基于MODIS数据反演植被碳储量及其对土地利用变化的响应

摘 要：分析黑龙江省哈尔滨市不同土地类型植被碳储量对土地利用面积变化的响应，对哈尔滨市城市化和工业化快速发展区域的土地低碳利用结构调整具有重要意义。利用植被净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP）和归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）遥感影像数据，结合植被生物量回归模型和植被枯损模型，估算2000—2020年哈尔滨市6种土地利用类型植被地上碳储量，并利用陆地卫星（Landsat）土地利用遥感影像数据分析哈尔滨市植被地上碳储量对土地利用面积变化的响应。结果表明：哈尔滨市林地植被地上碳储量共减少3.30×106 t，其他土地利用类型植被地上碳储量共增加1.34×106 t，这表明林地是影响哈尔滨市植被地上碳储量的主要因素；受土地利用面积变化的影响，哈尔滨市林地植被地上碳储量在2000年、2010年和2020年这3个阶段呈先减少后增加的变化；除林地外，水体、建设用地、未利用地的植被地上碳储量也由于土地利用面积的增加而升高，只有农田和草地的植被地上碳储量变化与土地利用面积的变化不一致，可能是受作物种植结构和草地类型变化的影响。

关键词：中分辨率成像光谱仪遥感影像；土地利用变化；植被碳储量；哈尔滨市

中图分类号：TU9；TP3 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2023）18-149-4

0 引言

陆地生态系统碳储量包括陆地植被碳储量和陆地土壤碳储量。目前，陆地生态系统碳储量变化已成为全球尺度上环境变化研究的重点［1-4］，而土地利用/覆被变化（Land Use and Land Cover Change，LUCC）是陆地生态系统碳循环变化研究中不可忽视的关键性驱动因素［5］。随着城市化和工业化的发展，人类活动在很大程度上改变了土地利用方式，导致植被碳储量也随之发生显著变化。LUCC对植被碳储量变化的影响主要表现在植被覆盖林地、耕地、草地等用地面积的减少和建筑用地面积增加导致的区域植被碳存储能力的下降。

笔者以黑龙江省哈尔滨市为研究对象，利用植被净初级生产力（Net Primary Productivity，NPP）和归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）遥感影像数据，结合植被生物量回归模型［6-7］和张佳华［8］的植被枯损模型计算不同植被地上生物量，再利用不同土地利用类型植被的含碳系数和面积计算出植被地上碳储量，分析哈尔滨市不同土地利用类型植被地上碳储量变化的驱动因素，为建立低碳排放城市管理机制提供科学依据［9］。

1 研究方法与数据来源

1.1 数据来源

1.1.1 土地利用数据

2000年、2010年和2020年研究区域土地利用类型数据来源于GlobaLand30官网上分辨率为30 m的土地利用类型全球地表覆盖栅格数据。GlobaLand30数据采用WGS-84坐标系。

1.1.2 NPP数据

NPP数据来源于国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据中心。该产品空间分辨率为500 m，时间分辨率为8 d。

1.1.3 NDVI数据

NDVI数据来源于美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）MODIS网站发布的MOD13Q1遥感数据产品。该产品空间分辨率为250 m，时间分辨率为16 d。

1.2 研究方法

1.2.1 植被地上碳密度及碳储量估算

植被地上碳储量通常可表示为某种植被类型的地上生物量、植被面积及其碳转化系数的乘积，公式为

笔者采用NDVI生物量遥感信息模型方法，计算林地和草地的植被地上生物量。参考张慧芳［6］研究提出的林地植被遥感信息模型，对林地植被地上碳储量进行估算，模型公式为

除估算林地和草地植被的地上生物量外，还需要估算农田、建设用地、未利用地、水体其他几种土地利用类型的植被地上生物量。笔者参照张佳华［8］在考虑了植物枯损情况下建立的植被枯损模型，对农田及其他几种土地利用类型的植被地上生物量进行估算，公式为

1.2.2 土地利用变化转移矩阵

笔者利用Arcgis10.2软件和土地利用转移矩阵公式对哈尔滨市2000年、2010年和2020年的土地利用类型栅格数据进行联合计算，得到2000—2020年哈尔滨市土地利用转移矩阵结果。

2 结果分析

2.1 2000—2020年哈尔滨市土地利用类型面积变化分析

由图1可知，农田面积在2000年、2010年和2020年3个阶段一直呈减少的变化趋势，由2000年的271.062 4万hm²减少到2020年的257.869 0万hm²。林地面积在这3个时间阶段呈先减少后增加的变化趋势，由2000年的188.316 6万hm²减少到2010年的186.800 4万hm²，又由2010年增加到2020年的190.093 4万hm²。造成这种变化的原因可能是在2000—2010年，哈尔滨市为促进城市发展，对林地进行采伐开展了城镇化建设或种植了农作物；而在2010—2020年，哈尔滨市为保护生态环境而实施了退耕还林、植树造林等举措，使林地面积开始恢复。草地面积在这3个阶段也呈先增加后减少的变化趋势。建设用地面积呈增加的变化趋势，由2000年的15.090 3万hm²增加到2020年的21.958 2万hm²。水体和未利用地面积呈增加的变化趋势。

