土地利用变化不仅对土地覆被格局、生态系统结构、过程和功能产生深远影响，也会对全球变化产生反馈。随着人口的增长和人类社会的发展，过度的土地利用活动加剧水土流失、土地退化等生态恶化现象，这严重制约着陆地生态系统的碳储存能力^[1-2]。目前，土地利用变化已成为全球第二大温室气体排放源^[3]。土地利用变化对于陆地生态系统碳储量的影响逐步成为研究热点，厘清土地利用变化与生态系统碳储量之间的关系也成为实现“双碳”目标的重要途径。InVEST作为成熟应用的生态模型之一^[4]，在研究土地利用变化与生态系统服务功能之间相互关系上得以广泛应用^[5]；国内学者主要运用InVEST模型探讨土地利用变化碳储量相互之间的影响、驱动因素以及时空分布特征^[6]，其中部分学者发现陆地生态系统碳储量损失的主要原因为城市扩张占用林地、耕地以及森林乱砍乱伐等^[7]。从研究区范围来看，大多集中在国家、省级等大尺度的碳储量估算及其变化态势^[8-9]，对小区域范围的碳储量评估关注较少^[10]，而县域作为中国社会经济发展的基本单元，是巩固水土保持功能、提升生态系统服务功能的重要切入点，评估县级尺度的生态状况对推动区域低碳协调发展意义重大。因此，在“双碳”战略背景下，开展县域土地利用变化及其碳储量评估是十分重要和迫切的。

贵州省普定县既是深入实施西部大开发战略提出的重点县域，也是长江、珠江上游地区的重要生态功能区。然而，随着社会经济发展，不合理的人为活动导致土地过度开发^[11]，造成水土流失等生态问题^[12]，对区域固碳能力产生不良影响。鉴于此，笔者以贵州普定县为研究区，基于1973—2020年5期遥感影像，获取土地利用数据，借助土地利用转移矩阵方法，结合InVEST模型Carbon模块，估算和分析1973—2020年各历史时期不同用地类型的碳储量及其空间分布规律，探讨土地利用变化对固碳能力的影响，从而为县域尺度水土保持、碳汇评估以及国土空间合理配置提供参考。

普定县位于贵州省西部，隶属安顺市，位于素有“黔之腹，滇之喉”之称的黔中腹地(图 1)，属亚热带季风湿润气候，降雨充沛，年均降水量1 378.2 mm，年均气温15.1 ℃。地势总体上呈现东、北、西三面高，南、中部低，研究区总面积1 091 km²。境内土壤种类主要有黄壤、石灰土、黄棕壤等，土层发育较为浅薄，植被多为亚热带常绿阔叶林。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区地理位置 Fig. 1 Geographical location of the study area

遥感影像来源于美国马里兰大学和地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)。首先，选取1973、1989、2003、2010和2020年5期云量较少的遥感影像，其次，对5期遥感影像进行几何校正、融合、镶嵌、裁剪、大气校正等一系列预处理，通过监督分类、人机交互式解译法提取地类信息得到5个时期土地利用数据，将用地类型分为有林地、灌木林地、其他林地、草地、水田、旱地、水域、建设用地和未利用地，分辨率为30 m。InVEST模型Carbon模块所需碳密度数据包括地上植被碳库、地下植被碳库、土壤碳有机碳库和死亡有机碳库4个基本碳库。本研究碳密度数据的获取主要通过收集研究区以及相邻区域范围内的研究成果得到^[13-18](表 1)。

表 1(Tab. 1)

表 1 普定县土地利用类型碳密度 Tab. 1 Carbon density of land use types in Puding county   t/hm2 土地利用类型 Land use type 地上碳密度 Aboveground carbon density 地下碳密度 Underground carbon density 土壤碳密度 Soil carbon density 死亡有机物碳密度 Carbon density of dead organic matter 有林地 Forest land 31.92 6.38 146.82 3.50 其他林地 Other woodland 35.03 7.01 91.70 3.50 灌木林地 Shrubland 26.60 67.50 94.00 3.50 草地 Grassland 0.82 0.87 89.20 1.00 水田 Paddy field 5.42 1.96 146.24 1.00 旱地 Dry land 3.29 0.59 109.68 1.00 水域 Waters 0 0 0 0 建设用地 Construction land 0 0 111.26 0 未利用地 Unused land 0.74 0.13 69.92 0

表 1 普定县土地利用类型碳密度 Tab. 1 Carbon density of land use types in Puding county

转移矩阵能够具体反映土地利用变化的结构特征和各类型之间的转移方向。其数学形式参考阿曼妮萨·库尔班等^[19]研究。

基于InVEST模型Carbon模块，结合土地利用数据和碳密度数据估算生态系统碳储量，进而分析土地利用类型的变化分析固碳能力。计算公式参见邹文涛等^[13]研究。

