虎 帥, 張學(xué)儒, 官冬杰

(重慶交通大學(xué), 重慶 400074)

全球氣候變化已經(jīng)直接影響到人類社會系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)，地球的碳循環(huán)系統(tǒng)在全球氣候變化中占據(jù)著重要地位。對于全球碳循環(huán)系統(tǒng)而言，研究碳儲量的變化具有十分重要的意義，有利于改善全球的氣候變化[1]。目前相關(guān)研究多集中于單一生態(tài)系統(tǒng)的研究，如土壤生態(tài)系統(tǒng)、水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)等[2]。碳儲量包括了大氣中的碳儲量、海洋碳儲量及陸地碳儲量。其中，陸地碳儲量直接影響到大氣溫室氣體排放量以及碳循環(huán)的平衡。據(jù)中科院大氣物理研究所最新統(tǒng)計，中國陸生系統(tǒng)碳儲量達(dá)到1 000億t[3]。城市擴(kuò)張是人類活動的表現(xiàn)，在城市擴(kuò)張過程中，土地利用/覆被都會受到不同程度的影響。研究城市擴(kuò)張的碳儲量變化有利于合理地處理人地關(guān)系的矛盾，也同時促進(jìn)了人與自然的和諧發(fā)展[4]。近年來，應(yīng)用生態(tài)模型對陸地系統(tǒng)碳儲量進(jìn)行評估分析研究，受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注，如張文華等分析了InVEST模型對郭勒草原碳儲量評估的適用性，發(fā)現(xiàn)不同類型的草地碳儲量也有所不同，且適用于此類研究[5]；修珍珍等利用InVEST模型估算了富陽市森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量，分析得出碳儲量由多到少依次為常綠闊葉林、針闊混交林、竹林、馬尾松林[6]；榮月靜等利用InVEST模型研究了近10 a太湖流域土地利用變化下碳儲量功能，發(fā)現(xiàn)碳儲量逐年減少的規(guī)律[7]?？梢姡琁nVEST模型能有效評估陸地系統(tǒng)碳儲量，但是利用InVEST模型開展建設(shè)用地擴(kuò)張導(dǎo)致的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量損失的研究并不多見。對于城市化進(jìn)程不斷加快的重慶而言，建設(shè)用地的需求量不斷上升，這就造成建設(shè)用地侵占其他土地利用類型來滿足需求，碳儲量發(fā)生變化，從而直接影響到生態(tài)系統(tǒng)的變化。如果建設(shè)用地擴(kuò)張的不合理，會造成各土地關(guān)系類型之間的矛盾，對生態(tài)影響造成不利影響[8]。因此，根據(jù)建設(shè)用地轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出的變化情況，精確計算陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，從建設(shè)用地擴(kuò)張的角度，對碳儲量變化進(jìn)行深入分析，研究對碳儲量的影響，有利于合理規(guī)劃建設(shè)用地擴(kuò)張方向，進(jìn)而對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響最小有重要價值意義。

1　數(shù)據(jù)與方法

1.1　研究區(qū)概況

重慶市位于我國西南部，長江上游地區(qū)，地處105°11′—110°11′E，28°10′—32°13′N，2015年末，轄區(qū)分為38個區(qū)縣(自治縣)，面積達(dá)到8.24萬km2。重慶市是我國西南地區(qū)綜合交通樞紐和最大的工商業(yè)城市，是國家重要的制造業(yè)基地。東鄰湖北、湖南，南接貴州，西連四川，北靠陜西。重慶市是西部地區(qū)唯一的直轄市，幅員面積最大，而農(nóng)業(yè)用地比重較大，2005年占總面積的84.42%，因此具有大城市，大農(nóng)村的特點。重慶市土地利用水平地區(qū)差異大，中西部地區(qū)單位城鎮(zhèn)建設(shè)用地二三產(chǎn)業(yè)增值分別為渝東南及渝東北地區(qū)的1.5倍和1.3倍；耕地減少快，后備資源匱乏，城鄉(xiāng)建設(shè)用地統(tǒng)籌不夠[9]。重慶市直轄以來，城鎮(zhèn)化水平不斷提高，2010年重慶市城鎮(zhèn)化率達(dá)到53%，遠(yuǎn)高于平均水平。但由于重慶市建設(shè)用地幾何重心的偏離，導(dǎo)致城鄉(xiāng)二元結(jié)構(gòu)突出[10]。復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境與城市化進(jìn)程不斷加快的耦合關(guān)系，對研究區(qū)建設(shè)用地擴(kuò)張及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響深刻[11]。

