环境科学  2025, Vol. 46 Issue (9): 5729-5740   PDF    
基于PLUS-InVEST模型的陕西省多情景土地覆盖模拟与碳储量评估
程明月1, 姬广兴1,2, 黄珺嫦1,2, 耿健茜1, 李玲1,2, 路婕1,2     
1. 河南农业大学资源与环境学院,郑州 450046;
2. 河南省土地整治与生态重建工程技术研究中心,郑州 450046
摘要: 全球社会经济的高速发展给自然环境带来了沉重的压力,化石燃料的燃烧释放了大量的CO2,严重危害了人类的生产生活. 基于“双碳”目标的战略背景,选取耕地、林地和草地面积占比较大的陕西省作为研究区域,采用IPCC报告中SSPs气体排放情景研究未来时期陕西省土地利用类型的变化以及碳储量的变化特征. 结果表明:①在SSP126情景下,陕西省2030~2050年土地利用类型变化为林地面积增加,耕地和草地面积减少. 在SSP245情景下,2030~2050年土地利用类型变化为耕地和建设用地面积增加,林地、草地等面积减少. 在SSP585情景下,2030~2050年土地利用类型变化为耕地和建设用地面积增加,林地、草地等面积减少. ②对于陕西省2030~2050年碳储量模拟研究发现在SSPs的3种情景下,陕西省最适合SSP126情景下的发展路径,即可持续的社会经济发展和较低的气体排放. ③碳储量主要集中储存在林地和草地等碳密度值高的土地利用类型,结合陕西省土地利用空间分布,发现碳储量值较高的区域分布在陕南地区秦岭山脉、南部山地一带以及陕北南部;碳储量居中的区域分布在陕北中部黄土高原一带、关中地区关中平原大部分地区和陕南汉中一带;碳储量低的区域主要分布在陕北与毛乌素沙地接壤的一带、关中地区沿渭河流域呈集中或零星分布、陕南地区沿汉江流域呈零星分布. 在SSP585情景下,未来陕西省低碳储量面积大于其他两种情景.
关键词: 土地利用变化      碳储量      陕西省      PLUS模型      InVEST模型     
Multi-scenario Land Cover Simulation and Carbon Stock Assessment in Shaanxi Province Based on the PLUS-InVEST Model
CHENG Ming-yue1 , JI Guang-xing1,2 , HUANG Jun-chang1,2 , GENG Jian-xi1 , LI Ling1,2 , LU Jie1,2     
1. College of Resources and Environment, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450046, China;
2. Henan Engineering Research Center of Land Consolidation and Ecological Restoration, Zhengzhou 450046, China
Abstract: The rapid development of global society and economy has brought heavy pressure on the natural environment, and the burning of fossil fuels releases a large amount of CO2, which seriously harms the production and life of human beings. Based on the strategic background of the dual-carbon target, this study selected Shaanxi Province, which accounts for a large area of cropland, woodland, and grassland, as its study area and used the gas emission scenario of SSPs in the IPCC report to study the future period of the province's land-use type changes and the characteristics of its carbon stock changes to provide theoretical suggestions for the changes of ecosystem carbon stocks in Shaanxi Province in the future period. The results of the study follow: ① Under the SSP126 scenario, the change in land use types in Shaanxi Province in 2030-2050 is an increase in the area of woodland and a decrease in the area of cropland and grassland. Under the SSP245 scenario, the change in 2030-2050 is an increase in the area of cropland and building land and a decrease in the area of woodland and grassland. Under the SSP585 scenario, the change in land use types in 2030-2050 consists of an increase in the area of cropland and building land and a decrease in the area of woodland, grassland, and others. ② The simulation study of Shaanxi Province's carbon stock in 2030-2050 found that among the three SSP scenarios Shaanxi Province is most suitable for the development path of SSP126, i.e., sustainable socioeconomic development and lower gas emissions. ③ Carbon stocks are mainly concentrated in land use types with high carbon density values, such as woodlands and grasslands. An examination of the spatial distribution of land use in Shaanxi Province revealed that areas with high carbon stock values are distributed in the Qinling Mountains in southern Shaanxi, the southern mountainous areas, and in southern Shaanxi. Areas with medium carbon stocks are distributed in the Loess Plateau in central northern Shaanxi, most of the Guanzhong Plain in the Guanzhong Region, and in Hanzhong in southern Shaanxi. Areas with low carbon stocks are mainly distributed in the areas bordering the Mu Us Desert in northern Shaanxi, concentrated or sporadically distributed along the Weihe River Basin in the Guanzhong Region, and sporadically distributed along the Hanjiang River Basin in southern Shaanxi. The area of future low-carbon reserves in Shaanxi Province is larger under the SSP585 scenario than under the other two scenarios.
Key words: land use change      carbon stock      Shaanxi Province      PLUS model      InVEST model     

