1979—2020年杭州市富陽區土地利用對耕層土壤有機碳儲量變化的影響

邱樂豐，虞舟魯

(1.浙江財經大學 土地與城鄉發展研究院，浙江 杭州 310018； 2.浙江大學 農業遙感與信息技術研究所，浙江 杭州 310058)

近幾十年來，全球范圍內的土地利用發生了巨大變化，特別在中國等發展中國家，由于經濟發展和城市化擴展帶來的土地利用密集變化導致陸地生態系統的物理、化學和生物特性發生顯著改變[1]。其中，土地利用變化對全球大氣CO2含量增加起重要作用，其作用僅次于化石燃料的燃燒。據估算，自工業革命以來，土地利用變化引起的碳排放是人類活動碳排放總量的1/3[2]。土壤有機碳是陸地生態系統中體量最大的碳庫，對于全球碳排放作用巨大。相應地，土地利用變化對土壤有機碳庫的影響機理更加復雜，不確定因素更多，是國內外全球變化研究的熱點和難點之一[3-5]。

目前，國內外的相關研究主要分為3塊內容：1)土地利用變化對碳排放的影響。主要包括農用地內部用地類型轉變、農用地與建設用地之間相互轉變和農用地用地管理等。Houghton[6]研究認為，20世紀50—70年代間發生在中國西南和東北的森林快速砍伐行為，造成了0.2～0.5 Pg·a-1的碳排放。李穎等[7]分析了江蘇省各用地類型總量、結構的碳排放效應，發現碳源用地主要是建設用地和耕地。2)土地利用碳排放核算。相關研究主要利用聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)公布的碳排放清單方法，該方法的核算體系可以全面和綜合地評價土地利用的碳排效應[8]。如俞超等[9]和張俊峰等[10]分別運用該方法估算了2003—2010年湖北省和1996—2010年武漢都市圈的土地利用碳排放效應和發展趨勢。3)低碳土地利用結構優化。Zomer等[11]認為應該從合理調控土地利用結構的角度出發來緩解氣候變化。朱道林等[12]從中國宏觀經濟的碳排放效應角度，定性研究和探討了基于低碳經濟發展的土地利用轉型模式。上述研究存在共性：一是都體現了土地科學與生態學、經濟學等多學科的交叉視角；二是已形成以“來源測度—減排機理—技術篩選—成本收益—政策分析”為研究內容的與之匹配的研究方法的一體化框架。同時，當前研究也存在一些不足：缺乏針對地區土地利用和生態特點的個性化核算，缺乏針對具體土地利用規劃政策對土壤碳庫影響的研究等。本文以杭州市富陽區為例，探索縣(區)級尺度上土地利用變化的土壤有機碳(SOC)和植被碳(VC)庫儲量時空變化響應，并基于土地利用總體規劃對富陽未來土壤碳平衡狀況做出預測，以期為富陽的低碳土地管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域簡介

富陽位于浙江省杭州市域范圍的西南部，地理位置為119.42°—120.33°E、29.75°—30.20°N，面積1 831 km2。研究時段內，該區域行政區劃幾經調整，1994年撤縣設市，2014年撤市設區，但行政區劃范圍不變。整體地貌以“兩山夾江”為最大特征，山地、丘陵面積占區域總面積的78.61%，平原、盆地面積占16.36%，水域占5.02%。土壤類型共分為16類土屬，主要以黃泥土與紅泥土為主，2種土壤類型分別占全區總面積的39.22%和15.69%。土地利用類型多樣，自然植被以殼斗科、樟科等亞熱帶常綠林為主。傳統農業生產以種植水稻、蔬菜、茶葉、水果為主。改革開放以來，富陽的城市化和經濟發展以前所未有的速度增長，大量的農業用地轉移為其他各種土地利用類型。本文選擇1979年的土地利用數據作為研究富陽土地利用變化的基期數據[13]。

1.2 數據來源與處理

1.2.1 土地利用數據獲取

1979年富陽土地利用數據來自于對Landsat MSS遙感影像的監督分類，并使用Google Earth高清衛星影像結合目視解譯來提高準確率；2006年和2020年的土地利用數據分別來自于富陽區國土資源局提供的第二次全國土地調查成果和土地利用總體規劃(2006—2020)。根據我國土地利用現狀分類標準(GB/T 21010—2007)，本文對3期(1979、2006、2020年)富陽土地利用數據簡化概括為6種土地利用類型：建設用地、耕地、林地、園地、未利用地和水域。

