1. 引言

随着温室气体的大量排放，全球气候变化现象日益突出，对人类活动和可持续发展提出了严峻的挑战[1]。2020年，为响应《巴黎协定》，中国政府宣布2030年之前实现碳排放峰值，力争2060年实现“碳中和”[2]。陆地生态系统作为关键碳库，在全球碳循环中扮演着重要角色，能够吸收温室气体，能够帮助抑制全球变暖进程[3]，陆地生态系统固碳是当前国际社会公认最经济可行和环境友好的减缓大气CO₂浓度升高的重要途径之一[4]，因此明确生态系统固碳的时空变化特征对于土地的规划和精细化管理以及生态系统的碳汇能力具有绿色可持续发展的意义。

近年来，针对碳储量的时空变化的研究越来越多，目前对于生态系统的碳储量的估算方法主要有IPCC清单法、模型模拟法等，随着GIS技术的发展，越来越多学者采用GIS与模型相结合的方式来评估县域、市域、流域的碳储量，孙健等[5]研究台州市2000~2020年土地利用及陆地生态系统碳储量的变化特征，发现土地利用类型的转变是碳储量下降速度不断增快的主要原因。研究关于模型的选取，InVEST模型可以很好地与3S技术相结合，并且具备空间可视化强，所需参数少，精度高的特点，被越来越多的学者认可和使用。越来越多研究集中在碳储量的影响机制与模拟预测上，对碳储量热点区域的识别较少，热点区域识别可以有效找出碳汇的重点区域，能够较为明确地明晰固碳能力较强的区域，以期更好地保护和采取生态保护措施[6]。

黑龙江省作为重工业基地，地形地貌较为复杂，在时刻关注碳排放方式基础上更应该关注整体区域的固碳特征，对碳储量的时空分布有较为精准的评估，本文选用InVEST模型对黑龙江省2000年、2010年、2020年的碳储量的时空变化进行评估，旨在为土地精细化管理、固碳绿色发展以及实现“双碳”目标提供理论支持。

2. 材料与研究方法

2.1. 研究区概况

黑龙江省位于我国东北部，地处东经121˚11'~135˚05'、北纬43˚26'~53˚33'，西临内蒙古自治区，南邻吉林省，是东北亚区域腹地。共包含哈尔滨市、齐齐哈尔市、牡丹江市、佳木斯市、大庆市、伊春市、鸡西市、鹤岗市、双鸭山市、七台河市、绥化市、黑河市和大兴安岭地区共13个地级市(地区) (图1)，总面积达47.3万km²，位居全国第六位。黑龙江省地势大致呈现西北、北部和东南部高，东北、西南部低。边境线2981.26千米，其气候类型为寒温带与温带大陆性季风气候，春季低温干燥，夏季高温，冬季寒冷漫长。因数据获得的限制性，本文的研究范围不包括黑龙江省大兴安岭地区加格达奇区。

Figure 1. Overview of the study area

图1. 研究区概况

2.2. 数据来源

土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn)，空间分辨率为30 m。土地利用的研究年份为2000、2010、2020年，将土地利用二级分类重分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用用地六个大类。不同土地利用类型的碳密度参考前人的研究[7]。

2.3. 研究方法

2.3.1. 基于InVEST模型的碳储量模拟评估

采用InVEST模型碳储量模块(carbon storage and sequestration)基于土地利用数据及其相应的4种碳库(地上生物碳、地下生物碳、土壤有机碳和死亡物质有机碳)来计算生态系统的碳储量，计算公式如下：

$C_{total}=C_{above}+C_{below}+C_{soil}+C_{dead}$ (1)

式中 $C_{total}$ 、 $C_{above}$ 、 $C_{below}$ 、 $C_{soil}$ 和 $C_{dead}$ 分别为区域、地上部分、地下部分、土壤内部和死亡物质的碳储量(t)。

2.3.2. 冷热点分析

冷热点分析能识别空间上具有统计意义的高值集聚区(热点区)和低值集聚区(冷点区) [8]，从而揭示空间集聚现象的局部异质性特征[9]。

$G_i^{\ast }=\frac{{\displaystyle {\sum }_{j=1}^n{w}_{i,j}{x}_j-\bar{x}{\displaystyle {\sum }_{j=1}^n{w}_{i,j}}}}{s\sqrt{\frac{\left[n{\displaystyle {\sum }_{j=1}^n{w}_{i,j}^2-{\left({\displaystyle {\sum }_{j=1}^n{w}_{i,j}}\right)}^2}\right]}{n-1}}}$ (2)

$Z\left(G_i^{*}\right)=\frac{G_i^{\ast }-E\left(G_i^{\ast }\right)}{\sqrt{V\left(G_i^{\ast }\right)}}$ (3)

式中， $G_i^{\ast }$ 为空间单元i的集聚指数， $Z\left(G_i^{\ast }\right)$ 为集聚指数的显著性程度， $X_j$ 是空间单元j的属性值， $W_{i,j}$ 表示空间单元i和j的空间权重；n是空间单元总数， $\bar{X}$ 、 $S$ 分别是均值和标准差， $E\left(G_i^{\ast }\right)$ 和 $V\left(G_i^{\ast }\right)$ 分别是 $G_i^{\ast }$ 的均值和方差。

