陜北黃土高原退耕還林還草工程固碳效應(yīng)研究
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來源：《安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)》2021年第17期
摘要 以陜北黃土高原為研究區(qū)，利用InVEST固碳功能評(píng)價(jià)模塊，定量評(píng)價(jià)了退耕還林還草工程背景下土地利用/覆被變化對(duì)研究區(qū)碳固定效益的影響。結(jié)果表明：研究區(qū)2000—2010年草地、灌叢、林地面積分別增加了3 204.0、 285.3和122.7 km2，耕地面積減少了3 984.5 km2，退耕還林還草工程土地覆被變化顯著。研究區(qū)10年間碳固定能力整體提升，其中，延安市境內(nèi)各流域平均固碳增加量為3.3 t/hm2，固碳總增加量為13.3×106 t，榆林市境內(nèi)各流域平均固碳增加量為4.0 t/hm2，固碳總增加量為14.5×106 t，退耕還林還草工程固碳效益顯著。耕地、草地、荒漠向林地的轉(zhuǎn)化固碳效益最大，其單位面積固碳增量達(dá)100 t/hm2以上，耕地向林灌草的轉(zhuǎn)變使研究區(qū)固碳總量增加達(dá)3 405.77×104 t，其中73.37%的總固碳量比重來自耕地向草地的轉(zhuǎn)化。通過生態(tài)系統(tǒng)碳固定重要性分級(jí)和空間分區(qū)為退耕還林還草工程的科學(xué)實(shí)施、維持區(qū)域碳平衡和碳達(dá)峰，保障區(qū)域民生福祉具有重要的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞 退耕還林還草;碳固定;土地覆被變化;InVEST模型;黃土高原
中圖分類號(hào) S774 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2021）17-0055-06
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.17.016
Abstract The effect of land u/cover change on the carbon fixation benefit of the study area was quantitatively evaluated by using the InVEST carbon fixation function evaluation module in the Loess Plateau of Northern Shaanxi Province. The main conclusions are as follows： The area of grass， scrub and woodland incread by 3 204 km2，285.3 km2 and 122.7 km2 respectively during 2000-2010 in this area.However，farmland reduced a large area of 3 984.5 hm2 mainly converted to above types of land u.The action of the Grain for Green Program （GFGP） has begun to show its effects. During this 10 years， carbon storage of the rearch area displayed a increasing tendency.The average carbon questration incread by 3.3 t/hm2 and the total carbon questration incread by 13.3 × 106 tons in Yan’an region， meanwhile， the same incread by 4.0 t/hm2 and 14.5×106 tons in Yulin region. The carbon questration benefit of the Grain for Green Program （GFGP） was significant. The conversion of cultivated land， grassland and dert to forest land has the greatest carbon questration benefit， and the increment of carbon questration per unit area is more than 100 t/hm2. The conversion of cultivated land to forest， shrub and grass make
s the total carbon questration increa to 3 405.77×104 hm2. Among them， 73.37% of the total carbon questration came from the conversion of cultivated land to grassland. This study has important guiding significance for the management of ecosystems and the scientific implementation of the GFGP in the Loess Plateau of Northern Shaanxi Province，meanwhile， it has the same important guiding significance for maintaining regional carbon balance and reaching carbon peak.
Key words The Grain for Green Program（GFGP）;Carbon storage;Land u/cover change;InVEST model;Loess Plateau
自2005年千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估（millennium ecosystem asssment，MA）報(bào)告發(fā)布以來，有關(guān)于人類福祉與健康的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其功能變化的國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)大幅增加，全球及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的退化直接影響到人類的可持續(xù)發(fā)展[1]。全球氣候變化是國(guó)際科學(xué)組織和各國(guó)政府高度關(guān)注的全球性重大環(huán)境問題之一[2-3]，陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)維持碳循環(huán)和碳平衡、調(diào)節(jié)氣候變化具有重要作用[4-5]，加強(qiáng)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理和保護(hù)以提高固碳服務(wù)能力，對(duì)保障區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和民生福祉[6-7]，實(shí)現(xiàn)國(guó)家碳達(dá)峰和碳平衡目標(biāo)意義重
