基于PLUS-InVEST的池州市土地利用及碳储量时空演变分析

张姣姣，仵振东，武玲玲

（池州学院 地理与规划学院，安徽 池州 247000）

全球气候变暖是对全人类生存和地球环境问题的严重威胁。温室气体排放是全球气候变化和人类生存环境改变的首要原因。土地利用结构的变化是影响温室气体排放的主要因素之一。现今，土地利用变化越来越剧烈，特别是现如今我国各个城市经济发展飞速变化，城市现代化的经济和工业发展与城市生态环保问题越来越成为人们关注的重点[1］。如何直接有效降低城市碳排放和保护生态环境成为系列重大问题。国内外许多专家学者已通过研究土地利用变化导致大量的碳排放对大气造成污染，从而带来一系列的生态环境问题。Olorunfemi等[2］对尼日利亚西南部等区域的不同土地覆盖类型下的总体生态系统碳储量进行估计，研究发现森林的总碳储量为最多，农田的总碳储量最少。马海良等[3］以武汉市作为研究区域，研究发现区域内湖泊面积的改变对于区域内碳排放量的改变有很大程度上的影响。Zhu等[4］以浙江省为研究区域，在区域内利用1970—2010年土地利用变化以及植被覆盖度的变化情况对于碳排放的影响进行研究。周嘉等[5］利用中国多个省份测算研究区域内土地利用面积变化而导致的碳排放量的改变。冯杰等[6］、李波等[7］选择中国区域作为研究对象，分析中国土地利用碳排放变化情况。

池州市作为安徽省的一个地级市，近年来经济发展迅速，在实现经济与环境同步平衡发展的问题上，具有较高的难度。通过开展池州市土地利用碳排放的动态变化、碳排放变化影响因素与减少碳排放增长研究，利用池州市2000—2030年的土地利用不同地类面积的变化，基于InVEST模型对池州市土地利用类型的碳储量进行核算，分析池州市研究期间内碳储量的演变动态特征变化，结合池州市不同经济情况和发展情况变化寻找合理有效的土地利用方式的转变。

1 研究方法及数据来源

1.1 研究区域概况

池州，又名为贵池、秋浦，是安徽省内西南部的一个地级市（图1），也是长江经济带中重要的城市之一，长三角城市群成员之一。是安徽省“两山一湖”组成部分。九华山、牯牛降位于池州东南部，纬度较高，是皖南地区主要山体的组成部分，中部为纬度较低的丘陵区，其余地区地势较平，其中草地和林地居多，河湖交错，风景优美。池州市土地资源类型多样，气候温暖，地表水储备丰富，2020年平均气温为17.2 ℃，年降水量2065.2 mm。

图1 池州市位置分布图Fig.1 Location distribution of Chizhou City

1.2 研究方法

（1）基于PLUS模型的土地预测

PLUS模型是由中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院&国家GIS工程技术研究中心的高性能空间计算智能实验室（HPSCIL）所开发的[8］。PLUS模型是一个基于栅格数据的可用于斑块尺度土地利用/土地覆盖（LULC）变化模拟的元胞自动机（CA）模型。PLUS模型集成了基于土地扩张分析的规则挖掘方法和基于多类型随机种子机制的CA模型，可用于挖掘土地扩张的驱动因素并预测土地利用景观的斑块级演化。

本次共选择了15个社会经济和气候环境因子（土壤，人口，GDP，DEM，坡度，年均气温，年均降水，到政府、高速公路、铁路、主干道、1级道路、2级道路、3级道路距离和水域距离）作为自变量，为保护大型水体、湖泊和自然保护区，利用ArcGIS将池州市平天湖、升金湖、董铺水库等大型水域设置成限转区域，基于PLUS模型，预测池州市2030 年土地利用变化。得到模拟的Kappa 系数为0.8，总体精度为0.9，预测的结果如图2 所示，PLUS在池州市土地利用模拟的精度较高，适用性较好。

图2 修正后碳密度Fig.2 Modified carbon density

（2）基于InVEST的碳储量计算

InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）模型即生态系统服务评估与权衡模型，可于评估生态系统服务功能量及其经济价值、支持生态系统管理和决策的一套模型系统，包括陆地、淡水和海洋三类生态系统服务评估模型[9］。碳模块是InVEST模型中较为简单的一个功能，该模型将生态系统的碳储量划分为4个基本碳库：地上生物碳（土壤以上所有存活的植物中的碳）、地下生物碳（存在于植物活根系统中的碳）、土碳（分布在有机土壤和矿质土中的有机碳）、死亡有机碳（凋落物、倒立或站立的已死亡树木中的碳），计算公式如下：

