耕地占补平衡对碳储量影响的情景分析

耕地占补平衡对碳储量影响的情景分析
唐兰萍1 ,柯新利1 ,郑伟伟2
(1.华中农业大学公共管理学院，武汉430070 2.西北农林科技大学经济管理学院，咸阳712100)
摘要《中共中央国务院关于加强耕地保护和改进占补平衡的意见》提 出“探索补充耕地国家统筹”，使我国跨省域的耕地占补平衡成为可能。然而，与 省域内的耕地占补平衡相比,跨省域耕地占补平衡对生态系统服务的影响是否
部分和主要原因之一⑵，能够宜接影响生态系统服务的类型、数量以及质量⑶0 而土地政策及措施通过改变土地利用/覆被变化影响生态系统服务的变化，是驱
动生态系统服务变化的重要因素⑷o目前土地生态系统服务研究已经成为国内
外生态系统服务研究领域的热点议题，研究集中在生态系统服务功能、价值的时 空演变2词，生态系统服务定义、分类⑺，及各生态系统服务功能的权衡与协同关 系等方面血，但是将“耕地保护政策措施-土地利用变化-生态系统服务”作为整
是一个随机数(取0〜10的整数)，a为控制随机数影响大小的参数(0〜1)；
PSQ#表示自然地理、社会经济因素的影响;在本研究中，PSCa,b由支持向量
机(SVM)计算跑。Con(Ca>i)表示单元格的约束值，值为0表示不可进行转换,
值为1表示可进行转换。NLa,b表示相邻土地利用类型的影响,其计算公式为
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下，中国跨省域耕地占补平衡下的碳储量总体上将会遭受更为严重的损失 ，但是 不同区域的碳储量损失具有空间差异性。
关键词 耕地占补平衡;碳储量;耕地保护；生态系统服务;情景分析
―、弓I言
生态系统服务对人类社会的可持续发展发挥着至关重要的作用E o 土地利 用/覆被变化(Land Use/Cover Changes, LUCC)作为全球环境变化的重要组成
图1研究框架图
(-)土地利用模拟方法与数据来源
1. LANDSCAPE模型原理 本研究运用LANDSCAPE模型进行土地利用变化模拟,LANDSCAPE模
型是一款基于元胞自动机模型改进的土地利用系统模拟及优化模型 ，适用于土
地利用变化情景模拟和优化配置方面的研究be旳。相比传统的CA模型, LANDSCAPE模型通过引入层次分配策略和阻抗，能够反映不同地理现象的规
存在不同，这一问题尚不明晰。本研究基于2000年,2015年土地利用数据，借 助LANDSCAPE模型模拟不同耕地占补平衡情景下2030年的土地利用格局， 然后采用InVEST模型探究2015—2030年跨省域及省域内耕地占补平衡对碳 储量的影响。结果表明：(1) 2015—2030年跨省域耕地占补平衡导致碳储量减 少62.75Tg・C,主要集中在我国中部及东部地区。(2)跨省域耕地占补平衡导 致的碳储量损失比省域内耕地占补平衡下的损失多7.73Tg • C,主要集中在我
研究设置两类情景,第一类是严格的耕地占补平衡情景,包括跨省域、省域内耕 地占补平衡两种情景;为进行对比分析,设置第二类情景:宽松耕地占补平衡情
景。以上三种情景在城市建设用地的需求设置是一致的,均要求2030年全国各
省(自治区、宜辖市)范围内的城市建设用地达到所设定的需求量;而在耕地补充 要求上不一样,跨省域占补平衡情景下,要求全国范围内总的耕地质量平衡,而 省域内占补平衡情景下,要求全国各省(自治区、直辖市)内的耕地质量平衡;宽 松耕地占补平衡情景不要求被侵占的耕地的质量得到相应的补充。本研究用耕
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糖度验证
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跨酉城耕地占卷平脚苗镇下
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宽松耕地山补平衡情最下 的土地利用图
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省域侮耕地占箱平師情烘下
的土地利用图
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InVESTfSSS?
