陜北黃土高原退耕還林還草工程固碳效應研究

摘要 以陜北黃土高原為研究區(qū)，利用InVEST固碳功能評價模塊，定量評價了退耕還林還草工程背景下土地利用/覆被變化對研究區(qū)碳固定效益的影響。結(jié)果表明：研究區(qū)2000—2010年草地、灌叢、林地面積分別增加了3 204.0、 285.3和122.7 km2，耕地面積減少了3 984.5 km2，退耕還林還草工程土地覆被變化顯著。研究區(qū)10年間碳固定能力整體提升，其中，延安市境內(nèi)各流域平均固碳增加量為3.3 t/hm2，固碳總增加量為13.3×106 t，榆林市境內(nèi)各流域平均固碳增加量為4.0 t/hm2，固碳總增加量為14.5×106 t，退耕還林還草工程固碳效益顯著。耕地、草地、荒漠向林地的轉(zhuǎn)化固碳效益最大，其單位面積固碳增量達100 t/hm2以上，耕地向林灌草的轉(zhuǎn)變使研究區(qū)固碳總量增加達3 405.77×104 t，其中73.37%的總固碳量比重來自耕地向草地的轉(zhuǎn)化。通過生態(tài)系統(tǒng)碳固定重要性分級和空間分區(qū)為退耕還林還草工程的科學實施、維持區(qū)域碳平衡和碳達峰，保障區(qū)域民生福祉具有重要的指導意義。

關鍵詞 退耕還林還草;碳固定;土地覆被變化;InVEST模型;黃土高原

中圖分類號 S774 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2021）17-0055-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.17.016

Abstract The effect of land use/cover change on the carbon fixation benefit of the study area was quantitatively evaluated by using the InVEST carbon fixation function evaluation module in the Loess Plateau of Northern Shaanxi Province. The main conclusions are as follows： The area of grass， scrub and woodland increased by 3 204 km2，285.3 km2 and 122.7 km2 respectively during 2000-2010 in this area.However，farmland reduced a large area of 3 984.5 hm2 mainly converted to above types of land use.The action of the Grain for Green Program （GFGP） has begun to show its effects. During this 10 years， carbon storage of the research area displayed a increasing tendency.The average carbon sequestration increased by 3.3 t/hm2 and the total carbon sequestration increased by 13.3 × 106 tons in Yanan region， meanwhile， the same increased by 4.0 t/hm2 and 14.5×106 tons in Yulin region. The carbon sequestration benefit of the Grain for Green Program （GFGP） was significant. The conversion of cultivated land， grassland and desert to forest land has the greatest carbon sequestration benefit， and the increment of carbon sequestration per unit area is more than 100 t/hm2. The conversion of cultivated land to forest， shrub and grass makes the total carbon sequestration increase to 3 405.77×104 hm2. Among them， 73.37% of the total carbon sequestration came from the conversion of cultivated land to grassland. This study has important guiding significance for the management of ecosystems and the scientific implementation of the GFGP in the Loess Plateau of Northern Shaanxi Province，meanwhile， it has the same important guiding significance for maintaining regional carbon balance and reaching carbon peak.

Key words The Grain for Green Program（GFGP）;Carbon storage;Land use/cover change;InVEST model;Loess Plateau

