干旱区土地利用转化的碳储量响应及脆弱性研究

A Study of Carbon Storage Response and Vulnerability of Land Use Transformation in Arid Area:taking Ningxia as an Example

摘要

土地利用转化是人类经济转型与生态改造的行为选择，不同选择下生态服务价值功能响应存在差异。“碳达峰”、“碳中和”目标下探究干旱区土地利用转化及碳储量服务价值功能的响应机理与脆弱性问题，是福利与生态文明建设空间治理与共同行动亟待解决的问题。本文以宁夏中部干旱带四县区为研究单元，结合InVEST模型分析其20年间土地利用转化及碳储量响应机理与脆弱性。研究表明：（1）20年间土地转化强度加大，其中草地为主要转出者，其转为耕地和建设用地；耕地、建设用地类以转入为主。（2）碳储量响应的空间分布与土地利用类型转化保持高度一致，草地转为建设用地是碳储量下降的主因，碳储量分布呈现“东北高—西南低”的格局；（3）近20年土地利用指数提高5.03，PI指数均表现负面潜在影响。前期脆弱性较大，后期脆弱性降低，韧性提升。因此要加强土地利用转化的规划，强调经济与生态的协同发展，以实现干旱生态脆弱区人地共同体建设发展。

Abstract

Land use transformation is a behavioral choice of human economic transformation and ecological transformation, and there are differences in the response of ecological service value and function under different choices. Exploring the response mechanism and vulnerability of land use transformation and carbon storage services in arid areas under the goals of “carbon peak” and “carbon neutrality” is an urgent issue to be addressed in the spatial governance and joint action of welfare and ecological civilization construction. This study takes four counties in the central arid zone of Ningxia as the research unit, and analyzes the mechanism and vulnerability of land use transformation and carbon storage response over the past 20 years using the InVEST model. The research has shown that: (1) The intensity of land conversion has increased over the past 20 years, with grassland being the main source of land conversion, which has been converted into arable land and construction land; farmland and construction land are mainly transferred in. (2) The spatial distribution of carbon storage response has been highly consistent with the transformation of land use types. The conversion of grasslands to construction land is the main reason for the decrease in carbon storage, and the distribution of carbon storage shows a pattern of “high in the northeast and low in the southwest”; (3) In the past 20 years, the land use index has increased by 5.03, and the PI index has shown negative potential impacts. In the early stage, the vulnerability was relatively high, but in the later stage, the vulnerability improved and the resilience increased. Therefore, it is necessary to strengthen the planning of land use transformation, emphasize the coordinated development of economy and ecology, in order to achieve the construction and development of a human land community in arid and ecologically fragile areas.

Graphical abstract

关键词

干旱区 / 土地利用转化 / 碳储量 / 脆弱性 / InVEST模型

Key words

Arid area / Land use transformation / Carbon storage / Vulnerability / InVEST model

土壤碳储在维持陆地生态系统物质平衡和能量需求中具有重要作用^[1]，全球变化下陆地生态系统碳储服务相关研究受到学界普遍关注。2020年习近平总书记提出的双碳目标是推进我国绿色高质量发展的内在要求，也是构建人类命运共同体的必由之路。碳储量是生态系统中重要的调节气候和加速碳循环的生态服务机制，促进生态系统碳吸收能力是实现碳中和的重要途径^[2]，而土地利用类型转化是影响陆地碳储服务质量变化的主要因素。干旱区生态脆弱性决定了其在生态治理社会稳定中具有重要地位，其经济社会转型与生态恢复治理中对土地利用的选择引起的生态服务价值功能变化及其脆弱性问题探究对实现高质量和生态文明建设具有重要性和迫切性。宁夏属西北干旱生态脆弱区，同时它也是黄河流域高质量发展与生态保护建设先行区，该区域肩负着防止返贫、新能源建设发展、互嵌移民共同体建设等经济社会生态多维性责任，其土地利用及碳储量价值响应机理对提高区域生态系统碳储总量和区域经济社会可持续发展具重要意义。

