基于GIS的巢湖流域碳儲量時空變化研究

陳翼翔

摘要：為了客觀地了解巢湖流域的碳儲量情況，本文應(yīng)用InVEST模型對該流域的2000年、2005年、2010年碳儲量進(jìn)行了探討研究，并從時間和空間上對巢湖流域固碳狀況進(jìn)行了評估分析。研究結(jié)果表明：（1）巢湖流域2000年、2005年、2010年碳存儲總量分別為3.91×107t，3.03×107t和3.86×107t，平均碳密度分別為2.42 Kg/m2，1.78 Kg/m2，2.38 Kg/m2；（2）合肥市在三年中的碳存儲量最低，廬江縣、無為縣以及巢湖市的碳儲量較高；（3）耕地在三年中的碳儲量最高，闊葉林的碳存儲能力較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：碳儲量；巢湖流域；GIS；InVEST模型

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）05-0176-03

Abstract：In order to know the carbon storage in Chaohu basin objectively， this article researched the carbon storage in 2000、2005、2010 based on InVEST model， and analyzed the ability of carbon sequestration in terms of time and space. The results showed that：（1） the total carbon storage volume of Chaohu basin in 2000、2005、2010 are 3.91×107t、3.03×107t 、3.86×107t， and the average carbon density are 2.42 Kg/m2、1.78 Kg/m2、2.38 Kg/m2； （2） the lowest carbon storage of these three years is Hefei， the carbon storage of Lujiang、Wuwei and Chaohu are higher than others；（3） the highest carbon storage is farmland both in three years. Broad-leaved forest has the higher ability of carbon storage.

Key words： carbon stocks； chaohu lake basin；GIS； InVEST model

20世紀(jì)以來，溫室效應(yīng)和氣候異常成為影響人類生存的主要環(huán)境問題之一。而陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量變化是全球碳循環(huán)研究的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確地估算陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量成為各科學(xué)家研究的重點。隨著3S技術(shù)的不斷發(fā)展，碳存儲研究也得到較快發(fā)展。其中以特定生態(tài)系統(tǒng)地上部分碳庫碳儲存量及密度的評估較多[1]，如，黃從德等[2]基于實測數(shù)據(jù)和區(qū)域生物量-蓄積量回歸模型計算了四川省森林植被的碳儲量，許興旺等[3]研究了安徽省不同類型土壤的有機(jī)碳密度和碳庫。但是，以柵格為單元的多個碳庫儲存功能的綜合評估還較少。而本研究所使用的InVEST模型結(jié)合研究區(qū)四大碳庫的碳存儲，并且采用空間分布式數(shù)據(jù)輸入輸出，可以有效的進(jìn)行空間特征分析。

本文研究區(qū)為巢湖流域，對于這一地區(qū)的碳儲量研究較少，目前安徽省碳儲量研究主要集中在皖江城市帶、江淮流域[4-5]，因此對于該區(qū)域的碳儲量定量研究，有利于決策者了解現(xiàn)狀，同時也是在巢湖流域基于柵格評估單元進(jìn)行碳儲量計算的一種有益嘗試。

1 研究區(qū)概況

巢湖流域位于安徽省中部，地理坐標(biāo)為北緯30°58'40"11—32°06'00"，東經(jīng)116°24'30"—118°00'00"，處在長江、淮河兩大水系之間。行政流域總面積為16177km2，包括合肥市、肥西縣、肥東縣、舒城縣、巢湖市、含山縣、無為縣、和縣和和廬江縣9個縣（市），其行政區(qū)劃圖如下。流域地貌類型復(fù)雜，植被多為人工林、次生林以及種植農(nóng)作物，氣候溫和濕潤。多年平均降雨量為1100mm，年平均氣溫為15—16℃。

