基于InVEST模型的毕节市生态系统碳储量时空变化分析

董奎 董平 单绍朋

摘要  利用毕节试验区1990、2000、2010、2020年4期土地利用类型数据，研究30年来试验区不同土地利用类型变化情况，并采用InVEST模型估测试验区不同生态系统碳储量，分析试验区在生态建设取得明显成效背景下生态系统碳储量时空变化。结果表明，1990—2020年毕节市土地利用类型发生明显变化，林地和建设用地面积增加，耕地、草地面积减少，耕地主要转为林地、草地、 建设用地，草地主要转为耕地和林地。1990—2020年毕节市生态系统总碳储量在51.21×107～52.37×107 t，总体呈增加趋势，碳储量总量增加1.16×107 t，年均增加0.04×107 t。毕节市碳储量呈现出西高东低的空间分布趋势，1990—2020年林地和建设用地碳储量增加，耕地和草地碳储量减少。

关键词  土地利用类型；InVEST模型；碳储量；生态系统；时空变化

中图分类号  X171.1   文献标识码  A   文章编号  0517-6611（2024）07-0072-06

doi： 10.3969/j.issn.0517-6611.2024.07.018

Analysis of Temporal and Spatial Change of Ecosystem Carbon Storage in Bijie City Based on InVEST Model

DONG Kui1， DONG Ping2， SHAN Shao-peng3

（1.Guizhou Bijie Natural Forest Resources Protection Center， Bijie，Guizhou 551700;2.Sichuan Shanhaitu Agriculture and Forestry Technology Co.， Ltd.， Chengdu，Sichuan 610081;3.Guizhou Bijie Forestry Science Research Institute， Bijie，Guizhou 551700）

Abstract  Using land use type data from four periods of 1990， 2000， 2010 and 2020 in the Bijie experimental area， the changes of different land use types in the experimental area over the past 30 years were studied. The InVEST model was used to estimate the carbon storage of different ecosystems in the experimental area， and the temporal and spatial changes of ecosystem carbon storage under the background of significant success in ecological construction were analyzed.The results showed that from 1990 to 2020， there were significant changes in land use types in the Bijie City， with an increase in the area of forest land and construction land， a decrease in the area of cultivated land and grassland， and the main conversion of cultivated land to forest land， grassland and construction land， while the main conversion of grassland to cultivated land and forest land. The total carbon storage of the ecosystem in Bijie City from 1990 to 2020 was 51.21×107-52.37×107 t， the total carbon storage increased by 1.16×107 t， with an average annual increase of 0.04×107 t. The carbon storage in Bijie City showed a spatial distribution trend of high in the west and low in the east. From 1990 to 2020， the carbon storage of forest land and construction land increased， while the carbon storage of cultivated land and grassland decreased.

Key words  Landuse type;InVEST model;Carbon storage;Ecosystem;Temporal and spatial change

森林、草原、濕地等生态系统的固碳作用能够有效提升区域乃至全球碳汇能力，使得区域生态碳循环达到平衡。碳储量作为生态系统中碳素储备和碳汇的标志，受到土地利用变化等因素的影响，这些因素通过影响区域内植被和土壤的结构及完整性，进而影响区域内包括地上、地下生物碳储量以及土壤有机碳储量在内的整体生态系统碳功能［1-5］。因此，研究土地利用变化背景下生态系统碳储量变化已成为生态系统碳汇及区域气候变化研究的热点。

当前，国内外研究生态系统碳储量的方法主要有地面调查法［6-7］、遥感估测法［8-9］、模型法［10-11］。地面调查法精度高，但适用范围小，同时，需要投入大量人力、物力和财力，在开展调查时，会对研究环境造成破坏［12-13］。遥感估测法是结合地面调查的碳库数据，利用遥感快速、大尺度优势建模反演特定生态系统碳储量。模型法则是以生态系统服务评估与权衡（InVEST）模型为代表且能够在空间上模拟和展示土地利用对陆地生态系统碳储量变化影响的时空分布特征的方法［14］，近年来被广泛使用并取得了良好效果，如王成武等［15］基于2005、2010、2015、2020年太行山区4期土地覆盖及碳密度数据，使用 InVEST 模型估算了太行山沿线地区生态系统碳储量；刘晓娟等［16］利用FLUS-InVEST 模型，分析并模拟了土地利用变化背景下中国的碳储量。

