孫欣欣，薛建輝，董麗娜

(1.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京大學(xué)金陵學(xué)院，江蘇 南京 210089；3.江蘇省中國科學(xué)院植物研究所，江蘇 南京 210014；4.南京市中山陵園管理局，江蘇 南京 210014)

在全球氣候變暖的背景下，“碳排放、碳減排”問題已成為國內(nèi)外科學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)[1]。2020年，中國政府在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上宣布，中國的碳排放力爭于2030年達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[2]。陸地生態(tài)系統(tǒng)作為地表重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，其碳儲(chǔ)量變化在調(diào)節(jié)和減緩溫室效應(yīng)中發(fā)揮著重要作用[3]。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量是生態(tài)系統(tǒng)中植被地上和地下生物量有機(jī)碳、土壤有機(jī)碳和凋落物有機(jī)碳的儲(chǔ)量總和[4]。土地利用覆被類型直接影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量，不同土地利用類型的固碳能力有所差異，土地利用變化將引起碳儲(chǔ)量變化[5]，模擬預(yù)測(cè)土地利用類型變化所導(dǎo)致的碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì)，可以為未來區(qū)域生態(tài)保護(hù)政策的制定提供重要參考[6]。

當(dāng)前針對(duì)土地利用變化對(duì)碳儲(chǔ)量的影響，國內(nèi)外學(xué)者已展開了相關(guān)研究。例如，ANINDITA等[7]研究了土地利用變化對(duì)印度尼西亞土壤碳儲(chǔ)存的影響，MICHEL等[8]對(duì)非洲熱帶森林土地利用變化引起的碳儲(chǔ)量變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明，優(yōu)化土地利用覆被是減緩碳儲(chǔ)量下降的有效途徑。當(dāng)前碳儲(chǔ)量估算方法主要包括實(shí)地調(diào)查法[9]和模型模擬法[10]等，傳統(tǒng)的實(shí)地調(diào)查法是通過在研究區(qū)內(nèi)選擇樣區(qū)采集土壤樣品進(jìn)行理化試驗(yàn)，該方法工作量大，周期較長，且不適用于大尺度環(huán)境研究。自20世紀(jì)90年代以來，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者開始采用遙感結(jié)合模型法對(duì)碳儲(chǔ)存進(jìn)行研究。常用的模型中CASA模型[11]、FORCCHN模型[12]、LPJ-GUESS模型[13]和DNDC模型[14]等存在獲取數(shù)據(jù)復(fù)雜、適用性較差的問題。InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型是由美國斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)(TNC)與世界自然基金會(huì)(WWF)聯(lián)合開發(fā)的，是用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估的模型，已經(jīng)在多個(gè)國家和地區(qū)被廣泛應(yīng)用，且其準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證[15]。InVEST模型在計(jì)算碳儲(chǔ)量方面具有數(shù)據(jù)需求量較少且獲取較為簡便的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于碳儲(chǔ)量計(jì)算。PLUS模型由中國地質(zhì)大學(xué)LIANG等[16]開發(fā)，是基于CA-Markov模型[17]、CLUE-S模型[18]和FLUS模型[19]等傳統(tǒng)土地利用模擬模型和隨機(jī)森林模型而新開發(fā)的一種模型，其集成了土地?cái)U(kuò)張分析的規(guī)則挖掘方法和多類型隨機(jī)種子機(jī)制的CA模型，可用于土地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動(dòng)因素分析，并用于預(yù)測(cè)土地利用斑塊級(jí)演化[16]。土地利用是制約陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量計(jì)算的重要因素，已有研究多是基于以往土地利用變化來探究碳儲(chǔ)量或生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空變化，有關(guān)模擬未來城市在不同發(fā)展情景下碳儲(chǔ)量狀況的研究較少，而PLUS模型在模擬預(yù)測(cè)未來發(fā)展情景下碳儲(chǔ)量狀況方面具有較大優(yōu)勢(shì)，因此，筆者研究將InVEST模型和PLUS模型相結(jié)合，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)研究區(qū)未來碳儲(chǔ)量。