在全球经济大融合并高速发展的情况下,社会发展对自然环境造成的破坏越来越严重,并且自然环境生态系统受到破坏后也将通过恶劣的天气状况[1],例如:特大洪水、冰雹和全球气温升高等,反作用于人类的生产生活. 近百年来,人类对化石燃料(如煤炭、石油等)的消耗,释放了大量CO2等温室气体,破坏土壤碳库平衡[2]. 习近平主席在2020年提出,要力争于2030年实现碳达峰,努力争取2060年达到碳中和目标. 土地利用变化是影响生态系统碳储量变化的主要因素之一,因此定量评估和预测土地利用变化对碳储量的影响,对生态系统碳循环和区域可持续发展具有重要的现实意义[3,4].

生态系统碳储量估算方法包括:样地清查法[5]、遥感估测法[6]和模型模拟法[7](InVEST模型、CA-Markov模型、CLUE-S模型)等. 样地清查法是经典的生态系统碳储量研究方法,刘国华等[8]运用中国第一至第四次资源普查数据,估算了中国20 a来的碳储量,发现总碳储量有一定的波动现象,但在整体上是增长的趋势. 许多学者运用遥感与GIS技术相结合的方法对碳储量进行预测,例如,李明阳等[9]以Landsat TM遥感数据为信息源估测福建省武夷山国家级自然保护区的森林碳储量. 池毓锋等[10]通过分类Landsat OLI8卫星影像像元以及运用生物量估测模型,测算了平潭岛木麻黄树木的碳储量,为应用遥感技术对某一地区单个树木碳储量进行快速估算提供了指导方法. 模型模拟法在研究生态系统碳储量及预测在不同情景下未来土地利用变化对碳储量的影响方面有着广泛应用,祁迷等[11]用InVEST模型分析内蒙古自治区碳储量的变化以及用PLUS模型在3种开发情景(自然发展、耕地保护、生态保护)下预测2030年土地利用空间分布,发现土地类型变化主要为耕地转为建设用地;武爱彬等[12]用InVEST模型和PLUS模型测算京津冀城市群2000~2020年生态系统碳储量和空间格局变化,在不同城市扩张情景下对2030年土地利用格局进行了预测,发现建设用地扩张的地区碳储量变化最剧烈. 综上所述,样地清查法虽操作简单、精度高,但对于范围小的区域较适用而且时空变化分析上也有局限性[13];遥感估测法能够对生态系统进行宏观检测,但其估算精度还有待提高;因此,在本研究中利用模型模拟法预测土地利用变化对碳储量的影响,同时结合PLUS模型能够更好地模拟土地利用变化.

