何青松,蔣 旭

華中科技大學(xué)公共管理學(xué)院, 武漢 430074

全球氣候變暖及其引發(fā)的海平面上升、災(zāi)害頻發(fā)、生物多樣性減少等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題使碳排放成為世界各國(guó)政府和學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[1],為積極應(yīng)對(duì)全球氣候變化,中國(guó)政府在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布:“中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！辈⑦@一目標(biāo)納入十四五規(guī)劃。2021年10月,中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《碳達(dá)峰碳中和意見(jiàn)》,指出要持續(xù)鞏固提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力和碳匯增量。鞏固和提升碳匯能力是實(shí)現(xiàn)碳中和的必由之路,而陸地生態(tài)系統(tǒng)表面分布大量的固碳單元,在吸收CO2、調(diào)節(jié)氣候變化方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。提高陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量是減緩溫室效應(yīng)最經(jīng)濟(jì)可行且對(duì)環(huán)境友好的途徑之一[2]。土地利用變化通過(guò)改變地球表面的生物地球化學(xué)過(guò)程及其能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán),進(jìn)而改變土壤和植被的固碳能力,對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量產(chǎn)生深刻影響[3],是引起區(qū)域碳收支變化的重要原因。土地政策通過(guò)影響土地利用變化進(jìn)一步改變陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量[4],因此研究土地政策引導(dǎo)下的土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響對(duì)維持區(qū)域碳循環(huán)的平衡與穩(wěn)定具有重要意義。

城市建設(shè)用地快速擴(kuò)張并侵占耕地對(duì)糧食安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[5],為保障糧食安全,中國(guó)政府實(shí)行了一系列的耕地保護(hù)措施,其中最嚴(yán)格的就是耕地占補(bǔ)平衡政策。1997年,黨中央印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)土地管理切實(shí)保護(hù)耕地的通知》,首次提出各省(區(qū)、市)保持耕地總量動(dòng)態(tài)平衡的要求,并在次年將耕地占補(bǔ)平衡條款寫(xiě)進(jìn)《中華人民共和國(guó)土地管理法》,成為耕地占補(bǔ)平衡制度的發(fā)端[6]。2000-2020年,中國(guó)耕地?cái)?shù)量基本實(shí)現(xiàn)平衡[7],耕地占補(bǔ)平衡政策在控占、制補(bǔ)方面取得了顯著成效[8];但政策在執(zhí)行過(guò)程中也顯露出一些弊端,補(bǔ)充耕地時(shí)“填湖造田”、“毀林補(bǔ)耕”等現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮[9];地方占而不補(bǔ)、占多補(bǔ)少、占優(yōu)補(bǔ)劣、占整補(bǔ)零、占水田補(bǔ)旱地等現(xiàn)象普遍存在[10];同時(shí)補(bǔ)充的耕地多來(lái)自林地、草地、濕地等高碳密度的生態(tài)用地[11],會(huì)直接影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量。因此,定量評(píng)估耕地占補(bǔ)面積變化對(duì)區(qū)域碳儲(chǔ)量的影響能夠?yàn)閰^(qū)域未來(lái)的國(guó)土空間規(guī)劃以及生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供一定的科學(xué)依據(jù)。

當(dāng)前,關(guān)于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的研究較多。國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從單一[12]或綜合性[13]的生態(tài)系統(tǒng)探究土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響,大尺度的研究范圍集中在國(guó)家[14-15]、省域[16]、城市群[17-18],小尺度集中在市域[19]、縣域[20]、流域[21-23]或典型生態(tài)區(qū)[24],研究?jī)?nèi)容包括土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響[25]、碳儲(chǔ)量時(shí)空演變特征[26]、碳儲(chǔ)量驅(qū)動(dòng)力分析[27],此外,也有部分學(xué)者耦合土地利用模擬模型對(duì)未來(lái)土地利用變化和碳儲(chǔ)量變化進(jìn)行多情景模擬預(yù)測(cè)[13]。目前大多數(shù)成果都集中在區(qū)域土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量影響的總體分析,缺乏對(duì)單一地類(lèi)的碳儲(chǔ)量的變化進(jìn)行深入研究。而耕地土壤有機(jī)碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的碳庫(kù)[28],受耕地保護(hù)政策引導(dǎo)下的耕地占用和補(bǔ)償作為最主要的土地利用變化形式將不可避免地改變土地的固碳能力,從而對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量產(chǎn)生重要影響。已有研究表明,2000-2010年,中國(guó)耕地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致碳儲(chǔ)量減少了約1.76 Tg,是城市擴(kuò)張?jiān)斐傻奶純?chǔ)量損失的1.12倍[29]。因此,單獨(dú)探討碳儲(chǔ)量對(duì)耕地變化的響應(yīng)是減少耕地碳排放、增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的前提。現(xiàn)有的耕地碳儲(chǔ)量評(píng)估方法主要有野外調(diào)查、遙感反演和模型模擬。傳統(tǒng)的野外調(diào)查法獲取的碳密度數(shù)據(jù)精度高,但是工作量大,成本高,且空間代表性不足,無(wú)法反映碳儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)變化和空間格局。隨著3S技術(shù)的發(fā)展,大量學(xué)者開(kāi)始運(yùn)用CASA、Bookkeeping、DNDC等模型估算碳儲(chǔ)量。和其他模型相比,InVEST模型具有使用簡(jiǎn)單、參數(shù)靈活、評(píng)估結(jié)果的空間可視化等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于碳儲(chǔ)量評(píng)估研究。與SD、CLUE-S、FLUS、ANN-CA等土地利用模擬模型相比,PLUS模型可根據(jù)隨機(jī)森林算法挖掘地類(lèi)轉(zhuǎn)移概率,在數(shù)量、位置、細(xì)尺度元胞變化和景觀格局相似度方面優(yōu)于其他模型,其結(jié)果可以更好地支持未來(lái)碳儲(chǔ)量多情景評(píng)估及空間規(guī)劃政策實(shí)施。

基于此,本文以湖北省為研究對(duì)象,運(yùn)用InVEST模型定量評(píng)估2000-2020年耕地占補(bǔ)面積時(shí)空變化對(duì)區(qū)域碳儲(chǔ)量的影響及碳儲(chǔ)量變化值的空間關(guān)聯(lián)特征,結(jié)合PLUS模型預(yù)測(cè)2030年湖北省四種不同發(fā)展情景下的土地利用和碳儲(chǔ)量時(shí)空變化格局,以期為湖北省國(guó)土空間規(guī)劃和“雙碳”戰(zhàn)略規(guī)劃提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