南京市位于長江下游，是長三角經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心城市之一，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來了城市用地的迅速擴(kuò)張。2000—2020年南京市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張65.62%，土地利用變化給城市生態(tài)環(huán)境及碳儲(chǔ)量帶來較大影響。南京市作為國家第3批低碳試點(diǎn)城市，近年來已經(jīng)在碳排放方面采取一系列舉措，編制了《南京市“十四五”低碳發(fā)展規(guī)劃》和《南京市綠色低碳循環(huán)發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃》等，但節(jié)能減碳形勢(shì)仍然嚴(yán)峻?；贗nVEST模型對(duì)2000—2020年南京市土地利用變化及碳儲(chǔ)量變化進(jìn)行研究，采用PLUS模型對(duì)不同發(fā)展情境下南京市2040年碳儲(chǔ)量狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為南京市國土空間規(guī)劃編制、區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)及生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究提供一定科學(xué)數(shù)據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

南京市位于江蘇省西南部，是中國東部地區(qū)、長江下游重要核心城市，市域地理坐標(biāo)為31°14′～32°37′ N、118°22′～119°14′ E，下轄11個(gè)區(qū)，總面積為6 587.02 km2。截至2021年，常住人口為942.34萬人，城鎮(zhèn)人口為818.89萬人，城鎮(zhèn)化率為86.9%。地貌類型以河谷平原、低山丘陵地貌為主。南京屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨水充沛，四季分明，境內(nèi)河湖水系眾多，以長江水系為主。植物資源豐富，植物種類繁多，森林覆蓋率為31.3%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)為2000、2010和2020年遙感影像解譯數(shù)據(jù)(表1)，分辨率為30 m×30 m，包含耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6個(gè)地類。

土地利用變化驅(qū)動(dòng)因子共14個(gè)，包括5個(gè)氣候環(huán)境因子和9個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子(表1)。在氣候環(huán)境數(shù)據(jù)中，年平均溫度和年平均降水利用國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)采用反距離權(quán)重插值方法獲得；在社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)中，到道路、縣政府和河流水體距離，采用Arcgis歐氏距離分析工具計(jì)算得到。

表1 土地利用驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)

2 研究方法

2.1 InVEST模型Carbon模塊

InVEST是用于評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能量及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的模型，包括水源涵養(yǎng)、水土保持、生境質(zhì)量和碳儲(chǔ)存等多個(gè)模塊，當(dāng)前在國家、區(qū)域和流域等多個(gè)尺度的生態(tài)功能區(qū)劃、生態(tài)保護(hù)紅線劃定、生態(tài)修復(fù)和資源環(huán)境承載力評(píng)估等方面得到應(yīng)用。InVEST模型的碳儲(chǔ)存模塊主要包括地上生物炭(陸地上活的植被中的碳)、地下生物炭(活的植物根系中的碳)、土壤碳(土壤中的碳)和死亡有機(jī)碳(植物枯落物中的碳)4個(gè)碳庫?？偺純?chǔ)量計(jì)算公式[19]為

Ci=Ci,a+Ci,b+Ci,s+Ci,d。

(1)

(2)

式(1)～(2)中，i為土地利用類型；Ci為土地利用類型i總碳密度,t·hm-2；Ci,a為土地利用類型i地上植被碳密度,t·hm-2；Ci,b為土地利用類型i地下活根碳密度,t·hm-2；Ci,s為土地利用類型i土壤中碳密度,t·hm-2；Ci,d為土地利用類型i植被枯落物碳密度,t·hm-2；Ct為碳儲(chǔ)總量，t；Si為土地利用類型i總面積，hm2；n為土地利用類型總數(shù)，該研究中，n=6。