陕西省位于中国中部黄河中游地区,土地利用类型主要是耕地、林地和草地[14],土地利用/覆被变化是影响生态系统碳储量的关键因素[15,16],陕西省的土地类型又是典型的研究碳储量的省份[17],已有许多学者对土地利用变化造成的碳储量改变做出了研究[18,19],但鲜见预测陕西省未来SSP情景下碳储量方面的研究[20]. PLUS模型可以更好精确地模拟土地利用变化. 因此,本研究以2010年陕西省土地利用遥感数据为基础,利用PLUS模型模拟2020年陕西省土地利用数据,与2020年陕西省实际数据比较,验证研究的准确性. 预测分析在SSP 3种情景下陕西省2030~2050年土地利用变化情况以及用InVEST模型研究2030~2050年陕西省的碳储量演变趋势[21,22],以期为陕西省土地利用碳储量情况提供理论基础与政策建议[23].

1 材料与方法 1.1 研究区概况

陕西省处于中国西北部,黄河中游地区,介于东经105°29′~111°15′,北纬31°42′~39°35′之间,总面积20.56万km2[24]. 在地域上,东面与山西、河南相接,西面与宁夏和甘肃相接,南面与四川、重庆和湖北相接,北面与内蒙古相接,是与其他省份相接最多的省. 在地形地貌上,呈现南北高、中间低,由高原、山地、平原和盆地等多种地貌构成,其中黄土高原占全省土地面积的40%,北山和秦岭山脉把陕西省分为3大区域,陕北高原,关中平原以及南部的秦巴山区[25]. 地跨黄河、长江两大水系,横跨3个气候带,陕北北部长城沿线属中温带季风气候,关中及陕北大部属暖温带季风气候,陕南属北亚热带季风气候. 在土地利用类型方面,据最新统计数据林地、草地和耕地这3类土地面积占全省总面积的85.75%[26].

截至2022年年末,陕西省常住人口为3 956万人,城镇化率为64.02%,森林覆盖率为46.84%. 陕西省地区生产总值为3.277万亿元,比上一年增长4.3%,人均生产总值8.29万元[27]. 陕西省的经济社会等方面的快速发展,其土地利用状况也随之发生变化,此外,陕西省也是我国退耕还林工程试点最早的省份之一[28]. 因此,以陕西省作为研究对象,预测陕西省土地利用碳储量状况具有现实意义.

1.2 研究方法 1.2.1 InVEST模型

InVEST模型是用于评估生态系统服务功能量及其经济价值、生态系统管理和决策的模型系统[29,30]. 本研究运用InVEST模型评估陕西省生态系统碳储量. 其碳储量包括4个碳库来源:地上生物碳储量、地下生物碳储量、土壤有机质碳储量和死亡有机质碳储量[31,32]. 其计算公式为:

Ci=Ci-above+Ci-below+Ci-soil+Ci-dead (1)
Ctotal=∑i=1nCi×Si (2)

式中,i表示各类土地利用类型,Ci表示第i类土地利用类型的碳密度,Ci-above为地上生物碳密度,Ci-below为地下生物碳密度,Ci-soil为土壤有机质碳密度,Ci-dead为死亡有机质碳密度,Ctotal为生态系统的总碳储量,Si表示第i类土地利用类型的面积. 在本研究中n取值为1~6.

本研究的碳密度数据参考徐丽等[33,34]构建的中国陆地生态系统碳密度数据集以及相关研究[35],通过归纳整理得到陕西省土地利用各类碳密度值(见表 1).

表 1 研究区碳密度/t·hm-2 Table 1 Carbon density in the study area/t·hm-2

1.2.2 PLUS模型

PLUS模型是由中国地质大学研发的斑块土地利用变化模拟模型[36],包括基于土地扩张分析策略的规则挖掘框架和基于多类型随机种子的CA模型,元胞自动机(CA)模型能够更好地展现复杂土地利用/覆被变化[37]. PLUS模型具有操作简单、精度高并且能够直接读取地理信息栅格数据等优点[38]. 本研究基于2010年陕西省土地利用数据利用PLUS模型模拟2020年土地利用变化情况,与实际土地利用变化数据进行精度验证,从而模拟2030~2050年陕西省土地利用变化情况. 采用Kappa系数进行精度验证.

