基于InVEST模型重庆市建设用地扩张的碳储量变化分析

虎 帅, 张学儒, 官冬杰

(重庆交通大学, 重庆 400074)

全球气候变化已经直接影响到人类社会系统和自然生态系统，地球的碳循环系统在全球气候变化中占据着重要地位。对于全球碳循环系统而言，研究碳储量的变化具有十分重要的意义，有利于改善全球的气候变化[1]。目前相关研究多集中于单一生态系统的研究，如土壤生态系统、水环境生态系统、森林生态系统等[2]。碳储量包括了大气中的碳储量、海洋碳储量及陆地碳储量。其中，陆地碳储量直接影响到大气温室气体排放量以及碳循环的平衡。据中科院大气物理研究所最新统计，中国陆生系统碳储量达到1 000亿t[3]。城市扩张是人类活动的表现，在城市扩张过程中，土地利用/覆被都会受到不同程度的影响。研究城市扩张的碳储量变化有利于合理地处理人地关系的矛盾，也同时促进了人与自然的和谐发展[4]。近年来，应用生态模型对陆地系统碳储量进行评估分析研究，受到学术界的关注，如张文华等分析了InVEST模型对郭勒草原碳储量评估的适用性，发现不同类型的草地碳储量也有所不同，且适用于此类研究[5]；修珍珍等利用InVEST模型估算了富阳市森林生态系统的碳储量，分析得出碳储量由多到少依次为常绿阔叶林、针阔混交林、竹林、马尾松林[6]；荣月静等利用InVEST模型研究了近10 a太湖流域土地利用变化下碳储量功能，发现碳储量逐年减少的规律[7]。可见，InVEST模型能有效评估陆地系统碳储量，但是利用InVEST模型开展建设用地扩张导致的陆地生态系统碳储量损失的研究并不多见。对于城市化进程不断加快的重庆而言，建设用地的需求量不断上升，这就造成建设用地侵占其他土地利用类型来满足需求，碳储量发生变化，从而直接影响到生态系统的变化。如果建设用地扩张的不合理，会造成各土地关系类型之间的矛盾，对生态影响造成不利影响[8]。因此，根据建设用地转入与转出的变化情况，精确计算陆地生态系统碳储量，从建设用地扩张的角度，对碳储量变化进行深入分析，研究对碳储量的影响，有利于合理规划建设用地扩张方向，进而对生态系统服务影响最小有重要价值意义。

1　数据与方法

1.1　研究区概况

重庆市位于我国西南部，长江上游地区，地处105°11′—110°11′E，28°10′—32°13′N，2015年末，辖区分为38个区县(自治县)，面积达到8.24万km2。重庆市是我国西南地区综合交通枢纽和最大的工商业城市，是国家重要的制造业基地。东邻湖北、湖南，南接贵州，西连四川，北靠陕西。重庆市是西部地区唯一的直辖市，幅员面积最大，而农业用地比重较大，2005年占总面积的84.42%，因此具有大城市，大农村的特点。重庆市土地利用水平地区差异大，中西部地区单位城镇建设用地二三产业增值分别为渝东南及渝东北地区的1.5倍和1.3倍；耕地减少快，后备资源匮乏，城乡建设用地统筹不够[9]。重庆市直辖以来，城镇化水平不断提高，2010年重庆市城镇化率达到53%，远高于平均水平。但由于重庆市建设用地几何重心的偏离，导致城乡二元结构突出[10]。复杂的生态环境与城市化进程不断加快的耦合关系，对研究区建设用地扩张及生态系统服务影响深刻[11]。

1.2　数据获取

1.2.1土地利用数据本文采用重庆市2000年、2005年以及2010年土地利用数据，通过中科院数据共享网站下载获取。将土地利用进行重分类处理，合并地类后分为：耕地、园地、建设用地、水体、沼泽、草甸、草原/草地、针叶林、阔叶林、针阔混交林、灌木林、其他林地以及裸地13类。