碳密度數(shù)據(jù)參照文獻(xiàn)[20-24]，優(yōu)先選取與研究區(qū)相同或相近區(qū)域的碳密度，且這些區(qū)域碳密度為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或調(diào)查數(shù)據(jù)。地上碳密度參照2010s中國陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤0～100 cm碳密度數(shù)據(jù)集[20]、揣小偉等[21]關(guān)于江蘇省土地利用變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的研究和時(shí)宇等[22]關(guān)于南京紫金山風(fēng)景林碳密度的研究。土壤碳密度參照揣小偉等[21]、姜小三等[23]的碳密度數(shù)值研究結(jié)果，結(jié)合南京市土壤類型，選取適合的土壤碳密度數(shù)值。采用降水與碳密度關(guān)系模型[24]，對(duì)地上碳密度和土壤碳密度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，計(jì)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)

(5)

(6)

式(3)～(6)中，PMA為研究區(qū)年均降雨量，mm；CBP為基于降雨量計(jì)算的地上生物碳密度，t·hm-2；CSP為基于降雨量計(jì)算的土壤碳密度，t·hm-2；KBP為地上生物碳密度降雨因子修正系數(shù)；KSP為土壤生物碳密度降雨因子修正系數(shù)；CBP1和CSP1分別為南京市地上和土壤碳密度，t·hm-2；CBP2和CSP2分別為為江蘇省地上和土壤碳密度，t·hm-2。將江蘇省碳密度數(shù)據(jù)與KBP、KSP修正系數(shù)相乘，得到南京市地上生物碳密度值與土壤碳密度值。

對(duì)于地下生物碳密度值，采用生物量因子轉(zhuǎn)換法[25]，計(jì)算公式為

Ci，below=a×b×WD，i。

(7)

式(7)中，Ci，below為地下生物碳密度，t·hm-2；i為土地利用類型；WD，i為第i種土地利用類型地上生物量，t·hm-2；a為轉(zhuǎn)換系數(shù)；b為地下地上生物量比值，根據(jù)FANG等[25]、黃玫等[26]的研究成果，耕地、林地和草地b取值分別為0.2、0.3和4.3。死亡碳密度是根據(jù)李瑾璞等[4]的研究成果取值并采用降雨模型加以修正，最終獲得南京市土地利用類型碳密度(表2)。

表2 研究區(qū)各土地利用類型碳密度值

2.2 PLUS模型

PLUS模型是基于元胞自動(dòng)機(jī)的土地利用模擬新模型，該模型在研究土地利用變化的起因和動(dòng)態(tài)模擬多種土地利用尤其是林地和草地斑塊變化方面有優(yōu)勢(shì)。通過提取兩期土地利用數(shù)據(jù)之間各類用地相互轉(zhuǎn)化的樣本進(jìn)行訓(xùn)練，基于轉(zhuǎn)化概率對(duì)未來土地利用進(jìn)行模擬，采用隨機(jī)森林算法對(duì)各類土地利用擴(kuò)張和驅(qū)動(dòng)力因素進(jìn)行計(jì)算，得到各類用地的發(fā)展概率及驅(qū)動(dòng)因素對(duì)該時(shí)段各類用地?cái)U(kuò)張的貢獻(xiàn)，進(jìn)而結(jié)合隨機(jī)斑塊的生成和轉(zhuǎn)移過渡矩陣的設(shè)置，確定未來土地利用情況。PLUS模型主要包括兩個(gè)模塊。

2.2.1土地?cái)U(kuò)張分析策略(LEAS)

LEAS是對(duì)兩個(gè)日期的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過每一個(gè)變化的土地利用類型的生長斑塊得到土地利用類型的變化規(guī)律，能夠用于描述特定時(shí)間間隔內(nèi)土地利用變化的特點(diǎn)，采用隨機(jī)森林分類(RFC)算法，探討不同土地利用類型的生長與多種驅(qū)動(dòng)因子之間的關(guān)系，獲取各土地利用類型的發(fā)展概率，計(jì)算公式[16]為

(8)

2.2.2基于多類隨機(jī)斑塊種子的CA模型(CARS)

(9)

(10)

(11)