1.2.3 SSP情景

在2021年发布的IPCC第六次评估报告已使用CMIP6(耦合模式比较计划第六版)中的气候模式,共享经济路径(SSPs)是其开发的一套新排放情景,这种新排放情景由不同的社会经济因素驱动,SSPs对研究气候变化有着非常好的应用[39]. 本研究采用CMIP6中的SSP126、SSP245和SSP585这3种情景预测未来陕西省土地利用变化引起碳储量的变化,其中SSP126(可持续绿色发展路径)代表可持续的社会经济发展和较低的气体排放模式,SSP245(中间路径)代表居中的社会经济发展和气体排放模式,SSP585(强迫路径)代表最高的社会经济发展和气体排放模式[40].

1.3 数据来源

本研究采用2010年陕西省土地利用数据作为基础数据,基础数据的空间分辨率为30 m×30 m,通过GIS中重采样工具将数据空间分辨率处理为1 km×1 km,按照土地分类标准通过重分类将各土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地这六大类. 土地利用驱动因子选取16个主要的影响因素,各驱动因子数据来源见表 2. 其中,SSPs土地利用数据来源于全球0.25°×0.25°Land-Use Harmonization2(LUH2)数据集,数据集在构建时假定了水域面积不变,并且水域的碳密度值低可忽略不计,所以在本研究中3种情景下模拟陕西省未来时期的水域碳储量不变.

表 2 研究数据来源 Table 2 Sources of data for the study

2 结果与分析 2.1 研究精度验证

在进行本实验研究之前,基于陕西省2010年和2020年的土地利用数据验证研究的可行性与准确性. 利用陕西省2010年的数据通过PLUS模型得到陕西省2020年土地利用预测值,将预测数据与2020年土地利用实际数据进行实验验证,从而为预测陕西省2030~2050年间的土地利用变化及碳储量变化提供科学依据. 在本研究中经计算可得总体精度为0.93,Kappa系数值为0.95,属正常范围内,即研究方法可以实行,保证了实验的准确性.

2.2 2000~2020年陕西省土地利用及碳储量时空变化

基于陕西省2000年和2020年土地利用类型数据利用ArcMap 10.8进行重分类,由表 3可知,2000年陕西省的耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地的面积分别为72 047.07、46 150.65、77 964.31、1 614.34、3 077.64和4 745.99 km2. 2010年陕西省6种土地利用类型的面积分别是68 390.30、47 833.00、79 001.52、1 618.34、4 248.89和4 507.94 km2,2 020年陕西省6种土地利用类型的面积分别是66 949.00、48 318.11、78 812.48、1 720.36、5 275.10和4 507.94 km2,耕地、林地和草地是陕西省2000~2020年土地利用的主要类型.

表 3 2000~2020年陕西省土地利用及碳储量时空变化 Table 3 Spatial and temporal changes in land use and carbon stocks in Shaanxi Province from 2000 to 2020

从2000~2020年,耕地减少了5 098.07 km2,林地增加了2 167.46 km2,草地增加了848.17 km2,水域用地增加了106.02 km2,建设用地增加了2 197.64 km2,未利用地减少了238.05 km2. 耕地碳储量减少了62.09万t,林地、草地和建设用地碳储量分别增加了39.22万、10.47万和17.07万t,未利用地碳储量减少了0.75万t. 从中可以看出在此期间主要是耕地转为建设用地,建设用地扩张是导致耕地面积减少以及碳储量减少的主要原因.

由图 1可知,陕西省2000~2020年土地利用变化主要特征是建设用地面积增加,建设用地扩张主要是沿渭河流域一带呈集中或零星分布,明显的变化是西安市建设用地面积扩张. 从图 2可以看出,陕西省碳储量高值区主要分布在陕南地区秦岭山脉、南部山地一带以及陕北南部,这些区域主要的土地利用类型是林地;碳储量居中的区域分布在陕北中部黄土高原一带、关中地区关中平原大部分地区和陕南汉中一带,这些区域的土地利用类型主要是草地;碳储量低值区在不断扩大,低值区主要分布在陕北与毛乌素沙地接壤的一带、关中地区沿渭河流域呈集中或零星分布和陕南地区沿汉江流域呈带状分布,土地利用类型主要是建设用地和未利用地.

