现代地质 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (03): 559-573.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2024.035
袁江龙1,2,3(), 刘晓煌1(
), 李洪宇1, 邢莉圆1, 雒新萍1, 王然1, 王超1, 赵宏慧1
出版日期:
2024-06-10
发布日期:
2024-07-04
作者简介:
袁江龙,男,硕士研究生,1999年出生,主要从事地理信息和生态遥感方向研究。Email:792807914@qq.com。基金资助:
YUAN Jianglong1,2,3(), LIU Xiaohuang1(
), LI Hongyu1, XING Liyuan1, LUO Xinping1, WANG Ran1, WANG Chao1, ZHAO Honghui1
Online:
2024-06-10
Published:
2024-07-04
摘要:
土地利用类型变化是区域碳储量变化的主要影响因素,对整个陆地生态系统有着重要的影响。以黄河中段伊洛河流域为例,基于生态系统服务功能与权衡交易综合评价模型(InVEST)碳储量模块评估了1990—2020年碳储量时空分异特征及影响因素,利用耦合PLUS模型预测了2025—2050年土地利用类型及碳储量时空分异特征,使用地理探测器探索区域碳储量驱动力因素。结果表明:(1)伊洛河流域土地利用类型转移为耕地和草地转出,林地、水体和建设用地转入。区域碳储量在1990—2020年间增长1.0×107 t,东部碳储量持续减少,中西部碳储量持续增加。(2)2025—2050年区域整体固碳能力下降。相对于历史时期,东部固碳能力仍旧持续下降,中西部固碳能力由持续上升变总体上升,生态修复情景最有利于区域固碳,耕地保护情景最不利于区域固碳。(3)使用地理探测器可以得出,单因子分析NDVI(归一化植被指数)的q值(解释力)为0.561,解释力最强,交互分析中DEM(数字高程模型)与NDVI交互q值为0.592,两个因子交互解释力最强。建议经济较好、地形平坦的IV12-1区域经济和农业发展应注重自然保护,生态较好、海拔较高的VI22-1和VI22-3区域施行生态修复政策。
中图分类号:
袁江龙, 刘晓煌, 李洪宇, 邢莉圆, 雒新萍, 王然, 王超, 赵宏慧. 1990—2050年黄河中游伊洛河流域不同土地利用类型碳储量时空分异特征[J]. 现代地质, 2024, 38(03): 559-573.
YUAN Jianglong, LIU Xiaohuang, LI Hongyu, XING Liyuan, LUO Xinping, WANG Ran, WANG Chao, ZHAO Honghui. Spatial and Temporal Variability of Carbon Stocks in Different Land-use Types in the Yiluo River Basin in the Middle Section of the Yellow River from 1990 to 2050[J]. Geoscience, 2024, 38(03): 559-573.
图1 研究区2022年土地利用类型和自然资源区划 Ⅵ 22-1.三门峡市—洛阳市南部—南阳市西北部山地阔叶林农作物小区;Ⅵ 22-3.商洛市山地针叶林暖性草丛类小区;IV 12-1.洛阳市旱地小区
Fig.1 Land-use types and natural resource zonation in the study area, 2022
数据名称 | 数据描述 | 数据来源 |
---|---|---|
DEM | ASTER GDEM 30M分辨率数字高程模型 | 地理空间数据云( |
土地利用数据 | 武汉大学 CLCD 30M分辨率数据 | Zenodo网站( |
土壤属性数据 | HWSD世界土壤数据库 | 粮农组织土壤门户网站(FAO SOILS PORTAL) |
NDVI(MYD13Q1) GPP(MYD17A2H) NPP(MOD173AH) | MoDIS 500M分辨率产品 | NASA地球数据(EARTHDATA) |
降水(Rain) 温度(Tmp) 蒸散量(ET) | ERA5 500M分辨率数据 | GEE数据网站( |
未来气温和降水数据 | CMIP6数据集 | WCRP CMIP6( |
经济(GDP)、 人口数据 (POP) | 1km 分辨率栅格数据 | 资源环境科学与数据中心( |
路网等矢量数据(铁路、 GS和XY) | 矢量数据 | 全国地理信息资源目录服务系统( |
表1 本文数据信息
Table 1 Data information in the study
数据名称 | 数据描述 | 数据来源 |
---|---|---|
DEM | ASTER GDEM 30M分辨率数字高程模型 | 地理空间数据云( |
土地利用数据 | 武汉大学 CLCD 30M分辨率数据 | Zenodo网站( |
土壤属性数据 | HWSD世界土壤数据库 | 粮农组织土壤门户网站(FAO SOILS PORTAL) |
NDVI(MYD13Q1) GPP(MYD17A2H) NPP(MOD173AH) | MoDIS 500M分辨率产品 | NASA地球数据(EARTHDATA) |
降水(Rain) 温度(Tmp) 蒸散量(ET) | ERA5 500M分辨率数据 | GEE数据网站( |
