低碳导向下土地覆被演变模拟——以深圳市为例

全球碳排放水平的不断增加引起的全球变暖越发严重,导致了严重的自然灾害和经济损失,这种失衡发展的态势促使着各个国家开始探索低碳环保的发展模式。为了探究何种土地利用组成可以更好的为低碳城市服务,以深圳市为研究区,结合2020年土地利用现状结构和2020年土地利用规划结构分别估算出碳汇最大化情景和碳排放量最小化情景下2020年各土地利用类型的数量结构,并运用FLUS模型模拟出深圳市土地利用类型在这两种情景下的空间分布特征。最后,从碳密度和碳排放视角对比这两种情景的低碳效益。研究结果如下：①碳汇最大化和碳排放最小化情景下土地利用总碳盈余均比2020年少,且碳汇最大化情景下土地利用总碳盈余最小。碳汇最大化情景下耕地、园地和林地面积增加而水域和建设用地减少,碳排放最小化情景下园地和林地面积增加来源于草地、水域和建设用地的减少,这两种低碳情景的碳汇能力增强而碳排放量减少;②碳汇最大化和碳排放最小化情景下林地明显增加故而土地利用总碳盈余均比实际情景小,而园地和草地的缩减和扩张是引起两种低碳情景碳密度和碳排放量有差异的主要原因。碳汇最大化和碳排放最小化情景下,西部和东南部主要是碳密度增加和碳排放减少的区域,而中部是碳密度减少和碳排放增加的区域。因此对中部区域进行重点调控,有利于深圳市碳中和和碳达峰的实现。研究可以为深圳的低碳发展提供规划建议,同时给其他区域的低碳规划提供参考意见。     

2030年闽三角城市群土地利用变化对生态系统水源涵养服务的影响

生态系统水源涵养服务作为水资源得以持续的基础和保障,正持续遭受着人类活动的干扰和影响,土地利用变化作为主要的方式之一,对水源涵养的影响广泛而且深远。运用InVEST模型模拟了闽三角城市群2015年和2030年的水源涵养情景,发现到2030年闽三角城市群区域内水源涵养量总体会下降0.24×10⁸ m³;对比发现：土地利用变化对水源涵养的影响主要主要表现在变化面积、变化方向、作用强度以及面积补偿作用四个方面。首先面积变化方面,水源涵养量同用地类型的面积大小正相关,但二者的变化量并不正相关;其次变化方向方面,相比变化为城市生态系统和水域生态系统而言,变化为自然生态系统和农业生态系统的土地利用变化更有利于生态系统水源涵养;再次,土地利用变化对水源涵养产生作用的强度由强及弱以此为林地、其他土地、草地、农田、建设用地、水域及滩涂;最后,面积变化后的补偿作用方面,由于不同用地类型水源涵养能力和面积变化量的差异,由农田、林地、草地及其他土地面积下降导致的水源涵养量损失并不能通过建设用地、水域及滩涂用地类型面积的增加得以完全补偿。     

基于碳密度修正的甘肃省土地利用变化对碳储量的影响

研究甘肃省土地利用变化对陆地生态系统碳储量的影响, 以期为甘肃省生态文明建设提供一定理论参考。因此,基于遥感数据, 通过修正全国碳密度得到甘肃省碳密度, 应用修正的碳密度输入InVEST模型对1990—2015年甘肃省碳储量进行估算, 分析土地利用变化对碳储量的影响。研究结果表明: 1)1990—2015年, 甘肃省建设用地面积增加1268 km2, 增幅为38.09%; 未利用地面积共减少1850 km2, 减幅为1.08%。约有1.71%的土地发生了转移, 其中耕地和草地、建设用地、未利用地之间的转化是甘肃省土地利用变化的主要特征。2)甘肃省碳储量总体呈上升趋势。因土地利用类型转化引起碳储量净增加251.46万t, 其中植被碳储量和土壤碳储量分别增加89.06 万t和162.40 万t。3)未利用地向耕地、草地和林地转化是碳储量增加的主要原因, 而耕地向建设用地转化是造成碳储量减少的重要因素。4)优化土地利用结构, 提高林地面积规模, 控制建设用地增速, 能够对陆地生态系统碳积蓄产生积极的效果。     

