基于InVEST模型的河北省陆地生态系统碳储量研究

李瑾璞，夏少霞，于秀波，李素晓，许 策，赵 宁，王树涛①

(1.河北农业大学资源与环境科学学院,河北 保定 071001；2.中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室,北京 100101；3.河北农业大学国土资源学院,河北 保定 071001)

陆地生态系统碳储量是生态系统中植被地上和地下生物量有机碳、凋落物有机碳以及土壤有机碳储量的总和[1]，它不仅能在一定程度上反映区域生态系统的生产能力，还能表征生态系统对碳排放的承载力[2-3]。土地覆被，特别是植被分布的变化能够直接影响生态系统的碳储量[4-5]，进而改变地球表层的能量收支和物质循环[6-7]。近年来，我国建设用地扩张对林地、耕地的挤占日趋严重，导致大量碳密度较高的林地、草地转化为碳密度较低的建设用地，使得陆地生态系统碳储量减少。评估生态系统碳储量及其影响因素是生态系统服务评估的重点关注方向之一[8]。

碳储量估算方法主要包括样地清查、遥感估算和模型模拟等。传统的碳储量估算研究多采用样地清查法，如通过土壤剖面调查[9-10]或样方调查[11]的方法对土壤碳储量和地上植物碳储量变化特征进行分析，但由于工作量大、采样周期长等缺点，不适用于较大尺度研究[12]。20世纪90年代以来，随着3S技术发展，遥感监测与模型相结合的方法逐渐用于碳储量估算[13]和碳循环研究[14]。InVEST模型Carbon模块，以土地利用数据为主要数据源，为碳储量估算提供了一种快速、直观的方法，被广泛用于区域碳储量评估[15]。国内外学者集中在以流域[8]、海岸带湿地及内陆湿地[3]和森林[16]为对象定量估算土地利用变化对碳储量空间分布的影响及未来情景预测。总体来看，碳储量评估及与景观格局分析等方面研究已取得丰富成果，但因各研究数据来源和碳密度调查方法的不同，使研究结果存在较大差异。

近年来，河北省工业化与城镇化的快速发展，导致土地利用格局发生显著变化，主要表现为建设用地急剧扩张，林地、耕地面积不断缩减，湿地面积锐减。为了解河北省土地利用格局变化导致的陆地生态系统碳储量变化，以1990—2015年河北省土地利用数据为基础，结合文献研究，建立河北省不同土地利用类型的植被和土壤碳库，基于InVEST模型定量评估建设用地扩张对河北省陆地生态系统碳储量的影响，以便为降低固碳风险、提高生态效益提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河北省西倚太行山，东临渤海湾，环抱首都和天津，位于36°05′～42°40′ N、113°27′～119°50′ E之间。土地总面积约为18.76万km2，地域广阔，地貌多样，地形变化规律，呈自西北向东南规律性逐级下降趋势，最北部为高原区，海拔最高达2 882 m，中部为山地丘陵区，南部为广阔的平原区。研究区年平均降水量为485 mm，成土母质类型主要为残积物、坡积物和黄土母质，土壤类型主要为潮土和褐土。河北省土地利用类型多样，其中南部平原地区以耕地为主，而北部及西南地区以林地为主，草地主要位于西北部高原地区，建设用地则主要分布于省会石家庄及周边城市圈(图1)。

图1 河北省高程与土地利用类型示意

1.2 InVEST模型的构建

采用InVEST 3.5.0(Integrated Valuation of Environment Service and Tradeoffs)模型Carbon Storage and Sequestration模块分析1990—2015年河北省陆地生态系统碳储量变化情况。该模块主要结合土地利用/覆被数据计算生态系统碳储量，将生态系统碳储量分为4个基本碳库：(1)地上碳库主要指陆地表层上存活植被中的碳；(2)地下碳库主要指地下植物根系中的碳；(3)土壤碳库主要指土壤中的有机碳；(4)死亡有机碳主要指死亡植被及枯枝落叶中的有机碳。此外，InVEST模型还包括收获木材产品或相关木材产品斑块(HWPs)，由于该部分碳库数据难以获得，同时其对整体碳储量的影响很小，因此不考虑该部分碳库[17]。模型计算公式为

Ci=Ci,above+Ci,below+Ci,soil+Ci,dead，

(1)

(2)

式(1)～(2)中，i为第i种土地利用类型；Ci为土地利用类型i的土壤及生物量总碳密度，Mg·hm-2；Ci，above为土地利用类型i的地上生物量碳密度，Mg·hm-2；Ci，below为土地利用类型i的地下生物量碳密度，Mg·hm-2；Ci，dead为土地利用类型i的枯落物有机质碳密度，Mg·hm-2；Ci，soil为土地利用类型i的0～30 cm深土壤有机质碳密度，Mg·hm-2；Ctotal为总碳储量，Mg；Si为土地利用类型i总面积，hm2；n为土地利用类型数，取值14。

