基于InVEST模型的祁連山國家公園碳儲量時空分布研究

鄧 喆, 丁文廣, 蒲曉婷, 呂泳潔, 王亞麗

(蘭州大學 資源環(huán)境學院, 甘肅省西部環(huán)境教育部重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000)

全球氣候變化日益嚴重，威脅著人類的可持續(xù)發(fā)展。陸地生態(tài)碳儲量作為全球碳儲量的一部分，在減緩溫室效應和調(diào)節(jié)氣候變化方面發(fā)揮著至關重要的作用[1]。土地利用變化是決定陸地生態(tài)碳儲量和影響碳循環(huán)的重要因素[2]，它通過改變地球表面的生物地球化學過程及其能量流動和物質(zhì)循環(huán)[3]，進而改變植被和土壤的固碳能力，使陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其分布格局發(fā)生變化。自工業(yè)革命以來，化石燃料燃燒、森林資源破壞、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市垃圾處理等人類活動極大程度地改變了土地利用方式[4]，土地利用變化每年導致的碳排放量約為4.30×109t[5]。因此，研究土地利用變化與陸地生態(tài)碳儲量之間的響應關系，對維持區(qū)域碳循環(huán)的平衡與穩(wěn)定有重要意義。

目前已有大量研究基于通量觀測、野外調(diào)查和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析等方法計算碳儲量，但此類方法存在空間代表性不足、野外調(diào)查樣本數(shù)據(jù)有限、儀器設備費用昂貴等缺點[6]。為解決上述問題，CEVSA，BIOME-BGC，CENTURY等生物地球化學模型逐漸被廣泛應用于陸地生態(tài)碳儲量的估算，如亓偉偉等[7]運用BIOME-BGC模型模擬增溫1.2～1.7 ℃下青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)碳通量的變化，結(jié)果表明短期增溫導致系統(tǒng)凈碳固定增加29.6%。雖然此類模型在一定范圍內(nèi)具有模擬精度高的優(yōu)點，但其參數(shù)輸入復雜、通用性差等缺點限制其應用。相較于以上估算方法，InVEST(integrated valuation of ecosystem services and trade-offs)模型具有數(shù)據(jù)參數(shù)需求少、運行速度快，碳儲量時空分布與動態(tài)變化可視化的特點[8]，可長時序、大尺度地反映土地利用變化與碳儲量之間的關系，揭示了自然和人類活動對碳儲量的影響關系。劉曉娟等[9]基于FLUS-InVEST耦合模型模擬了不同代表性濃度路徑情景下2100年中國土地利用變化對碳儲量的影響；劉冠等[10]運用InVEST模型估算了1999—2016年陜西省麻塔流域經(jīng)濟果林建設過程中區(qū)域碳儲量的變化，并分析了坡度、坡向、坡位對碳儲量時空分布的影響。Zhu等[11]利用CA-Markov-InVEST耦合模型對中國西北干旱區(qū)1990—2020年和2020—2050年生態(tài)系統(tǒng)碳儲量進行評估和預測，分析并討論區(qū)域土地利用變化對陸地生態(tài)碳儲量的影響。