未来气温和降水数据 | CMIP6数据集 | WCRP CMIP6( |
经济(GDP)、 人口数据 (POP) | 1km 分辨率栅格数据 | 资源环境科学与数据中心( |
路网等矢量数据(铁路、 GS和XY) | 矢量数据 | 全国地理信息资源目录服务系统( |
土地利 用类型 | 碳密度 (t/hm2) | |||
---|---|---|---|---|
Cabove | Cbelow | Csoil | Cdead | |
耕地 | 16.15 | 3.20 | 82.50 | 0 |
林地 | 67.45 | 30.25 | 120.98 | 13 |
草地 | 2.83 | 23.52 | 121.83 | 2 |
水体 | 3.20 | 0.64 | 71.77 | 0 |
荒地 | 0.96 | 0.99 | 60.00 | 0 |
建设用地 | 1.20 | 0 | 0 | 0 |
表2 伊洛河流域碳库相关参数[10,39⇓⇓ -42]
Table 2 Parameters related to carbon pools in the Yiluo River basin[10,39⇓⇓ -42]
土地利 用类型 | 碳密度 (t/hm2) | |||
---|---|---|---|---|
Cabove | Cbelow | Csoil | Cdead | |
耕地 | 16.15 | 3.20 | 82.50 | 0 |
林地 | 67.45 | 30.25 | 120.98 | 13 |
草地 | 2.83 | 23.52 | 121.83 | 2 |
水体 | 3.20 | 0.64 | 71.77 | 0 |
荒地 | 0.96 | 0.99 | 60.00 | 0 |
建设用地 | 1.20 | 0 | 0 | 0 |
图2 1990—2020年研究区每十年土地利用类型转移矩阵 (a)1990到2000年土地利用转移弦图;(b)2000到2010年土地利用转移弦图;(c)2010到2020年土地利用转移弦图
Fig.2 Land-use type transfer matrix per decade in the study area from 1990 to 2020
年份 | 不同土地利用类型面积(km2) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
耕地 | 林地 | 草地 | 水体 | 荒地 | 建设用地 | |
1990 | 9118.46 | 7722.35 | 1468.90 | 68.86 | 0.15 | 502.27 |
1995 | 9118.43 | 7722.34 | 1468.90 | 68.86 | 0.15 | 502.27 |
2000 | 9230.22 | 7651.91 | 1306.08 | 61.68 | 0.09 | 631.00 |
2005 | 8899.65 | 7885.56 | 1229.26 | 66.94 | 0.08 | 799.52 |
2010 | 8831.66 | 8025.89 | 1037.01 | 84.99 | 0.06 | 901.36 |
2015 | 8474.11 | 8056.20 | 1185.06 | 91.22 | 0.06 | 1074.33 |
2020 | 8150.06 | 8314.50 | 1044.95 | 98.58 | 0.16 | 1272.74 |
变化幅度 (%) | -10.62 | 7.67 | -28.86 | 43.16 | 2.40 | 153.40 |
表3 1990—2020年研究区土地利用面积变化
Table 3 Changes of land-use area in the study area from 1990 to 2020
年份 | 不同土地利用类型面积(km2) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
耕地 | 林地 | 草地 | 水体 | 荒地 | 建设用地 | |
1990 | 9118.46 | 7722.35 | 1468.90 | 68.86 | 0.15 | 502.27 |
1995 | 9118.43 | 7722.34 | 1468.90 | 68.86 | 0.15 | 502.27 |
2000 | 9230.22 | 7651.91 | 1306.08 | 61.68 | 0.09 | 631.00 |
2005 | 8899.65 | 7885.56 | 1229.26 | 66.94 | 0.08 | 799.52 |
2010 | 8831.66 | 8025.89 | 1037.01 | 84.99 | 0.06 | 901.36 |
2015 | 8474.11 | 8056.20 | 1185.06 | 91.22 | 0.06 | 1074.33 |
2020 | 8150.06 | 8314.50 | 1044.95 | 98.58 | 0.16 | 1272.74 |
变化幅度 (%) | -10.62 | 7.67 | -28.86 | 43.16 | 2.40 | 153.40 |
区域 | 单位面积碳储量(t/ km2) | ||
---|---|---|---|
1990—2000年 | 2001—2010年 | 2011—2020年 | |
VI22-1 | 18733 | 18844 | 19004 |
