滇桂黔石漠化片區生態系統碳儲量時空演變及其驅動因子

許進龍, 盧新海, 黃天能, 溫 雪, 覃 云

(1.華中師范大學 公共管理學院, 武漢 430079; 2.廣西財經學院海上絲綢之路與廣西區域發展研究院, 南寧 530007; 3.廣西財經學院 經濟與貿易學院, 南寧 530007)

當前,由于CO2大量排放、溫室氣體猛增所引發的全球氣候問題已嚴重威脅全人類命運。在此背景下,2020年我國提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和”的重大戰略決策。陸地生態系統(森林、草地和濕地等)通過吸收大氣中的CO2等溫室氣體來調節區域氣候,其碳儲量的提高能夠有效減少大氣中CO2含量[1],是緩解溫室效應、減緩全球氣候變化、實現區域碳中和目標的有效方式之一。受自然地理和人類活動影響,石漠化地區土地過度開墾開發,植被稀疏,生態環境問題嚴峻,是陸地生態系統碳循環的薄弱部分[2]。

近年來,隨著全球溫室效應日益嚴峻,我國學者逐漸關注陸地生態系統碳儲量問題,并主要圍繞以下三方面開展了一系列研究:一是土地利用變化對陸地生態系統碳儲量的影響機制研究。認為不同的土地利用類型其碳密度之間存在明顯差異,土地利用類型之間的轉化會引起植被、土壤等一系列變化,造成區域碳密度的增加或減少,最終導致區域生態系統碳儲量波動[3-5];二是生態系統碳儲量的時空演變分析。研究尺度涵蓋流域、省域、市域和城市群等各類空間單元[6-8]。受自然環境、社會經濟等各方面影響,各地區土地利用時空格局不同,因此生態系統碳儲量空間分布差異較大且碳儲量演變趨勢增減不一,帶有明顯的地域特征[9-11];三是生態系統碳儲量的驅動因子探索。探索方法包括地理加權回歸、主成分分析、線性回歸等,并可將驅動因子歸納為自然地理因子和社會經濟因子兩大類,自然地理因子包括降水量、氣溫等,社會經濟因子包括GDP、城鎮化率等[12-14]。

滇桂黔石漠化片區地跨珠江、長江兩大流域,是珠江、長江流域重要生態功能區,同時集民族地區、革命老區和邊境地區于一體,自然條件惡劣、生態環境脆弱。2012年,國務院扶貧辦、國家發展改革委聯合發布《滇桂黔石漠化片區區域發展與扶貧攻堅規劃(2011—2020年)》,提出“扎實推進石漠化綜合整治,建設長江流域重要水源涵養區,構筑珠江流域重要生態安全屏障”,2021年《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》再次強調“科學推進石漠化綜合治理,完善生態安全屏障體系”。當前,生態系統碳儲量的研究已取得豐碩成果,但仍有以下兩方面值得深化和探討:一是研究區域實證方面,較少關注特殊生態脆弱區——滇桂黔石漠化片區。滇桂黔石漠化片區生態區位重要但生態系統脆弱,是西南地區生態系統碳循環的薄弱部分。但目前鮮有學者針對滇桂黔石漠化片區碳儲量展開研究,不利于提升區域生態系統碳儲量;二是驅動因子探索方面,側重于單一層面的自然環境因子或社會經濟因子,未能將兩者同時納入分析框架,且研究方法以主成分分析、線性回歸等為主,較少考慮驅動因子的時空差異以及多因子交互影響,不利于準確剖析碳儲量變化的深層次原因。

鑒于此,本研究將從以下兩方面進行深化和拓展,這也是本研究可能存在的創新點:(1) 研究區域上,聚焦當前研究中較少關注的特殊生態功能區和環境脆弱區——滇桂黔石漠化片區,進一步豐富生態系統碳儲量的研究材料,拓展生態系統碳儲量研究成果的運用范圍;(2) 碳儲量驅動因子的探索方法上,將自然環境因子和社會經濟因子同時納入探索框架,利用地理探測器分析單因子以及交互因子對生態系統碳儲量的空間分異驅動作用。以期為科學評估滇桂黔石漠化片區生態治理效果、優化土地利用格局、提高生態系統碳儲量、提升生態系統碳匯能力等提供理論參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