湖北省位于中國(guó)中部,長(zhǎng)江中游,總面積1.86×105km2,轄13個(gè)地級(jí)行政區(qū)、103個(gè)縣級(jí)行政區(qū)。湖北省地勢(shì)呈三面高起、中間低平、向南敞開(kāi)、北有缺口的不完整盆地,大別山、秦巴山、武陵山、幕阜山坐落四周,中部平原耕地豐沃,資源多樣,水網(wǎng)縱橫,湖泊密布,國(guó)土空間呈現(xiàn)“五分林地三分田,一分城鄉(xiāng)一分水”的總體格局,是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展、長(zhǎng)江中游城市群建設(shè)等國(guó)家戰(zhàn)略的重要承載地。中部崛起戰(zhàn)略實(shí)施以來(lái),湖北省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,快速城市化導(dǎo)致大量耕地流失,而耕地補(bǔ)償又導(dǎo)致了對(duì)生態(tài)用地的進(jìn)一步侵占,經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾日益嚴(yán)重,將持續(xù)影響區(qū)域碳儲(chǔ)量的變化,以湖北省為研究區(qū)探討耕地占用和補(bǔ)償引起的碳儲(chǔ)量變化可為中部其他省份綠色可持續(xù)發(fā)展提供參考與借鑒。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

(1)土地利用數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。以美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat TM/ETM遙感影像數(shù)據(jù)作為主信息源,選取2000、2005、2010、2015、2020年共五期的湖北省土地利用遙感影像,空間分辨率為30 m×30 m。根據(jù)土地資源及其利用屬性,將土地利用類(lèi)型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地六大類(lèi)。

(2)土地利用變化驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)。共選取社會(huì)經(jīng)濟(jì)和氣候環(huán)境共12個(gè)驅(qū)動(dòng)因子來(lái)模擬2030年湖北省的土地利用變化(表1)。首先在ArcGIS中統(tǒng)一所有驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)和限制轉(zhuǎn)換區(qū)域數(shù)據(jù)的投影坐標(biāo)系,然后將所有土地利用數(shù)據(jù)和限制轉(zhuǎn)換區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)一為相同的行列數(shù),最后在PLUS模型中將土地利用數(shù)據(jù)和限制轉(zhuǎn)換區(qū)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為unsigned char格式。

表1 土地利用模擬預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Land use simulation and prediction data

2 研究方法

2.1 研究技術(shù)路線

本文首先利用2000、2005、2010、2015和2020年共五期的土地利用數(shù)據(jù)在ArcGIS中進(jìn)行疊加分析,提取占用耕地和補(bǔ)充耕地的地塊,并運(yùn)用耕地面積凈變化率、耕地變化動(dòng)態(tài)度等指標(biāo)對(duì)湖北省耕地占補(bǔ)進(jìn)行時(shí)間和空間特征的分析。然后結(jié)合獲取到的碳密度數(shù)據(jù),運(yùn)用InVEST模型計(jì)算耕地占補(bǔ)面積變化對(duì)湖北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化的貢獻(xiàn),并從縣級(jí)行政單元的尺度對(duì)耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化值進(jìn)行空間自相關(guān)分析。最后根據(jù)前人的研究[30],選取12個(gè)影響土地利用變化的驅(qū)動(dòng)因子,通過(guò)調(diào)整土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,設(shè)置自然發(fā)展情景、耕地保護(hù)情景、生態(tài)保護(hù)情景和城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)情景四種發(fā)展情景,運(yùn)用PLUS模型模擬湖北省2030年的土地利用格局及未來(lái)的碳儲(chǔ)量分布,研究框架如圖1所示。

圖1 研究框架Fig.1 Research framework

2.2 耕地變化數(shù)量特征

(1)耕地面積凈變化率

占用耕地(Requisitioned Farmland,RF)被定義為研究初期為耕地且研究末期為非耕地的地塊,補(bǔ)充耕地(Compensatory Farmland,CF)被定義為研究初期為非耕地且研究末期為耕地的地塊。引入耕地面積凈變化率(NCR)反映耕地面積的相對(duì)增減情況。

(1)

式中,AreaCF為研究時(shí)段內(nèi)補(bǔ)充耕地的面積,AreaRF為研究時(shí)段內(nèi)占用耕地的面積,Area初為研究初期耕地的總面積。

(2)耕地變化動(dòng)態(tài)度

耕地變化動(dòng)態(tài)度反映耕地資源在研究時(shí)段內(nèi)的變化幅度和變化速度,動(dòng)態(tài)度絕對(duì)值越高,說(shuō)明耕地資源穩(wěn)定性越差。

(2)

式中,K為耕地變化動(dòng)態(tài)度;Ux、Uy分別為研究初期和末期耕地的面積;T為間隔的時(shí)間段。

2.3 碳儲(chǔ)量計(jì)算方法--InVEST模型

(1)碳儲(chǔ)量的計(jì)算

InVEST模型基于土地利用柵格圖和四大碳庫(kù),可以定量準(zhǔn)確地估算當(dāng)前景觀下的區(qū)域碳儲(chǔ)量,進(jìn)而比較和分析不同時(shí)期碳儲(chǔ)量的增減情況。InVEST模型計(jì)算碳儲(chǔ)量的基本假設(shè)為:各地類(lèi)對(duì)應(yīng)一個(gè)由地下生物量碳密度、地上生物量碳密度、死亡有機(jī)質(zhì)碳密度和土壤有機(jī)質(zhì)碳密度構(gòu)成的總碳密度[31],且某一種地類(lèi)的碳密度是常量。地下生物量碳密度是指地下各植物根系中的碳密度,地上生物量碳密度是指表層陸地上存活植物的碳密度,死亡有機(jī)質(zhì)碳密度是指枯枝落葉及死亡植物中的有機(jī)碳密度,土壤有機(jī)質(zhì)碳密度是指地表20-100 cm以下的土壤中儲(chǔ)存的有機(jī)質(zhì)碳密度,計(jì)算公式如下:

表2 研究區(qū)土地利用類(lèi)型的碳密度/(t/hm2)Table 2 Carbon density of land use types in the study area

Ci=Ciabove+Cibelow+Cidead+Cisoil

(3)

Citotal=Ci×Ai

(4)