基于固碳服务供需视角的河南省碳平衡研究

土地利用变化影响陆地系统碳循环过程。在实现碳中和目标的背景下,分析区域碳平衡,优化土地利用结构具有现实意义。以河南省为例,以1 km网格为单元,应用InVEST碳固存模块、IPCC碳排放核算、人口密度法等方法,研究1995、2005、2015年区域碳平衡的时空变化。结果表明,研究区固碳服务的供需量与土地利用类型密切相关。固碳服务的供需在空间存在错配关系,即需求高的地区通常具有较低的供给。研究时段内,研究区的总碳固量逐年下降,总碳排放量逐年增加,研究区碳平衡表现为整体向好,局部恶化的情况。在碳平衡分析的基础上提出了空间优化利用建议,可为未来国土空间规划碳平衡目标的实现提供参考。     

基于生态服务价值的玛纳斯河流域土地利用结构优化

通过土地利用结构优化能够实现区域生态效益的最大化。采用5期Landsat遥感影像数据,基于单位面积当量因子法,估算了玛纳斯河流域1990—2015年各项生态系统服务价值及其变化;并借助灰色线性规划模型(GLP)进行土地结构优化,探讨了最大化生态效益目标下优化前后研究区生态服务价值的比对及变动。结果表明:(1)该流域草地和未利用地是主要的土地利用类型,所占比例达70%;建工用地和耕地面积逐期增加,而其他土地利用类型均逐渐减少。(2)研究期内流域生态服务价值(ESV)总体呈下降趋势,2015年较1990年减少了14.97%;各单项ESV大小依次为:水文调节气候调节土壤保持生物多样性气体调节净化环境美学景观食物生产原料生产维持养分循环水资源供给;从空间分布来看,流域生态服务价值呈片状分布,ESV等级分界线较明显,其中ESV最高的低山区占总价值的35.84%,气候、水文调节是主要的生态服务功能,其原因在于草地覆盖面积大。(3)优化配置后,未利用地面积明显减少,而其他土地利用类型均有所增加;总ESV较优化前增加了5.29%,且各单项ESV也均增加,特别是水文调节和气候调节的增加最为明显。本研究可为区域土地利用规划和生态文明建设等方面提供一定理论基础和实践参考。     

漓江流域生态系统服务价值最大化的土地利用结构优化

土地利用结构优化是促进生态系统可持续发展的重中之重,而生态管理的最终目标是优化生态系统服务,使生态系统提供的服务达到最大化。选择典型生态脆弱区漓江流域为研究区,将整个生态系统服务价值的最大化作为研究目标,首先结合野外实验和五期Landsat高分遥感影像获取基础数据,对研究区1998-2018年各项生态系统服务价值进行估算,然后结合灰色线性模型对2018-2028年价值进行预测,借助Lingo软件提出生态效益最大化的土地结构优化方案,进而对优化前后研究区生态系统服务价值进行比较与分析。结果表明：（1）近20年间研究区主要土地利用类型一直以林地与耕地为主,所占比例保持在整个流域的95%。水域与耕地面积逐年减少,林地、建设用地及未利用地面积持续增加。此外,未利用地面积发生的变化最为显著,增加了近30倍,主要由林地与耕地转变而来。（2）研究区生态系统服务价值总体约减少了19.55×10⁶元,呈现先上升后下降趋势,并将长期处于下降趋势,至2028年时流域生态系统服务价值将减少至8067.43×10⁶元。在流域整体生态系统中,林地价值最高,在历年约占流域总价值的86%,其次是水域及耕地,分别占比8%、6%。（3）对研究区进行优化后,漓江流域总生态系统服务价值增长了2%,其中主要来源于林地与水域面积的增加,提高了生态系统调节服务的供给能力,耕地、建设用地面积略微增加,未利用地面积显著减少,基本与2008年水平持平。本研究通过优化喀斯特地区关键生态系统服务价值,为该区域生态管理提供科学支撑。     

