基于GIS和InVEST模型的日照市固碳能力研究

[目的]分析山东省日照市碳储量的时空变化,探讨日照市各土地利用类型的固碳能力,为生态系统服务评估提供决策支持。[方法]以日照市1995,2000,2005,2010和2015年5期土地利用信息和碳密度数据为基础,利用GIS和InVEST-Carbon Storage and Sequestration模块,获取碳储量时空分布数据,从而对日照市固碳能力进行准确的定量评估。[结果](1)1995—2015年,研究区内耕地、草地的面积均有所下降,而林地、水域、建设用地以及未利用地面积增加。(2)日照市总固碳量呈现增长趋势,1995—2015年依次为6.976×10~6,6.978×10~6,6.957×10~6,6.987×10~6,7.015×10~6 t。(3)耕地的碳储量最高,固碳能力最强。[结论]1995—2015年研究区内固碳总量净增3.90×10~4 t,固碳速率呈现小幅上升趋势,固碳能力逐步稳定。日照市东部沿海地区固碳能力相对较弱,应充分开发其固碳潜力。     

基于InVEST和CA-Markov模型的黄河流域碳储量时空变化研究

区域土地利用/覆被变化是导致生态系统碳储量变化的主要原因,预测未来土地利用/覆盖变化及其对碳储量的影响对区域陆地生态系统的认识具有重要意义。本研究基于黄河流域2005—2018年土地利用/覆被变化规律,运用CA-Markov模型分别预测了生态保护情景(EVC)和自然变化情景(NVC)下的土地利用/覆被空间格局,采用修正后的碳密度,运用InVEST模型评估黄河流域2005—2030年6期碳储量。结果表明:2005—2018年黄河流域林地、水域和建设用地面积持续增加,耕地、草地和未利用土地面积减少, 13 a间全流域碳储量减少28.734×10~6 t。与自然变化情景相比,在生态保护情景下2030年草地和耕地相比2018年减少幅度较小,建设用地规模扩大得到了限制,产生了生态效应。2030年,自然变化情景和生态保护情景下的碳储量较2018年分别减少258.863×10~6 t和30.813×10~6 t,生态保护情景下土地利用覆被格局固碳能力高于自然变化情景,该研究可为黄河流域土地利用结构调整和土地利用管理决策提供科学依据。     

基于PLUS-InVEST模型的安徽省碳储量时空变化预测

[目的]分析安徽省2000年以来碳储量的时空变化及空间分布特征,为未来该区土地管理决策和生态系统碳库管理提供有效指导。[方法]以安徽省为例,基于2000,2005,2010,2015,2020年5期土地利用数据,采用PLUS模型模拟2030,2040年不同情景下土地利用格局,并运用InVEST模型定量评估不同情景下陆地生态系统碳储量的空间变化。[结果](1)2000—2020年安徽省约有8.03%土地发生了转移,耕地与建设用地之间的转化是该省土地利用变化的主要特征。(2)2000—2020年陆地生态系统碳储量总体呈下降趋势,下降了1.01×10⁸ t。空间格局上呈现“南高北低”的特征,碳密度高值区主要分布在皖南、皖西山区。(3)2020—2040年自然发展情景下碳储量下降趋势明显,耕地保护情景下降速度有所减缓,生态保护情景下碳储量明显增加,增量为3.07×10⁷ t。[结论]实施生态保护政策能够有效提高区域生态系统碳储量,增强生态系统服务功能。未来在进行土地利用管理决策时应统筹考虑生态保护和耕地保护,促进区域生态系统良性可持续发展。     

