李瑾璞，夏少霞，于秀波，李素曉，許 策，趙 寧，王樹濤①

(1.河北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院,河北 保定 071001；2.中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室,北京 100101；3.河北農(nóng)業(yè)大學國土資源學院,河北 保定 071001)

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量是生態(tài)系統(tǒng)中植被地上和地下生物量有機碳、凋落物有機碳以及土壤有機碳儲量的總和[1]，它不僅能在一定程度上反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，還能表征生態(tài)系統(tǒng)對碳排放的承載力[2-3]。土地覆被，特別是植被分布的變化能夠直接影響生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量[4-5]，進而改變地球表層的能量收支和物質循環(huán)[6-7]。近年來，我國建設用地擴張對林地、耕地的擠占日趨嚴重，導致大量碳密度較高的林地、草地轉化為碳密度較低的建設用地，使得陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量減少。評估生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其影響因素是生態(tài)系統(tǒng)服務評估的重點關注方向之一[8]。

碳儲量估算方法主要包括樣地清查、遙感估算和模型模擬等。傳統(tǒng)的碳儲量估算研究多采用樣地清查法，如通過土壤剖面調(diào)查[9-10]或樣方調(diào)查[11]的方法對土壤碳儲量和地上植物碳儲量變化特征進行分析，但由于工作量大、采樣周期長等缺點，不適用于較大尺度研究[12]。20世紀90年代以來，隨著3S技術發(fā)展，遙感監(jiān)測與模型相結合的方法逐漸用于碳儲量估算[13]和碳循環(huán)研究[14]。InVEST模型Carbon模塊，以土地利用數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，為碳儲量估算提供了一種快速、直觀的方法，被廣泛用于區(qū)域碳儲量評估[15]。國內(nèi)外學者集中在以流域[8]、海岸帶濕地及內(nèi)陸濕地[3]和森林[16]為對象定量估算土地利用變化對碳儲量空間分布的影響及未來情景預測?？傮w來看，碳儲量評估及與景觀格局分析等方面研究已取得豐富成果，但因各研究數(shù)據(jù)來源和碳密度調(diào)查方法的不同，使研究結果存在較大差異。

近年來，河北省工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，導致土地利用格局發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)為建設用地急劇擴張，林地、耕地面積不斷縮減，濕地面積銳減。為了解河北省土地利用格局變化導致的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化，以1990—2015年河北省土地利用數(shù)據(jù)為基礎，結合文獻研究，建立河北省不同土地利用類型的植被和土壤碳庫，基于InVEST模型定量評估建設用地擴張對河北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響，以便為降低固碳風險、提高生態(tài)效益提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省西倚太行山，東臨渤海灣，環(huán)抱首都和天津，位于36°05′～42°40′ N、113°27′～119°50′ E之間。土地總面積約為18.76萬km2，地域廣闊，地貌多樣，地形變化規(guī)律，呈自西北向東南規(guī)律性逐級下降趨勢，最北部為高原區(qū)，海拔最高達2 882 m，中部為山地丘陵區(qū)，南部為廣闊的平原區(qū)。研究區(qū)年平均降水量為485 mm，成土母質類型主要為殘積物、坡積物和黃土母質，土壤類型主要為潮土和褐土。河北省土地利用類型多樣，其中南部平原地區(qū)以耕地為主，而北部及西南地區(qū)以林地為主，草地主要位于西北部高原地區(qū)，建設用地則主要分布于省會石家莊及周邊城市圈(圖1)。

圖1 河北省高程與土地利用類型示意

1.2 InVEST模型的構建

采用InVEST 3.5.0(Integrated Valuation of Environment Service and Tradeoffs)模型Carbon Storage and Sequestration模塊分析1990—2015年河北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化情況。該模塊主要結合土地利用/覆被數(shù)據(jù)計算生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，將生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分為4個基本碳庫：(1)地上碳庫主要指陸地表層上存活植被中的碳；(2)地下碳庫主要指地下植物根系中的碳；(3)土壤碳庫主要指土壤中的有機碳；(4)死亡有機碳主要指死亡植被及枯枝落葉中的有機碳。此外，InVEST模型還包括收獲木材產(chǎn)品或相關木材產(chǎn)品斑塊(HWPs)，由于該部分碳庫數(shù)據(jù)難以獲得，同時其對整體碳儲量的影響很小，因此不考慮該部分碳庫[17]。模型計算公式為