VI22-3 | 19016 | 19582 | 19863 |
IV12-1 | 10377 | 9899 | 9596 |
表4 各小区每10年单位面积碳储量
Table 4 Carbon stocks per unit area per 10 years in eachcommunity
区域 | 单位面积碳储量(t/ km2) | ||
---|---|---|---|
1990—2000年 | 2001—2010年 | 2011—2020年 | |
VI22-1 | 18733 | 18844 | 19004 |
VI22-3 | 19016 | 19582 | 19863 |
IV12-1 | 10377 | 9899 | 9596 |
年份 | 不同土地利用类型面积(km2) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
耕地 | 林地 | 草地 | 水体 | 荒地 | 建设用地 | |
2025 | 8079.42 | 8666.87 | 665.11 | 98.74 | 0.31 | 1370.54 |
2030 | 7943.51 | 8929.96 | 445.82 | 99.41 | 0.17 | 1462.08 |
2035 | 7646.03 | 9057.26 | 439.60 | 100.06 | 0.29 | 1637.76 |
2040 | 7383.59 | 9109.70 | 487.71 | 115.99 | 0.30 | 1783.67 |
2045 | 7289.89 | 9163.64 | 433.16 | 135.93 | 0.26 | 1858.12 |
2050 | 7084.44 | 9260.34 | 419.30 | 140.75 | 0.24 | 1975.98 |
变化比例 (%) | -12.32 | 6.85 | -36.96 | 42.54 | 22.96 | 44.18 |
表5 2025—2050年研究区不同土地利用类型面积预测结果
Table 5 Area prediction result for different land-use types in the study area from 2025 to 2050
年份 | 不同土地利用类型面积(km2) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
耕地 | 林地 | 草地 | 水体 | 荒地 | 建设用地 | |
2025 | 8079.42 | 8666.87 | 665.11 | 98.74 | 0.31 | 1370.54 |
2030 | 7943.51 | 8929.96 | 445.82 | 99.41 | 0.17 | 1462.08 |
2035 | 7646.03 | 9057.26 | 439.60 | 100.06 | 0.29 | 1637.76 |
2040 | 7383.59 | 9109.70 | 487.71 | 115.99 | 0.30 | 1783.67 |
2045 | 7289.89 | 9163.64 | 433.16 | 135.93 | 0.26 | 1858.12 |
2050 | 7084.44 | 9260.34 | 419.30 | 140.75 | 0.24 | 1975.98 |
变化比例 (%) | -12.32 | 6.85 | -36.96 | 42.54 | 22.96 | 44.18 |
区域 | 单位面积碳储量(t/ km2) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
2025年 | 2030年 | 2035年 | 2040年 | 2045年 | 2050年 | |
全区 | 16280 | 16283 | 16265 | 16249 | 16256 | 16111 |
VI22-1 | 19347 | 19450 | 19499 | 19529 | 19601 | 19471 |
VI22-3 | 20367 | 20528 | 20603 | 20658 | 20790 | 20585 |
IV12-1 | 9416 | 9209 | 9041 | 8934 | 8794 | 8638 |
表6 2025—2050年研究区单位面积碳储量
Table 6 Carbon stocks per unit area in the study area from 2025 to 2050
区域 | 单位面积碳储量(t/ km2) | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
2025年 | 2030年 | 2035年 | 2040年 | 2045年 | 2050年 | |
全区 | 16280 | 16283 | 16265 | 16249 | 16256 | 16111 |
VI22-1 | 19347 | 19450 | 19499 | 19529 | 19601 | 19471 |
VI22-3 | 20367 | 20528 | 20603 | 20658 | 20790 | 20585 |
IV12-1 | 9416 | 9209 | 9041 | 8934 | 8794 | 8638 |
年份 | 情景 类型 | 耕地 | 林地 | 草地 | 水体 | 荒地 | 建设用地 | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