式中,Ci為地類(lèi)i的總碳密度;Ciabove為地類(lèi)i的地上生物量碳密度;Cibelow為地類(lèi)i的地下生物量碳密度;Cidead為地類(lèi)i的死亡有機(jī)質(zhì)碳密度;Cisoil為地類(lèi)i的土壤有機(jī)質(zhì)碳密度;Citotal為地類(lèi)i的總碳儲(chǔ)量;Ai為地類(lèi)i的面積。

(2)碳密度數(shù)據(jù)

為保證碳密度數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性,碳密度數(shù)據(jù)優(yōu)先選用湖北省的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),若湖北省數(shù)據(jù)缺失,則采用鄰近緯度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或文獻(xiàn)整理數(shù)據(jù)。本文參考張斌[18]匯總的湖北省各地類(lèi)的碳密度數(shù)據(jù)(表2)。

2.4 碳儲(chǔ)量變化空間自相關(guān)分析

(1)全局空間自相關(guān)

全局空間自相關(guān)能體現(xiàn)區(qū)域地理要素整體的關(guān)聯(lián)性和分布特征。本文以2000-2005年、2005-2010年、2010-2015年、2015-2020年、2000-2020年五個(gè)時(shí)期縣級(jí)單元尺度由耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化值作為變量,在Geoda軟件中構(gòu)建空間權(quán)重矩陣,計(jì)算全局Moran′sI,公式如下:

(5)

全局Moran′sI的取值范圍為[-1,1],Moran′sI>0意味著耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化存在正的空間自相關(guān),值越大,碳儲(chǔ)量變化值相近集聚程度越高;Moran′sI<0意味著負(fù)相關(guān),值越小,碳儲(chǔ)量變化值相異而聚集的程度越高;Moran′sI=0意味著不存在空間自相關(guān),可以使用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Z來(lái)檢驗(yàn)全局Moran′sI:

(6)

式中,E(I)和VAR(I)為Moran′sI的期望值和方差,顯著性水平通常取0.05,臨界值為1.96。當(dāng)Z>1.96時(shí),耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化高值與高值聚集,低值與低值聚集;當(dāng)Z<-1.96時(shí),高值與低值聚集或低值與高值聚集;當(dāng)|Z|<1.96時(shí),空間自相關(guān)性不顯著,成隨機(jī)分布。

(2)局部空間自相關(guān)

本文通過(guò)LISA聚類(lèi)圖揭示湖北省各縣級(jí)行政單元由耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化值的局部相似性與差異性,計(jì)算公式如下:

(7)

式中,Ii為第i個(gè)縣的局部Moran′sI,Ii>0表示相鄰區(qū)域的碳儲(chǔ)量變化值空間差異小,為“高高聚類(lèi)”或“低低聚類(lèi)”類(lèi)型;Ii<0表明相鄰區(qū)域的碳儲(chǔ)量變化值空間差異大,為“高低聚類(lèi)”或“低高聚類(lèi)”類(lèi)型。

2.5 土地利用變化模擬--PLUS模型

PLUS模型是一個(gè)基于柵格數(shù)據(jù)的可用于斑塊尺度土地利用變化模擬的元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型。模型集成了基于用地?cái)U(kuò)張分析策略(LEAS)的規(guī)則挖掘方法和基于多類(lèi)型隨機(jī)種子(CARS)的CA模型,可用于挖掘土地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動(dòng)因素并預(yù)測(cè)土地利用景觀的斑塊級(jí)演化[30]。LEAS模塊提取兩期土地利用變化間各類(lèi)用地?cái)U(kuò)張的部分,并從增加部分中采樣,采用隨機(jī)森林算法逐一對(duì)各類(lèi)土地利用擴(kuò)張和驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行挖掘,獲取用地發(fā)展概率及驅(qū)動(dòng)因素對(duì)用地?cái)U(kuò)張的貢獻(xiàn)。CARS模塊結(jié)合隨機(jī)種子生成和閾值遞減機(jī)制,在發(fā)展概率的約束下,時(shí)空動(dòng)態(tài)地模擬斑塊的自動(dòng)生成。PLUS模型的具體使用包括三部分:

(1)驗(yàn)證模型的模擬精度。

選擇湖北省2000年和2010年的土地利用數(shù)據(jù),使用Markov模型預(yù)測(cè)2020年的土地利用需求,選取人口、GDP等12個(gè)驅(qū)動(dòng)因子在LEAS模塊中獲取土地發(fā)生概率,然后將各種參數(shù)設(shè)定在CARS模塊運(yùn)行,得到2020年的土地利用模擬數(shù)據(jù),將2020年的土地利用模擬數(shù)據(jù)與2020年的土地利用實(shí)際情況對(duì)比,若Kappa系數(shù)和總體精度較大,說(shuō)明模型模擬精度較高,可用于預(yù)測(cè)未來(lái)不同情景下的土地利用狀況。

(2)未來(lái)土地利用多情景設(shè)置

在模擬精度符合要求的前提下,基于2010年和2020年的土地利用數(shù)據(jù),通過(guò)調(diào)整Markov Chain模擬湖北省2030年四種不同的土地利用情景。①自然發(fā)展情景。該情景遵循土地利用結(jié)構(gòu)自然演變規(guī)律,默認(rèn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r將與目前的趨勢(shì)保持一致,不受人為干預(yù),2030年土地利用需求根據(jù)2010-2020年的Markov Chain計(jì)算得到,是其他情景模擬的基礎(chǔ)。②耕地保護(hù)情景。該情景通過(guò)遏制建設(shè)用地侵占耕地及減緩耕地向其他地類(lèi)轉(zhuǎn)移的速率來(lái)保護(hù)耕地。將耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的概率降低60%,耕地向林地、草地和水域轉(zhuǎn)移的概率降低30%,來(lái)預(yù)測(cè)2030年耕地保護(hù)情景下的土地利用狀況。③生態(tài)保護(hù)情景。該情景通過(guò)加強(qiáng)其他地類(lèi)向生態(tài)用地轉(zhuǎn)化和減緩生態(tài)用地轉(zhuǎn)出來(lái)實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)。本文將林地、草地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的概率分別降低50%,將耕地向林地轉(zhuǎn)移的概率增加30%,向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的概率放緩30%,來(lái)預(yù)測(cè)2030年湖北省生態(tài)保護(hù)情景下的土地利用狀況。④城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)情景?？紤]到湖北省土地城鎮(zhèn)化較為迅速,建設(shè)用地侵占耕地現(xiàn)象突出,本文將耕地、林地、草地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)移概率分別增加20%,將建設(shè)用地向除耕地以外的其他地類(lèi)轉(zhuǎn)移的概率降低20%,來(lái)預(yù)測(cè)2030年湖北省城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)情景下的土地利用狀況。