Ci=Ci,above+Ci,below+Ci,soil+Ci,dead，

(1)

(2)

式(1)～(2)中，i為第i種土地利用類型；Ci為土地利用類型i的土壤及生物量總碳密度，Mg·hm-2；Ci，above為土地利用類型i的地上生物量碳密度，Mg·hm-2；Ci，below為土地利用類型i的地下生物量碳密度，Mg·hm-2；Ci，dead為土地利用類型i的枯落物有機質碳密度，Mg·hm-2；Ci，soil為土地利用類型i的0～30 cm深土壤有機質碳密度，Mg·hm-2；Ctotal為總碳儲量，Mg；Si為土地利用類型i總面積，hm2；n為土地利用類型數(shù)，取值14。

1.3 土地利用轉換方法

采用ArcGIS 10.2軟件Geoprocessing Wizard模塊構建1990—2015年河北省不同時段土地利用轉移矩陣，矩陣中r(i，j)表示土地利用類型i轉移為類型j的面積，空值表示未發(fā)生轉移，i=j時表示某土地利用類型未發(fā)生變化的面積[17]，對各土地利用類型轉入和轉出面積進行統(tǒng)計分析。同時，為估算土地利用類型變化導致的碳儲量減少情況，對高碳密度土地利用類型向低碳密度土地利用類型轉移的面積進行統(tǒng)計。

1.4 數(shù)據(jù)來源

1.4.1土地利用數(shù)據(jù)

數(shù)字高程模型(分辨率30 m×30 m)和土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)。1990、2000、2010和2015年4期土地利用數(shù)據(jù)以美國地質調(diào)查局(http:∥glovis.usgs.gov/)的Landsat ETM+遙感影像(分辨率30 m×30 m)為數(shù)據(jù)源，采用人工目視解譯，解譯精度達到81%，數(shù)據(jù)能夠滿足研究需要。

1.4.2碳密度數(shù)據(jù)

碳密度數(shù)據(jù)庫的構建主要參考已有文獻的實測數(shù)據(jù)。在ISI數(shù)據(jù)庫(http:∥apps.webofknowledge.com)和中國知網(wǎng)(http:∥www.cnki.net)中以“碳密度”和“碳儲量”作為關鍵詞檢索2000年以來發(fā)表的有關生態(tài)系統(tǒng)碳儲量調(diào)查的文獻。數(shù)據(jù)篩選時遵循以下原則：土壤、地上生物、地下生物和枯落物有機質的碳密度數(shù)據(jù)均由實地調(diào)查獲得；優(yōu)先選用研究區(qū)位于河北省的文獻數(shù)據(jù)，對缺少省內(nèi)文獻的參數(shù)，則盡量采用河北省臨近地區(qū)的文獻數(shù)據(jù)補全，若仍存在數(shù)據(jù)空缺，則使用全國數(shù)據(jù)，并采用生物量碳密度和土壤碳密度與降水量的關系模型進行校正[16，18]。

生物量碳密度和土壤碳密度與降水量的關系模型計算公式為

CBP=6.789×e0.005 4×PMA(R2=0.70)，

(3)

CSP=3.396 8×PMA+3 996.1(R2=0.11)，

(4)

KBP=CBP1/CBP2，

(5)

KSP=CSP1/CSP2。

(6)

式(3)～(6)中，CBP為根據(jù)年降水量得到的地上生物量碳密度，kg·m-2；CSP為根據(jù)年降水量得到的土壤碳密度，kg·m-2；PMA為年降水量，mm；KBP為地上生物量碳密度降水因子修正系數(shù)；KSP為土壤碳密度降水因子修正系數(shù)；C1和C2分別為河北省和全國碳密度數(shù)據(jù)。由全國碳密度數(shù)值與KBP和KSP相乘得到校正后河北省碳密度值。