2.2.3相關(guān)參數(shù)設(shè)置

(1)LEAS參數(shù)設(shè)置如下：決策樹的數(shù)值設(shè)置為20，采樣率默認(rèn)為0.01，mTry不超過驅(qū)動(dòng)因子個(gè)數(shù)，設(shè)為14，并行線程數(shù)設(shè)置為1。

(2)CARS參數(shù)設(shè)置如下：鄰域范圍設(shè)置為默認(rèn)值3，Thread設(shè)置為1，遞減閾值系數(shù)為0.5，擴(kuò)散系數(shù)為0.1，隨機(jī)斑塊種子概率為0.000 1。

(3)設(shè)置4種發(fā)展情景：自然發(fā)展情景，各類用地的發(fā)展情況延續(xù)當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，不做調(diào)整；城鎮(zhèn)發(fā)展情景，部分地限制建設(shè)用地向其他用地轉(zhuǎn)換，耕地、林地和水域向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換增加；耕地保護(hù)情景，對(duì)耕地進(jìn)行保護(hù)，限制耕地向其他用地轉(zhuǎn)換；生態(tài)保護(hù)情景，限制林地、草地和水域等生態(tài)用地向其他用地轉(zhuǎn)換。多情景轉(zhuǎn)移矩陣設(shè)置見表3。

表3 多情景轉(zhuǎn)移矩陣設(shè)置

2.2.4精度驗(yàn)證

以2000和2010年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用PLUS模型預(yù)測(cè)2020年土地利用分布，在PLUS的驗(yàn)證模塊中輸入2020年實(shí)際土地利用數(shù)據(jù)，得到kappa系數(shù)為0.86，表明PLUS模型所預(yù)測(cè)的土地利用結(jié)果準(zhǔn)確度較高。

3 結(jié)果與分析

3.1 2000—2020年南京市土地利用變化分析

2000—2020年，南京市耕地、林地和草地面積分別減少802.28、34.32和2.11 km2(表4)，耕地占比由62.88%下降至50.70%，林地占比由10.64%下降至10.12%，草地占比由0.92%下降至0.89%。水域、建設(shè)用地和未利用地面積分別增加124.51、694.19和20.01 km2(表4)，占比分別上升1.89、10.54和0.30個(gè)百分點(diǎn)。在所有土地類型中，耕地占比下降最多，建設(shè)用地增長幅度最大。

2000—2020年南京市土地利用轉(zhuǎn)換情況見表4，新增用地分布見圖1。由表4可知，耕地向建設(shè)用地、水域轉(zhuǎn)換最多，分別轉(zhuǎn)換681.66和147.49 km2。2000—2020年，南京經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和快速的城市化進(jìn)程帶來了城市的快速擴(kuò)張，造成耕地大量向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換，而建設(shè)用地新增部分主要由耕地轉(zhuǎn)換而來，該部分轉(zhuǎn)換主要位于原有建成區(qū)向外擴(kuò)展的區(qū)域(圖1)。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，在退圩還湖等生態(tài)保護(hù)政策驅(qū)動(dòng)下，耕地也向水域轉(zhuǎn)換，同時(shí)人們對(duì)水產(chǎn)品消費(fèi)需求增大，水產(chǎn)養(yǎng)殖面積也有所增多，該部分轉(zhuǎn)換主要位于高淳區(qū)的石臼湖、固城湖以及江北的六合、浦口等退圩還湖及農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖區(qū)域。林地向建設(shè)用地、未利用地轉(zhuǎn)化較多，分別轉(zhuǎn)換42.33和10.39 km2(表4)。究其原因，城市建設(shè)用地的擴(kuò)張?jiān)斐蓪?duì)林地的侵占，而對(duì)森林的亂砍亂伐造成林地向未利用地的轉(zhuǎn)化。