1.2.2碳密度数据陆地系统碳储量主要包括地上碳储量、地下碳储量以及土壤碳储量，其中地上部分碳密度是指地表以上0—20 cm附近单位面积上碳储量的平均值；地下部分碳密度是指地表以下0—20 cm附近单位面积碳储量的平均值；土壤碳密度是指地表以下20—100 cm附近单位面积上碳储量的平均值[12]。文中涉及的碳数据为碳密度，不同时期不同土地利用类型碳密度值均有差异。本文碳密度数据来源于重庆市森林资源调查数据，如无法获取的相关数据，根据其他碳库估算或默认设置为0。汇总[13-22]结果见表1至表3所示：

表1　地上碳密度汇总　kg/m2

表2　地下碳密度汇总表　kg/m2

表3　土壤碳密度汇总表　 kg/m2

1.3　研究方法

本研究以2000—2010年重庆市3个时段的土地利用数据为基础，研究碳储量的时空变化，主要包括：土地利用变化及建设用地变化分析、InVEST模型对碳储量估算、以及建设用地扩张对碳储量的影响。

1.3.1土地利用变化分析在ArcMAP 10.2中将两期土地利用图进行叠加计算，得出相交部分新的面积；将属性表导入Excel中，利用数据透视表功能计算出两期数据的土地利用转移矩阵。矩阵中r(i，j)表示i类型向j类型转移的土地面积，空值表示未发生转移，相同土地利用类型之间的值表示保留的土地利用类型面积[23]。

通过土地利用类型转移矩阵可以直接观察出土地利用类型的转化情况，同时可以直接提取出建设用地的转入与转出情况，结合ArcMap对建设用地进行空间及时间变化分析。

1.3.2碳储量估算碳储量作为陆地生态系统的重要指标，不同地区不同土地利用类型碳储量不同，其变化直接影响着生态系统的变化。InVEST模型全称为Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool，即生态系统服务功能综合估价和权衡得失评估模型，由美国斯坦福大学、TNC和世界自然基金会联合开发[24]。InVEST模型主要用于研究淡水生态系统、海洋生态系统以及陆地生态系统，对于陆地生态系统而言，主要研究生物多样性、粉尘分析、木料分析以及碳储量分析。InVEST是对生态系统进行定量评估，并把结果用图形的方式表达出来，能够模拟预测不同土地利用下生态系统服务功能的变化，变化包括物质量和价值量两个方面[25]。

InVEST模型的碳储量模块计算方法如下：

C=Cabove+Cbelow+CSoil+Cdead

式中：C表示碳总量(t/km2)；Cabove表示地上部分碳储量；Cbelow表示地下部分碳储量；Csoil土壤部分碳储量；Cdead死亡有机质碳储量[25]。

本文采用新版的InVEST 3.3.2版本，与之前相比，不再是ArcGIS里的一个工具，而是独立的处理系统。因此，在运行模型时，可参照对应模块的案例，将数据调整为所需格式，必要数据缺一不可。

1.3.3建设用地扩张对碳储量的影响 将建设用地与碳储量数据进行空间叠加，找出因建设用地转化影响碳储量不同程度变化的方向，进而确立合理的建设用地演化机制。

2　结果与分析

2.1　土地利用变化分析

根据土地利用现状图，做出重庆市2000—2010年土地利用转移矩阵：

从表4与表5中得出：2000—2010年重庆市土地利用变化显著，其中耕地是主要的转出者，主要转换为建设用地和阔叶林；建设用地是主要的转入者，主要通过耕地、阔叶林等转化而来；草甸面积变化很小，转化不明显。其中最明显的变化主要有：耕地转化为建设用地，2005年转化了295.65 km2，2010年转化了754.55 km2；耕地转化为阔叶林，2005年转化了512.94 km2，2010年转化了691.34 km2；耕地转化为园地，2005年转化了229.04 km2，2010年转化了393.53 km2。建设用地的扩张来源于耕地，土地利用变化的主要矛盾在于耕地与建设用地的关系。

将建设用地转化关系提取得出表6：

表4　2000-2005年土地利用类型转移矩阵　km2

2000—2005年期间，重庆市建设用用地转化为其他用地类型共21.91 km2，大部分转化为水体，面积为18.52 km2，占总转化的85%；建设用地扩张占用其他用地类型的面积达到529.31 km2，耕地占总面积的56%，阔叶林占41%；这期间建设用地共增长了507.39 km2，除草甸、裸地、其他林地未发生相互转化，水体侵占18.42 km2的建设用地面积，其他用地类型均对建设用地扩张具有补给作用。

