基于InVEST模型的黔中喀斯特地區建設用地擴張碳儲量變化研究

李 月,羅紅芬

(貴州財經大學 公共管理學院,貴州 貴陽 550025)

近百年的氣候變化已經給全球自然生態系統和社會經濟系統帶來了深刻影響[1]。陸地生態系統中的碳儲量能夠通過吸收和釋放大氣中的溫室氣體,發揮巨大碳匯作用,對大氣溫室氣體排放量以及碳循環的平衡具有重要意義[2]。土地利用覆被變化作為影響區域碳儲量時空變化的關鍵原因之一[3-7],土地利用變化的碳儲量影響已成為全球氣候變化及陸地生態系統碳匯研究的重點與熱點。

目前,國內外學者已經從土地利用的角度揭示了不同尺度下的碳儲量空間變化[2-11]。Bolin[8]通過對全球各地不同用地的碳儲量進行分析,發現土地利用變化是導致大氣環境CO2含量波動的主要因素;劉洋等[9]探究并預測了疏勒河流域1990-2015年及2015-2040年流域生態系統碳儲量時空變化特征及其與土地利用方式之間的關系,發現未利用地向耕地和草地轉化有利于碳儲量增加,而草地向耕地和未利用地的轉化則導致碳儲量減少;侯瑞萍等[12]估算了2020年長江經濟帶林地和其他生物質碳儲量和碳匯量,并發現喬木林地的碳儲量和碳匯量所占比例最大,以上研究均表明森林砍伐、林地轉出會導致大量溫室氣體從陸地碳庫排放至大氣環境中。InVEST模型作為研究土地利用變化與生態系統服務功能相互關系較為成熟的生態模型之一,長期以來得到了廣泛應用[9-17]。劉曉娟等[16]通過耦合FLUS-InVEST模型,從土地利用視角出發對中國2100年的陸地生態系統碳儲量進行模擬,并探討其空間分異;鄧喆等[17]基于InVEST模型Carbon模塊計算因土地利用變化所導致的生態系統碳儲量變化。大量研究表明,土地利用變化過程直接影響區域內植被、土壤等物質的固碳能力,進而影響整個區域碳儲量的時空變化?？v觀現有研究成果,內容主要聚焦在森林、農田、濕地等生態用地的碳儲量時空變化規律以及驅動因素研究,而基于建設用地規模擴張的區域碳儲量變化相對匱乏。在社會經濟發展進程中,建設用地主要通過擠占林地、耕地等生態用地迅速擴張,致使陸地生態系統碳儲量大幅流失,造成生態服務功能嚴重退化[18]。近年來,喀斯特地區受自身的脆弱性以及人類活動的影響,生態環境日益惡化,因此,探究喀斯特地區建設用地擴張引起的碳儲量空間變化對區域碳平衡管理具有重要意義。

貴州省作為國家生態文明試驗區,具有人口容量小、生態系統敏感且脆弱等特征[19],擁有巨大的固碳潛力。普定縣地處黔中,巖溶分布廣泛,土層淺薄,水土流失嚴重[19],在快速城鎮化和人口劇增的影響下,建設用地需求不斷上升,區域土地利用方式的劇烈變化給敏感脆弱的生態環境帶來巨大壓力。本研究以黔中喀斯特區——普定縣為對象,基于2003、2010、2020年3期遙感影像數據,選取土地利用動態變化指數和土地利用轉移矩陣方法,結合InVEST模型Carbon模塊,估算2003-2020年不同用地類型生態系統碳儲量,探究區域生態系統碳儲量空間分布格局和建設用地擴張對生態系統碳儲量變化的影響,以期為區域生態可持續發展和典型生態脆弱區未來用地結構優化提供決策參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

普定縣(105°27′49″-105°58′51″E,16°26′36″-26°31′42″N)位于貴州省西部,隸屬安順市,位于素有“黔之腹,滇之喉”之稱的黔中腹地(圖1),屬亞熱帶季風濕潤氣候,年均降水量1 378.2 mm。年均氣溫15.1 ℃。地勢總體呈南、北部高,中間低,全縣總面積1 091 km2,喀斯特地貌廣泛發育,土層發育較薄,土地利用強度大。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Overview of the geographical location of the study area

