣候變化框架公約》等國際協(xié)議均強調(diào)提升區(qū)域碳儲存能力的重要性。我國提出力爭在2030 年前完成“碳達峰”，爭取2060 年前實現(xiàn)“碳中和”的“雙碳”戰(zhàn)略［2］，亟需多方落實“雙碳”行動方案［3］。

國土生態(tài)空間是維持區(qū)域碳平衡進而實現(xiàn)“雙碳”目標的重要保障和必要載體［4］。其中，生態(tài)保護紅線作為我國環(huán)境保護的一項重要制度創(chuàng)新，是我國生態(tài)安全保障的底線。《關(guān)于加強生態(tài)保護紅線管理的通知（試行）》（https：//www. gov. cn/zhengce/zhengceku/2022-08/20/content_5706169. htm）強調(diào)了需對此區(qū)域?qū)嵭凶顬閲栏竦墓芸睾烷L期保護。當前關(guān)于生態(tài)保護紅線的研究主要集中在勘界定標［5］、政策制定［6］、生態(tài)保護［7］和價值評定［8］等方面，盡管在生境質(zhì)量維持和自然資源利用等角度已有初步進展，但“雙碳”視角著眼不足，相關(guān)研究仍需推進。

近年來，針對城市碳儲量預測的空間模型快速發(fā)展，通常基于土地利用與覆被（land use and landcover，LULC）預測結(jié)合碳儲量測算進行綜合模擬。碳儲量評價的方法具有尺度差異性，主要包含實地調(diào)查［9］、遙感反演［10］和模型模擬［11］等。其中，相較于土壤剖面調(diào)查、樣方調(diào)查等傳統(tǒng)工作量大、周期長的碳儲量調(diào)查方法，模型模擬測算可操作性強、效率更高。較常使用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評估和權(quán)衡模型（integrated valuation of ecosystem" services and tradeoffs，InVEST）中的“Carbon”模塊能借助遙感數(shù)據(jù)和地理信息平臺測算多尺度場地的碳儲量［12］。LULC的預測結(jié)果會直接影響碳儲量，已有土地利用預測模型在用地轉(zhuǎn)化規(guī)則挖掘和動態(tài)變化模擬方面存在一定不足［13］，從而影響結(jié)果精度，而斑塊生成土地利用變化模擬模型（patch-generating land use simulation，PLUS）應(yīng)用新的用地擴張分析策略和多類種子生長機制，提升了大尺度區(qū)域的LULC 數(shù)據(jù)模擬精度［14］。

當前基于碳儲量提升的LULC 預測主要將自然發(fā)展［15］、城鎮(zhèn)擴張［16］、耕地保護［17］和生態(tài)優(yōu)先［18］作為模擬情景，其中“生態(tài)優(yōu)先情景”可通過調(diào)控目標用地增幅或限制地類轉(zhuǎn)換實現(xiàn)［19］。然而，調(diào)控過程較主觀、缺乏實際政策支撐，將生態(tài)保護紅線作為約束條件有效介入模擬過程，可為規(guī)劃政策的制定提供更科學的指引。當前生態(tài)底線約束情景下的碳儲量預測模擬僅在武漢城市圈［20］和南京市［19］等地開展，其采用Markov-FLUS 耦合模型模擬LULC 變化情景，并運用InVEST 模型定量研究碳儲量，但預測結(jié)果缺乏驗證。此外，結(jié)合ArcGIS 工具的熱點分析模型可以判讀碳儲存優(yōu)勢地類的空間聚集特點，得以明晰區(qū)域發(fā)展策略并對國土生態(tài)空間管控規(guī)劃提供參考［21］。

