基于GIS和InVEST模型的日照市固碳能力研究

丛文翠, 孙小银,2

(1.曲阜师范大学 地理与旅游学院， 山东 日照 276800；2.南四湖湿地生态与环境保护省高校重点实验室， 山东 日照 276800)

以CO2为代表的温室气体排放所导致的温室效应以及气候变暖已经引起了全球范围内的广泛关注。据李国栋等[1]、吴海斌等[2]研究显示，陆地生态系统与大气交换的CO2对人类生存环境的质量有十分重要的影响。在这一交换过程中，生态系统的固碳功能将大气中的CO2固定在植被以及土壤之中，从很大程度上降低了CO2的浓度，提高了陆地生态系统的碳储量。目前，国内学者对碳储量的研究多以单个碳库为研究对象[3-7]，根据生物量法、蓄积量法计算碳密度，以栅格为单元的多个碳库固碳能力的研究相对较少。随着生态系统服务功能评估研究的不断发展，将GIS与InVEST模型相结合的方法为研究区域固碳能力提供了新思路，成为生态服务研究的热点。与生态系统规划相结合的固碳研究可作为解决全球气候变化问题的桥梁。国外学者如Moon等[8], Ahmad等[9]通过GIS对选定区域进行碳循环监测，达到优化生态系统服务功能的目的；Gupta等[10], Polasky等[11]通过InVEST模型研究区域内土地利用变化以及模拟未来情景下的生态系统固碳能力。在中国，基于GIS和InVEST模型的固碳功能研究在滨海湿地[12]、海岸带[13-16]、太湖[17]、巢湖[18]、白龙江流域[19]、三江源等地区得到了成功应用。

自20世纪以来，日照市土地利用方式以及植被覆盖度发生显著变化，陆地生态系统的固碳功能受到很大程度的影响。日照市作为山东半岛蓝色经济区的重要组成部分，具有优越的地理位置以及丰富的自然资源，但对这一区域碳储量变化的相关研究相对较少。本研究拟利用GIS和InVEST模型综合研究日照市4大碳库(地上生物量、地下生物量、死亡有机质生物量、土壤生物量)的碳储量，旨在于实现对区域碳储量时空变化的动态监测和空间分析，提高对日照市生态系统服务功能的认知，从而制定更加合理的土地利用规划方案，最终实现区域的可持续发展。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区域概况

日照市位于山东省东南部，地理位置为东经118°，北纬35°04′—36°04′。东临黄海，海岸线全长168.5 km，西接临沂市，南与江苏省连云港市毗邻，北与青岛市、潍坊市接壤。南北长约82 km，东西宽约90 km，总面积 5 358.57 km2，辖东港区、岚山区、莒县、五莲县2区2县。日照市属鲁东丘陵，中部高四周低，全市河流分属沭河水系、潍河水系和东南沿海水系，无天然湖泊，共有水库595座，总库容1.30×109m3。植被以针、阔叶林、灌丛林为主，全市森林覆盖率达35.2%，建成区绿化率达42.45%。地处暖温带湿润季风区，大陆性气候，年平均降水量768.7 mm，年平均气温12.7 ℃。

1.2 InVEST模型

InVEST (integrated valuation of environment service and tradeoffs )是斯坦福大学自然资本项目组研发，具有很强的实用性的生态系统评估模型软件，用于帮助管理者和研究者做出关于自然资源管理的决定[20]。包括生境质量、环境风险评估、海洋水质以及碳储量和固碳等模块。本研究应用InVEST中的carbon storage and sequestration模块进行固碳能力的研究。陆地生态系统中的碳储量主要取决于4个碳库：地上生物量碳库，地下生物量碳库，土壤碳库和死亡有机碳库。此外，模型还涉及第5类碳库，即HWP (harvested wood products)，因数据来源不足，获取困难，所以不考虑第5类碳库对固碳能力的影响。本研究从遥感影像数据中提取土地利用信息，结合碳密度数据输入InVEST模型，得到不同时期碳储量数据结果，从而对日照市碳储量分布情况进行分析，计算方法如下：

C=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(1)

式中：C——总碳储量(kg/m2);Cabove——地上部分碳储量(kg/m2);Cbelow——地下部分碳储量(kg/m2);Csoil——土壤碳储量(kg/m2);Cdead——死亡有机质碳储量(kg/m2)。

