城市扩张与耕地保护耦合对陆地生态系统碳储量的影响——以湖北省为例

柯新利,唐兰萍

华中农业大学公共管理学院,武汉 430070

陆地生态系统碳储量是全球碳储量的重要组成部分之一,对减缓全球气候变化具有至关重要的作用[1]。土地利用变化会影响陆地生态系统的结构和功能,引起植被和土壤的改变,而植被、土壤是陆地生态系统碳储量的主要形式[2-3],不同土地利用类型的碳密度存在显著差异[4-5],因此土地利用变化是陆地生态系统碳储量变化的主要驱动因子[6-12]。在城市化迅速发展的时代背景下,我国的土地利用方式、土地覆被类型不断发生变化,城市扩张导致大量碳密度较高的林地、草地、耕地等转化为碳密度较低的城市建设用地,从而使得陆地生态系统碳储量呈现净减少趋势[13-14]。

城市扩张对生态系统碳储量的影响是当前土地利用变化与全球变化研究的热点问题[15- 24]。国内外大量研究已经证明城市扩张对生态系统碳储量具有重要影响[15- 20]。同时,近几年研究发现城市扩张是导致区域碳储量减少的重要原因[21- 24],对生态系统服务造成了严重影响。这些研究关注的主要是城市扩张本身对生态系统碳储量的影响。

为保障国家粮食安全,我国实行了世界上最严格的耕地保护政策[25- 28]。在此背景下,城市扩张与耕地保护两者的耦合会加剧生态系统碳储量的流失。城市扩张与耕地保护耦合包括两个连锁过程：①城市扩张侵占大量的耕地、林地、湿地、草地等；②城市扩张造成的耕地流失对粮食安全产生威胁[29-30],为保障粮食安全,我国实行了最严格的耕地保护政策,这些政策要求开垦新的耕地以补充城市扩张过程中流失的耕地。而新开垦的耕地大多来源于林地、草地、湿地等生态服务功能较强的土地[31-32]。所以,除了城市扩张直接对生态系统碳储量的影响之外,城市扩张通过耕地保护的传导作用会导致对生态系统碳储量的间接影响。因此,我国城市扩张与严格耕地保护政策耦合加剧了对陆地生态系统碳储量的影响。已有的大量研究仅仅关注城市扩张本身对生态系统碳储量的直接影响或者仅仅关注城市扩张对耕地流失和粮食安全的威胁,忽略了城市扩张与耕地保护耦合下耕地补充过程对生态系统碳储量的间接影响,未能形成城市扩张对生态系统碳储量影响的全面认识。

本文依托湖北省土地利用数据以及碳密度数据,采用InVEST模型碳储量测算模块,测算2000—2015年湖北省城市扩张通过直接占用耕地、林地、湿地、草地等对生态系统碳储量的影响以及为执行严格的耕地保护政策补充新的耕地对生态系统碳储量的间接影响,以揭示城市扩张与耕地保护耦合对生态系统碳储量的影响,为科学认识城市扩张、耕地保护和生态保育的关系提供新的视角。

1 研究区域

湖北省位于我国中部(29°05′—33°20′N,108°21′—116°07′E),地处亚热带与暖温带衔接地带的气候区[33],是对全球气候变化反应最为敏感的区域之一[34]。全省大部分为亚热带季风性湿润气候,光能充足,热量丰富,无霜期长,降水充沛,雨热同季。全省年平均气温15—17℃,各地年平均降水量在800—1600 mm之间。湖北省土壤类型复杂多样,水稻土、潮土、黄棕壤等8个土类占全省总耕地面积的98.65%。植被主要为亚热带常绿阔叶林、亚热带常绿、落叶阔叶混交林、亚热带竹林、亚热带针叶林等植被类型[35-37]。

湖北省总面积为1.86×105km2,主要地类是林地与耕地,其中林地5.86×104km2、耕地3.90×104km2,湖泊总面积0.30×104km2[38]。湖北省东、西、北三面环山,主要为林地；中间低平,主要为耕地、湿地、建设用地、河流(图1)。湖北省城市扩张迅速：根据中国科学院资源环境数据中心的土地利用数据(http://www.resdc.cn/),2000—2015年湖北省城市建设面积由1.49×103km2扩张到4.52×103km2,新增数量达到3.03×103km2。