對部分未收集到地下碳密度數(shù)據(jù)的土地利用類型，需采用生物量轉換因子法根據(jù)地上生物量進行換算，計算公式為

Ci，below=a×b×Wi。

(7)

式(7)中，Ci，below為土地利用類型i的地下活根碳密度；a為轉換系數(shù)；b為地下與地上生物量的比值；Wi為土地利用類型i的地上生物量。根據(jù)黃玫等[19]和畢君等[20]研究結果，結合《IPCC國家溫室氣體清單指南》[21]確定部分土地利用類型地下與地上生物量的比值：落葉闊葉林為0.30,常綠針葉林為0.33,落葉針葉林為0.21,針闊葉混交林為0.30,常綠落葉灌叢為0.17,農(nóng)田為0.10。

通過上述方法建立河北省不同土地利用類型的碳密度數(shù)據(jù)庫。同時，考慮到不同研究方法所得的碳密度值有一定差異，對文獻數(shù)據(jù)相差甚多的，通過多篇文獻甄選對比，分析數(shù)據(jù)合理性，剔除異常值。對同一土地利用類型碳密度取相關文獻數(shù)據(jù)的均值。為保證碳密度監(jiān)測方法具有可比性，選擇研究方法相同且取樣時間相近的文獻數(shù)據(jù)。

2 結果與分析

2.1 河北省碳儲量空間分布特征

河北省不同土地利用類型碳密度值見表1[7，9-12，20，22-27]。表1顯示，各一級土地利用類型的碳密度差異較小，濕地碳密度最高(280.74 Mg·hm-2)，林地、農(nóng)田、草地和建設用地次之，水域(19.45 Mg·hm-2)和未利用地(45.93 Mg·hm-2)碳密度最低。

表1 河北省土地利用類型碳密度

由河北省碳密度與土地利用數(shù)據(jù)采用InVEST模型得到河北省不同時期碳儲量空間分布(圖2)。圖2顯示，25 a來河北省碳儲量分布格局并未發(fā)生較大改變，碳儲量整體分布狀況為河北省北部及西南部地區(qū)較高，西北部及東南部地區(qū)較低。碳儲量高值區(qū)主要集中在河北省海拔相對較高的山地林區(qū)，主要包括張家口以及承德、保定、石家莊、邢臺和邯鄲西部邊緣地帶，該區(qū)域碳儲量值均高于110 Mg·hm-2；碳儲量次低值區(qū)主要集中在南部平原人口較為密集的城鎮(zhèn)區(qū)和農(nóng)業(yè)種植區(qū)，該區(qū)域建設用地和耕地占比較大，主要位于滄州、衡水以及石家莊、邢臺和邯鄲東部地區(qū)；碳儲量最低值區(qū)主要位于滄州東部和唐山南部，該區(qū)域碳儲量最低僅為19.45 Mg·hm-2。

2.2 城市擴張對碳儲量影響規(guī)律分析

表2顯示，1990、2000、2010和2015年河北省總碳儲量分別為2 113.87、2 094.44、2 079.35和2 069.39 Tg。近25 a來河北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量呈下降趨勢，1990—2000年碳儲量下降19.43 Tg，2000—2010年下降15.10 Tg，2010—2015年下降9.96 Tg。其中，林地碳儲量占比最高，耕地次之。

表2 1990—2015年河北省各用地類型碳儲量

進一步分析河北省建設用地擴張導致的碳儲量變化發(fā)現(xiàn)，1990—2000、2000—2010和2010—2015年建設用地擴張面積分別為2 701.68、2 271.01和1 301.92 km2，分別占各時段研究區(qū)土地利用類型變化總面積的47.79%、33.61%和59.35%。1990—2000、2000—2010和2010—2015年研究區(qū)建設用地擴張導致的碳儲量減少量分別為12.68、10.15和6.40 Tg，分別占各時段研究區(qū)碳儲量減少總量的37.17%、28.17%和53.54%。1990—2015年各時段建設用地擴張導致的碳儲量變化占研究區(qū)總碳儲量變化的比例最高，且建設用地擴張導致的碳儲量下降占總碳儲量下降的比例與建設用地擴張面積的變化趨勢一致，建設用地擴張是研究區(qū)碳儲量變化的最主要原因(表3)。

