生态底线约束下的国土生态空间碳储量预测：以襄阳市为例

关键词 国土生态空间； 土地利用预测； 碳储量； 生态保护红线； 气候变化

中图分类号 TU984.2 ； F301.2 文献标识码 A 文章编号 1000-2421（2024）03-0089-11

气候变化是当前全球面临的主要环境问题之一［1］。《京都议定书》《巴黎协定》《联合国气候变化框架公约》等国际协议均强调提升区域碳储存能力的重要性。我国提出力争在2030 年前完成“碳达峰”，争取2060 年前实现“碳中和”的“双碳”战略［2］，亟需多方落实“双碳”行动方案［3］。

国土生态空间是维持区域碳平衡进而实现“双碳”目标的重要保障和必要载体［4］。其中，生态保护红线作为我国环境保护的一项重要制度创新，是我国生态安全保障的底线。《关于加强生态保护红线管理的通知（试行）》（https：//www. gov. cn/zhengce/zhengceku/2022-08/20/content_5706169. htm）强调了需对此区域实行最为严格的管控和长期保护。当前关于生态保护红线的研究主要集中在勘界定标［5］、政策制定［6］、生态保护［7］和价值评定［8］等方面，尽管在生境质量维持和自然资源利用等角度已有初步进展，但“双碳”视角着眼不足，相关研究仍需推进。

近年来，针对城市碳储量预测的空间模型快速发展，通常基于土地利用与覆被（land use and landcover，LULC）预测结合碳储量测算进行综合模拟。碳储量评价的方法具有尺度差异性，主要包含实地调查［9］、遥感反演［10］和模型模拟［11］等。其中，相较于土壤剖面调查、样方调查等传统工作量大、周期长的碳储量调查方法，模型模拟测算可操作性强、效率更高。较常使用的生态系统服务综合评估和权衡模型（integrated valuation of ecosystem" services and tradeoffs，InVEST）中的“Carbon”模块能借助遥感数据和地理信息平台测算多尺度场地的碳储量［12］。LULC的预测结果会直接影响碳储量，已有土地利用预测模型在用地转化规则挖掘和动态变化模拟方面存在一定不足［13］，从而影响结果精度，而斑块生成土地利用变化模拟模型（patch-generating land use simulation，PLUS）应用新的用地扩张分析策略和多类种子生长机制，提升了大尺度区域的LULC 数据模拟精度［14］。

当前基于碳储量提升的LULC 预测主要将自然发展［15］、城镇扩张［16］、耕地保护［17］和生态优先［18］作为模拟情景，其中“生态优先情景”可通过调控目标用地增幅或限制地类转换实现［19］。然而，调控过程较主观、缺乏实际政策支撑，将生态保护红线作为约束条件有效介入模拟过程，可为规划政策的制定提供更科学的指引。当前生态底线约束情景下的碳储量预测模拟仅在武汉城市圈［20］和南京市［19］等地开展，其采用Markov-FLUS 耦合模型模拟LULC 变化情景，并运用InVEST 模型定量研究碳储量，但预测结果缺乏验证。此外，结合ArcGIS 工具的热点分析模型可以判读碳储存优势地类的空间聚集特点，得以明晰区域发展策略并对国土生态空间管控规划提供参考［21］。

本研究基于2000、2010 和2020 年的LULC 数据，运用ArcGIS 平台集合PLUS 模型和InVESTCarbon模型进行时空变化分析和预测模拟，旨在探究生态底线约束下国土生态空间碳储量变化及其空间特征，以期为“双碳”导向下国土生态空间管控与规划实践提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湖北省襄阳市（110°45′E～113°06′E，31°13′N～32°37′N）总面积约1.97 万km²，属亚热带季风气候，年平均气温15～16 ℃。地形西高东低（西部山地、中部岗地平原及东部低山丘陵），全市森林覆盖率达46%，湿地总面积为67.72 km²。得益于区域气候和生境多样性，襄阳市自然禀赋优越，为人居环境可持续发展创造了良好的基础。襄阳市作为华中地区重要的生态功能区域，当前颁布的相关文件多次强调要遵循国家生态红线政策、严守生态底线从而管控生态空间。本研究将山、水、林、湖、草主导的生态要素确定为研究对象，其中，生态保护红线面积为1 757.33 km²，主要集中在南漳县（508.51 km²）、保康县（414.46 km²）和谷城县（382.99 km²），包含了30 个自然保护地及9 个水源地，如湖北五道峡国家级自然保护区、湖北南河国家级自然保护区和湖北襄阳岘山国家森林自然公园等（图1）。本研究中使用的襄阳市地图的底图来源于国家地理信息公共服务平台“天地图”的标准地图服务系统（http：//bzdt.ch.mnr.gov.cn/），审图号为鄂S（2023）009号。

