土地利用/覆被特征的碳匯生態(tài)價值時空演變研究
——以江蘇省濱海地區(qū)為例

夏正清，周軼塵，劉嘉鑫，陳睿敏

(1.貴州第一測繪院，貴州 貴陽 550025；2.南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

0 引 言

土地利用/覆被對維持陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能起著決定性的作用[1-2]。土地利用變化是人類對陸地自然生態(tài)系統(tǒng)的最大影響因素之一，是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)最直接的影響因子，對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)有著重要的影響，既可能成為碳源，也可能成為碳匯[3-4]。

碳匯生態(tài)價值是區(qū)域社會經(jīng)濟-自然資源可持續(xù)利用的重要保障。郝翠等通過評估天津濱海濕地的碳儲量，指出土壤黏粒和pH值是影響土壤有機碳的主要因子[5]。張緒良等通過開展黃河三角洲植被碳儲量和固碳能力研究，發(fā)現(xiàn)稻田生態(tài)系統(tǒng)的平均固碳能力低于當(dāng)?shù)刂脖坏钠骄烫寄芰6]。許振等通過解譯遙感影像探究了不同時期的鹽城濱海濕地地上植被碳儲量變化[7]。

本文通過構(gòu)建江蘇濱海地區(qū)2000-2015年土地利用/覆被數(shù)據(jù)集，研究不同土地利用/覆被類型的變化對碳匯的影響。以土地利用/覆被時空演變?yōu)轵?qū)動，利用InVEST-Carbon模型來估算研究區(qū)的碳匯量，分析不同時期碳匯的時空變化規(guī)律，有效地彌補了傳統(tǒng)技術(shù)單點調(diào)查與監(jiān)測的不足，提高了區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能評估的效率和準(zhǔn)確性，為江蘇省濱海地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護、土地規(guī)劃提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)和決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

江蘇濱海地區(qū)北起贛榆縣秀針河口，南抵啟東縣長江口北岸，西至海堤公路向陸20 km處，東至黃海之濱，經(jīng)緯度范圍為31°41′N～35°07′N、119°06′E～121°56′E，海岸線長達954 km，總面積約9 150 km2。研究區(qū)屬于沖積平原區(qū)，地跨徐懷平原、沿海平原、沿江平原和里下河平原，海岸類型主要分為三類，即粉砂淤泥質(zhì)海岸、砂質(zhì)海岸和基巖海岸。受海洋性、大陸性氣候雙重影響，研究區(qū)海洋性季風(fēng)氣候特征明顯。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育豐富，地處長江、淮河、沂沭泗河流域下游，河流眾多，河網(wǎng)發(fā)達。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

土地利用/覆被數(shù)據(jù)是開展區(qū)域碳匯生態(tài)價值評估研究的重要橋梁。本文從國家科技基礎(chǔ)條件平臺——國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺獲取了2000年和2010年江蘇沿海1∶10萬土地利用/覆被數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)采用國家級土地利用與分類系統(tǒng)，反映了江蘇省濱海地區(qū)土地利用的特點、合理程度和地域分布規(guī)律，包含耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6個一級類、25個二級類型。

為實現(xiàn)江蘇濱海地區(qū)土地利用/覆被信息提取，本文從地理空間數(shù)據(jù)云選擇、獲取了8景2015年Landsat8 OLI遙感數(shù)據(jù)，通過對該數(shù)據(jù)進行基于FLAASH模型的大氣校正、基于二次多項式的幾何配準(zhǔn)和基于最大似然法的影像分類等相關(guān)處理，最終提取研究區(qū)2015年土地利用/覆被信息，提取精度達到86.3%。

本文中所使用的矢量數(shù)據(jù)來自于中國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)，該數(shù)據(jù)采用1∶100萬標(biāo)準(zhǔn)圖幅，內(nèi)容含行政區(qū)(面)、行政境界點(領(lǐng)海基點)、行政境界(線)、水系(點、線、面)、公路、鐵路(點、線)、居民地(點、面)、居民地地名(注記點)、自然地名(注記點)等12類要素層。通過圖幅拼接處理，本文提取出江蘇省濱海地區(qū)的行政界線、居民地地名、自然地名等信息，為后續(xù)數(shù)據(jù)疊置處理與分析提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 研究方法