圖1 南京市2000和2020年土地利用分布和各類新增用地分布

表4 南京市2000—2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

南京市草地面積占比較低，僅占總用地面積的0.9%左右，主要位于長江沿岸的灘地和洲島。草地主要向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換面積為5.94 km2(表4)，這是因?yàn)檠亟某鞘虚_發(fā)侵占原有草地，在一定程度上破壞了長江沿岸的生態(tài)環(huán)境和動(dòng)植物棲息地。水域主要轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地和耕地，分別轉(zhuǎn)換21.89和5.78 km2(表4)；其原因?yàn)槌鞘屑班l(xiāng)村用地?cái)U(kuò)張，造成一些水域被填充轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，同時(shí)，部分水域被開墾為耕地。建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)換為耕地和水域，分別轉(zhuǎn)換41.82和6.99 km2(表4)；其原因?yàn)橐恍┺r(nóng)村中的建設(shè)用地被復(fù)墾為農(nóng)田，城鄉(xiāng)建設(shè)中由于水利建設(shè)、造景和蓄洪等原因，將原建設(shè)用地轉(zhuǎn)換為水域。未利用地占比較低，2020年僅占土地利用面積的0.36%，且轉(zhuǎn)換面積較少。

3.2 2000—2020年南京市碳儲(chǔ)量時(shí)空變化特征

3.2.1碳儲(chǔ)量變化特征

采用InVEST模型的Carbon模塊對(duì)南京市2000、2010和2020年碳儲(chǔ)存進(jìn)行計(jì)算，碳儲(chǔ)量分別為7.26×107、7.06×107和6.99×107t(表5)，2000—2020年南京市碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，總體下降2.62×106t，2000—2010年下降2.01×106t，2010—2020年下降6.14×105t。從土地利用類型來看，碳儲(chǔ)量由大到小依次為耕地、林地、建設(shè)用地、水域、草地和未利用地。南京市地處長三角地區(qū)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，城市化水平高，人口密度大，土地開發(fā)利用程度大，城市擴(kuò)張占用大量耕地和林地等碳儲(chǔ)量較高的用地類型，是南京市碳儲(chǔ)量下降的主要原因。

表5 南京市2000—2020年土地利用碳儲(chǔ)量

3.2.2碳儲(chǔ)量空間變化特征

由圖2可知，2000—2020年南京市碳儲(chǔ)量空間分布無較大差異，碳儲(chǔ)量較低的區(qū)域主要是水域和建設(shè)用地，碳儲(chǔ)量較高的區(qū)域主要是林地和草地。南京市大部分地區(qū)碳儲(chǔ)量變化不大，碳儲(chǔ)量減少的部分主要是建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的區(qū)域和水域增加的區(qū)域，碳儲(chǔ)量增加的部分主要是林地、草地和耕地新增的區(qū)域，呈零星狀分布。

圖2 南京市2000和2020年碳儲(chǔ)量空間分布和碳儲(chǔ)量變化空間分布

3.3 南京市土地利用碳儲(chǔ)量預(yù)測(cè)分析

3.3.1多情景土地利用變化分析

基于PLUS模型，以2020年為基期，預(yù)測(cè)2040年4種發(fā)展情景的土地利用分布，結(jié)果見圖3。在自然發(fā)展情景下，土地利用延續(xù)了2000—2020年變化趨勢(shì)，耕地、林地、草地和水域呈減少趨勢(shì)，分別減少521.19、11.64、1.22和9.23 km2，建設(shè)用地和未利用地呈增加趨勢(shì)，分別增加528.87和14.38 km2。主要的變化是耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換，其次是林地、水域等向建設(shè)用地和未利用地轉(zhuǎn)換。在耕地保護(hù)情景下，由于限制耕地向其他用地轉(zhuǎn)換，建設(shè)用地的擴(kuò)張明顯被控制，較2020年減少38.18 km2，林地也減少27.04 km2，均轉(zhuǎn)換為耕地，耕地增加62.16 km2。在城鎮(zhèn)發(fā)展情景下，各類用地均向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換，耕地、林地和水域呈減少趨勢(shì)，分別減少489.50、27.04和25.53 km2，建設(shè)用地和未利用地分別增加528.87和14.38 km2。在生態(tài)保護(hù)情景下，耕地減少量最高，減少608.6 km2，該情景采取水源保護(hù)、退耕還林還草政策，林地和水域面積分別增加3.2和78.34 km2，但建設(shè)用地的擴(kuò)張未被控制，增加528.87 km2。

