土地利用變化對植被碳儲量的影響——以安徽省蕪湖縣為例

土地利用變化對植被碳儲量的影響——以安徽省蕪湖縣為例

彭 豐, 王建全, 谷家川*, 任浩然

(滁州學院地理信息與旅游學院，安徽滁州 239000)

摘要土地利用/植被覆蓋是影響陸地上植被碳循環重要因子之一。該研究采用2000、2005、2010年3期的遙感影像，綜合運用GIS和RS技術提取蕪湖縣2000～2010年土地利用變化數據，再根據前人對植被凈初級生產力的研究成果，估算蕪湖縣土地利用變化對植被碳儲量的影響。結果表明：在2000～2005年期間，約33.60 km2耕地與19.50 km2林地轉化為草地、水域和建設用地，使得蕪湖縣植被碳儲量約減少了9.54×103 t。2005～2010年林地及草地大面積轉化為建設用地，致使植被碳儲量持續下降了約9.51×103 t。該研究表明蕪湖縣植被碳儲量減少趨勢較為明顯，其中林地面積變化對蕪湖縣植被碳儲量影響最大。

關鍵詞蕪湖縣；植被碳儲量；土地利用/植被覆蓋

中圖分類號S127

基金項目國家自然科學

作者簡介彭豐(1990- ),男,安徽潁上人,本科生,專業：測繪工程。*

收稿日期2015-06-30

EffectsofLandUseChangeontheVegetationCarbon

PENGFeng,WANGJian-quan,GUJia-chuan*et al(CollegeofGeographicalInformationandTourism,ChuzhouUniversity,Chuzhou,Anhui239000)

AbstractLand use/vegetation coverage is one of the important factors influencing the land vegetation carbon cycle. By 2000, 2005 and 2010 issue of remote sensing image interpretation and integrated use of GIS and RS technology to extract the WuHu County land use change data during 2000-2010. According to the research achievements of predecessors to vegetation net primary productivity, influence of land use change on the vegetation carbon was estimated. The results showed that from 2000 to 2010, about 33.60 km2 forest land and 19.50 km2 cultivated land transferred into grassland, water area and construction land, makes the Wuhu County vegetation carbon decreased 9.54×103 t. From 2005 to 2010, woodland and grassland area transferred into construction land, the vegetation carbon declining 9.51×103 t .The results showed that Wuhu County vegetation carbon showed a trend of decrease, and woodland area of change was the main factor influencing the vegetation carbon changes in Wuhu County.

KeywordsWuhuCounty;Vegetationcarbon;Landuse/vegetationcoverage

近年來關于全球氣溫變化的研究逐漸增多，其中最受關注的就是關于陸地的研究。陸地作為人類生存的基礎，承受著在全球氣溫變化中最復雜、最多樣的變化。不僅如此，陸地生態系統中碳儲量變化在二氧化碳變化和全球碳循環中也有著重要影響。作為人類活動與氣候變化相互作用的重要環節，陸地生態系統在全球碳循環中起著源/匯的雙重作用，從碳庫的儲量和積累速率上能體現出碳匯功能，碳源則從碳的排放強度上體現出來。

陸地碳儲量變化往往受以下因素影響:①自然干擾；②人類活動及土地利用引起地表發生變化。土地利用/覆被變化影響著陸地生態系統的分布和結構，從而改變陸地生態系統的碳儲量。因此要客觀認識和評價陸地生態系統的碳源/匯功能，需要了解土地利用變化對生態系統碳儲量的影響[1]。研究表明：土地利用變化是影響陸地系統碳循環過程的重要原因[2-4]。土地利用變化帶來的直接結果是植被覆蓋的變化，植被覆蓋方式的變化影響著陸地生態系統的分布和結構，進而影響著陸地生態系統的碳儲量[5-7]。有數據表明，在過去一個世紀里由土地利用方式轉變引起的碳排放量占當時同期碳排放總量的1/3左右[8-10]。近年來國內學者對于植被碳儲量的研究方面建樹頗多，但是大多是對不同植被碳儲量的研究與土地利用變化對碳循環的影響以及氣候帶范圍內或全國范圍的碳儲量和動態變化特征等方面，較少涉及區域土地利用變化對植被碳儲量的長時間及遙感高空間分辨率地表植被碳儲量變化影響方面的研究。該文選用2000、2005、2010年3期的Landsat5衛星影像，結合RS及GIS技術，重點研究近年來蕪湖縣土地利用變化對植被碳儲量的影響，以期為蕪湖縣低碳建設及城市發展提供借鑒。

