基于InVEST模型的生态系统碳储量时空变化解析———以毕节市中心城区为例
费家驹，汪磊*（毕节市七星关区毕绿生态绿色产业发展有限公司，贵州毕节551700）
摘要：以贵州省毕节市中心城区为研究区，利用InVEST模型，探究研究区近30年生态系统固碳能力时空变化，为科学利用土地/发挥生态系统效益提供决策参考。研究表明，近30年来，研究区土地利用面积发生显著变化，其中，耕地净减少量132.89km2、林地净增加量88.69km2；1992年、2002年、2012年及2022年总碳储量和碳密度分别为27.33×106t、27.56×106t、27.70×106t、28.33×106t和182.73t/hm2、184.27t/hm2、185.20t/hm2、189.41t/hm2；1992－2022年总碳储量增加1.81×106t、平均每年增加0.06×106t，碳密度增加6.68t/hm2、平均每年增加0.22t/hm2；林地、草地和建设用地的碳储量分别增加2.26×106t、0.36×106t、0.18×106t，耕地碳储量减少1.8×106t。碳储量空间分布从内向外呈现“高—中—高”的环状趋势。
土地利用变化会对生态系统结构、功能和碳储量产生影响。毕节市作为国家改革发展试验区，依托国家政策、资金、项目的倾斜支持，近30年来社会经济发展较快，生态建设成绩喜人，但土地利用结构发生了一定变化。因此，研究近30年毕节市中心城区土地利用和碳储量的时空变化关系，对实现研究区合理利用国土空间、绿色高质量发展具有重要意义。
生态系统对碳元素的存留即为碳储量，用以衡量区域生态系统固碳能力。常用的碳储量估算方法存在使用区域有限或不能反映长期动态变化的问题[1-2]。InVEST是用以评估生态系统服务功能及经济价值，支持生态系统管理和决策的一套模型系统[3-4]，在国内外被广泛用于国家、区域、流域等多个尺度的空间规划、生态功能区划、生态补偿、资源环境承载力评估及气候变化等方面，是评估碳储量和固碳功能较为成熟的方法之一。很多学者运用InVEST模型法[4-9]研究碳储量时空分异，探索区域生态系统固碳能力和规律。例如，虎帅等[6]运用InVEST模型，分析了2000－2010年重庆市建设用地扩张的碳储量变化，提出了固碳能力较弱的草甸及裸地可作为建设用地选项。
刘咏梅等[7]运用InVEST模型，研究了长三角地区陆地生态系统固碳特征，提出推进城镇化要配套耕地保护措施和控制建设用地规模，少占用固碳能力较强的林地、耕地。丛文翠等[8]运用InVEST模型获取碳储量时空分布数据，以准确评估日照市固碳能力，认为应充分挖掘固碳能力较弱地区的固碳潜力。李成等[9]借助InVEST模型，以扬州市中心城区为例，研究了城市公园生态系统固碳、土壤保持及水源涵养等服务功能，能为城市公园建设后生态效益的提升提供新视角，也能探究城市发展对耕地、林地、草地及水域等生态系统服务功能的影响，从而为其他地区研究制定高质量城镇发展提供规划思路。
本研究以毕节市中心城区为研究区，采用InVEST模型法，分析了1992－2022年研究区土地利用情况及碳储量时空变化，以期为研究区科学规划土地利用、高效发挥生态系统固碳作用及促进绿色高质量发展提供参考。
1材料与方法
1.1研究区概况
毕节市中心城区位于乌蒙山腹地、川滇黔三省结合部，地处105°22′～105°26′E、27°12′～27°13′N，东起大方县安乐彝族仡佬族乡、慕俄格古城街道和六龙镇部分区域，西至七星关区田坝桥镇、长春堡镇、大新桥街道、三板桥街道，南起七星关区朱昌镇、岔河镇以及大方县文阁乡，北至七星关区八寨镇、海子街镇。属于典型的喀斯特岩溶山区，地质结构复杂，盆地、高原、河谷遍布其间，土壤以黄壤、黄棕壤等为主。域内降水充沛，年平均气温12.5℃，属于国家重点生态功能区，石漠化面积广，生态环境较为脆弱。
研究区总面积1495.67km2，占毕节市国土总面积的5.59%。海拔1110～2191m，中南部、中西部海拔在1500m以内，西部、西南部、东南部海拔普遍高于1900m（图1）。
1.2数据来源与处理
