LUCC影響下太原市生態系統碳儲量時空變化及預測

張楚強，向 洋，方 婷，陳媛媛，王詩媛

(西安科技大學測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054)

人類活動造成的CO2排放產生的溫室效應導致氣候變暖，可能直接威脅人類的生存與發展[1]。應對氣候變化的關鍵在于“控碳”。如何減少碳排放、提升碳儲存能力成為當今研究的熱點和難點[2]。碳循環與地表土地覆蓋密切相關，土地覆蓋類型的變化，特別是植被分布的變化能夠直接影響生態系統的碳儲量，可能會導致陸地生態系統中的碳加速進入大氣生態系統，加劇溫室效應的發生程度[3]。

人類活動往往會導致土地覆蓋類型的變化，這在一定程度會改變生態系統碳儲量的分布格局，進而影響生態系統碳儲量的改變[4]。據估算，全球平均每年的自然與人為碳排放量約為250 Pg，但是生態系統碳的總吸收量僅為230 Pg[5]。城市快速擴張經常伴隨著耕地、林地和草地的減少，對區域植被固碳釋氧能力造成了很大的影響[6]，導致大量碳密度較高的土地覆蓋轉變為碳密度較低的硬化地面，使得城市生態系統面臨嚴重的碳流失問題。傳統的生態系統碳儲量估算方法多采用土壤剖面調查[7]和樣方調查的方法計算生態系統碳儲量，但該方法工作量大、費時費力，且不能準確地反映長時間序列生態系統碳儲量變化對自然和人類活動的響應關系。隨著科學技術的發展，利用模型對區域生態系統碳儲量進行估算是當前研究的熱點。如Potter等[8]采用CASA(Carnegie-Ames-Stanford)模型首次對全球生態系統中碳循環進行了估算；由美國斯坦福大學、世界自然基金會和大自然保護協會共同開發的InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型具有需求數據少、運行速度快、可評估植被地上及地下、土壤和死亡有機質碳儲量的特點。InVEST模型的出現為生態系統碳儲量的估算提供了一種快速、直觀的方法，被廣泛應用于區域生態系統碳儲量評估[9-10]。

陸地生態系統碳儲量的時空變化及其未來發展趨勢是近年來固碳領域的研究熱點[11-12]。通過耦合土地利用變化模型與InVEST模型能夠很好地模擬估算未來區域生態系統碳儲量的分布[3,11,13]。如Hoque等[14]利用元胞-自動馬爾科夫(CA-Markov)模型與InVEST模型相結合的方法評估了人工林發展對生態系統碳儲量的影響；朱志強等[10]利用FLUS模型耦合InVEST模型的方法預測得到2018—2034年廣州市生態系統碳儲量下降120萬t；張燕等[15]運用SD_CLUE-S復合模型結合InVEST模型預測了2017—2030年汾河上游地區在兩種情景下生態系統的碳儲量。這些研究工作為推廣應用上述方法提供了良好的成功范例。

近年來，太原市城市發展迅速，土地利用/覆被變化(Land Use/Cover Chang,LUCC)顯著[16-17]。但是，對于該區域生態系統碳儲量現狀評估及未來發展變化趨勢的相關研究還不深入。為了探討城市擴張背景下土地覆蓋類型變化對生態系統碳儲量的影響，本文以太原市2000年、2010年和2020年3期土地覆蓋類型數據為基礎，利用CA-Markov模型和Logistic回歸模型并耦合InVEST模型，對太原市城市擴張對生態系統碳儲量的影響進行評估，揭示LUCC影響下太原市生態系統碳儲量的時空變化特征及其未來發展趨勢，以期為太原市未來土地利用規劃和生態系統的可持續發展提供決策依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

太原市地處黃土高原東部的汾河河谷平原，地理坐標為37°27′～38°25′N、111°30′～113°09′E(見圖1)，是我國中部地區的重要中心城市，為太原都市圈核心城市。近年來，隨著工業化和城市化水平的不斷提高，城市化率達到85%以上，該市下轄6區4縣，總面積約為6 988 km2，2020年11月常住人口達到530萬人，快速城市化使該地區土地覆蓋類型發生了較大的變化[16-17]。