目前，国内外学者聚焦于生态系统内碳储量估算、碳储量时空差异变化及影响驱动机制等方面研究，以综合评价多种生态系统服务功能的InVEST估算模拟区域生态系统碳储量及碳储空间变化动态演变过程^[3]。张影等基于InVEST模型对白龙江流域生态系统碳库进行研究并探讨了海拔、坡度等因子对生态系统碳库的影响^[4]；陈宁等在该模型下分析了20年间西北地区土地利用及碳储量变化特征，延伸预测三种不同情境下未来土地利用类型及对应碳储情形^[5]；付宇佳等修正西北内陆地区不同土地利用类型下的碳密度、分析了土地利用转化对碳储量的影响^[6]；仲俊涛等选取碳储量、土壤保持、水源涵养对宁夏盐池县禁牧措施后草地的生态系统服务物质量进行了系统评估^[7]。关于脆弱性的研究，IPCC等组织从全球气候变化角度提出了自然—人类综合系统的脆弱性问题。生态系统脆弱性是指在外部环境干扰下生态系统适应性不足，从而导致其服务功能与特征发生变化的一种属性^[8]。国内学者主要关注土地利用转化下景观格局和农户的脆弱性，而对陆地碳储服务功能的脆弱性研究鲜见。碳储服务是生态系统服务的重要组成部分，因此为减缓生态系统服务损失及退化，开展区域生态系统碳储量变化及其脆弱性的综合研究十分必要^[9]。

综上，已有研究多集中于流域和行政区的碳储量变化^[10]，关于我国干旱区陆地碳储量的生态区域性研究甚少。我国干旱区面积大、土壤类型复杂，在生态环境演变治理研究中有重要地位。其土地利用转化、碳储量响应机理以及脆弱性问题是双碳目标和低碳绿色、可持续发展首要解决的问题。

1 数据（材料）与方法

1.1 研究区概况

宁夏中部干旱带位于黄土高原和青藏高原的交汇地带，包括盐池县、同心县、红寺堡区、中宁县、海原县、沙坡头山区、原州区北部、西吉县西部，国土面积2.94万km²，占全区总面积的44.3%。境内全年干旱少雨、蒸发强且风沙大；日照充足昼夜温差大；干旱、冰雹、沙尘等灾害性频发；土质疏松肥力低、生态极其脆弱。基于解译处理的规范性，本文拟选取全境在中部干旱带的盐池县、红寺堡区、同心县与海原县4县区分析。

1.2 数据来源

土地利用类型数据来源于Landsat TM解译；行政边界矢量数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。

1.3 研究方法

1.3.1 碳储量计算——InVEST碳储量分析模型

该模块通过估算地上生物量、地下生物量、土壤有机质和死亡有机质四个基本碳库单元来计算，表达式：

C_j=C_{j\_above}+C_{j\_below}+C_{j\_soil}+C_{j\_dead}（1）

式中：C_j为第j类土地利用类型的综合碳密度；C_{j\_above}、C_{j\_below}、C_{j\_soil}、C_{j\_dead}分别为第j类土地利用的地上生物、地下生物、土壤有机质以及死亡有机质的碳密度。

C_t={\sum }_{j=\mathrm{1}}^n{C}_j\times S_j（2）

式中：C_t为研究区生态系统碳储总量；S_j为对应类型的土地利用面积；n为土地利用类型总数量。

碳密度从具有相同地理特征区域的文献^[3]选取获得。由于建设用地的碳密度在碳库中占比重较小且数据采集具有局限性，因此假设建设用地各类碳密度为零。

1.3.2 碳储服务的脆弱性评估

政府间气候变化专门委员会指出脆弱性是生态系统易受到或缺乏应对气候变化不利影响的程度。随后Schröter等学者将土地利用类型转化因素引入继而拓展了脆弱性概念^[9]。本文采用潜在影响指数（PI）来定量评估土地转化下陆地碳储存服务的脆弱性，其计算公式如下：

PI=\frac{∆C}{∆L}（3）

式中：ΔL表示土地利用程度指数变化量，ΔC表示碳储量变化（Tg）。

2 结果与分析

2.1 土地利用转化特征

不同土地类型间转化的碳储量服务响应不同。以ArcGIS对宁夏中部干旱四县区2000 - 2020年间土地利用空间叠加，利用空间统计功能分析得到土地利用的动态变化和转移矩阵，结合转移矩阵和土地转移桑基图（表1、图2）得出土地利用的转化趋势和时空变化方向。