广州市土地利用变化对生态系统服务价值的影响研究

土地是各种陆地生态系统的载体,土地利用是人类生存与发展不可缺少的活动,是人与自然交叉最为密切的环节,土地利用/覆盖的变化必然影响生态系统的结构和功能。在Constanza生态系统服务价值理论基础上,结合谢高地等对中国陆地生态系统单位面积生态服务价值表,计算了1996~2005年间广州市生态系统服务价值的变化。由于建设用地和养殖水面对耕地及其他农用地面积的占用,以及水域生态价值系数较高,使得广州市10年间的生态系统服务价值(ESV)变化不大,增加了1.08亿元,但人均占有量(Ave(ESV)却下降了30.11%。各种土地利用方式的生态系统服务价值的敏感性指数(CS)均小于1,表明其对生态系统的价值变化是缺乏弹性的。耕地面积的变化主要影响广州市的粮食安全问题,而水域的变化则对生态系统服务价值变化起放大作用。     

济南市土地利用变化及其对生态系统服务价值的影响

基于GIS软件平台,参照中国陆地生态系统服务单位面积价值,采用转移矩阵方法和Costanza生态系统服务价值计算公式,并结合敏感度分析,探讨了济南市1989-2009年土地利用变化和生态服务价值的变化特征.结果表明:1989-2009年,济南市建设用地面积增加99.65 km2,农田和绿地面积减少103.21 km2,减少面积的90.4％被建设用地所取代;研究期间的生态服务总价值持续下降,从256.22×106元下降到214.16×106元,减少42.06×106元,农田和绿地对研究区总体服务价值变化的影响最大.济南市在未来的城市发展和规划中,需更加重视自然资源保护,合理规划土地利用结构,保持生态系统的稳定与平衡,以实现人口、资源与环境的可持续发展.     

丘陵山区土地利用生态功能评价及结构优化

针对生态普遍脆弱的丘陵山区实施土地利用生态评价, 科学优化土地利用结构, 对维持良好稳定的土地生态功能、提高土地利用效率具有重要的现实意义。采用传统经典的生态足迹模型, 对西南丘陵区重庆市荣昌区近10年(2007—2016年)土地生态功能实施评价, 并选用多目标规划模型方法, 以土地生态赤字最小化为目标, 对全区土地利用结构进行了优化调整。研究结果表明: (1)近10年, 受土地利用不合理配置的扰动, 荣昌区人均生态赤字持续增长、人均生态承载力逐年降低, 生态赤字由2007年的1.77 hm2·人–1增加到了2016年的3.19 hm2·人–1, 年平均增长幅度为8.02%, 到2016年生态赤字是生态承载力的8.37倍, 土地资源利用呈现出压力较大、生态问题较多的状态。(2)土地利用结构优化会更好提升土地利用生态功能, 促进土地利用生态系统的良性稳定。基于土地生态赤字最小化目标, 经优化, 荣昌区生态调节功能较强的林地和草地面积增加10051.58 hm2, 耕地面积减少9181.64hm2, 城乡建设用地面积减少1379.86 hm2, 自然保留地减少45.44hm2。实现结构调整后, 区域生态承载力预测将提高22.58%, 人均生态赤字将减少0.07 hm2·人–1, 优化后的土地利用结构实现了全区生态、经济和社会效益的统一。     

多情景模拟下重庆市土地利用变化对生态系统健康的影响

模拟多情景下区域土地利用变化引起生态系统健康状况改变,对优化用地格局和保障区域生态安全具有重要意义。基于重庆市2000-2020年土地利用和生态系统健康动态演变特征,运用生态系统健康模型和斑块生成土地利用模拟(PLUS)模型模拟自然发展(ND)、生态保护(EP)和城镇发展(UD)三种情景下土地利用变化对生态系统健康的影响程度。结果表明:(1)2000-2020年建设用地扩张迅速,耕地面积减少最多,主要向林地和建设用地转移;生态系统健康状况整体呈现向好趋势,但区域差异显著。(2)2030年土地利用类型仍以耕地、林地为主,ND、EP和UD情景的建设用地规模较2020年分别增加63.59%、44.54%和100.13%,中心城区成为建设用地扩张集聚地。(3)2030年ND和UD情景的生态系统健康值较2020年均减小,建设用地增加和林地减少成为其健康退化的重要原因;而EP情景的健康值呈上升趋势,与反映生态系统健康对土地利用变化响应弹性结果相反,可见EP情景下的土地利用优化是实现区域生态系统健康可持续发展的有效途径。研究结果可为研究区生态系统保护管理与土地利用政策优化提供参考依据。     