图1 2015年湖北省土地利用图Fig.1 Land use map of Hubei Province in 2015

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 研究技术路线

本文以湖北省土地利用数据、碳密度数据为依托,分别求取城市扩张直接作用及其通过耕地保护传导作用两个连锁过程对生态系统碳储量的影响,最终得到城市扩张和耕地保护耦合对生态系统碳储量的影响(图2)。

图2 研究技术路线Fig.2 Research technical route

首先,依托湖北省2000年和2015年土地利用数据,采用GIS空间分析方法提取湖北省城市扩张对耕地、林地、草地等挤占的空间格局,据此测算得到城市扩张直接导致的生态用地流失；在此基础上,结合各地类的碳密度数据,采用生态系统服务和交易的综合评估模型InVEST模型 (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs),定量评估城市扩张对生态系统碳储量的直接影响。采用同样的方法,从2000年和2015年土地利用数据中提取湖北省耕地对林地、草地、湿地等挤占的空间格局,再将形成的空间格局与2000年湖北省土地利用图进行叠加分析得到城市扩张通过耕地保护间接引起的土地利用变化空间格局,结合各地类的碳密度数据,使用InVEST模型定量评估城市扩张通过耕地保护的传导作用引起的生态系统碳储量的变化。最后,基于上述结果,测算得到城市扩张与耕地保护耦合对生态系统碳储量的影响,剖析城市扩张的直接影响和耕地补充的间接影响对生态系统碳储量变化的贡献。

2.1.2 InVEST模型

InVEST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生态系统服务工具[39]。InVEST模型克服了传统碳储量估算研究方法的测算结果呈静态、成本高、所需数据繁多等缺点,其具有使用简单、参数灵活、评估结果的空间可视化等优点,在城市扩张对碳储量影响评估方面得到了广泛的应用[39-42]。本文运用InVEST碳储量评估模型对生态系统碳储量进行评估。InVEST碳储量模型中考虑了4种类型的碳库：地上生物碳库、地下生物碳库、死亡有机质碳库、土壤有机质碳库。地上生物碳库包括地表以上所有活的植被的碳储量；地下生物碳库包括植物活的根系系统的碳储量；死亡有机质碳库包括枯立木、凋落物和倒木中的碳储量；土壤碳库包括土壤有机碳和矿质土壤有机碳形成的碳储量[35]。

InVEST碳储量评估模型以土地利用类型为评估单元,利用区域土地利用/覆被信息、碳密度数据,通过栅格叠加评估陆地生态系统碳储量。

首先,各地类碳密度计算公式如下：

Ci=Ci_above+Ci_below+Ci_dead+Ci_soil

(1)

式中,Ci为第i种地类的碳密度；Ci_above为第i种地类地上生物的碳密度；Ci_below为第i种地类地下生物的碳密度；Ci_dead为第i种地类的死亡有机质碳密度；Ci_soil为第i种地类的土壤有机质碳密度。

然后,基于各地类的碳密度和土地利用数据,计算生态系统碳储量：

Ci_total=Ci×Ai

(2)

式中,Ci_total为区域内第i种地类总的碳储量；Ci为第i种地类的碳密度；Ai为第i种地类的面积。

最后,将各地类的碳储量加总,得到区域内总的生态系统碳储量。

2.2 数据来源

本文利用的数据包括土地利用数据集和各种土地利用类型的碳密度数据。

2.2.1 土地利用数据

本文采用的土地利用数据包括湖北省2000年、2015年2期的土地利用数据,该土地利用数据集来源于中国科学院资源环境数据中心的土地利用数据库(http://www.resdc.cn/),该数据库由Landsat TM/ETM影像解译得到,空间分辨率为30 m×30 m。该土地利用数据集将区域土地利用类型分为6大类25小类[42]。本文根据研究需要,对原始数据的25小类进行合并,得到耕地、林地、草地、河流、湿地、城市建设用地、农村建设用地、未利用地8类用地类型：(1)耕地(水田、旱地等)；(2)林地(包括有林地、灌木林、疏林地及其他林地等);(3)草地(灌丛草地、稀疏草地等);(4)河流(天然形成或人工开挖的河流及主干渠常年水位以下的土地等)；(5)湿地(湖泊、水库坑塘、滩涂、滩地等)；(6)城市建设用地(大、中、小城市及县镇以上建成区用地、其他建设用地等);(7)农村建设用地(农村居民住宅用地、农村公共设施用地等)；(8)未利用地(沙地、戈壁、盐碱地、裸土地、裸岩石砾地等)。

