縣域土地利用變化對碳儲量的影響與評價
——以黑龍港流域巨鹿縣為例

牛志君, 周亞鵬,王樹濤, 鄭小剛, 郭義強, 薄廣濤

(1.河北農業大學 資源與環境科學學院, 河北 保定 071000; 2.河北農業大學國土資源學院, 河北 保定 071000; 3.河北省土地整理服務中心, 石家莊 050000; 4.國土資源部 土地整治中心,北京 100035; 5.國土資源部 土地整治重點實驗室, 北京 100035; 6.河北省巨鹿縣國土資源局, 河北 巨鹿055250)

土地是人類賴以生存的重要資源之一[1]。土地利用又是人與自然交叉最為密切的環節,區域土地利用變化的研究已成為“國際地圈生物圈計劃(IGBP)”的重要組成部分[2]。土地利用/覆被變化必然影響生態系統的結構和功能,其變化過程對維持生態系統服務功能起著決定性的作用[3-5]。

陸地生態系統碳儲量及其變化在全球碳循環和大氣CO2濃度變化中起著非常重要的作用，因而是全球氣候變化研究中的重要問題。作為一個巨型碳庫，據估算，全球陸地生態系統碳的總儲量約為2 000～2 500 Pg(1 Pg=1015g)。人類活動主要通過改變土地覆被或土地利用方式以及農林業活動中的經營管理措施影響著陸地生態系統的碳儲量，如草地退化及其向耕地的轉化都使植被生物量減少、增大土壤中碳的釋放；反之，退耕還林、退耕還草將有利于碳儲量的增加。土地利用變化和農牧業活動不僅對植被碳庫和土壤表層碳庫有著顯著影響，甚至可以激發土壤深層惰性碳庫的損失，土地利用變化影響下CO2的釋放已不容忽視。生態系統服務是指人類直接或間接從生態系統的結構、過程和功能中得到的利益[6]。生態服務功能是指生態系統與生態過程所形成及維持人類賴以生存的自然環境條件與效用,其在土地利用中主要表現為人們通過改變和利用土地利用的方式,以滿足自身的利益,同時也對土地利用產生了干擾,使土地系統的生態價值產生劇烈變化。千年生態系統評估(MA)報告表明，在20世紀的后50 a，人類活動已經引起大約60%的生態系統服務退化或者不可持續利用;在21世紀的前半葉，生態系統服務退化的狀況可能顯著惡化，其最重要的直接驅動力之一將是棲息地變化，特別是林地和草地轉化為農業用地。為了減緩生態系統服務損失和退化的速度，IPCC，UNEP，ATEAM，SUST，GLP已從全球氣候變化和可持續發展的角度研究人類—自然耦合系統的脆弱性[7-10]；在國內，也有一些學者研究陸地生態系統凈初級生產力及碳儲量對氣候變化的脆弱性[11-15]。

目前學者們主要側重于對單一陸地生態系統碳儲量的計算，如土壤、森林、草地或農田生態系統之一，有機碳儲量的計算沒有反映一個區域陸地生態系統的整體性特征。綜合性的陸地生態系統碳儲量及土地利用變化的碳效應研究并不多見[16-19]。因此,本文在研究巨鹿縣4期土地利用變化的基礎上,結合對土地利用強度的分析和碳儲量的變化，引入了生態系統服務對土地利用變化脆弱性評估方法，分析了生態系統服務對土地利用類型轉變、土地管理方式變化的脆弱性響應機理，深入探究土地利用變化對碳儲量的影響，為該區域提高土地利用效率和生態系統保護提供依據[20-23]。

1　研究區概況

巨鹿縣位于河北省南部，地處太行山東側的古黃河、漳河沖積平原，位于北緯37°25′—37°08′，東經114°50′—115°14′。東與南宮、廣宗接壤，西和隆堯、任縣相連，北與寧晉、新河交界，南與平鄉毗鄰，地貌復雜多變，地勢大平、小不平，微地貌差異較大，洼地、沙丘遍布。地勢由南向北略為傾斜，平均坡降1.25/1000，海拔25.5～31 m。地貌類型為平原，總體地勢南高北低、西高東低，海拔高度在24.1～30.0 m。整體地勢平坦開闊，相對高差較小，但作為新增耕地部分的地勢略有起伏，部分新增耕地局部地勢坑洼不平，起伏較大，不利于機械化耕作。該縣屬于華北暖溫帶大陸性半干旱季風氣候，多年平均氣溫12.9℃，年積溫平均4 950.7℃，降水分布四季不均，多年平均降水量492 mm。全縣土壤共有潮土、風砂土和鹽土3個土類，并以潮土為主，各個鄉鎮均有分布，風砂土類分布在巨鹿鎮、賈莊鄉等地，地下水埋藏深度5～8 m，改良后的土地可種植果樹、木材林、地丁和紅荊等。鹽土類主要分布在觀寨、何寨一帶，地下水埋藏深度2～8 m，土地利用難度大，在雨水較大年份可種植耐鹽堿作物如枸杞、荊條、紫穗槐和向日葵等。

