孫智杰,何 杰,陳志宇,王藝霖,蔡愛民,葉騰升

(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034; 2.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430034)

社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與城市化的推進(jìn)有效提高了人們的生活水平,然而同時也引發(fā)了氣候變暖等環(huán)境問題[1]。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報告,2011—2020年期間,全球地表溫度比1850—1900年期間升高了1.1℃,氣候變暖對人類社會發(fā)展和資源環(huán)境造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響[2]。作為負(fù)責(zé)任的大國,2020年9月22日中國在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上莊嚴(yán)承諾“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”[3]。聯(lián)合國《千年生態(tài)系統(tǒng)評估報告》指出,陸地生態(tài)系統(tǒng)在吸收二氧化碳、調(diào)節(jié)氣候變化方面起著關(guān)鍵作用[4]。增強(qiáng)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯是減緩大氣二氧化碳濃度上升和全球變暖的重要手段,也是實現(xiàn)中國“碳中和”目標(biāo)的有效途徑[5]。相關(guān)研究顯示,土地利用的變化可改變原有土地覆蓋格局,能夠高強(qiáng)度、大范圍地影響土壤中碳的含量,是最主要的碳儲量影響因素[6]。在“雙碳”目標(biāo)背景下,開展土地利用變化對碳儲量影響的相關(guān)研究就顯得格外重要[7]。

長期以來,國內(nèi)外學(xué)者對碳儲量核算開展了廣泛的研究和實踐。早期,碳儲量估算主要基于植被、土壤調(diào)查取樣數(shù)據(jù)計算。隨著3S技術(shù)的推廣,碳儲量核算效率和準(zhǔn)確性得到了大幅提升[8],相繼誕生了簿記模型(bookkeeping)[9]、CASA模型(Carnegie-Ames-Stanford Approach)[10]、InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Servies and Trade-offs)等,其中,InVEST模型以土地利用為數(shù)據(jù)源,將每種土地利用類型細(xì)分為地上生物碳庫、地下生物碳庫、死亡有機(jī)碳庫、土壤碳庫4個基本碳庫,可綜合運用遙感解譯、森林清查、土壤普查和地質(zhì)調(diào)查等項目成果,因而能較全面地估算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量。加之計算過程便捷,成果表達(dá)直觀,因此在碳儲量評估中備受青睞,得到了較為廣泛的應(yīng)用[11]。但以往多數(shù)研究往往直接采用全國尺度的碳密度值,導(dǎo)致結(jié)果不夠精細(xì),因此需要根據(jù)研究區(qū)域的具體情況進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和核對[12]。

咸寧市是湖北省低碳經(jīng)濟(jì)試點城市,已經(jīng)成功建設(shè)了全國首個可進(jìn)行碳交易的中國核證減排量(CCER)竹子造林碳匯項目,并持續(xù)開展碳匯造林項目建設(shè),目前在碳匯開發(fā)方面走在了全省乃至全國前列,未來如何進(jìn)一步優(yōu)化國土空間格局,進(jìn)而促進(jìn)綠色低碳發(fā)展,實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo),是咸寧市面臨的重要挑戰(zhàn)。本文以咸寧市為例,基于2000—2020年的3期土地利用數(shù)據(jù),探究該市碳儲量變化特征及其與土地利用之間的關(guān)系,并預(yù)測2030年多情景下的土地利用與碳儲量變化情況,以期為土地利用格局優(yōu)化、促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

咸寧市地處華中腹地、長江中游南岸,有“湖北南大門”之稱[13],地理坐標(biāo):東經(jīng)113°32′～114°58′,北緯29°02′～30°19′,東西寬58 km,南北長41 km,下轄嘉魚、崇陽、通城、通山、赤壁、咸安6個縣(市、區(qū))(圖1),總面積9 861 km2,2022年底全市常住人口261.67萬人,國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)1 875.57億元。境內(nèi)山水相連,河湖縱橫,山、丘、泊三種地貌俱全,總體處于山地—丘陵—平原的過渡帶,地勢南高北低,北部為沿江濱湖平原區(qū),中部為丘陵與山間盆地區(qū),南部為幕阜山中高山區(qū)[14]。氣候溫和,降水充沛,年平均氣溫16.8℃,年平均降水量1 600 mm。境內(nèi)河流266條,面積0.067 km2以上湖泊39個,幕阜山為國家重點生態(tài)功能區(qū)。

