基于InVEST-PLUS模型的郑州市碳储量时空演变及空间自相关分析.pdf
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1、第4 3卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持通报B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.4 3,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 1 修回日期:2 0 2 3-0 5-2 7 资助项目:河南省科技攻关项目“韧性城市理念下基于气候适应性的景观基础设施规划设计方法与技术研究”(1 8 2 1 0 2 2 1 0 1 7 7)第一作者:孙一帆(1 9 9 8),女(汉族),河南省洛阳市人,硕士研究生,研究方向为生态服务功能评估及城乡规划与设计。E m a
2、i l:s y f 0 6 1 2g s.z z u.e d u.c n。通信作者:汪霞(1 9 7 4),女(汉族),四川省简阳市人,博士,教授,主要从事可持续发展的城市规划理论与方法研究及景观生态规划。E m a i l:w x 1 2 0 8 z z u.e d u.c n。基于I n V E S T-P L U S模型的郑州市碳储量时空演变及空间自相关分析孙一帆,徐梦菲,汪 霞(郑州大学 建筑学院,河南 郑州4 5 0 0 0 0)摘 要:目的陆地生态系统碳储量的主要驱动因素之一是土地利用变化,以“过去现在未来”的逻辑,分析河南省郑州市土地利用与碳储量时空演变之间响应关系,为实现城市的
3、生态安全可持续发展提供参考。方法首先基于G I S和I n V E S T模型,对2 0 0 52 0 2 0年碳储量时空分布进行定量评估,然后结合P L U S模型,模拟2 0 5 0年自然发展情景和生态保护情景下土地利用和碳储量时空变化特征;并辅以莫兰指数和热点分析在格网尺度下评估其空间关联程度。结果2 0 0 52 0 2 0年,耕地不断调整为建设用地,累计转入10 0 4.9 8k m2,致使郑州市土地利用结构发生显著变化,生态保护情景下生态用地减少趋势相对自然发展情景得到较好改善。受城镇化快速扩张的影响,2 0 0 5,2 0 2 0年郑州市碳储量分别为6.5 91 07,5.6 7
4、1 07t,1 5a间高碳密度地类用地转移,碳储量空间分布呈“西高东低,南北中等,中部低”的特点,自然发展情景和生态保护情景下碳储量变化分别减少了8.2 71 06t和1.8 01 06t,其中耕地发挥着重要碳汇作用。碳储量空间分布上具有集聚性,冷热点分布不均,生态保护情景下热点破碎化程度缓和。巩义市和登封市始终为碳储量集聚程度较高区域。结论碳储量时空分布特征与土地利用结构变化密切相关,郑州市未来土地利用规划应适当采取生态保护措施,优化土地利用格局,增强生态系统固碳能力。关键词:碳储量;土地利用变化;空间自相关;热点分析;河南省郑州市文献标识码:A 文章编号:1 0 0 0-2 8 8 X(2
5、 0 2 3)0 5-0 3 7 4-1 1 中图分类号:X 3 2 1,F 3 0 1.2文献参数:孙一帆,徐梦菲,汪霞.基于I n V E S T-P L U S模型的郑州市碳储量时空演变及空间自相关分析J.水土保持通报,2 0 2 3,4 3(5):3 7 4-3 8 4.D O I:1 0.1 3 9 6 1/j.c n k i.s t b c t b.2 0 2 3.0 5.0 4 3;S u nY i f a n,X uM e n g f e i,W a n gX i a.S p a t i a l-t e m p o r a le v o l u t i o no fc a r
6、b o ns t o r a g ea n ds p a t i a la u t o c o r r e l a t i o na n a l y s i si nZ h e n g z h o uC i t yb a s e do nI n V E S T-P L U Sm o d e lJ.B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,4 3(5):3 7 4-3 8 4.S p a t i a l-t e m p o r a lE v o l u t i o no fC a r b o n
7、S t o r a g ea n dS p a t i a lA u t o c o r r e l a t i o nA n a l y s i s i nZ h e n g z h o uC i t yB a s e do nI n V E S T-P L U SM o d e lS u nY i f a n,X uM e n g f e i,W a n gX i a(S c h o o l o fA r c h i t e c t u r e,Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u,H e n a n4 5 0 0 0
8、 0,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eO n eo f t h em a i nd r i v e r so f t e r r e s t r i a l e c o s y s t e mc a r b o ns t o r a g e i s l a n du s e c h a n g e.T h es p a t i a l-t e m p o r a l r e s p o n s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a n du s ea n dc a r b o ns t o r a