祁連山國家公園是中國首批國家公園試點之一，含有森林、草原、冰川、濕地等多種生態(tài)系統(tǒng)，具有巨大的固碳潛力。然而，自20世紀50年代以來過度放牧、森林砍伐、礦產(chǎn)資源開發(fā)、水電站建設、旅游開發(fā)等人類活動的增加，導致祁連山地區(qū)生態(tài)破壞嚴重[12]。付建新等[13]研究發(fā)現(xiàn)1980—2015年祁連山南坡草地、林地與水域呈現(xiàn)減少趨勢，耕地、建設用地與未利用地呈現(xiàn)增加趨勢，土地利用轉(zhuǎn)移以水域和未利用地之間的轉(zhuǎn)化為主。張赫林等[14]基于1986—2015年的Landsat時間序列數(shù)據(jù)，采用光譜擴展與決策樹分類方法得出祁連山地區(qū)耕地、林地和草地面積總體下降，且草地破碎化、土地荒漠化程度加劇。為保護祁連山生態(tài)環(huán)境安全，國家相應實施了“草原生態(tài)保護補助獎勵機制”“草地承包制度”“退耕還林”“天然林保護工程”等一系列生態(tài)工程和土地管理政策，使祁連山土地利用發(fā)生了顯著變化。因此，分析祁連山國家公園不同歷史時期土地利用變化狀況，并探索其對碳儲量的影響，對逐步優(yōu)化國家公園土地利用結(jié)構(gòu)、增加區(qū)域碳儲量極具必要性。鑒于此，本研究選取未設立任何自然保護區(qū)時間(1980年)、祁連山國家級自然保護區(qū)建立時間(1990年)、生態(tài)保護成效初現(xiàn)時間(2000年)、生態(tài)保護成效鞏固時間(2010年)和祁連山國家公園成立時間時期(2018年)5個時間節(jié)點，在明確祁連山國家公園1980—2018年土地利用變化過程的基礎上，基于InVEST模型研究國家公園陸地生態(tài)碳儲量的時空分布特征，以期為國家公園生態(tài)價值提升、生態(tài)工程及土地管理政策調(diào)整提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

祁連山國家公園位于中國西北地區(qū)，橫跨甘肅省和青海省(36°47′—39°48′N，94°51′—103°00′E)，總面積為5.02×106hm2，其中甘肅和青海片區(qū)的面積分別為3.44×106hm2和1.58×106hm2，占國家公園總面積的68.53%和31.47%，公園內(nèi)劃分為核心保護區(qū)和一般控制區(qū)，分別占國家公園面積的55%和45%。氣候類型為高原大陸性氣候，年平均氣溫約4 ℃，年平均降雨量約400 mm，具有太陽輻射強、晝夜溫差大的特點。水資源豐富，高海拔山區(qū)以冰凍圈(現(xiàn)代冰川、凍土和季節(jié)性積雪)為主要覆地，是黑河、八寶河、托勒河、疏勒河、黨河、石羊河、大通河等河流的發(fā)源地，因此被稱為“固體水塔”。植被分布具有明顯的經(jīng)度地帶性和垂直地帶性，廣泛分布著森林、草原、灌叢、草甸、墊狀植被、沼澤和水生植被等多種植被類型(圖1)。

圖1 祁連山國家公園概況

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

2.1.1 土地利用動態(tài)分析 本研究選取1980，1990，2000，2010，2018年5期土地利用數(shù)據(jù)，采用土地轉(zhuǎn)移矩陣計算相鄰兩時間節(jié)點(即1980—1990，1990—2000，2000—2010，2010—2018)的土地轉(zhuǎn)移方向以及轉(zhuǎn)移面積，統(tǒng)計相應時段各土地利用動態(tài)指數(shù)和土地利用重要性指數(shù)，定量化描述祁連山國家公園1980—2018年土地利用變化的方向和強度。

土地利用單一動態(tài)指數(shù)是研究區(qū)內(nèi)某一土地利用類型在一定時間范圍內(nèi)的數(shù)量變化，反映一定時間段內(nèi)某土地類型的變化速率[15]。其計算公式如下：

(1)

式中：K為某種土地利用類型的單一動態(tài)指數(shù);Ua和Ub分別為研究初期和研究末期某種土地利用類型的數(shù)量;T為研究期。

土地利用綜合動態(tài)指數(shù)是指研究區(qū)一定時間內(nèi)土地利用變化的強度[16]。其計算公式如下：

(2)

式中：Ktotal為某時期的土地利用綜合動態(tài)指數(shù);Ui為研究初期的i類土地利用類型面積; ΔUi-j為研究期內(nèi)i類土地利用類型轉(zhuǎn)換為非i類土地利用類型面積的絕對值。

土地利用變化重要性指數(shù)用于篩選土地利用變化過程中主要的土地變化類型[17]。該指數(shù)越大，相應的土地利用類型在土地利用變化中更為重要，主導性更強。其計算公式如下：