滇桂黔石漠化片區包括云南、廣西、貴州三省區的15個地市(市),91個縣(區),地跨珠江、長江兩大流域,國土總面積為22.8萬km2,地形地貌以高原山地為主,碳酸鹽類巖石廣布,是世界上喀斯特地貌發育最典型的地區之一。氣候類型主要為亞熱帶濕潤季風氣候,年均降水量880～1 991 mm。

滇桂黔石漠化片區生態區位和地理位置特殊,地跨珠江、長江兩大流域,屬國家重點生態功能區,南與越南接壤,少數民族眾多,有83個民族自治地方縣(區)(圖1)。但同時,該片區社會經濟發展落后,脫貧攻堅時期有67個國家扶貧開發工作重點縣,自然環境脆弱,土層淺薄,可利用土地資源匱乏,且人口數量龐大,2020年總人口3 581萬人,人地矛盾突出,過度開墾、過度樵采等不合理的人類活動對片區生態系統造成巨大破壞,導致片區土地利用結構失衡、水土流失嚴重、石漠化問題嚴峻,有80個縣屬于國家石漠化綜合治理重點縣。因此,探究該片區生態系統碳儲量的時空演變特征及其空間分異驅動因子,對于改善區域生態系統碳循環、牢筑生態珠江—長江上游安全屏障、加強人地系統協調、推動區域可持續發展、穩固邊疆安寧、促進各民族共同繁榮等,均具有十分重要和特殊的意義。

1.2 數據來源

行政區劃界線來源于《滇桂黔石漠化片區區域發展與扶貧攻堅規劃(2011—2020年)》;1990年、2000年、2010年、2018年土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心,空間分辨率為30 m×30 m,并根據中國科學院土地利用分類體系及研究區特點等,將滇桂黔石漠化片區土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地六大一級地類;高程數據來源于地理空間數據云平臺(http:∥www. gscloud. cn),坡度、坡向數據則基于高程數據通過ArcMap中的Slope和Aspect工具計算得到;與高速公路、縣城中心以及鐵路的距離,原始數據來源于國家基礎地理信息系統,并通過ArcMap中的歐式距離工具計算得到。同時,為保證研究數據的權威性、準確性及統計口徑的一致性,社會經濟數據來源于《中國縣域統計年鑒》以及各省市統計年鑒,個別缺失值采用線性插值法補齊。

2 研究方法

2.1 土地利用動態測度

本研究借助ArcGIS 10.8軟件,運用土地利用轉移矩陣探究滇桂黔石漠化片區各地類之間的面積轉移情況,其公式為:

(1)

式中:Fij為研究期內土地利用類型i轉換為土地利用類型j的面積;n為土地利用類型的數量。

2.2 生態系統碳儲量計算

本研究運用InVEST模型計算滇桂黔石漠化片區生態系統碳儲量,其公式為:

Ci=Ci-above+Ci-below+Ci-soil+Ci-dead

(2)

Ci-total=Ci×Ai

(3)

式中:Ci表示地類i的總碳密度;Ci-above,Ci-below,Ci-soil和Ci-dead分別表示地類i的地上生物碳密度、地下生物碳密度、土壤碳密度和死亡有機質碳密度;Ai表示地類i的面積;Ci-total表示地類i的總碳儲量。