本研究基于2000、2010 和2020 年的LULC 數(shù)據(jù)，運用ArcGIS 平臺集合PLUS 模型和InVESTCarbon模型進行時空變化分析和預測模擬，旨在探究生態(tài)底線約束下國土生態(tài)空間碳儲量變化及其空間特征，以期為“雙碳”導向下國土生態(tài)空間管控與規(guī)劃實踐提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖北省襄陽市（110°45′E～113°06′E，31°13′N～32°37′N）總面積約1.97 萬km²，屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫15～16 ℃。地形西高東低（西部山地、中部崗地平原及東部低山丘陵），全市森林覆蓋率達46%，濕地總面積為67.72 km²。得益于區(qū)域氣候和生境多樣性，襄陽市自然稟賦優(yōu)越，為人居環(huán)境可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。襄陽市作為華中地區(qū)重要的生態(tài)功能區(qū)域，當前頒布的相關(guān)文件多次強調(diào)要遵循國家生態(tài)紅線政策、嚴守生態(tài)底線從而管控生態(tài)空間。本研究將山、水、林、湖、草主導的生態(tài)要素確定為研究對象，其中，生態(tài)保護紅線面積為1 757.33 km2，主要集中在南漳縣（508.51 km²）、?？悼h（414.46 km²）和谷城縣（382.99 km²），包含了30 個自然保護地及9 個水源地，如湖北五道峽國家級自然保護區(qū)、湖北南河國家級自然保護區(qū)和湖北襄陽峴山國家森林自然公園等（圖1）。本研究中使用的襄陽市地圖的底圖來源于國家地理信息公共服務(wù)平臺“天地圖”的標準地圖服務(wù)系統(tǒng)（http：//bzdt.ch.mnr.gov.cn/），審圖號為鄂S（2023）009號。

1.2 數(shù)據(jù)收集與處理

襄陽市行政邊界和生態(tài)保護紅線矢量數(shù)據(jù)源自襄陽市自然資源和規(guī)劃局；2000、2010 和2020 年襄陽市LULC 數(shù)據(jù)源自Landsat 30 m 遙感影像，依據(jù)研究目的將LULC 歸納為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6 個一級地類和25 個二級地類，在此基礎(chǔ)上選取生態(tài)空間范圍，用于分析襄陽市碳儲量歷史轉(zhuǎn)變；驅(qū)動因子數(shù)據(jù)用于預測模擬襄陽市2030年LULC，包括自然環(huán)境數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)。其中，高程數(shù)據(jù)從地理空間數(shù)據(jù)云（www.gscloud.cn）獲取，坡度數(shù)據(jù)通過高程數(shù)據(jù)計算得到；年平均降水量、年平均氣溫、土壤侵蝕程度、人口和GDP 數(shù)據(jù)來自中國科學院資源環(huán)境與數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn/），經(jīng)剪裁后進行重采樣處理；鐵路和公路數(shù)據(jù)來自O(shè)penStreetMap（http：//www.openstreetmap.org/）平臺，基于ArcGIS 平臺采用歐氏距離計算獲得到最近鐵路、公路距離，以上數(shù)據(jù)經(jīng)處理后統(tǒng)一分辨率為30 m×30 m。碳密度參數(shù)通過相關(guān)文獻及In‐VEST 手冊提供的參考數(shù)據(jù)，并結(jié)合襄陽市實際修正獲得［22］。

1.3 研究方法

本研究首先基于2000、2010 年數(shù)據(jù)運用PLUS模型模擬得到2020 年LULC 數(shù)據(jù)，并與2020 年實際數(shù)據(jù)進行精度驗證，從而證明驅(qū)動因子選擇合理（Kappa 系數(shù)≥75%）。然后將生態(tài)保護紅線設(shè)定為底線約束條件，基于2010和2020 年數(shù)據(jù)預測得到2030 年LULC 并提取4 個年份的生態(tài)空間，隨后運用InVEST-Carbon 模型計算碳儲量，同時進行熱點分析探究其空間特征（圖2）。