1.2 數據來源與處理

所需基礎數據主要包括2003、2010、2020年3期遙感影像,碳庫數據包括地上植被碳庫Cabove、地下植被碳庫Cbelow、土壤碳有機碳庫Csoil、死亡有機碳庫Cdead4大碳庫(表1)。以3期遙感影像為基礎數據,3期影像均采用近紅外、紅光與綠光波段進行標準假彩色合成,首先,以1∶10 000地形圖對3期影像進行幾何精校正,并采用較為成熟的FLAASH模型進行大氣校正。其次,通過監督分類、人機交互式解譯法進行目視解譯提取地類,最后,結合普定縣土地利用現狀圖、Google Earth高分辨率歷史影像及全國國土調查主要數據公報等,對土地利用矢量圖進行圖斑修正。用地類型分為有林地、灌木林地、其他林地、草地、水田、旱地、水域、建設用地和未利用地等9種用地類型。

表1 研究區數據來源Table 1 Data sources for the study area

1.3 土地利用動態度

不同土地利用類型受自然和人為因素的干擾不同,其變化速率也不相同。而土地利用變化速率的區域差異可以用土地利用動態度模型來加以表述,單一土地利用動態度可以表示為[29]

(1)

式中:T為研究時段;K為研究時段某類用地類型的變化率;Ua和Ub分別為研究期開始和結束時段某土地利用類型的面積。

1.4 土地利用轉移矩陣

轉移矩陣是土地利用類型間相互轉化的數量及方向定量研究的主要方法,能夠具體反映土地利用變化的結構特征和各類型之間的轉移方向。轉移矩陣的數學形式可以表示為[29]

(2)

式中:P表示面積;n表示土地利用類型數;i、j分別表示研究初期與末期的土地利用類型;Pij表示研究期間用地類型i向用地類型j的轉移面積。

1.5 InVEST模型法

通過文獻檢索得到碳密度參數,土地利用碳密度數據主要收集研究區以及相鄰區域范圍內的研究成果,其中有林地、其他林地參考鄒文濤等[22]的研究;灌木林地碳密度值參考李默然等[23]的研究成果;旱地、水田、草地、未利用地碳密度值主要參考羅懷良等[24]和黃從紅[25]的研究成果;建設用地參考李義平[26]的研究;其他地類主要參考解憲麗等[27]和李克讓等[28]的研究成果(表2)。土地利用碳密度數據結合土地利用數據(表2),基于InVEST模型中Carbon模塊評估普定縣碳儲量的變化,碳儲量計算公式為

表2 普定縣土地利用類型碳密度Table 2 Carbon density of land use types in Puding County t·hm-2

C=Cbove+Cbelow+Csoil+Cdead

(3)

式中:C表示生態系統碳儲量;Cabove表示地上植被碳庫;Cbelow表示地下植被碳庫;Csoil表示土壤有機碳庫;Cdead表示死亡有機碳庫。

2 結果與分析

2.1 土地利用變化分析

2.1.1 土地利用動態度分析 利用土地利用動態度方法(式(1))對普定縣各用地類型變化速率進行分析。由表3、圖2可知,2003-2020年建設用地動態變化最劇烈,2003-2010年動態度高達14.13%,而2010-2020年變化速率出現下降,動態度降為11.13%;灌木林地面積在2003-2010年不斷增加,且動態變化程度僅次于建設用地,動態度為10.09%,而水田、水域、其他林地、旱地在2003-2010年動態變化程度相對較小,且用地規模均呈減少的變化態勢;2010-2020年水域變化速率上升至5.32%,其他林地變化速率大幅增加,增幅達107.06%,表明其他林地在該時期以更快的速度縮減,水田和旱地的減少速率逐漸減弱,動態度分別為3.64%、0.84%。

表3 2003-2020年土地利用動態度Table 3 Land use dynamic attitude from 2003 to 2020 %

圖2 2003-2020年普定縣土地利用現狀Fig.2 Land use status map of Puding County from 2003 to 2020

2.1.2 建設用地時空變化特征分析 對各個時期的土地利用類型轉移情況進行分析(圖3)。由圖3(a)可知,2003-2010年普定縣旱地轉出最多,共流出223.19 km2,其中有9.64%轉入建設用地,水域轉化面積最小,僅有12.23 km2。由圖3(b)得知,2010-2020年仍主要以旱地轉出為主,但轉出面積降低至144.78 km2,其中有20.67%轉入建設用地。

圖3 2003-2010年普定縣土地利用轉移矩陣弦圖Fig.3 Chord diagram of land use transfer matrix in Puding County from 2003 to 2010