图 1 2000~2020年陕西省土地利用类型面积变化 Fig. 1 Changes in area of land use types in Shaanxi Province from 2000 to 2020

图 2 2000~2020年陕西省碳储量分布 Fig. 2 Distribution of carbon stocks in Shaanxi Province from 2000 to 2020

为了直观地研究陕西省2000~2020年碳储量变化,利用InVEST模型中的碳储存和预处理模块将2010年、2020年的碳储量与2000年的碳储量相减得到变化量,由图 3可知,2000~2020年碳储量减少区域较多,主要分布在陕北北部、关中地区沿渭河流域的城市地区,碳储量增加的区域主要是陕南山地位于镇巴县南部一带和陕北地区延安市内呈零星分布,其他地区碳储量值不变;2000~2010年碳储量减少的区域相较于2000~2020年少,陕北和关中地区呈现零星分布,碳储量增加区域主要分布在陕北地区,其他地区碳储量不变.

图 3 2000~2020年陕西省碳储量变化 Fig. 3 Changes in carbon stocks in Shaanxi Province from 2000 to 2020

2.3 SSPs情景下2030~2050年陕西省土地利用类型变化

本研究采取的是SSPs中的3种情景预测陕西省土地利用类型面积变化情况. 根据陕西省2020年土地利用类型面积变化,利用PLUS模型预测陕西省2030~2050年土地利用类型的面积变化,并将预测结果导入到ArcMap10.8中进行数据可视化,土地利用类型预测结果如图 4所示.

图 4 2030-2050年SSPs情景下陕西省土地利用模拟结果 Fig. 4 Simulation results of land use in Shaanxi Province under SSPs scenario from 2030 to 2050

从图 4中可以看出,在SSP126情景下,陕西省2030~2050年土地利用类型面积变化情况为:林地和建设用地面积增加,草地和未利用地面积减少. 在SSP245情景下,陕西省2030~2050年土地利用类型面积变化情况为:耕地和建设用地面积增加,林地、草地和未利用地面积减少. 在SSP585情景下,陕西省2030~2050年土地利用类型面积变化情况为:耕地和建设用地面积增加,林地、草地和未利用地面积减少. 耕地主要分布在陕北中部地区,即榆林市南部和东部、延安市北部地区,以及陕南南部,即安康市和汉中市中部地区;林地主要分布在陕北南部,即延安市东部和西部地区,以及关中和陕南交接地带,此区域主要是以秦岭山脉为主的林地;草地主要分布在林地周边的平原和山脉地带,呈现全省零星分布;水域地区主要是流经陕西省的黄河、泾河和渭河流域;建设用地主要是以西安市为中心向周围扩散的关中地区,以及各地市的城市中心;未利用地主要分布在陕北北部与毛乌素沙地接壤沿线的沙地.

由表 4可知,在SSP126情景下,陕西省2030~2050年土地利用类型面积占比最多的是草地,占总面积的38%左右,其次是耕地和林地,耕地面积占总面积的32%左右,林地面积占总面积的24%左右,这3种土地利用类型面积总和占陕西省土地总面积的90%以上,是陕西省土地利用的主要类型. 从2030~2050年,研究区耕地面积先增加后减少;林地面积呈现持续增加趋势,增加了2 277 km2;草地面积呈现持续减少趋势,减少了1 698 km2;建设用地面积呈持续增加趋势,增加了239 km2. 此情景代表可持续的社会经济发展和较低的气体排放模式,林地面积增加是符合该情景下的发展模式.