2.2.2 碳密度数据

碳密度数据是根据不同地类的植被覆盖状况与植被碳密度、土壤碳密度获得。本文碳密度数据通过已经公开发表的文献[5,43-60],并且结合湖北省实际修正获得。Chuai等[5]研究表明,湖北省耕地、林地、草地的碳密度分别为105.30、139.10、120.90 t/hm2；刘刚和陈利[44]、田应兵[45]、邰继承等[46]的研究显示,湖北省湿地碳密度为140.68 t/hm2；奚小环等[47]的研究指出,湖北省建设用地土壤有机质碳密度为34.33 t/hm2、未利用地土壤有机碳密度为34.42 t/hm2；Zhang等[18]的研究则认为,河流的碳密度可以忽略不计。根据以往研究中对各地类的植被碳密度(包括地上生物量、地下生物量碳密度)、土壤有机质、死亡有机质的碳密度数据以及这4类碳库生物量的比值—碳转换率等研究结果[5,43-56],换算出各种地类的碳密度(表1)。

(1)湿地：总碳密度=植被碳密度(7%)+土壤有机质碳密度(90%)+死亡有机质碳密度(3%)；其中植被碳密度：地下生物量/地上生物量=1.8;

(2)城市建设用地、农村建设用地：总碳密度=植被碳密度(21%)+土壤有机质碳密度(79%)；其中植被碳密度：地下生物量/地上生物量=0.2;

(3)其他土地类型：总碳密度=植被碳密度(26%)+土壤有机质碳密度(72%)+死亡有机质碳密度(2%)；(其中耕地、林地、草地、未利用地植被碳密度：地下生物量/地上生物量的值分别为0.66、0.2、1.20、0.2)。

表1 湖北省各土地类型碳密度/(t/hm2)

为阐明数据资料的适用性,本文对文献使用的方法进行列表比较,如表2所示,各文献使用的方法以及数据来源具有一定可靠性和科学性。

3 研究结果

3.1 城市扩张对陆地生态系统碳储量的影响

采用GIS空间分析方法得到2000—2015年湖北省城市建设用地对生态用地挤占的空间格局(图3)。总体而言,湖北省中部、东部地区耕地被侵占比例较高。省会城市武汉市城市用地规模扩张最明显,城市用地对耕地的侵占也是湖北省最严重的。其次是武汉市周边的黄冈市、孝感市。而位于湖北省西部的十堰市、宜昌市、恩施市等地区,耕地被侵占的比例相对较低,城市建设用地主要侵占的是林地、草地等生态用地。城市扩张所导致的耕地减少的总量与比例在湖北省不同区域表现出显著的空间差异,主要因为湖北省各个地区的耕地资源禀赋、经济发展水平、城市扩张等存在区域差异。

结果显示：2000—2015年,湖北省城市用地扩张规模达到3.23×103km2；湖北省城市用地扩张以占用耕地为主,占用耕地面积达2.18×103km2,达到新增城市用地的67%；林地也是城市扩张挤占的重要对象,流失面积为0.68×103km2,达到新增城市用地的21%。可见,城市扩张的过程中,碳密度较高的林地、耕地等转化为碳密度较低的城市建设用地,导致生态系统碳储量减少。

表2 碳密度文献汇总

图3 湖北省新增城市建设用地Fig.3 New urban land in Hubei Province

采用InVEST模型定量评估湖北省城市扩张对生态系统碳储量的直接影响(图4)。结果表明：湖北省城市扩张通过直接挤占耕地、林地等生态用地导致生态系统碳储量减少了28.36 Tg。城市扩张导致湖北省各区域的生态系统碳储量都呈现减少趋势。省会城市武汉市生态系统碳储量损失最严重,其次是黄冈市、宜昌市,这些地区经济发展较快、城市扩张明显；生态系统碳储量流失较为严重的地区还包括湖北省西部的十堰市、襄阳市、随州市等地区。

图4 湖北省城市扩张作用下的碳储量变化图Fig.4 Change of carbon storage caused by urban expansion in Hubei Province