(3)

(4)

式中：Di為i類土地利用類型的土地利用變化重要性指數(shù)，取值為0～1。Ai為i類土地利用類型的變化面積;A為研究區(qū)一定時期內(nèi)所有土地利用變化面積的總和。

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣主要分析各土地利用類型的變化方向(研究期初各土地利用類型的流向和期末各土地利用類型的來源)，以便更好地理解土地利用的時空演變過程[18]。其計算公式如下，

(5)

2.1.2 InVEST模型 InVEST模型(integrated valuation of ecosystem services and trade-offs)由美國斯坦福大學、大自然保護協(xié)會(TNC)與世界自然基金會(WWF)聯(lián)合開發(fā)，用于模擬不同土地利用情景下生態(tài)系統(tǒng)服務功能的變化，旨在為決策者權衡人類活動的效益和影響提供科學依據(jù)。InVEST模型中的Carbon模塊將生態(tài)系統(tǒng)碳儲量劃分為4個基本碳庫，即地上生物碳(土壤以上所有存活植物中的碳)、地下生物碳(植物活根系統(tǒng)中的碳)、土壤碳(礦質(zhì)土壤和有機土壤中的有機碳)和死亡有機碳(凋落物、枯木和垃圾中的碳)。碳儲量是由各土地利用類型4個碳庫的平均碳密度乘以相應的土地面積計算所得。其計算公式如下：

C=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(6)

(7)

式中：C為某土地利用類型單位面積碳儲量之和(t);Cabove為地上生物量的碳密度(t/hm2);Cbelow為地下生物量的碳密度(t/hm2);Csoil為土壤有機碳密度(t/hm2);Cdead為死亡有機物碳密度(t/hm2);Ak為某土地利用類型面積(hm2);Ctotal為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲量(t)。

2.2 數(shù)據(jù)來源

2.2.1 土地利用數(shù)據(jù) 土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/data)，包括6個一級類和26個二級類，分辨率為30 m×30 m。根據(jù)祁連山國家公園的實際土地利用情況，研究區(qū)內(nèi)無水田、灘涂、城鎮(zhèn)用地，因此二級類型分為21類(表1)。本研究經(jīng)重分類處理后將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6類，裁剪后得到1980，1990，2000，2010，2018年5期祁連山國家公園土地利用類型分布圖(圖2)。

圖2 1980—2018年祁連山國家公園土地利用分布

2.2.2 碳密度數(shù)據(jù) InVEST模型Carbon模塊在計算過程中進行了簡化，其假設某一土地利用類型的碳密度不隨著時間發(fā)展而變化。本研究所使用的碳密度數(shù)據(jù)從已有研究文獻中獲得(表2)。由于碳密度隨區(qū)域而變化，為了保證模擬精度，碳密度參數(shù)選取圍繞西北地區(qū)，主要集中在黑河和疏勒河流域附近。另外，研究區(qū)建設用地主要用于礦產(chǎn)資源開采和水電站建設，地表硬化，因此將其碳密度視為0。

表2 祁連山國家公園土地利用類型碳密度(以C計)

3 結(jié)果與分析

3.1 1980—2018年祁連山國家公園土地利用變化分析

3.1.1 變化幅度分析 為定量分析祁連山國家公園1980—2018年的土地利用變化幅度，本研究對各土地利用類型的面積和比例變化進行了統(tǒng)計，結(jié)果見表3。草地是祁連山國家公園主要的土地利用類型，約占研究區(qū)面積的42.96%，未利用地面積略小于草地，其次是林地、水域、耕地和建設用地，耕地和建設用地面積之和僅占研究區(qū)總面積的0.34%。1980—2018年祁連山國家公園土地利用類型面積整體呈現(xiàn)為“3增3減”的變化特征，即林地、水域、建設用地面積增加，耕地、草地、未利用地面積減少。相較于1980年，2018年林地面積增加2 469.87 hm2，增幅為0.40%；水域面積增加78 021.54 hm2，增幅為77.07%；建設用地面積增加108.36 hm2，增幅為13.49%；耕地面積僅減少43.83 hm2，降幅為0.27%；草地面積減少19 626.03 hm2，降幅為0.91%；未利用地面積減少高達66 170.52 hm2，降幅為3.12%。另外，1980—2018年研究區(qū)土地利用綜合動態(tài)指數(shù)由0.002增加至0.802(表4)，表明土地利用結(jié)構(gòu)和土地利用方式變化明顯，尤其2000年后不同土地利用類型間相互轉(zhuǎn)化愈加復雜和活躍。發(fā)生變化的土地利用面積為5.90×105hm2，占國家公園總面積的11.77%。其中，未利用地、草地和林地是轉(zhuǎn)化最為頻繁的土地利用類型，累計變化面積占總變化面積的96.59%(表5)。

