基于InVEST模型的郑州市生态系统固碳能力评估

温静宜 王佳瑶 叶松竹 赵倩彤 张静静

（郑州师范学院地理与旅游学院，河南 郑州 450044）

0 引言

全球气候变化导致极端气候事件频发，对人类生活环境造成了一定挑战。人类现在需要对如何在不过度使用后代生活资源的前提下合理地利用当前环境资源这一目标进行深刻的思考。我国争取实现“碳中和”的目标，行动刻不容缓［1］。在碳循环过程中，碳被陆地生态系统存储的环节至关重要，陆地生态系统碳储量提高，可以有效减少温室效应对气候的影响，这种固碳方法在国际上被公认是经济可行的［2］。有学者模拟土地利用变化对碳储量的影响变化，较直观地表现出研究区域内的生态系统蓄碳能力［3-4］，有利于进一步加强未来的区域生态系统管理，也为提升城市生态系统碳储量提供新途径、新思路。城市陆地生态系统碳汇能力的主要表现为城市的土地利用类型通过改变陆地生态系统的结构、功能和过程来影响其碳储量。研究表明［5-6］，碳储量功能对生态环境状况的改变意义非凡，且生态系统蓄碳量空间分布的差异是自然和人为双重因素的共同结果。在全球生态系统方面，碳储量发生降低现象的主要原因是热带雨林的滥砍乱伐［7-8］；在城市生态系统方面，土地利用类型的变化是碳储量发生时空分布变化的重要因素，且其贡献率高达90%左右［9］，即城市建设用地的扩张是导致城市生态系统碳储量降低不可忽视的因素。诸多学者针对土地利用对陆地生态系统碳储量的影响展开了大量研究［10-12］。其研究结果均表明，土地利用结构的优化对提升陆地生态系统的蓄碳能力具有明显且有效的作用，且学者提出了要加强对土地的集约化利用，保护农田，减少人为活动对土地的滥用与乱用的建议，以有效提升城市陆地生态系统对碳的储蓄能力。侯丽朋等［13］研究发现郑州市农业种植、林地、城市绿地、城市水域是郑州市主要碳汇来源，但是碳吸收不足以补偿总的碳排放量，且其研究结果指出郑州市的碳循环压力在不断增加，城市的碳生产能力在不断提升。因此，预测郑州市土地利用结构对其陆地生态系统碳储量的影响，定量评估郑州市固碳能力，优化郑州市土地利用分布，对提升郑州市生态系统固碳能力有着重大的意义，也进而为缓解气候变化贡献一份力量。本研究使用可模拟城市不同土地利用下生态系统价值量的工具——InVEST 模型其中的碳储量模块，反映一定时间尺度内郑州市碳储量的空间变化等数据，进一步分析提出郑州市生态系统碳储量的相应措施与方法。以郑州市2017 年土地利用及相关碳密度数据为基础，计算与分析郑州市不同土地利用碳储量和郑州市碳汇能力，有利于城市管理者与规划者进一步提升郑州市生态系统碳汇能力，提高郑州市生态环境质量而作出精准有效的决策，且在一定程度上为低碳环保建设及城市生态系统固碳建设提供理论依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源及处理

土地利用数据来源于国家基础地理信息中心提供的地表覆盖数据（http：//www.Globallandcover.com），并将土地利用二级类合并为一级类，分别为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六类。

碳密度数据参考赫晓慧等［14］关于中原城市群生态系统碳密度的研究结果。

1.2 基于InVEST模型的生态系统碳储量评估

1.2.1 InVEST 模型的碳储量计算。碳储量计算包括常见的四大基本碳库（地上、地下、土壤和死亡有机质），但由于死亡有机质碳库数据难以获取，所以本研究仅考虑三大碳库碳储量。

1.2.2 碳密度的选定。首先，根据郝晓慧等［14］的研究获得郑州市耕地、林地、草地以及水域的地上、地下生物量和土壤碳密度数据以及建设用地和未利用地的土壤碳密度，见表1。

表1 研究区土地利用类型的碳密度

在模块中基于土地利用和碳密度数据，计算2017年郑州市生态系统碳储量，并进行空间异质性分析。

2 结果与分析

2.1 郑州市土地利用类型及分析

由表2及图1可知，郑州市耕地面积最大，占郑州市总面积的61.106%，分布面积较广，除中心城

图1 郑州市土地利用类型分布图

表2 研究区土地利用类型面积及占比

单位：t/hm2区和西部山区以外，其他地区均有分布。其次为建设用地，随着近年来城市化发展程度的不断提高，建设用地面积不断扩大，占郑州市总面积的28.182%，主要分布于郑州市中部主城区。林地、草地分别占比7.467%、1.770%，分布于西部和西南部山区及丘陵地区。水域占1.473%，分布于北部黄河流经地区。未利用地面积极小，占0.003%，零星分布于主城区等地。