1.2　數(shù)據(jù)獲取

1.2.1土地利用數(shù)據(jù)本文采用重慶市2000年、2005年以及2010年土地利用數(shù)據(jù)，通過中科院數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站下載獲取。將土地利用進(jìn)行重分類處理，合并地類后分為：耕地、園地、建設(shè)用地、水體、沼澤、草甸、草原/草地、針葉林、闊葉林、針闊混交林、灌木林、其他林地以及裸地13類。

1.2.2碳密度數(shù)據(jù)陸地系統(tǒng)碳儲量主要包括地上碳儲量、地下碳儲量以及土壤碳儲量，其中地上部分碳密度是指地表以上0—20 cm附近單位面積上碳儲量的平均值；地下部分碳密度是指地表以下0—20 cm附近單位面積碳儲量的平均值；土壤碳密度是指地表以下20—100 cm附近單位面積上碳儲量的平均值[12]。文中涉及的碳數(shù)據(jù)為碳密度，不同時期不同土地利用類型碳密度值均有差異。本文碳密度數(shù)據(jù)來源于重慶市森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)，如無法獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)其他碳庫估算或默認(rèn)設(shè)置為0。匯總[13-22]結(jié)果見表1至表3所示：

表1　地上碳密度匯總　kg/m2

表2　地下碳密度匯總表　kg/m2

表3　土壤碳密度匯總表　 kg/m2

1.3　研究方法

本研究以2000—2010年重慶市3個時段的土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究碳儲量的時空變化，主要包括：土地利用變化及建設(shè)用地變化分析、InVEST模型對碳儲量估算、以及建設(shè)用地擴(kuò)張對碳儲量的影響。

1.3.1土地利用變化分析在ArcMAP 10.2中將兩期土地利用圖進(jìn)行疊加計算，得出相交部分新的面積；將屬性表導(dǎo)入Excel中，利用數(shù)據(jù)透視表功能計算出兩期數(shù)據(jù)的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。矩陣中r(i，j)表示i類型向j類型轉(zhuǎn)移的土地面積，空值表示未發(fā)生轉(zhuǎn)移，相同土地利用類型之間的值表示保留的土地利用類型面積[23]。

通過土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣可以直接觀察出土地利用類型的轉(zhuǎn)化情況，同時可以直接提取出建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出情況，結(jié)合ArcMap對建設(shè)用地進(jìn)行空間及時間變化分析。

1.3.2碳儲量估算碳儲量作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要指標(biāo)，不同地區(qū)不同土地利用類型碳儲量不同，其變化直接影響著生態(tài)系統(tǒng)的變化。InVEST模型全稱為Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool，即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合估價和權(quán)衡得失評估模型，由美國斯坦福大學(xué)、TNC和世界自然基金會聯(lián)合開發(fā)[24]。InVEST模型主要用于研究淡水生態(tài)系統(tǒng)、海洋生態(tài)系統(tǒng)以及陸地生態(tài)系統(tǒng)，對于陸地生態(tài)系統(tǒng)而言，主要研究生物多樣性、粉塵分析、木料分析以及碳儲量分析。InVEST是對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行定量評估，并把結(jié)果用圖形的方式表達(dá)出來，能夠模擬預(yù)測不同土地利用下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化，變化包括物質(zhì)量和價值量兩個方面[25]。

InVEST模型的碳儲量模塊計算方法如下：

C=Cabove+Cbelow+CSoil+Cdead

式中：C表示碳總量(t/km2)；Cabove表示地上部分碳儲量；Cbelow表示地下部分碳儲量；Csoil土壤部分碳儲量；Cdead死亡有機(jī)質(zhì)碳儲量[25]。

本文采用新版的InVEST 3.3.2版本，與之前相比，不再是ArcGIS里的一個工具，而是獨立的處理系統(tǒng)。因此，在運(yùn)行模型時，可參照對應(yīng)模塊的案例，將數(shù)據(jù)調(diào)整為所需格式，必要數(shù)據(jù)缺一不可。

