基于GIS和InVEST模型的日照市固碳能力研究

叢文翠, 孫小銀,2

(1.曲阜師范大學 地理與旅游學院， 山東 日照 276800；2.南四湖濕地生態與環境保護省高校重點實驗室， 山東 日照 276800)

以CO2為代表的溫室氣體排放所導致的溫室效應以及氣候變暖已經引起了全球范圍內的廣泛關注。據李國棟等[1]、吳海斌等[2]研究顯示，陸地生態系統與大氣交換的CO2對人類生存環境的質量有十分重要的影響。在這一交換過程中，生態系統的固碳功能將大氣中的CO2固定在植被以及土壤之中，從很大程度上降低了CO2的濃度，提高了陸地生態系統的碳儲量。目前，國內學者對碳儲量的研究多以單個碳庫為研究對象[3-7]，根據生物量法、蓄積量法計算碳密度，以柵格為單元的多個碳庫固碳能力的研究相對較少。隨著生態系統服務功能評估研究的不斷發展，將GIS與InVEST模型相結合的方法為研究區域固碳能力提供了新思路，成為生態服務研究的熱點。與生態系統規劃相結合的固碳研究可作為解決全球氣候變化問題的橋梁。國外學者如Moon等[8], Ahmad等[9]通過GIS對選定區域進行碳循環監測，達到優化生態系統服務功能的目的；Gupta等[10], Polasky等[11]通過InVEST模型研究區域內土地利用變化以及模擬未來情景下的生態系統固碳能力。在中國，基于GIS和InVEST模型的固碳功能研究在濱海濕地[12]、海岸帶[13-16]、太湖[17]、巢湖[18]、白龍江流域[19]、三江源等地區得到了成功應用。

自20世紀以來，日照市土地利用方式以及植被覆蓋度發生顯著變化，陸地生態系統的固碳功能受到很大程度的影響。日照市作為山東半島藍色經濟區的重要組成部分，具有優越的地理位置以及豐富的自然資源，但對這一區域碳儲量變化的相關研究相對較少。本研究擬利用GIS和InVEST模型綜合研究日照市4大碳庫(地上生物量、地下生物量、死亡有機質生物量、土壤生物量)的碳儲量，旨在于實現對區域碳儲量時空變化的動態監測和空間分析，提高對日照市生態系統服務功能的認知，從而制定更加合理的土地利用規劃方案，最終實現區域的可持續發展。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區域概況

日照市位于山東省東南部，地理位置為東經118°，北緯35°04′—36°04′。東臨黃海，海岸線全長168.5 km，西接臨沂市，南與江蘇省連云港市毗鄰，北與青島市、濰坊市接壤。南北長約82 km，東西寬約90 km，總面積 5 358.57 km2，轄東港區、嵐山區、莒縣、五蓮縣2區2縣。日照市屬魯東丘陵，中部高四周低，全市河流分屬沭河水系、濰河水系和東南沿海水系，無天然湖泊，共有水庫595座，總庫容1.30×109m3。植被以針、闊葉林、灌叢林為主，全市森林覆蓋率達35.2%，建成區綠化率達42.45%。地處暖溫帶濕潤季風區，大陸性氣候，年平均降水量768.7 mm，年平均氣溫12.7 ℃。

1.2 InVEST模型

InVEST (integrated valuation of environment service and tradeoffs )是斯坦福大學自然資本項目組研發，具有很強的實用性的生態系統評估模型軟件，用于幫助管理者和研究者做出關于自然資源管理的決定[20]。包括生境質量、環境風險評估、海洋水質以及碳儲量和固碳等模塊。本研究應用InVEST中的carbon storage and sequestration模塊進行固碳能力的研究。陸地生態系統中的碳儲量主要取決于4個碳庫：地上生物量碳庫，地下生物量碳庫，土壤碳庫和死亡有機碳庫。此外，模型還涉及第5類碳庫，即HWP (harvested wood products)，因數據來源不足，獲取困難，所以不考慮第5類碳庫對固碳能力的影響。本研究從遙感影像數據中提取土地利用信息，結合碳密度數據輸入InVEST模型，得到不同時期碳儲量數據結果，從而對日照市碳儲量分布情況進行分析，計算方法如下：

C=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(1)

式中：C——總碳儲量(kg/m2);Cabove——地上部分碳儲量(kg/m2);Cbelow——地下部分碳儲量(kg/m2);Csoil——土壤碳儲量(kg/m2);Cdead——死亡有機質碳儲量(kg/m2)。