圖3 南京市2040年不同情景土地利用分布預(yù)測(cè)

綜上所述，4種發(fā)展情景中，除耕地保護(hù)情景下建設(shè)用地?cái)U(kuò)張受到明顯控制以外，其他3種情景下建設(shè)用地?cái)U(kuò)張仍保持之前的趨勢(shì)和速度；在生態(tài)保護(hù)情景下，耕地減少量較高，生態(tài)價(jià)值較高的林地和水域面積有所增加。因此，在耕地保護(hù)情景下，同時(shí)進(jìn)行生態(tài)保護(hù)，將有效控制建設(shè)用地的擴(kuò)張，且有利于區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

3.3.2多情景碳儲(chǔ)量變化分析

2000—2020年，南京市碳儲(chǔ)量呈下降趨勢(shì)，參照該趨勢(shì)，預(yù)測(cè)得到4種情景下2040年土地利用數(shù)據(jù)(圖3)。采用InVEST模型計(jì)算4種情景下碳儲(chǔ)量(圖4)，與2020年碳儲(chǔ)量相比，4種情景下碳儲(chǔ)量總量均下降(表6)：在耕地保護(hù)情景下，碳儲(chǔ)量下降最少，僅下降2.44×105t，這是因?yàn)榱值孛娣e下降所致；在生態(tài)保護(hù)情景下，碳儲(chǔ)量下降1.56×106t，較耕地保護(hù)模式下降得多，該情景雖采取了生態(tài)保護(hù)措施，限制了生態(tài)用地減少，但仍有大量耕地繼續(xù)轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，碳儲(chǔ)量下降主要是因?yàn)楦販p少所致；碳儲(chǔ)量下降最多的是城鎮(zhèn)發(fā)展情景，下降1.78×106t，因耕地、林地和水域減少而引起；在自然發(fā)展情景下，總的碳儲(chǔ)量下降1.62×106t，保持2000—2020年的下降趨勢(shì)，其原因主要是耕地、林地減少所致。綜上可知，在耕地保護(hù)情景下碳儲(chǔ)量下降受到明顯控制，在生態(tài)保護(hù)情景下碳儲(chǔ)量下降受到一定控制，在城鎮(zhèn)發(fā)展情景下碳儲(chǔ)量下降得最多。因此，到2040年，應(yīng)在耕地保護(hù)的基礎(chǔ)上采取一定的生態(tài)保護(hù)措施，可有效限制建設(shè)用地?cái)U(kuò)張，以減緩碳儲(chǔ)量減少。

圖4 南京市2040年不同情景下碳儲(chǔ)量分布預(yù)測(cè)

表6 南京市2040年土地利用結(jié)構(gòu)與碳儲(chǔ)量預(yù)測(cè)

4 討論

4.1 研究區(qū)碳儲(chǔ)量與土地利用變化的關(guān)系

土地利用變化被認(rèn)為是導(dǎo)致全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化的最重要因素之一[27]。2000—2020年南京市土地利用變化中，耕地減少802.28 km2，林地減少34.32 km2，建設(shè)用地增加694.19 km2。其中，2000—2010年之間變化較大，耕地減少627.41 km2，林地減少25.74 km2，分別占總減少量的78.23%和74.64%，建設(shè)用地增加494.71 km2，占總增加量的71.33%，2000—2010年土地利用變化約占總變化量的70%。2000—2020年南京市碳儲(chǔ)量共下降2.62×106t，其中，2000—2010年下降2.01×106t，占總下降量的76.7%，與土地利用變化情況基本一致。