1973年普定县主要用地类型为旱地，面积比例为32.08%，1989—2020年旱地持续减少，2020年旱地比例降至25.58%，灌木林地扩张了93.04 km²，成为主要用地类型(表 2和图 2)。从整体来看，研究区1973—1989年旱地、水田呈增长态势，灌木林地减少18.78%，说明该期间森林砍伐、陡坡开垦等人类活动较为频繁。1989—2020年旱地、水田呈减少态势，灌木林地、有林地等在东北、西南部明显增加。3.1.2不同历史阶段土地利用类型的相互转化1973—1989年期间，灌木林地、旱地转化面积最大，有88%的灌木林地转出；旱地转入面积达277.90 km²，其中灌木林地转入占42.32%(图 3a)；1989—2003年期间，旱地和水田转出面积最大，除旱地与水田相互流转外，均主要转出为灌木林地和其他林地，有45.93%的旱地转入灌木林地(图 3b)；2003—2010年旱地与水田分别转出389.93 km²、212.07 km²，除两者相互流转外，主要流向灌木林地；期间灌木林地转入面积持续增加，主要由旱地和水田转入；草地共流出56.20 km²(图 3c)；2010—2020年，土地利用变化相对趋于稳定，建设用地面积增加明显(图 3d)。

表 2(Tab. 2)

表 2 1973—2020年普定县各土地利用类型面积及比例 Tab. 2 Areas and proportions of different land use types in Puding county during 1973-2020 土地利用类型 Land use type 1973 1989 2003 2010 2020 面积 Area/ km2 比例 Proportion/ % 面积 Area/ km2 比例 Proportion/ % 面积 Area/ km2 比例 Proportion/ % 面积 Area/ km2 比例 Proportion/ % 面积 Area/ km2 比例 Proportion/ % 有林地 Forest land 120.90 11.18 66.89 6.17 96.02 8.86 153.43 14.15 207.78 19.16 其他林地 Other woodland 117.41 10.86 87.50 8.07 113.48 10.47 86.33 7.96 25.24 2.33 灌木林地 Shrubland 267.21 24.72 64.39 5.94 139.26 12.84 237.58 21.91 330.61 30.49 草地 Grassland 73.66 6.81 61.23 5.65 69.47 6.41 81.09 7.48 31.78 2.93 水田 Paddy field 138.20 12.78 234.05 21.58 212.17 19.57 140.03 12.92 89.12 8.22 旱地 Dry land 346.78 32.08 523.82 48.30 390.14 35.98 302.71 27.92 277.34 25.58 水域 Waters 6.19 0.57 8.04 0.74 18.79 1.73 13.99 1.29 21.43 1.98 建设用地 Construction land 1.36 0.13 3.95 0.36 23.30 2.15 46.34 4.27 97.91 9.03 未利用地 Unused land 9.36 0.87 34.59 3.19 21.59 1.99 22.68 2.09 2.96 0.27

表 2 1973—2020年普定县各土地利用类型面积及比例 Tab. 2 Areas and proportions of different land use types in Puding county during 1973-2020

图 2(Fig. 2)

图 2 1973—2020年普定县土地利用现状图 Fig. 2 Current status of land use in Puding county during 1973-2020

图 3(Fig. 3)

图 3 1973—1989年普定县土地利用转移矩阵热图 Fig. 3 Heat maps of land use transfer matrices in Puding county during 1973-1989

普定县1973、1989、2003、2010和2020年碳储量分别为1 586.8万t、1 419.6万t、1 502.2万t、1 583.4万t和1 652.9万t，总体呈增加趋势，累计增加66.1万t。如图 4所示，普定县主要有灌木林地、旱地、水田以及有林地4大碳库。有林地和灌木林地碳储量均呈先下降后上升的变化特征，在1973—1989年分别损失96.4万和386.3万t，1989—2020年各增加259.9万和509.2万t；2020年其他林地碳储量锐减至34.7万t；1973—2020年草地碳储量波动下降。1989—2020年水田碳库碳损失剧烈，降至223.6万t；2020年旱地碳储量仅达到316.7万t；建设用地碳储量由1973年的1.6万t增加至2020年108.7万t。

图 4(Fig. 4)

图 4 1973—2020年普定县土地利用类型碳储量 Fig. 4 Carbon storages of land use types in Puding county from 1973 to 2020

由图 5可知，1973—1989年，东北和西南部的碳储量降低程度最大，减少区域呈聚集分布；1989—2003年，东部和西南部碳储量增加显著，中部区域减少明显，中北和中南地区变化较为稳定；2003—2010年，东北、西南部区域碳储量持续上升，北部区域碳储量减少呈面状分布；2010—2020年西北、东北部地区碳储量显著增加。总的来看，1973—2020年，西部、东北部碳储量稳定增加，中南、中北部地区以基本不变和减少为主。

图 5(Fig. 5)