圖1 研究區(qū)概況及取樣點分布圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究主要數(shù)據(jù)來源如下:①土地利用、GDP空間分布數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/);②人口空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)來源于全球人口空間數(shù)據(jù)庫(https://www.worldpop.org/);③城鎮(zhèn)、水系、道路交通數(shù)據(jù)來源于公開地圖(OSM);④DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(https://www.gscloud.cn),分辨率為30 m,以此提取研究區(qū)高程、坡度等數(shù)據(jù);⑤年平均氣溫和降水量來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://data.cma.cn/)。

1.3 研究方法

1.3.1InVEST模型

運用InVEST模型計算碳儲量的基本假設(shè)為:每個地類的碳儲量是由地上生物碳庫、地下生物碳庫、死亡有機(jī)碳庫、土壤碳庫4個基本碳庫構(gòu)成[15]。該模型首先分析不同地類四大碳庫的平均碳密度[16],匯總得出地類的總碳密度,然后用不同地類的面積乘以地類的總碳密度,統(tǒng)計得出研究區(qū)總碳儲量。其計算公式如下[17]:

Ci=Ci-above+Ci-below+Ci-dead+Ci-soil

Ci-total=Ci×Ai

式中:Ci為地類i的總碳密度(t/hm2);Ci-above為地類i的地上生物碳密度(t/hm2);Ci-below為地類i的地下生物碳密度(t/hm2);Ci-dead為地類i的死亡有機(jī)碳密度(t/hm2);Ci-soil為地類i的土壤碳密度(t/hm2);Ci-total為地類i的總碳儲量;Ai為地類i的面積。

1.3.2碳密度的確定

由于碳密度在不同區(qū)域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境條件的影響下表現(xiàn)出一定的地域性差異,因此,為了提高碳儲量估算的精度,基于項目需求進(jìn)行了取樣測試工作(圖1、圖2),共布設(shè)了10組植物樣方、9組水域沉積物柱狀樣品、51組土壤剖面,樣點設(shè)置基本包含了咸寧市耕地、林地、草地、水域等主要土地利用類型。樣品測試工作由湖北省地質(zhì)實驗測試中心及中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)完成,測試方法和儀器均符合規(guī)范要求。綜合測試數(shù)據(jù)和咸寧市周邊已有研究成果[18-21],最終確定不同土地利用類型的碳密度(表1)。

表1 不同土地利用類型的碳密度(t/hm2)

a.植物樣方取樣;b.沉積物取樣;c.土壤剖面取樣

1.3.3PLUS模型

PLUS模型(Patch-generating Land Use Simulation)是由中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)高性能空間計算智能實驗室(HPSCIL)所開發(fā)的土地利用模擬模型[22]。該模型首先通過隨機(jī)森林算法(RFC)探求不同驅(qū)動因子對地類變化的影響[23],構(gòu)建土地利用類型間的轉(zhuǎn)換模型;然后利用CA-Markov模型精準(zhǔn)地模擬未來不同發(fā)展情景下的土地利用變化[24]。

(1) 驅(qū)動因子的選擇?；谙虒幨袑嶋H情況與數(shù)據(jù)的可獲取性,從地形地貌、氣象水文、地質(zhì)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)等方面,選取高程、坡度、年均降水量、年均氣溫、與水系距離、地層巖性、斷裂帶密度、土壤類型、與道路距離、與縣(市、區(qū))政府距離、GDP、人口等12項驅(qū)動因子。

