基于PLUS与InVEST...用变化动态模拟与碳储量评估_李俊.pdf

第 卷第期 年月水土保持通报 ，收稿日期：修回日期：资助项目：云南省测绘地理信息科技发展有限公司项目“芒市勐嘎镇村庄规划航测”（）第一作者：李俊（），男（汉族），云南省昆明市人，硕士研究生，研究方向为土地利用。：。通信作者：杨德宏（），男（汉族），云南省大理州人，副教授，硕士，主要从事土地资源利用等方面的研究。：。基于 与 模型的昆明市土地利用变化动态模拟与碳储量评估李 俊，杨德宏，吴锋振，陈如俊，何万才（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 ）摘要：目的评估不同情景下的土地利用变化与碳储量变化，为优化生态服务与可持续性发展提供科学依据。方法基于 模型与 模型，模拟和预测不同情景下的土地利用变化与碳储量。结果在自然发展与生态保护情景下，土地利用变化相似，耕地、草地、水域减少，建设用地急剧扩张，其中建设用地在自然发展情景下扩张更快，变化率达 ；在耕地保护情景下，土地利用变化与其他两种情景不同，这是由于林地面积的减少与建设用地的迅速扩张造成的；昆明市 ，年的碳储量分别为 ，呈现逐年下降的趋势。到 年，耕地保护与生态保护相较于自然发展情景碳储量较高，说明采取保护措施，能有效控制碳储量的减少；土地利用变化导致碳储量减少 ，土地利用变化与碳储量变化呈现高度一致性。结论落实耕地保护、生态保护政策，控制建设用地向耕地、林地的扩张，优化土地利用结构，有利于减缓区域碳储量损失。关键词：模型；模型；土地利用变化；碳储量；多情景模拟；昆明市文献标识码：文章编号：（）中图分类号：；文献参数：李俊，杨德宏，吴锋振，等基于 与 模型的昆明市土地利用变化动态模拟与碳储量评估水土保持通报，（）：；，（）：，（，）：，（），；，：；全球气候变暖问题日益加重，严重阻碍人类活动和经济社会的可持续性发展。陆地生态系统是全球碳储量的重要组成部分，通过吸收、固定大气中的，可以有效维持生态平衡、缓解气候变暖，利用陆地生态系统固碳，是减缓二氧化碳浓度升高最为经济可行和环境友好的途径。土地利用变化是决定陆地生态碳储量和影响碳循环的重要因素，它会改变生态系统的能量、结构与生物循环，从而改变土壤和植被的固碳能力，进而影响碳储存。中国是世界上最大的发展中国家和碳排放国，自工业革命以来，土地利用变化每年导致的碳排放量约为 。因此，研究土地利用变化和碳储量之间的关系，从而优化土地利用结构以提高区域碳储量，将对社会可持续发展、维持碳循环的平衡与稳定具有重要意义。为更精确预测土地利用的空间分布，国内外学者进行了诸多研究，其中应用较为广泛的模型有，但是这些模型不能有效挖掘土地利用变化的机理，对多种土地利用类型的斑块进行时空动态模拟的效果也不是很好。而 （）模型保留基于轮盘赌的自适应惯性竞争机制获取土地利用变化综合概率，同时具有模拟精度高、数据处理快等优势，能有效地模拟多地类复杂演变的过程 。众多学者采用 模型取得了较多研究成果，杨潋威等 运用 模型结合 模型预测了西安市未来不同情景下土地利用及碳储量时空变化特征，研究了土地利用变化对碳储量的影响；李安林等 借助 模型及当量因子法计算种情景下土地利用变化的生态系统服务价值；等 利用 模型模拟了自然发展、经济快速发展、土地生态保护和生态经济平衡种情景下的南京市 年土地利用数据，分析了各情景下各类土地的变化和土地流转情况，采用综合考虑城市扩张压力、景观生态风险、粮食储备压力和生态退化压力的评价指标，分析各情景下土地利用的生态风险。近年来，越来越多的学者对陆地生态碳储量进行估算，最常用的方法为实地调查法与模型模拟法。实地调查法是最基本、最有效的碳储量估算方法，但是操作相对复杂，调研设备昂贵，只适用于小区域研究，在大范围区域实施较为困难。、等模型很好的弥补实地调查法的不足，被广泛用于碳储量的估算，但也存在数据参数复杂、适用性差的缺陷，极大的限制了它的应用范围。目前，国 内 外 诸 多 学 者，如 朱 文 博 等、刘 洋等、等、等 等，采 用 模型来评估生态系统的碳储量，该模型具有数据所需参数少、运行速度快、模型精度高 等优势，因而被广泛应用。