對2003-2010、2010-2020年普定縣建設用地轉移情況進行分析(表4),發現研究區在2003-2020年建設用地經歷了“快速擴張-平緩擴張”的變化過程。其中2003-2010年,建設用地凈擴張23.05 km2,旱地和水田的貢獻率分別為73.88%和25.99%,說明占用旱地和水田是研究區該時期城鎮擴張的主要方式。2010-2020年,建設用地共轉入70.89 km2,其中旱地、水田與灌木林地的貢獻率最高,分別達到42.22%、30.65%、15.05%;共轉出面積19.32 km2,年均轉出面積有所減少,該時期灌木林地也成為城鎮擴張占用的主要用地類型之一,究其原因主要與建設用地需求上升有關。

表4 2003-2020年普定縣建設用地變化統計Table 4 Statistics on the change of construction land in Puding County from 2003 to 2020 km2

2003-2020年普定縣建設用地擴張情況見圖4,建設用地主要分布在地勢相對平緩的中部和南部區域。2010年建設用地面積相比2003年擴張了約2倍,主要以南部區域最為顯著,向東邊呈帶狀蔓延擴張;其次為中部區域,由中心城區向南部以及東南部方向呈帶狀延伸發展,東部、北部則以零星點狀零散分布,主要占用水田和旱地。2020年建設用地面積上升至97.91 km2,主要沿中心城區向東、南部區域呈帶狀發展,通過大規模占用水田向南部擴張,向東邊擴張主要侵占旱地;南部伴有少量建設用地占用旱地?？偟膩碚f,普定縣建設用地呈現南部率先大幅擴張后縮減、中部后期顯著擴張、東部后期顯著擴張的地域特征。

圖4 2003-2020年普定縣建設用地擴張情況Fig.4 Expansion of construction land in Puding County from 2003 to 2020

2.2 碳儲量時空變化規律特征分析

由圖5可見,研究區不同歷史時期各土地利用類型碳儲量發生顯著變化?；贗nVEST模型Carbon模塊,得出2003-2020年普定縣生態系統碳儲量分別為150.22×105、158.34×105t和165.29×105t,整體呈逐期遞增趨勢,累計增加15.07×105t。用地類型中灌木林地碳儲量較多且增值最大,2003-2010年灌木林地碳儲量年均增量達2.72×105t,未利用地碳儲量變化最為穩定,2003-2020年碳儲量僅下降1.21×105t。2003-2020年建設用地碳儲量由2.29×105t增至10.87×105t,各期分別上升2.47×105、5.86×105t。

圖5 2003-2020年普定縣土地利用類型碳儲量Fig.5 Carbon storage of land use types in Puding County from 2003 to 2020

由圖6可知,普定縣2003-2020年灌木林地面積增加191.35 km2,碳儲量上升35.17×105t,是總增量的2.33倍,而建設用地面積凈增加74.61 km2,碳儲量僅增加8.85×105t,建設用地單位面積碳儲量增值相對較少。水田碳儲量損失最多,達18.91×105t,是用地規模萎縮最大、碳儲量損失最嚴重的地類。因此,灌木林地是普定縣碳儲量上升的主要因素,2020年普定縣固碳能力較強的地類為灌木林地,而水田的固碳能力逐漸減弱。

圖6 2003-2020年普定縣土地利用變化及其碳儲量變化Fig.6 Land use change and its carbon storage change in Puding County from 2003 to 2020

由圖7可知,普定縣碳儲量較高的區域集中分布在東北部和西南部,碳儲量低值區分布在中南部區域,這可能與東北、西南部建設用地擴張程度有關。進一步分析碳儲量在空間上的變化特征發現(圖8),2003-2020年,普定縣碳儲量逐期升高且空間演變極其明顯,整體表現為東北部和西南部地區碳儲量增加,中南部區域碳儲量顯著降低。通過疊加土地利用現狀圖(圖2)和碳儲量空間分布圖(圖7)可知,普定縣東北部和西南部區域的碳儲量顯著增加區域主要表現為大量灌木林地、有林地轉入,而中北部地區城市擴張劇烈,建設用地廣泛分布,該區域碳儲量減少地區主要以灌木林地、水田轉為建設用地為主。

圖8 2003-2020年普定縣碳儲量空間變化Fig.8 Spatial variation of carbon storage in Puding County from 2003 to 2020

