耕地利用转型碳储量时空分异特征及脱钩效应研究.pdf
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1、2023年36 卷9期Vol.36No.9引用格式:盖兆雪,徐颖,杜国明。耕地利用转型碳储量时空分异特征及脱钩效应研究J.西南农业学报,2 0 2 3,36(9):2 0 35-2 0 43.Gai Z X,Xu Y,Du G M.Spatial-temporal heterogeneity and decoupling effect of carbon storage in cultivated land use transitionJ.Southwest ChinaJournal of Agricultural Sciences,2023,36(9):2035-2043.D0I:10.16
2、213/ki.scjas.2023.9.024.耕地利用转型碳储量时空分异特征及脱钩效应研究西南农业学报Southwest China Journal of Agricultural Sciences2035盖兆雪,徐颖,杜国明(东北农业大学公共管理与法学院,哈尔滨150 0 30)摘要:【目的】研究耕地利用转型的碳储量时空异质性及与粮食生产之间的脱钩关系,为实现低碳农业和保障粮食安全提供科学依据。【方法】以松花江流域哈尔滨段为研究区,基于碳储量测算方法和核密度分析模型,揭示1990 一2 0 2 0 年研究区耕地利用转型的碳储量时空分异特征,并借助Tapio脱钩模型,探究耕地利用转型碳储量损
3、失与粮食生产之间的脱钩效应。【结果】1990 一2020年研究区耕地面积逐渐减少,耕地与建设用地之间的转型最为剧烈。耕地利用转型碳储量呈大幅度下降趋势,1990 2 0 0 0 年碳储量增加38.8 6 310 4t,而2 0 10 2 0 2 0 年碳储量损失6 0 12.17 510 4t,损失近155.7 0 1倍。1990 2 0 2 0 年耕地利用转型碳储量重心基本保持稳定,向东北方移动了13.396 km,空间上呈现“边密中疏”的分布格局,且集聚性逐渐增强,由单核分布向多核分布转变,破碎化程度加剧。1990 一2 0 2 0 年研究区耕地利用转型碳储量损失与粮食生产脱钩经历了强脱钩
4、一弱脱钩一扩张连接的过程,脱钩关系向非良性趋势发展。1990 一2 0 2 0 年研究区脱钩空间分异特征显著,内部空间差异较大,呈现不均等性,由两级分化向三级分化转变。【结论】1990 2 0 2 0 年松花江流域哈尔滨段耕地利用转型过程中导致碳储量不断下降,且空间破碎化程度显著,碳储量损失严重影响粮食安全,研究区应重视粮食碳储量损失对粮食安全的威胁。关键词:耕地利用转型;碳储量;时空特征;脱钩效应;松花江流域哈尔滨段中图分类号:F301.24文献标识码:ASpatial-temporal heterogeneity and decoupling effectof carbon storage
5、 in cultivated land use transition文章编号:10 0 1-48 2 9(2 0 2 3)9-2 0 35-0 9GAI Zhao-xue,XU Ying,DU Guo-ming(School of Public Administration and Law,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)Abstract:ObjectiveJIn the present study,the decoupling relationship between spatial-temporal heterog
6、eneity of carbon storage in cultivatedland use transition and the grain production were analyzed,providing scientific basis for realizing low-carbon agriculture and ensuring grainsecurity.MethodTaking Harbin section of Songhua River Basin as the study area,based on the carbon storage calculation met
7、hod and thenuclear density analysis model,the paper revealed the temporal and spatial heterogeneity of the carbon storage in the study areas cultivatedland use transition from 1990 to 2020,and explored the decoupling effect between the carbon storage loss in the cultivated land use transitionand gra
8、in production using Tapio decoupling model.Result(i)The cultivated land area gradually decreased in 1990-2020,and the tran-sition between cultivated land and construction land was the most significant.The carbon storage in the transition of cultivated land useshowed a significant downward trend,incr