1988年经国务院批准，中国第一个以消除贫困、坚持可持续发展为突出特征，以“开发扶贫、生态建设、人口控制”为主题的农村改革试验区——毕节试验区成立。毕节试验区成立以来，党和国家领导人多次对试验区工作进行重要批示，30多年过去，毕节试验区经济、社会、生态环境发生了翻天覆地的变化，通过大规模国土绿化、荒山造林、退耕还林、石漠化综合治理、天然林保护等重点林业生态修复工程，森林覆盖率从1988年的14.9%提升到2023年的60.0%，实现了生态环境从不断恶化到明显改善的跨越。国家先后将毕节列为“生态文明先行区”“全国生态文明示范工程试点”“全国生态保护与建设示范区” “全国石漠化防治示范区”和“全国林业碳汇试点市”。

笔者利用毕节试验区1990、2000、2010、2020年4期土地利用类型数据，研究30年来试验区不同土地利用类型变化情况，并采用InVEST模型估测试验区不同生态系统碳储量， 分析试验区在生态建设取得明显成效背景下生态系统碳储量时空变化，为毕节试验区“绿色发展、人力资源开发、体制机制创新”新三大主题提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

毕节市位于贵州省西北部，地处川、滇、黔3省结合部，地处105°36′～106°43′E、26°21′～27°46′N。北接四川省、西邻云南省，东与本省的遵义市、贵阳市接壤，南与六盘水市、安顺市相连（图1），是乌江、北盘江、赤水河发源地，是贵州屋脊，长江和珠江上游重要生态屏障区域，生态区位十分重要。下辖8县（市、区）和1个县级风景名胜区管理区（百里杜鹃管理区），土地面积2.69万km2，占贵州省总面积的15.25%，辖区内地质构造復杂，山高坡陡，沟壑纵横， 岩溶地貌形态多样，是典型的石漠化山区，成土母质多为石灰岩，具有典型的喀斯特地貌。境内平均海拔1 600.0 m，最高为2 900.6 m，为贵州省最高点，最低为457.0 m，年均气温在10～15 ℃，年降水量在849～1 399 mm，属亚热带季风气候，受海拔高差影响，垂直气候变化明显。毕节境内动植物种类丰富，有野生脊椎动物387种，苔类植物近100种，蕨类植物34科130种，裸子植物9科22种，被子植物155科1 809种。

1.2 数据来源及处理

该研究使用的土地利用数据来源于武汉大学杨杰和黄昕教授发布的 “1990—2019 年的中国30 m年度土地覆盖数据”［17］。该数据目前已经更新到1985—2020年，并全部免费公开。选择1990、2000、2010、2020年4期数据，利用毕节市行政边界裁剪得到研究区4期土地利用数据，空间分辨率为30 m。根据研究区实际，参照《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017），将土地利用类型重新分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地5类。通过查阅已有文献获取各土地利用类型的碳密度数据，参照陈大蓉等［18］的方法，优先使用贵州省及周边城市的实测碳密度成果，并采用碳密度与气温和降水的关系模型修正得到的结果［19-20］，同时结合丁访军等［21-24］的研究成果，得到毕节市各土地利用类型碳密度（表1）。

1.3 研究方法

该研究利用1990、2000、2010、2020年研究区4期土地利用数据，采用生态系统服务功能评估软件InVEST软件中Carbon模型计算得到对应年份的碳储量数据，分析碳储量的时空分异情况。