(2) 鄰域權(quán)重的設(shè)定。鄰域權(quán)重是指不同土地利用類型在外界因子驅(qū)動下擴(kuò)張的能力[25]。取值范圍為0～1,其值越接近1則代表該地類的擴(kuò)張能力越強(qiáng)[26]。參考前人相關(guān)研究[27-28],本次耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地的鄰域權(quán)重分別設(shè)置為0.4、0.3、0.1、0.1、0.3和0.1。

(3) 模型檢驗。Kappa系數(shù)是一項用于一致性檢驗的指標(biāo),可用于檢驗土地利用模擬模型的精度。一般當(dāng)Kappa系數(shù)>0.75時,可表明模擬精度高,結(jié)果能較好地反映土地利用情景。本次以2010年為初始年份,模擬2020年土地利用情況,并與實際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比檢驗。經(jīng)檢驗,本次構(gòu)建的模型Kappa系數(shù)為0.78,總體精度為86.12%,表明可用于模擬2030年的土地利用變化情況。

(4) 模擬情景設(shè)定。根據(jù)2000—2020年土地利用變化規(guī)律,按照現(xiàn)有發(fā)展模式和地類轉(zhuǎn)移概率,對2030年土地利用情況進(jìn)行模擬。本次共設(shè)置3種情景(表2):

表2 不同情景下土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

① 自然發(fā)展情景。根據(jù)2000—2020年土地利用變化規(guī)律,按照現(xiàn)有發(fā)展模式和地類轉(zhuǎn)移概率,在轉(zhuǎn)換過程中除水域外不對任何地類設(shè)限。

② 城鎮(zhèn)發(fā)展情景。充分考慮“一主一副、一組一帶”的城鎮(zhèn)空間發(fā)展需求,打造更具競爭力、吸引力、帶動力的中心城區(qū),加強(qiáng)赤壁市區(qū)域副中心地位,打造沿江咸赤嘉城鎮(zhèn)發(fā)展組群,推進(jìn)幕阜山特色城鎮(zhèn)發(fā)展帶建設(shè)。在此情景中,不限制建設(shè)用地的擴(kuò)張,除水域外任何用地都可以轉(zhuǎn)換成建設(shè)用地[29]。

③ 生態(tài)保護(hù)情景。嚴(yán)守生態(tài)保護(hù)紅線,構(gòu)建百里長江生態(tài)廊道,推進(jìn)河湖濕地保護(hù)修復(fù),加強(qiáng)幕阜山水源涵養(yǎng)生態(tài)功能區(qū)保護(hù),筑牢鄂東南生態(tài)安全屏障。在此情景中,將生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田及水域作為禁止轉(zhuǎn)化區(qū),林地、耕地、草地不允許向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換,同時林地、草地不允許向耕地轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)果與分析

3.1 碳儲量變化分析

2000、2010、2020年咸寧市總碳儲量分別為146.10、148.76、147.36 Tg?？偺純α砍氏仍龊鬁p的趨勢,總體波動不大。其中2000—2010年碳儲量增加2.66 Tg,其原因可能是林地及耕地面積的增加;2010—2020年碳儲量減少1.40 Tg,其原因可能是隨著社會經(jīng)濟(jì)保持高速增長,建設(shè)用地對林地、耕地的侵占。

2000、2010、2020年咸寧市地均碳密度分別為148.16、150.85、149.44 t/hm2。碳密度空間分布格局變化不大(圖3),高值區(qū)主要分布在中南部幕阜山區(qū),中值區(qū)主要分布于各城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點周邊,低值區(qū)主要分布于水系周邊。

圖3 2000—2020年碳密度空間分布圖

從各碳庫角度看(表3),土壤碳庫是四大碳庫中碳儲量最大的碳庫,占比達(dá)60%以上。2000—2020年間,地上生物碳庫、地下生物碳庫與土壤碳庫碳儲量均呈先增后減的趨勢,僅死亡有機(jī)碳庫碳儲量持續(xù)減少。2010—2020年間,四大碳庫碳儲量均呈減少趨勢,主要是因為碳密度較大的耕地和林地轉(zhuǎn)移至其他低碳密度地類,從而造成碳儲量的減少。