1.3 土地利用转换方法

采用ArcGIS 10.2软件Geoprocessing Wizard模块构建1990—2015年河北省不同时段土地利用转移矩阵，矩阵中r(i，j)表示土地利用类型i转移为类型j的面积，空值表示未发生转移，i=j时表示某土地利用类型未发生变化的面积[17]，对各土地利用类型转入和转出面积进行统计分析。同时，为估算土地利用类型变化导致的碳储量减少情况，对高碳密度土地利用类型向低碳密度土地利用类型转移的面积进行统计。

1.4 数据来源

1.4.1土地利用数据

数字高程模型(分辨率30 m×30 m)和土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)。1990、2000、2010和2015年4期土地利用数据以美国地质调查局(http:∥glovis.usgs.gov/)的Landsat ETM+遥感影像(分辨率30 m×30 m)为数据源，采用人工目视解译，解译精度达到81%，数据能够满足研究需要。

1.4.2碳密度数据

碳密度数据库的构建主要参考已有文献的实测数据。在ISI数据库(http:∥apps.webofknowledge.com)和中国知网(http:∥www.cnki.net)中以“碳密度”和“碳储量”作为关键词检索2000年以来发表的有关生态系统碳储量调查的文献。数据筛选时遵循以下原则：土壤、地上生物、地下生物和枯落物有机质的碳密度数据均由实地调查获得；优先选用研究区位于河北省的文献数据，对缺少省内文献的参数，则尽量采用河北省临近地区的文献数据补全，若仍存在数据空缺，则使用全国数据，并采用生物量碳密度和土壤碳密度与降水量的关系模型进行校正[16，18]。

生物量碳密度和土壤碳密度与降水量的关系模型计算公式为

CBP=6.789×e0.005 4×PMA(R2=0.70)，

(3)

CSP=3.396 8×PMA+3 996.1(R2=0.11)，

(4)

KBP=CBP1/CBP2，

(5)

KSP=CSP1/CSP2。

(6)

式(3)～(6)中，CBP为根据年降水量得到的地上生物量碳密度，kg·m-2；CSP为根据年降水量得到的土壤碳密度，kg·m-2；PMA为年降水量，mm；KBP为地上生物量碳密度降水因子修正系数；KSP为土壤碳密度降水因子修正系数；C1和C2分别为河北省和全国碳密度数据。由全国碳密度数值与KBP和KSP相乘得到校正后河北省碳密度值。

对部分未收集到地下碳密度数据的土地利用类型，需采用生物量转换因子法根据地上生物量进行换算，计算公式为

Ci，below=a×b×Wi。

(7)

式(7)中，Ci，below为土地利用类型i的地下活根碳密度；a为转换系数；b为地下与地上生物量的比值；Wi为土地利用类型i的地上生物量。根据黄玫等[19]和毕君等[20]研究结果，结合《IPCC国家温室气体清单指南》[21]确定部分土地利用类型地下与地上生物量的比值：落叶阔叶林为0.30,常绿针叶林为0.33,落叶针叶林为0.21,针阔叶混交林为0.30,常绿落叶灌丛为0.17,农田为0.10。

通过上述方法建立河北省不同土地利用类型的碳密度数据库。同时，考虑到不同研究方法所得的碳密度值有一定差异，对文献数据相差甚多的，通过多篇文献甄选对比，分析数据合理性，剔除异常值。对同一土地利用类型碳密度取相关文献数据的均值。为保证碳密度监测方法具有可比性，选择研究方法相同且取样时间相近的文献数据。

2 结果与分析

2.1 河北省碳储量空间分布特征

河北省不同土地利用类型碳密度值见表1[7，9-12，20，22-27]。表1显示，各一级土地利用类型的碳密度差异较小，湿地碳密度最高(280.74 Mg·hm-2)，林地、农田、草地和建设用地次之，水域(19.45 Mg·hm-2)和未利用地(45.93 Mg·hm-2)碳密度最低。

表1 河北省土地利用类型碳密度

由河北省碳密度与土地利用数据采用InVEST模型得到河北省不同时期碳储量空间分布(图2)。图2显示，25 a来河北省碳储量分布格局并未发生较大改变，碳储量整体分布状况为河北省北部及西南部地区较高，西北部及东南部地区较低。碳储量高值区主要集中在河北省海拔相对较高的山地林区，主要包括张家口以及承德、保定、石家庄、邢台和邯郸西部边缘地带，该区域碳储量值均高于110 Mg·hm-2；碳储量次低值区主要集中在南部平原人口较为密集的城镇区和农业种植区，该区域建设用地和耕地占比较大，主要位于沧州、衡水以及石家庄、邢台和邯郸东部地区；碳储量最低值区主要位于沧州东部和唐山南部，该区域碳储量最低仅为19.45 Mg·hm-2。