處于同一氣候帶的地類其碳密度差異較小[10],故本研究參考借鑒相關學者研究成果,遵循以下原則獲取碳密度數據[15-16]:優先使用前人對滇桂黔石漠化片區不同地類碳密度的實地測量數據;若實地測量數據不全,則使用滇桂黔石漠化片區不同地類碳密度的文獻整理匯總數據;若實測數據以及文獻整理匯總數據均缺失的情況下,則采用全國數據并基于陳光水等學者提出的生物量碳密度和土壤碳密度與氣溫、降水量的關系模型進行修正[17]。若同一區域出現不同值,則取其平均數。根據以上優先次序原則最終得出滇桂黔石漠化片區各地類碳密度(表1)。此外,本研究還與由徐麗等[18]創建的《2010s中國陸地生態系統碳密度數據集》進行驗證,結果表明本研究中滇桂黔石漠化片區各地類碳密度值均在其范圍之內,片區各地類碳密度數據基本符合區域實情。

2.3 驅動因子探索

本研究運用地理探測器中的單因子探測和交互因子探測,揭示滇桂黔石漠化片區生態系統碳儲量時空演變背后的驅動力,其公式為:

(4)

表2 滇桂黔石漠化片區生態系統碳儲量空間分異驅動因子Table 2 The driving factors of spatial differentiation of carbon storage of ecosystem in Yunnan Guangxi Guizhou Rocky Desertification Area

3 結果與分析

3.1 滇桂黔石漠化片區土地利用變化分析

由表3可得出,從土地利用面積變化率看,1990—2018年,變動率較大的地類依次為建設用地、水域以及石漠化裸巖石質地為主的未利用地,建設用地和水域面積分別增加116.38%和76.40%,未利用地減少47.45%,耕地、林地和草地總面積變化率均在2%之內。表明滇桂黔石漠化片區城市建設蓬勃發展,石漠化治理效果良好。近年來,國家高度重視片區社會經濟發展,頒布了《滇桂黔石漠化片區區域發展與扶貧攻堅規劃》等系列規劃,水利部和國家林業局牽頭組建了由30多個中央部委參加的片區部際聯席會議制度,從資金、重大項目、用地保障、產業扶貧等多方面扶持片區脫貧攻堅,滇桂黔石漠化片區社會經濟得到快速發展,2018年人均GDP提高至26 505元,平均城鎮化率提升至42.09%,分別是1990年的51.47倍和3.87倍,隨之而來的是建設用地需求急速增加,城市規模迅速擴大;針對片區水資源匱乏等問題,水利部制定實施了《全國水利扶貧規劃滇桂黔石漠化片區水利扶貧實施方案》,通過加強水源涵養、加快水利設施建設等一系列措施,切實解決了片區用水、飲水問題,水土保持工程成效顯著,水域面積持續擴大;片區堅持脫貧攻堅與石漠化治理同步推進,先后頒布《巖溶地區石漠化綜合治理規劃大綱》《巖溶地區石漠化綜合治理工程“十三五”建設規劃》等專項規劃,因地制宜在石漠化片區推廣種植火龍果、刺梨、金銀花等經濟作物,將生態脆弱劣勢轉化為經濟發展優勢,探索出了生態效益與經濟效益相統一的多種石漠化治理模式,以石漠化裸巖石質地為主的未利用地面積,由1990年的22 112.73 hm2減少至11 620.08 hm2,減少幅度高達47.45%。

表3 1990-2018年滇桂黔石漠化片區土地利用轉移矩陣Table 3 The land use transfer matrix in the rocky desertification area of Yunnan Guangxi Guizhou from 1990 to 2018 hm2

從土地利用面積凈增減量看,研究期內,凈面積減少量最大的地類為耕地、其次為林地,再次為未利用地。雖然耕地面積變化率僅為-1.90%,但減少面積高達86 842.35 hm2,減少部分主要轉化為林地。受退耕還林政策影響,滇桂黔石漠化片區在坡度較高、地力貧瘠、不宜耕作的耕地大范圍實施退耕還林政策,也有部分原因是片區水熱條件優越,適合種植苗木、速生桉等經濟林,受經濟利益驅動,該區域大量耕地被轉用為經濟林地;林地面積變化率僅為-0.59%,但減少面積高達83 542.14 hm2,減少部分主要轉化為耕地和草地。部分林地被開墾成耕地,或者經砍伐后退化成草地;以石漠化裸巖石質地為主的未利用地面積變化率為-47.45%,減少面積為10 492.65 hm2。減少部分主要轉化為林地和草地。同時,減少的耕地和林地也是主要轉化為其他生態用地,再次證明片區石漠化治理效果良好。