2005—2010年重庆市建设用地变化更加剧烈，转出面积有所减少，仅有8.44 km2，且耕地和水体是主要的侵占来源，各占40%。转出面积达到前5 a的2倍，面积为1 066.63 km2，补给来源最多的耕地比例达到75%，是建设用地最主要的扩张方向。这期间建设用地共扩张998.19 km2，除草甸、裸地无明显变化之外，其余用地类型均被建筑用地侵占。

随着重庆市城市化进程的加快，建设用地需求量增大，重庆市建设用地10 a共增长了1 505.58 km2，占耕地面积1 045.16 km2，阔叶林375.72 km2，针叶林43.38 km2，草原、草地32.72 km2。而水体则占据建设用地面积18.12 km2，是唯一占用建设用地面积较多的用地类型。

根据2000年、2005年与2010年土地利用分布情况，做出建设用地变化图1—2。

建设用地主要是由西部中心，逐渐向四周扩张，且增长速率加快。建设用地由2000年的598.88 km2增加到2005年的1 097.27 km2，面积扩大至近2倍；从表5中看出，2010年建设用地增加至2 095.46 km2，面积扩大至近2倍，且增长量加倍。其中，两段时期耕地以及阔叶林被占用面积分别达到建设用地增长面积的96.6%和90.9%。因此建设用地占用耕地以及阔叶林是主要的扩张形式。

2.2　InVEST模型对碳储量的估算

运行InVEST的Carbon模块，计算2000及2005年碳储量分布，结果见图3—4。

根据运算结果得出2000年重庆市碳储量为214.02 Mt，2005年增长到291.60 Mt，平均每年增长了15.52 Mt。从图3与图4中可以看出，2000年栅格单元碳储量最大的地区为138.97 Mt，最小37.90 Mt；2 005碳储量最大的地区分布在耕地较多的中部地区，碳储量为19 980.5 t，最少的分布在水体及裸地较多的地区，碳储量为3 789.62 t，整体呈现增长趋势；纵观整个重庆市，碳储量呈现由西向东递增的趋势，这与东部地区植被覆盖度大于西部地区有关；图5表示单元栅格碳储量变化情况分布图，表示碳储量增加与减少的情况。可以看出，重庆市西部地区碳储量明显减少，东部地区明显增多，减少最大量为8 938.03 t，增长最大量为10 315.4 t。运用InVEST模型中的碳价值评估模块得到图6，以43$每t的碳价格，按照7%的市场折扣率计算得出2005年碳储量的经济价值共增长11 908 842$。

表5　2005-2010年土地利用类型转移矩阵　km2

表6　重庆市建设用地变化统计　km2

图12000-2005年建设用地扩张图22005-2010年建设用地扩张

运行Carbon模块，得到2010年碳储量分布，结果见图7。根据运算结果得出2010年碳储量增长到331.90 Mt，平均每年增长了17.40 Mt。2010年碳储量最大的地区分布在耕地较密集的地区，碳储量为30 490.8 t，最少分布在水体及裸地较密集的区域，碳储量为5 334.14 t，整体呈现增长趋势；纵观整个重庆市，碳储量呈现由西向东递增的趋势；从图8可以看出，重庆市西部地区碳储量明显减少，东部地区明显增多，减少最大量为9 602.76 t，增长最大量为8 505.77 t；从图9可以看出，重庆市碳储量增长最多的地区贡献320 923$，而碳储量减少最多的地区损失362 312$。重庆市东部地区碳储量始终多于西部地区，从2000—2010年重庆市碳储量增长了117.88 Mt，且碳储量的增长速率加快。

