基于InVEST模型的碳储量时空变化研究——以秦岭北麓为例.pdf

中国资源综合利用China Resources Comprehensive UtilizationVol.41 No.82023 年 8 月-173-节能减排基于 InVEST 模型的碳储量时空变化研究以秦岭北麓为例马 凌1，苏鹏宗2，刘 星2（1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2.西安城市发展资源信息有限公司，西安 710018）摘要：碳达峰和碳中和是生态文明建设和高质量发展的重要内容，是应对气候变化的关键举措，也是构建人类命运共同体的重要一环。土地利用变化往往会造成区域碳收支变化，随着科学技术的发展，利用空间模型评估碳储量的方法也逐渐被广泛认可和接受。生态系统服务和权衡的综合评估（InVEST）模型具有数据获取容易、空间制图表达效果好的优势，应用较为广泛。秦岭是我国重要的生态安全屏障，秦岭北麓邻近西安市，城市经济发展和生态环境变化的冲突较为显著，秦岭北麓生态系统的固碳功能有利于区域生态文明建设和可持续发展。本文以秦岭北麓为研究区，采用土地利用转移矩阵分析土地利用变化，然后运用InVEST 模型量化评估碳储量，明确碳储量时空变化特征。研究结果表明，秦岭北麓的土地利用类型以林地和草地为主；20052015 年，林地和建设用地增长较为显著，碳储量的时间变化比较稳定。本研究可为秦岭北麓的生态环境治理和可持续发展提供一定的理论依据。关键词：土地利用变化；InVEST 模型；碳储量时空变化；秦岭北麓中图分类号：X171 文献标识码：A 文章编号：1008-9500(2023)08-0173-04DOI:10.3969/j.issn.1008-9500.2023.08.048Research on Spatiotemporal Changes of Carbon Storage Based on InVEST ModelTaking the Northern Foothills of Qinling Mountains as an ExampleMA Ling1,SU Pengzong2,LIU Xing2(1.PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited,Xian 710065,China;2.Xian City Development Information Technology Co.,Ltd.,Xian 710018,China)Abstract:Carbon peaking and carbon neutrality are important components of ecological civilization construction and high-quality development,key measures to address climate change,and an important part of building a community with a shared future for mankind.Land use change often leads to changes in regional carbon budget,with the development of science and technology,the method of using spatial models to assess carbon storage has gradually been widely recognized and accepted.The integrated valuation of ecosystem services and trade-offs(InVEST)model has the advantages of easy data acquisition and good spatial mapping expression,and is widely used.Qinling Mountains are an important ecological security barrier in China,the northern foothills of Qinling Mountains is adjacent to Xian City,and there is a significant conflict between urban economic development and ecological environment changes,the carbon sequestration function of the ecosystem in the northern foothills of Qinling Mountains is conducive to the construction of regional ecological civilization and sustainable development.This paper takes the northern foothills of Qinling Mountains as the research area,uses land use transfer matrix to analyze land use change,and then uses the InVEST model to quantitatively evaluate carbon storage,clarifying the spatiotemporal change characteristics of carbon storage.The research results indicate that the land use types in the northern 收稿日期：2023-06-22作者简介：马凌（1982），女，陕西宝鸡人，硕士，高级工程师。