基于PLUS与InVEST模型的昆明市土地利用变化动态模拟与碳储量评估

[目的]评估不同情景下的土地利用变化与碳储量变化,为优化生态服务与可持续性发展提供科学依据。[方法]基于PLUS模型与InVEST模型,模拟和预测不同情景下的土地利用变化与碳储量。[结果](1)在自然发展与生态保护情景下,土地利用变化相似,耕地、草地、水域减少,建设用地急剧扩张,其中建设用地在自然发展情景下扩张更快,变化率达27.70%;在耕地保护情景下,土地利用变化与其他两种情景不同,这是由于林地面积的减少与建设用地的迅速扩张造成的;(2)昆明市2000,2010,2020年的碳储量分别为3.37×10⁸,3.34×10⁸,3.28×10⁸ t,呈现逐年下降的趋势。到2030年,耕地保护与生态保护相较于自然发展情景碳储量较高,说明采取保护措施,能有效控制碳储量的减少;(3)土地利用变化导致碳储量减少9.15×10⁶ t,土地利用变化与碳储量变化呈现高度一致性。[结论]落实耕地保护、生态保护政策,控制建设用地向耕地、林地的扩张,优化土地利用结构,有利于减缓区域碳储量损失。     

基于PLUS-InVEST模型的珠三角碳储量时空演变与预测

[目的] 探究珠三角地区2005-2020年土地利用变化及其对碳储量的影响,并对2035年珠三角的土地利用格局和碳储量进行模拟预测,以期为珠三角地区"双碳"目标下的国土空间规划和生态决策提供科学依据。[方法] 基于2005-2020年4期土地利用数据,以珠三角城市群为研究区域,采用PLUS模型和InVEST模型对该区的土地利用变化和碳储量演变进行分析,并预测其2035年土地利用空间格局和碳储量变化趋势。[结果] ①2005-2020年,珠三角地区碳储量先增加后减少,林地、建设用地和未利用地增多促进碳储量增长了4.82×10⁷ t,耕地、草地和水域减少导致碳储量减少了5.10×10⁷ t。②预计2035年,随着建设用地和林地的增加,该区碳储量较2020年增长5.75×10⁷ t,生态环境向好发展。③该区碳储量表现出"四周高,中部低"的空间分布格局,与土地利用空间分布具有显著一致性,即碳储量高值区集中在林地、耕地和草地,碳储量低值区集聚在建设用地。[结论] 随着未来城市发展需要,政府部门应进行土地综合开发利用,采取生物、工程技术等生态修复措施,提升区域固碳能力,助力实现碳中和目标。     

福建省碳储量时空特征及其对土地利用变化的响应

[目的] 研究福建省生态系统碳储量及其对土地利用变化的响应,为生态系统保护提供参考。[方法] 基于土地利用数据和碳密度数据,运用InVEST模型模拟福建省1980,2000,2020年碳储量;利用冷热点分布、转移图谱和矩阵分析碳储量和土地利用的时空特征;最后分析碳储量对土地利用变化的响应。[结果] ①福建省碳储量整体均较高,82.5%以上区域的碳储量为中等以上(＞3 000 t),主要分布在山地丘陵地区,也是高碳储量的热点集中区;高(热点)低(冷点)碳储量集中区转移较少;1980—2020年总碳储量波动略升高,2000—2020年不同碳储量等级彼此之间转移相对较多。②福建省土地利用/覆被以林地为主(61.4%~62.9%),其次是耕地(16.9%~18.3%)和草地(15.2%~17.2%);土地利用/覆被变化在1980—2000年较稳定,在2000—2020年较剧烈。③林地、草地和耕地的总碳储量较高,水域、建设用地和未利用地总碳储量较少;耕地总碳储量减少,建设用地总碳储量增加,林地和草地有增加也有减少;由土地利用/覆被变化导致的总碳储量转出和转入最多均为林地,其次是草地和耕地;总碳储量净转移为负的是林地,其他为正,林地转移引起的碳亏损最多。[结论] 耕地、林地和草地是福建省的主要土地利用类型,它们贡献了较高碳储量,并相互转移引起了碳储量变化。     

川西高原土地利用碳储量估算及多情景预测

[目的]区域碳储量与土地利用密切相关。在“双碳”目标下,从碳储量视角开展重点区域土地利用变化预测研究,对协调与优化区域土地利用格局、提高区域生态系统未来固碳潜力具有重要参考价值。[方法]以川西高原为研究区,以2000年、2010年和2020年土地利用为数据源,预测不同情景下2030年土地利用,结合修正的土地利用碳密度数据和InVEST模型估算区域碳储量变化。[结果](1)从各地类相对研究区的面积占比变化看,2000—2020年草地从65.20%逐步缩减到63.65%,林地从31.73%不断扩张到32.92%,未利用地先减后增且净增0.57%,水域和耕地先增后减均净减0.11%,湿地持续增加,共净增0.07%;研究区2000年、2010年、2020年碳储量分别为24.26×10⁸,24.29×10⁸,24.27×10⁸ t,呈先增后减趋势。(2)与2020年相比,2030年自然发展情景下碳储量减少3.19×10⁵ t,在耕地保护情景、生态保护情景、耕地生态联合保护情景下将分别固碳4.29×10     