圖2 1990—2015年河北省碳儲量空間分布

表3 河北省主要土地利用類型面積和碳儲量變化

2.3 建設用地擴張對空間碳儲量的影響

采用GIS空間分析工具對1990—2015年河北省各市流入土地利用類型的格局及導致的碳儲量變化進行分析(圖3)。圖3顯示，河北省不同區(qū)域土地利用類型流轉方向差異較大，整體上流入建設用地面積占比最高，但各市差異明顯。其中，石家莊土地利用類型變化最大，土地利用類型變化面積達2 011.46 km2，秦皇島市土地利用類型變化面積最小。河北省北部區(qū)域流入土地利用類型主要為林地和草地，南部平原區(qū)域流入土地利用類型主要為建設用地。不同區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平不同，城市建設速度也不一致，這是導致研究區(qū)各城市土地利用類型流轉速率不同的主要原因，也導致各城市碳儲量變化不同。

基于 InVEST模型定量評估建設用地擴張對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響。圖3顯示，建設用地擴張導致河北省各市陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量均呈減少趨勢。其中，石家莊和張家口是碳儲量減少最多的城市，碳儲量共減少8.83 Tg。其次為唐山和保定市等經(jīng)濟發(fā)展水平較快的區(qū)域，建設用地擴張規(guī)模同樣十分明顯，因此這些區(qū)域碳儲量下降速率也較快。此外，張家口建設用地擴張規(guī)模并不突出，但其陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量下降速率較快。承德(0.44 Tg)和衡水(0.45 Tg)碳儲量凈減少量較少，均小于1 Tg。

圖3 1990—2015年河北省土地流入格局和碳儲量變化

3 討論與結論

(1)河北省碳密度較高的植被類型為沼澤濕地和落葉闊葉林，碳儲量高值區(qū)主要集中在西北部海拔相對較高的山地林區(qū)，碳儲量低值區(qū)主要集中在南部平原人口較為密集的區(qū)域。

(2)1990—2015年河北省陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量累計下降44.48 Tg，且建設用地擴張是河北省碳儲量急速下降的主導因素。

(3)建設用地擴張對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響存在明顯的區(qū)域差異，且建設用地擴張規(guī)模對碳儲量的減少速率存在直接影響。

受自然地理條件制約，河北省各市區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平及工業(yè)化程度差異較大，各地區(qū)對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量被建設用地擴張影響的程度相差較大。石家莊市是建設用地擴張規(guī)模最大的城市，其陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量下降也最明顯，該地區(qū)應適當控制建設用地擴張規(guī)模，以達到生態(tài)與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的目的[28]。承德市受自然地理條件制約，城市發(fā)展水平較省內(nèi)其他城市偏低，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量下降也最少，該地區(qū)宜規(guī)劃為生態(tài)型城市。張家口市建設用地擴張規(guī)模并不突出，但其陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量下降速率較快，這主要是由于該地區(qū)除建設用地擴張導致的碳儲量減少外，新增的耕地、草地主要由侵占碳密度較高的林地而來，這使得張家口市碳儲量減少幅度較高。

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量對于全球氣候變化和陸地碳循環(huán)意義重大[1，17]，而土地利用方式改變是影響碳儲量的重要原因[5]。近年來，河北省耕地保護與建設用地占用矛盾突出，土地利用類型不斷互相轉化，其中伴隨著碳排放過程，對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯帶來負面影響[29]。為滿足區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護并重的需求，在土地利用規(guī)劃中應注重以低碳導向的土地利用結構優(yōu)化方式為主，適當控制建設用地面積增加；應對碳密度高的區(qū)域加強生態(tài)保護，穩(wěn)定生態(tài)環(huán)境，保留一定面積比例的林、草地[30]；應發(fā)揮土地的多種功能，實現(xiàn)單一土地功能向生產(chǎn)-生態(tài)復合土地功能轉變[31]。通過自然資源整合和國土綜合整治等途徑加強生態(tài)保護參與力量，促進土地布局優(yōu)化，減少碳排放，提高區(qū)域生態(tài)效益。