研究方向：城乡规划。中国资源综合利用第 8 期-174-节能减排碳达峰和碳中和是全球生态环境治理和可持续发展的重要基础1。土地利用的变化往往会造成区域的碳收支变化2，随着地理信息系统（GIS）的发展，利用空间模型评估碳储量的方法也逐渐被学者认可和接受。其中，生态系统服务和权衡的综合评估（InVEST）模型由美国斯坦福大学开发，具有数据获取容易、空间制图表达效果好的优势，应用较为广泛3-4。秦岭是我国重要的地理分界线，具有重要的生态屏障功能，同时在生物多样性维持、水源涵养、土壤保持和固碳方面发挥着重要作用。秦岭北麓邻近西安市，城市经济发展和生态环境变化的冲突较为显著，秦岭北麓生态系统的固碳功能有利于区域生态文明建设和可持续发展。本文以秦岭北麓为研究区，基于 2005 年、2015 年的土地利用数据，分析研究时段内的土地利用变化，并运用 InVEST 模型分析碳储量时空变化，为区域的生态管理和碳政策制定提供理论依据。1 数据与方法1.1 研究区概况秦岭北麓是指秦岭北坡 25坡线以下至 0坡线，并向平原延伸数千米的环山带状区域，其核心部分位于西安市，包括周至县、长安区、鄠邑区、蓝田县、临潼区和灞桥区。秦岭北麓属于温带大陆性季风气候区，地形以山地为主，地势南高北低，自然植被以温带落叶阔叶林为主。1.2 数据来源本研究使用的土地利用数据下载于中国科学院地理科学与资源研究所的资源环境科学与数据中心（https:/），分辨率为 30 m，共有 2 期。该数据由 Landsat 8 卫星的遥感影像目视解译而来。1.3 研究方法1.3.1 土地利用转移矩阵土地利用转移矩阵利用马尔可夫模型原理，通过二维矩阵对地区内不同时期的土地利用类型变化关系进行分析，定量表述不同土地利用类型在一段时期内的转化关系和转移速率，在国土空间规划领域应用广泛。1.3.2 InVEST 模型运用 InVEST 模型的 Carbon 模块，基于土地利用和土地覆盖类型地图及 4 个碳库（地上生物量、地下生物量、土壤、死亡有机物）的碳储量，计算当前土地利用格局下碳储量或者一个时间段内的碳储量5-7。在 InVEST 模型中，Carbon 模块对碳储量计算和碳转移过程进行简化，其假定碳储量为静态、不随时间推移而改变，且区域内每一处土地利用类型的碳密度是唯一值8-11。2 结果与分析2.1 秦岭北麓土地利用变化秦岭北麓的土地利用类型以林地为主，按面积由大到小的排序为林地草地耕地建设用地水域未利用地。研究区北部海拔较低且地形平坦，而南部海拔较高、地形起伏较大，以林地和草地为主，秦岭北麓土地利用类型符合人类活动和城市扩张的基本规律。林地和草地主要分布在秦岭北麓南部和西南部，耕地则主要分布在西北部，秦岭北麓存在多种土地利用类型错综复杂分布的规律，这一区域符合城市扩张边缘区土地利用结构 特征。20052015 年，研究区的土地利用转移情况如 表 1 所示。由此可知，10 年间，草地转出约 31.93 km2，71%的草地转变为耕地；耕地转出约 53.24 km2，63%的耕地转变为草地；建设用地转出约 41.08 km2，52%的建设用地转变为耕地；林地转出约 90.99 km2，89%的林地转变为草地；水域和未利用地变化幅度较小，较为稳定。从各地类的数量变化来看，林地的总量有所增长，反映了研究区的造林工程取得一定成效。建设用地的增长也较为显著，随着经济建设和城市化的发展，建设用地不断扩张。foothills of Qinling Mountains are mainly forest and grassland;from 2005 to 2015,the growth of forest land and construction land was significant,and the temporal changes in carbon storage were relatively stable.This study can provide a certain theoretical basis for the ecological environment treatment and sustainable development of the northern foothills of Qinling Mountains.Keywords:land use change;InVEST model;spatiotemporal changes in carbon storage;northern foothills of Qinling Mountains第 8 期-175-节能减排马 凌等：基于 InVEST 模型的碳储量时空变化研究2.2 秦岭北麓碳储量时空变化20052015 年，秦岭北麓碳储量时空变化如图1 所示。经 InVEST 模型计算，2005 年、2015 年秦岭北麓的碳储量分别为 27.10 t/hm2、27.22 t/hm2，变化趋势较为稳定12-14。与土地利用的分布情况相比，土地利用与碳储量的分布密切相关，碳储量由大到小的排序为林地草地耕地水域未利用地建设用地，表明生态用地对区域的固碳功能较为显著。