圖1 研究區地理位置圖

1.2 數據來源

本研究所需的數據包括土地覆蓋類型數據和土地驅動因子數據。土地覆蓋類型數據來源于研究區2000年、2010年和2020年的Landsat系列數據(見表1)，并根據太原市實際地表覆蓋情況，將經遙感解譯得到的太原市2000年、2010年和2020年3期土地覆蓋類型數據分為耕地、林地、草地、灌木地、水體、濕地和人造地表。土地覆蓋類型變化受到人文和自然等多種因素的影響，用于預測研究區土地覆蓋類型變化的土地驅動因子數據主要有：地形數據，包括太原地區數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)和坡度；氣象數據，包括太原地區年均氣溫、降水數據；社會經濟數據，包括太原市行政區劃矢量、交通網絡、河流水系、人口密度和國內生產總值(GDP)、公里網格柵格數據，見表1。

表1 研究數據與來源

2 研究方法

2.1 InVEST模型

InVEST模型是用于評估生態系統服務功能及其經濟價值、支持生態系統管理和決策的一套模型系統，它包括陸地、淡水和海洋三類生態系統服務功能評估模型[18]。本研究利用InVEST模型中的Carbon模塊分析2000—2030年太原市生態系統碳儲量的時空分布格局。生態系統碳儲量包括植被地上部分碳儲量、植被地下部分碳儲量、土壤碳儲量和死亡有機質碳儲量。根據土地覆蓋類型分類情況，分別對不同土地覆蓋類型的平均碳密度進行計算統計，然后用各種土地覆蓋類型的面積乘以其碳密度并求和，可得出研究區的總體碳儲量。由于死亡有機質碳儲量含量非常低，一般不予考慮[19]。生態系統碳儲量的計算公式如下：

Ctotal=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(1)

式中:Ctotal為生態系統總體碳儲量(t)；Cabove為植被地上部分碳儲量(t)；Cbelow為植被地下部分碳儲量(t)；Csoil為土壤碳儲量(t)；Cdead為死亡有機質碳儲量(t)。

基于研究區各種土地覆蓋類型的碳密度和土地覆蓋類型數據，太原市內每種土地覆蓋類型的碳儲量計算公式為

Ctotali=(Cabovei+Cbelowi+Csoili+Cdeadi)×Si

(2)

式中：i為土地覆蓋類型；Ctotali為土地覆蓋類型i的總體碳儲量(t)；Cabovei為土地覆蓋類型i的植被地上部分碳密度(t/hm2)；Cbelowi為土地覆蓋類型i的植被地下部分碳密度(t/hm2)；Csoili為土地覆蓋類型i的土壤碳密度(t/hm2)；Cdeadi為土地覆蓋類型i的死亡有機質碳密度(t/hm2)；Si為土地覆蓋類型i的面積(hm2)。

InVEST模型模擬的精確性依靠于輸入合理的參數，因此選擇合適的土地覆蓋類型碳密度數據是模擬生態系統碳儲量的關鍵。其碳儲量模型將某一土地覆蓋類型的碳密度看作是一個常量，即隨著時間的推移，任何一個土地覆蓋類型不發生改變的柵格，其固碳量不會發生改變。

已有研究表明，氣候類型相同的土地覆蓋類型碳密度差異較小。因此，本研究以多個土地覆蓋類型碳密度數據集[20-22]和已發表文獻[15,23]作為參考，采用降水和氣溫因子通過公式修正本地化土地覆蓋類型碳密度數據，反演得到太原市生態系統的碳儲量[24]。具體計算公式如下：

CBP=6.798 1e0.005 41MAP

(3)

CBT=28×MAT+398

(4)

CSP=3.396 8×MAP+3 996.1

(5)

式中：MAT表示年均氣溫(℃)；MAP表示年均降水量(mm)；CBP、CBT分別為根據年均降水量和年均氣溫得到的植被碳密度(kg/m2)；CSP為根據年均降水量得到的土壤碳密度(kg/m2)。