2.2 城市扩张对碳储量影响规律分析

表2显示，1990、2000、2010和2015年河北省总碳储量分别为2 113.87、2 094.44、2 079.35和2 069.39 Tg。近25 a来河北省陆地生态系统碳储量呈下降趋势，1990—2000年碳储量下降19.43 Tg，2000—2010年下降15.10 Tg，2010—2015年下降9.96 Tg。其中，林地碳储量占比最高，耕地次之。

表2 1990—2015年河北省各用地类型碳储量

进一步分析河北省建设用地扩张导致的碳储量变化发现，1990—2000、2000—2010和2010—2015年建设用地扩张面积分别为2 701.68、2 271.01和1 301.92 km2，分别占各时段研究区土地利用类型变化总面积的47.79%、33.61%和59.35%。1990—2000、2000—2010和2010—2015年研究区建设用地扩张导致的碳储量减少量分别为12.68、10.15和6.40 Tg，分别占各时段研究区碳储量减少总量的37.17%、28.17%和53.54%。1990—2015年各时段建设用地扩张导致的碳储量变化占研究区总碳储量变化的比例最高，且建设用地扩张导致的碳储量下降占总碳储量下降的比例与建设用地扩张面积的变化趋势一致，建设用地扩张是研究区碳储量变化的最主要原因(表3)。

图2 1990—2015年河北省碳储量空间分布

表3 河北省主要土地利用类型面积和碳储量变化

2.3 建设用地扩张对空间碳储量的影响

采用GIS空间分析工具对1990—2015年河北省各市流入土地利用类型的格局及导致的碳储量变化进行分析(图3)。图3显示，河北省不同区域土地利用类型流转方向差异较大，整体上流入建设用地面积占比最高，但各市差异明显。其中，石家庄土地利用类型变化最大，土地利用类型变化面积达2 011.46 km2，秦皇岛市土地利用类型变化面积最小。河北省北部区域流入土地利用类型主要为林地和草地，南部平原区域流入土地利用类型主要为建设用地。不同区域经济发展水平不同，城市建设速度也不一致，这是导致研究区各城市土地利用类型流转速率不同的主要原因，也导致各城市碳储量变化不同。

基于 InVEST模型定量评估建设用地扩张对陆地生态系统碳储量的影响。图3显示，建设用地扩张导致河北省各市陆地生态系统碳储量均呈减少趋势。其中，石家庄和张家口是碳储量减少最多的城市，碳储量共减少8.83 Tg。其次为唐山和保定市等经济发展水平较快的区域，建设用地扩张规模同样十分明显，因此这些区域碳储量下降速率也较快。此外，张家口建设用地扩张规模并不突出，但其陆地生态系统碳储量下降速率较快。承德(0.44 Tg)和衡水(0.45 Tg)碳储量净减少量较少，均小于1 Tg。

图3 1990—2015年河北省土地流入格局和碳储量变化

3 讨论与结论

(1)河北省碳密度较高的植被类型为沼泽湿地和落叶阔叶林，碳储量高值区主要集中在西北部海拔相对较高的山地林区，碳储量低值区主要集中在南部平原人口较为密集的区域。

(2)1990—2015年河北省陆地生态系统碳储量累计下降44.48 Tg，且建设用地扩张是河北省碳储量急速下降的主导因素。

(3)建设用地扩张对陆地生态系统碳储量的影响存在明显的区域差异，且建设用地扩张规模对碳储量的减少速率存在直接影响。

受自然地理条件制约，河北省各市区经济发展水平及工业化程度差异较大，各地区对陆地生态系统碳储量被建设用地扩张影响的程度相差较大。石家庄市是建设用地扩张规模最大的城市，其陆地生态系统碳储量下降也最明显，该地区应适当控制建设用地扩张规模，以达到生态与经济协调发展的目的[28]。承德市受自然地理条件制约，城市发展水平较省内其他城市偏低，陆地生态系统碳储量下降也最少，该地区宜规划为生态型城市。张家口市建设用地扩张规模并不突出，但其陆地生态系统碳储量下降速率较快，这主要是由于该地区除建设用地扩张导致的碳储量减少外，新增的耕地、草地主要由侵占碳密度较高的林地而来，这使得张家口市碳储量减少幅度较高。

陆地生态系统碳储量对于全球气候变化和陆地碳循环意义重大[1，17]，而土地利用方式改变是影响碳储量的重要原因[5]。近年来，河北省耕地保护与建设用地占用矛盾突出，土地利用类型不断互相转化，其中伴随着碳排放过程，对陆地生态系统碳汇带来负面影响[29]。为满足区域经济发展和生态环境保护并重的需求，在土地利用规划中应注重以低碳导向的土地利用结构优化方式为主，适当控制建设用地面积增加；应对碳密度高的区域加强生态保护，稳定生态环境，保留一定面积比例的林、草地[30]；应发挥土地的多种功能，实现单一土地功能向生产-生态复合土地功能转变[31]。通过自然资源整合和国土综合整治等途径加强生态保护参与力量，促进土地布局优化，减少碳排放，提高区域生态效益。