土地利用变化是陆地生态系统碳储存的主要驱动力，碳增汇是实现低碳国土空间开发的主要途径[1]。21世纪以来，由于“退耕还林还草”政策的实施和西部大开发战略的提出，甘肃省土地利用结构、规模、方式都发生了很大变化，如建设用地占用草地、耕地，未利用地开发为建设用地、耕地等，这些土地利用方式的转变，也意味着产业结构变动、经济结构变动，从而导致碳汇在数量和结构上发生改变[2]。因此，研究甘肃省土地利用变化和碳储量时空变化，对于生态环境的保护和社会经济的发展具有重要意义。

传统的碳储量估算方法如蓄积量法、生物量法等，其对碳储量的估算清晰明确，应用范围较广[3]，与传统的研究方法相比，In VEST模型操作简单，需求数据较少，运行速度快，可实现碳储量的计算精度，反映土地利用变化与碳储量之间关系[4]。吕欣怡、韩晋榕等[5-6]通过In VEST模型分析了不同土地利用变化情景下城市的扩张对碳储量变化的影响。张影等[7]运用In VEST模型对2010年甘肃白龙江流域碳储量进行估算，并分析了碳储量空间格局分布。因此，本文基于In VEST模型，研究甘肃省土地利用变化与生态系统碳储量时空变化之间的关系，有利于增强区域生态系统碳汇潜力，缓解减排压力，促进“双碳”目标的实现。

1、研究区概况

甘肃省居黄河上游、黄土高原丘陵沟壑地带，地理位置为32°31′～42°57′N,92°13′～108°46′E。东邻陕西，南接四川，西靠青海、新疆，北连内蒙，东北与宁夏毗邻，其地势西南高东北低，海拔578～5745m，平均年降水量由东南向西北递减，约400 mm，年均温0～15℃。

2、研究数据与方法

2.1 数据来源

2.1.1 土地利用类型数据、行政边界数据、DEM数据

土地利用类型数据、行政边界数据、DEM数据均来源于中国科学院资源环境科学数据中心，其中，土地利用类型数据下载了2000、2005、2010、2015、2020年5期甘肃省及其相邻各省的土地利用类型数据，通过Arc GIS软件的掩膜工具，根据甘肃省行政边界进行剪裁拼接得到，空间分辨率为1 km,DEM数据空间分辨率为500 m。

2.1.2 碳密度数据

碳密度数据主要参考模型用户手册和现有相关文献[8-11]，包括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碳密度，其中，死亡有机碳密度较小，不予考虑。四大碳库密度表的单位是t/hm2，表格为.csv格式，见表1。

表1甘肃省碳密度（单位：t/hm2)

2.2 研究方法

研究采用In VEST3.12.0模型碳储量模块，将生态系统碳储量分为地上有机碳库、地下有机碳库、土壤有机碳库和死亡有机碳库[11]。区域内总碳储量是各地类碳密度值乘以其面积并求和，碳储量计算公式为：

式中，Ctotal为区域内总碳储量，Cabove、Cbelow、Csoil和Cdead分别为地上碳储量、地下碳储量、土壤碳储量和死亡有机碳储量。

3、结果与分析

3.1 土地利用变化分析

2000-2020年甘肃省土地利用类型以未利用地为主，其次为草地，合计占甘肃省总面积的73%以上，是甘肃省土地利用的主要构成。2000-2020年甘肃省土地利用最显著的变化是建设用地的面积不断扩张。建设用地面积从3 499 km2增加到5 541 km2，增幅为58.36%，年均增长2.92%。水域、林地、草地面积也有增加，其增幅分别为14.65%、2.02%、0.55%。耕地和未利用地面积呈现持续下降的趋势。其中，耕地面积减少了1 362 km2，减幅为2.08%，年均减少0.1%，未利用地面积减少了2 712 km2，减幅为1.57%，年均减少0.08%。

2000-2005年，甘肃省土地利用的变化趋势主要体现在未利用地向其他土地转变，未利用地面积下降了700 km2，约下降0.41%，耕地、林地、草地、水域、建设用地面积均有所增长，其中，建设用地增长最为迅速，增长了约225 km2，约增长6.44%；林地增长面积约387 km2，增长1.03%。2005-2010年，甘肃省土地利用的变化主要是未利用地、耕地向林地、草地转变。未利用地、耕地、水域面积均在减少，其中，未利用地面积减少最多，为433 km2，减幅为0.25%，耕地、水域减少面积分别为85 km2、14 km2，减幅分别为0.13%、0.44%。林地、草地、建设用地不断增长，增幅分别为0.29%、0.28%、0.64%。2010-2015年，甘肃省各类用地都有明显的转移变化，主要体现在未利用地、草地、耕地、林地向建设用地的转变。未利用地转出面积最多，转出了356 km2，其次为草地、耕地、林地，转出面积分别为418 km2、115 km2、69 km2，建设用地转入面积高达828km2，水域转入131 km2。2015-2020年，建设用地、草地、林地、水域均呈增加趋势，其中建设用地面积增加最多，约增加了965 km2，其次为草地、林地和水域，分别增加了790 km2、334 km2、326 km2，未利用地和耕地呈下降趋势，面积分别减少了1 222 km2、1 192 km2，约减少0.71%、1.83%，见表2。