黔中城市群碳储量对土地利用/覆被变化的响应及脆弱性

[目的] 探究土地利用/覆被变化对区域生态系统碳储量及生态系统脆弱性的影响,以期为区域绿色低碳和生态系统的可持续发展提供参考依据。[方法] 以2000,2010,2020年黔中城市群核心经济区3期土地利用/覆被数据为基础,运用InVEST模型和土地利用转移矩阵定量分析生态系统碳储量及其空间分布格局,并采用潜在影响指数(PI)对区域生态系统服务脆弱性进行评估。[结果] ①2000-2020年,黔中城市群核心经济区土地利用/覆被变化总体表现为耕地和林地持续下降,建设用地持续上升。研究区土地利用/覆被转移主要表现为耕地、林地、草地向其他地类的转移,其中,2000-2010,2010-2020年分别有3 339.35,3 669.15 km²土地发生了转移,前者林地转为草地是主要转移类型,后者耕地转为建设用地为主要转移类型。②2000-2020年区域的碳储量表现为减少趋势,由4.42×10⁷ t减小到4.33×10⁷ t,累计减小9.40×10⁵ t,林地转为草地是引起碳储量减少的主要原因。各年度碳储量密度均呈现西部、东部高,中部低的分布态势;20 a间,高密度区未发生明显变化,低密度区表现为由中心区域向外围扩散。③2000-2020年黔中城市群核心经济区主要扮演碳源的角色,土地利用程度指数增加了2.83,PI指数分别为-0.04,-0.31,均表现为负面潜在影响,且脆弱性不断增强。[结论] 增加林地、控制林地转为其他用地及建设用地扩张是促进区域绿色低碳和生态系统的稳定可持续发展的重要手段。     

海南岛海岸带土地利用变化及其对碳储量时空演变的影响

[目的] 预测未来土地利用/覆盖变化(land use and land cover change,LULCC)及其对生态系统碳储量的影响,为区域土地利用决策和碳管理提供科学依据。[方法] 基于30 m分辨率的海南岛1990,2000,2010,2020年土地利用遥感解译数据,运用ArcGIS与InVEST模型,探究土地利用时空演变及碳储量响应状况,并引入GeoSOS-FLUS模型预测研究区2030年土地利用多情景变化特征及其对未来不同情景下生态系统碳储量的影响机制。[结果] ①1990—2020年研究区耕地、林地、草地和未利用地面积减少,水域和建设用地面积增加。未利用地和耕地面积持续减少,建设用地面积持续增加。②30 a间LULCC导致区域碳储量持续减少,达到1.50×10⁶ t且年变化率为5.00×10⁴ t/a。建设用地的大肆扩张及林地退化是导致碳储量下降的重要原因,“未利用地→草地”为碳储量增加中最明显的图谱变化,“草地→林地(人工林地)”是碳储量减少中最显著的图谱变化。③2020—2030年的3种预测情景中,林地仅在生态优先情景下得到了有效保护,且面积增加了11.91 km²。建设用地在3种预测情景中均呈现不同程度扩张态势,且发展优先情景涨幅最大。[结论] 海南岛大面积高碳密度的天然草地转换为低碳密度的人工林地,高碳区转变为低碳区,区域固碳能力削弱。应采取提高林地、草地等地类比重等一系列的土地利用调控政策,加大区域碳源向碳汇转换的优化发展。     