3. 结果分析

3.1. 黑龙江省碳储量时空变化分析

2000年、2010年、2020年碳储量总量分别为8172818887.12 t、8024504037.23 t、8143563256.06 t，平均值分别为16.26、15.96、16.20，区域总体的碳密度分别为179.69 t/hm²、176.42 t/hm²、179.04 t/hm²，呈现先降低后增长的趋势，2000年~2010年的降低幅度要大于2010~2020年的增长幅度，总量上2020年的碳储量要低于2000年的碳储量。碳储量的空间分布变化如图2所示，三年的碳储量总体呈现西北、东南高而西南低的空间格局。图2第四张图为2020年相比于2000年碳储量增加的区域，可以发现主要集中在佳木斯市、大庆市、齐齐哈尔市，且增加的区域多以点状和条带状为主。大兴安岭、牡丹江市、七台河等市碳储量增加的区域均比较小。碳储量的空间分布和数量受到土地利用类型的空间结构和数量的影响，不同地类的碳储量是不同的，黑龙江省耕地、林地是重要的碳库，如表1所示，a阶段表示为2000

Figure 2. Temporal and spatial changes of carbon storage in Heilongjiang Province in 2000, 2010 and 2020

图2. 黑龙江省2000年、2010年、2020年碳储量时空变化图

年~2010年碳储量的变化；b阶段为2010~2020年碳储量的变化；c阶段表示从2000年到2020年的总体变化，2000年、2010年、2020年黑龙江省耕地的碳储量分别为2,943,920,062吨、2,994,623,765吨、3,003,614,946吨，总体增加2%，说明在一定程度上耕地的面积有所增加，可能是因为其他类型土地利用发生转移，使得耕地面积扩大满足人们日常生活的需要，更为重要的碳库便为林地碳库，2000年、2010年、2020年林地的碳储量分别为4,545,736,662吨、4,259,202,435吨、4,432,038,102吨，总体减少了2.5%，这两种地类的碳储量占总碳储量的比例2000年、2010年、2020年依次为91.6%、90.4%、91.3%，均达到了90%以上。从2000年到2010年，即便耕地的比例和耕地的碳储量都有所增加，但是林地的减少所导致的碳储量降低仍然导致了总体碳储量的下降。其次便为草地碳储量，2000年~2010年草地的碳储量增幅较为明显，2010~2020年草地的碳储量明显下滑。然后为未利用用地且在2000年~2010年的增幅达到了24%，未利用用地的碳储量受各种影响因素的影响作用较大，故波动也相对较大。最后为水域和建设用地，其中水域在2010~2020年的降幅为30.5%、2000~2020年的降幅为36.1%。2000~2020年建设用地的碳储量有一定幅度的提升。从城市层面上来看，如表2所示，碳储量分布具有显著的空间异质性，哈尔滨市、伊春市、牡丹江市、黑河市、大兴安岭地区碳储量值较高，而鹤岗市、大庆市碳储量值较低。就地级市、地区层面而言，除了大兴安岭地区，各个地级市的碳储量增幅和降幅均在比较小的范围内，相较而言，每种地类的碳储量变化较为明显。

Table 1. Carbon storage and change of different land use types in Heilongjiang Province

表1. 黑龙江省不同土地利用类型的碳储量及变化

Table 2. Carbon storage and change of cities in Heilongjiang Province

表2. 黑龙江省各个城市碳储量及变化

3.2. 冷热点分析

为了进一步理解黑龙江省碳储量的空间集聚情况，选择县域为研究尺度，对碳储量进行冷热点分析，如图3所示可以看出2000年、2010年、2020年碳储量供给的冷热点分布大致一致，热点区域主要集中在东南部牡丹江市的宁安市等区县，以及伊春市丰林县等区县，热点区域呈现带状分布。冷点地区主要集中西南部的大庆市大同区等区县，并且冷热点地区展现出一定的梯度分异规律。从整体上看，牡丹江市、大庆市、伊春市为显著冷热点区域，应该在区域发展中放在重要位置。通过继续实施生态修复工程，包括植树造林、耕地保护等措施促进区域碳储量的提升，实现区域可持续发展。

Figure 3. Analysis of carbon storage cold and hot spots in 2000, 2010, and 2020

图3. 2000年、2010年、2020年碳储量冷热点分析

4. 讨论

本文运用InVEST模型评估2000、2010、2020年黑龙江省碳储量时空变化特征，具体得出了每种土地利用类型的碳储量、每个城市的碳储量情况及变化趋势，并在县域尺度上研究碳储量的冷热点聚集情况。明晰了耕地、林地碳储量最高，不同的土地利用类型所对应的碳密度值不同导致了碳储量总量的不同。土地利用类型的转化受到自然原因和社会经济原因，黑龙江省二十年来实施了一系列生态保护与治理措施，在改变生态系统能量流动的同时也改变了部分土地利用结构，使得建设用地的比例显著增加。由于耕地、林地、草地的固碳能力强于其他土地利用类型，因此保护耕地、林地、草地的完整性与活力对于碳固存的可持续发展至关重要，同时土壤质量在碳固存中也至关重要，调整土壤环境，监测土壤盐分含量与有机质含量，此外应该充分考虑到碳密度取值的合理性，对于不均匀的碳密度应充分利用科技手段进行实测，进而进行碳密度的修正。还应进一步考虑不同地类的碳储量之间的相互作用，明晰相互作用的方式和强度。

5. 结论

(1) 2000年、2010年、2020年碳储量总量分别为8172818887.12 t、8024504037.23 t、8143563256.06 t，研究区的总量碳密度分别为179.69 t/hm²、176.42 t/hm²、179.04 t/hm²。

(2) 本文分别对不同的土地利用类型以及不同的城市的碳储量进行统计，耕地和林地的碳储量值最高，2000年、2010年、2020年耕地和林地碳储量之和占总碳储量的比例都超过90%，哈尔滨市、伊春市、牡丹江市、黑河市、大兴安岭地区碳储量值较高，而鹤岗市、大庆市碳储量值较低。

(3) 选择研究尺度较为精细的县域尺度进行冷热点分析来揭示空间集聚现象，从整体上看，牡丹江、伊春为显著热点区域；大庆为显著冷点区域。

参考文献