分別將太原市和全國的年均氣溫和年均降水量代入上述公式，兩者之比為碳密度修正系數，其計算公式為

(6)

(7)

綜合得到太原市不同土地覆蓋類型的碳密度數據，見表2。

表2 太原市不同土地覆蓋類型的碳密度數據

2.2 CA-Markov模型

馬爾科夫(Markov)模型是基于馬爾科夫隨機過程而形成的一個過程理論模型，具有對土地覆蓋類型變化的預測能力。利用該模型對土地覆蓋類型變化過程進行轉換研究，可以求出1期和2期的面積轉移矩陣和面積轉移概率矩陣，并以此為基礎預測后續變化[25]。Markov模型的數學公式如下:

(8)

(9)

(10)

上式中：Sij表示太原市內土地覆蓋類型i在具體的目標時段內轉化為土地覆蓋類型j的面積轉移矩陣;Pij表示太原市內土地覆蓋類型i在具體的目標時段內轉化為土地覆蓋類型j的面積轉移概率矩陣；St、St+1為t、t+1時期土地利用狀態。

由于Markov模型中沒有充分考慮空間參數，故無法識別土地覆蓋類型的空間變異性。而元胞自動機(Cellular Automaton,CA)模型能夠通過定義局部的元胞鄰近關系，使用相對簡單的局部轉換規則，從而實現復雜系統的時空動態變化模擬。CA模型的數學公式如下：

S(t+1)=f(S(t),N)

(11)

式中:S為元胞有限、離散狀態的集合；f為局部空間的元胞轉化規則；t、t+1為兩個不同的時刻；N為元胞領域。

CA-Markov模型結合了CA模型對復雜空間動態演變的模擬能力和Markov模型長時間序列模擬預測的優勢，可在自然環境因素不發生突變、社會發展保持現有速度的條件下，從數量和空間兩個角度更加全面地對未來土地覆蓋類型變化進行模擬分析與預測。

2.3 土地利用類型動態度計算

土地利用類型動態度用來描述研究區域某一定時間范圍內土地覆蓋類型的變化情況，可反映土地覆蓋類型變化的激烈程度。土地利用類型動態度越高，土地覆蓋類型變化越激烈[26]。通過各時期土地利用類型動態度的變化來研究研究區域土地覆蓋類型的變化特征，從而為該地區生態系統碳儲量時空變化趨勢預測提供依據[27]。土地利用類型動態度的計算公式如下:

(12)

式中:K為研究區內某種土地利用類型動態度;Ua和Ub分別為研究期初和期末研究區內某種土地利用類型的面積(km2)；T為研究期的時間長度。

2.4 模型精度評價

本研究以太原市2020年實際土地覆蓋類型數據為底圖，基于太原市2000年和2010年的土地覆蓋類型數據，利用CA-Markov模型，預測得到太原市2020年土地覆蓋類型數據，再利用Crosstab工具進行模型精度驗證，即通過輸入太原市2020年實際土地覆蓋類型圖并與模型預測得到的太原市2020年土地覆蓋類型圖進行對比，以Kappa系數對模型精度進行評價。

3 研究結果與分析

3.1 2000—2020年太原市土地覆蓋類型與生態系統碳儲量變化分析

3.1.1 土地覆蓋類型變化分析

基于遙感解譯的太原市2000年、2010年和2020年3期地表覆蓋類型數據，經過CA-Markov模型分析得出太原市近20年來土地覆蓋類型面積和土地利用類型動態度變化，見表3和表4。

表3 太原市2000年、2010年和2020年3期土地覆蓋類型面積及其所占比例

由表3可知：

(1) 太原市最主要的土地覆蓋類型是耕地，其面積占太原市總面積的比例在32%以上，是研究區的優勢土地覆蓋類型；其次是林地和草地，分別占太原市總面積的27%、24%以上；再次為人造地表，占太原市總面積的5%以上；而灌木地、濕地和水體的面積較少，均不足研究區總面積的1%。

(2) 2000—2020年間太原市各種土地覆蓋類型面積都發生了不同程度的變化，其中變化幅度最大的是耕地和人造地表；除耕地外，其余土地覆蓋類型的面積均持續增加，其中人造地表面積增加最多，為351.39 km2，占太原市總面積的比例由2000年的5.3%上升到2020年的10.4%，城市擴張明顯加快。