2　數據來源與處理

本文需要兩類數據：一類是土地利用變化數據，選用2000年、2005年、2010年以及2015年的Landsat-TM/ETM為數據源，其成像時間均選擇在秋季，軌道號均為122/33，數據空間分辨率為30 m×30 m，借助ENVI 4.8軟件對遙感數據進行波段融合、幾何校正和影像裁剪，采用監督分類和非監督分類相結合的方法將研究區劃分為耕地、園地、林地、草地、水域、建設用地以及未利用地共7種土地利用類型(圖1)。另一類是植被、土壤碳密度數據，不同土地利用類型的植被碳密度的計算比較復雜，不同的土地利用類型的生物量和碳密度不同，所以本研究主要采用華北地區不同植被類型平均碳密度。本文研究區巨鹿縣基本位于該區域內，本研究采用其不同土地利用類型土壤碳密度，具體見表1。

表1　不同土地利用類型植被和土壤碳密度

3　研究方法

3.1　土地利用程度指數

土地利用程度主要反映土地利用的廣度和深度，它既反映了土地利用中土地本身的自然屬性，也反映了人類因素和自然環境因素的綜合效應。分析土地利用程度及其變化可定量分析1992—2012年不同地形位區間土地利用的綜合水平和變化趨勢。土地利用程度綜合指數的公式為：

式中：L表示懷來縣的土地利用程度綜合指數；Ai表示懷來縣第i級土地利用程度分級指數；Ci表示懷來縣第i級土地利用類型面積占懷來縣總面積的百分比；n為土地利用程度分級數。參考劉紀遠等人的研究成果，結合研究區域淺山丘陵區的實際情況，本研究將土地利用分為四級，未利用地分級指數為1，林地、草地、水域分級指數為2，耕地、園地分級指數為3，建設用地分級指數為4。

圖1　2000年、2005年、2010年、2015年巨鹿縣土地利用現狀

3.2　碳儲量估算方法

本研究所采用的的碳儲量的估算公式為：

Vi=Ci×Si

式中：i為土地覆被對應的植被/土壤類型；Vi為第i種植被/土壤類型的碳儲量；Ci為第i植被/土壤類型的碳密度；Si為第i種植被/土壤類型的面積。

3.3　脆弱性評估方法

本研究所提出的脆弱性評估方法的度量不是生態系統服務變化，而是Metzger等提出的潛在影響指數(PI)表示，但計算方法略有不同，本研究中的PI為研究期末與期初的碳儲量和土地利用強度指數的變化量之比：

式中：ΔX為對應的末期與基期土地利用強度指數變化；ΔCR為對應的末期與基期碳儲量的變化。

4　結果與分析

4.1　土地利用變化分析

由表2可知：在2000—2015年巨鹿縣主要地類以耕地為主，面積占比均超過65%，證明巨鹿縣對耕地的保護非常重視，能夠保證糧食安全的基本條件。研究區內在4個時期總體上以水域和未利用地的面積減少，耕地、林地、園地和建設用地面積增加為主要特征。其中林地、園地以及未利用地的面積呈現先增后減的趨勢，林地在2010年達到峰值，由于地處華北平原區，土地本質的特性較為優質，土壤有機質含量較高，所以耕地占有量遠遠超過林地，而園地和未利用地則在2005年達到最大值，說明在2000—2005年期間，被譽為“杏杞”之鄉、銀花之鄉的巨鹿縣，在保證基本農田保有量的前提下，注重經濟效益的更高的園地開發，中小型種植園逐步成為巨鹿縣重要的經濟來源。相反對于未利用的開發卻缺乏較高的重視程度，沒有充分的利用未利用地，實現土地利用效率的最大化；由于人類生產生活對水資源需求的增加以及干旱、不合理灌溉等因素，致使水域面積15 a間共減少1 250.28 hm2，而減少趨勢有所降低，說明人們對于保護水資源的意識也逐步增強；在2000—2015年，建設用地共增加685.87 hm2，到2015年達到巨鹿縣土地利用總面積的13.75%，增加的幅度保持較為穩定的狀態。巨鹿縣作為重要的糧食生產基地，應繼續加強耕地保護措施，加大對未利用地向其他地類的開發模式轉變力度，同時應加強對林地等生態用地的數量把控，以及對經濟特色園地的開發，使其在經濟快速發展的過程中趨于平衡，使得巨鹿縣域土地利用經濟、生態效率達到最大化。