图 5 1973—2020年普定县各时期碳储量空间分布变化 Fig. 5 Spatial distribution of carbon storage in Puding county from 1973 to 2020

由表 3可知，灌木林地扩张使其生态系统碳储量增加134.37万t，然而，灌木林地转出致碳储量损失84.28万t，其中，向旱地和建设用地转出损失的碳储量分别占53.47%、13.20%；水田转出使碳储量减少25.03万t；有林地转出累计损失27.73万t碳储量，其中以转为旱地碳储量流失最为明显。而建设用地扩张致使碳储量减少26.68万t，以占用旱地、水田和灌木林地碳储量损失较多。

表 3(Tab. 3)

表 3 1973—2020年普定县土地利用类型碳储量转移矩阵 Tab. 3 Carbon storage transfer matrix of land use types in Puding county from 1973 to 2020  104t 土地利用类型 Land use type 有林地 Forest land 其他林地 Other woodland 灌木林地 Shrubland 草地 Grassland 水田 Paddy field 旱地 Dry land 水域 Waters 建设用地 Construction land 未利用地 Unused land 总计 Total 有林地 Forest land 0 -2.05 1.04 -5.57 -0.77 -14.64 -3.14 -2.48 -0.12 -27.73 其他林地 Other woodland 19.18 0 18.87 -1.97 0.95 -5.29 -2.46 -2.02 -0.19 27.07 灌木林地 Shrubland -1.34 -4.61 0 -9.16 -6.56 -45.07 -5.15 -11.13 -1.27 -84.28 草地 Grassland 29.00 1.10 26.73 0 0.53 1.72 -0.07 0.19 -0.01 59.19 水田 Paddy field 2.53 -0.16 9.22 -0.51 0 -18.98 -5.90 -11.08 -0.15 -25.03 旱地 Dry land 27.02 1.14 72.28 -1.64 14.25 0 -7.07 -1.48 -0.45 104.06 水域 Waters 0.63 0.04 0.39 0.07 0.79 0.65 0 0.23 0 2.79 建设用地 Construction land 0.24 0 0.15 0 0.04 0.38 0 0.94 0 1.75 未利用地 Unused land 1.69 0.22 5.69 0.02 0.26 0.48 -0.25 0.15 0 8.25 总计 Total 78.95 -4.32 134.37 -18.77 9.49 -80.74 -24.04 -26.68 -2.19 66.07

表 3 1973—2020年普定县土地利用类型碳储量转移矩阵 Tab. 3 Carbon storage transfer matrix of land use types in Puding county from 1973 to 2020

土地利用变化是决定区域碳储量空间分布差异的关键因素，碳储量的时空变化能够反映区域固碳能力的动态变化^[8-12]。笔者发现，普定县1973—2020年碳储量总体呈增加趋势，反映出研究区生态服务功能已有所改善，灌木林地是研究区碳储量最为丰富的用地类型之一，承担着主要的碳汇功能，表明灌木林地、有林地等生态用地具有巨大的固碳潜力。普定县碳储量呈现出“东北、西南部增加，中南部减少”的空间变化规律，主要与近年来实施的长防工程、坡耕地及石漠化综合治理等生态恢复工程有关^[20]，在东北、西南部大面积的旱地和水田向灌木林地、有林地转移，使碳储存能力逐渐增强，碳汇作用显著。由此可见，植被恢复能够明显提升生态环境质量。由于中南部是普定县经济发展中心，是建设用地显著扩张的主要地带，水田、灌木林地的减少和建设用地的增加是南部区域碳储量减少的主要原因之一。由此可见，县域的碳储量时空变化能够为提升区域生态系统质量及水土保持功能提供科学依据与数据支撑。今后普定县在进行土地利用规划时应着重关注中南部区域生态系统的固碳能力，适当实施生态保护工程，优化土地利用结构。

由于InVEST模型中碳密度无年际变化，且获得的土地利用类型碳密度不是实测碳密度的动态变化数据，对碳储量估算精度有一定影响，具有一定不确定性，但其运行结果能够清晰反映普定县近50年碳储量时空变化。为更好地反映区域生态碳储存能力，未来应对研究区不同用地类型碳密度进行连续监测，从而提高区域碳储量估算精度。

1) 普定县1973—2020年生态系统碳储量总体呈增加趋势，累计增加66.1万t。说明普定县生态系统固碳能力显著增强，生态系统服务功能明显改善。

2) 普定县碳储量表现出“东北、西南部增加，中南部减少”的空间变化规律。其中西南、东北地区碳储量在1989—2020年保持稳定趋势逐年增加，中南部区域碳储量在2010—2020年损失严重。

3) 普定县碳储量上升的主要原因为旱地、草地、水田、其他林地转为灌木林地，旱地、草地、其他林地转为有林地，旱地转为水田；碳储量下降主要由水田面积的减少以及建设用地的扩张导致。