3.2 耕地保护对陆地生态系统碳储量的影响

运用GIS空间分析方法得到2000—2015年湖北省城市扩张通过耕地补充对生态用地挤占的空间格局(图5)。湖北省西部地区的新增耕地数量最多,如十堰市、襄阳市、宜昌市、恩施市。由于该区域林地较多,因此新增耕地以侵占林地为主。而中部地区地势低平,属于平原地带,湿地、河流较为集中,耕地补充以侵占湿地为主。东部地区耕地补充以侵占林地和湿地为主,但耕地补充数量不及西部地区。可见,耕地补充对其他生态用地的侵占受区域土地资源禀赋影响较大,存在明显的区域差异。

结果显示：湖北省耕地补充数量达到4.04×103km2,以占用林地为主,占用林地面积达2.57×103km2,占耕地补充面积的64%；湿地也是耕地挤占的重要对象,同期湖北省耕地补充造成的湿地流失达0.61×103km2,占耕地补充面积的15%。可见,耕地补充过程中,主要是碳密度较高的林地和湿地被耕地挤占,导致生态系统碳储量减少。

图5 湖北省新增耕地Fig.5 New cropland in Hubei Province

图6 湖北省耕地保护传导作用下的碳储量变化图Fig.6 Change of carbon storage caused by cropland protection in Hubei Province

采用InVEST模型定量评估湖北省城市扩张通过耕地保护传导作用对生态系统碳储量的影响(图6)。结果表明：湖北省城市扩张通过耕地保护传导作用导致生态系统碳储量减少了12.54 Tg,除中部地区的碳储量呈增加趋势外,其他地区碳储量均呈减少趋势。耕地保护导致生态系统碳储量减少的区域主要集中在林地、草地较多的西部、北部地区,如十堰市、恩施市、宜昌市、襄阳市。这些地区的耕地补充往往通过挤占林地、草地来实现。经济比较发达的武汉市及其周边城市,耕地补充以挤占湿地、林地为主。同时,生态系统碳储量增加的区域主要集中在湖北省中部的城市,主要原因是由于该区域的耕地补充主要由未利用地开发而来,而未利用地的碳密度比耕地的碳密度低。因此,湖北省中部地区生态系统碳储量呈现增加趋势。但是与碳储量损失的数量相比,碳储量增加的数量较小,所以总体上补充耕地导致生态系统碳储量呈现减少趋势。可见,城市扩张通过耕地保护传导作用对碳储量影响不容忽视。

3.3 城市扩张与耕地保护耦合对陆地生态系统碳储量的影响

2000年到2015年湖北省城市扩张直接导致生态系统碳储量减少28.36 Tg,城市扩张通过耕地保护传导作用导致碳储量减少12.54 Tg。因此,城市扩张与耕地保护耦合导致生态系统碳储量共减少40.90 Tg。此外,城市扩张与耕地保护耦合对陆地生态系统碳储量的影响存在区域差异性(图7)。在城市扩张与耕地保护耦合下,生态系统碳储量损失最严重的地区是武汉市,主要原因是武汉市城市扩张幅度最大,耕地保护也较为严格。其次是位于湖北省西部的十堰市、宜昌市、襄阳市等,主要原因是该区域林地较为集中,城市扩张和耕地补充均以挤占林地为主。位于湖北省中部、东部的小城市以及西部受保护的神农架林区生态系统碳储量变化较小,主要原因是这些区域城市扩张幅度较小、耕地补充数量不多并且补充耕地以侵占碳密度较低的地类为主。结果表明：城市扩张导致生态系统碳储量损失十分明显,而城市扩张与耕地保护耦合导致碳储量的损失也不容忽视。目前大多数研究只是评估了城市扩张本身对生态系统碳储量的直接影响,忽略了城市扩张通过耕地保护传导作用对生态系统碳储量的间接影响,本文研究结果显示,耕地保护传导作用导致生态系统碳储量减少12.54 Tg,占城市扩张与耕地保护耦合作用导致生态系统碳储量减少量的31%。

图7 湖北省城市扩张与耕地保护耦合下的碳储量变化图Fig.7 Change of carbon storage caused by the impacts of cascading processes of urban expansion and cropland reclamation in Hubei Province