喀斯特地区贵州省绥阳县土地利用/覆被变化对陆地植被碳储量的影响

土地利用/覆被变化是影响陆地生态系统碳储量变化的重要驱动因素。利用绥阳县2000年、2005年、2010年3期ETM/SPOT影像解译获得的2000—2010年土地利用变化数据,估算了该县土地利用变化对生态系统中植被碳储量的影响。结果表明:2000—2005年研究区耕地面积增加了22.87hm2,林地、牧草地分别减少了15.78,8.28hm2,植被碳储量2005年比2000年减少了2 945.11t;2005—2010年研究区耕地、牧草地分别减少26.28,4.09hm2,林地增加29.07hm2,植被碳储量2010年比2005年增加了1 786.17t。综上,该县植被碳储量总体呈减少趋势,且退耕还林还草、天然林保护工程和城镇建设用地增加等是影响该地区植被碳储量变化的重要因素。     

陆地土壤碳循环研究进展

[目的]对近年来国内外碳循环方面的研究进展进行综述,为退化土地的生态恢复及环境治理和保护提供依据。[方法]总结了当前土壤有机碳循环研究中的几种主要方法(室内培养法、同位素示踪法、碳循环模型和计算机模拟法等),分析对比了这几种方法的特点和存在的问题,并对土壤有机碳循环机理和影响土壤有机碳循环的主要因素进行分析。[结果]目前,在土壤有机碳库的估算方法、数据依据、结果以及土壤有机碳循环模型上存在较大差异,给土壤有机碳变化和循环研究带来一定的困难。土地利用方式和土地覆盖变化是影响陆地土壤有机碳变化及循环最直接的人为因子。[结论]应注重土地利用及覆被变化在土壤碳循环中的作用及地位。并建立适用于中国国情的碳循环模型。未来的土壤碳循环研究应探索标准化、高精度的有机碳库储量估算方法。     

基于InVEST模型重庆市建设用地扩张的碳储量变化分析

建设用地的扩张是影响陆地生态系统碳储量变化的重要驱动因素。以重庆市为研究区域,基于重庆市土地利用数据、土壤数据、植被数据,从建设用地扩张的视角,采用InVEST模型,结合收集的碳密度数据,对重庆市2000年、2005年及2010年碳储量的变化进行了分析。结果表明:2000-2010年重庆市土地利用变化显著,建设用地是主要的转入者,共增长1 505.58 km²,其中90%以上的区域来自耕地以及阔叶林,造成碳净损失1.796 Mt。2005-2010年重庆市建设用地变化更加剧烈,这期间建设用地共扩张998.19 km²。建设用地主要是由西部中心逐渐向四周扩张,且增长速率加快。建设用地由2000年的598.88 km²增加到2005年的1 097.27 km²,扩张导致总碳储量减少了1 169 982.18 t,其中阔叶林的碳损失达到72%;2010年建设用地增加至2 095.46 km²,占用耕地以及阔叶林是主要的扩张形式,扩张导致总碳储量减少了1 169 982.18 t。可见,建设用地扩张过程中,碳损失的主要来源为耕地及阔叶林,其次是针叶林、草原、草地等。选择固碳能力较弱的裸地与草甸作为建设用地的扩张目标,有利于重庆市碳储量的保护与增长。     

Use of the RothC model to estimate the carbon sequestration potential of organic matter application in Japanese arable soils

Abstract

We estimated the carbon (C) sequestration potential of organic matter application in Japanese arable soils at a country scale by applying the Rothamsted carbon (RothC) model at a 1-km resolution. After establishing the baseline soil organic carbon (SOC) content for 1990, a 25-year simulation was run for four management scenarios: A (minimum organic matter application), B (farmyard manure application), C (double cropping for paddy fields) and D (both B and C). The total SOC decreased during the simulation in all four scenarios because the C input in all four scenarios was lower than that required to maintain the baseline 1990 SOC level. Scenario A resulted in the greatest depletion, reflecting the effects of increased organic matter application in the other scenarios. The 25-year difference in SOC accumulation between scenario A and scenarios B, C and D was 32.3, 11.1 and 43.4?Mt?C, respectively. The annual SOC accumulation per unit area was similar to a previous estimate, and the 25-year averages were 0.30, 0.10 and 0.41?t?C?ha^?1?year^?1 for scenarios B, C and D, respectively. The system we developed in the present study, that is, linking the RothC model and soil spatial data, can be useful for estimating the potential C sequestration resulting from an increase in organic matter input to Japanese arable soils, although more feasible scenarios need to be developed to enable more realistic estimation.     