1.2.2 碳密度計算

研究區耕地土壤有機碳密度[14]的計算公式為

DSOC=VSOC×r×H×(1-d2/100)×10-1，

(1)

式(1)中：DSOC(Mg·hm-2)為土壤有機碳密度；VSOC(g·kg-1)為土壤有機碳含量；H為土壤厚度，文中取20 cm；r(g·cm-3)為土壤容重；d2(%)為大于2 mm的土壤粗顆粒比率，此處忽略不計。

土壤數據于2006年3—10月與當地農業局土肥站合作在全區范圍內采集。采樣深度為20 cm，以1個取土點為中心，在5 m半徑內取5點混合而成，同時使用GPS儀記錄中心點位置。充分考慮采樣點在不同土地利用類型和土類上的分布，共獲取土壤樣品1 104個(圖1)。土壤樣品的有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定，其他常規理化性質指標參照《土壤農化分析》[15]中方法測定。有機碳含量使用有機質含量除以平均換算系數1.724得到。

植被碳密度通過參閱富陽及杭州地區相關文獻獲取，結果見表1。其中，1979年的未利用地數據缺失，建設用地不計入土壤有機碳計算，水域不計入碳總量計算。

1.2.3 分析方法

土壤有機碳(CSOC)和植被碳(CVC)儲量的計算公式分別為

(2)

圖1 采樣點分布Fig.1 Spatial distribution of soil sampling sites

表1不同土地利用類型土壤及植被碳密度

Table1Soil and vegetation carbon density of different land use types in Fuyang

(Mg·hm-2)

(3)

式(2)、(3)中：DSOC-i和DVC-i(Mg·hm-2)分別為土地利用類型i的土壤有機碳和植被碳密度；Ai(hm2)為土地利用類型i的面積。

本文所有的數據統計分析均在SPSS 10.0中完成。土地利用和土壤碳分布的空間分析在ArcGIS 10.2中完成。

2 結果與分析

2.1 1979—2006年富陽土地利用結構變化

1979—2006年，林地一直是富陽最主要的土地利用類型，其面積從1 140.7 km2降至1 133.4 km2，下降了0.6%(圖2)，耕地面積從417.8 km2急劇減少了21.1%到329.8 km2。相比之下，這一時期建設用地增幅最大，從15.8 km2猛增到157.4 km2，增加了8.96倍，而同期園地面積則從174.1 km2減至52.6 km2，大幅減少69.8%。

2.2 1979—2006年富陽土壤碳儲量變化

富陽1979和2006年的植被碳儲量估算值分別為3.68、3.41 Tg(表2)。這期間的土地利用變化導致植被碳儲量減少273.4 Gg，年均減少速度為55.61 kg·hm-2。相比之下，植樹造林工程固定植被碳總量285.7 Gg(表3)，而林地面積縮減導致442.0 Gg的植被碳損失。向耕地、未利用地和建設用地的轉變分別造成植被碳損失230.1、218.2、118.5 Gg。

圖2 1979—2020年富陽土地利用結構變化Fig.2 Land use changes in Fuyang during 1979-2020

表層土壤有機碳庫總量顯著大于植被碳儲量，1979和2006年的土壤有機碳估算值分別為8.85、8.08 Tg(表2)。這期間的土地利用變化導致土壤有機碳庫總量減少771.0 Gg，年均減少速度為156.81 kg·hm-2。建設占用林地和耕地分別造成土壤有機碳庫損失102.9、449.0 Gg，同時未利用地增加也造成土壤有機碳損失334.2 Gg，而植樹造林工程帶來了245.2 Gg的土壤有機碳存儲(表4)。

2.3 2006—2020年富陽土壤碳儲量變化預測

根據富陽土地利用總體規劃(2006—2020)，2006—2020年富陽土地利用類型結構變化不大(圖2)，至2020年預計植被碳總量和土壤有機碳總量分別為3.34 Tg和8.01 Tg(表2)。在此期間，植被碳和土壤有機碳的年均潛在損失速度分別為25.93、27.48 kg·hm-2。林地面積縮減是造成土壤碳總量下降的主要驅動力，預計2006—2020年富陽的林地總面積將減少17.6 km2(表5)，將造成植被碳和土壤有機碳分別損失49.5、97.8 Gg。與此同時，耕地面積相比2006年將增加20.1 km2，植被碳和土壤有機碳儲量因此將分別增加6.5、85.1 Gg。