1研究區概況

蕪湖縣坐落于安徽省東南部，長江下游南岸。地處118°16′～118°45′E，30°56′～31°25′N。現轄灣沚、六郎、陶辛、紅楊、花橋5個鎮，總面積670km2，人口35萬人。地勢南高北低，地形表現為不規則長條狀；地貌類型多樣，包括平原與丘陵，且河湖水網密布。北與蕪湖市郊區及當涂縣毗連，東以裘公河、東南以九連山脊與宣城市分界，西南隔漳河與南陵、繁昌2縣為鄰，西瀕長江。境域呈矩形，東西境最寬處約40 km，南北長約51 km,全境970 km2。蕪湖縣屬亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，陽光充足，雨量豐沛，年平均氣溫14～17 ℃，日照時數約2 000 h。最熱月份為7～8月，平均氣溫27 ℃，極端最高氣溫接近39 ℃，最冷月份為1月，月平均氣溫為3 ℃，曾經出現過-11 ℃的極端最低氣溫。蕪湖縣降雨比較充沛，年降雨量約1 100 mm，分布不均，主要集中在初冬、春季以及梅雨季節。

2數據來源與研究方法

2.1數據來源及處理該文采用的數據為2000、2005年、2010年3期的Landsat5的TM影像。數據處理平臺基于Arcgis10.0和ENVI5.0。首先用ENVI5.0對蕪湖的遙感影像進行預處理、輻射校正、幾何校正、圖像的配準和圖像拼接以及蕪湖縣區域剪切工作。再以植被覆蓋特征以及土地的利用方式為依據，對遙感影像進行分類，分為以下5種類型：①林地，人工林及天然林、灌木林等；②耕地，以種農作物為主的農田；③草地，包括天然和人工草地；④水域，主要包括池塘、河流、湖泊等；⑤建設用地，包括道路用地及農村城市居民點和未利用土地等。接著對分類后的細碎斑塊進行Majority函數平滑處理，最后導入Arcgis10.0中，進而獲得土地利用/植被覆蓋的空間特征。圖1～3分別是2000、2005、2010年3個時期的土地利用類型圖。

圖1　2000年土地利用類型

圖2　2005年土地利用類型

圖3　2010年土地利用類型

2.2研究方法由于試驗數據有限，該文各種地表覆蓋類型的植被凈初級生產力引用了前人的研究成果。 該文主要研究土地利用變化對植被碳儲量影響，兼之研究范圍較小，故可以忽略其中氣候差異。植被固碳估算公式[11-12]如下：

Ei=Ti×δi×C

(Ⅰ)

式中：Ti表示第i種植被對應的土地面積(km2)；δi為第i種植被所對應的凈初級生產力[gC/(cm2·a)]；C為碳含量與植被生物量之間轉換因子(取0.45)；Ei表示第i種植被覆蓋類型的固碳量。據前人研究[13]，林地、草地、耕地凈初級生產力分別為672.91、296.62、458.57gC/(cm2·a)。其中林地和草地的植被凈初級生產力都是各種林(草)地的生產力加權平均值。

3結果與分析

3.1蕪湖縣土地利用變化分析依據不同土地利用類型把研究區域分成五部分：林地、耕地、草地、水域及建設用地。利用處理后的2000、2005、2010年3期的遙感影像，從中解譯出蕪湖縣3期土地利用數據，使用Arcgis空間分析功能對數據進行分析加工，從而獲得2000～2005年、2005～2010年2個時間段的土地利用與植被覆蓋類型變化。

3.1.1蕪湖縣土地利用/土地覆蓋的數量變化。從蕪湖縣2000、2005、2010年不同的土地利用及植被覆蓋變化(表1)可以看出，2000～2005年耕地、林地分別減少了33.60、19.50km2；同期草地、水域及建設用地增加了24.70、22.50、5.10 km2；2005～2010年耕地基本無變化，林地持續減少15.4 km2，草地減少了39.40 km2，水域及建設用地分別增加了5.70、46.50 km2。其中耕地、林地與草地占所有土地利用類型的比例分別由2000年的65.72%、10.22%、3.70%下降到2010年的61.46%、5.40%和1.66%，水域與建設用地則分別從2000年的7.73%、12.62%增加到了2010年的11.66%、19.76%。不難發現耕地與林地的減少與建設用地的增加有直接關系，也就是說建設用地的增加導致了植被碳儲量的下降。