表3 1980—2018祁連山國家公園土地利用類型變化

3.1.2 變化方向和變化強度分析 為進一步研究祁連山國家公園1980—2018年土地利用類型轉(zhuǎn)化方向和變化強度，本研究對各土地利用類型的土地利用動態(tài)指數(shù)和土地利用變化重要性指數(shù)進行了分析，結(jié)果見表4，土地轉(zhuǎn)移矩陣見表5。

表4 1980—2018祁連山國家公園土地利用動態(tài)指數(shù)

表5 1980—2018年祁連山國家公園土地利用面積轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

(1) 耕地面積呈現(xiàn)“減少—增加—快速增加—快速減少”的變化特點。耕地向林地和草地轉(zhuǎn)化是其面積減少的主要原因，分別占耕地面積轉(zhuǎn)出量的32.13%和62.34%，這主要是因為“退耕還林還草(1999年)”和“牧草良種補貼(2011年)”政策的實施，政府鼓勵牧區(qū)有條件的地方開展人工種草以減輕草原生態(tài)壓力，增強飼草供應能力。

(2) 林地面積呈現(xiàn)“減少—增加—快速增加”的變化特點。2000年后林地面積逐步增加，且2010—2018年增加速度最快，其土地利用單一動態(tài)指數(shù)為歷史最高值(0.049%)，主要由草地和未利用地轉(zhuǎn)入，分別占林地轉(zhuǎn)入量的78.15%和17.61%，這是因為國家大力投資林業(yè)建設工程，包括退耕還林工程(1999年)、天然林保護工程(2000年)、三北防護林工程(1978年)等。祁連山地區(qū)2000—2010年實施天然林保護工程后森林覆蓋率增長了1.3%，活力木儲蓄增加了2.12×106m3[21]。

(3) 草地面積呈現(xiàn)“減少—增加—快速減少”的變化特點。1980—1990年草地面積減少973.53 hm2，其土地利用單一動態(tài)指數(shù)(-0.005%)和土地利用重要性指數(shù)(0.465)表明草地是該時期變化較為重要的土地利用類型，初步呈現(xiàn)退化的趨勢。2010—2018年草地面積迅速減少，其土地利用單一動態(tài)指數(shù)(-0.112%)和土地利用重要性指數(shù)(0.553)上升。從轉(zhuǎn)移方向上看，1980—2018年草地主要轉(zhuǎn)出為林地和未利用地，分別占草地轉(zhuǎn)出量的30.61%和65.52%，表明草地退化程度逐步加深，草地趨于荒漠化、石漠化和鹽漬化。20世紀80年代初草原地區(qū)開始實施“承包責任制”，承包、圍封和過度放牧導致草地破碎化，草原植被覆蓋面積下降[22]。隨后出臺的“草原禁牧與草畜平衡制度(2005年)”“生態(tài)移民”等政策忽視了草畜平衡和草場資源分布之間的矛盾，超載過牧、偷牧等行為持續(xù)影響草原退化。總體而言，人類活動和政策干擾是草地退化的重要原因之一。