4 结论与讨论

在研究城市扩张对生态系统碳储量的影响时,既要评估城市扩张本身对碳储量的直接影响,又不能忽视城市扩张通过耕地保护的传导作用对碳储量的间接影响。不同于以往大多数研究只是评估了城市扩张对碳储量的直接影响,本文还考虑了城市扩张与耕地保护耦合对生态系统碳储量的间接影响,评估了城市扩张过程中严格耕地保护政策的执行对生态系统碳储量流失的影响程度,揭示了城市扩张对生态系统碳储量影响被低估的事实。弥补了以往研究的不足,为全面认识严格耕地保护政策背景下城市扩张对生态系统碳储量的影响提供借鉴。本文的主要结论有：

(1)城市扩张与耕地保护耦合是导致碳储量减少的主要原因之一

随着我国城市化的快速发展,城市扩张不断推进,导致耕地面积大量减少,林地、草地、湿地等生态用地也被侵占。而在我国严格的耕地保护政策背景下,为补充被城市扩张挤占的耕地,林地、草地等其他生态用地又进一步被耕地补充侵占,城市扩张通过耕地补充对生态系统服务功能产生次生影响。湖北省的研究表明,城市扩张与耕地保护耦合对生态用地的挤占往往造成较高碳密度的地类转化成较低碳密度的地类,从而导致陆地生态系统碳储量减少。通过InVEST模型测算得到2000年至2015年湖北省陆地生态系统碳储量减少总量为94.74 Tg，其中城市扩张与耕地保护耦合导致生态系统碳储量减少40.90 Tg,为湖北省陆地生态系统碳储量减少总量的43%，对陆地生态系统碳储量造成了重要的影响[61],是导致碳储量降低的重要原因[20,62]。

(2)城市扩张通过耕地保护传导作用会对陆地生态系统碳储量产生间接影响

由于我国实行最严格的耕地保护政策,城市扩张对土地利用变化的影响包括两个过程：城市扩张的直接影响和耕地补充的间接影响。第一个过程主要是碳密度较高的耕地、林地、草地、湿地等转化成碳密度较低的城市建设用地,导致陆地生态系统碳储量减少,是城市扩张本身对碳储量产生的直接影响；第二个过程主要是林地、湿地、草地等具有较高碳密度的地类转化成碳密度较低的耕地,导致陆地生态系统碳储量减少,是城市扩张通过耕地保护传导作用对碳储量产生的间接影响。本研究证实了城市扩张通过耕地保护传导作用会对陆地生态系统碳储量产生间接影响。

(3)忽略耕地保护的间接影响会导致城市扩张对生态系统碳储量的影响被严重低估

2000—2015年,湖北省城市扩张导致陆地生态系统碳储量减少了40.90 Tg,其中城市扩张本身导致碳储量减少了28.36 Tg,是碳储量减少量的69%；城市扩张通过耕地保护的传导作用间接导致生态系统碳储量减少了12.54 Tg,是碳储量减少量的31%,忽略耕地保护对陆地生态系统碳储量的影响会导致城市扩张对陆地生态系统碳储量影响被严重低估。

(4)城市扩张与耕地保护耦合对生态系统碳储量的影响存在显著的区域差异

由于湖北省各个地区土地资源禀赋、经济发展水平、城市扩张等的区域差异,各地区生态系统碳储量受城市扩张与耕地保护耦合的影响存在一定的差异性。湖北省的研究显示,城市扩张与耕地保护耦合对生态系统碳储量影响比较严重的区域主要集中在经济较为发达的武汉市及其周边地区,以及林地等生态用地较为丰富且承担较多耕地补充任务的鄂西地区。而位于江汉平原的地区,则由于城市扩张幅度较小、耕地补充数量较少并且补充耕地以侵占碳密度较低的地类为主等原因,城市扩张与耕地保护耦合对生态系统碳储量的影响并不明显。

陆地生态系统碳储量在生态系统中发挥着重要的作用,而土地利用变化对陆地生态系统碳储量产生重要影响已经形成了共识[20,62-65]。本文主要从城市扩张与耕地保护耦合的角度讨论了土地利用变化对生态系统碳储量的影响,采用InVEST模型并参考已发表文献的碳密度数据对湖北省生态系统碳储量进行了近似的估算。实际上,生态系统碳储量受环境水热状况、人类活动、植被生长情况等多方面因素的影响,较为复杂。本文采用的生态系统碳储量评估方法无法考虑所有影响因素,因而无法实现精确评估,仅能揭示趋势性的规律。