津冀海岸带绿地碳储存服务时空分布特征

张 乾，朱建佳，张 锐，汪 洋，夏瑜缝

（河北科技师范学院园艺科技学院，河北秦皇岛 066102）

海岸带是典型的生态交错带，生态环境敏感、脆弱[1]。随着经济的快速发展，导致生态环境与人类活动之间的矛盾愈演愈烈，人类不合理和不可持续的利用方式，给海岸带造成一系列的生态环境问题。海岸带生态系统具有丰富的生物多样性和生态系统服务，全球生态系统服务的年度平均价值为33×1012美元，其中海洋生态系统服务价值约占63%[2]，且海洋生态系统中的碳储存服务价值大部分来源于海岸带生态系统。随着工业化时代的到来，人类活动导致大气中温室气体浓度急剧上升[3]，全球CO2、CH4和N2O 等温室气体在大气中的含量呈不断上升的趋势，是全球气候变暖的重要原因。海岸带也同样面临着严峻的气候挑战，碳储存是生态系统服务中重要的一环，研究海岸带碳储存服务时空分布特征，对降低大气中CO2以及其他温室气体浓度具有显著作用，在减缓全球气候变化等方面也扮演着至关重要的角色。

由于国外对海岸带碳储存的研究开展得相对较早，所以国外在这方面所取得的经验和成就是领先的。Choi 等[4]研究表明，海岸带盐沼湿地的碳储量较高，还发现海岸带湿地短期内的固碳效率高于长期，对海岸带碳储存的研究与发展作出了贡献。我国对于海岸带碳储存的研究起步比西方发达国家晚，海岸带地区存在的盐沼湿地、红树林和海草床[5]拥有巨大的碳储存能力，是我国海岸带碳储存研究的重点对象。段晓男等[6]对我国的海岸带沼泽湿地进行了分类和评价，发现固碳速率因湿地类型的不同而有较大的差异，海岸带湿地固碳速率最高的是红树林，其次是沿海滩涂盐沼。

此外，传统的碳储量估算研究多采用样地清查法，如根据土壤剖面数据估算土壤碳储量[7]，这种方法只能运用在面积较小的区域，而且耗费时间和人力相对较大。随着社会和科学技术的发展，3S 技术[8]越来越成熟，且应用范围越来越广，使人类对于碳储量的研究更加快捷。本研究采用3S 技术与InVEST 模型相结合的方法，对津冀海岸带不同时间（2005、2015 年）生态系统中各用地类型的碳储量进行定量评估，构建了大范围、长时间序列的碳储量变化数据，并分析其时空变化规律，对于津冀海岸带生态系统碳储量的维护管理具有十分重要的意义。

1 研究区概况

本研究以津冀海岸带为研究范围（图1），津冀海岸带作为环渤海经济圈核心地带和中心地带，主要含有天津和河北省沿海的12 个县级行政区，具体包括秦皇岛市、唐山市、天津市、沧州市沿海陆地部分及浅海区。河北省地处东经113°27′～119°50′、北纬36°05′～42°40′之间，河北省海岸带北起山海关，中夹天津市，南至大口河。天津地理位置为东经117°20′～118°10′、北纬38°35′～39°20′，天津海岸带北起涧河，南至歧口河，是我国典型的淤泥质海岸。津冀地区位于北回归线以北，属于暖温带，加之受海洋影响，气候比较温和，形成温带大陆性季风气候，春天降雨少，较干燥，多风，夏天高温多雨，秋天凉爽，晴天较多，冬天漫长，没有严寒，气候干燥。

图1 研究区位置范围

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究以2005 年、2015 年两期津冀海岸带土地利用图来源于国家地球系统科学数据中心（http://www.geodata.cn/）（如图2、3），各土地利用类型四大碳库（地上生物量、地下生物量、土壤、枯枝落叶）的碳密度数据来源为相关文献[9-10]。

图2 2005 年研究区海岸带土地利用分类图

图3 2015 年研究区海岸带土地利用分类图

2.2 研究方法

土地利用规划会导致土地利用/覆盖变化，进而影响其物质循环和能量流动等生态过程乃至生态系统服务[11]。本研究根据土地利用、土地覆盖信息和碳数据信息对不同土地利用类型的碳储量及其价值进行评估。津冀海岸带生态系统中碳储量主要来源于四大碳库：地上生物量、地下生物量、土壤、枯枝落叶，四大碳库的碳储量之和为生态系统碳储量。利用InVEST 模型能够对陆地上某一用地类型在某一时间段内的碳储量价值及其变化进行评估。InVEST 模型的碳储量模块中碳储量计算方法如下：

式中：C——总碳储量；Cabove——植物地上部分碳储量；Cbelow——植物地下部分碳储量；Csoil——土壤碳储量；Cdead——枯枝落叶层碳储量。

本研究在2005、2015 年两期津冀海岸带行政区划图的基础上，运用ArcGIS10.5 软件空间分析工具中的重分类命令，将用地类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6 种土地利用类型。利用InVEST 模型计算出碳储量，得到各区县和土地利用类型的碳储量，即2005 年与2015 年碳储量分布图（图4、5）。