1.3 数据来源

本研究所需要数据主要有基础地理数据中的行政边界数据，当前土地利用覆盖图、碳密度表等等。

1.3.1 土地利用图 土地利用数据来源于中科院资源环境数据中心(http:∥www.resdc.edu/)比例尺1∶10万。经过掩膜提取得到日照市1995,2000,2005,2010,2015这5期的土地利用图，将研究区域土地利用类型重分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地6类，按照运行InVEST模型所需要的数据，将重分类后的土地利用/覆盖图分别转为栅格格式。

1.3.2 碳密度表 地上部分碳密度和土壤碳密度主要根据张德全等[21]、方精云等[22]和代杰瑞等[23]对山东省不同地类的碳储量的研究结果结合研究区土地利用类型统计得出；地下部分碳密度根据周玉荣、方精云等的研究，选取山东省地上部分生物量数据，采用生物量转换因子法，综合计算出日照市各土地利用类型的地下部分碳密度，计算公式如下：

Cbelow=a×b×DWi

(2)

式中：Cbelow——地下部分碳密度(kg/m2)；a——转换系数；b——地下地上生物量比值； DWi——地上生物量。其中地下生物量根据地上生物量和地上地下生物量比值计算得出，根据代杰瑞等[23]、黄玫等[24]的研究，耕地、水域、建设用地以及未利用地的地下地上生物量比值取0.1；林地主要类型为针阔叶混交林，根据朴世龙等[25]、方精云等[26]的研究，林地地下地上生物量的比值取0.4，草地地下地上生物量的比值取4.1。

死亡有机碳密度数据获取相对困难，在本研究中不予考虑；综合选取日照市各土地利用类型的碳密度，得出日照市各土地利用类型碳密度(见表1)。

表1 日照市不同土地利用类型碳密度统计kg/m2

2 结果与分析

2.1 1995-2015年土地利用变化

1995—2015年日照市土地利用类型以耕地和林地为主。西北、东南区域集中分布耕地；日照市中部地区东北—西南走向的条带状区域为地势较高的丘陵地区，林地和草地广布。建设用地主要分布于东部沿海地区，与中心城市的分布高度一致；日照市水体零星分布，主要包括沭河、傅疃河两大河流。

表2为日照市各土地利用类型面积变化，结果表明1995—2015年，耕地、草地面积有所下降，而林地、水域、建设用地以及未利用地面积增加。耕地为日照市主要土地利用类型，所占比例从69.3%减少到67.6%。耕地的减少主要是转化为城市建设用地、林地以及草地。研究时段内，受城市建设用地扩张的影响，有197.85 km2的耕地被占用；林地、草地面积仅次于耕地，共占区域总面积的比例约为19%。林地面积的增加与退耕还林政策有关，在1995年至2015年间，有147.18 km2的耕地转化为林地；在1995—2015年，由于人口开始增长，约有130.54 km2的草地转化为耕地发展农业，所占比例从7.2%减少到6.7%；水域面积在1995—2015年逐渐扩大，主要接受来自耕地的转化；未利用土地面积略增，转换不明显，有利于平衡农用耕地以及其他土地利用类型之间的矛盾；水域、未利用土地两者面积仅占0.03%；自2000年起，由于城镇化进程加快，日照市建设用地面积明显增加，所占比例从9%增加到9.5%。

表2 日照市1995-2015年土地利用转移矩阵 km2

2.2 不同时期碳储量空间分布特征

基于日照市1995—2015年土地利用数据、碳密度表运行InVEST-Carbon Storge and Sequestration模型，将模型结果加载到ArcMAP中进行分析得到日照市碳储量空间分布图及储碳总量(如图1所示)。

由图1可以看出，1995,2000,2005,2010,2015年日照市碳储量的空间分布变化不大。碳储量高值区出现在日照市西北、东南地区，该地区大面积分布耕地，土壤以棕壤、潮土为主，土壤肥沃，有机质丰富，地下部分碳密度、土壤碳密度高，故储碳量高，单位土地面积碳储量达1 574 t/km2；中部、西南部地区碳储量呈现次高值，该地区分布有林地、草地，二者单位土地面积碳储量分别达1 222和765 t/km2，高于或接近碳密度中等水平950 t/km2，这是因为日照市五莲、莒县区域分布有一定面积的森林。

此外，两地有沭河湿地、傅疃河湿地，生物量丰富，地上、地下部分含碳量高，固碳能力强。碳储量的低值区出现在东部沿海城市建设用地、五莲县周围裸地区域，单位土地面积碳储量平均为463 t/km2。