由表4可知：

(1) 2000—2010年間太原市土地利用類型動態度較低，土地覆蓋類型變化相對平緩；2010—2020年間太原市土地利用類型動態度較高，土地覆蓋類型變化相對劇烈，表明在2010年以后，太原市耕地快速減少，城市擴張顯著加快。

(2) 過去的20年間，太原市耕地面積累計減少了637.22 km2，與2000—2010年間太原市人造地表面積增量僅為116.37 km2相比，2010—2020年太原市隨著城市擴張加快，其規模約為2000—2010年面積增量的2倍，達到235.02 km2，這表明太原市經濟飛速發展，城市化程度不斷提高。

(3) 太原市草地面積呈現出先增加后下降的趨勢，其前期的土地利用類型動態度明顯高于后期。2000—2010年間，太原市草地面積的增加主要來自于耕地轉入，受到退耕還草政策的影響，有126.60 km2面積的耕地轉入草地(見圖2)；2010—2020年間，太原市草地面積的減少主要是由于農民對宜林荒山、荒坡的承包種植，這在一定程度上促進了草地向林地的轉移。

圖2 2000—2020年太原市LUCC轉移圖

(4) 2000—2010年間太原市水體的面積變化較為明顯，面積增加了18.24 km2，幾乎達到了2000年水體面積的2倍，這主要是因為研究區西北部汾河水庫面積的增加所致。

(5) 此外，太原市濕地和灌木地面積也均在持續增加，2000—2020年間濕地和灌木地的動態度分別為25.6%和15.0%，其面積分別為2000年的6倍和4倍。

總體來看，人造地表的動態度僅次于濕地和灌木地，這表明太原市最明顯的土地覆蓋類型變化就是在城市化背景下耕地和草地等土地覆蓋類型轉變為城市用地，尤其是耕地的轉變量最大。

3.1.2 土地覆蓋類型變化的影響因素分析

利用Logistic回歸分析得到不同影響因素對太原市土地覆蓋類型空間分布的標準化Logistic回歸系數,見表5。

表5 不同影響因素對太原市土地覆蓋類型空間分布的標準化Logistic回歸系數

由表5可知：

(1) 耕地主要受自然因素(坡度和海拔)的負向影響，即坡度和高程值越大，耕地分布的可能性越小。太原市耕地主要分布于汾河兩岸的谷地上，地形較為平坦，利于農業生產。

(2) 林地和灌木地主要受海拔高度的正向影響和人口密度的負向影響，即在海拔較高的區域林地和灌木地的分布概率大，人口分布密集的地區受人類活動的影響較大，林地和灌木地的分布概率較小。太原市的林地和灌木地主要分布在東西兩側海拔較高、人口較為稀疏的山地。

(3) 影響草地覆蓋的關鍵因素為人口密度(負向)和降水(正向)，即受人類活動的影響較少且降水充足的地區草地的分布概率較高。太原市的草地主要分布在境內西部山脈和盆地的邊緣地帶。

(4) 水體主要受坡度的影響，地勢越平緩，水體的分布概率越高。太原市水體覆蓋主要是流經太原境內的汾河，覆蓋較為穩定。

(5) 濕地主要受海拔和坡度的負向影響和溫度的正向影響，主要分布于海拔較低、地勢較為平緩且溫度相對較高的地區。太原市的濕地主要分布于中部的汾河濕地公園、晉陽湖公園和西部的汾河水庫。

(6) 人造地表的分布主要受坡度、人口密度和距道路距離的影響，在地形較為平坦、人口聚集且交通便利的地區其分布概率較大。太原市的人造地表主要分布于中南部汾河兩側的河谷平原。