表2　2000-2015年巨鹿縣土地利用變化情況

4.2　土地利用強度分析

由表3可知，巨鹿縣2000年、2005年、2010年和2015年的土地利用強度分別為293.29，293.04，301.04，303.18，說明巨鹿縣土地利用強度整體上屬于中等發展水平。4期的土地利用程度綜合指數相差不大，總體上屬于緩慢上升階段。2000—2015年變化相對緩慢，主要是因為林地面積持續增加，這是天然的可再生的生態用地資源；其次是人為影響的耕地和園地可再生的農用地土地資源，二者面積之和均超過了75%；而土地利用程度分級指數最高的建設用地資源占比很小，平均占比12%。這說明懷來縣的土地開發利用程度還有很大的發展空間，應加大未利用地向其他地類的轉化，2005—2010年未利用地大幅度減少使得土地利用程度綜合指數有一個小幅度的提升就證明了這一點；2010—2015年建設用地小幅度的增加也說明了巨鹿縣的經濟水平處于一個緩慢上升的階段。

表3　巨鹿縣土地利用程度綜合指數

4.3　不同土地利用類型碳儲量分析

研究結果表明(圖2)，不同的土地利用類型對于植被、土壤以及總碳儲量的影響較為顯著，并且受土地利用轉換類型碳密度差異的影響,不同土地利用類型轉換對碳儲量的影響存在顯著差異。其中在2000—2015年期間，由于該研究區對于耕地保護措施以及嚴禁建設用地擴張政策的合理實施，耕地以及建設用地在15 a內只增加總面積的1.96%和1.09%，耕地和建設用地的碳儲量變化整體較為平緩，沒有出現明顯的差異性變化。耕地中主要以土壤碳儲量為主，而建設用地中土壤碳儲量的含量同樣占據較大的比重；由于2000—2015年巨鹿縣林地、園地以及未利用地的面積呈現先增后減的趨勢，導致林地和園地的植被碳儲量以及未利用地的土壤碳儲量整體上也處于先增后減的趨勢，但林地在2010年碳儲量達到峰值，而園地和未利用地則是在2005年就已經達到最大碳儲量。隨著經濟急速發展，工業化時代對于水資源的污染以及人類對于生活用水的不合理使用與浪費都將直接導致水域面積的減少，而水域的碳儲量變化逐步呈現遞減的趨勢，其主要表現為土壤碳儲量的急劇下降；林地和草地作為重要的生態用地則表現出先增后減的趨勢，在近15 a內，兩種地類均出現最大值，分別為8.99萬t和8.01萬t，但草地的碳儲量變化率卻遠大于林地。相對于林地而言，草地的土壤碳儲量與植被碳儲量變化趨勢出現顯著的差異性，土壤碳儲量的變化逐步成為決定總碳儲量變化的關鍵性因素；隨著巨鹿縣城市化速度的加快，對于未利用地的開發利用更加重視，以至于未利用地的碳儲量逐步走向下滑的趨勢，在2000—2015年內連續發生變化，峰值與谷值的同時出現，導致研究區內最大的碳儲量差異量為19.67萬t；相對于其他地類，園地的變化呈現出平行分布，在2005年出現短暫的峰值后又迅速走向平緩，說明巨鹿縣在近15 a內對于園地的開發利用一直處于平衡狀態。

4.4　區域生態系統碳儲量對土地利用變化的脆弱性評估

根據脆弱性的評估方法和區域生態系統服務對土地利用變化的脆弱性響應機理，以2000年為基期，評估了2005年、2010年、2015年3個時間段巨鹿縣域陸地生態系統的碳儲量對區域內土地利用變化的脆弱性。