1.3.3建設(shè)用地擴(kuò)張對碳儲量的影響 將建設(shè)用地與碳儲量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加，找出因建設(shè)用地轉(zhuǎn)化影響碳儲量不同程度變化的方向，進(jìn)而確立合理的建設(shè)用地演化機(jī)制。

2　結(jié)果與分析

2.1　土地利用變化分析

根據(jù)土地利用現(xiàn)狀圖，做出重慶市2000—2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣：

從表4與表5中得出：2000—2010年重慶市土地利用變化顯著，其中耕地是主要的轉(zhuǎn)出者，主要轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地和闊葉林；建設(shè)用地是主要的轉(zhuǎn)入者，主要通過耕地、闊葉林等轉(zhuǎn)化而來；草甸面積變化很小，轉(zhuǎn)化不明顯。其中最明顯的變化主要有：耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，2005年轉(zhuǎn)化了295.65 km2，2010年轉(zhuǎn)化了754.55 km2；耕地轉(zhuǎn)化為闊葉林，2005年轉(zhuǎn)化了512.94 km2，2010年轉(zhuǎn)化了691.34 km2；耕地轉(zhuǎn)化為園地，2005年轉(zhuǎn)化了229.04 km2，2010年轉(zhuǎn)化了393.53 km2。建設(shè)用地的擴(kuò)張來源于耕地，土地利用變化的主要矛盾在于耕地與建設(shè)用地的關(guān)系。

將建設(shè)用地轉(zhuǎn)化關(guān)系提取得出表6：

表4　2000-2005年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣　km2

2000—2005年期間，重慶市建設(shè)用用地轉(zhuǎn)化為其他用地類型共21.91 km2，大部分轉(zhuǎn)化為水體，面積為18.52 km2，占總轉(zhuǎn)化的85%；建設(shè)用地擴(kuò)張占用其他用地類型的面積達(dá)到529.31 km2，耕地占總面積的56%，闊葉林占41%；這期間建設(shè)用地共增長了507.39 km2，除草甸、裸地、其他林地未發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，水體侵占18.42 km2的建設(shè)用地面積，其他用地類型均對建設(shè)用地擴(kuò)張具有補(bǔ)給作用。

2005—2010年重慶市建設(shè)用地變化更加劇烈，轉(zhuǎn)出面積有所減少，僅有8.44 km2，且耕地和水體是主要的侵占來源，各占40%。轉(zhuǎn)出面積達(dá)到前5 a的2倍，面積為1 066.63 km2，補(bǔ)給來源最多的耕地比例達(dá)到75%，是建設(shè)用地最主要的擴(kuò)張方向。這期間建設(shè)用地共擴(kuò)張998.19 km2，除草甸、裸地?zé)o明顯變化之外，其余用地類型均被建筑用地侵占。

隨著重慶市城市化進(jìn)程的加快，建設(shè)用地需求量增大，重慶市建設(shè)用地10 a共增長了1 505.58 km2，占耕地面積1 045.16 km2，闊葉林375.72 km2，針葉林43.38 km2，草原、草地32.72 km2。而水體則占據(jù)建設(shè)用地面積18.12 km2，是唯一占用建設(shè)用地面積較多的用地類型。

根據(jù)2000年、2005年與2010年土地利用分布情況，做出建設(shè)用地變化圖1—2。

建設(shè)用地主要是由西部中心，逐漸向四周擴(kuò)張，且增長速率加快。建設(shè)用地由2000年的598.88 km2增加到2005年的1 097.27 km2，面積擴(kuò)大至近2倍；從表5中看出，2010年建設(shè)用地增加至2 095.46 km2，面積擴(kuò)大至近2倍，且增長量加倍。其中，兩段時期耕地以及闊葉林被占用面積分別達(dá)到建設(shè)用地增長面積的96.6%和90.9%。因此建設(shè)用地占用耕地以及闊葉林是主要的擴(kuò)張形式。