InVEST(The Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)模型是由美國斯坦福大學(xué)、世界自然基金會和大自然保護協(xié)會聯(lián)合開發(fā)的基于GIS應(yīng)用平臺的用于評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的模型系統(tǒng)。該模型采用分級設(shè)計，即0級模型、1級模型、2級模型和3級模型，可根據(jù)需求場景來選擇不同等級模型，定量化地估算不同土地利用類型情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能物質(zhì)量和價值量的變化，將自然資本可視化，使經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護有機結(jié)合，為決策和規(guī)劃部門判斷人類活動對土地利用中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值影響提供科學(xué)依據(jù)，以實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展，達到人與自然共同獲益的雙贏結(jié)果[7]。

碳儲量模塊是InVEST模型的重要組成部分，它以土地利用為評估單元，將生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量(Ctot)劃分為四個基本碳庫，即地上生物量、地下生物量、枯葉物碳和沉積物碳，同時結(jié)合碳的社會價值或市場經(jīng)濟價值，對比分析不同時期、不同場景的碳儲量的時空變化，反映區(qū)域土地利用/覆被變化所引起的碳匯能力的演化規(guī)律，從而有效地規(guī)避生態(tài)系統(tǒng)的破壞，實現(xiàn)保護生態(tài)系統(tǒng)的目的[8]?？傮w計算方法為：

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(1)

式(1)中，地上碳庫Cabove表示地表以上所有活植被碳儲量，地下碳庫Cbelow表示植物活的根系系統(tǒng)的碳儲量，土壤碳庫Csoil表示土壤有機碳和礦質(zhì)有機碳，死的有機物碳庫Cdead表示枯立木、凋落物和倒木中的碳儲量。

(1)碳儲存

模型通過計算每一個土地類型單元中的碳儲量來計算總碳儲量[8-9]。設(shè)任意時間t，儲存在柵格單元中的碳儲蓄量為Cxt，即按噸計算CO2當(dāng)量，等于任意時間t每個碳庫的柵格單元中碳儲量的總和，即：

(2)

式(2)中：Axjt表示柵格單元x在時間t的植被覆蓋面積j，j=1，2，…，J代表濱海地區(qū)所有的生境類型。d表示生境j的沉積深度。Caj、Cbj、Csj、Clj分別表示生境j地上、地下、土壤和凋落物各個碳庫每公頃儲存的二氧化碳當(dāng)量[10-12]。

(2)碳積累

模型將在土壤經(jīng)過一年時間的分解作用情況下，以有機體形式貯存的碳積累量作為碳保留速率。在時間t內(nèi)每一個土地類型單元x中的碳積累量為ACCxt，等于與時間t內(nèi)土壤沉積物中碳積累率與每個柵格單元x對應(yīng)的生境類型j中的碳積累量的乘積[10-12]。

(3)

式(3)中，ACCxt表示時間t內(nèi)每個柵格單元x中的碳累積量，Axjt表示時間t內(nèi)每個柵格單元x中植被j面積，ACCxjt表示時間t內(nèi)每個柵格單元在每種生境類型下的碳積累量[10-12]。

(3)生境干擾后的碳損失和碳排放

模型將生物量和土壤碳庫分別作為碳流失。首先，估算生物量的碳損失，主要取決于生境影響類型、干擾程度、以及植被類型。其次，估算土壤碳庫的碳損失，主要取決于干擾的影響程度以及受干擾的土壤深度[10-12]。生境干擾后的碳排放量可表示為：

(4)

式(4)中：b表示生物量碳排放百分比；d表示受干擾的土層深度[10-12]。

(4)生態(tài)價值評估

碳固定凈現(xiàn)值可表示為[10-12]：

(5)

式(5)中：T表示從現(xiàn)在到生境變化結(jié)束之間的年分?jǐn)?shù)；Pt表示時間t每噸碳的價格；Ct,x表示時間t像素x內(nèi)的碳儲量；d表示貼現(xiàn)率[10-12]。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)土地利用/覆被變化時空演變

