基于InVEST模型的辽宁省海岸带碳储量时空变化研究

朱丽亚，胡 克，孙 爽，刘禹含，梁佳欣

(中国地质大学(北京)海洋学院，北京 100083)

0 引 言

陆地生态系统碳储量是全球碳储存的重要组成部分，在减缓气候变化方面发挥着重要作用，已被用为评价陆地生态系统生产力对气候变化响应的指标之一[1-4]。全球陆地生态系统碳储量在2 000～2 500 Pg，其中植被存储的碳在500～600 Pg之间，0～100 cm的表层土壤存储的碳在1 500～2 300 Pg之间。陆地生态系统的碳主要源于地上和地下生物量、土壤和死亡有机质。人类活动引起的土地利用变化是陆地生态系统碳储量变化的最主要的驱动力之一[5-8]，其对大气CO2浓度增加的贡献仅次于化石燃料的燃烧。不同的土地利用类型固碳能力存在显著差异，其变化会直接影响植被、土壤的分布，而植被和土壤是陆地生态系统碳储量的主要表现形式，因此，植被、土壤类型的改变会直接导致生态系统碳储量变化。1980—2010年间，土地利用变化导致中国陆地生态系统碳储量损失了279 Tg[9]。政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)报告指出，土地利用变化导致碳以1.5 Pg/a的速率释放到大气中，表明土地利用变化极大地影响了全球陆地生态系统的碳循环[10-13]。因此，有必要增加陆地生态系统的碳储量，从而降低大气中CO2的浓度，缓解温室效应、调节气候变化。目前，用于估算陆地生态系统碳储量的方法主要包括实地调查、遥感反演、模型模拟。评估土地利用变化对碳储量影响主要是借助InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs, InVEST)，该模型具有使用简单、参数灵活、结果相对准确等优点[14]，已广泛应用于生态系统碳储存功能的评估和模拟。

目前，已有学者从流域[6,15-20]、干湿地区[21]、保护区[22-23]、行政区划[24-26]、特定区域等不同尺度上评估了区域生态系统碳储量的时空变化，但针对海岸带地区生态系统碳储量变化的研究还较少。海岸带地区是气候变化的敏感区和生态环境的脆弱区，蕴藏着巨大的碳库，在区域和全球尺度上的碳循环和能量流动中发挥着重要作用。由于大规模围填海活动导致滨海湿地的面积持续减少和功能显著退化，使其碳汇功能的不确定性增加。因此，有必要量化海岸带地区土地利用变化与碳储量之间的联系。

本文以辽宁省沿海5市(盘锦市、葫芦岛市、锦州市、营口市和大连市)为研究区，以1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2018年共6期的土地利用数据为基础，借助InVEST模型的碳储量模块估算1995—2018年间区域生态系统碳储量的变化，为辽宁省海岸带地区土地利用规划提供科学依据，对区域生态环境可持续发展具有重要意义。

1 研究区概况

研究区位于辽宁省靠近渤海辽东湾的区域，包括盘锦市、葫芦岛市、锦州市、营口市及大连市(图1)，区域面积超过42 804.9 km2。研究区属于温带季风气候，雨热同季，光照充足，积温较高。冬季寒冷漫长，夏季短促温暖。年降水量在350～1 000 mm之间，70%～80%的降水量集中在7月至9月；平均气温为8.4 ℃，最高气温出现在9月，为27.4 ℃，最低气温出现在1月，为-9.8 ℃。研究区内的辽河三角洲是我国四大(长江、黄河、珠江、辽河)三角洲之一，辽河和大辽河是辽河三角洲流向辽东湾的两条主要河流。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

2.1.1 土地利用数据

土地利用数据下载于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)，空间分辨率为30 m×30 m。该数据集由Landsat卫星影像目视解译制成，将区域土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6个一级类型以及25个二级类型，数据经过人工检验，精度在90%以上[27]；选取了1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2018年共计6期数据。结合研究区实际情况，对原始数据的二级地类进行合并，得到耕地、林地、草地、水域、建设用地、沼泽、未利用地7类用地类型。

2.1.2 碳密度数据

由于研究区的范围较大，实际情况无法实地一一取样调查不同土地利用类型的碳密度，因此，本文使用的碳密度数据是根据前人的研究结果[28-29]，总结出的适用于本研究区的碳密度数据，如表1所示。

表1 不同土地利用类型各部分的碳密度(t/hm2)

2.1.3 其他地理数据

DEM数据源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)，空间分辨率90 m×90 m；在ArcGIS10.2中利用DEM数据得到坡度栅格数据。行政边界数据下载于中国科学院资源环境数据中心(http://www.resdc.cn/data)，掩膜提取得到研究区的矢量数据。