2.2 郑州市生态系统固碳能力分析

2.2.1 不同土地利用类型碳储量和碳密度对比分析。根据研究数据计算得出，郑州市2017 年总碳储量为5 385.502×102t，其中地上碳储量为319.121×102t，地下碳储量为63.824×102t，土壤碳储量为5 002.557×102t，说明郑州市生态系统具有较好的碳吸收能力。

郑州市各土地利用类型碳储量及碳密度见表3。由表3 可知，整体来看，郑州市林地碳密度最高，达到89.362 t/hm²；耕地次之，为75.436 t/hm²；建设用地和未利用地的碳密度值中等，分别为60 t/hm²和53.300 t/hm²；草地和水域碳密度值最低，分别为46.230 t/hm²和36.960 t/hm²。由上述数据可以看出，耕地碳密度值较高，且由于耕地面积在郑州市各土地利用类型中占比最大，占郑州市生态系统固碳的主要地位。

表3 研究区土地利用类型碳储量和碳密度

耕地的碳储量最大，达到3 494.409×102t，占总碳储量的64.88%。可见在郑州市生态系统中，耕地碳储量在各种土地利用类型中占绝对优势，是生态系统中碳储量蓄积的主力。随着城市化进程不断加快，郑州市建设用地也占据郑州市28.182%的用地面积，碳储量达到1 281.828×102t，建设用地的地上及地下生物量极低，但土壤有机碳储量较高，因此也具有一定的固碳能力。林地固碳能力显著，碳储量达到505.845×102t，也在郑州市生态系统固碳中起到重要作用。

2.2.2 碳储量和碳密度空间变化分析。图2为碳密度空间分布图，图3 为碳密度分级示意图。可以发现，郑州市碳密度低值区（≤60 t/hm²）主要分布于西北、东北边缘地区，即黄河水域，黄河水域由于生物量较小，碳汇能力较弱；其次零星分布于西部山区和郑州市主城区，而西部山区有小部分草地与建设用地分布，这部分土层较薄，草地分布较多，但由于其固碳能力较弱，因此碳密度较低，主城区多为建筑用地，但也有未利用地零星分布，该土地利用类型生物量小，碳汇能力弱。高值区（≥80 t/hm²）主要分布于西部山区与西南片区，该地水资源发达，林地资源丰富，森林覆盖率高，生物量大，是郑州市最为活跃的生态系统，因此为碳密度高值区。中值区（60～80 t/hm²）主要分布于郑州市大部分耕地地区及北偏东部郑州市主城区。郑州市耕地面积大、分布广，因耕地生物量大，植物光合作用能力强，生态系统较为活跃，加上施肥等农田管理措施的作用，该生态系统固碳能力得到增强，因而碳密度中等偏高。郑州市主城区大部分为建设用地，碳密度中等偏低，这是由于该地区城市化程度高，因此建设用地集中分布，地上生物量小，碳汇能力较弱。

图2 郑州市碳密度空间分布图

图3 郑州市碳密度分级示意图

3 结论

本研究基于土地利用和碳密度数据，运用ArcGIS 和InVEST 模型，计算得出郑州市不同土地利用类型的碳储量以及碳密度空间分布，从而对郑州市生态系统固碳能力进行评估，得到的结论如下。①郑州市土地利用以耕地与建设用地为主，其次为林地与草地，水域和未利用地面积较小。②郑州市林地碳密度最高，达到89.362 t/hm²；耕地次之，为75.436 t/hm²。郑州市生态系统整体碳储量为5 385.50×102t，其中耕地碳储量达到3 494.409×102t，占总碳储量的64.88%。可见在郑州市生态系统中，由于耕地面积在郑州市各土地利用类型中占比最大，耕地碳储量在各种土地利用类型中占有绝对优势，是生态系统中碳储量蓄积的主力。③郑州市碳密度低值区主要分布于西北、东北边缘地区，其次零星分布于西部山区和郑州市主城区；高值区主要分布于西部山区及西南片区；中值区主要分布于郑州市大部分耕地地区及北偏东部郑州市主城区。

由以上结论可知，由于耕地在郑州市生态系统中固碳价值巨大，因此要在保证耕地数量的基础上提高耕地的质量，强化耕地碳汇能力。而林地碳密度最高，但面积占比较小，通过植树造林及优化林地结构可以进一步提升生态系统固碳能力。随着郑州市的快速发展，建设用地侵占耕地、林地会导致生态系统固碳能力降低，因此要合理规划土地利用，控制建设用地增加速度，保护耕地与林地。鉴于此，郑州市应优化耕地结构，注重耕地保护，推进植树造林，优化林地结构，并控制建设用地的增加速度。