2010年之后，南京市政府實(shí)行了一系列的生態(tài)保護(hù)措施。2013年起，啟動(dòng)綠道建設(shè)，相繼實(shí)施了濱江風(fēng)光帶綠道、環(huán)紫金山綠道、明城墻沿線綠道、環(huán)玄武湖綠道、秦淮新河百里風(fēng)光帶綠道、青奧公園綠道和運(yùn)糧河濱河綠道等建設(shè)，全市共建設(shè)完成城市休閑綠道560 km。2018—2020年，實(shí)施生態(tài)脆弱區(qū)環(huán)境修復(fù)工程，新增綠化造林面積0.67萬hm2。自2019年起，在長江沿岸及高淳固城湖實(shí)行退圩還湖，恢復(fù)濕地。2010—2020年期間南京市林地和水域減少量大大降低，草地面積增加3.5 km2，建設(shè)用地增速放緩。2010—2020年南京市碳儲(chǔ)量下降6.14×105t，占總下降量的23.3%。

4.2 已有的研究情況

目前，針對(duì)南京地區(qū)土地利用變化與碳儲(chǔ)量的研究較少，已有文獻(xiàn)多是對(duì)森林碳儲(chǔ)量進(jìn)行研究，例如王祖華等[28]研究了南京市城市森林的碳密度和碳儲(chǔ)量，朱嬋瓔等[29]研究了南京城市森林的生產(chǎn)力和碳儲(chǔ)量，凌子燕等[30]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)南京城市森林碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究。張?jiān)瀑坏萚31]基于InVEST模型對(duì)江蘇省沿海3市碳儲(chǔ)量進(jìn)行研究，但未對(duì)未來土地利用及碳儲(chǔ)量情況做出預(yù)測(cè)，且其研究結(jié)果表明江蘇省沿海3市碳儲(chǔ)量處于增加狀態(tài)，筆者選取的研究區(qū)情況與之大不相同。

基于InVEST模型對(duì)碳儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算，并基于PLUS模型對(duì)未來土地利用進(jìn)行模擬，設(shè)置不同發(fā)展情景對(duì)未來碳儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算，從預(yù)測(cè)角度分析未來不同土地利用發(fā)展模式對(duì)碳儲(chǔ)量的影響，對(duì)于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的城市制定未來土地利用規(guī)劃具有指導(dǎo)意義。

4.3 研究結(jié)果對(duì)未來規(guī)劃的啟示

從研究區(qū)土地利用變化趨勢(shì)和2040年碳儲(chǔ)量預(yù)測(cè)情況來看，生態(tài)保護(hù)政策和耕地保護(hù)政策對(duì)南京市未來的碳儲(chǔ)量影響較大，從歷年碳儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果可以看出，南京市土地利用類型中最大的碳庫是耕地，其次是林地；因此，保護(hù)耕地土壤碳庫和森林碳庫對(duì)南京市未來碳儲(chǔ)量具有決定性作用，這與當(dāng)前國土空間規(guī)劃中劃定三區(qū)三線，尤其是永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線及生態(tài)保護(hù)紅線的劃定思路一致。在未來的規(guī)劃中，三區(qū)三線具體劃定方法及對(duì)區(qū)域碳庫的影響，需進(jìn)行更深入的研究。

4.4 研究的相關(guān)局限性

碳密度取值的局限性?；贗nVEST模型通過給不同土地利用類型賦予不同的碳密度進(jìn)行計(jì)算，從而獲得研究區(qū)碳儲(chǔ)量。但是碳密度會(huì)隨著時(shí)間和環(huán)境而變化，筆者研究中碳密度值參考之前學(xué)者的研究成果，選取與研究區(qū)域相適宜的碳密度值，并采用降雨模型對(duì)碳密度進(jìn)行修正，使碳密度取值接近實(shí)際值，但仍未兼顧不同植被的種類、年齡和結(jié)構(gòu)等固碳功能的差異，后續(xù)研究將針對(duì)不同植被類型補(bǔ)充野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來提高碳密度的準(zhǔn)確性。

對(duì)未來土地利用預(yù)測(cè)的局限性。相比之前的各種預(yù)測(cè)模型，PLUS模型在模擬精度和驅(qū)動(dòng)因子探討方面的優(yōu)勢(shì)比較明顯，筆者研究中取值因子共14個(gè)，涉及自然、經(jīng)濟(jì)和交通等方面，但土地利用發(fā)展情況還會(huì)受到政策和未來規(guī)劃等方面的影響。因此，后續(xù)研究中將針對(duì)上述方面進(jìn)行深入探討，從而使得模擬結(jié)果更為科學(xué)可靠。