3.1.2蕪湖縣土地利用/土地覆蓋的轉移特征。由表2可以看出2000～2010年蕪湖縣不同的土地利用/植被類型的變化主角是耕地、林地與建設用地。2000～2005年期間，蕪湖縣耕地面積下降，部分耕地轉變成林地與建設用地，其中林地與建設用地分別為24.22、41.11km2。耕地不僅是土地的轉出者，同時也是土地的轉入者。在2000～2005年期間林地、水域、草地及建設用地變化為耕地。其中最突出的是草地，累計有61.10 km2的草地轉為耕地。建設用地面積增加最為迅速，是因為它接受著來自草地、耕地、林地及水域的大量轉入。其他關于2000～2005年土地利用類型的具體變化詳情見圖4，表2。在2005～2010年期間，蕪湖縣經濟快速發展導致了各種土地利用類型變化也更加豐富多樣，其中最為明顯的是耕地變化為建設用地及林地，分別增加了58.12、24.17 km2，林地主要轉變為耕地和草地分別是7.09、9.03 km2，水域主要轉變為耕地，約為25.30 km2。2005～2010年參與土地利用類型轉出與轉入的變化土地類型的面積占總土地面積的37%，具體變化見圖5，表2。

表1　蕪湖縣2000、2005、2010年不同土地利用/植被覆蓋變化及各類型植被碳庫

表2　2000～2010年蕪湖縣土地利用變化轉移矩陣　 km 2

圖4　蕪湖縣2000～2005年土地利用類型轉移空間分布

圖5　蕪湖縣2005～2010年土地利用類型轉移空間分布

3.2蕪湖縣土地利用變化對植被碳儲量的影響

3.2.1蕪湖縣植被碳儲量的變化。蕪湖縣植被碳儲量的變化是耕地、林地與草地面積的變化，利用公式(Ⅰ)計算出蕪湖縣的2000、2005、2010年植被碳儲量分別是123.78×103、114.24×103、104.73×103t，其中草地、林地、耕地各自的碳儲量如表1所示。根據表1得到：2000、2005、2010年耕地面積占土地利用總面積的65.72%、61.40%、61.46%，其碳儲量占總碳儲量比例分別為79.07%、79.60%、87.22%。與此同時林地占總植被面積比例為10.22%、7.52%、5.40%，碳儲量占總碳儲量比例分別是18.06%、14.39%、11.25%。不難看出林地的植被碳儲量在植被碳庫中占很大優勢。2000～2005年由于林地面積下降迅速減少的植被碳儲量約為5.91×103t，而總體上2005年蕪湖縣植被碳儲量相對2000年僅減少了9.54×103t。

3.2.2蕪湖縣不同土地利用類型的轉移對植被碳儲量的影響。近年來，蕪湖縣人口快速增長，促使經濟活動更加頻繁以及土地利用方式變化加劇，對植被碳儲量變化產生了巨大影響。在分析不同土地覆蓋類型的同時，計算耕地、草地、林地等土地利用類型的轉變對植被碳儲量變化的具體影響，依據公式(Ⅰ)計算得出蕪湖縣近年土地利用變化對于植被碳儲量的具體影響如表3所示。計算結果表明：2000～2005年蕪湖縣植被碳儲量凈減少了9.54×103t，表明這段時間土地使用方式的變化使得了蕪湖縣生態系統中的植被儲碳能力下降。其中耕地、林地大面積轉化為草地及水域，雖然有部分建設用地及水域轉換為耕地、林地，但面積僅有49.08 km2，而僅僅耕地轉換為水域及草地的面積已經達56.44 km2，以致于碳儲量下降了1.51×103t。其中各種土地類型之間變化引起的碳儲量變化情況見表3。在2005～2010年之間碳儲量持續下降，其中耕地轉變林地、草地中碳儲量增加了7.33×103、2.22×103t。但是建設用地面積的增加與草地面積的大幅度下降，仍然導致了碳儲量總量下降。