自2005年千年生態(tài)系統(tǒng)評估（millennium ecosystem assessment，MA）報告發(fā)布以來，有關于人類福祉與健康的生態(tài)系統(tǒng)服務及其功能變化的國內(nèi)外研究文獻大幅增加，全球及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能的退化直接影響到人類的可持續(xù)發(fā)展[1]。全球氣候變化是國際科學組織和各國政府高度關注的全球性重大環(huán)境問題之一[2-3]，陸地生態(tài)系統(tǒng)對維持碳循環(huán)和碳平衡、調(diào)節(jié)氣候變化具有重要作用[4-5]，加強區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理和保護以提高固碳服務能力，對保障區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和民生福祉[6-7]，實現(xiàn)國家碳達峰和碳平衡目標意義重大。目前，隨著人類工農(nóng)業(yè)活動的加劇，不合理的土地利用和生態(tài)資源的過度利用，使得區(qū)域碳排放和生態(tài)系統(tǒng)碳固定難以平衡，溫室效應加劇和人地矛盾關系突出[8-9]。InVEST（integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs）模型通過不同土地利用情景的服務功能量化評估，能夠很好地權(quán)衡生態(tài)系統(tǒng)管理與區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展之間的關系[10-11]。如國外學者Leh等[12-14]利用InVEST模型對相關流域產(chǎn)水量的時空變化進行了評估，為提升流域生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力及加強生態(tài)系統(tǒng)管理提供了有效支撐。國內(nèi)學者Su等[15-20]利用InVEST相關功能模塊對汶川地震災區(qū)、三江源區(qū)、黃土高原和秦嶺山地等區(qū)域的碳固定、土壤保持、水源涵養(yǎng)等生態(tài)系統(tǒng)服務功能展開了量化評估，評價結(jié)果為生態(tài)系統(tǒng)科學管理、人地矛盾協(xié)調(diào)及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供很好的權(quán)衡價值。

我國黃土高原地區(qū)人口較多、農(nóng)業(yè)活動強度大、可持續(xù)發(fā)展能力面臨挑戰(zhàn)。為此，國家實施了天然林保護、三北防護林建設和退耕還林還草等工程，以及時遏制生態(tài)環(huán)境退化和協(xié)調(diào)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，而退耕還林還草工程是優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)和方式，推進生態(tài)系統(tǒng)恢復，提升生態(tài)系統(tǒng)服務功能，促進碳達峰和碳平衡，協(xié)調(diào)人地矛盾關系的有效途徑。土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)固碳能力之間具有高度的耦合關系[21]，對退耕還林還草工程的碳固定效益進行量化評估，是權(quán)衡好人類發(fā)展與自然資源管理之間關系的有力支撐。目前，許多學者圍繞區(qū)域或流域生態(tài)系統(tǒng)碳固定能力開展相關科學研究，如張優(yōu)等[21-22]分別對延安市延河流域和成都平原地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)固碳能力進行了量化評估，但對退耕還林還草工程碳固定效益的量化評估鮮有研究。

陜北黃土高原境內(nèi)的黃土丘陵、溝壑、梁、塬、峁及其復合地貌所構(gòu)成的不同地貌單元和生態(tài)環(huán)境地域，對整個黃土高原具有很好的代表性和典型性，選擇在該研究區(qū)開展退耕還林還草工程固碳效應研究，對于揭示整個黃土高原土地利用/覆被變化所產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)碳固定能力和生態(tài)系統(tǒng)建設具有較高的參考價值，也可為這一區(qū)域科學合理推進退耕還林還草工程提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

筆者所研究的陜北黃土高原區(qū)僅為延安市和榆林市轄全部區(qū)域，地理坐標為107°30′～111°15′E，34°10′～39°35′N。研究區(qū)總面積為79 981.9 km2，占黃土高原總面積的12.6%，是陜西黃土高原總面積的89.5%，陜西省土地面積的38.9%。境內(nèi)海拔1 000～1 600 m，年均降水量為400～600 mm，降水空間分布由東南向西北逐漸減少，區(qū)域蒸發(fā)量在 1 000 mm左右，蒸發(fā)強度較大，境內(nèi)黃土丘陵溝壑縱橫、水土流失嚴重[23]。

1.2 InVEST碳儲量模型

陸地生態(tài)系統(tǒng)通過對大氣CO2的吸收、轉(zhuǎn)化為自身生物量的方式，實現(xiàn)碳固定與碳封存，從而維持碳循環(huán)平衡，起到調(diào)節(jié)全球氣候的作用[20]。生態(tài)系統(tǒng)碳儲存由地上生物量（樹干、枝和葉、灌叢、草本）、地下生物量（植物根系）、地表枯枝落葉、土壤有機碳構(gòu)成。土地利用變化是引起陸地生態(tài)系統(tǒng)格局和質(zhì)量變化的主要驅(qū)動力，從而影響生態(tài)系統(tǒng)的固碳服務能力。InVEST固碳模型能夠針對不同土地利用類型的地上物質(zhì)、地下物質(zhì)、枯枝落葉和土壤有機碳量化評估總固碳能力，從而實現(xiàn)碳平衡視角下的陸地生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化管理和決策支撐。具體計算如下式：