研究結果表明，研究區內陸地生態系統扮演碳匯的角色，從2000—2005年、2010年、2015年，陸地生態系統碳儲量整體呈現增加的趨勢，在2010年出現最大增加量為10.57萬t，主要由于農田、林地面積的顯著增加。從2000—2005年、2010年、2015年，土地利用強度呈現先減后增的趨勢，但減少的幅度僅僅為0.25，而在2015年土地利用強度增加幅度達到9.88。在2000—2005年內，巨鹿縣域耕地、建設用地面積不斷減少而未利用地的面積反而處于增加的態勢，一方面大部分土地不斷轉化為未利用地，從而造成碳損失加快，另一方面，反映土地利用強度指數的建設用地卻處減少態勢，兩種變化過程的綜合作用致使生態系統的碳儲量服務愈加脆弱。說明在這五年內該研究區沒有合理的開發利用土地，土地利用強度變化對碳儲量的潛在影響急劇減弱，為-37.69萬t，表現為負面潛在影響，對其本身的經濟發展、環境保護同樣存在著較大的制約；而在2005—2015年這十年內，隨著政府合理進行土地利用的調控，以及對于未利用地開發利用的增強，耕地和建設用地逐步向平衡的態勢發展，而對于碳密度較高的林地、草地以及園地也處于快速增加趨勢，由于巨鹿縣合理的進行土地利用規劃，不斷表現出正向的潛在影響，碳匯在增加，從而減少了生態系統的脆弱性。顯然，人類通過提高自身規劃適應能力加強對土地生態系統的規劃管理以應對土地利用變化的潛力很大(表4)。

圖22000-2015年巨鹿縣各地類碳儲量變化

表4　土地利用變化對生態系統碳儲備能力潛在影響

注：PI<0負面潛在影響；PI=0潛在影響為零；PI>0正向潛在影響。

5　結論與討論

5.1　討 論

本文通過對巨鹿縣2000—2015年土地利用數量、土地利用強度以及植被、土壤、總碳儲量的變化分析，引入了生態系統服務對土地利用變化脆弱性評估方法，分析了生態系統服務對土地利用類型轉變、土地管理方式變化的脆弱性響應機理。研究發現合理調整用地結構如增加農田、林地、草地比重可以減緩土地利用強度的加深、降低生態系統碳儲量的脆弱性，但是能力有限。由于耕地面積增加的可能性極小，受林地、建設用地、生態用地、生物能源用地增加的約束，農田、草地面積減少的趨勢難以控制，因此，只能通過造林增加森林碳匯，同時在保增長的前提下控制建設用地規模的擴張，以降低碳儲量的脆弱性。如何優化合理配置各類型土地，以降低碳儲量的脆弱性為前提，更加深入研究土地利用變化與區域生態系統服務之間的耦合關系，將是有待于進一步解決的問題。

5.2　結 論

(1) 通過對巨鹿縣2000—2015年土地利用現狀圖進行分析，發現研究區內在4個時期總體上以水域和未利用地的面積減少，耕地、林地、園地和建設用地面積增加為主要特征。其中主要地類以耕地為主，面積占比均超過65%，基本處于平衡狀態，能夠滿足耕地保護與糧食安全的基本要求；而2000—2015年由于經濟的發展以及人類對于水資源的浪費、污染、不合理使用，導致水域面積不斷呈現減少的態勢。在研究區土地利用強度整體上屬于中等發展水平，對于建設用地的開發能夠滿足當前生態、環境的發展理念，而且這4期的土地利用程度綜合指數相差不大，總體上屬于緩慢上升階段。

(2) 受土地利用轉換類型碳密度差異的影響,不同土地利用類型轉換對碳儲量的影響存在顯著的差異性。本文通過對耕地、園地、林地、草地、水域、建設用地以及未利用地這7種地類中植被碳儲量、土壤碳儲量和總碳儲量進行數據分析，可知只有園地和林地的植被碳儲量在近15 a內發生顯著變化，其余地類植被碳儲量保持穩定狀態；而土壤碳儲量的變化則集中在除耕地、園地以及建設用地以外的地類。

(3) 根據脆弱性的評估方法和區域生態系統服務對土地利用變化的脆弱性響應機理，本文以2000年為基期，評估了2005年、2010年、2015年3個時間段巨鹿縣域陸地生態系統的碳儲量對區域內土地利用變化的脆弱性。得出在2000—2005年這一時間段內，研究區內生態系統碳儲量對土地利用強度變化的脆弱性愈加嚴重，土地利用強度指數每增加一個單位，植被、土壤、總碳儲量分別減少36.66萬t，1.03萬t，37.67萬t；而在2005—2010年和2010—2015年這兩個時段內，土地利用強度指數每增加一個單位，生態系統總碳儲量分別增加1.24萬t和1.06萬t，而且不斷表現出正向的潛在影響。

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