综上所述，模型和 模型在模拟多地类复杂演变及碳储量估算领域具有较好的应用前景，因此本文基于 模型和 模型，模拟不同情景下的昆明市土地利用、生态系统碳储量变化，分析其变化特征并讨论土地利用变化对生态系统碳储量的影响，将对生态系统的保护、推动昆明市可持续发展起到积极作用。研究区与数据源研究区概况昆明市地处中国西南地区、云贵高原中部，位于东经 ，北纬 ，地势北部高，南部低，由北向南呈阶梯状逐渐降低，中部隆起，东西两侧较低。主要地类为耕地、林地与草地。昆明属北纬低纬度亚热带高原山地季风气候，由于地处低纬高原而形成“四季如春”的气候，享有“春城”的 美誉。全 年温差较小，市 区 年 平 均 气 温，年降水量 。昆明市是中国西部最重要的枢纽之一，已建成“四环二十五射”的骨干路网，基本建成片区支撑性道路。数据源（）土地利用数据。昆明市 ，年的土地利用类型数据来源于中科院资源环境科学与数据中心（：），空间分辨率为，包含一级类个。（）土地利用变化驱动因子数据。用于模拟未来土地利用变化的驱动因子包括 、坡度、温度、降雨量、人口密度、值、土壤侵蚀类型、距水域、政府、铁路、高速公路、省道、二级、三级道路距离。数据来源于地理空间数据云（：第期李俊等：基于 与 模型的昆明市土地利用变化动态模拟与碳储量评估 ），空间分辨率为，坡度数据由 处理 数据而来；社会经济数据（人口密度、）和气候数据（年平均气温、年平均降水）（空间分辨率）来源于中科院资源环境科学与数据中心（：）；距离水域、政府、高速公路、铁路、省道、二级、三级距离数据可以通过 （，：），借助欧氏距离法计算得到。研究方法多情景设定（）自然发展情景。该情景基于 年土地利用变化规律，不设置各类用地之间的转换概率，以 为 间隔，运用 模 型 中 的 预测 年自然增长情景下的土地利用需求，是其他情景模拟的基础。（）耕地保护情景。耕地保护关系到国家粮食安全，耕地是粮食安全的载体，本文设定耕地保护情景。通过减缓耕地向其他地类的转移速率及抑制建设用地的扩张速度，来保护耕地。将耕地向建设用地转移的概率减少 ，以 为间隔，预测 年研究区耕地保护情景下的土地利用。（）生态保护情景。除建设用地外，其他地类均可转换为林地和草地，将林地、草地向建设用地的转移概率降低，耕地向建设用地的转移概率降低，同时 将 耕 地、草 地 向 林 地 的 转 移 概 率 提 高 ，以 为间隔，预测 年生态保护情景下的土地利用。不同情景下的土地利用变化模拟 是基于现有土地利用类型来模拟未来土地利用覆被变化的模型，集成了基于土地扩张分析策 略 （）模型的规则挖掘框架和基于多类型随机斑块种子的 模 型 （）。该模型首先对两个时期的土地利用数据进行叠加，从后期的土地利用数据中提取变化状态的图像元素，表示各土地利用类型的变化面积，然后利用 （）算法探索各土地利用类型与多种驱动因子之间的关系，得到各土地利用类型的变化规律，即各土地利用类型的发展潜力，由于发展潜力的限制，将自动生成模拟的斑块。以往的研究表明 ，模型能够将各种空间因素的影响与地理单元动态结合，以模拟土地利用变化，从而获得高精度、高准确性的土地利用空间分布。根据昆明市的 ，年历史土地利用数据，利用 个驱动因子进行模拟，得到 年的土地利用类型，与 年的实际数据作对比评估 模型的模拟精度，用 系数和整体精度作评价指标，如果精度足够高，可以用来预测未来几年昆明市的土地利用变化，采用同样的方法模拟得到 年不同情景下的土地利用。基于 模型的碳储量估算本研究采用 中的 模块，结合土地利用数 据 和碳 密 度数据计算 碳 储 量，计 算 公 式如下：（）（）式中：代表土地利用类型；为土地利用类型的碳密度；，分别代表该地类的地上碳密度、地下碳密度、土壤碳密度、死亡有机物碳密度（）；为陆地生态系统碳存储总量（）；为土地利用类型的面积（）；为土地利用类型数量，本文为。模型运行需要得到不同地类的碳密度数据，碳密度数据根据李克让等、解宪丽等、陈利军等、等、徐丽等、包承宇等、汤浩藩等 等的研究结合碳密度修正公式得到。