(3)模型參數(shù)設(shè)置

不同情景的土地利用需求根據(jù)前一步未來(lái)情景建模及Markov模型預(yù)測(cè)結(jié)果填寫(xiě)。轉(zhuǎn)移矩陣表示各地類(lèi)間的轉(zhuǎn)移規(guī)則,1表示可以轉(zhuǎn)變,0表示不能轉(zhuǎn)變,本文設(shè)置各類(lèi)型用地都能互相轉(zhuǎn)化,矩陣皆為1。鄰域權(quán)重參考王保盛等[41]的研究,根據(jù)各用地類(lèi)型2010-2020年歷史過(guò)程中的擴(kuò)張歸一化值賦值,公式如下:

(8)

式中,Wi是第i類(lèi)土地利用類(lèi)型鄰域權(quán)重,TAi為第i類(lèi)土地?cái)U(kuò)張面積,TAmin為各類(lèi)土地利用類(lèi)型最小擴(kuò)張面積,TAmax為各類(lèi)土地利用類(lèi)型最大擴(kuò)張面積。由于在實(shí)際情況中,即使是計(jì)算出來(lái)鄰域權(quán)重為0的地類(lèi)也會(huì)擴(kuò)張,因此本文將最小擴(kuò)張面積的地類(lèi)的鄰域權(quán)重人為設(shè)定為0.1。

3 結(jié)果與分析

3.1 湖北省耕地占補(bǔ)平衡狀況分析

2000-2020年,湖北省耕地面積凈變化率為-3.89%,耕地面積略微下降,基本實(shí)現(xiàn)耕地占補(bǔ)平衡。占用耕地的來(lái)源以建設(shè)用地、水域和林地為主,分別解釋了50.6%、25.3%和22.8%的耕地?fù)p失。耕地占用主要與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化進(jìn)程加快以及國(guó)家政策驅(qū)動(dòng)有關(guān),如中部崛起戰(zhàn)略的實(shí)施、1998年特大洪水后的大江大河治理、退耕還湖、長(zhǎng)江平垸行洪、移民建鎮(zhèn)以及1999年生態(tài)退耕政策的實(shí)施。補(bǔ)充耕地的來(lái)源主要是林地、水域和建設(shè)用地復(fù)墾,分別解釋了67.7%、13.9%、13.6%的耕地增加。湖北省耕地占補(bǔ)進(jìn)入“城市建設(shè)侵占耕地-開(kāi)墾生態(tài)用地補(bǔ)充耕地-繼續(xù)占用耕地建設(shè)城市”的循環(huán)。分時(shí)段來(lái)看(表3),耕地占補(bǔ)導(dǎo)致耕地面積經(jīng)歷了先減少后增加的過(guò)程,20年間耕地變化動(dòng)態(tài)度為-0.39%。2000-2005年,耕地變化動(dòng)態(tài)度為-0.25%,占用耕地的來(lái)源主要是水域和建設(shè)用地,補(bǔ)充耕地的來(lái)源主要是水域和林地,耕地占補(bǔ)規(guī)模都不大。2005-2010年期間耕地減少最快,耕地變化動(dòng)態(tài)度達(dá)到-0.59%,占用耕地的來(lái)源主要是林地和建設(shè)用地,補(bǔ)充耕地的來(lái)源主要是林地和水域,耕地占補(bǔ)規(guī)模都有了快速增長(zhǎng)。2010-2015年,耕地減少速度放緩,耕地變化動(dòng)態(tài)度為0.38%,在該階段耕地占用面積相較上一個(gè)時(shí)期下降而補(bǔ)償面積上升,建設(shè)用地成為耕地占用的第一大來(lái)源,耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積占耕地占用總面積高達(dá)80.2%。2014年,國(guó)土資源部出臺(tái)《關(guān)于強(qiáng)化管控落實(shí)最嚴(yán)格耕地保護(hù)制度的通知》,嚴(yán)格控制耕地非農(nóng)化,此后在2015-2020年期間湖北省耕地面積出現(xiàn)正向增長(zhǎng),建設(shè)用地占用耕地面積大幅下降,而林地成為補(bǔ)充耕地的主要來(lái)源。

表3 湖北省2000-2020年耕地占用及補(bǔ)償面積/hm2Table 3 Area of Cropland Occupation and Compensation in Hubei Province from 2000 to 2020

從空間上看(圖2),耕地被占用的地塊都比較集中,主要分布在中南部等社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的地區(qū),而補(bǔ)充的耕地則比較零散,這可能會(huì)加劇耕地破碎化。分地州來(lái)看(圖3),各地州的耕地占補(bǔ)情況差異較大。各地州的耕地面積凈變化率均為負(fù)值,20年間沒(méi)有地州的耕地面積增加。其中,武漢市、仙桃市、鄂州市耕地面積凈變化率都≤-8.60%,鄂州市甚至達(dá)到了-10.85%,說(shuō)明這幾個(gè)地級(jí)市城鄉(xiāng)建設(shè)占用耕地面積大,耕地流失嚴(yán)重。潛江市、荊州市、黃石市、咸寧市耕地面積凈減少超過(guò)4%,補(bǔ)充的耕地面積明顯低于占用面積。恩施土家族苗族自治州和神農(nóng)架林區(qū)的耕地面積凈變化率接近零(NCR>-2.18%),較好地實(shí)現(xiàn)了耕地占補(bǔ)平衡。其他地級(jí)市基本實(shí)現(xiàn)了耕地占補(bǔ)平衡(-3.99%

圖2 2000-2020年耕地占補(bǔ)分布圖Fig.2 Distribution map of cultivated land occupied and replenished from 2000 to 2020

圖3 各市州2000-2020年耕地面積凈變化率Fig.3 Net change rate of cultivated land area in each city and state from 2000 to 2020

