土地利用/覆被特征的碳汇生态价值时空演变研究——以江苏省滨海地区为例

夏正清，周轶尘，刘嘉鑫，陈睿敏

(1.贵州第一测绘院，贵州 贵阳 550025；2.南京林业大学土木工程学院，江苏 南京 210037)

0 引 言

土地利用/覆被对维持陆地生态系统服务功能起着决定性的作用[1-2]。土地利用变化是人类对陆地自然生态系统的最大影响因素之一，是陆地生态系统碳循环最直接的影响因子，对陆地生态系统碳循环有着重要的影响，既可能成为碳源，也可能成为碳汇[3-4]。

碳汇生态价值是区域社会经济-自然资源可持续利用的重要保障。郝翠等通过评估天津滨海湿地的碳储量，指出土壤黏粒和pH值是影响土壤有机碳的主要因子[5]。张绪良等通过开展黄河三角洲植被碳储量和固碳能力研究，发现稻田生态系统的平均固碳能力低于当地植被的平均固碳能力[6]。许振等通过解译遥感影像探究了不同时期的盐城滨海湿地地上植被碳储量变化[7]。

本文通过构建江苏滨海地区2000-2015年土地利用/覆被数据集，研究不同土地利用/覆被类型的变化对碳汇的影响。以土地利用/覆被时空演变为驱动，利用InVEST-Carbon模型来估算研究区的碳汇量，分析不同时期碳汇的时空变化规律，有效地弥补了传统技术单点调查与监测的不足，提高了区域生态服务功能评估的效率和准确性，为江苏省滨海地区生态环境保护、土地规划提供科学的理论基础和决策依据。

1 研究区概况

江苏滨海地区北起赣榆县秀针河口，南抵启东县长江口北岸，西至海堤公路向陆20 km处，东至黄海之滨，经纬度范围为31°41′N～35°07′N、119°06′E～121°56′E，海岸线长达954 km，总面积约9 150 km2。研究区属于冲积平原区，地跨徐怀平原、沿海平原、沿江平原和里下河平原，海岸类型主要分为三类，即粉砂淤泥质海岸、砂质海岸和基岩海岸。受海洋性、大陆性气候双重影响，研究区海洋性季风气候特征明显。区内水系发育丰富，地处长江、淮河、沂沭泗河流域下游，河流众多，河网发达。

2 数据与方法

2.1 数据源

土地利用/覆被数据是开展区域碳汇生态价值评估研究的重要桥梁。本文从国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据共享服务平台获取了2000年和2010年江苏沿海1∶10万土地利用/覆被数据。该数据采用国家级土地利用与分类系统，反映了江苏省滨海地区土地利用的特点、合理程度和地域分布规律，包含耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个一级类、25个二级类型。

为实现江苏滨海地区土地利用/覆被信息提取，本文从地理空间数据云选择、获取了8景2015年Landsat8 OLI遥感数据，通过对该数据进行基于FLAASH模型的大气校正、基于二次多项式的几何配准和基于最大似然法的影像分类等相关处理，最终提取研究区2015年土地利用/覆被信息，提取精度达到86.3%。

本文中所使用的矢量数据来自于中国地理信息资源目录服务系统，该数据采用1∶100万标准图幅，内容含行政区(面)、行政境界点(领海基点)、行政境界(线)、水系(点、线、面)、公路、铁路(点、线)、居民地(点、面)、居民地地名(注记点)、自然地名(注记点)等12类要素层。通过图幅拼接处理，本文提取出江苏省滨海地区的行政界线、居民地地名、自然地名等信息，为后续数据叠置处理与分析提供数据支持。

2.2 研究方法

InVEST(The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)模型是由美国斯坦福大学、世界自然基金会和大自然保护协会联合开发的基于GIS应用平台的用于评估生态系统服务功能的模型系统。该模型采用分级设计，即0级模型、1级模型、2级模型和3级模型，可根据需求场景来选择不同等级模型，定量化地估算不同土地利用类型情景下生态系统服务功能物质量和价值量的变化，将自然资本可视化，使经济发展与环境保护有机结合，为决策和规划部门判断人类活动对土地利用中生态系统服务功能的价值影响提供科学依据，以实现人与自然和谐发展，达到人与自然共同获益的双赢结果[7]。

碳储量模块是InVEST模型的重要组成部分，它以土地利用为评估单元，将生态系统的碳储量(Ctot)划分为四个基本碳库，即地上生物量、地下生物量、枯叶物碳和沉积物碳，同时结合碳的社会价值或市场经济价值，对比分析不同时期、不同场景的碳储量的时空变化，反映区域土地利用/覆被变化所引起的碳汇能力的演化规律，从而有效地规避生态系统的破坏，实现保护生态系统的目的[8]。总体计算方法为：

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(1)

式(1)中，地上碳库Cabove表示地表以上所有活植被碳储量，地下碳库Cbelow表示植物活的根系系统的碳储量，土壤碳库Csoil表示土壤有机碳和矿质有机碳，死的有机物碳库Cdead表示枯立木、凋落物和倒木中的碳储量。