表 4 2030~2050年SSP126情景下陕西省土地利用类型面积预测 Table 4 Projected area of land use types in Shaanxi Province under the SSP126 scenario from 2030 to 2050

由表 5可知,在SSP245情景下,陕西省2030~2050年土地利用类型面积占比最多的是草地,占总面积的38%左右,其次是耕地和林地,耕地面积占总面积的33%左右,林地面积占总面积的24%左右,这3种土地利用类型面积总和占陕西省土地总面积的90%以上,是陕西省土地利用的主要类型. 从2030~2050年,研究区耕地面积逐渐增加,增加了2 082 km2;林地面积逐渐减少,减少了286 km2;草地面积呈现持续减少趋势,减少了1 826 km2;建设用地面积呈持续增加趋势,增加了87 km2.

表 5 2030~2050年SSP245情景下陕西省土地利用类型面积预测 Table 5 Projected area of land use types in Shaanxi Province under the SSP245 scenario from 2030 to 2050

由表 6可知,在SSP585情景下,陕西省2030~2050年土地利用类型面积占比最多的是草地,占总面积的36%左右,其次是耕地和林地,耕地面积占总面积的34%左右,林地面积占总面积的23%左右,这3种土地利用类型面积总和占陕西省土地总面积的90%以上,是陕西省土地利用的主要类型. 从2030~2050年,研究区耕地面积呈现持续增加的趋势,增加了3 072 km2;林地面积呈现持续减少趋势,减少了113 km2;草地面积逐渐减少,减少了2 281 km2;建设用地面积呈持续增加趋势,增加了41 km2.

表 6 2030~2050年SSP585情景下陕西省土地利用类型面积预测 Table 6 Projected area of land use types in Shaanxi Province under the SSP585 scenario from 2030 to 2050

对比3种情景下陕西省2030~2050年各土地利用类型预测结果发现,建设用地面积均呈现增加趋势,虽然SSP126情景是代表可持续的社会经济发展和较低的气体排放模式,SSP585情景是高社会经济发展模式,但SSP126情景下的建设用地面积略微大于SSP585情景,这可能是因为在经济高速发展情景下陕西省特定区域或时间段内因土地政策调控注重提高土地利用效率和优化土地资源配置,以及技术创新、节能降耗、传统产业结构的优化升级,城市化进程中部分人口可能选择迁移到生态环境更好、生活成本更低的地区居住等因素有关,从而减少了对新增建设用地的需求.

2.4 SSPs情景下2030~2050年陕西省碳储量时空变化

基于陕西省土地利用数据,运用InVEST模型的碳储量和封存模块预测在3种情景下2030~2050年陕西省碳储量. 由表 7可知,在SSP126情景下,陕西省2030年总碳储量预测值为2 719.80×106 t,2040年总碳储量预测值为2 725.28×106 t,2050年总碳储量预测值为2 733.32×106 t. 随着年份的推移以及土地类型的更替变化,从结果来看碳储量是呈现一定范围上的增长趋势,相较于2020年陕西省碳储量,2030年碳储量增长了2.93×106 t,2040年碳储量增长了8.41×106 t,2050年碳储量增长了16.45×106 t. 在SSP245情景下,陕西省2030年总碳储量预测值为2 728.06×106 t,2040年总碳储量预测值为2 734.29×106 t,2050年总碳储量为2 736.74×106 t. 碳储量在此情景下呈现增长趋势,相较于2020年,陕西省2030年碳储量增长了11.19×106 t,2040年碳储量增长了17.42×106 t,2050年碳储量增长了19.87×106 t. 在SSP585情景下,陕西省2030年总碳储量预测值为2 705.45×106 t,2040年总碳储量预测值为2 695.81×106 t,2050年总碳储量预测值为2 688.59×106 t. 碳储量在此情景下呈现降低趋势,相较于2020年,陕西省2030年碳储量流失了11.42×106 t,2040年碳储量流失了21.06×106 t,2050年碳储量流失了28.28×106 t.