1.2 数据收集与处理

襄阳市行政边界和生态保护红线矢量数据源自襄阳市自然资源和规划局；2000、2010 和2020 年襄阳市LULC 数据源自Landsat 30 m 遥感影像，依据研究目的将LULC 归纳为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6 个一级地类和25 个二级地类，在此基础上选取生态空间范围，用于分析襄阳市碳储量历史转变；驱动因子数据用于预测模拟襄阳市2030年LULC，包括自然环境数据和社会经济数据。其中，高程数据从地理空间数据云（www.gscloud.cn）获取，坡度数据通过高程数据计算得到；年平均降水量、年平均气温、土壤侵蚀程度、人口和GDP 数据来自中国科学院资源环境与数据中心（http：//www.resdc.cn/），经剪裁后进行重采样处理；铁路和公路数据来自OpenStreetMap（http：//www.openstreetmap.org/）平台，基于ArcGIS 平台采用欧氏距离计算获得到最近铁路、公路距离，以上数据经处理后统一分辨率为30 m×30 m。碳密度参数通过相关文献及In‐VEST 手册提供的参考数据，并结合襄阳市实际修正获得［22］。

1.3 研究方法

本研究首先基于2000、2010 年数据运用PLUS模型模拟得到2020 年LULC 数据，并与2020 年实际数据进行精度验证，从而证明驱动因子选择合理（Kappa 系数≥75%）。然后将生态保护红线设定为底线约束条件，基于2010和2020 年数据预测得到2030 年LULC 并提取4 个年份的生态空间，随后运用InVEST-Carbon 模型计算碳储量，同时进行热点分析探究其空间特征（图2）。

1）基于PLUS 模型的LULC 预测模拟。PLUS模型由中国地质大学主导研发，包括用地扩张分析策略（land expansion analysis strategy，LEAS）和基于多类随机斑块种子的CA 模型（CA based on multiplerandom seeds，CARS）2 个模块，相对其他预测模型，PLUS 对各类LULC 变化的影响因素解释性更好、模拟结果精度更高［23］。本研究根据襄阳市实际情况及数据的可获取性，从自然环境和社会经济2 个方面选取高程、坡度、年平均降水量、年平均气温、土壤侵蚀程度、人口密度、GDP、到最近铁路距离、到最近公路距离9 个驱动因子，以2000 和2010 年数据为基础模拟2020 年LULC。首先，通过LEAS 模型分析用地扩张，运用随机森林算法挖掘并获取各类用地的发展概率和驱动因子的贡献率［24］，选择随机采样方式，采样默认率为0.01，mTry 为9 个，决策树为20，并行线程数量为4。其次，使用CARS 模块在发展概率的约束下模拟斑块的自动生成，通过自适应惯性系数计算获取LULC 变化综合概率，并结合随机斑块生成机制、过渡矩阵和阈值递减进行优化［25］，其中，邻域范围选取默认值3，斑块生成递减阈值的衰减系数设置为0.5，扩散系数为0.1，随机斑块种子的概率为0.0001。CARS 模拟根据各LULC 扩张面积占比确定领域权重。将2020 年LULC 模拟结果与实际2020 年地类数据进行精度对比（Kappa 系数高于0.75认为模拟有效），从而证实驱动因子选择的合理性［26］。在模拟精度满足要求的前提下，基于上一步的驱动因子和模拟设置，将生态保护红线作为转移限制因素以预测2030年的LULC。计算公式为：