表3 2000—2020年不同碳庫碳儲量變化

3.2 土地利用變動及碳儲量響應(yīng)分析

2000—2020年間,咸寧市土地利用類型的空間分布整體格局變化不大(圖4)。其中,耕地主要分布在赤壁、嘉魚、崇陽、通城等地;水域主要為長江、陸水、富水、金水等水系;林地、草地主要分布在南部幕阜山區(qū);建設(shè)用地集中分布在縣(市、區(qū))集鎮(zhèn)周邊;未利用地零散分布。

圖4 2000—2020年土地利用格局圖

由表4可知,2000—2020年間,林地是咸寧市最主要的地類,面積占比達(dá)50%以上,隨著林齡的逐步增長,幼齡林、中齡林面積有所浮動,而成熟林面積持續(xù)增加;其次為耕地,面積占比達(dá)30%以上,呈先增加后減少的趨勢;水域、草地、未利用地則呈現(xiàn)為持續(xù)減少的態(tài)勢;建設(shè)用地是該市擴(kuò)張最快的地類,20年間面積總增長達(dá)223.88 km2,說明社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中建設(shè)用地對其他地類的占用。

表4 2000—2020年各土地利用類型面積變化

從不同地類的碳儲量來看(表5),林地、耕地兩種地類的碳儲量占比達(dá)90%以上。林地、耕地和建設(shè)用地是碳儲量變動最為顯著的地類,2000—2010年間總碳儲量增長了2.66 Tg,林地與耕地面積的擴(kuò)張、林齡的增長是其增加的主要原因。2010—2020年間,除建設(shè)用地碳儲量增長了1.30 Tg外,其余地類碳儲量均有所減少,特別是林地和耕地分別減少了1.18、1.05 Tg,造成總碳儲量減少了1.40 Tg,表明建設(shè)用地面積增加所致的碳儲增量無法彌補(bǔ)林地、耕地面積減少所致的碳儲減量[30]。

表5 2000—2020年不同地類碳儲量變化

3.3 土地利用變動驅(qū)動因子分析

根據(jù)PLUS模型中的驅(qū)動因子模塊,分析得出咸寧市土地利用變動的驅(qū)動因子貢獻(xiàn)度,詳見表6。其中,高程是對耕地、林地、草地變動貢獻(xiàn)度最大的驅(qū)動因子,主要原因是在退耕還林、坡耕地改造等生態(tài)保護(hù)政策下,幕阜山區(qū)等高海拔地區(qū)耕地逐漸轉(zhuǎn)化為林地及草地;對建設(shè)用地變動貢獻(xiàn)度較大的驅(qū)動因子主要包括與道路距離、人口、與縣(市、區(qū))政府距離等社會經(jīng)濟(jì)因子,表明建設(shè)用地的擴(kuò)張集中在人口較稠密、社會經(jīng)濟(jì)活動頻繁的地區(qū);水域及未利用地變動的主要驅(qū)動因子分別為與水系距離、年均降水量。綜合來看,地形地貌與社會經(jīng)濟(jì)因素是影響咸寧市耕地、林地、草地、建設(shè)用地變動的主要驅(qū)動因子,氣象水文因素是影響水域、未利用地變動的主要驅(qū)動因子,地質(zhì)環(huán)境因素對土地利用變動的貢獻(xiàn)程度相對較低。

表6 土地利用變動驅(qū)動因子貢獻(xiàn)度

3.4 多情景下的碳儲量預(yù)測分析

利用PLUS模型對2030年咸寧市不同情景下的土地利用及碳儲量進(jìn)行模擬,詳見圖5。耕地、草地和未利用地面積在3種情景下均有所減少;林地總面積在自然發(fā)展和生態(tài)保護(hù)情景下有所增加,而在城鎮(zhèn)發(fā)展情景下有所減少;水域面積在自然發(fā)展和生態(tài)保護(hù)情景下有所增加,而在城鎮(zhèn)發(fā)展情景下無明顯變動;建設(shè)用地面積在自然發(fā)展情景下略有增加,在城鎮(zhèn)發(fā)展情景下大幅增加,而在生態(tài)保護(hù)情景下則有所減少。