3.2 耕地占補(bǔ)面積變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響

根據(jù)2000-2020年的土地利用數(shù)據(jù)和碳密度數(shù)據(jù),運(yùn)用InVEST模型計(jì)算湖北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量(圖4)。2000-2020年湖北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量呈先減后增的趨勢(shì),20年間共減少2.2×107t,減幅為0.88%,年均減少1.1×106t。2000-2005、2005-2010、2010-2015年三個(gè)時(shí)間段的減幅分別為0.18%、0.44%、0.51%;2015-2020年,由于碳密度較低的建設(shè)用地和水域轉(zhuǎn)變?yōu)樘济芏容^高的耕地和草地,碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)了0.25%。從不同土地利用類(lèi)型來(lái)看,耕地和林地貢獻(xiàn)了大部分的碳儲(chǔ)量,兩者之和占所有土地利用類(lèi)型碳儲(chǔ)量的90%以上,耕地和林地被過(guò)度侵占也是2000-2020年碳儲(chǔ)量下降的主要原因。

圖4 2000-2020年各土地利用類(lèi)型碳儲(chǔ)量Fig.4 Carbon storage by land use type from 2000 to 2020

耕地占補(bǔ)平衡政策通過(guò)人工干預(yù)改變土地利用類(lèi)型,進(jìn)而對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量造成巨大影響。根據(jù)湖北省2000-2020年耕地占用和耕地補(bǔ)償?shù)牡仡?lèi)面積及不同地類(lèi)之間碳密度的差值,計(jì)算由耕地占補(bǔ)面積變化導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化值(圖5)。2000-2005年、2005-2010年、2010-2015年、2015-2020年四個(gè)時(shí)段耕地占補(bǔ)面積變化導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化量占所有土地利用變化導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化量的比例分別為68.45%、59.45%、57.86%、55.46%,二十年整體占比為61.38%,達(dá)一半以上,說(shuō)明耕地占補(bǔ)面積變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量影響巨大,但隨著時(shí)間的推移其影響在減小。分時(shí)段和耕地占補(bǔ)類(lèi)型來(lái)看(表4),耕地占補(bǔ)面積變化導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量損失在2000-2015年期間不斷增加,而2015-2020年耕地占補(bǔ)給碳儲(chǔ)量帶來(lái)了正向增長(zhǎng)。2000-2005年,耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量損失為3.1×106t,該階段,水域和建設(shè)用地占用耕地是碳儲(chǔ)量減少的主要原因。2005-2010年,碳儲(chǔ)量進(jìn)一步減少,除建設(shè)用地和水域占用耕地導(dǎo)致碳儲(chǔ)量損失外,占用林地補(bǔ)償耕地也是這一時(shí)期碳儲(chǔ)量損失的重要原因,并成為碳儲(chǔ)量損失的第二大來(lái)源。2010-2015年,耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量損失達(dá)到峰值。這一時(shí)期,耕地補(bǔ)償帶來(lái)了碳儲(chǔ)量的正向增長(zhǎng),主要原因是占用林地、草地補(bǔ)充耕地的面積開(kāi)始下降,且水域補(bǔ)充為耕地和建設(shè)用地復(fù)墾為耕地帶來(lái)的碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)抵消了林地、草地補(bǔ)充為耕地帶來(lái)的碳儲(chǔ)量損失。但耕地被占用導(dǎo)致了更多的碳儲(chǔ)量損失,主要原因是這一時(shí)期占用的耕地主要轉(zhuǎn)變成了建設(shè)用地,轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸氐恼急群苌?不足以抵消轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量損失。因此2010-2015年期間碳儲(chǔ)量損失值是四個(gè)時(shí)期最多的。2015-2020年,耕地占用和耕地補(bǔ)償均帶來(lái)了碳儲(chǔ)量的正向增長(zhǎng)。這一時(shí)期,由于嚴(yán)格控制耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變,且有相當(dāng)數(shù)量的建設(shè)用地復(fù)墾為耕地和退耕還林還草以及水域向耕地轉(zhuǎn)變的面積增加,使陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量增長(zhǎng)了3.4×106t?？傮w而言,2000-2020年耕地占補(bǔ)面積變化導(dǎo)致湖北省碳儲(chǔ)量減少1.3×107t,其中耕地占用面積3.9×105hm2,導(dǎo)致碳儲(chǔ)量減少9.7×106t,主要是耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和水域?qū)е绿純?chǔ)量的損失;耕地補(bǔ)償面積3.7×105hm2,導(dǎo)致碳儲(chǔ)量減少3.8×106t,主要是占用林地、草地等生態(tài)用地用于補(bǔ)償流失的耕地導(dǎo)致碳儲(chǔ)量的損失。

圖5 2000-2020年耕地占補(bǔ)碳儲(chǔ)量變化值Fig.5 Change value of carbon storage in cropland from 2000 to 2020

表4 2000-2020年湖北省耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化值/tTable 4 2000-2020 Change value of carbon storage caused by cropland occupation and compensation in Hubei Province

為更清楚地反映湖北省耕地占補(bǔ)面積變化對(duì)碳儲(chǔ)量影響的空間格局,對(duì)相鄰兩個(gè)時(shí)期的碳儲(chǔ)量空間分布圖進(jìn)行柵格減法運(yùn)算,再將由耕地占用和耕地補(bǔ)償導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化符號(hào)化顯示,得到柵格單元上由耕地占用和耕地補(bǔ)償導(dǎo)致的碳固持和碳損失情況(圖6)。2000-2005年,碳固持的地類(lèi)面積很小,主要集中在武漢市中部,零星分散在湖北省西部的十堰市、恩施州和宜昌市,由水域補(bǔ)償耕地和退耕還林帶來(lái)碳儲(chǔ)量增長(zhǎng);碳損失集中在武漢市、仙桃市、鄂州市和荊州市東部,由建設(shè)用地占用耕地和水域占用耕地導(dǎo)致碳儲(chǔ)量損失。2005-2010年,碳固持面積較上一時(shí)期有了大幅增長(zhǎng),集中在宜昌市和黃岡市西北部、孝感市東北部以及荊州市和恩施州的東部;碳損失集中在荊州市東南部、隨州市東部和武漢市中心城區(qū)四周。2010-2015年,碳固持面積又進(jìn)一步縮小,集中分布在武漢市;碳損失小范圍地集中在襄陽(yáng)市中部、天門(mén)市和孝感市交界處以及武漢市中心城區(qū)四周。2015-2020年,碳固持面積大幅增長(zhǎng),集中在中南部的江漢平原和隨州市東部和襄陽(yáng)市北部;碳損失的面積較上一時(shí)期則有所下降,集中在恩施州東部和湖北省東北部。從2000-2020年整個(gè)時(shí)段來(lái)看,湖北省耕地占補(bǔ)面積變化導(dǎo)致的碳固持的地塊面積為1.29×105hm2,碳固持的地塊分布較零散且均勻;碳損失的地塊面積為3.88×105hm2,遠(yuǎn)大于碳固持的面積,且集中分布在湖北省中南部和襄陽(yáng)市、隨州市中部,這些區(qū)域地形平坦,水系豐富,人口密集,高碳密度的耕地更容易被低碳密度的建設(shè)用地侵占。