1.3 數據來源

本研究所需要數據主要有基礎地理數據中的行政邊界數據，當前土地利用覆蓋圖、碳密度表等等。

1.3.1 土地利用圖 土地利用數據來源于中科院資源環境數據中心(http:∥www.resdc.edu/)比例尺1∶10萬。經過掩膜提取得到日照市1995,2000,2005,2010,2015這5期的土地利用圖，將研究區域土地利用類型重分類為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用土地6類，按照運行InVEST模型所需要的數據，將重分類后的土地利用/覆蓋圖分別轉為柵格格式。

1.3.2 碳密度表 地上部分碳密度和土壤碳密度主要根據張德全等[21]、方精云等[22]和代杰瑞等[23]對山東省不同地類的碳儲量的研究結果結合研究區土地利用類型統計得出；地下部分碳密度根據周玉榮、方精云等的研究，選取山東省地上部分生物量數據，采用生物量轉換因子法，綜合計算出日照市各土地利用類型的地下部分碳密度，計算公式如下：

Cbelow=a×b×DWi

(2)

式中：Cbelow——地下部分碳密度(kg/m2)；a——轉換系數；b——地下地上生物量比值； DWi——地上生物量。其中地下生物量根據地上生物量和地上地下生物量比值計算得出，根據代杰瑞等[23]、黃玫等[24]的研究，耕地、水域、建設用地以及未利用地的地下地上生物量比值取0.1；林地主要類型為針闊葉混交林，根據樸世龍等[25]、方精云等[26]的研究，林地地下地上生物量的比值取0.4，草地地下地上生物量的比值取4.1。

死亡有機碳密度數據獲取相對困難，在本研究中不予考慮；綜合選取日照市各土地利用類型的碳密度，得出日照市各土地利用類型碳密度(見表1)。

表1 日照市不同土地利用類型碳密度統計kg/m2

2 結果與分析

2.1 1995-2015年土地利用變化

1995—2015年日照市土地利用類型以耕地和林地為主。西北、東南區域集中分布耕地；日照市中部地區東北—西南走向的條帶狀區域為地勢較高的丘陵地區，林地和草地廣布。建設用地主要分布于東部沿海地區，與中心城市的分布高度一致；日照市水體零星分布，主要包括沭河、傅疃河兩大河流。

表2為日照市各土地利用類型面積變化，結果表明1995—2015年，耕地、草地面積有所下降，而林地、水域、建設用地以及未利用地面積增加。耕地為日照市主要土地利用類型，所占比例從69.3%減少到67.6%。耕地的減少主要是轉化為城市建設用地、林地以及草地。研究時段內，受城市建設用地擴張的影響，有197.85 km2的耕地被占用；林地、草地面積僅次于耕地，共占區域總面積的比例約為19%。林地面積的增加與退耕還林政策有關，在1995年至2015年間，有147.18 km2的耕地轉化為林地；在1995—2015年，由于人口開始增長，約有130.54 km2的草地轉化為耕地發展農業，所占比例從7.2%減少到6.7%；水域面積在1995—2015年逐漸擴大，主要接受來自耕地的轉化；未利用土地面積略增，轉換不明顯，有利于平衡農用耕地以及其他土地利用類型之間的矛盾；水域、未利用土地兩者面積僅占0.03%；自2000年起，由于城鎮化進程加快，日照市建設用地面積明顯增加，所占比例從9%增加到9.5%。

表2 日照市1995-2015年土地利用轉移矩陣 km2

2.2 不同時期碳儲量空間分布特征

基于日照市1995—2015年土地利用數據、碳密度表運行InVEST-Carbon Storge and Sequestration模型，將模型結果加載到ArcMAP中進行分析得到日照市碳儲量空間分布圖及儲碳總量(如圖1所示)。

由圖1可以看出，1995,2000,2005,2010,2015年日照市碳儲量的空間分布變化不大。碳儲量高值區出現在日照市西北、東南地區，該地區大面積分布耕地，土壤以棕壤、潮土為主，土壤肥沃，有機質豐富，地下部分碳密度、土壤碳密度高，故儲碳量高，單位土地面積碳儲量達1 574 t/km2；中部、西南部地區碳儲量呈現次高值，該地區分布有林地、草地，二者單位土地面積碳儲量分別達1 222和765 t/km2，高于或接近碳密度中等水平950 t/km2，這是因為日照市五蓮、莒縣區域分布有一定面積的森林。

此外，兩地有沭河濕地、傅疃河濕地，生物量豐富，地上、地下部分含碳量高，固碳能力強。碳儲量的低值區出現在東部沿海城市建設用地、五蓮縣周圍裸地區域，單位土地面積碳儲量平均為463 t/km2。