由表1和图2可看出：宁夏中部干旱带4县区20年间土地利用转化幅度增加，具体表现为耕地、建设用地面积增加，林地、草地面积减少，水域、未利用地面积变化不大；（1）前期耕地转出为建设用地、林地和水域，后十年转入为主，且转入大于转出；（2）20年间草地转出量最高，远大于转入，草地转出是耕地、建设用地以及林地转入的主要来源；（3）建设用地转入不断增长，说明中部干旱带土地利用中建设用地的转化扩张较高，一方面源于公共服务建设需要，另一方面源于城镇化对土地需求的增长。

2.2 土地利用转化的碳储量响应

2.2.1 土地利用转化的碳储量变化

结合以上分析，得出20年间宁夏中部干旱带4县区土地利用类型的碳储量响应，如下见表2.

研究区碳储量贡献依次为草地 耕地 林地，碳储总量主要来源为草地与耕地，其中草地碳储量20年间先增后减，源于其面积转出大于转入；耕地碳储总量20年间保持整体上升，增长量为正，表明耕地对碳储量的贡献逐渐加大；林地、水域、未利用地碳储总量相对增加，幅度不大。

2.2.2 碳储量变化的空间差异特征

对2000 - 2020年碳储量进行差值计算，按照差值计算结果正负值重新规划为3类，如图3所示。

上图3所示，20年间宁夏中部干旱带四县区碳储总量有所下降。研究区前十年间土地利用转化的生态碳储供给能力不高，生态韧性不高；后十年间出现明显碳储增加区域，部分地区出现集中连片增长趋势；其中以同心县、盐池县增长最为明显，海原县碳储量增加速度最快，说明因地制宜发展特色产业与生态协同机制取得一定成效；红寺堡区局部明显出现高值区域，易地移民区协同人口资源环境、人地共同体建设提升了生态服务价值功能；但红寺堡区、同心县、海原县仍然存在部分碳储低值集中连片区，自然灾害等制约要素依然明显，未来需进一步加强区域协同治理，提升韧性。

2.2.3 土地利用转化的碳储量响应

碳储量变化对土地类型变化具有一定的响应关系，如图4所示。土地利用转化是引起区域生态系统碳储量变化的主导因子^[11]，宁夏中部干旱带四县区20年间土地地类变化引起的陆地生态系统碳储量的动态变化，碳供给能力较强的林地与草地地类转化为碳供给能力较弱的建设用地。碳储量变动与土地利用转化呈现正响应。土地利用数量变化直接影响着陆地碳储服务的质量和空间格局。

2.3 碳储服务的脆弱性评估

根据脆弱性评估土地利用转化的生态系统服务脆弱性，2000 - 2020年间宁夏中部干旱带，4县区陆地土地利用转化的碳储总量脆弱性如表3所示。结合研究区域的实际情况，将研究区土地利用强度从低到高分为4个等级^[12]：低利用强度（0，100]、较低利用强度（100，200]、较高利用强度（200，300]、高利用强度（300，400]；其对应的脆弱性PI指数如下。

由表3变化可知：20年间宁夏中部干旱带四县区土地利用强度整体较高且呈上升趋势，土地利用强度变化急速加大，而碳储量价值功能整体下降，且下降趋势有所缓和，主要原因是林地、草地、水域等类型转向为碳密度较低的建设用地。建设用地的激增与林地草地的降低加速了区域碳流失的速率。相应的PI指数下降，碳储存在脆弱性。其中，2000 - 2010年间生态系统碳储服务为 -1.4 119，土地利用的生态服务碳储非常脆弱。2010 - 2020年碳储服务脆弱性降低，韧性提升，但PI指数仍为负，说明土地利用逐渐合理化，但经济与生态的协同性仍需提升。

3 结论与讨论

3.1 讨论

全球气候变化及人类生活方式变化导致的土地利用类型转化正在影响着生态系统，减少碳排放、优化能源结构、完善资源配置已成为各国家在节能减排、绿色环保方面的政治共识^[13]。西北干旱区作为我国最重要的生态屏障区之一，对国家生态安全保护具有举足轻重的意义。针对宁夏中部干旱带4县区土地利用碳储量变化以及碳储存服务的脆弱性研究有以下启发。