值得注意的是,減少的建設用地中,高達50.01%的比例轉化為耕地,原因可能是滇桂黔石漠化片區作為脫貧攻堅戰的重要戰場,受生態環境惡劣影響,易地扶貧搬遷、生態移民搬遷等工程較多,大量農村低效舊宅基地被復墾成耕地。凈面積增加量最大的地類為建設用地和水域,分別增加了116 623.89 hm2,68 286.33 hm2,進一步佐證了片區城市建設蓬勃發展,建設用地快速擴張,石漠化治理效果良好,水土保持效果顯著,水域面積逐年增加。

3.2 滇桂黔石漠化片區生態系統碳儲量時空演變分析

從時間尺度上看,由表4可得出,1990—2018年,滇桂黔石漠化片區生態系統碳儲量呈波動下降趨勢,1990年生態系統碳儲量為30.77億t,2000年降至30.71億t,2010年升至30.78億t,達到研究期內最高值,但2018年再次下降,并降至研究期內最低值30.61億t,較1990年減少了0.52%,表明雖然片區石漠化治理成效良好,但生態系統碳儲量并未得到有效提高。主要原因包括以下兩方面:首先,固碳能力較高的林地和耕地兩大地類總面積均呈減少態勢。林地和耕地作為六大地類中碳密度最高和次高的地類,其碳密度分別高達157.79 t/hm2,114.66 t/hm2,固碳能力均較高,對區域生態系統碳儲量具有較大影響。但研究期內,林地和耕地面積分別減少了83 542.14 hm2,86 842.35 hm2,由此導致片區碳儲量減少了0.23億t。耕地和林地面積的雙雙減少削弱了片區吸收CO2的能力;其次,總面積呈增加態勢的建設用地和水域,其固碳能力均較低。研究期內,建設用地和水域面積大幅增加,增加幅度分別高達116.38%和76.40%,但同時,建設用地和水域在六大地類中碳密度分別為最低和第三低,僅為28.89 t/hm2,66.88 t/hm2,建設用地和水域面積的增加,僅給片區碳儲量帶來了0.08億t的增量,遠遠低于林地和耕地面積減少造成的碳儲量損失。尤其是建設用地面積增加幅度最大,增加了116 623.89 hm2,而這部分增加的面積主要來源于耕地和林地,建設用地擴張對耕地和林地的侵占造成的碳儲量減少應引起足夠重視。2000—2018年,土壤碳儲量對于整個片區碳儲量的貢獻率均保持在57%以上水平,生物碳儲量歷年貢獻率也均保持在39%以上水平,土壤和生物的固碳效應對于區域碳儲量具有重要作用,未來滇桂黔石漠化片區應繼續有序推進水土保持工作,促進片區植被恢復,增加物種多樣性。

表4 1990-2018年滇桂黔石漠化片區生態系統碳儲量Table 4 The carbon storage of ecosystem in rocky desertification area of Yunnan, Guangxi and Guizhou from 1990 to 2018 億t