Use of the RothC model to estimate the carbon sequestration potential of organic matter application in Japanese arable soils

We estimated the carbon (C) sequestration potential of organic matter application in Japanese arable soils at a country scale by applying the Rothamsted carbon (RothC) model at a 1-km resolution. After establishing the baseline soil organic carbon (SOC) content for 1990, a 25-year simulation was run for four management scenarios: A (minimum organic matter application), B (farmyard manure application), C (double cropping for paddy fields) and D (both B and C). The total SOC decreased during the simulation in all four scenarios because the C input in all four scenarios was lower than that required to maintain the baseline 1990 SOC level. Scenario A resulted in the greatest depletion, reflecting the effects of increased organic matter application in the other scenarios. The 25-year difference in SOC accumulation between scenario A and scenarios B, C and D was 32.3, 11.1 and 43.4 Mt C, respectively. The annual SOC accumulation per unit area was similar to a previous estimate, and the 25-year averages were 0.30, 0.10 and 0.41 t C ha⁻¹ year⁻¹ for scenarios B, C and D, respectively. The system we developed in the present study, that is, linking the RothC model and soil spatial data, can be useful for estimating the potential C sequestration resulting from an increase in organic matter input to Japanese arable soils, although more feasible scenarios need to be developed to enable more realistic estimation.     

基于FLUS-InVEST模型的北部湾城市群生态空间碳汇演变模拟及驱动因素研究

[目的] 探究未来湾区城市群生态空间变化对碳汇的影响,找出变化背后的主要驱动因素,为城市群制定未来生态空间发展方向与策略提供参考,促进陆海新通道的科学开发。[方法] 以北部湾城市群为例,基于2010,2015与2020年土地利用数据,使用GeoSOS-FLUS模型预测生态优先、耕地优先及城镇优先3种不同预设情境下2035年的北部湾城市群生态空间土地利用格局,使用InVEST模型对2020—2035年各情景下生态空间碳汇变化情况进行分析,使用地理加权回归找出影响土地碳汇变化的主要驱动因素。[结果] 生态优先导向下2020—2035年北部湾城市群碳储量有所增加;城镇优先导向下碳储量降低较多,达到3.12×10⁶ t。坡度、人口密度和高程是城市群生态空间碳汇格局最重要的影响因素,城镇空间扩张是变化的主因。生态优先情景下,生态空间的土地将有所增加。[结论] 生态优先导向能兼顾城镇发展与生态空间的环境保护需求,城镇优先导向和农业优先导向会大幅降低碳汇。另外政策措施也需尽早制定以抑制城镇空间扩张。     

A model ensemble approach to determine the humus building efficiency of organic amendments in incubation experiments

Organic amendments are important to sustain soil organic matter (SOM) and soil functions in agricultural soils. Information about the contribution of organic amendments to SOM can be derived from incubation experiments. In this study, data from 72 incubated organic amendments including plant residues, digestates and manure were analysed. The incubation data was compiled from three experimental setups with varying incubation times, soils and incubation temperatures, in which CO₂ release was measured continuously. The analysis of the incubation data was performed with an approach relying on conceptual parts of C-TOOL, CCB, Century, ICBM, RothC and Yasso which are all well-approved first-order carbon models that differ in structure and abstraction level. All models are an approximation of reality, whereby each model differs in understanding of the processes involved in soil carbon dynamics. To accumulate the advantages from each model a model ensemble was performed for each substrate. With the ability of each carbon model to compute the distribution of carbon into specific SOM pools a new approach for evaluating organic amendments in terms of humus building efficiency is presented that, depends on the weighted model fit of each ensemble member. Depending on the organic substrate added to the soil, the time course of CO₂ release in the incubation studies was predicted with different accuracy by the individual model concepts. Averaging the output of the individual models leads to more robust prediction of SOM dynamics. The E_HUM value is easy to interpret and the results are in accordance with the literature.     