面积 (km2) | 变化比 例(%) | 面积 (km2) | 变化比 例(%) | 面积 (km2) | 变化比 例(%) | 面积 (km2) | 变化比 例(%) | 面积 (km2) | 变化比 例(%) | 面积 (km2) | 变化比 例(%) | |||||||
2035 | 正常情景 | 7646.03 | 9057.26 | 439.60 | 100.06 | 0.29 | 1637.76 | |||||||||||
耕地保护 | 7760.88 | 1.50 | 8982.30 | -0.83 | 416.26 | -5.31 | 101.19 | 1.13 | 0.26 | -10.53 | 1620.11 | -1.08 | ||||||
生态修复 | 7390.61 | -3.34 | 9275.33 | 2.41 | 444.69 | 1.16 | 130.34 | 30.27 | 0.27 | -7.09 | 1640.11 | 0.14 | ||||||
城市发展 | 7568.36 | -1.02 | 8962.99 | -1.04 | 445.29 | 1.29 | 119.67 | 19.60 | 0.29 | -0.21 | 1784.41 | 8.95 | ||||||
2050 | 正常情景 | 7084.44 | 9260.34 | 419.30 | 140.75 | 0.24 | 1975.98 | |||||||||||
耕地保护 | 7497.17 | 5.83 | 8896.97 | -3.92 | 411.43 | -1.88 | 101.08 | -28.18 | 0.30 | 23.82 | 1974.06 | -0.10 | ||||||
生态修复 | 6880.67 | -2.88 | 9420.97 | 1.73 | 450.04 | 7.33 | 136.24 | -3.20 | 0.31 | 27.95 | 1992.78 | 0.85 | ||||||
城市发展 | 7061.39 | -0.33 | 9098.25 | -1.75 | 443.72 | 5.82 | 101.41 | -27.95 | 0.16 | -33.96 | 2176.07 | 10.13 |
表7 2035年和2050年研究区多情景土地利用面积预测结果
Table 7 Prediction result of multi-scenario land-use areas in the study area in 2035 and 2050
年份 | 情景 类型 | 耕地 | 林地 | 草地 | 水体 | 荒地 | 建设用地 | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
面积 (km2) | 变化比 例(%) | 面积 (km2) | 变化比 例(%) | 面积 (km2) | 变化比 例(%) | 面积 (km2) | 变化比 例(%) | 面积 (km2) | 变化比 例(%) | 面积 (km2) | 变化比 例(%) | |||||||
2035 | 正常情景 | 7646.03 | 9057.26 | 439.60 | 100.06 | 0.29 | 1637.76 | |||||||||||
耕地保护 | 7760.88 | 1.50 | 8982.30 | -0.83 | 416.26 | -5.31 | 101.19 | 1.13 | 0.26 | -10.53 | 1620.11 | -1.08 | ||||||
生态修复 | 7390.61 | -3.34 | 9275.33 | 2.41 | 444.69 | 1.16 | 130.34 | 30.27 | 0.27 | -7.09 | 1640.11 | 0.14 | ||||||
城市发展 | 7568.36 | -1.02 | 8962.99 | -1.04 | 445.29 | 1.29 | 119.67 | 19.60 | 0.29 | -0.21 | 1784.41 | 8.95 | ||||||
2050 | 正常情景 | 7084.44 | 9260.34 | 419.30 | 140.75 | 0.24 | 1975.98 | |||||||||||
耕地保护 | 7497.17 | 5.83 | 8896.97 | -3.92 | 411.43 | -1.88 | 101.08 | -28.18 | 0.30 | 23.82 | 1974.06 | -0.10 | ||||||
生态修复 | 6880.67 | -2.88 | 9420.97 | 1.73 | 450.04 | 7.33 | 136.24 | -3.20 | 0.31 | 27.95 | 1992.78 | 0.85 | ||||||
城市发展 | 7061.39 | -0.33 | 9098.25 | -1.75 | 443.72 | 5.82 | 101.41 | -27.95 | 0.16 | -33.96 | 2176.07 | 10.13 |
年份 | 情景类型 | 全区域 | IV12-1 | VI22-1 | VI22-3 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