圖6 2000-2020年湖北省耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量空間分布變化Fig.6 Spatial distribution of carbon storage caused by cropland occupation and compensation in Hubei Province from 2000 to 2020

3.3 耕地占補(bǔ)碳儲(chǔ)量變化值空間關(guān)聯(lián)性分析

在ArcGIS中匯總統(tǒng)計(jì)湖北省縣級(jí)行政單元耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化值,并在GeoDa軟件中進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析,得到五個(gè)時(shí)段的全局Moran′sI(表5)。在α=0.01水平上,五個(gè)時(shí)段的Z值均大于閾值2.58,通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。Moran′sI均大于0,說(shuō)明耕地占補(bǔ)面積變化導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化值具有明顯的空間集聚性,但空間集聚程度隨時(shí)間推移在波動(dòng)變化,并不穩(wěn)定。

表5 湖北省耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化值全局莫蘭指數(shù)Table 5 Global Moran′s I of carbon storage changes caused by cropland occupation and compensation in Hubei Province

為更好地揭示湖北省各縣級(jí)行政區(qū)由耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化值的局部聚集特征,對(duì)其進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析(圖7)。2000-2005年,由耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化值“高高聚集”區(qū)包括17個(gè)縣級(jí)行政區(qū),主要集中在湖北省西南部和西部,包括恩施州、神農(nóng)架林區(qū)、十堰市的竹山縣以及宜昌市的興山縣、長(zhǎng)陽(yáng)縣、五峰縣、宜都市、枝江市、西陵區(qū)、伍家崗區(qū),這些地區(qū)和其周?chē)鷧^(qū)域的碳儲(chǔ)量變化值都較大。2000年,湖北省退耕還林工程在秭歸、咸豐、竹溪和神農(nóng)架開(kāi)展試點(diǎn),2002年全面啟動(dòng)實(shí)施,低碳密度的耕地向高碳密度的林地轉(zhuǎn)變使這些地區(qū)的碳儲(chǔ)量出現(xiàn)增長(zhǎng)。到2005-2010年,耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化值“高高聚集”區(qū)減少為7個(gè),主要集中在湖北省西部,西南部和西北部的部分縣由“高高聚集”區(qū)向不顯著和“低高聚集”區(qū)轉(zhuǎn)變。2010-2015年,“高高聚集”區(qū)又新增為13個(gè),且向西南部轉(zhuǎn)移,同時(shí)東部黃岡市的蘄春縣、浠水縣和武漢市的江漢區(qū)新增為“高高聚集”區(qū)。由于這一時(shí)期建設(shè)用地成為占用耕地的第一大來(lái)源,湖北省碳儲(chǔ)量損失值達(dá)到四個(gè)時(shí)期最高,除恩施州的鶴峰縣和武漢市的青山區(qū)、武昌區(qū),湖北省其它縣的碳儲(chǔ)量都在下降,碳儲(chǔ)量變化“高高聚集”區(qū)主要是碳儲(chǔ)量下降相對(duì)較少的一些地區(qū)。2015-2020年,湖北省中南部由原來(lái)的“低低聚集”區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)椤案吒呔奂眳^(qū),主要包括仙桃市、潛江市、天門(mén)市、孝感市的漢川市、荊州市的監(jiān)利市、洪湖市以及武漢市的蔡甸區(qū)、漢南區(qū)等8個(gè)縣域,原來(lái)的“高高聚集“區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著和”高低聚集“區(qū)。主要原因是上一個(gè)時(shí)間段中南部的土地利用類(lèi)型變化以高碳密度的耕地向低碳密度的水域轉(zhuǎn)變?yōu)橹?而這個(gè)時(shí)期有大面積的低碳密度的水域和建設(shè)用地向高碳密度的耕地轉(zhuǎn)變使區(qū)域的碳儲(chǔ)量出現(xiàn)增長(zhǎng)。2000-2005年由耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化值“低低聚集”區(qū)包括6個(gè)縣級(jí)行政單元,主要集中在湖北省中南部,包括仙桃市、潛江市、咸寧市的嘉魚(yú)縣、武漢市的蔡甸區(qū)以及荊州市的監(jiān)利市、洪湖市。這些地區(qū)本身碳儲(chǔ)量變化值低,周?chē)鷧^(qū)域的碳儲(chǔ)量變化值也低,耕地占補(bǔ)導(dǎo)致了碳儲(chǔ)量的損失。2005-2010年,“低低聚集”區(qū)新增為10個(gè),且向北擴(kuò)散。2010-2015年,繼續(xù)增加至13個(gè),但分布由集中趨于分散。2015-2020年,“低低聚集”區(qū)僅包括五峰縣一個(gè)縣。從2000-2020年整個(gè)時(shí)段來(lái)看,湖北省耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化值“高高聚集”區(qū)主要分布在西部和西南部山區(qū),“低低聚集”區(qū)分布在中南部的江漢平原。

圖7 湖北省耕地占補(bǔ)導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化值局部空間自相關(guān)分析Fig.7 Local spatial autocorrelation analysis of carbon storage changes caused by arable land supplement in Hubei Province

3.4 2030年不同情景下湖北省土地利用模擬及碳儲(chǔ)量預(yù)測(cè)

在PLUS模型中基于湖北省2010年的土地利用數(shù)據(jù)和選取的12個(gè)土地利用變化驅(qū)動(dòng)因子,模擬2020年的土地利用數(shù)量和布局情況。將2020年的土地利用模擬數(shù)據(jù)與2020年的土地利用實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比(圖8),驗(yàn)證模型的總體精度為0.93,Kappa系數(shù)為0.90,大于0.75,說(shuō)明模型模擬效果較好,可以用于模擬2030年不同情景下湖北省的土地利用狀況。

圖8 2020年湖北省土地利用現(xiàn)狀與PLUS模擬對(duì)比Fig.8 Land use status in Hubei Province in 2020 compared with PLUS simulation