江蘇濱海地區(qū)土地利用類型主要為耕地，耕地面積維持在1×105km2，水域和建設(shè)用地面積相當(dāng)，面積維持在1.6×104km2，其次是草地、林地和未利用土地，草地面積維持在1.2×104km2，林地面積相對較少，主要維持在2.1×103km2,未利用土地面積相對較少。從總體上來看，整個江蘇沿海土地利用類型變化主要發(fā)生在兩個地區(qū)，一是位于江蘇東北部的連云港市沿海處，二是鹽城市的大豐市和東臺市沿海處(圖1和表1)。

圖1 2000-2015年江蘇省濱海地區(qū)土地利用/覆被圖

2000-2015年，江蘇省濱海地區(qū)草地面積變化較大，尤其是在2000-2010年草地面積減少較多，建設(shè)用地面積呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢，速率相對較緩，耕地呈現(xiàn)先減少后增長的趨勢(表1)。

表1 2000-2015年江蘇濱海地區(qū)土地利用/覆被狀況 m2

3.2 研究區(qū)碳匯生態(tài)價值評估及時空演變分析

在開展碳匯服務(wù)價值評估時，因為InVEST模型中所使用的土地利用類型代碼采用IPCC的分類標(biāo)準(zhǔn)，所以本文中所使用和基于遙感信息提取的土地利用/覆被類型經(jīng)過代碼轉(zhuǎn)換，應(yīng)用于江蘇省濱海地區(qū)碳匯的估算(表2)。

表2 土地利用類型代碼轉(zhuǎn)換表

從圖2中可看出，2000年濱海濕地碳匯能力最強，2000-2010年濱海地區(qū)碳匯能力減弱，從2010-2015年濱海地區(qū)碳匯儲量未發(fā)生明顯變化；2000-2010年，林地面積向耕地面積的轉(zhuǎn)換，碳匯儲量減少，中部地區(qū)整體碳匯儲量降低，生態(tài)價值降低；2010-2015年，建設(shè)用地向耕地面積的轉(zhuǎn)換下，碳匯儲量整體變化不大，生態(tài)價值總量趨于穩(wěn)定。

圖2 2000-2015年碳儲量時空演變分布圖

疊置統(tǒng)計分析表明，江蘇濱海地區(qū)整體碳匯值呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢。2000-2010年，碳值減少1 059.02萬噸；2010-2015年，碳值減少6 491.44萬噸。

4 結(jié) 語

本文基于土地利用數(shù)據(jù)和Landsat8 OLI遙感數(shù)據(jù)提取了江蘇濱海地區(qū)2000-2015年土地利用/覆被數(shù)據(jù)集，基于InVEST模型完成研究區(qū)碳匯量的估算，揭示了該地區(qū)碳匯儲量的時空演變規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)2000-2010年，研究區(qū)土地利用類型變化是林地、草地向耕地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)變。林地、草地面積持續(xù)減少，耕地、建設(shè)用地面積呈增長趨勢。2010-2015年，草地向建設(shè)用地、水域轉(zhuǎn)變。

(2)江蘇濱海地區(qū)土地利用類型變化區(qū)域主要集中在北部和中部。研究區(qū)北部草地呈現(xiàn)出由外向內(nèi)被耕地包圍的狀態(tài)，中部沿海地帶呈現(xiàn)草地向海岸帶縮減。耕地替代草地向海岸帶擴張趨勢，建設(shè)用地、耕地的增加建立在減少林地，草地面積的基礎(chǔ)之上。

(3)林地、草地是研究區(qū)碳匯的主要土地類型。林地碳匯能力較強，草地碳匯能力次之，但隨著林地面積的較少，總體碳匯量減少。2000-2015年，江蘇省濱海地區(qū)碳匯量減少近7000萬噸，尤其是位于研究區(qū)北部和中部的地區(qū)，受城建建設(shè)等人類活動的影響，碳匯量明顯減弱。