（1）土地利用结构变化问题。研究区20年间土地利用转化整体上主要以草地、耕地为主，建设用地增加也较明显，草地变化基于退耕还林还草等政策的影响，建设用地的增加源于城市的扩张与公共设施的建设。研究区四县区土地类型转化呈明显的空间差异性^[14]。盐池县全境主要以草地变动为主、西南部出现耕地转化聚集区域、建设用地转变相对较少；红寺堡区、海原县、同心县境内整体均以大面积耕地转化为主、建设用地转化居于其次，局部地区出现小范围的林草地转变。其中海原县西北部、红寺堡区西南沿线地区、同心县北部区域建设用地增加趋势较为剧烈。2000 - 2020年研究区土地利用空间格局明显改变，整体处于调整期，所以应坚持生态优先，合理土地利用规划，保护林地、草地，提高区域生态系统服务功能，从而实现土地动态平衡。

（2）产业调整与生态治理协同问题。研究表明，20年间土地利用强度加大，草地耕地建设用地转化趋势明显，源于干旱区产业结构调整的行为选择。粮食安全带来耕地保有量的问题、城镇化建设与基础设施的土地需求，易地移民区社会稳定的产业支持经济社会福利发展需求等加大了人类对土地的干扰强度。土地利用类型转化以经济发展服务为主，而忽视了干旱带生态保护主体功能和水土资源约束下生态恢复治理问题会提高生态价值功能的要求问题。从长远来看，未来应加强产业调整与生态治理协同，土地利用规划与管理和生态恢复治理并举；加强土地利用的经济和生态空间管制，协同经济与生态发展，提高生态福利，实现经济社会生态综合效益的提升。

（3）碳储量对土地利用转移的响应问题。草地、耕地和林地是碳储量提升的主要类型，建设过快扩张降低碳储总量.碳储量与土地类型转化的一致性要求：一是要保持碳密度较高的林、草地保护利用，加强规范建设用地有序化；二是资源总量限定的前提下从科技入手提高全要素生产率，提升耕地的利用效率以及碳储量价值；三是积极发挥未利用地发展新能源，挖掘其碳储量价值，提升生态系统碳储量韧性。

（4）碳储量生态服务的脆弱性问题。20年间年研究区碳储服务虽有所提升但仍然不高，碳储量脆弱性问题存在。生态脆弱区生态服务功能根本性问题依然存在，需要从自然与社会两方面加强管控，对自然灾害、在自然演化中的生态问题需要加强预防干预；产业发展生态治理中需要自上而下的组织保障、科技金融的支撑、区域间、各部门间的协作、发展模式的转型，以系统实现人地共同体，提升干旱区生态服务价值功能及韧性。

3.2 结论

本研究在双碳背景下定量评估宁夏中部干旱带四县区2000 - 2020年土地利用转化的碳储量响应及脆弱性问题，主要结论有如下：

（1）20年间研究区耕地、建设用地、未利用地面积增长，草地、林地呈下降趋势。草地是主要的转出者，耕地是主要转入者，草地转为耕地与建设用地是研究区主要的土地转移类型；（2）碳储量的空间分布与土地利用类型保持高度一致性，草地和耕地林地是碳储量的主要来源，草地转为建设用地是研究区碳储量下降的主因；盐池干旱草原带和红寺堡移民区的碳储量服务功能有所提升、韧性提高；（3）20年间研究区土地利用强度逐渐加大，但碳储量降低，碳储量与土地利用强度负响应。碳储脆弱性PI指数逐渐提高但仍然为负，2000 - 2010年碳储脆弱性较大，2010 - 2020年脆弱性有所降低，韧性提升；（4）“碳达峰”、“碳中和”目标的实现，干旱生态脆弱区是关键。其经济社会转型的土地利用权衡直接影响生态价值碳储量，关系全局目标。因此，要处理产业调整与生态治理协同问题、碳储量对土地利用转移的响应问题、碳储量生态服务的脆弱性问题。

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基金资助

国家社会科学基金：“生态移民民族互嵌型社区的共同体韧性重塑研究”(21BMZ043)

宁夏自然科学基金“宁夏干旱生态区农业自然灾害风险生成机理、区域影响以及规避机制研究”(2024AAC03081)