(4) 水域面積總體呈現(xiàn)“增加—減少—快速增加”的變化特點，主要由未利用地轉(zhuǎn)入，轉(zhuǎn)入的未利用地占水域轉(zhuǎn)入量的91.24%。祁連山冰川過去50 a呈現(xiàn)物質(zhì)虧損和退縮減薄的狀態(tài)，根據(jù)對疏勒河徑流模擬發(fā)現(xiàn)過去40 a冰川融水對徑流的平均貢獻率為23.60%[23]，因此冰川消融產(chǎn)生的水文效應可能是水域面積增加的原因之一。

(5) 建設用地面積呈現(xiàn)為“增加—減少—快速增加”的變化特點。主要由耕地、草地和林地轉(zhuǎn)入，分別占建設用地轉(zhuǎn)入量的18.67%，16.33%和50.59%，表明研究區(qū)內(nèi)部分項目建設以侵占耕地，破壞林地和草地為代價。特別是2010—2018年建設用地面積激增198.90 hm2，其土地利用單一動態(tài)指數(shù)為同期土地利用類型中的最高值(3.488%)，表明該時期國家公園內(nèi)的人類活動逐漸增加。祁連山國家公園自然資源豐富，礦產(chǎn)無序開采、旅游過度開發(fā)及水電站建設所帶來的經(jīng)濟利益加速了建設用地面積的擴張。

(6) 未利用地面積呈現(xiàn)為“輕微增加—減少—輕微增加”的變化特點，總體呈下降趨勢，2000—2010年下降速度最快。從轉(zhuǎn)移方向上來看，未利用地主要轉(zhuǎn)為林地、草地和水域。同期，林地和草地是轉(zhuǎn)為未利用地的主要土地利用類型，但未利用地轉(zhuǎn)出為林地和草地的面積小于林地和草地轉(zhuǎn)入的面積，表明林地、草地和未利用地之前相互轉(zhuǎn)化較為頻繁，且植被覆蓋面積逐漸增加。

3.2 祁連山國家公園碳儲量時空分布特征

從數(shù)量上來看(圖3)，祁連山國家公園1980,1990,2000,2010,2018年的碳儲量分別為9.07×108，9.07×108，9.07×108，9.16×108，9.17×108t，呈現(xiàn)“先減后增”的趨勢，可將碳儲量變化分為3個階段，即輕微下降—快速增長—緩慢增長，總計增加9.87×106t。具體表現(xiàn)為，1980—2000年碳儲量下降了7.39×104t，降幅僅為0.01%；2000—2010年碳儲量增長速度較快，增加了8.97×106t，增幅為0.99%；2010—2018年碳儲量增加了9.70×105t，增幅為0.11%，即2000—2010年碳儲量的增加速度是2010—2018年的9倍。

圖3 1980—2018年祁連山國家公園碳儲量變化趨勢

由土地利用類型(圖4)可知，草地是最主要的碳庫，其碳儲量約占區(qū)域總碳儲量的37.02%，其次是林地(32.41%)、未利用地(26.87%)、水域(3.57%)和耕地 (小于1%)。

圖4 祁連山國家公園各土地利用類型碳儲量比例分布

各時間點上不同土地利用類型的碳儲量比例結(jié)構(gòu)總體上未發(fā)生明顯變化，但2000年后比例變化趨勢略有不同，其中水域碳儲量比例增加，而林地、草地和未利用地的碳儲量比例有所下降。統(tǒng)計表明，雖然未利用地碳儲量比例與草地碳儲量比例相差-8.16%，具有較差的固碳能力，但因其占地面積較大，仍是國家公園重要的碳庫之一。