不同土地利用情景下汾河上游地区碳储量评估

陆地生态系统碳储量对预测气候变化、温室气体排放和减少等具有重要意义,而土地利用格局变化是研究陆地生态系统碳储量的基础,它直接影响陆地生态系统结构及分布情况,进而改变陆地生态系统碳储量。运用SDCLUE-S复合模型模拟了未来不同情景下汾河上游土地利用情况,并采用InVEST模型测算了不同时期下研究区碳储量情况。结果表明:2007—2017年汾河上游草地、未利用地及水体面积减少,耕地、建设用地、林地增加,自然增长情景与生态保护情景下2030年土地利用格局差异较大,耕地、建设用地、林地及水体呈相反趋势发展。2017年汾河上游生态系统碳储量和碳密度分别为58977910.98t和147.54t/hm²,与2007年相比增加了1237143.02t和3.09t/hm²。2017—2030年自然增长情景下汾河上游生态系统碳储量和碳密度显著下降,主要原因是林地、草地面积减少,建设用地增加,生态保护情景下显著增加,碳储量和碳密度分别为59142210.16t和147.95t/hm²。生态保护情景能够有效提高区域生态系统碳储量,但同时要考虑社会经济可持续发展,因此研究区在未来发展规划中应基于生态保护情景,统筹各项资源,保障经济发展。     

土地利用变化对区域碳源汇的影响研究进展

土地利用变化对陆地生态系统碳循环有着重要的影响,既可能成为碳源,也可能是碳汇。在国内外相关研究的基础上,综述了土地利用变化对全球及区域尺度上森林、草地和农业生态系统碳循环的影响。全球范围内,森林砍伐后向草地和农田的转化发挥碳源的作用,在毁林碳排放中占主导地位,其中热带地区森林转变为农田和草场的碳排放均高于温带和北方森林。另一方面,土地利用变化可促进森林的碳贮存,如退耕还林、改善森林管理等。各区域森林生态系统通过土地利用变化贮存碳的潜力存在显著差别,热带湿润和半湿润地区具有较大的碳汇潜力,而干旱地区减少碳排放的空间相对较少。开垦活动是影响草地生态系统碳储存最主要的人类活动,草地转变为农田伴随着土壤碳的流失。森林或草场转变为农田的过程伴随着植被和土壤碳储量的减少,生态系统碳储量降低,因此它是一个碳排放的过程。伴随着城市的扩张,农田向建设用地的转化也是一个碳排放的过程。当前评估土地利用变化影响的研究方法主要有遥感观测和遥感模型、统计估算、生态系统模型以及土地利用与生态系统模型的耦合。研究方法得到不断地完善和改进的同时,还存在着一些不确定性,因此需要建立统一的观测统计方法,降低数据中的不确定性;完善土地利用与生态系统模型的耦合研究;建立多尺度土地利用变化及生态系统综合技术方法体系;开展碳减排目标下土地利用最优化布局研究。     

海岛陆地生态系统固碳估算方法

陆地生态系统在调节全球碳平衡和减缓全球气候变化中起着重要作用。海岛作为一种特殊的生态系统,生物群落和环境与大陆基本相似。虽然海岛生态结构相对简单,物种的丰富程度比大陆低,但对全球碳循环也有一定的影响。在海岛陆地生态系统中,森林和灌草的种属相对较少,且不同纬度的海岛森林植被种属差异明显,可采用典型样地清查和生物量模型估算相结合的方法估算乔木层和灌草层的碳储量。采用模型估算固碳潜力时,根据海岛生态环境的特殊性,综合考虑岛陆面积、季节、风向、坡度、坡向、海拔、平均温度、降雨量、土壤理化性质等参数对其碳储量估算的影响。海岛植被生物多样性影响其土壤碳储存的生态服务功能,利用多元统计分析方法,建立岛陆植物物种丰度与土壤碳储量的空间回归模型,明确植物多样性的改变对岛陆土壤固碳能力的影响。此外,从土壤固碳的角度而言,海岛土壤-植物-微生物间相互作用是其重要的研究方向。利用现代分子生物学技术,研究海岛陆地生态系统的土壤-植物-微生物相互作用关系,有利于海岛土壤固碳潜力估算精度的提高。     