2 结果与分析

2.1 2000—2030 年生态空间时空变化及预测

1）生态空间用地总体特征与变化。2000 年到2020 年生态空间总面积先上升后下降，总体保持稳定，生态空间要素分布不均，呈现西南密集、东部散布、北部稀缺的格局（图3）。其中，林地是生态空间面积最大的要素，主要分布在西部的南漳县、保康县和谷城县，其面积降低最显著，退化区域集中在襄州区、襄城区和枣阳市的中部和东部；而水域主要分布在枣阳市、襄州区、宜城市，其面积变化最剧烈，反映出襄阳市水域生态敏感性较强。同时运用PLUS 模型模拟得到的2020 年LULC 数据与实际数据进行Kappa 精度验证后系数为0.948，证实驱动因子选择合理。预测2030襄阳市生态空间总体面积略微减少。

2）阶段性生态空间用地变化特征。图4 显示，2000—2010年期间生态空间总体面积略微增加76.22 km²。其中，林地总面积下降29.09 km²，仅其他林地要素面积上升；水域面积增加较多（105.81km²），主要为河渠、水库坑塘和滩地。此时期水利工程兴建迫使自然生境被侵占，同时各区县也相继实施了一系列植树造林政策，例如《襄城区石漠化土地综合治理规划（2006）》和《南漳县岩溶地区石漠化综合治理规划（2006）》等。2010—2020年期间生态空间面积减少了72.65 km²，其中水域面积缩减最多（53.59 km²）。同时，林地面积总体略有缩减（16.39km²），但对碳储量起到重要作用的有林地扩大了15.73 km²。预测到2030 年，襄阳市生态空间面积略下降4.09 km²，除疏林地外的其余类型林地均有萎缩，草地面积轻微下降，但各类水域显著增加，生态保护红线约束下的区域生态系统退化速度降低。

2.2 2000—2030年生态空间碳储量时空变化及预测

1）碳储量总体特征与变化。襄阳市生态空间碳储量呈现下降趋势并预计持续至2030 年，高值区域主要分布在西部、东北和东南的林地中。2000—2030年间，栅格单元碳储量最大值约为18.47 kg（30 m×30 m），主要分布在海拔较高的山地林区，由于此区域较少受到人类活动影响，自然生态环境维持较好；低值主要集中在林地边缘和北部耕地等受干扰较多的区域。森林质量较高的谷城县、保康县、南漳县、枣阳市东南部以及宜城市东部聚集为连片高值区；中部地区整体较低但散布一些孤岛状高值区，主要包含各类森林公园、湿地公园和自然保护区。

2）阶段性生态空间碳储量变化特征。2000—2010 年间，生态空间碳储量下降2.5×10⁵ t，主要归因于有林地和灌木林地面积的缩减；2010—2020 年间，襄阳市城市化进程持续推进，得益于《襄阳市国家森林城市建设总体规划（2010—2020）》等政策相继出台，生态空间碳储量略下降1.2×10⁵ t；预测到2030年，生态空间碳储量为1.40×10⁸ t，降低区域主要集中在青峰岭、保康县中部的山区林地和谷城县西北部的林地边缘。

2.3 2000—2030 年生态空间碳热点时空变化及预测

1）碳热点空间分布特征与变化。襄阳市碳热点分布总体呈现“热点集中、冷点分散”的格局，其中强热点占比最高，但生态保护红线仅覆盖部分强热点区域（图5）。热点区域主要集中在西部的谷城县、保康县和南漳县；中部和东部的少量热点主要集中在森林公园、湿地公园和自然保护区，如青峰岭省级森林自然公园和白竹园寺国家森林自然公园等。冷点区域主要散布在老河口市北部、保康县西部、枣阳市和宜城市南部、樊城区和襄州区北部，这些区域人类活动干扰较强，生态空间被城镇或农田包围，碳储存能力强的天然植被群落较少，形成冷点散布格局。考虑到植被群落类别和丰富度是影响生态空间碳储存能力的重要因素，冷点区域的植被群落应修复和优化，而热点区域可以视为碳储存的重点保护区域，采取针对措施防止生境退化。