大。目前，隨著人類工農(nóng)業(yè)活動(dòng)的加劇，不合理的土地利用和生態(tài)資源的過度利用，使得區(qū)域碳排放和生態(tài)系統(tǒng)碳固定難以平衡，溫室效應(yīng)加劇和人地矛盾關(guān)系突出[8-9]。InVEST（integrated valuation of ecosystem rvices and tradeoffs）模型通過不同土地利用情景的服務(wù)功能量化評(píng)估，能夠很好地權(quán)衡生態(tài)系統(tǒng)管理與區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展之間的關(guān)系[10-11]。如國(guó)外學(xué)者Leh等[12-14]利用InVEST模型對(duì)相關(guān)流域產(chǎn)水量的時(shí)空變化進(jìn)行了評(píng)估，為提升流域生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力及加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)管理提供了有效支撐。國(guó)內(nèi)學(xué)者Su等[15-20]利用InVEST相關(guān)功能模塊對(duì)汶川地震災(zāi)區(qū)、三江源區(qū)、黃土高原和秦嶺山地等區(qū)域的碳固定、土壤保持、水源涵養(yǎng)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能展開了量化評(píng)估，評(píng)價(jià)結(jié)果為生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)管理、人地矛盾協(xié)調(diào)及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供很好的權(quán)衡價(jià)值。
我國(guó)黃土高原地區(qū)人口較多、農(nóng)業(yè)活動(dòng)強(qiáng)度大、可持續(xù)發(fā)展能力面臨挑戰(zhàn)。為此，國(guó)家實(shí)施了天然林保護(hù)、三北防護(hù)林建設(shè)和退耕還林還草等工程，以及時(shí)遏制生態(tài)環(huán)境退化和協(xié)調(diào)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，而退耕還林還草工程是優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)和方式，推進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，促進(jìn)碳達(dá)峰和碳平衡，協(xié)調(diào)人地矛盾關(guān)系的有效途徑。土地利用變化與生態(tài)系統(tǒng)固碳能力之間具有高度的耦合關(guān)系[21]，對(duì)退耕還林還草工程的碳固定效益進(jìn)行量化評(píng)估，是權(quán)衡好人類發(fā)展與自然資源管理之間關(guān)系的有力支撐。目前，
許多學(xué)者圍繞區(qū)域或流域生態(tài)系統(tǒng)碳固定能力開展相關(guān)科學(xué)研究，如張優(yōu)等[21-22]分別對(duì)延安市延河流域和成都平原地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)固碳能力進(jìn)行了量化評(píng)估，但對(duì)退耕還林還草工程碳固定效益的量化評(píng)估鮮有研究。
陜北黃土高原境內(nèi)的黃土丘陵、溝壑、梁、塬、峁及其復(fù)合地貌所構(gòu)成的不同地貌單元和生態(tài)環(huán)境地域，對(duì)整個(gè)黃土高原具有很好的代表性和典型性，選擇在該研究區(qū)開展退耕還林還草工程固碳效應(yīng)研究，對(duì)于揭示整個(gè)黃土高原土地利用/覆被變化所產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)碳固定能力和生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)具有較高的參考價(jià)值，也可為這一區(qū)域科學(xué)合理推進(jìn)退耕還林還草工程提供科學(xué)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
筆者所研究的陜北黃土高原區(qū)僅為延安市和榆林市轄全部區(qū)域，地理坐標(biāo)為107°30′～111°15′E，34°10′～39°35′N。研究區(qū)總面積為79 981.9 km2，占黃土高原總面積的12.6%，是陜西黃土高原總面積的89.5%，陜西省土地面積的38.9%。境內(nèi)海拔1 000～1 6
00 m，年均降水量為400～600 mm，降水空間分布由東南向西北逐漸減少，區(qū)域蒸發(fā)量在 1 000 mm左右，蒸發(fā)強(qiáng)度較大，境內(nèi)黃土丘陵溝壑縱橫、水土流失嚴(yán)重[23]。
1.2 InVEST碳儲(chǔ)量模型
陸地生態(tài)系統(tǒng)通過對(duì)大氣CO2的吸收、轉(zhuǎn)化為自身生物量的方式，實(shí)現(xiàn)碳固定與碳封存，從而維持碳循環(huán)平衡，起到調(diào)節(jié)全球氣候的作用[20]。生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)存由地上生物量（樹干、枝和葉、灌叢、草本）、地下生物量（植物根系）、地表枯枝落葉、土壤有機(jī)碳構(gòu)成。土地利用變化是引起陸地生態(tài)系統(tǒng)格局和質(zhì)量變化的主要驅(qū)動(dòng)力，從而影響生態(tài)系統(tǒng)的固碳服務(wù)能力。InVEST固碳模型能夠針對(duì)不同土地利用類型的地上物質(zhì)、地下物質(zhì)、枯枝落葉和土壤有機(jī)碳量化評(píng)估總固碳能力，從而實(shí)現(xiàn)碳平衡視角下的陸地生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)化管理和決策支撐。具體計(jì)算如下式：
C_stored=C_above+C_below+C_soil+C_dead
式中，C_stored為總碳儲(chǔ)量;C_above為地上物質(zhì)碳儲(chǔ)量（t/hm2）;C_below為地下物質(zhì)碳儲(chǔ)量（t/hm2）;C_soil為土壤碳儲(chǔ)量（t/hm2）;C_dead為枯枝落葉碳儲(chǔ)量（t/hm2）。