從空間分布上看(圖5)，1980—2018年祁連山國家公園碳儲量空間分布呈現(xiàn)出大致相同的格局，具體表現(xiàn)為沿祁連山脈東南走向碳儲量逐步增加，呈現(xiàn)出“西低東高”的格局。碳儲量低值區(qū)域主要集中分布在研究區(qū)西段和中段西側(cè)，碳儲量高值區(qū)域集中分布在研究區(qū)東段和中段東側(cè)，而碳儲量中值則零散分布于研究區(qū)西段。這種空間分布格局與祁連山國家公園土地利用類型及植被分布狀況有一定的聯(lián)系，即碳儲量高值區(qū)主要地類以林地為主，低值區(qū)主要地類為未利用地，而碳儲量中值區(qū)域相應的土地類型為水域。從空間變化上看(圖6)，1980—2000年祁連山國家公園碳儲量空間格局變化不大。2000—2010年碳儲量變化區(qū)域具有零星分布的特點，碳儲量顯著增加的區(qū)域主要分布在研究區(qū)西段東南側(cè)和中段北側(cè)，這一時期水域面積擴張劇烈，大面積的未利用地轉(zhuǎn)為水域；而碳儲量顯著下降的區(qū)域分布在研究區(qū)西段北側(cè)和中段南側(cè)，主要是因為該區(qū)域草地退化轉(zhuǎn)為未利用地。2010—2018年，研究區(qū)土地利用變化劇烈，導致碳儲量空間格局整體波動。

圖5 1980—2018年祁連山國家公園碳儲量分布特征

圖6 1980—2018年祁連山國家公園碳儲量時空變化分布特征

3.3 土地利用變化對碳儲量的影響

由于不同土地利用類型間轉(zhuǎn)移面積、土壤和植被碳密度不同，土地利用變化對碳儲量的影響也不同，碳儲量變化情況見表6。耕地轉(zhuǎn)出導致碳儲量增加8.34×105t，主要是因為退耕還林政策及人工種草技術使大面積耕地轉(zhuǎn)為碳密度更高的林地和草地，植被面積逐漸擴大，有利于碳儲量的增加。林地具有較強的固碳能力，其碳密度是本研究所有土地利用類型中的最大值，因此林地轉(zhuǎn)出為任何土地利用類型都不利于碳儲量的封存。林地轉(zhuǎn)出所減少的碳儲量為2.95×107t，占碳儲量總減量的78.46%。而增加的林地主要由草地和未利用地轉(zhuǎn)入，使碳儲量分別增加2.34×107t和5.92×106t，共占碳儲量總增量的60.70%。草地呈“減少—增加—快速減少”波動變化，整體表現(xiàn)出草地退化趨勢，但草地轉(zhuǎn)出卻使碳儲量增加了1.74×107t。這是因為草地轉(zhuǎn)為碳密度更高的林地和水域，且轉(zhuǎn)移面積較大，導致碳儲量的減少量小于增加量。水域是面積漲幅最大的土地利用類型，主要由未利用地轉(zhuǎn)入，未利用地的轉(zhuǎn)入使碳儲量增加了1.14×107t，占碳儲量總增量的23.60%。建設用地面積呈現(xiàn)為“增加—減少—快速增加”，主要由耕地，林地和草地轉(zhuǎn)入。

表6 1980—2018年祁連山國家公園土地利用類型變化及其引起的碳儲量變化

本研究將建設用地的碳密度設為0，因此建設用地轉(zhuǎn)為其他土地利用類型有利于碳儲量的增加，共計增加了8.13×104t。而耕地、林地和草地轉(zhuǎn)為建設用地使碳儲量分別減少了7.29×103t，3.99×104t和4.07×104t，三者之和卻僅占碳儲量總減量的0.23%，主要是因為建設用地的面積比例過小。未利用地面積總體呈現(xiàn)減少趨勢，其轉(zhuǎn)出為其他土地利用類型使碳儲量增加了2.29×107t，轉(zhuǎn)為林地、草地和水域所增加的碳儲量遠大于其轉(zhuǎn)為耕地、建設所減少的碳儲量。