2.2　InVEST模型對碳儲量的估算

運(yùn)行InVEST的Carbon模塊，計算2000及2005年碳儲量分布，結(jié)果見圖3—4。

根據(jù)運(yùn)算結(jié)果得出2000年重慶市碳儲量為214.02 Mt，2005年增長到291.60 Mt，平均每年增長了15.52 Mt。從圖3與圖4中可以看出，2000年柵格單元碳儲量最大的地區(qū)為138.97 Mt，最小37.90 Mt；2 005碳儲量最大的地區(qū)分布在耕地較多的中部地區(qū)，碳儲量為19 980.5 t，最少的分布在水體及裸地較多的地區(qū)，碳儲量為3 789.62 t，整體呈現(xiàn)增長趨勢；縱觀整個重慶市，碳儲量呈現(xiàn)由西向東遞增的趨勢，這與東部地區(qū)植被覆蓋度大于西部地區(qū)有關(guān)；圖5表示單元柵格碳儲量變化情況分布圖，表示碳儲量增加與減少的情況?？梢钥闯?，重慶市西部地區(qū)碳儲量明顯減少，東部地區(qū)明顯增多，減少最大量為8 938.03 t，增長最大量為10 315.4 t。運(yùn)用InVEST模型中的碳價值評估模塊得到圖6，以43$每t的碳價格，按照7%的市場折扣率計算得出2005年碳儲量的經(jīng)濟(jì)價值共增長11 908 842$。

表5　2005-2010年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣　km2

表6　重慶市建設(shè)用地變化統(tǒng)計　km2

圖12000-2005年建設(shè)用地擴(kuò)張圖22005-2010年建設(shè)用地擴(kuò)張

運(yùn)行Carbon模塊，得到2010年碳儲量分布，結(jié)果見圖7。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果得出2010年碳儲量增長到331.90 Mt，平均每年增長了17.40 Mt。2010年碳儲量最大的地區(qū)分布在耕地較密集的地區(qū)，碳儲量為30 490.8 t，最少分布在水體及裸地較密集的區(qū)域，碳儲量為5 334.14 t，整體呈現(xiàn)增長趨勢；縱觀整個重慶市，碳儲量呈現(xiàn)由西向東遞增的趨勢；從圖8可以看出，重慶市西部地區(qū)碳儲量明顯減少，東部地區(qū)明顯增多，減少最大量為9 602.76 t，增長最大量為8 505.77 t；從圖9可以看出，重慶市碳儲量增長最多的地區(qū)貢獻(xiàn)320 923$，而碳儲量減少最多的地區(qū)損失362 312$。重慶市東部地區(qū)碳儲量始終多于西部地區(qū)，從2000—2010年重慶市碳儲量增長了117.88 Mt，且碳儲量的增長速率加快。

圖32000年碳儲量分布圖42005年碳儲量分布

2.3　建設(shè)用地擴(kuò)張對碳儲量的影響

建設(shè)用地的擴(kuò)張區(qū)域與碳吸收量圖相對應(yīng)，明顯可以看出建設(shè)用地擴(kuò)張區(qū)域部分碳吸收量為負(fù)值，且占據(jù)的是固碳能力較強(qiáng)的耕地與闊葉林，大幅度地降低了整體的碳儲量值。

將InVEST模型運(yùn)行結(jié)果與土地利用圖進(jìn)行疊加，統(tǒng)計出不同土地利用類型碳儲量的變化，見表7。

從表7中可以看出，2000—2005年耕地面積減少最多為1 331.49 km2，但碳儲量增加15.17 Mt，占總增長的50%；建設(shè)用地面積增長最多為507.39 km2，其碳儲量增加1.12 Mt；針葉林面積增加134.80 km2，碳儲量卻減少最多為9.15 Mt；草甸面積未發(fā)生明顯變化，但碳儲量增加0.07 Mt。2005—2010年耕地面積依然減少最多為2 029.63 km2，碳儲量減少4.02 Mt；建設(shè)用地面積增加最多998.19 km2，碳儲量增加1.64 Mt；針葉林轉(zhuǎn)化增加的碳儲量最多為31.24 Mt，面積增加了26.37 km2；草甸依舊無明顯變化，碳儲量增加0.26 Mt。裸地10 a共減少了16.40 km2，共減少0.04 Mt碳儲量。由此可見，重慶市固碳能力較強(qiáng)的是耕地與闊葉林，固碳能力較弱的是裸地。盡管固碳能力較強(qiáng)的耕地面積大量減少，相對較多的建設(shè)用地面積大量增加，由于大部分土地利用類型固碳能力隨著時間增強(qiáng)即碳密度增加，因此碳總量持續(xù)增長。耕地雖然大量減少，并不代表碳總量會減少。