9、easing by 388 630 tons in 1990-2000,decreasing by 60 121 750 tons in 2010-2020,losingnearly 155.701 times;(ii)The gravity center of carbon storage in cultivated land use transition was basically stable,with 13.396 kilometersmoving to the northeast in 1990-2020.The spatial distribution showed the pat
10、tern of dense edges and middle sparse,and the aggregationwas gradually enhanced,showing transformation of single core distribution to multi-core distribution,and the fragmentation was intensified;(ii)The decoupling relationship between carbon storage loss and grain production in the study area was t
11、he non-benign in 1990-2020,showing the process of strong decoupling-weak decoupling-expansion connection;(iv)The spatial heterogeneity of decoupling in the studyarea was significant in 1990-2020.The internal spatial difference was large,showing inequality and the transformation from two-level dif-收稿
12、日期:2 0 2 2-12-0 5基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 2 1YFD1500101);东农学者计划项目(19QC37)第一作者:盖兆雪(1990),女,博士,讲师,主要从事土地/耕地资源优化配置研究。E-mail:g a i z h a o x u e 16 3.c o m通讯作者:杜国明(197 8),男,博士,教授,主要从事土地资源优化配置/农村发展研究。E-mail:2036ferentiation to three-level differentiation.Conclusion JIn the process of cultivated land utilizati
13、on transformation in Harbin section of SonghuaRiver Basin from 1990 to 2020,carbon stocks continue to decline,and the degree of spatial fragmentation is significant,and the loss of car-bon stocks seriously affects food security.The study area should pay attention to the threat of grain carbon stock
14、loss to food security.Key words:Cultivated land use transition;Carbon storage;Spatial-temporal characteristics;Decoupling effect;Harbin section of SonghuaRiver Basin【研究意义】耕地是农业生产最基本的生产要素,也是保障我国粮食安全的基础。长期以来,城镇空间和工业物质空间的无序蔓延扩展,导致耕地非农化、边际化和寂寞化等问题日益凸显2 。耕地是生态系统固碳的重要单元,全球土壤碳库存量约为大气碳库的2 倍3;我国耕地每年能够净吸收2.19
15、10tCO4。然而,耕地利用转型必然改变土地固碳能力,进而导致耕地地力发生变化,影响粮食生产水平5。2 0 2 0 年我国提出碳达峰碳中和目标,但确保粮食安全是降碳底线。2 0 2 2 年农业农村减排固碳实施方案指出,以保障粮食安全为前提,以碳汇提升为抓手,到2 0 2 5年形成农业固碳与粮食安全的格局。可见,固碳减排和稳粮增产和平共处已成为我国农业发展的目标。目前,随着我国城镇化进程加快和生态文明建设持续推进,农业空间与城镇空间、生态空间冲突的进一步激化,耕地利用转型问题将会日益凸显。因此,开展耕地利用转型碳储量损失与粮食生产脱钩效应研究,对实现绿色低碳农业和碳达峰碳中和目标具有重要意义。【
16、前人研究进展】对于耕地利用转型的理论研究集中在耕地利用转型内容6-7 、转型路径8 和转型理论框架9等方面;而耕地利用转型实践重点关注耕地利用转型的时空分异特征10 、形成机理1、转型效应12 等方面。此外,已有研究还探讨了耕地转型与农业经济增长13、粮食生产14、生态系统服务价值15 等耦合关系。碳储量研究主要聚焦在生态系统/森林碳储量估算方法16-17 、时空变化特征18-19、未来预测2 0-2 1、影响因素与效应2 2-2 3 等方面。【本研究切入点】纵观已有研究可知,一是已有研究侧重各地类自身面积变化对碳储量的影响,而耕地利用转型碳储量研究鲜有涉及;二是耕地利用转型碳储量损失与粮食生
17、产脱钩效应研究尚未开展。【拟解决的关键问题】本研究基于松花江流域哈尔滨段19 9 0年、2 0 0 0 年、2 0 10 年、2 0 2 0 年4期土地利用数据,采用碳储量测算方法揭示1990 2 0 2 0 年研究区耕地利用转型碳储量时间演变过程,借助重心和核密度分析工具揭示耕地利用转型碳储量的空间分异特征,并结合Tapio 脱钩模型,探究耕地利用转型碳储量损失与粮食生产的脱钩效应,以期为耕地可持续利用和环境友好型农业提供科学依据。西南农业学报1材料与方法1.1石研究区概况松花江流域哈尔滨段地理位置介于12 542 13010E,440 4 46 40 N(图1),地处东北平原北部,位于黑龙