2.3 建設用地擴張對碳儲量的影響

由表5可知,2003-2020年普定縣建設用地變化致使碳儲量損失了22.37×104t,說明建設用地在轉出過程中的碳儲增量遠遠小于其擴張引起的碳損失量。其中,2003-2010年建設用地變化碳儲量流失2.53×104t,其轉出過程中,建設用地向水田和灌木林地轉移,使得水田、灌木林地碳庫碳儲量分別增加2.14×104、1.71×104t;在擴張進程中,建設用地僅占用草地、水域、未利用地,有利于生態系統碳儲量增加,占用其他用地碳儲量均有不同程度的流失,其中占用水田使得水田碳庫減少碳儲量4.62×104t。2010-2020年,建設用地變化致使碳儲量凈損失達19.84×104t,損失量約為上一階段的8倍。主要因為該時期建設用地轉出僅增加碳儲量2.76×104t,且60.29%均來源于建設用地轉灌木林地,而建設用地擴張碳儲量損失了22.60×104t,是其轉出碳儲量增加的8.18倍,其中灌木林地和水田轉為建設用地分別引起碳儲量損失8.72×104、9.54×104t。

表5 2003-2020年普定縣建設用地轉化的碳儲量變化Table 5 Carbon storage changes of construction land conversion in Puding County from 2003 to 2020 ×104t

3 討論

3.1 建設用地擴張特征

隨著我國西部大開發的實施,黔中經濟區普定縣城鎮化水平顯著提升,社會經濟條件的作用逐漸凸顯,建設用地擴張劇烈,在地勢條件相對平坦的中南部中心城區表現尤為明顯。2003-2020年,建設用地一直保持擴張趨勢,擴張速率表現為減緩態勢,空間變化主要集中在中南部區域,集中連片分布明顯,與城市發展范圍保持一致;呈零點狀分布的建設用地在2010-2020年大幅擴張,主要原因可能是由于各鄉鎮的城鎮化水平顯著提升所導致,建設用地面積增加主要由水田、灌木林地2種地類轉入。雖然建設用地面積持續增加,但值得注意的是,2010年南部呈帶狀分布的建設用地以及分布在中心城區西部的建設用地,于2020年逐步恢復為旱地,這可能是由于在2016年普定縣實施城鄉建設用地增減掛鉤,拆舊區復墾耕地引起的。

3.2 建設用地擴張的碳儲量變化

普定縣在2003-2020年因建設用地擴張使得中南部中心城區碳儲量大幅下降,用地類型變化具體表現為灌木林地、水田轉為建設用地,可能由于該區域灌木林地、水田在轉為建設用地的過程中,進入土壤的腐殖質減少,土壤腐殖質的礦化作用增加,進而使得土壤碳儲量減少[29],這與向書江等[1]對重慶主城區的研究結果較為一致,但不同的是,普定縣建設用地擴張占用旱地幾乎不對碳儲量增加產生負面影響,而水田和灌木林地因建設用地侵占碳儲量分別損失了14.22×104、11.48×104t,不利于區域碳匯。因此,為了提升區域碳匯能力,應注意在建設用地擴張過程中減少水田與灌木林地的占用,優先考慮固碳能力較弱的未利用地,促進土地布局優化,減少碳排放,提高區域生態效益,以達到生態與經濟協調發展的目的。

3.3 不確定分析

本研究有效探究了普定縣建設用地擴張的碳儲量變化,但仍存在以下不確定性:首先,由于碳密度數據主要參考喀斯特地區研究成果,部分難以獲取碳密度數據的地類通常參考非喀斯特地區,但其運行結果能夠清晰地反映普定縣近20 a來建設用地擴張的碳儲量時空變化規律,為更好地反映區域的生態碳儲存能力,在今后喀斯特地區碳儲量研究中應加強喀斯特地區用地類型碳密度實測;其次,本研究土地利用數據經國土調查資料檢驗,且與秦羅義等[31]對普定縣土地利用結構研究相似,精度達到一定要求,但土地利用數據是通過遙感影像解譯獲得的,土地利用數據精度會對研究結果有所影響,因此在今后的研究中可采用更高分辨率遙感影像,減少主觀誤差,以提升用地類型碳儲量估算精度。

4 結論

2003-2020年建設用地一直保持擴張趨勢,擴張面積達74.61 km2,擴張速率表現為減緩態勢,空間變化主要集中在中南部中心城區,通過侵占旱地、水田和灌木林地得以發展。

2003-2020年普定縣生態系統碳儲量整體呈上升趨勢且空間演變極其明顯,累計增加15.07×105t,灌木林地增加是碳儲量上升的主要原因,空間變化整體表現為東北部和西南部地區碳儲量增加,中南部區域碳儲量降低。

建設用地轉化致使碳儲量損失了22.37×104t,其中2010-2020年損失碳儲量占88.69%,主要表現為中南部區域碳儲量大幅下降,源于灌木林地、水田轉為建設用地。