2.2 研究方法

本研究采用InVEST模型估算区域生态系统碳储量。该模型由一系列子模块组成，可以模拟土地利用变化生态系统服务功能的影响，其中碳储量模块将每种土地利用类型的碳储量划分为4个基本碳库：地上生物碳(Cabove)、地下生物碳(Cbelow)、土壤碳(Csoil)、死亡有机质碳(Cdead)[6]。模型结合土地利用数据以及每种土地利用类型对应的碳库数据来生成碳储量的空间分布图。根据土地利用的分类情况，分别对不同用地类型的平均碳密度Ctotal进行计算统计，其计算公式如下：

Ctotal=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(1)

基于不同用地类型的碳密度和土地利用数据，计算研究区内每种土地利用类型的总碳储量：

Ctotali=(Cabovei+Cbelowi+Csoili+Cdeadi)×Ai

(2)

式中：Cabovei、Cbelowi、Csoili和Cdeadi为每种土地利用的平均碳密度，Ai为该土地利用的面积，Ctotali为每种土地利用类型的总碳储量。

3 结果与分析

3.1 碳储量变化特征

利用InVEST模型碳储量模块分别估算了辽宁省海岸带地区1995—2018年期间的碳储量，如图2所示。从数量上来看，研究区1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2018年的总碳储量分别为437.02×106t、437.99×106t、436.91×106t、426.46×106t、425.93×106t、424.05×106t，总体呈减少的趋势，累计损失了12.97×106t。1995—2018年间，地上生物碳储量、地下生物碳储量、土壤碳储量、死亡有机质碳储量变化均呈减少的趋势，其中土壤碳储量损失最多，为5.43×106t。

3.2 碳储量空间变化特征

基于研究区1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2018年的碳储量数据绘制其空间分布图，从空间上来看，1995—1998年期间，辽宁省海岸带地区碳储量空间分布格局较为一致，碳储量并没有明显的空间变化。碳储量较高的区域主要分布在研究区的东西两侧以及中部的沼泽地，最高值为32.70 t/km2；行政区划上，位于葫芦岛市、营口市的南部、大连市的北部以及盘锦市内沿海的部分区域，这些地区土地利用类型以林地和草地为主。碳储量较低的区域主要分布在锦州市的东部、盘锦市的北部，这些地区土地利用类型以耕地为主，最低值为0 t/km2，零星分布在研究区内，土地利用类型为未利用地(图3)。

为了更清楚地从空间上反映研究区的碳储量变化，对1995年、2018年两个时期碳储量空间分布图进行差值计算，再进行重分类，将1995—2018年期间的碳储量空间变化值分为三类：减少、基本不变和增加，其结果如图4所示。从图4中可知，1995—2018年间，研究区大部分区域的碳储量基本稳定，其占比为74.81%；13.85%的区域碳储量呈减少的趋势，11.34%的区域碳储量呈增加的趋势，二者零星分布在整个研究区内。碳储量增加和减少的区域仅占总面积的25.19%，表明大部分地区碳储量空间变化较小。

3.3 土地利用类型变化及其对碳储量的影响

3.3.1 土地利用类型变化

根据1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2018年的土地利用分类结果，得到研究区6个时期的用地类型分布面积、占比及空间分布(表2和图5)。从研究区西北—东南方向上看，土地利用类型分布格局主要是林地→耕地→林地→耕地。研究区土地利用类型以耕地为主，主要分布在锦州市的东部、盘锦市和营口市的北部，占研究区总面积比例为45%～48%；其次是林地，主要分布在葫芦岛市、营口市的南部和大连市的北部，占总面积的33%～35%；草地、水域、建设用地、沼泽地、未利用地合计占总面积的17%～22%。总的来看，1995—2018年间，研究区土地利用类型发生了不同程度的变化，主要表现在耕地、林地和草地面积分别减少了1.28%、1.03%和1.83%，而建设用地、水域和未利用地面积分别增加了2.35%、1.92%和0.04%，沼泽地面积变化不明显。

表2 1995—2018年辽宁省海岸带地区土地利用类型变化

利用转移矩阵法得到研究区1995—2018年间各土地利用类型变化转移情况(表3)。从转移方向上看，耕地的减少主要是转为了林地和建设用地，林地的减少主要是转为了耕地，草地的减少主要是转为了耕地和林地，说明耕地、林地和草地之间呈现相互转化的趋势，且林地、草地转入耕地的面积大于耕地转入的面积，草地转入林地的面积大于林地转入的面积。建设用地的稳步增长主要是由未利用地和耕地转入。未利用地主要转出为耕地和建设用地，部分耕地转出为未利用地，说明耕地和未利用地之间呈现相互转化的趋势，且未利用地转入耕地的面积大于耕地转入的面积。总体上，1995—2000年间，耕地面积增加，草地面积显著缩减；2000—2018年间，耕地面积明显减少，林地和草地面积减少趋势有所减缓。

表3 1995—2018年辽宁海岸带土地覆被面积转移矩阵(%)