盡管祁連山國家公園生態(tài)環(huán)境由“遭受嚴重破壞”逐漸過渡到“有序恢復”，但其仍是保障西部生態(tài)安全的巨大碳庫。1980—2018年土地利用變化導致祁連山國家公園碳儲量總體增加9.87×106t。生態(tài)系統(tǒng)的正向演變(耕地、草地和未利用地轉(zhuǎn)為林地，耕地和未利用地轉(zhuǎn)為草地，未利用地轉(zhuǎn)為水域)造成的碳儲量增量為4.71×107t，占碳儲量總增量的97.52%，而生態(tài)系統(tǒng)逆向演變(林地轉(zhuǎn)出、草地轉(zhuǎn)為未利用地、耕地和草地轉(zhuǎn)為建設用地)造成的碳儲量減量為3.57×107t，占碳儲量總減量的95.21%。由此可見，1980—2018年祁連山國家公園碳儲量增加主要是因為生態(tài)系統(tǒng)正向演變使得碳密度較高的土地利用類型面積增大，植被覆蓋面積增加，土壤和植被地上、地下碳儲量增加。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

4.1.1 碳儲量時空變化及其影響因素 陸地生態(tài)系統(tǒng)是世界上最大的碳庫，受不同土地利用類型碳密度影響，區(qū)域土地利用格局變化必然影響陸地生態(tài)碳儲量的時空分布，不少學者已對土地利用變化和生態(tài)系統(tǒng)碳儲量之間的關系進行了研究[24-25]。本研究將土地利用動態(tài)變化和InVEST模型相結(jié)合，分析1980—2018年祁連山國家公園生態(tài)破壞和生態(tài)恢復前后的土地利用變化，評估土地利用變化對陸地生態(tài)碳儲量的影響。研究表明，1980—2018年祁連山國家公園碳儲量呈現(xiàn)“先減后增”的趨勢，2000年后增幅較大且增速較快，總計增加了9.87×106t，一定程度上反映了祁連山國家公園生態(tài)恢復措施有利于碳儲量的積累，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能逐步增強。自20世紀80年代，研究區(qū)陸續(xù)實施“草原承包政策”“草原禁牧與草畜平衡制度”“草原生態(tài)保護補助獎勵機制”“退耕還林”“退牧還草”“天然林保護工程”“三北防護林”等一系列生態(tài)工程和土地管理政策，促進生態(tài)系統(tǒng)的正向演變(耕地、草地和未利用地轉(zhuǎn)為林地，耕地和未利用地轉(zhuǎn)為草地，未利用地轉(zhuǎn)為水域)，使碳密度較低的土地利用類型轉(zhuǎn)為碳密度較高的土地利用類型，增加植被覆蓋面積，從而增加區(qū)域碳儲量。這與部分學者的研究結(jié)果一致。Deng等[26]認為2000—2010年全球碳匯中退耕還林工程貢獻了約25%的生物碳儲量，可抵消我國2010年3%～5%的碳排放量。鄧蕾[27]認為黃土高原生態(tài)系統(tǒng)長期植被恢復顯著提高生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及固碳潛力。Zhao等[20]認為黑河上游流域生態(tài)工程的實施使土地利用類型轉(zhuǎn)為高碳密度的林地和濕地，預測2015—2029年生態(tài)工程的實施將增加10.27×109t的碳儲量。因此，生態(tài)工程、土地管理政策，以及自然保護區(qū)生態(tài)管理引起的土地利用變化可以維持并增加碳儲量。另外，本研究結(jié)果表明其他土地利用類型轉(zhuǎn)為建設用地時會導致陸地生態(tài)碳儲量減少，這與Zhu等[28]、楊皓然等[29]的研究結(jié)果一致。Zhu等[28]研究表明改革開放以來浙江省經(jīng)濟快速發(fā)展，建設用地大面積侵占耕地和草地，導致1990—2010年碳儲量減少17.5×109t。楊皓然等[29]認為土地利用轉(zhuǎn)型導致CO2過度排放及能源過度消耗，多數(shù)城市存在生態(tài)低效率問題。由此可見，不同轉(zhuǎn)移方向的土地利用變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響效果具有兩面性。

結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)正向演變下土地利用變化對碳儲量的影響可知，祁連山國家公園未來應繼續(xù)實施和鞏固天然林保護、退牧還草、退耕還林還草等生態(tài)工程，促進建設用地和未利用地向林地、草地的轉(zhuǎn)變。同時，公園未來發(fā)展更需注重草地資源保護，通過圍欄封育、草畜平衡措施、生物侵害防治、人工種草等方式對重度退化草地精準修復以減輕草地生態(tài)壓力。