碳密度修正公式如下所示：（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为年均降雨量（），全国、昆明市分别确定为 ，；为全国和昆明市的平均温度，分别确定为和 ；，为根据年均降水量修正得到的土壤碳密度与生物量碳密度（）；为根据年均气温修正得到的生物量碳密度（）；，分别表示地上生物量碳密度年均降水因子与年均温度因子修正系数；，代表全国和昆明市根据年均降水量与年平均气温计算得到的数据；，分别表示地上生物修正系数与土壤碳密度修正系数。由于死亡有机碳密度所占比例较小，将其默认设 水土保持通报第 卷置为。最终，得到昆明市各个土地利用类型的碳密度（表）。表昆明市各土地利用类型碳密度 土地利用类型 耕 地 林 地 草 地 水 域 建设用地 未利用地 土地利用变化对碳储量的影响利用 中的栅格计算器工具，对昆明市 年的土地利用进行联合计算，可得到研究区内的土地利用转移矩阵。通过碳密度修正公式得到的各土地利用类型的植被与土壤碳密度，计算土地转移矩阵与不同土地利用类型碳密度变化差值数据，土地利用变化引起的碳储量变化则等于各转化地类的植被、土壤碳密度的变化值乘以土地转移矩阵面积，公式如下：（）式中：为碳储量总变化量；为第种土地类型转移为第种土地类型的面积（）；为第种土地类 型 转 移 为 第种 土 地 类 型 的 碳 密 度 变 化（）；为与 单位之间的转换关系；，；，按数字排序依次对应耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地。结果与分析基于 模型对土地利用分布的模拟及预测以 年与 年的数据为基础，采用 模型对 年的土地利用进行模拟，并与 年真实的土地利用进行比较。模型的整体模拟精度为，系数为，证明 模型具有可靠性，可以用来预测未来的土地利用分布。如表所示，年，发生转移的土地利用面积为 ，占研究区土地利用面积的 ，土地利用格局变化不大。年耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地的面积分别为 ，年各地类面积为 ，。在此期间，耕地转出面积大于转入面积，减少 ，减幅为；林地转出面积大于转入面积，减少 ，减幅为 ；草 地 转 出 面 积 大 于 转 入 面 积，减 少 ，减幅为；水域面积变化量较小，增加了 ，主要来自耕地、林地与草地；建设用地面积明显增加，为 ，增幅为 ，增加部分主要来自耕地和草地，林地次之；未利用地的变化量最少，仅增加了 ，主要是来自草地的转入。结合昆明市 年的土地利用类型生成涨势、落势图谱（图），可以看出昆明土地利用变化呈现建设用地沿滇池向外扩张，水域面积有一定程度增加，耕地、林地与草地面积有一定程度减小的特点。表 年昆明市土地利用转移类型转移矩阵 土地利用类型 年耕 地林 地草 地水 域建设用地未利用地总 和转出总计年耕 地 林 地 草 地 水 域 建设用地 未利用地 总 和 转入总计 通过设置地类间不同情景下的成本矩阵与邻域因子权重，利用 年与 年的土地利用数据模拟 年的土地利用情况（如表所示）。结果表明，在不同情景下，土地利用需求及分布具有较大差异。在自然发展情景下，不考虑政策因素影响，只考虑自然与人文共同作用下的土地利用。该情景下，耕地面积 为 ，与 年 相 比，减 幅 为，草地、水域与未利用地均发生不同程度的减少，幅度分别为，而林地与建设用地情况相反，林地有小幅度的增长，增幅为，第期李俊等：基于 与 模型的昆明市土地利用变化动态模拟与碳储量评估而建设用地扩张最为明显，增幅达 。从图可以看出，建设用地的增长在原有的土地利用情况下，由滇池向外延伸，主要占用耕地与林地，如果不加以限制，生态环境与粮食安全将受威胁。图 年昆明市土地利用类型落、涨势图 图 年种不同情景下的昆明市土地利用空间分布模拟 表昆明市种情景下昆明市地类面积与变化率 情景模式耕 地林 地草 地水 域建设用地未利用地 年（基准年）面积 年自然发展情景面积 年耕地保护情景面积 年生态保护情景面积 年自然发展情景变化率 年耕地保