5 結(jié)論

基于PLUS模型和InVEST模型，對(duì)南京市2000—2020年碳儲(chǔ)量進(jìn)行評(píng)估，對(duì)南京市2040年多情景的土地利用和碳儲(chǔ)量進(jìn)行模擬和分析，得出以下結(jié)論：

(1)2000—2020年南京市耕地、林地和草地面積均呈減少趨勢(shì)，其中，耕地面積減少最多，減少802.28 km2；林地和草地面積分別減少34.32和2.11 km2；水域、建設(shè)用地和未利用地面積均呈增加趨勢(shì)，其中，建設(shè)用地面積增加最多，增加694.19 km2，水域和未利用地面積分別增加124.51和20.01 km2。主要的轉(zhuǎn)換趨勢(shì)為耕地和林地向建設(shè)用地和水域轉(zhuǎn)換，新增的建設(shè)用地主要位于已有建成區(qū)的外圍，即城市向外擴(kuò)張的部分。

(2)2000—2020年南京市碳儲(chǔ)量呈下降趨勢(shì)，2000—2010年下降2.01×106t，2010—2020年下降6.14×105t，總體下降2.62×106t。從土地利用類型來看，碳儲(chǔ)量由大到小依次為耕地、林地、建設(shè)用地、水域、草地和未利用地。南京市碳儲(chǔ)量下降的主要原因是耕地、林地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換。

(3)到2040年，在自然增長情景下，延續(xù)2000—2020年土地利用趨勢(shì)，耕地、林地、草地和水域均繼續(xù)減少，建設(shè)用地和未利用地持續(xù)增加，耕地與生態(tài)用地均未受到保護(hù)，城市持續(xù)擴(kuò)張。在耕地保護(hù)情景下，限制耕地向其他用地轉(zhuǎn)換，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張得到明顯控制，林地、建設(shè)用地和草地向耕地轉(zhuǎn)換，耕地增加，同時(shí)限制林地和水域向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換，起到一定的生態(tài)保護(hù)作用；在生態(tài)保護(hù)情景下，保護(hù)林地、草地和水域等生態(tài)用地，限制其向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換，生態(tài)用地增加，建設(shè)用地受到一定程度控制；在城鎮(zhèn)發(fā)展情景下，以城市發(fā)展、建設(shè)用地?cái)U(kuò)張作為首要需求，耕地、林地、草地和水域均繼續(xù)減少，建設(shè)用地持續(xù)擴(kuò)張。

(4)到2040年，4種發(fā)展情景下的碳儲(chǔ)量均呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。在耕地保護(hù)情景下，碳儲(chǔ)量下降最少，下降2.44×105t，表明保護(hù)耕地能有效控制碳儲(chǔ)量下降。在生態(tài)保護(hù)情景下，碳儲(chǔ)量下降1.56×106t，該情景僅保護(hù)了林地、草地和水域等生態(tài)用地，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張主要占用耕地，因此，該情景下碳儲(chǔ)量比耕地保護(hù)情景下降得多，但也呈現(xiàn)一定的保護(hù)作用；在城鎮(zhèn)發(fā)展情景下，碳儲(chǔ)量下降1.78×106t，該情景下耕地、林地和水域均有大量減少，造成碳儲(chǔ)量下降最多；在自然發(fā)展情景下，碳儲(chǔ)量下降1.62×106t，介于城鎮(zhèn)發(fā)展情景和生態(tài)保護(hù)情景之間。因此，應(yīng)考慮結(jié)合耕地保護(hù)和生態(tài)保護(hù)措施，在保護(hù)耕地的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，限制耕地和生態(tài)用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換，進(jìn)而有效限制建設(shè)用地?cái)U(kuò)張并增加區(qū)域碳儲(chǔ)量。