InVEST（integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs）是美国自然资本项目组开发的且用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，它包括陆地、淡水和海洋3类生态系统服务评估模型。目前，自然资本项目组开发的InVEST模型已在20多个国家和地区的空间规划、生态补偿、风险管理、适应气候变化等环境管理决策中得到广泛应用。近年来，中国的生态系统服务研究越来越多，并在国家、区域、流域等多个尺度的生态功能区划、生态保护红线划定、生态补偿、资源环境承载力评估等政策中得到应用。InVEST中包含了多个模型，其中陆地生态模型中的“碳储存和固持”模块（Carbon）可以很好地评估区域内的碳储量及其价值，是目前进行碳储量估计的有效方法［25-26］。Carbon模块将生态系统碳储量划分为地上生物炭、地下生物炭、土壤和死亡有机质4个基本碳库［27］，计算公式如下：

Ci=Ci，above+Ci，below+Ci，soil+Ci，dead （1）

Ctotal=∑ n i=1 （Ci×Ai） （2）

式中：i为第i种土地利用类型；Ci为第i种土地利用类型的碳密度（t/hm2）；Ctotal为研究对象总碳储量（t）；Ci，above、Ci，below、Ci，soil和Ci，dead分别为第i种土地利用类型的地上碳密度、地下碳密度、土壤碳密度、死亡有机质碳密度（t/hm2）；Ai 为第i种土地利用类型的总面积（hm2）。

2 结果与分析

2.1 毕节试验区土地利用时空变化

结合毕节市1990—2020年4期土地利用类型图（图2）及土地利用类型转移矩阵（表2）发现，毕节市土地利用类型空间上存在一定差异，同时，各土地利用类型在时间尺度上也有明显变化。

从图2可以看出，1990—2020年毕节市土地利用类型均以耕地和林地为主，草地、水域和建设用地较少，这与试验区一直以来以传统农业等第一产业为主、工商业较少的生产生活方式现实相符。其中，耕地主要集中分布在东部的黔西市大部、大方县和金沙县南部、织金县北部，以及西部的威宁县中部草海周边，这些区域地势相对平坦且连片，适于耕作；林地主要集中分布在中部的赫章县、七星关区及南部的纳雍县和织金县，该区域为全市国有林场主要分布区，森林资源丰富；建设用地集中分布在各县城城区；草地主要集中分布在威宁县的西部区域。

从土地利用类型转移矩阵（表2）及转移弦图（图3）来看，随着社会经济不断发展，毕节市土地利用类型发生变化。近30年来，共有1 737.17 km2土地发生变化，除水域变化较小外，其他土地利用类型均有明显变化，其中，耕地和草地分别净减少763.04和20.35 km2，林地和建设用地分别净增加73264和56.61 km2。耕地主要转入林地和草地及建设用地，草地主要转入耕地和林地，林地主要转入耕地和草地，林地增加部分主要来源于耕地。

2.2 毕节试验区碳储量时空变化

根据土地利用类型和碳密度数据，利用InVEST软件计算得出研究区4期总碳储量，由碳储量和碳密度时间变化（图4）可知，毕节市1990、2000、2010、2020年总碳储量分别为51.21×107、52.34×107、51.97×107、52.37×107 t，碳密度分别为190.75、194.97、193.59、195.07 t/hm2；1990—2020年碳储量和碳密度总体呈增加趋势，碳储量总量增加1.16×107 t，年均增加0.04×107 t，碳密度增加4.32 t/hm2，年均增加0.14 t/hm2。1990年后，毕节市通过大规模造林、退耕还林、石漠化治理等工程的实施，植被逐渐恢复，生态系统碳储量和碳密度增加，到2010年略有下降，这可能是因为2010年之后，社会经济加速发展，工业和城镇化步伐加快，城区扩张，建设用地需求增大，植被等高碳密度土地发生变化，碳储量出现下降。

统计各县（市、区）碳储量变化情况及全市碳储量空间分布（图5～6）发现，全市碳储量空间分布存在差异，高碳储量区主要分布在西部的威宁县及中部和北部的赫章县、七星关区、大方县，低碳储量区域主要分布在东部的黔西市、金沙县。各县区总碳储量由高至低依次为威宁县>大方县>七星关区>赫章县>织金县>納雍县>金沙县>黔西市，呈现出西高东低的空间分布趋势。30年间，除赫章县碳储量下降了778×105 t，其余县（市、区）均有所增加，其中黔西市和威宁县增加较多，分别增加了4.40×106和2.25×106 t。