圖5 不同情景下土地利用格局預(yù)測圖

由表7可知,在3種情景下,2030年咸寧市總碳儲量預(yù)測分別為148.25、147.03、148.35 Tg。相較于2020年,在自然發(fā)展和生態(tài)保護(hù)情景下總碳儲量分別增加0.89、0.99 Tg,而在城鎮(zhèn)發(fā)展情景下總碳儲量減少了0.33 Tg。2030年該市地均碳密度預(yù)測分別為150.34、149.10、150.45 t/hm2,碳密度空間分布總體上依然呈現(xiàn)出幕阜山區(qū)密度高、城鎮(zhèn)居民點周邊密度中等、北部水系周邊密度低的特征(圖6)。3種情景下,林地和耕地面積的變化均對碳儲量產(chǎn)生了較大影響;在城鎮(zhèn)發(fā)展情景下,建設(shè)用地面積的增加導(dǎo)致了較為顯著的碳儲量減少,由此推斷林地和耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換是導(dǎo)致區(qū)域碳儲量減少的關(guān)鍵因素。在未來的城市規(guī)劃與發(fā)展中,應(yīng)更加注重耕地和林地保護(hù),控制建設(shè)用地規(guī)模,進(jìn)一步增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)碳匯,以促進(jìn)城市綠色低碳可持續(xù)發(fā)展。

表7 不同情景下各地類面積及碳儲量預(yù)測

圖6 不同情景下碳密度空間分布預(yù)測圖

4 結(jié)論與建議

(1) 2000、2010、2020年,咸寧市總碳儲量分別為146.10、148.76、147.36 Tg,呈先增后減的趨勢,整體波動較小;地均碳密度分別為148.16、150.85、149.44 t/hm2,其中高值區(qū)主要分布于中南部幕阜山區(qū),中值區(qū)主要分布于各城鎮(zhèn)及農(nóng)村居民點周邊,低值區(qū)主要分布于水系周邊。

(2) 林地和耕地是咸寧市主要的土地利用類型,兩者面積占比超過80%,碳儲量占比則更是高達(dá)90%以上。建設(shè)用地是咸寧市擴(kuò)張最快的土地利用類型,2000—2020年間總增長面積達(dá)223.88 km2。土壤碳庫是四大碳庫中碳儲量最大的碳庫,占比達(dá)60%以上。

(3) 地形地貌與社會經(jīng)濟(jì)因素是影響咸寧市耕地、林地、草地和建設(shè)用地變動的主要驅(qū)動因子,氣象水文因素是影響水域和未利用地變動的主要驅(qū)動因子,地質(zhì)環(huán)境因素對土地利用變動的貢獻(xiàn)程度相對較低。

(4)在自然發(fā)展和生態(tài)保護(hù)情景下,咸寧市總碳儲量分別增加0.89、0.99 Tg。而在城鎮(zhèn)發(fā)展情景下,總碳儲量減少了0.33 Tg,減少的原因主要為耕地和林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移所致。為提高區(qū)域碳儲量,建議進(jìn)一步加強(qiáng)對耕地和林地的保護(hù)力度,積極實施生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程。

(5) InVEST模型是基于土地利用和四大碳庫碳密度數(shù)據(jù)估算碳儲量,其概化了碳循環(huán)過程,因此具體碳儲量估算結(jié)果與實際結(jié)果可能存在一定誤差。此外,碳密度會受到氣象、水文、植被、土壤、社會經(jīng)濟(jì)活動等多種因素的影響,表現(xiàn)出不同時期的動態(tài)差異性。在今后的研究中,可選取高精度、精細(xì)化分類的土地利用數(shù)據(jù),并對不同時期碳密度進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測,為碳儲量的動態(tài)估算提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。