9、 g ee v o l u t i o ni nZ h e n g z h o uC i t y,H e n a nP r o v i n c ew a sa n a l y z e db a s e do nt h el o g i co f“p a s t-p r e s e n t-f u t u r e”i no r d e rt op r o v i d er e f e r e n c e sf o rr e a l i z i n ge c o l o g i c a ls e c u r i t ya n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p
10、m e n t.M e t h o d sT h es p a t i a l-t e m p o r a ld i s t r i b u t i o no fc a r b o ns t o r a g ef r o m2 0 0 5t o2 0 2 0w a sq u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t e du s i n gG I Sa n dt h eI n V E S T m o d e l.T h e n,c o m b i n e dw i t ht h eP L U Sm o d e l,t h e s p a t i a l-t e
11、m p o r a l c h a n g e so f l a n du s ea n dc a r b o ns t o r a g ew e r e s i m u l a t e df o r2 0 5 0u n d e ran a t u r a l d e v e l o p m e n t s c e n a r i oa n da ne c o l o g i c a l c o n s e r v a t i o ns c e n a r i o.T h ed e g r e eo f s p a t i a lc o r r e l a t i o nw a se v a
12、l u a t e da tt h eg r i ds c a l eu s i n g M o r a nsIa n dt h eG e t i s-O r dG*is t a t i s t i cf o rh o ts p o ta n a l y s i s.R e s u l t s F r o m2 0 0 5t o2 0 2 0,c u l t i v a t e d l a n dw a sc o n t i n u o u s l yc o n v e r t e dt oc o n s t r u c t i o nl a n d,w i t hac u m u l a t
13、 i v et r a n s f e ro f10 0 4.9 8k m2,r e s u l t i n gi ns i g n i f i c a n tc h a n g e si nt h el a n du s es t r u c t u r eo fZ h e n g z h o uC i t y.T h ed e c r e a s ei ne c o l o g i c a l l a n da r e au n d e rt h ee c o l o g i c a lc o n s e r v a t i o ns c e n a r i ow a sb e t t e
14、 rt h a nu n d e rt h en a t u r a ld e v e l o p m e n ts c e n a r i o.T h er a p i de x p a n s i o no fu r b a n i z a t i o ni nZ h e n g z h o uC i t yp r o d u c e dc a r b o ns t o r a g e i n2 0 0 5a n d2 0 2 0o f6.5 91 07ta n d5.6 71 07t,r e s p e c t i v e l y.O v e rt h ep a s t1 5y e a
15、r s,t h eh i g h-c a r b o n-i n t e n s i t y l a n dc l a s sw a s t r a n s f e r r e d,a n d t h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o no f c a r b o ns t o r a g ew a sc h a r a c t e r i z e db yap a t t e r no f“h i g h e ri nt h ew e s t,l o w e ri nt h ee a s t,m e d i u mi nt h en o r t ha
16、 n ds o u t h,a n dl o w e r i nt h ec e n t r a l r e g i o n”.U n d e r t h e s c e n a r i o so f n a t u r a l d e v e l o p m e n t a n de c o l o g i c a l c o n s e r v a t i o n,t h ec a r b o ns t o r a g ed e c r e a s e db y8.2 71 06t a n d1.8 01 06t,r e s p e c t i v e l y,a n dc u l t i
17、 v a t e dl a n dp l a y e da ni m p o r t a n t r o l ea sac a r b o ns i n k.T h e s p a t i a l d i s t r i b u t i o no f c a r b o ns t o r a g ew a s a g g l o m e r a t i v e,w i t ha nu n e v e nd i s t r i b u t i o no fc o l da n dh o t s p o t s.T h ed e g r e eo f f r a g m e n t a t i o