表 7 2030~2050年在SSP情景下陕西省碳储量值1) Table 7 Carbon stock values in Shaanxi Province under the SSP scenarios from 2030 to 2050

由表 8可知,在SSP126情景下,陕西省2030年的耕地利用碳储量预测值为801.91万t,林地碳储量预测值为886.20万t,草地碳储量预测值为974.63万t,建设用地碳储量预测值为42.75万t;2040年6种土地利用类型碳储量预测值分别为:804.30万、903.33万、966.20万、0.02万、44.13万和12.18万t;2050年6种土地利用类型碳储量预测值分别为:800.50万、927.42万、953.68万、0.02万、44.61万和11.97万t;在此情景下,林地碳储量呈现增加趋势.

表 8 2030~2050年在SSP情景下各土地利用类型碳储量值1) Table 8 Carbon stock values by land use type under the SSP scenarios from 2030 to 2050

在SSP245情景下,陕西省2030年的耕地碳储量预测值为817.27万t,林地碳储量预测值为903.08万t,草地碳储量预测值为975.51万t,建设用地碳储量预测值为42.07万t. 2040年陕西省6种土地利用类型碳储量预测值分别为:833.95万、901.08万、960.04万、0.02万、42.43万和7.18万t;2050年6种土地利用类型碳储量预测值分别为:842.64万、897.91万、952.97万、0.02万、42.74万和7.17万t;此情景下,耕地碳储量呈现增加趋势.

在SSP585情景下,陕西省2030年的耕地利用碳储量预测值为843.14万t,林地碳储量预测值为878.65万t,草地碳储量预测值为955.33万t,建设用地碳储量预测值为41.60万t. 2040年6种土地利用类型碳储量预测值分别为:874.67万、876.96万、931.50万、0.02万、41.81万和8.38万t;2050年6种土地利用类型碳储量预测值分别为:880.55万、876.59万、927.18万、0.02万、41.92万和7.98万t;在此情景下,耕地和建设用地碳储量呈现增加趋势,林地、草地碳储量均呈流失现象.

综上所述,在3种SSP情景下陕西省2030~2050年碳储量值最高的是草地,占总碳储量的36%左右,其次是林地,占总碳储量的33%左右,耕地利用碳储量值占总碳储量的29.42%左右,建设用地、水域和未利用地的碳储量是较低的. 结合图 4陕西省6种土地利用类型的面积变化,陕西省草地的面积是最高的,其次是林地和耕地,说明林地和草地所封存的碳储量较高.

将计算结果导入ArcGIS中,碳储量计算结果在空间分布上更加明显. 3种情景下陕西省碳储量空间分布如图 5. 从中可以得出,3种情景下2030~2050年陕西省碳储量较高的区域分布在陕南地区秦岭山脉、南部山地一带以及陕北南部,主要土地利用类型是林地;碳储量居中的区域分布在陕北中部黄土高原一带、关中地区关中平原大部分地区和陕南汉中一带,土地利用类型主要是草地;碳储量低的区域主要分布在陕北与毛乌素沙地接壤的一带、关中地区沿渭河流域呈集中或零星分布、陕南地区沿汉江流域呈零星分布,这些区域的土地利用类型主要是建设用地和未利用地. 在SSP585情景下,未来陕西省低碳储量面积大于其他两种情景.

图 5 2030~2050年SSPs情景下陕西省碳储量模拟分布 Fig. 5 Simulated distribution of carbon stocks in Shaanxi Province under the SSPs scenario from 2030 to 2050

利用InVEST模型中的碳储存和预处理模块将未来时期的碳储量与2020年的碳储量相减得到变化量,如图 6所示,2030~2050年碳储量值减少较多的情景是SSP585情景,随着年份的增加碳储量减少区域扩大明显. 3种情景下碳储量减少从大到小为:SSP585 > SSP245 > SSP126,则对于陕西省适合的发展模式的从大到小为:SSP126 > SSP245 > SSP585.