圖1 日照市1995，2000，2005，2010，2015年碳儲量空間分布

2.3 不同時期碳儲量數量分析

2.3.1 日照市總固碳量 根據計算可得，1995，2000，2005，2010，2015年總碳儲量分別為6.976×106,6.978×106,6.957×106,6.987×106,7.015×106t。日照市從1995—2000年累計固碳2 000 t，顯示這5 a內日照市固碳潛力呈上升趨勢；2000—2005年減少固碳量2.10×104t，表明這5 a內固碳潛力明顯下降；2005—2010年增加固碳量約為3×104t，2010—2015年固碳量增加2.80×104t。20 a間固碳量凈增加3.9×104t，固碳速率下降緩慢甚至開始增加，固碳能力趨于穩定。

2.3.2 不同土地利用類型碳儲量的時間變化 運行InVEST模型得到日照市1995—2015年碳儲量，按照土地利用類型進行分區統計如表3所示。

表3 日照市1995-2015年不同土地利用類型碳儲量 104 t

如表3所示，1995—2015年日照市耕地碳儲量呈持續下降態勢，累計減少固碳量達到1.21×105t。其中，2000—2005年固碳量下降速率明顯高于其他3個時間段。5 a內，耕地面積減少了146.87 km2，固碳量下降了6.80×104t，可見，耕地固碳量的下降與其面積的減少表現一致，與退耕還林還草政策的實施有關；林地儲碳量在1995—2015年間略有上升，累計固碳量呈不斷上升的趨勢。研究時段內林地碳儲量變化情況與其面積逐漸增加后保持不變的變化情況基本一致；草地的碳儲量在1995—2015年間呈小幅度下降后逐漸穩定的趨勢，與草地面積輕微下降呈現大致相同的趨勢，減少的草地面積主要用作補充耕地以及林地；日照市水域碳儲量呈現先增加后減少再增加的態勢，研究期末段相比初期碳儲量整體呈現增加趨勢，但是增加的幅度有所下降；建設用地的碳儲量呈現不斷上升的趨勢，但是上升速率在1995—2000年間較緩，與日照市城市建設剛剛起步有很大關系。由于城市化進程加快，建設用地面積在2000—2005年間上升迅速，隨后趨于穩定，與碳儲量變化基本一致；未利用土地碳儲量在20 a間呈現穩定中略上升的趨勢，累計固碳量1 000 t，與未利用土地面積小幅度增加的趨勢基本一致。未利用地是一地區的后備資源，能夠有效解決建設用地以及耕地的利用矛盾。

3 結論與討論

(1) 1995—2015年日照市土地利用空間格局未發生明顯變化，而土地利用類型的面積發生了較為明顯的變化。日照市西北、東南大面積分布耕地，中部主要為林地、草地以及水域，東部分布建設用地、未利用土地。土地利用類型所占比例：耕地>林地>建設用地>草地>水域>未利用土地，總變化趨勢表現為耕地、草地面積的減少以及林地、水域、建設用地、未利用土地面積的增加。受退耕還林政策的影響，耕地、林地及草地3種土地利用類型之間相互制約；由于2000年以來日照市城鎮化的迅速發展，水域以及建設用地面積明顯增加。

(2) 1995—2015年間，日照市累計固碳3.90×104t，總碳儲量分別為697.6×106，6.978×106，6.957×106，6.987×106，7.015×106t，碳儲量呈現增加趨勢。研究區固碳能力有了一定的提升，2005—2015年固碳潛力迅速上升。不同土地利用類型的碳儲量和固碳能力呈現較大差異。耕地、草地碳儲量逐年減少；林地碳儲量不斷上升，后一階段上升速率明顯高于前一階段；水域碳儲量呈現先增加后減少再增加的態勢，研究時段末期比初期整體呈現增加趨勢；建設用地和未利用土地碳儲量皆保持穩定上升的趨勢。

(3) 各土地利用類型的固碳總量從大到小依次為：耕地>林地>建設用地>草地>水域>未利用土地，與各土地利用類型的碳密度以及分布面積呈現較大的一致性。面積較大且碳密度較高的耕地、林地、建設用地固碳能力較強；而面積較小且碳密度較低的水域以及未利用土地固碳能力相對較弱，但仍有較大固碳潛力，應對其進行充分開發。

陸地生態系統的固碳能力與土地利用變化格局有很強的聯系性，因此，定量評價土地利用變化對碳儲量的影響，對研究全球氣候變化和陸地碳循環具有重要意義。從研究結果來看，日照市耕地、林地等土地利用類型有較強的固碳能力，未來可以通過InVEST模型對日照市土地利用的不同情境進行模擬，從而為決策者提供更加科學合理的土地規劃方案，實現生態文明的可持續發展。