計算結果顯示，在2000～2010年期間，蕪湖縣植被碳儲

表3　蕪湖縣2000～2010年土地利用變化過程中植被碳儲量的變化

注：:“+”“-”分別表示碳儲量的增加與減少；水建是水域與建設用地的合稱。

量減少了約19.05×103t，期間蕪湖縣陸地生態系統中的植被儲藏能力持續減弱，其中林地面積的減少是植被儲藏能力下降的主要原因。由此說明固碳能力相對較低的草地、耕地、建設用地及水域變化為固碳能力較高的林地時，對生態系統中的植被碳儲量變化起著正向影響效果，即土地利用的變化帶動了生態系統中植被碳儲量的增加；反之當固碳能力較高的林地變化為其他土地利用類型或者耕地轉變為固碳能力低的草地、建設用地、水域或者草地轉變為建設用地或者水域時，土地的利用變化對于植被碳儲量起著負面影響，即土地利用變化導致了植被碳儲量下降。2000年以后，林地面積持續減少，10年間大約減少了34.9 km2，導致碳儲量減少約10.56×103t，占了10年植被碳儲量變化中的50%左右，因此可以說林地面積變化是影響蕪湖縣植被碳儲量變化的重要因素。

4結論

該文利用前人對植被凈初級生產力的研究結論，結合2000～2010年蕪湖縣遙感影像資料，綜合對蕪湖縣植被碳儲量進行估算和分析，總結出2000～2010年蕪湖縣土地利用變化對其植被碳儲量的影響，研究結果如下。

(1) 蕪湖縣2000～2005年耕地、林地分別減少了33.60、19.50 km2，草地增加了24.70 km2。其中耕地與林地主要轉出為建設用地、水域以及草地。2005～2010年期間耕地面積變化不大，林地略微減少15.40 km2，草地大幅度減少39.40 km2，建設用地面積增加了46.50 km2。其中林地與草地大多轉化為建設用地，少部分轉化為水域。

(2) 蕪湖縣2000～2005年植被碳儲量表現為減少，在此期間植被碳儲量減少了9.54×103t，其中固碳能力較強的耕地、林地大量轉變為固碳能力比較弱的草地及水域是植被碳儲量減少的主要原因。2005～2010年期間植被碳儲量持續下降，植被碳儲量約減少了9.51×103t，原因是蕪湖縣經濟發展迅速以及人口增加，導致了城鎮周邊地區農田、林地被大量占用轉化為建設用地，還有就是人們片面追求經濟效益，對林地進行亂砍濫伐或者種植固碳能力比較低的植被類型。總體上表明，蕪湖縣植被儲碳能力持續減弱。

(3) 蕪湖縣不同土地覆蓋類型與林地變化呈現出雙向變化機制，植被覆蓋變化比較大。2000～2010年期間草地與林地受到人類活動干擾比較大，從而影響蕪湖縣植被碳儲量變化。

參考文獻

[1] 葛全勝,戴君虎,何凡能,等.過去300年中國土地利用、土地覆被變化與碳循環研究[J].中國科學,2008,38(2):197-210.

[2] 陳四清.基于遙感和GIS的內蒙古錫林河流域土地利用/土地覆蓋變化和碳循環研究[D].北京：中國科學院地理科學與資源研究所,2002:1-4.

[3] SCHINEL D S.Terrestrial ecosystems and the coben-cycle[J].Global Change Biology，1995,1(1):77-91.

[4] 劉英,趙榮欽,焦世興.河南省土地利用碳源/匯及其變化分析[J].水土保持研究,2010,17(5):154-162.

[5] 李博.現代生態學講座[M].北京:科學出版社,1995：129-142.

[6] HOUGHTON R A，SKOLE D L，NOBRE C A,et al. Annual fluxes of carbon from deforestation and regrowth in the Brazilian Amazon[J].Nature,2000，403:301-304.

[7] DERFRIES R S.Past and future sensitivity of primary production to human modification of landscape[J].Ceophysical Research Letters,2002,29(7):361-364.

[8] 吳建國,張小全,徐德應.土地利用變化對生態系統碳匯功能影響的綜合評價[J].中國工程科學,2003,5(9):65-71.

[9] 李克讓,王紹強,曹明奎.中國植被和土壤碳貯量[J].中國科學(D輯),2013,33(1):72-80.

[10] 李文華,鄧坤枚,李飛.長白山主要森林生態系統生物量研究[J].森林生態系統研究,1981(2):34-50．

[11] 馬長欣,劉建軍,康博文,等.1999-2003年陜西省森林生態系統固碳釋氧服務功能價值評估[J].生態學報,2010,30(6):1412-1422.

[12] 劉海英,包安明,陳曦,等.近30年來瑪納斯河流域土地利用/覆被變化對植被碳儲量的影響[J].自然資源學報,2010,25(6):926-938.

[13] 何勇,姜允迪,丹利,等.中國氣候、陸地生態系統碳循環研究[M].北京:氣象出版社,2006.