单位面积碳 储量(t/ km2) | 变化比例 (%) | 单位面积碳 储量(t/ km2) | 变化比例 (%) | 单位面积碳 储量(t/ km2) | 变化比例 (%) | 单位面积碳 储量(t/ km2) | 变化比例 (%) | |||||
2035 | 正常情景 | 16265 | 9041 | 19499 | 20603 | |||||||
耕地保护 | 16126 | -0.850 | 8730 | -3.430 | 19435 | -5.310 | 20517 | -0.410 | ||||
生态修复 | 16638 | 2.293 | 8643 | -4.400 | 20135 | 1.160 | 21313 | 3.446 | ||||
城市发展 | 16198 | -0.410 | 8521 | -5.750 | 19640 | 1.290 | 20833 | 1.116 | ||||
2050 | 正常情景 | 16111 | 8637 | 19471 | 20585 | |||||||
耕地保护 | 16032 | -0.490 | 8764 | 1.470 | 19319 | -1.880 | 20329 | -1.240 | ||||
生态修复 | 16252 | 0.875 | 8938 | 3.485 | 19675 | 7.330 | 20874 | 1.403 | ||||
城市发展 | 16061 | -0.310 | 8542 | -1.090 | 19457 | 5.820 | 20567 | -0.080 |
表8 预测的区域2035年和2050年多情景碳储量变化
Table 8 Predicted changes of regional multi-scenario carbon stocks in 2035 and 2050
年份 | 情景类型 | 全区域 | IV12-1 | VI22-1 | VI22-3 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
单位面积碳 储量(t/ km2) | 变化比例 (%) | 单位面积碳 储量(t/ km2) | 变化比例 (%) | 单位面积碳 储量(t/ km2) | 变化比例 (%) | 单位面积碳 储量(t/ km2) | 变化比例 (%) | |||||
2035 | 正常情景 | 16265 | 9041 | 19499 | 20603 | |||||||
耕地保护 | 16126 | -0.850 | 8730 | -3.430 | 19435 | -5.310 | 20517 | -0.410 | ||||
生态修复 | 16638 | 2.293 | 8643 | -4.400 | 20135 | 1.160 | 21313 | 3.446 | ||||
城市发展 | 16198 | -0.410 | 8521 | -5.750 | 19640 | 1.290 | 20833 | 1.116 | ||||
2050 | 正常情景 | 16111 | 8637 | 19471 | 20585 | |||||||
耕地保护 | 16032 | -0.490 | 8764 | 1.470 | 19319 | -1.880 | 20329 | -1.240 | ||||
生态修复 | 16252 | 0.875 | 8938 | 3.485 | 19675 | 7.330 | 20874 | 1.403 | ||||
城市发展 | 16061 | -0.310 | 8542 | -1.090 | 19457 | 5.820 | 20567 | -0.080 |
参数 | DEM | GPP | NDVI | NPP | Rain | Tmp | ET | 干流 | 支流 | 城镇 | GDP | POP | 铁路 | GS | XY |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
q | 0.467 | 0.239 | 0.561 | 0.303 | 0.364 | 0.415 | 0.219 | 0.045 | 0.014 | 0.224 | 0.325 | 0.299 | 0.230 | 0.146 | 0.083 |
p | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
表9 不同因子单因子探测解释力(q)和显著性(p)
Table 9 Explanatory power (q) and significance (p) of one-way probes for different factors
参数 | DEM | GPP | NDVI | NPP | Rain | Tmp | ET | 干流 | 支流 | 城镇 | GDP | POP | 铁路 | GS | XY |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
q | 0.467 | 0.239 | 0.561 | 0.303 | 0.364 | 0.415 | 0.219 | 0.045 | 0.014 | 0.224 | 0.325 | 0.299 | 0.230 | 0.146 | 0.083 |
p | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
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