（a）2005 年（b）2015 年图 1 20052015 年秦岭北麓碳储量时空变化表 1 20052015 年秦岭北麓土地利用转移矩阵2005 年 2015 年草地耕地建设用地林地水域未利用地总计草地1 855.0622.550.097.711.500.081 886.99耕地33.531 345.729.666.004.030.021 398.96建设用地1.5518.20136.3221.310.030.001177.40林地81.058.920.132 863.190.160.732 954.17水域2.241.180.190.3541.250.0045.21未利用地0.540.030.0030.280.002.533.38总计1 973.971 396.58146.382 898.8346.983.366 466.11注：表中数据单位均为 km2。3 结论20052015 年，秦岭北麓的林地和建设用地面积有所增长，草地和耕地面积有所减少，水域和未利用地变化不明显，主要原因是造林工程的实施和城市化的发展。草地、耕地两种地类之间存在相互流转的情况，林地的流向以草地为主，说明部分林地存在退化现象。部分建设用地流向林地，原因可能是一些废弃的工矿用地通过造林绿化恢复为林地。水域和未利用地的土地流转面积较小，基本保持稳定状态。建设用地的扩张会挤压林地、草地和耕地等生态用地，造成区域生态系统的固碳能力降低，这与林彤等6的研究结果一致。20052015 年，秦岭北麓的碳储量均值基本保持稳定，这与林地、草地等高固碳能力用地面积增加有关。因此，加强林地与草地的保护，科学合理造林，对于提升生态系统的固碳能力具有重要意义。参考文献1 卫 东，曾联波，李 想.碳汇效应及其影响因素研究进展 J.地球科学进展，2023（2）：151-167.2 李 月，罗红芬.基于 InVEST 模型的黔中喀斯特地区建设用地扩张碳储量变化研究 J.西北林学院学报，2023（3）：1-13.3 许源溪，周 波，苏 杰.基于 InVEST 模型的四川省宜宾市 20102020 年碳承载力评价 J.水土保持通报，2023（1）：350-358.4 张 鹏，李良涛，苏玉姣，等.基于 PLUS 和InVEST 模型的邯郸市碳储量空间分布特征研究 J.水土保持通报，2023（1）：1-11.5 任 胤 铭，刘 小 平，许 晓 聪，等.基 于 FLUS-（下转第192页）中国资源综合利用第 8 期-192-污水治理仅增加污水提升费及少量维护费。4 结语随着垃圾填埋时间的延长，垃圾渗滤液呈现典型的老龄化特征，碳氮比严重失衡，可生化有机物的减少和氨氮浓度的上升加大渗滤液处理难度。株洲市项目运行表明，填埋场渗滤液处理站可以协同处理渗滤液和餐厨垃圾处理厂污水，从而改善水质，共享资源，提升效益。现阶段，确定工艺方案时，要充分考虑尾水就地处理的达标排放与间接排放。根据国内填埋场渗滤液处理站多年运行情况，渗滤液就地处理达标排放经济成本高，保障长期稳定运行难；渗滤液间接排放可大大节约运营成本，减轻政府财政负担。渗滤液间接排放标准放开趋势明显，但渗滤液间接排放标准暂未完全放开，现状项目改建方案要充分考虑近期尾水就地处理达标排放与远期间接排放。国内新污染物处理技术研究表明，反渗透、活性炭吸附、臭氧氧化等污水深度处理工艺及其集成应用是控制新污染物进入环境的关键屏障。在填埋场渗滤液处理站改建中，要适当考虑新污染物处理环节的预留。参考文献1 闫喜凤，周友华，徐 洁.垃圾填埋场渗滤液典型处理工艺对比研究 J.环境科学与管理，2022（5）：82-86.2 范 涛.城市生活垃圾填埋场渗滤液全量化处理研究 J.广东化工，2022（6）：144-147.3 郑兴灿，张 昱，贲伟伟，等.城镇污水微量新污染物赋存特征与全过程控制技术研究 J.给水排水，2022（6）：26-34.InVEST 模型的京津冀多情景土地利用变化模拟及其对生态系统服务功能的影响 J.生态学报，2023（11）：4473-4487.6 林 彤，杨木壮，吴大放，等.基于 InVEST-PLUS 模型的碳储量空间关联性及预测：以广东省为例 J.中国环境科学，2022（10）：4827-4839.7 杨潋威，赵娟，朱家田，等.基于 PLUS 和InVEST 模型的西安市生态系统碳储量时空变化与预测 J.自然资源遥感，2022（4）：175-182.8 邵壮，陈然，赵晶，等.基于 FLUS 与InVEST 模型的北京市生态系统碳储量时空演变与预测 J.生态学报，2022（23）：9456-9469.9 苗议艺.基于 FLUS 和 InVEST 模型的县域土地利用变化及碳储量优化模拟研究 D.泰安：山东农业大学，2022：15-16.10 陈前欣.基于 Dinamica-EGO 和 InVEST 模型耦合的沅陵县碳汇时空动态研究 D.长沙：中南林业科技大学，2022：11-12.11 宋子衿.基于 InVEST 模型土地利用变化下的甘孜州 20002020 年陆地碳储量时空特征 D.雅安：四川农业大学，2022：8-9.12 邓喆，丁文广，蒲晓婷，等.基于 InVEST 模型的祁连山国家公园碳储量时空分布研究 J.水土保持通报，2022（3）：324-334.13 孙亚楠，李晓静，刘猛.基于 InVEST 模型的太原生态系统碳储量研究 C/中国环境科学学会 2022 年科学技术年会.2022.14 卢雅焱，徐晓亮，李基才，等.基于 InVEST 模型的新疆天山碳储量时空演变研究 J.干旱区研究，2022（6）：1896-1906.（上接第 175 页）