图4 2005 年研究区海岸带碳储量分布图

图5 2015 年研究区海岸带碳储量分布图

3 结果与分析

3.1 不同行政单元碳储量空间分布特征

津冀海岸带碳储量的变化研究可以津冀海岸带各行政区碳储量的变化作为指标，根据各行政区碳储量的变化与分布情况，了解整个研究区内碳储量分布的特点和发展趋势。对各行政区碳储量的研究指标包括碳密度和固碳总量，根据图6、图7，以2015 年为例对各行政区碳储量的分布情况进行分析，具体特征如下：在整个津冀海岸带范围内，碳储量的分布呈现出北高南低的态势；以各县级行政区为研究对象，可得出秦皇岛海港区、秦皇岛抚宁区、秦皇岛昌黎县、唐山乐亭县、唐山滦南县、唐山丰南区和沧州黄骅市的碳储量值较高，秦皇岛山海关区、秦皇岛北戴河区和唐山曹妃甸区碳储量值较低。

图6 2005－2015 年研究区各行政区碳密度变化

图7 2005－2015 年研究区各行政区固碳总量变化

本研究区范围内碳密度值最高的是秦皇岛海港区，其值为73.35t/hm2；碳密度值最低的区域是天津滨海新区，仅为9.52t/hm2，碳密度的大小主要与土地利用类型有关，其中秦皇岛大量分布着碳密度值最高的林地，天津滨海新区大部分为碳密度为0 的建设用地。因此，不同土地利用类型造成了各行政区碳密度值的不同。津冀海岸带固碳总量最高的县级行政区是秦皇岛抚宁区，达到7644605.91t，其次是秦皇岛海港区，固碳总量为5140477.56t。固碳总量最低的地区是秦皇岛北戴河区，其固碳总量为297745.19t。固碳总量与各行政区的平均碳储量和面积有关，碳密度大、面积广的地区固碳总量也大。

3.2 不同土地利用类型碳储量空间分布特征

2015 年不同土地利用类型碳密度由高到低的排序为：林地＞草地＞耕地＞未利用地。其中林地的碳密度是150.40t/hm2，草地的碳密度是96.68t/hm2，耕地的碳密度是30.96t/hm2，未利用地的碳密度是10.00t/hm2，建设用地和水域的碳储量值为0。

如图8 所示，由于林地碳密度大且在研究区范围内的秦皇岛海岸带一带分布极广，因此林地的碳储量较大，2015 年林地固碳总量达到11181637.95t。耕地在津冀海岸带12 个行政区都有广泛的分布。因此，本研究区内耕地的碳储量在6 种用地类型中是最大的，耕地2015 年的固碳总量达到23078821.72t。草地的碳密度值较大，为96.68t/hm2，在津冀海岸带也有一定的分布，其2015 年固碳总量是2831853.89t，在6 种用地类型中固碳总量排第三。水域和建设用地的碳密度值和固碳总量都为0，且保持不变。未利用地的碳密度值较低，且未利用地在本研究范围内分布较为稀疏，因此其碳储量较少，2015 年未利用地的固碳总量是136820.00t。

图8 2005－2015 年研究区各土地利用类型固碳总量变化

3.3 碳储量时间变化特征

与2005 年相比，2015 年各县级行政区的平均碳储量和固碳总量都略有下降，其中碳密度下降较明显的地区是秦皇岛山海关区和唐山曹妃甸区，分别下降了13.93t/hm2、4.14t/hm2。唐山曹妃甸区和天津滨海新区的固碳总量下降较明显，分别下降了408239.64t、302184.57t。碳密度有较明显增长的地区是秦皇岛昌黎县和秦皇岛北戴河区，固碳总量秦皇岛昌黎县和秦皇岛抚宁区增长较多。

与2005 年相比，2015 年各用地类型的碳密度值不变，固碳总量有所下降。林地的固碳总量有所增加，增加了1650639.94t；耕地的固碳总量下降了477124.54t；草地的固碳总量下降比较明显，下降了1640562.92t；未利用地的固碳总量下降了269090.00t。

4 结论

本研究主要利用地理信息技术ArcGIS10.5 软件，结合InVEST 模型碳储量模块对津冀海岸带碳储存进行研究分析，基于2005 年、2015 年两期土地利用图数据，计算研究区各土地利用类型和各行政区内四大碳库的碳储量。本研究最终得出以下结论：

（1）研究区海岸带中碳储量最大的是秦皇岛抚宁区，最小的是秦皇岛北戴河区。各县级行政区中，单位面积固碳能力最强的是秦皇岛海港区，单位面积固碳能力最弱的是天津滨海新区。

（2）津冀海岸带各用地类型中，碳密度由高到低的顺序可分为：林地＞草地＞耕地＞未利用地，建设用地和水域的碳密度值为0。固碳总量最高的是耕地，其次为林地、草地和未利用地。另外，与2005 年相比，2015年林地固碳总量有所增加，耕地、草地和未利用地的固碳总量均呈下降趋势。

（3）与2005 年相比，津冀海岸带2015 年碳密度和固碳总量均略有下降。