图 6 2030~2050年陕西省碳储量变化 Fig. 6 Changes in carbon socks in Shaanxi Province from 2030 to 2050

3 讨论 3.1 模拟精度对结果的影响

本研究基于陕西省2010年土地利用数据利用PLUS模型模拟陕西省2020年土地利用数据,并将模拟结果与实际2020年土地利用数据通过PLUS模型的模拟精度验证,经检验本研究的总体精度为0.93,Kappa系数为0.95,参考张锦等[41]研究松花江上游碳储量的动态变化中提到Kappa系数大于等于0.75表明模拟精度较高,实验可行. 但利用PLUS模型模拟2020年陕西省土地利用类型面积变化中选取了地形数据(坡度、高程和坡向),气象数据(年平均温度、年平均降水等)以及路网数据,但对于社会经济发展数据仅选取了人口和GDP数据,而人为因素是导致土地利用类型变化的主要驱动因素之一,因此,在今后的研究中应充分考虑人为因素对土地利用变化的影响,从而使研究精度更加精确.

3.2 碳密度值对研究结果的影响

本研究采取的陕西省碳密度值参考徐丽等[34]整理的中国陆地生态系统碳密度数据集以及王天福等[14]对陕西省植被碳汇增效的研究,其中6种土地类型对应的地上碳密度、地下碳密度、土壤碳密度和死亡有机物碳密度具体来源有经过实验实地测算出的结果,亦有通过查询文献整理出的数据,随着时间的变化、植被覆盖类型的变化、人为因素以及地质灾害的影响,未来时期的碳密度值会发生改变,用原有的碳密度值计算未来时期碳储量不具有科学性和可行性,并且现今处于实现“双碳”目标的发展背景下,碳密度值也会发生相应的变化. 因此,在今后的研究中应充分考虑对碳密度造成影响的人为因素和自然环境因素,实地测量研究区的碳密度数据.

3.3 土地利用类型变化对碳储量的影响

陕西省碳储量变化的主要因素是土地利用类型之间的转换,例如,在SSP126情景下,2030~2050年陕西省碳储量增加的主要原因是部分耕地、草地和未利用地转换为林地,由低碳密度土地类型转换为碳密度值高的土地类型. 而现实社会发展过程中,人类对土地的利用情况在发生变化,建设用地和耕地的无序扩张侵占其他土地类型,导致碳储量下降. 早在1999年陕西省实施退耕还林政策,相关数据显示到2006年陕西省实现退耕地还林地面积10 192 km2,在此过程中也出现了与人类利用冲突的一系列问题,退耕农户收益损失生计困难,政府成立专项资金补贴退耕农户经济损失,巩固退耕还林成果,现如今退耕还林还草成果显著. 因此,陕西省在长远发展中仍要监管土地利用类型转移,保护林地和草地碳储量高的土地资源.

4 结论

(1)2000~2020年,陕西省耕地和未利用地面积减少,林地、草地、建设用地以及水域面积增加. 这20 a间陕西省总碳储量略微增加,增加了3.92万t.

(2)在SSP126情景下,2030~2050年土地类型面积变化主要为林地和建设用地面积增加,草地和未利用地面积减少. 在SSP245情景下,2030~2050年土地类型面积变化主要为耕地和建设用地面积增加,林地、草地和未利用地面积减少. 在SSP585情景下,2030~2050年土地利用类型面积变化情况为耕地和建设用地面积增加,林地、草地和未利用地面积减少. 3种情景下,只有SSP126情景下林地面积增加.

(3)在SSP126情景下,陕西省2030~2050年碳储量值在持续增长;SSP245情景下,陕西省2030~2050年碳储量值呈增长趋势但幅度小于SSP126情景;SSP585情景下,陕西省2030~2050年碳储量值呈下降趋势.

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