(1)碳储存

模型通过计算每一个土地类型单元中的碳储量来计算总碳储量[8-9]。设任意时间t，储存在栅格单元中的碳储蓄量为Cxt，即按吨计算CO2当量，等于任意时间t每个碳库的栅格单元中碳储量的总和，即：

(2)

式(2)中：Axjt表示栅格单元x在时间t的植被覆盖面积j，j=1，2，…，J代表滨海地区所有的生境类型。d表示生境j的沉积深度。Caj、Cbj、Csj、Clj分别表示生境j地上、地下、土壤和凋落物各个碳库每公顷储存的二氧化碳当量[10-12]。

(2)碳积累

模型将在土壤经过一年时间的分解作用情况下，以有机体形式贮存的碳积累量作为碳保留速率。在时间t内每一个土地类型单元x中的碳积累量为ACCxt，等于与时间t内土壤沉积物中碳积累率与每个栅格单元x对应的生境类型j中的碳积累量的乘积[10-12]。

(3)

式(3)中，ACCxt表示时间t内每个栅格单元x中的碳累积量，Axjt表示时间t内每个栅格单元x中植被j面积，ACCxjt表示时间t内每个栅格单元在每种生境类型下的碳积累量[10-12]。

(3)生境干扰后的碳损失和碳排放

模型将生物量和土壤碳库分别作为碳流失。首先，估算生物量的碳损失，主要取决于生境影响类型、干扰程度、以及植被类型。其次，估算土壤碳库的碳损失，主要取决于干扰的影响程度以及受干扰的土壤深度[10-12]。生境干扰后的碳排放量可表示为：

(4)

式(4)中：b表示生物量碳排放百分比；d表示受干扰的土层深度[10-12]。

(4)生态价值评估

碳固定净现值可表示为[10-12]：

(5)

式(5)中：T表示从现在到生境变化结束之间的年分数；Pt表示时间t每吨碳的价格；Ct,x表示时间t像素x内的碳储量；d表示贴现率[10-12]。

3 结果与分析

3.1 研究区土地利用/覆被变化时空演变

江苏滨海地区土地利用类型主要为耕地，耕地面积维持在1×105km2，水域和建设用地面积相当，面积维持在1.6×104km2，其次是草地、林地和未利用土地，草地面积维持在1.2×104km2，林地面积相对较少，主要维持在2.1×103km2,未利用土地面积相对较少。从总体上来看，整个江苏沿海土地利用类型变化主要发生在两个地区，一是位于江苏东北部的连云港市沿海处，二是盐城市的大丰市和东台市沿海处(图1和表1)。

图1 2000-2015年江苏省滨海地区土地利用/覆被图

2000-2015年，江苏省滨海地区草地面积变化较大，尤其是在2000-2010年草地面积减少较多，建设用地面积呈现稳步增长的趋势，速率相对较缓，耕地呈现先减少后增长的趋势(表1)。

表1 2000-2015年江苏滨海地区土地利用/覆被状况 m2

3.2 研究区碳汇生态价值评估及时空演变分析

在开展碳汇服务价值评估时，因为InVEST模型中所使用的土地利用类型代码采用IPCC的分类标准，所以本文中所使用和基于遥感信息提取的土地利用/覆被类型经过代码转换，应用于江苏省滨海地区碳汇的估算(表2)。

表2 土地利用类型代码转换表

从图2中可看出，2000年滨海湿地碳汇能力最强，2000-2010年滨海地区碳汇能力减弱，从2010-2015年滨海地区碳汇储量未发生明显变化；2000-2010年，林地面积向耕地面积的转换，碳汇储量减少，中部地区整体碳汇储量降低，生态价值降低；2010-2015年，建设用地向耕地面积的转换下，碳汇储量整体变化不大，生态价值总量趋于稳定。

图2 2000-2015年碳储量时空演变分布图

叠置统计分析表明，江苏滨海地区整体碳汇值呈现持续降低趋势。2000-2010年，碳值减少1 059.02万吨；2010-2015年，碳值减少6 491.44万吨。

4 结 语

本文基于土地利用数据和Landsat8 OLI遥感数据提取了江苏滨海地区2000-2015年土地利用/覆被数据集，基于InVEST模型完成研究区碳汇量的估算，揭示了该地区碳汇储量的时空演变规律，得到以下结论：

(1)2000-2010年，研究区土地利用类型变化是林地、草地向耕地、建设用地转变。林地、草地面积持续减少，耕地、建设用地面积呈增长趋势。2010-2015年，草地向建设用地、水域转变。

(2)江苏滨海地区土地利用类型变化区域主要集中在北部和中部。研究区北部草地呈现出由外向内被耕地包围的状态，中部沿海地带呈现草地向海岸带缩减。耕地替代草地向海岸带扩张趋势，建设用地、耕地的增加建立在减少林地，草地面积的基础之上。

(3)林地、草地是研究区碳汇的主要土地类型。林地碳汇能力较强，草地碳汇能力次之，但随着林地面积的较少，总体碳汇量减少。2000-2015年，江苏省滨海地区碳汇量减少近7000万吨，尤其是位于研究区北部和中部的地区，受城建建设等人类活动的影响，碳汇量明显减弱。