C_stored=C_above+C_below+C_soil+C_dead

式中，C_stored為總碳儲量;C_above為地上物質(zhì)碳儲量（t/hm2）;C_below為地下物質(zhì)碳儲量（t/hm2）;C_soil為土壤碳儲量（t/hm2）;C_dead為枯枝落葉碳儲量（t/hm2）。

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

研究數(shù)據(jù)主要包括2000年和2010年土地利用/覆被類型數(shù)據(jù)、各土地覆被類型的碳儲量。土地利用/覆被類型數(shù)據(jù)來自“全國生態(tài)環(huán)境十年變化（2000—2010 年）遙感調(diào)查與評估項目”，其中2000 年土地利用/覆被數(shù)據(jù)采用30 m分辨率Landsat TM影像解譯獲取，2010年采用30 m分辨率HJ-1衛(wèi)星CCD影像解譯獲取。各部分碳儲量參數(shù)根據(jù)文獻資料[24-30]，并參考《2006年IPCC 國家溫室氣體清單指南》[31]轉(zhuǎn)化計算獲得。各土地覆被類型碳儲量參數(shù)計算結(jié)果見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用/覆被變化

由表2可知，研究區(qū)以草地、林地、灌叢、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主，其中草地面積所占比重最大。2000—2010年草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化最大，其中草地比重增加了4.01%，農(nóng)田比重減少了4.98%，同時，林地和灌叢的比重共增加了0.51%。由表3可知，上述變化主要為農(nóng)田大規(guī)模向草地、林地的單一轉(zhuǎn)化為主，10年間農(nóng)田轉(zhuǎn)向林地、灌叢和草地的總面積為3 903.6 km2，林灌草增加的面積和農(nóng)田減少的面積基本相當，因此陜北黃土高原自2000年以來大規(guī)模實施退耕還林還草工程致使研究區(qū)土地覆被發(fā)展顯著變化。此外，荒漠生態(tài)系統(tǒng)也不同程度地向林灌草轉(zhuǎn)化，主要與榆林地區(qū)大規(guī)模實施沙化土地植被恢復有關。從以上數(shù)據(jù)變化可以得出，研究區(qū)10年間退耕還林還草工程成效顯著，農(nóng)田面積明顯下降，而以草地為主的林、灌、草面積顯著增加。

由圖1可知，陜北黃土高原主要在北洛河上游、延河流域、無定河流域及其他各流域下游近黃河區(qū)域大規(guī)模實施了退耕還林還草工程，農(nóng)田大面積被以草地為主的林、灌、草所取代，演變?yōu)橐圆莸貫橹鞯男峦恋乩?覆被分布格局，其中延河流域工程實施規(guī)模最為顯著。以重點流域為主，黃河干流各流域整體推進退耕還林還草工程，有效控制了人類耕作活動對地表植被的破壞，耕地向林灌草生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化使該區(qū)域的固碳能力顯著增強，有效提升了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和固碳功能效益。

2.2 固碳效應評估

2.2.1 流域碳儲量時空變化。從圖2可以看出，陜北黃土高原各流域平均碳儲量均有不同程度增加，平均碳儲量較高的區(qū)域主要分布在延安市境內(nèi)，至2010年宜川河流域和云巖河流域平均碳儲量達到20 t/hm2以上，北洛河流域、延河流域和黃河干流區(qū)平均碳儲量在14～20 t/hm2;其他各流域平均碳儲量均在14 t/hm2以下，主要分布在榆林市境內(nèi)。從各流域碳儲量10年變化可以看出，變化值在4 t/hm2以上的為延河流域、清澗河流域、涇河流域、蒙陜支流區(qū)、佳蘆河流域及窟野河流域，碳儲量增加的區(qū)域和退耕還林還草工程實施區(qū)域一致，退耕還林還草工程固碳效益顯著。