表21979—2020年富陽土壤有機碳和植被碳儲量變化

Table2Variation of SOC and VC storage in Fuyang during 1979—2020

Tg

3 討論

本研究表明，1979—2006年，富陽土地利用變化導致表層土壤有機碳和植被碳分別損失771.0、273.4 Gg，損失速度分別為年均156.81、55.61 kg·hm-2。建設占用耕地和林地是導致土壤碳儲量下降的主要原因。預測到2020年，富陽土壤有機碳損失的平均速率將減至年均27.48kg·hm-2，植被碳損失的平均速率將減至年均25.93 kg·hm-2，主要原因為林地面積減少和建設用地面積繼續增長。

表31979—2006年土地利用變化導致的植被碳儲量變化

Table3Variation of VC storage according to land use changes in Fuyang between 1979 and 2006

Gg

表41979—2006年土地利用變化導致的土壤有機碳儲量變化

Table4Variation of SOC storage according to land use changes in Fuyang between 1979 and 2006 Gg

表52006—2020年富陽土地利用結構變化預測

Table5Land use changes in Fuyang between 2006 and 2020

km2

研究表明，不同土地利用類型下土壤碳庫的總儲量以及碳源/匯變化速率不同，由此導致土壤碳儲量對土地利用變化的動態響應現象[16-17]。富陽自1979年以來土地利用結構發生了巨大變化，造成了大量土壤有機碳和植被碳流失。在中國廈門[18]和美國西雅圖[19]的研究顯示，植被碳固定速率和流失速率分別為年均0.64、1.2 Mg·hm-2，中國吳江[14]和西班牙Murcia地區[20]的年均土壤有機碳固定速率和流失速率分別為6、8 kg·hm-2。相比這些研究區域，富陽的植被碳流失速率較慢，年均55.61 kg·hm-2，而土壤有機碳流失速率偏快，年均156.81 kg·hm-2。

建設用地面積變化對于土壤碳平衡至關重要。1978年以來，隨著城市化進程的快速推進，我國東部地區出現了大規模的農業用地向建設用地轉移的現象。1979—2006年，富陽的建設用地總面積由15.8 km2暴漲至157.4 km2，這些地區大片的肥沃農田和植被已越來越多地被建設用地所取代，帶來地區生態系統服務功能退化的同時，也導致土壤固碳能力的喪失。由于城市擴張所占用的土地大部分來源于耕地，而且耕地的土壤有機碳密度高于植被碳密度(表1)，因此土壤有機碳儲量損失相對植被碳更大。據研究區1979—2006年的碳平衡分布，碳儲量急劇下降的地區主要集中于富春江及其支流兩岸的沖積平原附近。這些地區由于地勢平坦、水資源豐富、交通條件便利，是富陽傳統的糧食種植地區，同時也是城鎮發展最快速的地區，大量的農田被建設用地占用，導致土壤碳儲量出現不可逆轉的損失。

森林面積變化是土壤碳儲量變化的重要驅動力。有研究顯示，由于我國在20世紀80—90年代開展了國家造林和再造林工程，我國森林的碳儲量大幅增加。然而，1979—2006年間，富陽的林地面積卻顯現出輕微減少(圖2)，有小部分林地轉化成了耕地和未利用地。由于森林的土壤有機碳密度和植被碳密度很高，即使較小的面積減少也會造成顯著的土壤碳損失。以林地向耕地轉化為例，造成碳損失量分別占土壤有機碳和植被碳總損失量的1/4和1/3，對土壤碳平衡變化的影響極其顯著。

為實現經濟和環境的可持續發展，在土地利用和管理決策過程中納入碳平衡影響評價至關重要。當下，經濟發展與生態環境保護之間的沖突已經帶來了巨大的挑戰，根據富陽土地利用總體規劃(2006—2020)，富陽下一階段的土地利用結構變化呈現出2個主要趨勢：一是耕地面積持續增加，國家主要發展政策都將嚴格保護基本農田、保障糧食生產能力和發展現代農業放在突出地位；二是城鎮化進程將進一步推進，城鎮建設用地面積將繼續增長。據此預測，至2020年富陽的土壤有機碳和植被碳儲量將保持持續流失狀態。對此問題，土地管理部門應給予高度重視，在土地管理工作中需要努力扭轉目前的土壤碳損失狀況，并進一步深入評價土地利用規劃對土壤碳平衡的影響。