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据、2030年城市建设用地需求量等。所有数据覆盖范围为中国大陆地区。 (1) 土地利用数据:来源于中国科学院资源环境数据中心(Resource and
则与演化速率，解释和模拟各个地类之间的相互转换和交互联动，使模拟过程更
加接近真实情况⑵］o LANDSCAPE模型中的土地利用类型分为主动地类和被动地类閨 ，主动
地类直接受到人类需求的驱动，而被动地类的转换是由主动地类的变化所引起 的⑵］。根据前人的研究⑻乩刈，将城市建设用地和耕地都设置为主动地类，而 将生态用地设置为被动地类。
人的研究中。
土地利 用类型
耕地
阻抗
1.00
表1 LANDSCAPE模型阻抗参数
林地
草地
河流
湿地
城市建设农村建设 未利用地 用地 用地
1.25
1.25
1.50
1.25
1.50
1.50
1.00
2. 土地利用模拟数据来源 土地利用模拟数据主要包括以下9类数据(表2) ： 土地利用数据、行政边界
数据、耕地生产潜力数据、气象数据、地形数据、土壤数据、交通数据、人口统计数
能作为生态系统服务功能中的重要功能 「⑵，对减缓全球气候变化发挥着至关重 要的作用。土地利用变化通过改变土壤及植被对碳储量产生影响。因此，预测 未来土地政策引导下的土地利用变化对碳储量的影响具有重要意义。
快速的城市扩张导致大量耕地流失，对粮食安全构成了严重威胁工］,为保 障粮食安全，中国实行了一系列严格的耕地保护措施，而其中最为严格的是耕地 占补平衡「山⑸,要求建设占用多少耕地，各地人民政府就应补充划入多少数量 和质量相当的耕地「旳。目前很多研究已经评估了各历史阶段中国省域内耕地 占补平衡的实行效果口「刚，发现耕地占补平衡有效缓解了耕地不断流失的压 力，耕地下降的速度有所减缓朗。然而,补充耕地过程中的“填湖造田”“毁林补 耕”“占优补劣”等现象屡见不鲜，严重影响了耕地的质豊叫同时补充的耕地大 多来源于生态用地(草地、林地、湿地等)⑵］，这会宜接影响陆地生态系统碳储
土地经济研究
2020(2):76-93
Journal of Land Economics
引用格式:唐兰萍，柯新利,郑伟伟.耕地占补平衡对碳储量影响的情景分析[J]. 土地经济研 究,2020(2) ： 76 - 93. [TANG Lanping, KE Xinli, ZHENG Weiwei. Scenario analysis on the impacts of cropland balance of occupation and compensation on carbon storage [J]. Journal of Land Economics, 2020(2) ： 76 - 93.]
Y——
磯密度
2OI5^2O3OT不同悄最卜離储联的驾优
跨留威耕地占补平猶tit悄下 览松辅地占补平衡帕烘下 省威内耕地占补平廊淸景下
碳储址的査比
碳怫堆的变化
碳储量的蜚孫
卜------------ 二------- ------------ +
跨臂誠殊地占*卜平衡对碳储就的影响
肯城内耕胞占补平衡时磯储堆的影响
地生产潜力表征耕地的质量。然后,通过校准后的LANDSCAPE模型,得到三 种情景下的土地利用图。结合各类土地的碳密度数据，运用InVEST模型分别 得到2015年的碳储量及2030年三种情景下的碳储量。最后，通过将宽松耕地 占补平衡情景下2015-2030年碳储量变化分别与跨省域、省域内耕地占补平衡 情景下2015-2030年碳储量变化进行对比,便得到跨省域、省域内耕地占补平
NLa,b
_n(SC =b)
=_TN_
(3)
式中,n(SC=6)代表位置a在给定邻域中目标土地利用类型的单元格数量，而
TN代表给定邻域中的单元格总数。 阻抗可以根据历史阶段的土地利用图进行计算 ，并且可以通过计算某一土
地利用类型转变为目标土地利用类型的难度进行校准⑻o本研究中的阻抗值根 据Ke等人悶的方法计算得到(表1)，该方法已经被应用于Ke等冋、Mei等悶
示处于位置a的地类转变为目标地类6的适宜性，Ra,c表示处于位置a的地类
转变为其他地类c的阻抗。总潜力TTPa,b越大，说明其转变为目标地类的概率
就越大。
其中，适宜性计算公式如式(2)：