基于2020年的土地利用數(shù)據(jù),根據(jù)Markov模型預(yù)測(cè)的土地利用數(shù)量對(duì)2030年湖北省土地利用情況進(jìn)行模擬(圖9),再計(jì)算不同情景下的碳儲(chǔ)量(圖10)。由結(jié)果(表6)可知,2030年不同情景下湖北省的土地利用需求和布局差異較大。自然發(fā)展情景不考慮政策因素的影響,遵循土地利用結(jié)構(gòu)的自然演變規(guī)律,預(yù)計(jì)到2030年耕地、草地、建設(shè)用地和未利用地的面積都所有擴(kuò)張,而林地和水域面積則減少。從空間分布來(lái)看,建設(shè)用地的擴(kuò)張主要集中在武漢市、十堰市東北部以及宜昌市中南部,前者以侵占水域?yàn)橹?后兩者主要侵占林地。在該情景下,碳密度較低的建設(shè)用地大幅擴(kuò)張侵占碳密度較高的林地,使得湖北省陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量較2020年減少0.22%。耕地保護(hù)情景更注重對(duì)耕地的保護(hù),嚴(yán)格限制耕地向其他地類(lèi)轉(zhuǎn)化,在該情景下,耕地面積和未利用地面積在四種情景中增加得最多,增幅分別達(dá)2.56%、1.01%;而林地、草地、水域和建設(shè)用地面積則有所下降,且林地和水域的下降幅度在四個(gè)情景中最大。從空間上看,增加的耕地分布總體上較零散,但在仙桃市和荊州市東部較密集,新增耕地來(lái)源以林地和水域?yàn)橹?。耕地保護(hù)情景下湖北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量較2020年下降0.05%,與自然發(fā)展情景相比碳儲(chǔ)量的下降程度得到緩和。生態(tài)保護(hù)情景通過(guò)控制生態(tài)用地的轉(zhuǎn)移和鼓勵(lì)退耕還林來(lái)干預(yù)土地利用模式,在該情景下林地、草地等生態(tài)用地的面積較2020年分別增長(zhǎng)0.11%和0.42%,建設(shè)用地的面積也有增長(zhǎng),但是增長(zhǎng)率很低,由自然增長(zhǎng)情景下的9.59%降到0.18%,耕地的面積較自然發(fā)展情景增幅更大,由0.34%上升到0.57%。從空間上來(lái)看,新增耕地分布在湖北省中南部以及襄陽(yáng)市北部,新增林地和草地主要分布在湖北省西部、北部和東部的山地和丘陵地區(qū)。新增耕地、林地、草地的來(lái)源主要是水域。該情景下的碳儲(chǔ)量較2020年增加0.10%。城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)情景下,耕地、林地、草地、水域的面積均減少,建設(shè)用地的面積擴(kuò)張幅度最大,高達(dá)15%,未利用地面積增加0.53%。從空間分布來(lái)看,新增建設(shè)用地零星分布在武漢市中部、黃岡市西部以及集中分布在宜昌市中南部、恩施州中部和十堰市東北部。該情景下湖北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量較2020年下降0.36%,在四個(gè)情景中最低,如不加以控制,耕地占補(bǔ)無(wú)法達(dá)到數(shù)量平衡,且生態(tài)環(huán)境將受到威脅。

圖9 2030年湖北省4種不同情景下的土地利用空間模擬Fig.9 2030 Spatial simulation of land use under four different scenarios in Hubei Province

圖10 2030年湖北省4種不同情景下的碳儲(chǔ)量空間分布模擬Fig.10 2030 Carbon storage spatial distribution simulation under four different scenarios in Hubei Province

表6 2030年4種不同情景下的湖北省土地利用結(jié)構(gòu)與碳儲(chǔ)量 (面積/hm2 碳儲(chǔ)量/t)Table 6 2030 Land use structure and carbon storage in Hubei Province under four different scenarios

4 討論

(1)耕地占補(bǔ)平衡政策對(duì)碳儲(chǔ)量的影響

本文測(cè)算了2000-2020年湖北省耕地占補(bǔ)面積變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響,研究發(fā)現(xiàn)耕地占補(bǔ)面積變化導(dǎo)致湖北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量減少了1.3×107t,占碳儲(chǔ)量總變化量的61.38%,主要是耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和水域以及耕地侵占林地、草地導(dǎo)致碳儲(chǔ)量的損失。這與部分學(xué)者的研究結(jié)果一致,Tang等[29]研究表明2000-2010年湖北省耕地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致了1.76 Tg的碳損失,侵占林地對(duì)碳儲(chǔ)量的損失占耕地?cái)U(kuò)張總損失的81%。Gao等[42]研究表明,2010-2015年耕地補(bǔ)償中碳儲(chǔ)量的損失主要來(lái)自以林地補(bǔ)充耕地方式不恰當(dāng),雖然林地補(bǔ)充耕地的面積只占耕地補(bǔ)充總量的19.4%,但造成的碳儲(chǔ)量損失甚至超過(guò)耕地占用的碳儲(chǔ)量損失。研究結(jié)果值得我們重新審視耕地占補(bǔ)平衡政策,該政策的初衷是抑制城市建設(shè)用地?zé)o序擴(kuò)張侵占耕地,因此規(guī)定“城鎮(zhèn)建設(shè)占用多少耕地,相關(guān)單位就應(yīng)補(bǔ)充多少數(shù)量與質(zhì)量相當(dāng)?shù)母亍?但在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中補(bǔ)充的耕地多來(lái)自土地開(kāi)發(fā),“上山入?！薄皣焯铩钡母匮a(bǔ)充方式加劇了生態(tài)退化,相當(dāng)大的生態(tài)用地用以補(bǔ)充失去的耕地,導(dǎo)致碳儲(chǔ)量的損失。在未來(lái)耕地保護(hù)政策的制定過(guò)程中,應(yīng)考慮生態(tài)效應(yīng)的影響,轉(zhuǎn)變耕地補(bǔ)充途徑,使土地整治成為耕地補(bǔ)充的主要來(lái)源,將生態(tài)補(bǔ)償納入耕地交易成本,建立耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值綜合效益的預(yù)算評(píng)估方案,完善耕地占補(bǔ)平衡與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展機(jī)制,使耕地占補(bǔ)平衡政策達(dá)到數(shù)量-質(zhì)量-生態(tài)平衡的三位一體。