從空間尺度來看(圖2),1990—2018年期間,滇桂黔石漠化片區生態系統碳儲量空間分異相對穩定,總體維持西南較高、南部次之、北部較低的空間分異特征,整體依次對應云南片區、廣西片區以及貴州片區,內部差異較為明顯。云南高度重視石漠化治理和生態植被恢復,先后制定出臺《云南省巖溶地區石漠化綜合治理工程“十三五”建設規劃》等文件政策,通過采取封山育林、荒山造林、坡改梯等措施進行生態綜合治理,創造了著名的“六子登科”世界石漠化治理經驗。石漠化面積大幅減少,植被恢復迅速,森林覆蓋率由“十一五”末的31%提高到2018年的48.87%,森林面積的大幅增長,有效提高了生態系統碳儲量;近年來,廣西出臺實施了《石漠化綜合治理工程工作方案》等指導性文件,從制度供給和資金支持等方面保障石漠化治理的投入,全區范圍內積極推廣石漠化治理林業建設,并建立了100多個治理示范點,據全國第二次、三次石漠化監測結果,監測期內廣西石漠化面積減少38.72萬hm2,減少率為20.2%;貴州石漠化治理力度雖然也逐年加大,石漠化治理效果也日益顯現,但生態系統碳儲量整體水平在三大片區中始終處于末位水平,原因主要有以下兩方面:一是石漠化治理效果穩定性較差。貴州省石漠化程度深,在治理過程中恢復的植被以灌木草為主,生態穩定性較差,研究期內以石漠化裸巖石質地為主的未利用地減少33.10%,遠低于47.45%的片區平均水平;二是固碳能力較強的耕地和林地被大量侵占用作城市建設。貴州省作為欠發達地區,近年來社會經濟快速發展,“十三五”期間,地區生產總值年均增長8.5%,高于全國同期水平2.8個百分點,建設用地需求強盛,旅游、交通、市政等建設用地快速增加。研究期內貴州石漠化片區建設用地增加了67 295.7 hm2,增加率為311.05%,遠高于116.38%的片區平均水平,而這部分增加的建設用地主要來自于耕地和林地,導致生態系統碳儲量損失量遠高于補充量。

圖2 1990-2018年滇桂黔石漠化片區生態系統碳儲量時空分布Fig. 2 Temporal and spatial distribution of carbon storage in the rocky desertification area of Yunnan, Guangxi and Guizhou from 1990 to 2018

3.3 滇桂黔石漠化片區生態系統碳儲量驅動因子分析

由表5看出,滇桂黔石漠化片區生態系統碳儲量的空間分布差異受自然地理要素和社會經濟要素共同作用。從單因子看,研究期內,歷年影響力排行前5的因子略有不同,但“距離縣中心”始終是影響力最強的因子,q值始終維持在0.72左右,其次為“人口密度”和“年均氣溫”,q值始終維持在0.30左右,表明社會經濟要素始終占主導地位,尤其是人類活動強度具有巨大影響力。縣城是人類活動極度頻繁的區域,對自然地貌和植被干擾強烈,土地類型以建設用地為主,其固碳能力較低,同時,人口密度越高,人類活動越劇烈,對建設用地的需求越強烈,對生態系統的干預就越強,植被也更容易受破壞,故“距離縣中心”和“人口密度”這兩個因子,始終是影響片區生態系統碳儲量空間分布的主要因子?！皻鉁亍笔怯绊懙峁鹎瑓^植被恢復和生長的主要自然地理因子,這與已有的研究文獻相吻合[25]。

表5 1990-2018年滇桂黔石漠化片區生態系統碳儲量主要驅動因子Table 5 The main driving factors of carbon storage of ecosystem in rocky desertification area of Yunnan, Guangxi and Guizhou from 1990 to 2018