3.3.2 土地利用类型变化对碳储量的影响

从不同土地利用类型的碳储量统计图(图6)可知，1995—2018年间，研究区土地利用类型的转换导致了明显的碳储量变化，耕地、林地、草地面积减少，分别导致了1.81×106t、7.84×106t、9.02×106t的碳储量损失，占总碳储量损失的88.86%，而建设用地和水域面积的增加，导致碳储量分别增加了6.70×106t和1.33×106t。研究区不同土地利用类型碳储量对总碳储量的贡献值由大到小依次为：林地、耕地、沼泽、草地、水域、建设用地。研究区林地面积最大时为14 192.39 km2，占总面积的34.13%，碳储量占总碳储量约66%；耕地面积占整个研究区面积约46%，碳储量占总碳储量的17.22%。从土地利用类型变化来看，虽然林地、耕地的面积及其碳储量有所减少，但仍是研究区最为重要的碳库，两种土地利用类型的固碳总量占研究区所有土地利用类型固碳总量的83.86%。总体来说，碳密度较低的建设用地面积增加，以及碳密度较高的林地、草地面积减少，是导致研究区生态系统碳储量减少的主要原因。

4 讨 论

4.1 碳储量变化及其影响因素

本文研究表明，1995—2018年，辽宁省海岸带地区碳储量整体呈减少的趋势，与部分学者的研究结果一致。邱建慧[29]研究表明，渤海湾、长三角和珠三角滨海湿地由于围填海活动使得区域单位面积碳储量出现明显减少，仅有部分区域单位面积碳储量呈增加的趋势。整体而言，我国沿海地区仍一直处于高强度的围填海开发中，1990—2015年间各阶段的围填海面积呈持续增长的趋势，其中，辽宁省是我国的“围填海大省”，占全国围填海总面积的17.78%。李慧颖[28]研究表明，辽宁省海岸带地区生态系统碳储量较低。林地储存的碳约占全球植被碳库86%以上，还维持着73%的土壤碳库；同样的，本研究结果得出研究区内主要的碳库是林地。土地利用类型相互转化使生态系统土壤碳库和植被碳库发生变化[30-32]，从而导致区域总碳储量变化。建设用地对土地利用变化的影响主要是：碳密度较高的土地利用类型转化为碳密度较低的土地利用类型，即耕地、林地、草地转化为建设用地，林地、草地转化为耕地，从而导致碳储量减少[33]。就土地利用类型变化导致碳储量的变化来看，研究区建设用地的大面积增加，林地和草地面积的减少，是导致整个生态系统碳储量减少的主要原因，这一认识与徐自为等[34]和Zhu等[35]研究结果一致，即建设用地的扩张占据了林地和草地，导致区域生态系统碳储量减少。此外，柯新利等[33]研究得出城市扩张与耕地保护耦合造成湖北省陆地生态系统碳储量减少了40.90 Tg；Tao等[36]研究土地利用变化对常州市陆地生态系统碳储量的影响，结果表明建设用地增加导致总碳储量减少了30%。Li等[24]研究结果表明，徐州市城市扩张对区域碳储量的影响存在显著差异，导致碳储量累计损失了6.099 Tg。综上所述，土地利用的变化直接影响碳储量，具体表现为：碳密度较高的用地类型向碳密度较低的用地类型转化，从而造成区域生态系统碳储量减少。

4.2 不确定性分析

目前，对于土地利用变化引起的生态系统碳循环变化的研究主要基于模型模拟，模拟过程中会存在许多不确定性[37]。InVEST模型碳储量模块假设生态系统碳密度数据在时间尺度上保持不变，但实际结果显示存在变化[21]，因此采用不变的碳密度数据可能会使研究区生态系统碳储量估算存在误差。由于数据获取较困难，本文的碳密度数据主要源于前人对研究区的分析结果，虽然在模拟的过程中忽略了碳密度的变化，但也能较好地评估土地利用变化对碳储量变化的影响。此外，土地利用变化的数据在遥感解译的过程中也会产生一定的误差。虽然本文使用的土地利用数据精度在90%以上，但对模拟的碳储量结果也存在一定的影响。因此，在今后的研究中，应对研究区不同土地利用类型碳密度进行连续监测，提高土地利用数据的精度，确保模型输入参数的准确性，从而提高碳储量模拟精度。

5 结 论

本研究基于RS和GIS的手段，借助InVEST模型碳储量模块评估了1995—2018年间辽宁省海岸带地区土地利用变化对碳储量的影响，得出以下主要认识：

(1)研究区1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2018年的碳储量分别为437.02×106t、437.99×106t、436.91×106t、426.46×106t、425.93×106t、424.05×106t，呈减少的趋势，累计损失了12.97×106t。

(2)碳储量较高的区域主要分布在研究区的东西两侧以及中部的沼泽地，土地利用类型以林地和草地为主；碳储量较低的区域主要分布在锦州市的东部、盘锦市的北部，土地利用类型以耕地为主。

(3)研究区不同土地利用类型碳储量对总碳储量的贡献值由大到小依次为：林地、耕地、沼泽、草地、水域、建设用地。林地、耕地是研究区最为重要的碳库，其碳储量占研究区所有土地利用类型固碳总量的83.86%。建设用地面积增加、林地和草地面积的减少是辽宁省海岸带地区碳储量减少的主要原因。