2.3 碳储量对土地利用变化的响应

统计各土地利用类型碳储量（表3）发现，30年来毕节市不同时期不同土地利用类型碳储量发生了一定变化。5种土地利用类型中，林地碳储量占比最大，4个时期占比均超过60.0%，其次是耕地，平均占比超过30.0%，草地平均占比约3.8%，建设用地占比最小，低于1.0%。

分析发现，1990—2020年，林地和建设用地碳储量增加，分别增加2.69×107和0.07×107 t，耕地、草地碳储量减少，分别减少0.71×107和0.89×107 t。耕地和林地碳储量变化较快的时期为1990—2000年，其中，林地碳储量增加了2.47×107 t，耕地碳储量减少了1.43×107 t。2000—2010年耕地碳储量增加，林地碳储量有所下降，2010年之后，变化趋势相反，耕地碳储量下降，林地上升；草地碳储量在1990—2000年增加，之后的20年减少；30年来建设用地碳储量均小幅度增加。

从各时期不同土地利用类型碳储量变化的空间分布（图7）来看，1990—2000年毕节市碳储量的变化趋势为黔西大部分区域有明显增加，七星关西部、赫章县南部及威宁县东南部减少。2000—2010年，织金县南部区域碳储量增加明显，大方、黔西、织金交界区域明显减少，原因可能是在此期间，洪家渡水电站（现支嘎阿鲁湖）建成，此区域耕地和林地等转为水域，碳储量减少。2010—2020年，黔西大部碳储量增加明显，这与乌江流域生态恢复有关。1990—2020年，毕节市碳储量变化总体上呈东部比其他区域增加明显，赫章县南部和威宁县东南部减少较为明显。

3 结论与讨论

该研究以贵州省毕节市（毕节试验区）为研究对象，以1990、2000、2010、2020年4期土地利用数据为基础，采用InVEST模型，分析毕节试验区1990—2020年不同土地利用类型碳储量变化情况，得出如下主要结论：

（1）1990—2020年，毕节试验区土地利用类型以耕地和林地为主，草地、水域和建设用地较少。30年来试验区共有1 737.17 km2土地发生转移，除水域变化较小外，其他土地利用类型均有明显变化，其中，耕地和草地不同程度减少，分别净减少763.04和20.35 km2，林地和建设用地增加，分别净增加732.64和56.61 km2。试验区成立以来，在国家、省的大支持下，全市通过实施天然林资源保护、两轮退耕还林、毕节岩溶地区石漠化综合治理、重点生态区生态修复、国储林建设等重大林业生态工程，全市生态环境得到极大改善。

（2）毕节试验区1990、2000、2010、2020年总储量分别为51.21×107、52.34×107、51.97×107、52.37×107 t，碳密度分别为190.75、194.97、193.59、195.07 t/hm2，碳储量和碳密度总体呈增加趋势，1990—2020年试验区碳储量总量增加1.16×107 t，年均增加0.04×107 t，碳密度增加4.32 t/hm2，年均增加0.14 t/hm2。30年来，随着林地面积的增加，碳储量增加，这说明林地发挥着重要的碳汇作用，林地的转入表现出强烈的碳汇效应，林地的转出将降低区域碳吸收能力［18］。这一结果与其他学者对各个区域碳储量时空变化的研究一致［28-30］。

（3）毕节试验区总碳储量在县域尺度上由高到低依次为威宁县>大方县>七星关区>赫章县>织金县>纳雍县>金沙县>黔西市，呈现出西高东低的空间分布趋势。

（4）1990—2020年，毕节试验区林地和建设用地碳储量增加，分别增加2.69×107和0.07×107 t，耕地、林地碳储量减少，分别减少0.71×107和0.89×107 t。随着社会发展、人口持续增长和人类活动频繁，对建设用地需求增大，林地和耕地转为建设用地。

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作者简介   董奎（1990—），男，贵州织金人，工程师，硕士，从事森林资源调查等工作。

通信作者，工程师，从事林业资源保护等工作。