從太原市2000—2020年間的土地覆蓋類型變化可以看出，受地形條件的限制，主城區南部的耕地逐漸減少，轉變為人造地表，即太原市主城區主要向南部擴張。此外，太原市土地覆蓋類型的變化還受到當地保護政策的影響，如：受退耕還林保護政策的影響，太原市林地面積由2010年以前的減少趨勢，轉變為2010年后的增加趨勢,且變化強度和土地利用類型動態度均遠高于2010年之前；隨著山西省濕地保護政策的實施和晉陽湖濕地公園的建成，太原市濕地覆蓋面積呈快速增長趨勢。

Logistic回歸分析結果的擬合精度評價結果顯示：太原市耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、人造地表的ROC曲線線下面積值分別為0.940、0.956、0.900、0.962、0.965、0.970、0.979，均大于0.75，表明各種影響因素與土地覆蓋類型之間建立的回歸模型的擬合精度均滿足要求。

3.1.3 生態系統碳儲量的變化特征分析

將修正后得到的太原市土地覆蓋類型碳密度數據，并結合土地覆蓋類型數據導入InVEST模型的碳模塊下運行，經估算得到2000年、2010年、2020年太原市不同區域生態系統的碳儲量數據，見圖3。

圖3 2000年、2010年和2020年太原市不同區域生態系統的碳儲量

由圖3可知：

(1) 2010—2020年間，太原市陽曲縣和古交市由于土地面積較大，所以生態系統的碳儲量也相對最高，生態系統的碳儲量平均值為3 070.76×104t和2 227.00×104t;而清徐縣生態系統的碳儲量最低，生態系統的碳儲量平均值僅為810.27×104t，這可能是由于該地區土地面積較小且被大量碳密度較低的地類覆蓋所致。

(2) 太原市主城區生態系統的碳儲量變化最大，在2000—2020年間生態系統的碳儲量持續減少，累計減少了175.39×104t，減幅為9.6%，并受人類活動的影響，該區域大量的耕地轉變為人造地表，導致該區域生態系統的碳儲量不斷降低；古交市2000—2010年間生態系統的碳儲量增加了1.42×104t，但至2020年又減少了6.70×104t，生態系統的碳儲量總體保持穩定；婁煩縣、清徐縣和陽曲縣在這個時期生態系統的碳儲量均持續減少，20年間分別減少了37.21×104t、31.09×104t和4.12×104t。

(3) 當碳密度值較高的林地和草地轉變為碳密度較低的其他土地覆蓋類型時，會導致區域整體生態系統碳儲量的下降。2010年以后，太原市城市建設顯著加快，進入了一個新的高峰，隨著主城區南部的晉陽湖片區和龍城新區的開發與發展，2010—2020年間生態系統的碳流失顯著加快，碳流失量達到156.33×104t，占該地區碳總流失量的61%以上。這是由于該時期太原市經濟飛速發展，城鎮化速度加快，對于土地開發的需求較為強烈所致。

3.1.4 生態系統碳儲量的空間變化特征分析

從太原市生態系統碳儲量的空間分布來看，該地區生態系統碳儲量的空間分布具有明顯的空間異質性特征。圖4為2000年、2010年和2020年太原市生態系統碳儲量的空間分布情況。

由圖4可知：高碳儲量地區主要分布在太原市主城區西部的山區，該區域海拔較高、坡度較大，擁有很高的森林覆蓋面積，植被覆蓋率較高；碳儲量較低的地區主要分布在太原市中部的汾河谷地，該區域海拔較低、地形較為平緩，城市化水平較高，被大量農田覆蓋，受人類活動的影響較大，生態系統碳儲量長期維持在較低水平。

圖4 太原市2000年、2010年和2020年生態系統碳儲量的空間分布圖

圖5為2000—2010年和2010—2020年太原市生態系統碳儲量的空間分布變化。

圖5 2000—2020年太原市生態系統碳儲量的空間變化分布

由圖5可知：

(1) 從太原市生態系統碳儲量的空間變化特征來看，變化的區域主要在主城區四周和西部的山區。2000—2010年間，太原市生態系統碳儲量顯著下降的區域分布在小店區、晉源區、萬柏林區、尖草坪區、杏花嶺區和迎澤區，主要集中在主城區范圍內，這一時期城市擴張較慢，主要沿主城區向四周發展，靠近市中心附近區域生態系統的碳儲量明顯減少。