4.1.2 不確定性分析 ①InVEST模型在計算碳儲量時具有一定的局限性。模型中土地利用變化是影響碳儲量的唯一因素，忽略了碳密度年際變化帶來的影響。而碳密度受氣候、地形、水文、氮沉降、土壤類型、土壤呼吸速率、植被類型等多個條件的影響[30]。②土地利用監(jiān)測數(shù)據(jù)精度難以保證。雖然本研究的土地利用數(shù)據(jù)統(tǒng)一來源于中科院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心，但是隨著遙感技術的發(fā)展Landsat影像在1980—2018年時間段傳感器經(jīng)歷多次升級，其波段等關鍵參數(shù)發(fā)生較大變化，再加上不同解譯人員的主觀性，不同時間節(jié)點的數(shù)據(jù)精度存在差異。③InVEST模型計算忽略了各生態(tài)工程和土地管理政策理論和方法上的缺陷對區(qū)域生態(tài)效益造成的負面影響。祁連山國家級自然保護區(qū)開啟天然林保護工程后，人工林面積持續(xù)增加，但由于缺乏必要的人為干擾和管理，人工林存在密度過大、生態(tài)效益低等問題[31]。禁牧政策的長期實施破壞草原生態(tài)系統(tǒng)平衡，導致草地生物多樣性和生物量下降，造成草原資源浪費和草地持續(xù)退化[32]。Zhou等[33]研究表明，禁牧5 a后應適度耕作、修剪和季節(jié)性禁牧、放牧，以減緩草地退化。

雖然InVEST模型存在一定的不確定性，但其運算結(jié)果清晰地反映了祁連山國家公園1980—2018年碳儲量的時空變化，碳儲量作為生態(tài)系統(tǒng)服務功能之一，一定程度上能夠反映研究區(qū)生態(tài)恢復情況。因此，在以后的研究中需加強以下方面的工作： ①實地監(jiān)測各土地利用類型的碳密度，考慮林木生長過程中的年度碳儲量增量，多角度綜合修正InVEST模型； ②采用高分辨率影像作為土地利用分類基礎數(shù)據(jù)，細化土地利用類型的分類，尤其祁連山國家公園草地占地面積最大，可按照草地植被覆蓋度分為高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地，提高碳儲量計算精度； ③隨著祁連山國家公園各生態(tài)工程和土地管理政策的實施，未來可對不同政策情景下的土地利用變化進行模擬和預測，科學評價不同政策實施的合理性，分析其對社會、經(jīng)濟、生態(tài)、文化等方面的影響，為調(diào)整政策內(nèi)容提供科學依據(jù)。

4.2 結(jié) 論

本研究將土地利用動態(tài)變化和InVEST模型聯(lián)系，評估祁連山國家公園1980—2018年碳儲量時空變化，分析了土地利用變化對區(qū)域碳儲量的影響，得出以下結(jié)論。

(1) 祁連山國家公園1980，1990，2000，2010，2018年的碳儲量分別為9.07×108，9.07×108，9.07×108，9.16×108，9.17×108t，呈現(xiàn)“先減后增”的趨勢，總體增加了9.87×106t。

(2) 祁連山國家公園碳儲量空間分布特征顯著，與土地利用類型有一定聯(lián)系。碳儲量較高的地區(qū)主要集中在公園東段和中段東側(cè)，以林地為主；碳儲量較低的地區(qū)主要集中在公園西段和中段西側(cè)，以未利用地為主。

(3) 生態(tài)系統(tǒng)的正向演變(耕地、草地和未利用地轉(zhuǎn)為林地，耕地和未利用地轉(zhuǎn)為草地，未利用地轉(zhuǎn)為水域)所造成的碳儲量增量為4.71×107t，占碳儲量總增量的97.52%，主要是因為碳密度較高的土地利用類型面積比例增加，植被覆蓋面積增加，提高了土壤和植被碳儲量，進而使整個國家公園碳儲量 增加。