2）阶段性碳热点空间分布变化特征。襄阳市碳热点空间格局保持稳定，生态保护红线约束可以强化碳热点的聚集度（表2）。2000—2010年间，襄阳市西部碳热点区域有所扩大，保康省级森林自然公园和南河国家级自然保护区东部等区域热值升高，保康尧治河森林自然公园区域冷值下降。2010—2020年间，相对上一阶段碳热点空间分布差异性较大，香水河省级森林自然公园区域碳热点持续增强，枣阳青峰岭省级森林自然公园和罗桥水库等区域进一步加热（表3）。襄阳市东部热点热力下降，南部和中部上升且面积扩大，其余区域基本稳定。冷点区域仅汉江沿岸、保康县局地和宜城市局地外略有变化。预测2030年在生态底线约束下“高-高”碳热点区域面积显著增大并向中心城区方向绵延，其中强热点区域提升至31.29%。

3 讨论

碳储存对全球气候变化具有重要作用，其中LULC 是影响陆地碳储量的关键因素之一，生态保护红线作为国土空间的生态约束底线，可限制LULC变化进而维持区域碳储存能力。本研究基于2000、2010和2020年LULC 数据，通过PLUS 模型模拟2030 年数据，并运用InVEST 模型和热点分析对襄阳市生态空间碳储量及其空间特征进行探究。结果显示：2000—2020年间襄阳市生态空间面积缩减，预测到2030 年在生态底线约束下的生态空间退化速度降低；到2030 年，襄阳市碳储量由于生态空间变化相应转变，栅格单元碳储量最大值约为18.47 kg，主要分布在西部、东北和东南的林地中；生态底线约束有助于优化襄阳市生态空间碳热点格局。据此提出以下三点对策：

1）优化重点区域生态空间占比，提升高碳储生态要素质量。本研究预测生态空间中固碳能力较强的LULC 类别呈现退化趋势，尽管其总面积变化不大，但仍对区域碳储量影响较大。然而，当前我国各地侧重于保护生态敏感性或生境质量较高的区域，对生态要素固碳能力关注不足。其中，林地是生态空间碳储存的关键要素［29］，本研究结果也同样显示高碳储量区域主要集中在襄阳市西部山区，因此在生态空间管控规划中，宜将碳储存能力专项评估纳入编制过程。另外，襄阳市的森林资源的林木结构有待进一步优化，尽管其森林资源较为丰富，但多为灌木、杂木和次生林，制约其区域碳储存效能提升。同时，当地政府已开展了系列举措旨在恢复和保护优质林地资源，例如《关于绿满襄阳再提升行动的实施意见》《关于开展“千村万树”行动推进森林乡村创建工作的通知》等，这为襄阳市生态空间碳储存效能提升奠定基础。

2）保护固碳高热点区域，促进生态底线动态调控。热点区域对维持碳储量稳定有重要作用［30］，然而当前生态保护红线划定过程的“双碳”视角着眼不足，主要参考生物多样性保护、水资源保护、洪水缓解、土壤保护和沙尘暴防治5 项生态系统服务指标。已有学者提出将二氧化碳协同控制纳入生态空间“三线一单”的管控中，并完成碳储存适宜区及碳热点判定以优化生态保护红线范畴［31］，相关修订路径仍有待探索，以推进“双碳”导向的生态底线动态调控。

3）重视碳储量研究的实践传导，加强数字技术支撑体系建设。目前我国正处于社会经济新常态发展阶段，高效合理的国土空间规划和管控策略是应对气候变化的途径之一。碳储量评估可为地方生态系统生产总值（gross ecosystem product，GEP）核算、自然资源和生态效益评估等提供科学支持［32］。虽然上海市、武汉市和深圳市等地的生态空间专项规划已经陆续发布，但其中将碳储量评估结果纳入规划决策仍有待补充。同时，大数据时代背景下，应建设碳测算开源平台、开展生态系统碳库调查和动态监测以及完善信息共享机制，从而为区域碳储量评估和增汇潜力探究提供数字技术保障。

然而，本研究尚存在一定技术局限性。模拟过程基于多源空间数据，其预测结果具有一定误差；同时，InVEST 模型中碳密度参数基于前人研究确定，虽然选取了与本研究区条件较相似的研究区数据，但只考虑静态而忽略碳循环和不同碳库间的动态转化问题，与实际碳储量值会有一定差异，在未来采用该模型时可配合实地调研从而进一步提高精度。

（责任编辑：陆文昌）