喀斯特地区碳储量对土地利用模式的响应——以南北盘江流域为例

喀斯特地区生态系统脆弱，对气候变化响应敏感，空间异质性强，碳汇潜力大。喀斯特生态治理对土地利用格局的改变，会导致生态系统碳储量的显著变化，对陆地生态系统碳循环和区域生态安全具有深远影响。以喀斯特典型区南北盘江流域为例，运用InVEST模型和热点分析评估流域2000—2020年土地利用变化对碳储量时空分布的影响，根据碳储量集聚特征使用FLUS-Markov模型分区预测生态系统碳储量对不同土地利用模式的响应。结果表明：(1)2000—2020年，研究区土地利用类型由高碳密度的地类转为较低碳密度的地类，致使生态系统碳储量呈减少趋势，累计损失90.36×10⁵t C。(2)2000—2020年碳储量在空间上呈现“西低东高”的格局。热点区集中分布在东部和东南部，冷点区主要分布在西部和西南部，弱显著区大多在北部。(3)各热点分区在不同模式下固碳能力差异显著。热点区在不同模式下的平均碳密度均大于155.40t/hm²,显著高于2020年南北盘江流域的平均碳密度143.59t/hm²,整体固碳功能突出；弱显著区的碳汇能力与研究区平均水平...     

土地利用变化对陆地生态系统碳贮量的影响

陆地生态系统是重要的碳库之一,在碳素生物地球化学循环中起着重要作用．本文就森林、农田生态系统,综述了土地利用变化对陆地生态系统碳贮量的影响及其可能的作用机制．土地利用变化显著地影响陆地生态系统的结构和功能,造成系统碳贮量的变化,这很大程度取决于生态系统类型和土地利用方式的改变．森林砍伐后变为农田和草地,使生态系统中植被和土壤碳贮量大大降低．土壤碳含量的降低主要是由于凋落物输入的减少,有机质分解速度的提高,以及耕种措施对有机质物理保护的破坏造成的．土壤碳损失主要发生在森林砍伐后较短的时期内,而其降低速率取决于诸多因素以及土壤理化和生物过程．农田和草地弃耕恢复为森林,以及农田保护性管理措施的利用．能够使大气中的碳在植被和土壤中得到汇集．森林恢复过程中植被可以大量汇集大气中的碳,而由于农田耕种历史不同以及土壤空间异质性。导致土壤碳汇集速率差异极大．保护性农田管理措施(诸如免耕、合理的种植制度、化肥的施用等)可以影响土壤理化特性、作物根系生长以及残茬数量和质量、土壤微生物数量和活性,维持和提高土壤碳含量水平．     

城市系统碳循环:特征、机理与理论框架

城市是地表受人类活动影响最深刻的区域,城市系统碳循环在全球和区域碳过程中具有重要的地位和作用.提出了城市“自然-社会”二元碳循环的概念,探讨了城市系统碳循环的一般特征;分析了城市系统碳循环的内部机理,主要包括:城市系统碳储量和碳输入/输出通量的主要过程和途径、城市系统碳储量、碳通量和碳流通的生命周期分析、城市系统碳输入和碳输出的类型划分等;提出了基于系统层次划分和碳流通过程的城市系统碳循环的研究框架,分析了城市自然系统和城市经济系统的主要碳流通过程和环节,构建了城市系统碳循环研究的思路和理论框架;最后提出了城市系统碳循环领域未来的研究重点.     