式中：Ctotal为总碳储量；Cabove为地上生物碳储量；Cbelow为地下生物碳储量；Csoil为土壤碳储量；Cdead为死亡有机物碳储量。

InVEST模型首先需要确定碳密度数据。相关研究表明碳密度与年降水量呈正相关，与年均气温呈弱相关[10-11］，因此采用已有年降水因子修正关系模型[12-13］修正土壤有机质碳密度。

式中：CSP为年降水量修正后的土壤有机质碳密度，KSP为土壤有机质碳密度修正系数，C'SP和C″SP分别为年降水量修正后的池州市和全国土壤有机质碳密度。

参照已有研究[14-18］土壤有机质碳密度数据，并结合各土地利用类型之间的碳密度关系[12］，修正获得碳密度数据如图2所示。

1.3 数据来源

所使用的3 期土地利用数据（2000 年、2010 年、2020 年）来源于全球30 米地表覆盖（GlobeLand30）数据集，空间分辨率为30 m，利用ARCGIS 重分类，将土地利用类型分为6 大类：耕地、林地、草地、水域、人造地表、未利用地。预测选取的15 个社会经济和气候环境因子数据分别来源于地理空间数据云平台（https://www.gscloud.cn）、CRUTS 官网（https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/hrg/）、中国科学院资源环境科学与数据中心（https://www.resdc.cn）和Open-StreetMap（https://www.openstreetmap.org/）。

2 结果与分析

2.1 池州市土地利用变化分析

2000—2030 年池州市土地利用分布和面积比例如图3和表1所示。2000—2030年池州市及其1个下辖市区3个县均呈现以林地为主的土地利用结构。在整个研究期内，池州市林地面积均达到了65%以上，其次是耕地，面积占比达到了23%以上。2000—2010、2010—2020、2020—2030 年间地类面积减少最多的分别为未利用地、林地和林地，减少的面积分别为75.46 km2、72.76 km2、75.07 km2，2000—2010、2010—2020、2020—2030 年间面积增加最多的分别是水域、人造地表和人造地表，增加的面积分别为57.69 km2、68.99 km2、57.17 km2。2000—2030整体来看面积减少最多的是林地，增加最多的是人造地表，总体上耕地、水域和人造地表呈增长趋势，林地、草地和未利用地呈减少趋势。

表1 池州市2000年至2030年土地利用面积及比例Table 1 The area and proportion of land use in Chizhou from 2000 to 2030

图3 2000—2030年池州市土地利用图Fig.3 Land use map of Chizhou City from 2000 to 2030

2000—2030 年间池州市下辖区中石台县的林地面积占比最大，均达到了89%以上，其他3 个区域差别不大，均在60%左右。其次是耕地，整个研究期内贵池区、东至县呈增加趋势，分别增加了2.27%、0.93%，石台县和青阳县呈减少趋势，分别减少了7.54%、2.49%。水域主要分布在贵池区和东至县的北部，其他土地类型在各辖区分布差别不大。人造地表在研究区域内呈现市辖镇中心呈大型聚集分布，村落建筑物成离散分布、小型聚集。人造地表所占面积在整个研究期内一直呈现增长趋势，各辖区均有不同程度的增加，其中贵池区面积增加最多，青阳县增长速率最快，这与城市的快速发展息息相关，城镇化工业化及人口的增加导致了人造地表面积的快速增加。

2.2 池州市碳储量变化分析

2.2.1 池州市碳储量时空变化

利用InVEST 模型的固碳模块获得了池州市2000、2010、2020、2030 年的碳储量。池州市4 个时期的总碳储量分别为3.81×108t、3.80×108t、3.76×108t、3.77×108t，总体呈减少趋势，共减少了4.85×106t，减幅1.27%。2010—2020 年碳储量减少了1.84×106t，主要是因为池州市经济的快速发展、城市快速扩张，建设用地大量占用林地等生态用地，使得池州市的碳储量在逐年减少，碳储量达到了流失的高峰。2010—2020 年碳储量减少了3.15×106t，减幅达0.83%，主要是因为退耕还林等生态环境保护政策出台，使得池州市碳储量减少减缓。2020—2030 年自然发展下碳储量增加了1.40×105t，预测主要是为了土地利用变化时保护平天湖等生态区域。池州市2000—2030年碳储量空间分与土地利用类型的空间分布情况呈现一致性。2020—2030年间碳储量最高的区域主要是海拔较高的林地，植被覆盖面积高碳储存能力强。较高的为耕地分布区域，大部分集中在靠近长江等水域附近。最低的区域为平天湖、升金湖、长江等的水域，成片状、带状分布在池州市北部区域。

从池州市4个时期的碳储量空间变化来看（图4），碳储量空间变化分布与地类变化空间分布基本一致。2000—2010 年碳储量变化区域主要在升金湖、平天湖等水域，2010—2020 年主要分布在耕地周边，2020—2030年在人造地表周边较多。整体来看，随着时间的变化，池州市2000—2030年碳储量的空间分布发生了改变，但整体分布结构未发生改变。