(2) 2010年以后太原市城市擴張加劇，大量的耕地轉變為人造地表，區域生態系統碳儲量減少加快。受城市南擴的影響，太原市生態系統碳儲量大面積下降的區域主要是晉源區、小店區和迎澤區，城市中心區域附近也有零星減少，如萬柏林區、尖草坪區和杏花嶺區，而太原市西部區域的古交市生態系統碳儲量較為穩定，這是由于該區域覆蓋有大量的森林資源，且地勢陡峭、海拔較高，城鎮擴張能力較弱；此外，得益于“退耕還林”政策的實施，太原市陽曲縣西部的生態系統碳儲量也呈現大范圍的增加。總體上看，太原市生態系統碳儲量有明顯的減少，2010年以后的下降幅度高于前期。

3.2 太原市未來土地利用格局與生態系統碳儲量變化預測

3.2.1 2030年土地利用格局預測

對2020年太原市實際土地覆蓋類型圖與CA-Markov模型預測得到的2020年太原市土地覆蓋類型圖進行模型精度檢驗，得到的Kappa系數為0.864 5，表明模型模擬效果較好。利用通過驗證的CA-Markov模型對2030年太原市各種土地覆蓋類型的土地利用格局進行了預測，得到2030年太原市各種土地覆蓋類型的面積分別為：耕地1 834.36 km2、林地2 199.54 km2、草地1 821.17 km2、灌木地19.81 km2、濕地14.30 km2、水體 52.62 km2、人造地表959.68 km2，并繪制2030年太原市土地覆蓋類型分布圖，見圖6。

通過將2030年與2000—2020年太原市土地覆蓋類型分布圖進行對比可知：2030年太原市土地利用類型分布格局與前一時期基本保持一致(見圖6)。其中，除耕地和草地面積繼續呈減少趨勢外(面積分別下降378.18 km2和15.53 km2，土地利用類型動態度分別為-1.71%和-0.09%)，其余土地覆蓋類型面積均有所增加。由于太原市城市的快速發展，導致人造地表的面積從2020年的715.35 km2增加到2030年的959.68 km2，面積增加了244.32 km2，土地利用類型動態度為3.42%。此外，2030年太原市林地、灌木地、濕地和水體面積較2020年分別增加了121.98 km2、8.28 km2、4.64 km2和4.48 km2，土地利用類型動態度分別為0.59%、7.18%、4.81%和3.80%。林地、灌木地、濕地和水體等土地覆蓋類型面積的增加，可以有效減緩太原市由于城市擴張導致的區域生態系統碳儲量的減少。

圖6 2000—2030年太原市土地覆蓋類型分布圖

3.2.2 2020—2030年生態系統碳儲量的時空分布特征分析

分析未來太原市城市擴張對生態系統碳儲量變化的影響，可以反映在自然發展條件下太原市未來生態系統碳儲量時空分布的變化。未來太原市城市南部的小店區、晉源區和城市北部的杏花嶺區、尖草坪區內人造地表的擴張能力仍然較強，城市擴張明顯，已建成區的斑塊會逐漸連接成一個整體，而城市外圍區域的耕地在未來有很大的可能性會轉化為人造地表，形成更大的斑塊，導致未來太原市區域生態系統碳儲量進一步下降。預測結果表明2020—2030年太原市生態系統碳儲量仍會繼續降低(2030年生態系統的碳儲量為9448.29×104t)，預計生態系統碳儲量將會減少187.25×104t，降幅為1.94%，年均生態系統碳儲量減少18.73×104t。然而2000—2010年和2010—2020年間，太原市生態系統碳儲量的年均減少僅為9.79×104t和15.63×104t，表明隨著社會經濟的飛速發展，城市的加速擴張，太原市整體生態系統碳儲量的減少會逐漸加快。圖7顯示出太原市生態系統碳儲量的減少主要發生在主城區。到2030年太原市主城區生態系統的碳儲量為1 505.21×104t，減少了152.33×104t，主要減少的區域在小店區和晉源區的交界處，但由于主城區的東西兩側受制于地形因素，城鎮建設較為緩慢，因此碳流失較為緩慢。此外，太原市其他區域生態系統的碳儲量也有不同程度的變化，特別是西部和東北部區域，由于林地等碳密度較高地類的增加，導致生態系統碳儲量均有所增加。具體來看，太原市西部的古交市和婁煩縣內被大片的森林所覆蓋，擁有豐富的林地、草地以及多種多樣的生物資源，對于平衡主城區由于人類活動導致的土地覆蓋類型變化造成的碳流失和平衡整個太原地區的生態系統，以及減緩生態系統碳儲量的下降具有重要作用。