18、江省南部黑土核心区,地力肥沃、水系发达,是黑龙江省的政治、经济、文化、科技和交通中心,是中国重要的商品粮生产基地,同时位于东北亚中心位置,是第一条欧亚大陆桥和空中走廊的重要枢纽。研究区土地面积7 0 6 913.32 hm。耕地占比大,2 0 2 0 年耕地面积42 16 97.41hm,年平均降水量56 9.1mm,主要集中在6 一9 月,年平均气温5.34,年均日照时数 2 18 0.8 0 h241.2数据来源及处理土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:/w w w。r e s d c.c n),空间分辨率为30m。选取月份区间为6 9月云覆盖率小于10%的遥感影像
19、,借助ENVI5.3平台进行波段融合、几何校正、图像增强、镶嵌、裁剪等预处理,同时根据野外实地调查对其进行人工修正,分类精度均在90%以上,已满足研究需求。参照土地利用现状分类标准,根据研究区地理特征以及已有研究结果,将研究区土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6 类,最终建立19 9 0 年、2 0 0 0 年、2 0 10年、2 0 2 0 年4期土地利用数据库。粮食产量数据来源于哈尔滨统计年鉴(19912 0 2 1年)以及各区国民经济和社会发展统计公报(1990 2 0 2 0 年)。1.3研究方法1.3.1碳储量估算基高程二8:8 3低:98Fig.1 Geog
20、raphical location of the study area36卷基于土地利用/土地覆被数据哈尔滨0.25.50km口行政边界图1研究区地理位置9期土地利用类型Land use type耕地Cultivated land林地Forest草地Grassland建设用地Construction land水域Water未利用地Unused land来估算生态系统碳储量,将生态系统碳储量分为4个基本碳库,分别是地上、地下、土壤与凋落物碳库。其计算公式如下:Ciolal=C abve+C elow+COol+C dead式中,Ctal为生态系统的总碳储量(kg/m);Ca b o v e 为地
21、类的地上生物碳储量(kg/m);Cb e l o w 为地类的地下生物碳储量(kg/m);Cs o i l 为地类的土壤碳储量(k g/m);Cd e a d 为地类的凋落物碳储量(kg/m)。根据Tang等2 5、朱文博等2 6 、李克让等2 7 、解宪丽等2 8 、瑞小伟等2 的研究得到全国水平下各土地利用类型碳密度数据。由于凋落物碳密度所占比例较小,均默认其为0。然后通过碳密度修正公式将数据修正为符合研究区自然地理条件的碳密度数据,修正公式如下:Cgp=6.798 e0.0054 MAPCBT=28 MAT+398Csp=3.3968 MAP+3996.1KBT=KBp=Kp=KBp K
22、TKo式中,MAP为年均降雨量(mm);M A T 为年均气温();CBp 为根据年均降雨量修正得到的生物量碳密度(kg/m);CBr 为根据年均气温修正得到的生物量碳密度(kg/m);Cs p 为根据年均降雨量修正下得到的土壤碳密度(kg/m);K Bp 为地上生物量碳密度年均降水因子修正系数;Kr为地上生物量碳密度年均气温因子修正系数;K为地上生物量碳密度修正盖兆雪等:耕地利用转型碳储量时空分异特征及脱钩效应研究表1研究区各土地利用类型碳密度Table 1 Carbon density of land-use type in the study areaCaboreAboveground
23、biomasscarbon density3.8712.272.932.528.900.912037(kg/m)ChelowCsolSubsurface biomassSoil carboncarbon densitydensity14.9020.6621.9030.0210.5822.032.758.4314.6428.300.0014.66系数;Ksp为土壤碳密度修正系数;C,为全国根据年均降雨量和年均气温得到的相应数据;C2为研究区根据年均降雨量和年均气温得到的相应数据18 1。(1)本文与已有研究中位置相近或重合区域的碳密度数据进行比对30-31,继而确定本文碳密度(表1)。根据研究区
24、土地利用类型,将耕地利用转型分为耕地转为林地、草地、水域、建设用地和未利用地5种类型。耕地利用转型为相互转型,需测算相互转型的碳储量,碳储量测算公式为:ACE=Z S,ACioal=S,(Cial-Ctal)式中,ACE为耕地利用转型的总碳储变化量;S,为耕地与其他土地利用类型相互转化对应变化的土地面积;Ctotal为耕地与其他土地利用类型相互转化对应的碳密度变化量;Ctotal为t期土地利用的碳密度(2)值;Ctal为t-1期土地利用的碳密度值。(3)1.3.2重心分析根据重心模型构建耕地利用转(4)型碳储量重心模型32 ,揭示耕地利用转型碳储量空间变化轨迹。具体公式如下:(5)X=Z=I(
25、M,X,)/Z-1M;Y=Zr-,(M,X,)/Z-,M,(6)式中,X为重心坐标的经度;Y为重心坐标的纬度;(7)X,为第i个单元中心的经度坐标值;Y,为第i个单元中心的纬度坐标值;M,为第i个单元耕地利用转(8)型碳储量;n为网格总数2 41.3.3核密度估计核密度估计是一种非参数估计方法,能够在一定程度上避免因函数设定而造成的估计误差33。根据耕地利用转型碳储量的概率密度,揭示其空间分布特征。不同搜索半径会产生不同光滑度的密度面,进而影响数据分析结果。分别设置1、2、4.6 与8 km的搜索半径,结合整体效应和局部地区匹配程度,最终选取6 km作为搜索半CioalDead organic
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