2 研究方法與數(shù)據(jù)需求

2.1 研究方法

InVEST模型全稱為Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs，是由美國斯坦福大學(xué)、世界自然基金會和大自然保護(hù)協(xié)會基于GIS應(yīng)用平臺聯(lián)合開發(fā)的用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估的模型。本研究主要利用InVEST模型中的碳模塊，在碳模塊中，生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量的大小取決于四大碳庫的規(guī)模：即地上生物質(zhì)固碳庫、地下生物質(zhì)固碳庫、土壤有機(jī)質(zhì)固碳庫和死亡有機(jī)質(zhì)固碳庫。而該模型也進(jìn)行了一系列假設(shè)，如不考慮從一種碳庫轉(zhuǎn)移到另一種碳庫的碳等。因此，其計算原理可以大致簡化為：

[Ctotal=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead]

其中[Ctotal]為研究區(qū)總碳儲量；[Cabove]為研究區(qū)地上部分碳儲量；[Cbelow]為研究區(qū)地下部分碳儲量；[Csoil]為研究區(qū)土壤有機(jī)碳儲量；[Cdead]為研究區(qū)死亡有機(jī)碳儲量。

模型還設(shè)計了第五碳庫，該碳庫主要涉及木材收獲的輪伐期、木材產(chǎn)品衰減率等。由于這些數(shù)據(jù)獲取困難，故本研究不考率第五碳庫對固碳總量的影響。

2.2 數(shù)據(jù)需求

模型驅(qū)動所需要的數(shù)據(jù)主要有當(dāng)前及未來的土地利用圖、相關(guān)土地利用類型碳密度表，以及每噸固碳的價格、市場貼現(xiàn)率等。

1）土地利用圖。本研究獲取了巢湖流域2000、2005以及2010年三期TM影像，進(jìn)行監(jiān)督分類得到三年的土地利用圖，將研究區(qū)域劃分為園地、城市綠地、居住地、工礦、河流、沼澤、湖泊、耕地、草地、裸地、針葉林、針闊混交林、闊葉林、闊葉灌木林14種土地利用類型，如下圖2所示，其中（a）、（b）、（c）分別為巢湖流域2000、2005、2010年土地利用分布圖。

然后再對其進(jìn)行重分類。最后，按照模型的數(shù)據(jù)要求，將重分類后的土地利用分別轉(zhuǎn)為柵格格式。

2）碳密度表。根據(jù)程先富[6]、周玉榮[7]方精云[8]等人的研究結(jié)果，本文綜合選取了各土地利用類型的碳密度，具體碳密度值選定表見表1，單位為Kg/m2.。

3 結(jié)果與分析

在ArcGIS中加載InVEST模型的碳儲量模塊，輸入各參數(shù)，運行模型得到巢湖流域三期碳存儲總量以及碳儲量空間分布圖，如圖3所示，其中（a）、（b）、（c）分別為巢湖流域2000、2005、 2010年碳儲量空間分布圖。

3.1 不同時期巢湖流域碳儲量空間分布格局分析

由圖3可以看出，2000年、2005年、2010年的碳儲量空間分布變化不大。碳密度高值區(qū)位于和縣、含山縣、巢湖市和舒城縣。碳密度低值區(qū)位于流域的中部、北部和西北部，幾個主要典型的低值區(qū)主要包括合肥市、肥東縣、肥西縣。

利用ArcGIS柵格計算工具，得到2000-2005、2005-2010、2000-2010年碳儲量變化圖層，如圖4所示，其中（a）、（b）、（c）分別為巢湖流域2000-2005、2005-2010、2000-2010年碳儲量變化圖。2000-2005年期間，2005年碳儲量減少8884160t，變化最大的區(qū)域主要集中在合肥市、肥東縣、肥西縣，無為縣、和縣、含山縣碳儲量減小幅度較大。2005-2010年，2010年增長了8349430t。合肥市的碳儲量減少明顯，巢湖市、無為縣、含山縣的碳儲量均有所增加。2000-2010年，整體水平大致相同，變化明顯的地區(qū)仍然集中在合肥市、肥東縣、肥西縣。