基于InVEST模型的疏勒河流域碳储量时空变化研究

研究区域土地利用方式与生态系统服务碳储量的关系，对于区域生态系统保护及经济社会可持续发展具有重要意义。利用InVEST模型碳储量模块和CA-Markov模型，探究并预测疏勒河流域1990-2015及2015-2040年流域生态系统碳储量时空变化特征及其与土地利用方式之间的关系。结果表明：疏勒河流域1990、1995、2000、2005、2010、2015年碳储量分别为7.994×10⁸、7.996×10⁸、7.998×10⁸、8.038×10⁸、8.064×10⁸、8.071×10⁸t，呈逐年增加趋势，累计增加7.7×10⁶t。土地利用类型变化是导致生态系统碳储量变化的主要因素，未利用地向耕地和草地转化有利于碳储量增加，而草地向耕地和未利用地的转化则导致碳储量减少。疏勒河流域碳储量存在显著的空间格局，碳储量较高区域呈现"北部点状-中部带状-南部点状片状"特征，这种分布格局与流域土地利用类型紧密联系。预测表明至2040年疏勒河流域碳储量为9.128×10⁸t，较2015年增加13.1%，主要原因是草地、耕地和林地面积较大幅度增长，提高了流域内的碳储量。     

特大型露天煤矿区生态系统演变及其生态储存估算

露天煤矿区生态系统在人为干扰下具有特殊的演变过程。从土地利用变化的角度描述矿区生态系统演变及生态水平变化,旨在为特大型露天煤矿区生态系统研究提供科学依据。以山西省朔州市平朔大型露天煤矿区为研究对象,以1986年、2000年、2013年的遥感影像为主要数据源,在分析研究区近30年土地利用特征的基础上,探讨矿区生态系统的演变过程;同时利用生态储存模型定量分析矿区生态系统在研究时段内所处的水平。结果表明:(1)1986—2013年耕地和林地大幅减少,城镇建设用地和采矿造成的损毁土地面积迅速增加;(2)矿区生态系统各子系统用地之间的转化均较为活跃,城镇扩张、采矿活动加剧、损毁土地复垦是造成这一现象的主要原因;(3)平朔矿区生态系统演变可划分为原地貌阶段、损毁阶段、重建阶段;(4)研究区生态储存状态呈恶化趋势,生态储存转化表现为逆向过程,生态储存能力增强。研究结果可为中国特大型露天煤矿区生态系统研究提供科学依据。     

洞庭湖白沙洲4种植被系统与大气中碳素交换

近年来由于气候变化,极端天气现象及其相应的自然灾害的频繁发生,致使人类面临严峻的挑战,全球环境问题已备受瞩目。湿地碳循环在全球气候变化中具有不可忽视的作用,研究湿地系统与大气中碳素的交换,有助于深入了解湿地生态系统对大气环境的影响。在生物量和土壤温室气体排放测定的基础上,对洞庭湖白沙洲湿地4种主要植被系统与大气碳素交换进行研究,结果表明:杨树人工林、芦苇和苔草3种植被系统净生产力吸收大气中碳量分别为9.88、6.83.thm-.2a-1和4.07.thm-.2a-1,土壤排放碳量(包括CH4中的碳素)分别为3.08、2.79.thm-.2a-1和2.80t.hm-.2a-1,3种植被系统每年净吸收大气中的碳6.80、4.07t.hm-.2a-1和1.27t.hm-.2a-1,都是大气CO2的汇;黑藻与竹叶眼子菜混交群落净生产力吸收大气碳1.23.thm-.2a-1,土壤排放的碳1.32t.hm-.2a-1,该系统每年向大气净排放0.09t.hm-.2a-1,是一个弱的CO2排放源;将CH4温室效应是CO2的21倍折算成CO2量,杨树林土壤排放CO2量(包括CH4折算成CO2量)为16.19t.hm-.2a-1,比植被净生产力吸收的少16.64t.hm-.2a-1,对大气温室效应而言,该系统是温室气体的汇;芦苇、苔草以及黑藻与竹叶眼子菜混交群落土壤排放CO2量(包括CH4折算成CO2量)分别是43.68、39.19t.hm-.2a-1和32.22t.hm-.2a-1,比植被净生产力吸收的还多20.60、24.27.thm-.2a-1和27.71.thm-.2a-1,对大气温室效应而言,这3种湿地植被系统都是温室气体排放源。