图1 日照市1995，2000，2005，2010，2015年碳储量空间分布

2.3 不同时期碳储量数量分析

2.3.1 日照市总固碳量 根据计算可得，1995，2000，2005，2010，2015年总碳储量分别为6.976×106,6.978×106,6.957×106,6.987×106,7.015×106t。日照市从1995—2000年累计固碳2 000 t，显示这5 a内日照市固碳潜力呈上升趋势；2000—2005年减少固碳量2.10×104t，表明这5 a内固碳潜力明显下降；2005—2010年增加固碳量约为3×104t，2010—2015年固碳量增加2.80×104t。20 a间固碳量净增加3.9×104t，固碳速率下降缓慢甚至开始增加，固碳能力趋于稳定。

2.3.2 不同土地利用类型碳储量的时间变化 运行InVEST模型得到日照市1995—2015年碳储量，按照土地利用类型进行分区统计如表3所示。

表3 日照市1995-2015年不同土地利用类型碳储量 104 t

如表3所示，1995—2015年日照市耕地碳储量呈持续下降态势，累计减少固碳量达到1.21×105t。其中，2000—2005年固碳量下降速率明显高于其他3个时间段。5 a内，耕地面积减少了146.87 km2，固碳量下降了6.80×104t，可见，耕地固碳量的下降与其面积的减少表现一致，与退耕还林还草政策的实施有关；林地储碳量在1995—2015年间略有上升，累计固碳量呈不断上升的趋势。研究时段内林地碳储量变化情况与其面积逐渐增加后保持不变的变化情况基本一致；草地的碳储量在1995—2015年间呈小幅度下降后逐渐稳定的趋势，与草地面积轻微下降呈现大致相同的趋势，减少的草地面积主要用作补充耕地以及林地；日照市水域碳储量呈现先增加后减少再增加的态势，研究期末段相比初期碳储量整体呈现增加趋势，但是增加的幅度有所下降；建设用地的碳储量呈现不断上升的趋势，但是上升速率在1995—2000年间较缓，与日照市城市建设刚刚起步有很大关系。由于城市化进程加快，建设用地面积在2000—2005年间上升迅速，随后趋于稳定，与碳储量变化基本一致；未利用土地碳储量在20 a间呈现稳定中略上升的趋势，累计固碳量1 000 t，与未利用土地面积小幅度增加的趋势基本一致。未利用地是一地区的后备资源，能够有效解决建设用地以及耕地的利用矛盾。

3 结论与讨论

(1) 1995—2015年日照市土地利用空间格局未发生明显变化，而土地利用类型的面积发生了较为明显的变化。日照市西北、东南大面积分布耕地，中部主要为林地、草地以及水域，东部分布建设用地、未利用土地。土地利用类型所占比例：耕地>林地>建设用地>草地>水域>未利用土地，总变化趋势表现为耕地、草地面积的减少以及林地、水域、建设用地、未利用土地面积的增加。受退耕还林政策的影响，耕地、林地及草地3种土地利用类型之间相互制约；由于2000年以来日照市城镇化的迅速发展，水域以及建设用地面积明显增加。

(2) 1995—2015年间，日照市累计固碳3.90×104t，总碳储量分别为697.6×106，6.978×106，6.957×106，6.987×106，7.015×106t，碳储量呈现增加趋势。研究区固碳能力有了一定的提升，2005—2015年固碳潜力迅速上升。不同土地利用类型的碳储量和固碳能力呈现较大差异。耕地、草地碳储量逐年减少；林地碳储量不断上升，后一阶段上升速率明显高于前一阶段；水域碳储量呈现先增加后减少再增加的态势，研究时段末期比初期整体呈现增加趋势；建设用地和未利用土地碳储量皆保持稳定上升的趋势。

(3) 各土地利用类型的固碳总量从大到小依次为：耕地>林地>建设用地>草地>水域>未利用土地，与各土地利用类型的碳密度以及分布面积呈现较大的一致性。面积较大且碳密度较高的耕地、林地、建设用地固碳能力较强；而面积较小且碳密度较低的水域以及未利用土地固碳能力相对较弱，但仍有较大固碳潜力，应对其进行充分开发。

陆地生态系统的固碳能力与土地利用变化格局有很强的联系性，因此，定量评价土地利用变化对碳储量的影响，对研究全球气候变化和陆地碳循环具有重要意义。从研究结果来看，日照市耕地、林地等土地利用类型有较强的固碳能力，未来可以通过InVEST模型对日照市土地利用的不同情境进行模拟，从而为决策者提供更加科学合理的土地规划方案，实现生态文明的可持续发展。