1）基于PLUS 模型的LULC 預測模擬。PLUS模型由中國地質(zhì)大學主導研發(fā)，包括用地擴張分析策略（land expansion analysis strategy，LEAS）和基于多類隨機斑塊種子的CA 模型（CA based on multiplerandom seeds，CARS）2 個模塊，相對其他預測模型，PLUS 對各類LULC 變化的影響因素解釋性更好、模擬結(jié)果精度更高［23］。本研究根據(jù)襄陽市實際情況及數(shù)據(jù)的可獲取性，從自然環(huán)境和社會經(jīng)濟2 個方面選取高程、坡度、年平均降水量、年平均氣溫、土壤侵蝕程度、人口密度、GDP、到最近鐵路距離、到最近公路距離9 個驅(qū)動因子，以2000 和2010 年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)模擬2020 年LULC。首先，通過LEAS 模型分析用地擴張，運用隨機森林算法挖掘并獲取各類用地的發(fā)展概率和驅(qū)動因子的貢獻率［24］，選擇隨機采樣方式，采樣默認率為0.01，mTry 為9 個，決策樹為20，并行線程數(shù)量為4。其次，使用CARS 模塊在發(fā)展概率的約束下模擬斑塊的自動生成，通過自適應(yīng)慣性系數(shù)計算獲取LULC 變化綜合概率，并結(jié)合隨機斑塊生成機制、過渡矩陣和閾值遞減進行優(yōu)化［25］，其中，鄰域范圍選取默認值3，斑塊生成遞減閾值的衰減系數(shù)設(shè)置為0.5，擴散系數(shù)為0.1，隨機斑塊種子的概率為0.0001。CARS 模擬根據(jù)各LULC 擴張面積占比確定領(lǐng)域權(quán)重。將2020 年LULC 模擬結(jié)果與實際2020 年地類數(shù)據(jù)進行精度對比（Kappa 系數(shù)高于0.75認為模擬有效），從而證實驅(qū)動因子選擇的合理性［26］。在模擬精度滿足要求的前提下，基于上一步的驅(qū)動因子和模擬設(shè)置，將生態(tài)保護紅線作為轉(zhuǎn)移限制因素以預測2030年的LULC。計算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 2000—2030 年生態(tài)空間時空變化及預測

1）生態(tài)空間用地總體特征與變化。2000 年到2020 年生態(tài)空間總面積先上升后下降，總體保持穩(wěn)定，生態(tài)空間要素分布不均，呈現(xiàn)西南密集、東部散布、北部稀缺的格局（圖3）。其中，林地是生態(tài)空間面積最大的要素，主要分布在西部的南漳縣、保康縣和谷城縣，其面積降低最顯著，退化區(qū)域集中在襄州區(qū)、襄城區(qū)和棗陽市的中部和東部；而水域主要分布在棗陽市、襄州區(qū)、宜城市，其面積變化最劇烈，反映出襄陽市水域生態(tài)敏感性較強。同時運用PLUS 模型模擬得到的2020 年LULC 數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)進行Kappa 精度驗證后系數(shù)為0.948，證實驅(qū)動因子選擇合理。預測2030襄陽市生態(tài)空間總體面積略微減少。

2）階段性生態(tài)空間用地變化特征。圖4 顯示，2000—2010年期間生態(tài)空間總體面積略微增加76.22 km²。其中，林地總面積下降29.09 km²，僅其他林地要素面積上升；水域面積增加較多（105.81km²），主要為河渠、水庫坑塘和灘地。此時期水利工程興建迫使自然生境被侵占，同時各區(qū)縣也相繼實施了一系列植樹造林政策，例如《襄城區(qū)石漠化土地綜合治理規(guī)劃（2006）》和《南漳縣巖溶地區(qū)石漠化綜合治理規(guī)劃（2006）》等。2010—2020年期間生態(tài)空間面積減少了72.65 km²，其中水域面積縮減最多（53.59 km²）。同時，林地面積總體略有縮減（16.39km²），但對碳儲量起到重要作用的有林地擴大了15.73 km²。預測到2030 年，襄陽市生態(tài)空間面積略下降4.09 km²，除疏林地外的其余類型林地均有萎縮，草地面積輕微下降，但各類水域顯著增加，生態(tài)保護紅線約束下的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化速度降低。

2.2 2000—2030年生態(tài)空間碳儲量時空變化及預測

1）碳儲量總體特征與變化。襄陽市生態(tài)空間碳儲量呈現(xiàn)下降趨勢并預計持續(xù)至2030 年，高值區(qū)域主要分布在西部、東北和東南的林地中。2000—2030年間，柵格單元碳儲量最大值約為18.47 kg（30 m×30 m），主要分布在海拔較高的山地林區(qū)，由于此區(qū)域較少受到人類活動影響，自然生態(tài)環(huán)境維持較好；低值主要集中在林地邊緣和北部耕地等受干擾較多的區(qū)域。森林質(zhì)量較高的谷城縣、?？悼h、南漳縣、棗陽市東南部以及宜城市東部聚集為連片高值區(qū)；中部地區(qū)整體較低但散布一些孤島狀高值區(qū)，主要包含各類森林公園、濕地公園和自然保護區(qū)。