Sa,b = (1 + (— lny)a) X PSCa,b X Con(Ca>6) X NLa<b
(2)
式中,1 + (—In沙用于解释模型中未考虑的随机因素对因变量的影响，其中7
因此，本研究旨在探究2015-2030年中国跨省域耕地占补衡下的生态系
统碳储量时空格局演变，并与之前实行的省域内耕地占补平衡进行对比。本研 究通过设定中国跨省域、省域内耕地占补平衡、宽松耕地占补平衡三种情景，运
用 LANDSCAPE (LAND System Cellular Automata model for Potential Effects)模型⑵］对三种情景下2030年的土地利用变化进行模拟，然后运用In­ VEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型阴测 算我国2015年及2030年的碳储量，对比2015-2030年不同情景下耕地占补平
体，探讨三者之间的关系影响的研究尚不成熟⑵o
碳排放已经成为全球变暖的主要原因型，对环境和人类社会产生了严重的 负面影响，例如频繁出现的极端天气、海平面上升、生物物种的迁移和灭绝「如。
2015年全球碳排放达到36 Pg • C, 2006—2015年全球平均表面温度比1850— 1900年高出约0.87°C：11］，预测到2030—2050年将会上升1.50°C™。碳储存功
量凹。2017年1月，中共中央国务院印发《关于加强耕地保护和改进占补平衡
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的意见》，提出“探索补充耕地国家统筹”，标志着我国跨省域的耕地占补平衡成 为可能。然而，实施跨省域耕地占补平衡后，由于耕地补充指标允许向本省 域外转移,耕地补充地区补充耕地的压力变大，为补充耕地可能会导致大量的生 态用地流失，未来实施跨省域耕地占补平衡下的碳储量时空演变格局尚不明晰。
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适宜性和阻抗是土地利用类型分配的两个重要因素,决定转变成目标地类 的总潜力。适宜性表示成为某一目标地类的适宜程度,而阻抗表示从当前地类 转变为其他地类的困难程度。具体计算公式如下：
TTPa,b=^
(1)
^■a,c
式中,TTPa,b表示处于位置a的地类转变为目标地类6的转换总潜力，S。#表
衡对碳储量的影响。
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200Q年匕地利用图 ~~.
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LANDSCAPES型一■
2015年士地利用囲 '~►
2QI3年摸拟土地利用團
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1 省域内耕地占补下側怙坍
宽松耕地占补平衡情景
衡对碳储量的影响。本研究有助于厘清“耕地保护政策措施一土地利用变化一 生态系统碳储量”之间的关系，为提出完善耕地保护政策措施提供决策支持。
二、研究方法与数据来源
(-)研究框架
研究框架如图1所示。首先，利用2000年、2015年土地利用图检验土地利 用模拟模型LANDSCAPE模型的精度,得到校准后的LANDSCAPE模型。本
国北部地区;但是在其他地区则相反 ,即跨省域耕地占补平衡导致的碳储量损失 要略少于省域内耕地占补平衡所导致的碳储量损失 。因此，在快速城镇化背景
收稿日期：2020 -11-6 基金项目：国家自然科学基金(41371113,41971240)；国家社会科学基金后期资助项目(19FGLB071)；教
育部哲学社会科学研究后期资助项目(U8JHQ081)；中央高校基本科研业务费专项基金 (2662017PY063);基于大数据技术的自然资源生态安全监测预警研究(ZRZY2020KJ02)； 基于地理本体论的多源自然资源调查数据融合研究(ZRZY2020KJ11) 作者简介:唐兰萍(1994-)，女，广西桂林人，博士生。主要研究方向：耕地保护与利用对生态系统 服务的影响。E-mail: tlp0809@。 通讯作者:柯新利(1977-)，男，湖北天门人，教授，博士。主要研究方向：耕地保护与利用、土地利 用变化效应、土地利用变化建模。E-mail： kexl@o