3.2 不同時期巢湖流域碳儲量數(shù)量分析

運行模型，得到巢湖流域2000，2005，2010年碳存儲總量分別為3.91×107t，3.03×107t和3.86×107t，平均碳密度分別為2.42 Kg/m2，1.78 Kg/m2，2.38 Kg/m2。整體的變化趨勢是2000-2005年呈下降趨勢，2010年又有所回升，但2005、2010年均低于2000年。2000-2005年，由于城鎮(zhèn)用地和農(nóng)村用地的擴(kuò)張，對耕地及林地的占用增加，故該期間巢湖流域整體的碳存儲水平呈下降趨勢。2005-2010年又有所回升主要是由于2005年之后，政府對自然生態(tài)保護(hù)力度加大，退耕還林，致使林地面積增長，故使得碳存儲總量又有所上升。

利用ArcGIS空間分析中的分區(qū)統(tǒng)計得到巢湖流域三期各縣市的碳儲量及平均碳密度，如表2所示。由表可知，無為縣、廬江縣、巢湖市的碳存儲能力較強(qiáng)，而合肥市的碳儲能力在三期時間段中均為最差，這主要由于近年來合肥市建設(shè)用地、工礦等非林地面積的增加，而這些用地的碳存儲能力較弱，導(dǎo)致合肥市整體的碳存儲總量下滑。從平均碳密度來看，同樣先下降，再上升。由此可見，含山縣、舒城縣、巢湖市相對于其他縣市生態(tài)保護(hù)較好，而合肥市的平均碳密度在三期時間段中是最低，這與合肥市總體的碳儲水平也是相一致的。

按照土地利用類型進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計，得到巢湖流域三期各土地利用類型的碳儲量，見表3。由于三期時間段中巢湖流域的土地利用以耕地為主，所占面積比例分別為69.03%、67.12%、65.1%，所占比例較大，故00、05、10年耕地的儲碳量均是最高。其次是闊葉林，闊葉林面積占巢湖流域總面積9.63%，但碳儲量卻占總量的15%，由此可以看出森林在生態(tài)系統(tǒng)碳存儲和管理中占有重要的地位。因此，有必要貫徹退耕還林的政策，多植樹造林。此外，流域內(nèi)耕地面積大，應(yīng)該提升耕地的碳存儲能力，推行農(nóng)業(yè)免耕方式，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，禁止秸稈燃燒，提高秸稈綜合利用率和還田[1]。

4 結(jié)論與討論

（1）巢湖流域2000年、2005年、2010年的碳存儲總量分別為3.91×107t，3.03×107t和3.86×107t，平均碳密度分別為2.42 Kg/m2，1.78 Kg/m2，2.38 Kg/m2。碳儲量總體的分布格局是東多西少，南多北少。2000年到2010年的變化趨勢是先下將后上升。

（2）從各縣市的碳儲量來看，合肥市在2000、2005、2010年三期時間段中均為最差。相反，廬江縣、無為縣、巢湖市均處于前列。從各縣市的平均碳密度來看，2000年與2010年各縣市的平均碳密度變化不大，2005年的平均碳密度相對較小。其中合肥市最小，含山縣、和縣、舒城縣、巢湖市相對較高。

（3）從各土地利用類型的碳儲量來看，耕地在三期時間段的碳儲量均最高。其次是闊葉林。因此有必要加強(qiáng)退耕還林政策，提升耕地碳存儲能力。

由于中國沒有美國那樣標(biāo)準(zhǔn)的木材經(jīng)營方式，并且木材產(chǎn)品衰減率等數(shù)據(jù)也無法獲取，因此并未評估第五碳庫碳儲量，

即木材產(chǎn)品或林副產(chǎn)品儲碳量。此外，巢湖流域三期土地利用的分類精度以及分類的詳細(xì)程度、各土地利用碳密度的選取都對碳評估結(jié)果的準(zhǔn)確度也有一定影響。下一步可以研究基于不同土地利用情景下的碳存儲大小的變化，以及結(jié)合水源涵養(yǎng)、土壤保持等其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行綜合評估。

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