煤炭开采对区域农田植被碳库储量的影响评价

在人类煤炭开采活动的干预下,农田生态系统中碳储量迅速变化。这种变化不仅改变了土壤肥力及农田作物产量,而且对区域及全球环境具有很大影响,事实上稳定保持其碳库是农业减缓温室气体的主要途径。该文的研究目的就是从煤炭开采对区域农田植被碳库储量影响的角度来研究煤炭开采对农田生态系统碳储量的影响,以徐州九里矿区为研究区,通过区域内农田植被碳库采样与试验、区域植被碳库储量估算模型的构建以及碳储量估算得到九里矿区煤炭开采沉陷区农田植被的碳储量和碳密度分布图,然后与情景模拟得出的该区未受到煤炭开采影响情况下,经过几十年变化后农田植被的碳储量和碳密度分布图进行对比,得出煤炭开采对沉陷区范围的农田植被碳库的扰动影响,发现与不受到煤炭开采的影响相比,在沉陷区域外围地势较高的坡地煤炭开采对农田植被碳密度的影响很小,在沉陷区地势较低的季节性积水区和常年积水湿地区煤炭开采对农田植被碳密度的影响较大。在整个煤炭开采沉陷区范围内,与不受到煤炭开采的影响相比,煤炭开采沉陷区域农田植被碳库碳储量减少2.4万t。煤炭开采对区域农田植被碳库储量的影响属于失碳效应。     

农田生态系统碳循环模型研究进展和展望

农田生态系统是陆地生态系统碳循环过程中最活跃的碳库。研究农田生态系统碳循环,对温室气体减排及研究全球气候的变化都具有极其重要的意义。农田生态系统碳循环研究是一个非常复杂的过程,碳循环模型是研究农田生态系统碳循环最有效的手段。该文综述了农田生态系统碳循环的最新研究进展,总结了农田生态系统碳循环的流动过程,介绍了碳素在不同碳库以及碳库不同组分之间迁移转化的规律,梳理了从1960年至今的农田生态系统碳循环模型并进行了分类,阐述了国际主要模型以及中国自主开发的碳循环模型的应用情况。未来农田生态系统碳循环的研究方向为:1)探索农田生态系统碳循环机制;2)从空间时间上完善对碳循环过程的研究;3)考察氮循环、水循环、微生物与碳循环的关系;4)利用碳循环模型来估算不同的管理实践下碳在不同农田的再分配;5)开发利用碳循环模型,为政府制定相关政策提供相关数据参考。     

土壤有机碳稳定性及其影响因素

土壤有机碳库在全球碳循环中起着重要作用。利用文献资料,阐明土壤有机碳稳定性理论及其影响因素。土壤有机碳稳定性指土壤有机碳在当前条件下抵抗干扰和恢复原有水平的能力。它是由土壤的理化性质所决定的,是自然因素和人为因素共同作用的结果。土壤有机碳的降解包括生物降解作用和物理化学降解作用等,生物降解作用是主要的过程。把土壤有机碳库分成活性碳库、慢性碳库、惰性碳库,能较好地与土壤微生物的生物降解过程相对应。构建土壤有机碳稳定性概念模型,能更系统地理解有机碳在土壤中的稳定机制。     

The relative impact of land use and soil properties on sizes and turnover rates of soil organic carbon pools in Subtropical China

The dynamics of soil organic carbon (SOC) pools determine potential carbon sequestration and soil nutrient improvement. This study investigated the characteristics of SOC pools in five types of cultivated topsoils (0–15 cm) in subtropical China using laboratory incubation experiments under aerobic conditions. The sizes and turnover rates of the active, slow and resistant C pools were simulated using a first‐order kinetic model. The relative influence of soil environmental properties on the dynamics of different SOC pools was evaluated by applying principal component analysis (PCA) and aggregated boosted trees (ABTs) analysis. The results show that there were significantly greater sizes of different SOC pools and lower turnover rates of slow C pool in two types of paddy soils than in upland soils. Land use exerted the most significant influence on the sizes of all SOC pools, followed by clay content and soil pH. The soil C/N ratio and pH were the major determinants for turnover rates of the active and slow C pools, followed by clay content which had more impact on the turnover rates of the active C pool than the slow C pool. It is concluded that soil type exerts a significant impact on the dynamics of SOC.