從圖3可以看出，陜北黃土高原各流域總碳儲量均呈現(xiàn)不同程度的增加，其中增加最為顯著的為北洛河流域、無定河流域和延河流域，增加量分別為4.9×106、8.2×106、3.3×106 t。至2010年流域總碳儲量最大的為北洛河流域，達到35.3×106 t;總碳儲量在5.0×106 t以上的區(qū)域主要分布在以森林草原和森林灌叢為主的延安市境內(nèi)，依次為延河流域、黃河干流區(qū)、清澗河流域和宜川河流域。其他各流域均在5.0×106 t以下，主要分布在以荒漠草原和干旱草原為主的榆林市境內(nèi)。

由圖4可知，陜北黃土高原碳儲量增加的區(qū)域和退耕還林還草工程實施區(qū)域一致。10年間，以北洛河流域上游、延河流域、清澗河流域和無定河流域為主的陜北中東部區(qū)域碳儲量增加顯著，增加量達15 t/hm2以上。以森林灌叢生態(tài)系統(tǒng)為主的延安地區(qū)南部碳儲量增加較少，其中西南部子午嶺區(qū)和東南地區(qū)增加量在0～5 t/hm2，東南部的宜川河流域和黃河干流區(qū)局部減少0～5 t/hm2。北洛河中下游河谷坡耕地碳儲量增加相對明顯，增加量為5～15 t/hm2。綜上，耕地向林、灌、草的轉(zhuǎn)化直接促使該區(qū)域固碳量增加，陜北黃土高原退耕還林還草工程固碳效益顯著。

2.2.2 土地利用變化碳儲量效益。退耕還林還草工程是對生態(tài)系統(tǒng)的人工干預和改變，陜北黃土高原退耕還林還草工程涉及的土地利用變化包括耕地向林地、灌叢、草地的轉(zhuǎn)換，草地向林地和灌叢的轉(zhuǎn)變，荒漠向林地、灌叢和草地的轉(zhuǎn)變3種方式[23-24]。該研究利用InVEST固碳模型，基于2000年和2010年土地利用/覆被變化數(shù)據(jù)計算了研究區(qū)的碳密度，在此基礎上采用土地利用空間轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)對相應年份固碳量進行空間提取和統(tǒng)計分析，結(jié)果見表4。陜北黃土高原退耕還林還草工程固碳效益顯著，耕地、草地、荒漠向林地的轉(zhuǎn)化碳固定效益最大，其單位面積固碳增量達100 t/hm2以上，耕地、草地、荒漠向灌叢的轉(zhuǎn)變次之，其單位面積固碳增量為38.35～67.59 t/hm2，耕地、荒漠向草地的轉(zhuǎn)變固碳效益相對較低，其單位面積固碳增量在18.33、28.39 t/hm2以下。從退耕還林還草工程總固碳量變化看出，耕地向林灌草的轉(zhuǎn)變使陜北黃土高原固碳總量增加達3 405.77×104 t，固碳效益顯著，尤其耕地向草地大面積轉(zhuǎn)化的固碳量最大，占總增加量的73.37%，其次為耕地向灌叢和林地的轉(zhuǎn)變，固碳比重分別為12.14%和14.22%。

綜上，陜北黃土高原耕地向林灌草的轉(zhuǎn)化固碳效益最為顯著，退耕還林還草工程固碳效益先后次序為荒漠、草地、耕地→林地>草地、耕地、荒漠→灌叢>耕地、荒漠→草地（表4）。因此，分析土地利用變化的固碳效益，對研究區(qū)科學實施退耕還林還草工程，增加植被覆蓋度，提高區(qū)域生物量和生態(tài)系統(tǒng)固碳能力，對于區(qū)域碳平衡和碳達峰具有一定指導意義。