表2 2000-2020年甘肃省土地利用类型面积

3.2 碳储量分析

3.2.1 碳储量时间变化分析

利用In VEST模型碳储量模块计算得出，甘肃省2000、2005、2010、2015、2020年总碳储量分别为3 318.19×106t、3 325.69×106t、3 329.02×106t、3 322.44×106t、3 322.20×106t（图1）。近20年，甘肃省碳储量呈先增加后减少的趋势，共增加4.01×106t。2000-2005年，甘肃省总碳储量增加，上升趋势明显，碳储量增加了7.50×106t;2005-2010年，总碳储量持续上升，上升趋势相对缓慢，碳储量增加了3.33×106t，在2010年达到研究期内碳储量最高值；2010-2015年，碳储量下降幅度较大，碳储量减少了6.58×106t;2015-2020年，碳储量下降幅度较缓慢，碳储量减少了0.24×106t。

图1 2000-2020年甘肃省碳储量总量及变化趋势

3.2.2 碳储量空间变化分析

从甘肃省碳储量的空间格局及变化来看，2000、2005、2010、2015、2020年甘肃省碳储量空间分布整体呈东南高、西北低的格局。碳储量较高的地区主要分布在甘肃省东南部，主要分布于张掖市南部、武威市南部、天水市东部、庆阳市东部、甘南州北部、定西市北部、陇南市北部及南部，这些区域以林地为主，植被较为丰富，因而碳储存能力较强，最高值为18 890 t C/km2。碳储量较低的地区主要分布在甘肃省西北部，主要分布于酒泉市、嘉峪关市、金昌市、张掖市北部、武威市北部，这些区域的土地利用类型以未利用地为主，土壤碳密度较小，碳储存能力较弱，最低值为50 t C/km2，见图2。

图2 2000-2020年甘肃省碳储量分布图

为了更直观地反映甘肃省碳储量的空间动态变化，将2000年和2020年甘肃省碳储量数据进行空间相交叠加分析，参考刘洋[12]的研究成果，将碳储量空间变化值分为基本不变、增加和减少。基本不变区域为碳储量变化值介于±5%之间的区域，增加的区域为碳储量变化值大于5%的区域，减少的区域为碳储量变化值小于5%的区域。由图3可知，2000-2020年碳储量增加区域的面积与碳储量减少区域的面积相差不大，分别为36 899 km2、36 805 km2，占流域总面积的8.68%,8.66%。在张掖市、武威市、陇南市、天水市、庆阳市、酒泉市、甘南州等地碳储量增加区域较为明显，在其他各市碳储量也有少量增加；在兰州市、白银市、金昌市、酒泉市、张掖市有较为集中分布区域，在其他各市碳储量也有少量减少。总体来看，近20年间，甘肃省碳储量保持相对稳定状态，碳储量变化的区域面积占总面积的17.34%，其中，碳储量变化较大的区域主要分布在甘肃中部、南部和西部。由于近年来实施“退耕还林还草”等政策，以及由于人类活动需要不断扩张建设用地，因此，土地利用方式转变较快，这些区域碳储量空间变化也较为剧烈。

图3 2000-2020年甘肃省碳储量空间变化

3.2.3 土地利用变化引起碳储量变化分析

土地利用类型间的互相转换会导致区域内碳储量有所变化[13]。因此，本文量化了2000-2020年甘肃省各土地利用类型变化对区域碳储量的影响（表3、图4）。结果表明，土地利用的变化与碳储量的变化幅度具有一致性；林地、草地、水域、建设用地的转入使得碳储量增加，其中，林地碳储量增加最为明显，其次为草地，分别增加了16.55×106t、8.27×106t，水域和建设用地碳储量也有少量增加，分别增加了0.03×106t、0.10×106t；耕地和未利用地的转出导致了碳储量较少，在此期间耕地是变化较大的土地利用类型，主要是向建设用地转出，导致了甘肃省碳储量的大量损失，耕地碳储量减少了14.88×106t，其次为未利用地减少了6.07×106t。从各时段的碳储量变化量来看，林地和草地是甘肃省最主要的碳库，耕地面积的减少是甘肃省碳损失的主要原因。