图4 2000—2030年池州市碳储量空间变化Fig.4 Spatial variation of carbon storage in Chizhou City from 2000 to 2030

从池州市行政区划4个时期的碳储量来看，东至县的碳量最高，碳储量均达1.42×108t以上，其次是贵池区，达1.04×108t以上，青阳县的碳储量最低，最高为2000年5.47×107t。东至县与青阳县4个时期碳储量差值达8.83×107t。2000—2030 年贵池区碳储量减少最多，共减少了2.46×106t，减幅2.3%，总体表现为2000—2020年先减少，2020—2030年后增加的趋势。石台县碳储量总体表现为增加趋势，共增加了0.56×103t，主要是由于近年来贵池区人造地表等非林地面积的增加，城镇化工业化快速的发展，导致贵池区碳储存能力减弱，而石台县加强了牯牛降国家级自然保护区的生态保护，强化了生态环境司法保护，一致积极推进生态文明建设，使得碳储存能力增强。

2.2.2 池州市各地类碳储量变化分析

池州市2000—2030年各地类的碳储量如图5所示。林地和耕地在4各时期对池州市生态系统碳储量的贡献最大，分别达到了83.66%和13.53%以上；其次是草地，达1.48%以上；其他地类所占比例均为1%以下。林地、草地和未利用地的碳储量总体减少，分别减少了6.73×106t、6.19×105t、1.87×105t。林地表现为先下降后增加的趋势，从2000 年的84.44%降到了2020 年的83.66%后，2030 年比例增加了0.08%。草地先增加后下降，2010 年1.75%下降到2030 年1.48%。未利用地呈持续下降趋势，从2000 年0.11%降为0.06%。耕地和人造地表碳储量总体增加，分别增加1.24×105t、2.57×106t。耕地呈波动式上升，2020 年占比最高，达13.97%。人造地表增加最多，增幅达230.16%，总体呈持续增长趋势。导致人造地表的碳储量增加的原因主要是城市用地的不断扩张，林地、草地面积虽然减少但仍是池州市碳储量的主要来源，2010年后守住耕地红线和保护生态红线等相关政策实施以后，碳储量后期呈增长趋势。

图5 2000—2030年池州市各地类碳储量Fig.5 Carbon storage in Chizhou from 2000 to 2030

2000—2030 年池州市地类转换导致的碳储量变化如表2所示。草地共转出150.06 km2，碳储量增加了2.31×106t，主要转为了林地和耕地，占总转出面积的82.68%。耕地主要转出为林地和人造地表，面积分别为190.88 km2、97.78 km2，碳储量共增加了4.67×106t。林地主要转出为耕地，达转出面积的55.18%，碳储量共减少了1.46×107t。人造地表面积共转入了164.95 km2，主要由耕地、林地转入，碳储量共减少了2.99×106t。水域主要转出为耕地，主要由林地、未利用地转入，转入导致减少的碳储量为3.58×106t。未利用地主要转为水域，因转出导致碳储量增加0.70×106t，主要由林地转入，转入导致碳储量减少4.67×105t。由池州市土地利用转移可知，土地利用类型的变化影响着碳储量的变化。

表2 池州市2000—2030年地类转换引起的碳储量变化（单位：104 t）Table 2 Changes of carbon storage caused by land conversion in chizhou city from 2000 to 2030(unit:104 t）

3 结论

2000—2030年池州市主要地类为林地和耕地，30年间林地、草地和未利用地面积呈减小趋势，共减少了226.26 km2，其中林地面积减少最多；耕地、水域和人造地表用地面积呈增加趋势，人造地表面积增加最多。池州市碳储量数量上呈波动性变化，整体呈减少趋势，预测的2030年碳储量较2020年增加了1.40×105t。空间分布上与土地利用类型具有较好的一致性。

基于InVEST模型进行碳储量计算时，各地类的碳密度为预先设定的固定值，不同土地利用类型具有较明显差异的固碳能力，不同地类的固碳能力与碳密度值呈正相关。各地类之间相互流转对碳储量的值产生较大影响。林地作为池州市的主要用地类型，水域、未利用地等向林地的流转，提高了池州市碳汇水平，但是林地向耕地、人造地表等的大量转换，一定程度上降低了池州市的固碳率。人造地表因植被覆盖度低、碳排放量较大，且耕地、林地、草地大量向人造地表的转化极大地提高了池州市的碳源排放。因此碳储量主要受地类面积变化的影响。

生态系统固碳能力与土地利用类型转换之间密切相关，不同地类之间的流转使得碳储量发生较大改变。随着城市的快速扩张、人口数量的增加，池州市未来发展需继续加强土地优化政策，落实生态红线等生态保护政策，控制人造地表数量，保护林地、草地土地利用类型并稳定其数量，提高池州市生态系统固碳能力。