2）階段性生態(tài)空間碳儲量變化特征。2000—2010 年間，生態(tài)空間碳儲量下降2.5×10⁵ t，主要歸因于有林地和灌木林地面積的縮減；2010—2020 年間，襄陽市城市化進程持續(xù)推進，得益于《襄陽市國家森林城市建設(shè)總體規(guī)劃（2010—2020）》等政策相繼出臺，生態(tài)空間碳儲量略下降1.2×10⁵ t；預測到2030年，生態(tài)空間碳儲量為1.40×10⁸ t，降低區(qū)域主要集中在青峰嶺、?？悼h中部的山區(qū)林地和谷城縣西北部的林地邊緣。

2.3 2000—2030 年生態(tài)空間碳熱點時空變化及預測

1）碳熱點空間分布特征與變化。襄陽市碳熱點分布總體呈現(xiàn)“熱點集中、冷點分散”的格局，其中強熱點占比最高，但生態(tài)保護紅線僅覆蓋部分強熱點區(qū)域（圖5）。熱點區(qū)域主要集中在西部的谷城縣、?？悼h和南漳縣；中部和東部的少量熱點主要集中在森林公園、濕地公園和自然保護區(qū)，如青峰嶺省級森林自然公園和白竹園寺國家森林自然公園等。冷點區(qū)域主要散布在老河口市北部、?？悼h西部、棗陽市和宜城市南部、樊城區(qū)和襄州區(qū)北部，這些區(qū)域人類活動干擾較強，生態(tài)空間被城鎮(zhèn)或農(nóng)田包圍，碳儲存能力強的天然植被群落較少，形成冷點散布格局。考慮到植被群落類別和豐富度是影響生態(tài)空間碳儲存能力的重要因素，冷點區(qū)域的植被群落應(yīng)修復和優(yōu)化，而熱點區(qū)域可以視為碳儲存的重點保護區(qū)域，采取針對措施防止生境退化。

2）階段性碳熱點空間分布變化特征。襄陽市碳熱點空間格局保持穩(wěn)定，生態(tài)保護紅線約束可以強化碳熱點的聚集度（表2）。2000—2010年間，襄陽市西部碳熱點區(qū)域有所擴大，?？凳〖壣肿匀还珗@和南河國家級自然保護區(qū)東部等區(qū)域熱值升高，?？祱蛑魏由肿匀还珗@區(qū)域冷值下降。2010—2020年間，相對上一階段碳熱點空間分布差異性較大，香水河省級森林自然公園區(qū)域碳熱點持續(xù)增強，棗陽青峰嶺省級森林自然公園和羅橋水庫等區(qū)域進一步加熱（表3）。襄陽市東部熱點熱力下降，南部和中部上升且面積擴大，其余區(qū)域基本穩(wěn)定。冷點區(qū)域僅漢江沿岸、保康縣局地和宜城市局地外略有變化。預測2030年在生態(tài)底線約束下“高-高”碳熱點區(qū)域面積顯著增大并向中心城區(qū)方向綿延，其中強熱點區(qū)域提升至31.29%。

3 討論

碳儲存對全球氣候變化具有重要作用，其中LULC 是影響陸地碳儲量的關(guān)鍵因素之一，生態(tài)保護紅線作為國土空間的生態(tài)約束底線，可限制LULC變化進而維持區(qū)域碳儲存能力。本研究基于2000、2010和2020年LULC 數(shù)據(jù)，通過PLUS 模型模擬2030 年數(shù)據(jù)，并運用InVEST 模型和熱點分析對襄陽市生態(tài)空間碳儲量及其空間特征進行探究。結(jié)果顯示：2000—2020年間襄陽市生態(tài)空間面積縮減，預測到2030 年在生態(tài)底線約束下的生態(tài)空間退化速度降低；到2030 年，襄陽市碳儲量由于生態(tài)空間變化相應(yīng)轉(zhuǎn)變，柵格單元碳儲量最大值約為18.47 kg，主要分布在西部、東北和東南的林地中；生態(tài)底線約束有助于優(yōu)化襄陽市生態(tài)空間碳熱點格局。據(jù)此提出以下三點對策：