表3 2000-2020年甘肃省不同土地利用类型碳储量（单位：106t)

图4 2000-2020年甘肃省不同土地利用类型碳储量

六大土地利用类型中，2000-2020年，草地的碳储量最大，呈先增大后减少再增大趋势，到2020年碳储量达到最大，占总碳储量的46.22%,20年间碳储量增加了8.34×106t，表明草地的固碳作用相对稳定，在甘肃省生态系统中占重要地位。林地碳储量是甘肃省总碳储量的第二大碳源，整体碳储量呈不断增加态势，2020年碳储量为728.06×106t，碳储量达到最大；林地碳汇能力逐渐增强，主要原因在于甘肃省退耕还林政策的实施，直接导致林地面积的扩增，从而使林地固碳能力不断增强。耕地碳储量明显下降，由2000年的702.78×106t减少至2020年的687.90×106t，耕地碳汇能力不断减弱，达到研究期内耕地碳储量的最小值。耕地碳储量减少的主要原因在于居民用地的扩张对耕地的侵占，导致耕地面积缩减，从而引起耕地碳汇能力的衰退。未利用地的碳储量约占甘肃省总碳储量的11.24%，由于未利用地面积占比相对较大，整体碳储量对甘肃省碳储量的影响较大。建设用地碳储量由2000年的0.17×106t增加到2020年的0.28×106t，达到研究期内最大值，由于建设用地的碳汇作用很弱，因此对甘肃省碳储量的影响较小。水域的碳储量约占甘肃省总碳储量的0.01%，整体碳储量呈不断增加态势，由于研究期内水域与其他地类转换面积较少，且水域的碳密度较小，因此水域碳储量对甘肃省碳储量的影响较小。

4、讨论与结论

4.1 讨论

本研究将In VEST模型和土地利用类型变化相结合，对甘肃省2000-2020年土地利用变化及碳储量时空变化进行了分析。研究表明，2000-2020年甘肃省碳储量呈现“先增后减”的趋势。2000-2010年甘肃省碳储量呈现增加趋势，表明土地利用之间的转化主要受我国“退耕还林还草”工程和“西部大开发”政策的影响较大，这与刘纪远等[14]的研究结果一致；2010-2020年间甘肃省碳储量呈现减少趋势，表明其他土地利用类型转为建设用地时区域碳储量会减少，这与杨皓然等[15]的研究结果一致。土地利用碳密度的高低会影响碳储量的增加或减少，这与任玺锦[8]、刘淑琴等[16]的研究结果一致。

本文通过参考文献和前人研究的成果获取了甘肃省各地类的碳密度数据，由于各地类碳密度的数据在实际测算中受到不确定因素的影响较大，因此，对碳储量测算存在一定的误差。在今后的测算中，一定要进行长期考察，对实测数据进行准确分析，以提高碳储量的估算精度。另一方面，本文对甘肃省的地类划分受限于使用遥感数据的分辨率，结合《土地利用现状分类表》分为六大类，在今后的研究中，需要获取更高精度的土地利用数据，将土地利用类型进一步细化，以便更准确地运用In VEST模型估算区域碳储量。

4.2 结论

2000-2020年甘肃省的建设用地、林地、水域呈现不断增长的趋势，而耕地、未利用地呈现缩减的趋势；耕地、林地、建设用地和未利用地之间的转换较为明显，耕地是建设用地转入最主要的来源。

从时间动态变化来看，甘肃省2000、2005、2010、2015、2020年碳储量分别为3 318.19×106t、3 325.69×106t、3 329.02×106t、3 322.44×106t和3 322.20×106t，呈现先增加后下降的趋势，总体增加了4.20×106t。

从空间动态变化来看，甘肃省碳储量分布呈东南高，西北低的格局，碳储量较高的地区主要集中在甘肃省东南部，以林地为主，碳储量较低的地区主要集中在甘肃省西北部，以未利用地为主。

2000-2020年，土地利用的变化与碳储量的变化幅度具有一致性，甘肃省土地利用类型的碳储量大小为：草地>林地>耕地>未利用地>建设用地>水域，甘肃省最主要的碳库为林地和草地，甘肃省碳损失的主要原因是耕地面积的减少。

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文章来源:冯志莹,刘淑英,王平.基于InVEST模型的甘肃省碳储量时空变化研究[J].国土与自然资源研究,2024,(05):30-34.