18、 no fh o t s p o t sw a sm o d e r a t eu n d e r t h ee c o l o g i c a l c o n s e r v a t i o ns c e n a r i o.G o n g y iC i t ya n dD e n g f e n gC i t y w e r ea l w a y st h er e g i o n sw i t hah i g hd e g r e eo fc a r b o ns t o r a g ea g g l o m e r a t i o n.C o n c l u s i o nT h es
19、 p a t i a l-t e m p o r a l d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc a r b o ns t o r a g ew e r ec l o s e l yr e l a t e dt oc h a n g e s i nl a n du s es t r u c t u r e.I nf u t u r e l a n du s ep l a n n i n go fZ h e n g z h o uC i t y,p e o p l es h o u l dt a k ea p p r o
20、p r i a t ee c o l o g i c a lc o n s e r v a t i o n m e a s u r e st oo p t i m i z et h el a n du s ep a t t e r na n dt oe n h a n c et h ec a r b o ns e q u e s t r a t i o nc a p a c i t yo f t h ee c o s y s t e m.K e y w o r d s:c a r b o ns t o r a g e;l a n du s ec h a n g e;s p a t i a la
21、 u t o c o r r e l a t i o n;G e t i s-O r dGi;Z h e n g z h o uC i t y,H e n a nP r o v i n c e 陆地生态系统作为人类赖以生存和可持续发展的生命维持系统,是大气中重要的碳汇之一,其固碳作用能有效缓解温室效应,在全球碳循环和气候变化中起着极其重要的作用1,陆地生态系统固碳作用是各国政府和学者共同关注的研究热点。陆地生态系统碳储量的主要驱动因素之一是土地变化2,通过调整陆地生态系统原有土地利用类型及生态系统功能和结构等,改变生态系统的物质循环和能量流,直接或间接地影响其碳储量的变化3-5。客观评估碳储量
22、和土地利用变化之间的反应机制,对促进区域自然环境与社会经济生态和谐发展有重大价值。目前,对于土地利用碳储量评估及二者之间的关系和影响机制,国内外学者进行了大量研究,在传统方面 多 采 用 样 地 清 查 法 和 微 气 象 学 法 等6-7。R a q e e bA.等8研究了森林地区土地利用动态变化对巴基斯坦吉尔吉特碳储量的影响;中国学者卢雅焱等9分析了新疆天山土地利用与碳储量变化之间的关系,进一步说明碳储量空间分布与土地利用变化密切相关。2 0世纪9 0年代以来,随着信息技术发展,模型为主结合R S和G I S技术的碳储量评估方法日益兴起,在获取土地利用数据基础上结合相关数字预测模型 进
23、行 研 究。其 中,生 态 系 统 服 务 评 估 模 型(I n V E S T)具有操作简单、估算精度高以及可将结果进行动态化和空间化表达等优势,被广泛应用于碳储量 计 算。郝 晓 慧 等1 0采 用D y n a-C L U E模 型 和I n V E S T模型,动态评估不同情景下中原城市群碳储量演变规律,证明了建设用地的无序扩张是导致碳储量收益下降的主要原因;任胤铭等1 1耦合F L U S-I n V E S T模型,分析了2 0 4 5年3种不同情景下京津冀城市群的土地利用空间格局并构建综合生态系统服务指数,结论为在生态保护情景中,碳储量上升幅度最大;Q i n M e n g
24、l i n等1 2将F L U S和I n V E S T模型相结合,对中国北部湾城市群的土地利用及其对碳储量影响进行不同发展情景下的模拟。以上研究结果表明,探究土地利用变化对陆地生态系统碳储量具有重要意义。目前,土地利用模拟模型与生态系统服务模型相结合成为当下研究主要方法,并取得了一定的研究成果1 3。孙欣欣等1 4基于P L U S和I n V E S T模型模拟2 0 0 02 0 4 0年南京市在耕地保护和生态保护情景下的碳储量变化趋势,其土地利用预测结果的准确性较高;Y uY a n g等1 5通过使用C A和P L U S模型,加入植被类型碳密度表,预测2 0 3 02 0 6 0
25、年不同发展情景下京津冀地区生态系统碳储量变化情况,说明了在生态保护措施下,土地利用碳储量有所提高,有利于区域碳平衡的稳定,但较少考虑到政策因素的影响。以往研究主要基于不同土地利用预测模型和I n V E S T模型的结合,分析不同发展模式下的土地利用及其碳储量变化情况1 6;P L U S模型作为土地利用预测模型之一,在模拟未来发展情景方面具有较大优势,目前利用该模型及I n V E S T模型同时开展碳储量相关分析并在此基础上进行空间分布相关性研究较少。在2 0 3 0碳达峰及2 0 6 0碳中和目标带来生态建设新机遇的背景下,2 0 2 3年1月,郑州市入选河南省碳达峰试点,但目前土地资源
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