(2)耕地占補(bǔ)面積變化對(duì)碳儲(chǔ)量影響的區(qū)域差異性

由于湖北省各地區(qū)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、土地資源稟賦和自然地理環(huán)境上的差異,耕地占補(bǔ)面積變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響表現(xiàn)出明顯的空間分異性。2000-2020年,耕地占補(bǔ)導(dǎo)致碳儲(chǔ)量在全省范圍內(nèi)有所下降。碳儲(chǔ)量變化值“高高聚集”區(qū)是湖北省碳儲(chǔ)量損失較少的區(qū)域,分布在湖北省西部以及西南部的山地、丘陵。該區(qū)域海拔高,擁有高覆蓋的森林面積,土地利用類(lèi)型以林地、草地為主,耕地?cái)?shù)量有限且分布零散,高海拔限制了城市用地?cái)U(kuò)張侵占耕地,且該區(qū)域承擔(dān)了湖北省退耕還林工程的主要任務(wù),因此耕地占補(bǔ)類(lèi)型以低碳密度的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛济芏鹊牧值貫橹?導(dǎo)致碳儲(chǔ)量損失較少。“低低聚集”區(qū)則是碳儲(chǔ)量損失較多的區(qū)域,集中在中南部江漢平原、鄂東沿江平原及鄂中丘陵地區(qū)。該區(qū)域水熱條件好,地形平坦,集中了全省70%的耕地,且經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,建設(shè)用地?cái)U(kuò)張主要侵占耕地,因此耕地占補(bǔ)面積變化導(dǎo)致碳儲(chǔ)量損失高于其他地區(qū)。2015年,該區(qū)域城市擴(kuò)張速度放緩,建設(shè)用地占用耕地的面積大幅減少,且有相當(dāng)數(shù)量的建設(shè)用地及水域轉(zhuǎn)變?yōu)楦?使得該區(qū)域耕地占補(bǔ)碳儲(chǔ)量變化值由“低低集聚”區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)椤案吒呒邸眳^(qū)。總體而言,地形地貌等自然環(huán)境條件通過(guò)影響土地生產(chǎn)潛力和適應(yīng)性限制耕地的擴(kuò)張。社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子通過(guò)影響耕地和建設(shè)用地之間的平衡驅(qū)動(dòng)耕地變化,經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長(zhǎng)使平衡向建設(shè)用地傾斜,耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地;土地整理使平衡向耕地傾斜,建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦豙43]。湖北省不同區(qū)域自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況的差異使其對(duì)耕地變化的驅(qū)動(dòng)作用和方向不同,導(dǎo)致耕地占補(bǔ)面積變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響表現(xiàn)出一定的區(qū)域差異性。

(3)研究不足與展望

InVEST模型假設(shè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳密度在時(shí)間尺度上保持不變,碳儲(chǔ)量變化的原因只有土地利用方式的改變[23],但研究證明受氣溫、降水、時(shí)間及人類(lèi)活動(dòng)方式等因素影響,即使是同種土地利用類(lèi)型其碳密度也會(huì)存在差異。占用的耕地和補(bǔ)充的耕地地理位置不同,其碳密度并不相同。本文從大尺度的土地利用變化出發(fā),更關(guān)注不同土地利用類(lèi)型之間碳密度的差異,研究結(jié)果可以大致反映出由耕地面積變化導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì),但無(wú)法更細(xì)致地反映耕地占優(yōu)補(bǔ)劣導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化。同時(shí),由于本文選取的碳密度數(shù)據(jù)都來(lái)源于已有文獻(xiàn)及修正公式,與碳密度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有一定差異,計(jì)算出的碳儲(chǔ)量也存在誤差。因此,未來(lái)的研究應(yīng)加強(qiáng)對(duì)碳密度的實(shí)地采樣及持續(xù)監(jiān)測(cè)以提高碳儲(chǔ)量估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外,土地利用變化是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,運(yùn)用PLUS模型對(duì)未來(lái)土地利用變化進(jìn)行模擬在選取驅(qū)動(dòng)因子和設(shè)定未來(lái)發(fā)展情景時(shí)具有非常大的主觀性,且沒(méi)有考慮生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線、城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)邊界線等政策因素和社會(huì)發(fā)展因素對(duì)土地利用變化的影響,使得模擬結(jié)果具有一定的不確定性,因此在未來(lái)的研究中應(yīng)將地方政策和社會(huì)發(fā)展因素加入驅(qū)動(dòng)因子以獲得更精確的模擬結(jié)果。

5 結(jié)論

本文以湖北省為例,探究耕地占補(bǔ)面積時(shí)空變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響,并基于PLUS模型模擬了湖北省2030年自然發(fā)展情景、耕地保護(hù)情景、生態(tài)保護(hù)情景和城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)情景下的碳儲(chǔ)量狀況。研究結(jié)果表明,湖北省耕地占補(bǔ)面積變化導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化占碳儲(chǔ)量總變化量的一半以上,耕地占補(bǔ)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量具有重要影響。低碳密度的城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張侵占周?chē)母?在耕地“占一補(bǔ)一”的政策壓力下開(kāi)墾高碳密度的生態(tài)用地補(bǔ)充被占用的耕地,城市建設(shè)陷入“建設(shè)用地侵占耕地-開(kāi)墾生態(tài)用地補(bǔ)充耕地-繼續(xù)占用耕地建設(shè)城市”的惡性循環(huán),導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量大量流失。因此,未來(lái)耕地保護(hù)政策的制定應(yīng)考慮耕地占補(bǔ)平衡的生態(tài)影響,轉(zhuǎn)變耕地補(bǔ)充來(lái)源,使土地整治而不是土地開(kāi)發(fā)成為補(bǔ)充耕地的主要來(lái)源,使耕地占補(bǔ)平衡達(dá)到“數(shù)量-質(zhì)量-生態(tài)”三位一體的平衡。2020-2030年,湖北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量在自然發(fā)展情景下減少0.22%,在耕地保護(hù)情景下減少0.05%,在生態(tài)保護(hù)情景下增加0.10%,在城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)情景下減少0.36%。與其他三種情景相比,生態(tài)保護(hù)情景通過(guò)控制建設(shè)用地向林地、草地?cái)U(kuò)張有效減緩了研究區(qū)碳儲(chǔ)量損失,同時(shí)預(yù)留了一部分空間用于城鄉(xiāng)發(fā)展,且用于保障糧食安全的耕地面積也有增長(zhǎng),是未來(lái)發(fā)展的最優(yōu)情景。未來(lái)土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)著力于控制建設(shè)用地的擴(kuò)張,加強(qiáng)對(duì)耕地資源的保護(hù),推進(jìn)退耕還林還草等生態(tài)保護(hù)工程,以提升陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯能力。