圖52000-2005年碳儲量變化圖62005年碳經(jīng)濟(jì)價值分布

圖72010年碳儲量分布圖82005-2010年碳儲量變化

把碳儲量數(shù)據(jù)與土地利用類型圖結(jié)合，可算出不同土地利用類型單位面積碳儲量。根據(jù)建設(shè)用地的面積變化，計算出因建設(shè)用地擴(kuò)張影響的碳儲量變化，見表8。

2000-2005年建設(shè)用地因轉(zhuǎn)化為其他用地類型而增加的碳儲量為14 207.47 t，因擴(kuò)張占用其他用地類型而減少的碳儲量為564 098.35 t，凈損失碳儲量549 890.88 t。在建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為其他用地類型的過程中，水體是主要的碳儲量貢獻(xiàn)者，提供了10 581.52 t碳儲量，其次是園地2 622.71 t；在建設(shè)用地擴(kuò)張過程中，占用闊葉林導(dǎo)致碳儲量減少404 931.15 t碳儲量，占總損失的72%，其次是耕地128 691.17 t。2005—2010年建設(shè)用地在轉(zhuǎn)化為其他用地增加的碳儲量依次為園地2 223.28 t、水體1 883.62 t、耕地1 537.11 t、闊葉林1 437.54 t，共增長了7 081.55 t碳儲量。而擴(kuò)張造成的碳儲量損失最多的為闊葉林580 475.70 t，其次是耕地341 934.89 t、針葉林107 698.76 t，共造成1 177 063.73 t碳儲量減少，碳儲量凈損失達(dá)到1 169 982.18 t?？梢?，建設(shè)用地擴(kuò)張過程中，碳損失的主要來源為耕地及闊葉林，其次是針葉林、草原、草地等。

圖9　2010年碳經(jīng)濟(jì)價值分布

類型2000—2005年面積/km2碳儲量/Mt2005—2010年面積/km2碳儲量/Mt草甸00.0700.26草原、草地78.695.21-16.709.12耕地-1331.4915.17-2029.63-4.02建設(shè)用地507.391.12998.191.64闊葉林-2.6413.15387.0844.90裸地-9.78-0.02-6.52-0.02其他林地-11.861.850.751.05水體410.371.45248.930.53園地221.021.33384.041.32針闊混交林3.520.613.103.08針葉林134.80-9.1526.3731.24總計030.80089.10

表8　建設(shè)用地變化對碳儲量的影響　t

3　結(jié)論與討論

重慶市建設(shè)用地擴(kuò)張進(jìn)程加快，共增長1 505.58 km2，建設(shè)用地主要是由西部中心，逐漸向四周擴(kuò)張，且增長速率加快。2000—2005年建設(shè)用地面積增長最多為507.39 km2，其碳儲量增加1.12 Mt；但由于占用其他用地類型使得總碳儲量減少了549 890.88 t；2005—2010年，碳儲量增長89.10 Mt，建設(shè)用地由1 097.27 km2，增長了998.19 km2，造成碳凈損失1.19 Mt；其中，兩段時期耕地以及闊葉林被占用面積分別達(dá)到建設(shè)用地增長面積的96.6%和90.9%。因此建設(shè)用地占用耕地以及闊葉林是主要的擴(kuò)張形式。

總體來看，重慶市從2000—2010年碳儲量呈現(xiàn)增長的趨勢，耕地與闊葉林固碳能力最強(qiáng)，累計貢獻(xiàn)占50%以上。只有裸地的碳儲量持續(xù)減少，固碳能力最弱。建設(shè)用地固碳能力一般，由西部中心向四周加速擴(kuò)張，侵占大量的耕地與闊葉林，對重慶市固碳水平具有抑制作用。選擇固碳能力較弱的草甸及裸地，作為建設(shè)用地擴(kuò)張的主要目標(biāo)，即穩(wěn)固了固碳能力或減少碳儲量的損失，又不影響城市化的推進(jìn)。

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