圖7 2000—2030年太原市土地覆蓋類型與生態系統碳儲量變化圖

3.3 討論

綜上分析可知，主城區快速擴張造成的土地覆蓋類型變化(主要是耕地面積的持續下降)，是太原市生態系統碳儲量減少的主要原因。因此，太原市未來應通過城鄉人造地表復墾復綠、不斷恢復濕地、興建生態公園、建立保護區、控制城市擴張速度等措施，促進人造地表向林地和草地轉變，減緩生態系統碳儲量的減少。

LUCC與生態系統碳儲量有關，碳存儲被認為是最復雜的問題，LUCC對生態系統會產生復雜的影響。本研究以中國典型城市太原市為例，利用太原市2000年、2010年及2020年3期土地覆蓋類型數據，分析了太原市全域范圍內近20年間土地覆蓋類型變化以及由土地覆蓋類型碳密度變化引起的生態系統碳儲量變化。雖然模擬中存在一些不確定性，但研究結果較好地反映出2000—2020年間太原市土地覆蓋類型變化與生態系統碳儲量變化的關系，可以在一定程度上為區域未來土地規劃提供參考。為此，本文對未來的研究，提出如下建議：

(1) 本研究對太原市生態系統的地類劃分，受限于使用的遙感數據分辨率，僅劃分為耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體和人造地表。在今后的研究工作中，在獲取更高精度的遙感數據后，可對林地、灌木地按優勢樹種，對農田按作物類型進一步細化，并確定細化類型的各部分碳密度，更準確地運用模型估算生態系統的碳儲量。

(2) 現有的碳庫參數數據是通過采用降水和氣溫因子通過公式修正本地化土地覆蓋類型碳密度數據反演得到的，但是實際上土地覆蓋類型碳密度會隨著時間發生改變。在今后的工作中，應采用實地調研和預測模型相結合的方法，提高生態系統碳儲量的估算精度。

4 結論與建議

本文結合多種影響因子，利用CA-Markov模型和Logistic回歸模型并耦合InVEST模型定量評估了太原市過去與未來時期生態系統的碳儲量，明確了土地利用/覆蓋變化(LUCC)對區域生態系統碳儲量的潛在影響，可為太原市未來的土地利用規劃和生態可持續發展提供決策依據，得到的主要結論如下:

(1) 2000—2020年間，太原市生態系統碳儲量累計減少254.18×104t，降幅為2.6%，主城區面積的快速擴張是導致太原市生態系統碳儲量下降的主要原因。研究時段內太原市土地覆蓋類型變化的特征主要表現為耕地面積持續減少和人造地表面積的增加。

(2) 太原市生態系統碳儲量空間分布具有明顯的空間異質性特征，總體表現為高碳儲量主要分布在西部山區，碳儲量較低的地區主要分布在中部的汾河谷地。這是由于太原市西部山區海拔較高、坡度較大，森林覆蓋面積大，生態環境較好，是生態系統碳儲量的主要分布位置；中南部地區城市化水平較高，受人類活動的影響較大，是城市擴張的主要方向，生態系統碳儲量相對較低。

(3) 在自然環境因素不發生突變、社會發展保持現有速度的條件下，2030年太原市人造地表的面積將會進一步擴張，擴張重心朝向南部的晉源區和小店區。預計未來太原市生態系統的碳儲量仍會繼續降低，生態系統碳儲量減少的區域主要位于太原市主城區南部和北部附近，與城市擴張的方向相同。未來隨著太原市碳流失的加劇，將會對城市生態系統穩定造成較大的威脅，應引起關注。