从地理空间数据云官网下载DEM（数字高程模型）数据，分辨率约30m。土地利用数据来源于武汉大学杨杰等[10]发布在知名平台Zenodo官网（https：//zenodo.org）上的“1985－2022年中国30m年度土地覆盖数据”，该数据集将全国的土地覆盖类型分为农田、森林、灌木、草原、水域、冰雪、裸地、不透水面及湿地9类，分辨率约30m，目前已更新至2022年。2022年11月8日，运用GIS软件，从毕节市人民政府官网《毕节市国土空间总体规划（2021－2035）》的空间规划图集中提取，获得毕节市中心城区边界范围。通过访问下载1992年、2002年、2012年、2022年4期数据，叠加研究区边界范围，获取研究区1992年、2002年、2012年、2022年4期土地利用数据，并综合参考有关研究和《国土空间调查、规划、用途管制用地用海分类指南》及《土地利用现状分类》（GB/T21010-2017），将研究区1992－2022年4期土地覆盖类型归并为耕地（农田）、林地（森林、灌木）、草地、水域、建设用地（不透水面）[11]5类，获得研究区4期土地利用栅格数据。
1.3研究方法
利用GIS技术处理研究区1992－2022年4期土地覆盖类型数据，获取土地利用状况及类型变化栅格，并根据土地利用转移矩阵反映不同土地利用类型转移方向。运用InVEST模型（生态系统服务和权衡的综合评估模型）3.14.1版本中的Carbon模块（碳储存和碳封存），计算研究区1992年、2002年、2012年、2022年不同土地利用类型的碳储量。将生态系统碳储量划分为地上生物碳、地下生物碳、土壤和死亡有机碳4个基本碳库[1-6]，并按以下公式计算碳储量。
式（1）中，i表示第i种土地利用类型；Ci表示第i种土地利用类型的碳密度（t/hm2）；Ctotal表示研究区总碳储量（t）；Ci，above、Ci，below、Ci，soil和Ci，dead分别表示第i种土地利用类型的地上碳密度、地下碳密度、土壤碳密度和死亡有机物碳密度（t/hm2）。
式（2）中，Ai表示第i种土地利用类型的总面积（hm2）[1-6，12-14]。式中需要的地上、地下、土壤及死亡有机质的碳密度参数，参考以往学者研究的成果[1-2，13]（见表1）。
2结果与分析
2.1毕节市中心城区土地利用时空变化分析
2.1.1不同时段土地利用结构变化。由图2、表2可知，1992年研究区土地利用以耕地、林地为主，分别占59.01%、39.86%；以草地、建设用地、水域及未利用地为辅，分别占0.58%、0.17%、0.11%、0%。2022年土地利用仍以耕地、林地为主，分别占50.13%、45.79%；以草地、建设用地、水域及未利用地为辅，分别占2.63%、1.30%、0.14%、0.01%。由此可见，1992－2022年研究区耕地减少8.88个百分点，而林地、草地、建设用地分别增加5.93个、2.05个、1.13个百分点，水域和未利用地也有所增加，但增幅不大。
同时，2002－2012年研究区林地增长量为13.67km2，同1992－2002年相比，林地增长放缓，可能与2002－2012年毕威高速、杭瑞高速（毕节段）、夏蓉高速等基建项目的实施征用林地有关。1992－2022年研究区耕地持续减少，这与城镇化发展挤占耕地空间、群众外出务工耕地丢荒等有关；而林地持续增加，这与当地政府坚持生态优先，大力推进退耕还林、荒山绿化、天然林保护和石漠化治理等林业生态建设工程密不可分。
2.1.2不同时段土地利用空间变化。由图1、图2可知，1992－2022年研究区耕地逐渐减少，林地、草地面积波动增长，建设用地持续扩张。北部和南部林地增加明显，与该区域海拔较高、地势起伏较大，建设用地扩张受限，人类活动影响相对较小以及生态保护成效较好等因素有关；西北部、中北部、东南部建设用地扩张明显，与该区域属于七星关区主城区、经济开发区和大方县城主城区，地势相对平缓连片、人口密度较大和商业经济活动较为频繁、城镇化程度高等有密切关联。草地增加主要集中在西部地区，与西部地区山高坡陡，草地资源丰富，当地政府大力支持草地修复治理，发展畜牧业有关。
2.1.3不同时段土地利用类型相互转化。由表3可知，1992－2022年研究区耕地、林地转化面积最大，草地和建设用地次之。耕地转出223.21km2，其中，转为林地172.36km2、草地33.63km2、建设用地16.34km2、水域0.67km2、未利用地0.21km2。由此可见，耕地以转出林地、草地和建设用地为主。林地转入178.27km2，其中，转自耕地172.36km2、草地5.74km2、水域0.17km2。草地增加38.00km2，其中，转自耕地33.63km2、林地4.36km2、水域0.01km2。建设用地转入16.92km2，其中，转自耕地16.34km2、林地0.12km2、草地0.45km2及水域0.01km2。水域、未利用地略有增加，但变化不明显。