從交互探測的結果來看,自然地理要素和社會經濟要素兩兩交互后對生態系統服務價值空間分異的影響力表現為雙因子增強型,交互后驅動因子的q值均明顯大于單因子,表明研究區域生態系統碳儲量空間分異是不同驅動因子交互作用的結果,而非單一因子決定。歷年影響力排行前5的交互因子略有不同,但“距離縣中心∩高程”始終是影響力最強的交互因子,其q值始終維持在0.87,滇桂黔石漠化片區主要位于云貴高原,屬典型的高原山地構造地形,平原主要分布于低海拔的河谷地帶,因此,人類活動最為強烈、對自然生態環境干擾最為劇烈的地區,集中在平原地帶的城市區域。同時,海拔的變化也會造成植被分布類型的差異從而影響碳儲量波動。另外,“距離縣中心∩年均氣溫”始終出現在影響力排行前5的交互因子中,表明社會經濟要素與自然要素之間交互作用影響,大于自然要素與社會經濟要素的內部交互作用。值得注意的是,所有具備較強影響力的交互因子中均存在“距離縣中心”驅動因子,再次證明人類活動是滇桂黔石漠化片區石漠化問題的最主要原因,對片區生態系統碳儲量的空間分異具有巨大影響力[26],而以石漠化裸巖石質地為主的未利用地以及建設用地,分別是碳密度最低和次低的兩種地類,不利于系統碳儲量的提高。

4 研究結論與政策啟示

本研究以特殊生態脆弱區——滇桂黔石漠化片區為研究區域,綜合運用土地利用轉移矩陣、InVEST模型和地理探測器等方法,探究生態系統碳儲量時空演變特征及其空間分異驅動因子,得出如下結論:(1) 研究期內,滇桂黔石漠化片區城市建設發展較快,建設用地面積2018年較1990年增加116.38%;水域面積大幅增加,2018年較1990年增加76.40 %;以石漠化裸巖石質地為主的未利用地面積則減少了47.45%并主要轉化為林地和草地,石漠化治理取得良好成效。(2) 滇桂黔石漠化片區生態系統碳儲量呈波動下降趨勢,2018年降至30.61億t,較1990年減少了0.52%。研究區生態系統碳儲量空間分布差異明顯,總體維持西南部的云南片區較高、南部的廣西片區次之、北部的貴州片區較低的空間分異特征;(3) 滇桂黔石漠化片區生態系統碳儲量空間分布差異受自然地理要素和社會經濟要素共同作用,人類活動影響最為關鍵。單因子探測中,“距離縣中心”始終是影響力最強的因子,其次為“人口密度”和“年均氣溫”;交互因子探測中,“距離縣中心∩高程”始終是影響力最強的交互因子,“距離縣中心∩年均氣溫”亦始終位列影響力排行前5,同時,所有具備較強影響力的交互因子中均存在“距離縣中心”因子。

基于本研究的結論以及所發現的問題,可得出如下政策啟示:(1) 加大林地保護力度。將滇桂黔石漠化片區連片林地劃入生態公益林,實施林地用途管制和定額管控,嚴禁商業性采伐,探索建立“滇桂黔石漠化片區林草碳匯發展專項基金”,鼓勵引導各類主體參與片區碳匯造林。同時,將海綿城市、森林城市建設納入片區城鎮化發展規劃,在城市建設中提高公園綠地面積,提高城市碳儲量水平;(2) 提高耕地保護能力。在片區全面推廣實施全域土地綜合整治,增加耕地面積、改善現有耕地利用條件。同時,擴大耕地休耕試點,充分利用滇桂黔石漠化片區部際、省際聯席會議,研究編制《滇桂黔石漠化片區耕地休耕行動方案》;(3) 嚴格控制耕地、林地轉為建設用地。嚴格把控農用地轉用的申請條件,城市建設確需占用耕地、林地,應對占用耕地、林地的必要性、合理性進行全面論證。同時警惕農村居民點建設占用耕地,加快推進村莊規劃或控制性詳細規劃編制工作,清晰界定村莊擴張邊界,防止村莊無序擴張占用耕地。同時,積極盤活存量建設用地,加快城市低效用地改造、廢棄礦場礦坑復墾、加速易地扶貧搬遷舊宅基地復綠等工作;(4) 繼續減少人類活動對片區自然生態系統的干擾,通過新型城鎮化、勞務輸出、生態移民等方式,減輕重點生態保護區的人口壓力。同時進一步優化農村能源結構,積極推廣沼氣、太陽能、電力和液化氣,降低薪柴能源比重,減少對林草植被的破壞。