1）優(yōu)化重點區(qū)域生態(tài)空間占比，提升高碳儲生態(tài)要素質(zhì)量。本研究預測生態(tài)空間中固碳能力較強的LULC 類別呈現(xiàn)退化趨勢，盡管其總面積變化不大，但仍對區(qū)域碳儲量影響較大。然而，當前我國各地側(cè)重于保護生態(tài)敏感性或生境質(zhì)量較高的區(qū)域，對生態(tài)要素固碳能力關(guān)注不足。其中，林地是生態(tài)空間碳儲存的關(guān)鍵要素［29］，本研究結(jié)果也同樣顯示高碳儲量區(qū)域主要集中在襄陽市西部山區(qū)，因此在生態(tài)空間管控規(guī)劃中，宜將碳儲存能力專項評估納入編制過程。另外，襄陽市的森林資源的林木結(jié)構(gòu)有待進一步優(yōu)化，盡管其森林資源較為豐富，但多為灌木、雜木和次生林，制約其區(qū)域碳儲存效能提升。同時，當?shù)卣验_展了系列舉措旨在恢復和保護優(yōu)質(zhì)林地資源，例如《關(guān)于綠滿襄陽再提升行動的實施意見》《關(guān)于開展“千村萬樹”行動推進森林鄉(xiāng)村創(chuàng)建工作的通知》等，這為襄陽市生態(tài)空間碳儲存效能提升奠定基礎(chǔ)。

2）保護固碳高熱點區(qū)域，促進生態(tài)底線動態(tài)調(diào)控。熱點區(qū)域?qū)S持碳儲量穩(wěn)定有重要作用［30］，然而當前生態(tài)保護紅線劃定過程的“雙碳”視角著眼不足，主要參考生物多樣性保護、水資源保護、洪水緩解、土壤保護和沙塵暴防治5 項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標。已有學者提出將二氧化碳協(xié)同控制納入生態(tài)空間“三線一單”的管控中，并完成碳儲存適宜區(qū)及碳熱點判定以優(yōu)化生態(tài)保護紅線范疇［31］，相關(guān)修訂路徑仍有待探索，以推進“雙碳”導向的生態(tài)底線動態(tài)調(diào)控。

3）重視碳儲量研究的實踐傳導，加強數(shù)字技術(shù)支撐體系建設(shè)。目前我國正處于社會經(jīng)濟新常態(tài)發(fā)展階段，高效合理的國土空間規(guī)劃和管控策略是應(yīng)對氣候變化的途徑之一。碳儲量評估可為地方生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值（gross ecosystem product，GEP）核算、自然資源和生態(tài)效益評估等提供科學支持［32］。雖然上海市、武漢市和深圳市等地的生態(tài)空間專項規(guī)劃已經(jīng)陸續(xù)發(fā)布，但其中將碳儲量評估結(jié)果納入規(guī)劃決策仍有待補充。同時，大數(shù)據(jù)時代背景下，應(yīng)建設(shè)碳測算開源平臺、開展生態(tài)系統(tǒng)碳庫調(diào)查和動態(tài)監(jiān)測以及完善信息共享機制，從而為區(qū)域碳儲量評估和增匯潛力探究提供數(shù)字技術(shù)保障。

然而，本研究尚存在一定技術(shù)局限性。模擬過程基于多源空間數(shù)據(jù)，其預測結(jié)果具有一定誤差；同時，InVEST 模型中碳密度參數(shù)基于前人研究確定，雖然選取了與本研究區(qū)條件較相似的研究區(qū)數(shù)據(jù)，但只考慮靜態(tài)而忽略碳循環(huán)和不同碳庫間的動態(tài)轉(zhuǎn)化問題，與實際碳儲量值會有一定差異，在未來采用該模型時可配合實地調(diào)研從而進一步提高精度。

（責任編輯：陸文昌）