2.2毕节市中心城区碳储量时空变化分析
2.2.1碳储量时间变化。由表4可知，研究区1992年、2022年、2012年、2022年碳储量分别为27.33×106t、27.56×106t、27.70×106t、28.33×106t；碳密度分别为182.73t/hm2、184.27t/hm2、185.20t/hm2、189.41t/hm2。生态系统碳储量及碳密度均在稳步增加，碳储量总量增加1.81×106t，年平均增加0.06×106t；碳密度增加6.68t/hm2，碳密度每年增加0.22t/hm2。说明研究区生态系统服务功能正在逐步改善。
2.2.2碳储量空间变化。通过GIS对InVEST模型计算出的栅格结果进行符号化技术处理，获得研究区碳储量空间变化分布情况。由图3可知，研究区边缘及中部偏北区域碳储量较高，这些区域海拔多在1700m以上，
或与森林植被富集、人为扰动较轻，且保护措施得当有关；中部区域碳储量较低，主要分布在海拔1500m以内的区域，该区域土地利用以耕地为主，且在1992－2022年逐渐出现较为分散的高碳储量地带，或与这一时段启动了新一轮退耕还林工程，陆续对满足条件的耕地进行植树造林有关。表明土地利用变化、植被覆盖能影响生态系统碳储量。
2.3毕节市中心城区碳储量对土地利用变化的响应
由图4可知，1992－2022年，研究区林地、草地及建设用地的增长，碳储量分别增加2.26×106t、0.36×106t及0.18×106t，但耕地资源变化则导致碳储量损失1.80×106t。2002－2012年研究区碳储量增加量为0.21×106t，与1992－2002年的0.25×106t和2012－2022年的0.72×106t相比，总碳储量的增加量有所下降。原因在于2002－2012年林地、草地面积的增长带来的碳储量增加不足以平衡城镇建设用地扩张导致的碳储量损失，尽管建设用地也带来了碳储量的增加，但不足以抵消耕地和林地变化导致的碳储量损失。
1992－2022年研究区北部、东部碳储量明显增加，而西北部、中部、东南部碳储量明显减少，与城市发展过程中的建设用地扩张成正比，但由于建设用地碳储量增加量低于林地、耕地及草地碳储量，导致碳储量整体下降；碳储量几乎无变化的区域位于南端及西北部边缘，海拔在1900m以上，尽管土地利用类型以林地为主，且保持稳定，但由于受海拔、水分和温度等因子影响，植被生长立地条件较差，其森林植被的生长量未明显反映碳储量增长，得益于严格的保护措施和较弱的人为活动干扰。总体来看，碳储量并未出现下降趋势。
3结论与讨论
本研究以毕节市中心城区为研究范围，采用In-VEST模型法、转移矩阵法，借助GIS软件，分析了研究区1992年、2002年、2012年以及2022年4期不同土地利用类型、碳储量变化及其响应，获得以下结论。
近30年来，研究区土地利用类型以耕地、林地为主，草地、建设用地、水域和未利用地较少。随着社会经济发展，有324.56km2的土地发生变化，碳储量随之发生变化，以耕地、林地变化最为明显。其中，耕地净减少132.89km2，林地、草地、建设用地、水域、未利用地分别净增加88.69km2、26.64km2、16.90km2、0.44km2、0.22km2，耕地减少导致碳储量损失1.80×106t，林地、草地、建设用地的扩张则带来碳储量分别增加2.26×106t、0.36×106t、0.18×106t。
与此同时，研究区总碳储量和碳密度均呈稳步上升趋势，其中，总碳储量增加1.81×106t，平均每年增加0.06×106t；碳密度6.68t/hm2，平均每年增加0.22t/hm2。碳储量空间分布从内向外呈“高—中—高”的环状趋势，与不同土地利用类型分布格局高度一致。说明研究区建立了一定的生态屏障，呈现出相对良好的生态格局。
建议研究区统筹国土空间规划，构建绿色低碳高质量的国土利用新格局，严格执行非农化政策要求，加大对耕地的保护力度，出台鼓励支持耕地合理开发利用政策，严格控制耕地转化，持续巩固提升耕地固碳能力；加强国土利用管控，科学规划建设用地范围、用途，提高土地利用效率；鼓励社会资本参与森林质量精准提升、林业碳汇、科学开展国土绿化等，不断提高森林质量，从而有效促进固碳增汇[15-16]；科学制定草地保护措施，优化轮牧措施，力争做到畜草平衡，加大草原鼠害、虫害治理力度，促进草地资源健康发展，同时挖掘草地的碳汇潜力[17]，促进碳吸收；在城市建设发展进程中配套相应的城市绿地空间，提高建设用地空间使用效率，实现节约用地[18]，推动区域绿色高质量发展。