2.2 2000—2020年哈尔滨市植被地上碳储量变化分析

由图2可知，2000—2020年，哈尔滨市植被地上碳储量主要表现为林地植被地上碳储量呈先减少后增加的变化趋势，其他5种土地利用类型的植被地上碳储量都呈增加的趋势。其中，林地植被地上碳储量由2000年的8.89×10⁷ t，减少到2010年的7.43×10⁷ t，又由2010年增加到2020年的8.56×10⁷ t，20年间共减少3.30×10⁶ t。农田植被地上碳储量由2000年的4.35×10⁶ t增加到2020年的5.14×10⁶ t，20年间共增加7.90×105 t。草地植被地上碳储量由2000年的7.20×10⁵ t增加到2020年的1.07×10⁶ t，共增加3.60×10⁵ t。建设用地和水体的植被地上碳储量分别由2000年的2.13×10⁵ t和7.06×10⁴ t增加到2020年的3.96×105 t和8.14×10⁴ t，分别增加1.83×105 t和1.08×10⁴ t。未利用地的植被地上碳储量由2000年的2.9 t增加到2020年的2 177 t。

2000—2020年，哈尔滨市总碳储量中林地减少3.30×10⁶ t，其他土地利用类型共增加1.34×10⁶ t。其中，2000—2010年哈尔滨市林地植被地上碳储量减少1.47×10⁷ t，其他土地利用类型植被地上碳储量增加4.89×10⁵ t，总植被地上碳储量减少1.42×10⁷ t；2010—2020年哈尔滨市林地植被地上碳储量增加1.14×10⁷ t，其他土地利用类型植被地上碳储量增加8.49×105 t，总植被地上碳储量增加1.22×10⁷ t。

2.3 2000—2020年哈尔滨市植被地上碳储量变化的驱动因素分析

通过对哈尔滨市植被地上碳储量估算和表1、表2土地利用类型转移矩阵结果分析可知，2000—2020年哈尔滨市林地植被地上碳储量呈先减少后增加的变化趋势，主要是转为了草地和农田。其中，哈尔滨市西南部和东南部山区由林地向农田和草地的转变致使到2010年林地植被地上碳储量减少1.47×107 t，2010—2020年的植树造林、退耕还林等活动使林地面积增加，主要由农田和草地转化而来；哈尔滨市西北部平原和东南部山区由农田向林地和草地向林地的转变致使林地植被地上碳储量增加1.14×107 t，也正是林地面积的先减少后增加的变化导致其植被地上碳储量的变化。

建设用地在2000年、2010年和2020年3个阶段植被地上碳储量都呈增加的变化趋势，主要是经济的发展、人口的增多、城市的扩张等使哈尔滨市西北部靠近城市和零散分布在农村房屋附近的耕地、草地转换为建设用地，这种变化使建设用地植被地上碳储量增加1.83×105 t。除建设用地外，水体、未利用地的植被地上碳储量也由于土地利用面积的增加而升高，20年间这两种土地利用类型的植被地上碳储量分别增加了1.08×104、2.17×103 t。

近20年，虽然哈尔滨市农田面积呈下降变化趋势，但其植被地上碳储量一直增加，由2000年的4.35×106 t增加到2020年的5.14×106 t。这说明土地利用变化可能不是农田植被地上碳储量变化的主要原因，农田植被地上碳储量除受土地利用面积的影响外，可能受农作物种植结构的影响。农田面积减小而其植被地上碳储量增加，可能受植被碳密度高的作物种植面积增加和植被碳密度低的作物种植面积减小的影响。草地和农田类似，其面积虽呈先增加后减少的变化，但其植被地上碳储量一直呈增加的变化趋势，该变化可能受草地类型变化的影响。建设用地和未利用地植被其变化碳储量变化可能受面积增多和其他因素的共同影响，在20年间呈增加的变化趋势。

3 结论

①2000—2020年，哈尔滨市林地植被地上碳储量受土地利用面积变化的影响呈先减少后增加的变化趋势，由2000年的8.89×107 t减少到2010年的7.43×107 t，再增加到2020年的8.56×107 t，减少的原因主要是为促进经济发展，林地向草地和农田转化，增加的原因可能是受退耕还林、植树造林活动的影响，使部分草地和农田变为林地。除林地外，建设用地、水体、未利用地也受土地利用面积变化的影响，在2000—2020年3个时间阶段呈增加的变化，20年间这3种土地利用类型的植被地上碳储量分别增加了1.83×105、1.08×104、2.17×103 t。

②2000—2020年，哈尔滨市农田面积呈减小的变化趋势，但其植被地上碳储量一直呈增加的变化趋势，由2000年的4.35×106 t增加到2020年的5.14×106 t，说明农田植被地上碳储量除受土地利用面积的影响外还受农作物种植结构的影响。草地和农田类似，虽面积呈先增加后减少的变化趋势，但其植被地上碳储量一直呈增加的变化趋势，由2000年的7.20×105 t增加到2020年的1.07×106 t，其变化可能受草地类型变化的影响。

③2000—2020年，哈尔滨市林地植被地上碳储量总体共减少3.30×106 t，其他土地利用类型共增加1.34×106 t。2000—2010年，林地植被地上碳储量减少1.47×107 t，其他土地利用类型植被地上碳储量共增加4.89×105 t，导致总植被地上碳储量减少1.42×107 t；2010—2020年，林地植被地上碳储量增加1.14×107 t，其他土地利用类型植被地上碳储量共增加8.49×105 t，导致总植被地上碳储量增加1.22×107 t。这表明林地是影响研究区植被地上碳储量的主要因素。