2.2.3 固碳功能重要性空間分區(qū)。重要性分級和空間分區(qū)有利于科學識別碳儲量重要和關鍵區(qū)域，通過優(yōu)化治理措施和加強流域生態(tài)系統(tǒng)管理，可進一步提升固碳能力。該研究的固碳功能重要性分級根據(jù)《國家生態(tài)保護紅線—生態(tài)功能紅線劃定技術(shù)指南（試行）》的分級分類方法，即借助ArcGIS軟件的Quantile（分位數(shù)）分類方法。按生態(tài)系統(tǒng)固碳能力大小共分為5個等級（表5）。根據(jù)重要性分級評價結(jié)果，將高度重要和極重要區(qū)劃定為生態(tài)系統(tǒng)固碳功能重要區(qū)。

由表5和圖5可知，陜北黃土高原碳儲量一般重要區(qū)（0～45 t/（hm2·a））的面積為16 009.4 km2，比重為20.1%，其主要分布在榆林市境內(nèi)西北區(qū)域植被覆蓋較差的風沙草灘區(qū)，即榆神北部沙化區(qū)、鄂爾多斯內(nèi)流區(qū)和靖邊縣北部區(qū)域，降水較少、蒸發(fā)強烈、地帶性植被以沙化草原為主，導致固碳效益相對較低。碳儲量較重要和中等重要區(qū)域（>45～55 t/（hm2·a））的面積比重為45.6%，主要分布在榆林市中東部各流域下游和延安市北部延河、北洛河上游部分區(qū)域，為退耕還林還草工程的主要實施區(qū)域，降水相對較高、植被覆蓋度提升明顯，使這一區(qū)域固碳量增加明顯。碳儲量高度重要區(qū)（>55～70 t/（hm2·a））和極重要區(qū)（>70 t/（hm2·a））的面積為27 383.3 km2，所占比重為34.3%，主要分布在延安市中南部，即北洛河中下游、云巖河、宜川河等降水相對豐富、森林和灌草生態(tài)系統(tǒng)為主，植被覆蓋率較高的區(qū)域。碳儲量高度重要區(qū)和極重要區(qū)是陜北黃土高原固碳釋氧的重要生態(tài)功能區(qū)，加強該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)管理，進一步優(yōu)化退耕還林還草工程措施，對于維持區(qū)域碳平衡和碳達峰、推動區(qū)域經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展，保障區(qū)域民生福祉具有重要意義。

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)2000—2010年退耕還林還草工程成效顯著，草地、灌叢、林地面積分別增加了3 204.0、 285.2和122.7 km2，農(nóng)田面積減少了3 984.5 km2。退耕還林還草工程有效阻止了人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的破壞，生態(tài)系統(tǒng)的逐步恢復對保障區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和民生福祉意義重大。

（2）研究區(qū)2000—2010年固碳量整體呈現(xiàn)增加趨勢，且與退耕還林還草工程實施區(qū)域高度一致，其中以延安市境內(nèi)延河和北洛河流域、榆林市境內(nèi)的無定河流域固碳量增加最為顯著，延安市各流域平均固碳增加量為3.3 t/hm2，固碳總增加量為13.3×106 t。榆林市各流域平均固碳增加量為4.0 t/hm2，固碳總增加量為14.5×106 t，退耕還林還草工程固碳效益顯著。

（3）土地利用類型轉(zhuǎn)化固碳效益中，耕地、草地、荒漠向林地的轉(zhuǎn)化固碳效益最大，其單位面積固碳增量達100 t/hm2以上，耕地向林灌草的轉(zhuǎn)變使陜北黃土高原固碳總量增加達3 405.77×104 t，其中耕地向草地的轉(zhuǎn)化最為明顯，占總增加量的73.37%。

（4）通過生態(tài)系統(tǒng)固碳功能重要性分級和空間分區(qū)，高度重要區(qū)和極重要區(qū)的總面積為27 383.3 km2，所占面積比重為34.3%，主要分布在延安市境內(nèi)的中南部各流域。加強該區(qū)域的保護力度和生態(tài)系統(tǒng)建設，對維持區(qū)域碳平衡和碳達峰、推動區(qū)域經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展，保障區(qū)域民生福祉具有重要意義。

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