图32000年碳储量分布图42005年碳储量分布

2.3　建设用地扩张对碳储量的影响

建设用地的扩张区域与碳吸收量图相对应，明显可以看出建设用地扩张区域部分碳吸收量为负值，且占据的是固碳能力较强的耕地与阔叶林，大幅度地降低了整体的碳储量值。

将InVEST模型运行结果与土地利用图进行叠加，统计出不同土地利用类型碳储量的变化，见表7。

从表7中可以看出，2000—2005年耕地面积减少最多为1 331.49 km2，但碳储量增加15.17 Mt，占总增长的50%；建设用地面积增长最多为507.39 km2，其碳储量增加1.12 Mt；针叶林面积增加134.80 km2，碳储量却减少最多为9.15 Mt；草甸面积未发生明显变化，但碳储量增加0.07 Mt。2005—2010年耕地面积依然减少最多为2 029.63 km2，碳储量减少4.02 Mt；建设用地面积增加最多998.19 km2，碳储量增加1.64 Mt；针叶林转化增加的碳储量最多为31.24 Mt，面积增加了26.37 km2；草甸依旧无明显变化，碳储量增加0.26 Mt。裸地10 a共减少了16.40 km2，共减少0.04 Mt碳储量。由此可见，重庆市固碳能力较强的是耕地与阔叶林，固碳能力较弱的是裸地。尽管固碳能力较强的耕地面积大量减少，相对较多的建设用地面积大量增加，由于大部分土地利用类型固碳能力随着时间增强即碳密度增加，因此碳总量持续增长。耕地虽然大量减少，并不代表碳总量会减少。

图52000-2005年碳储量变化图62005年碳经济价值分布

图72010年碳储量分布图82005-2010年碳储量变化

把碳储量数据与土地利用类型图结合，可算出不同土地利用类型单位面积碳储量。根据建设用地的面积变化，计算出因建设用地扩张影响的碳储量变化，见表8。

2000-2005年建设用地因转化为其他用地类型而增加的碳储量为14 207.47 t，因扩张占用其他用地类型而减少的碳储量为564 098.35 t，净损失碳储量549 890.88 t。在建设用地转化为其他用地类型的过程中，水体是主要的碳储量贡献者，提供了10 581.52 t碳储量，其次是园地2 622.71 t；在建设用地扩张过程中，占用阔叶林导致碳储量减少404 931.15 t碳储量，占总损失的72%，其次是耕地128 691.17 t。2005—2010年建设用地在转化为其他用地增加的碳储量依次为园地2 223.28 t、水体1 883.62 t、耕地1 537.11 t、阔叶林1 437.54 t，共增长了7 081.55 t碳储量。而扩张造成的碳储量损失最多的为阔叶林580 475.70 t，其次是耕地341 934.89 t、针叶林107 698.76 t，共造成1 177 063.73 t碳储量减少，碳储量净损失达到1 169 982.18 t。可见，建设用地扩张过程中，碳损失的主要来源为耕地及阔叶林，其次是针叶林、草原、草地等。

图9　2010年碳经济价值分布

类型2000—2005年面积/km2碳储量/Mt2005—2010年面积/km2碳储量/Mt草甸00.0700.26草原、草地78.695.21-16.709.12耕地-1331.4915.17-2029.63-4.02建设用地507.391.12998.191.64阔叶林-2.6413.15387.0844.90裸地-9.78-0.02-6.52-0.02其他林地-11.861.850.751.05水体410.371.45248.930.53园地221.021.33384.041.32针阔混交林3.520.613.103.08针叶林134.80-9.1526.3731.24总计030.80089.10

表8　建设用地变化对碳储量的影响　t

3　结论与讨论

重庆市建设用地扩张进程加快，共增长1 505.58 km2，建设用地主要是由西部中心，逐渐向四周扩张，且增长速率加快。2000—2005年建设用地面积增长最多为507.39 km2，其碳储量增加1.12 Mt；但由于占用其他用地类型使得总碳储量减少了549 890.88 t；2005—2010年，碳储量增长89.10 Mt，建设用地由1 097.27 km2，增长了998.19 km2，造成碳净损失1.19 Mt；其中，两段时期耕地以及阔叶林被占用面积分别达到建设用地增长面积的96.6%和90.9%。因此建设用地占用耕地以及阔叶林是主要的扩张形式。

总体来看，重庆市从2000—2010年碳储量呈现增长的趋势，耕地与阔叶林固碳能力最强，累计贡献占50%以上。只有裸地的碳储量持续减少，固碳能力最弱。建设用地固碳能力一般，由西部中心向四周加速扩张，侵占大量的耕地与阔叶林，对重庆市固碳水平具有抑制作用。选择固碳能力较弱的草甸及裸地，作为建设用地扩张的主要目标，即稳固了固碳能力或减少碳储量的损失，又不影响城市化的推进。

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