海南热带雨林国家公园土地利用碳排放时空演变

海南热带雨林国家公园土地利用碳排放时空演变目录1引言 12研究区概况与数据源 22.1研究区概况 22.2数据来源 33研究方法 33.1土地利用动态度 33.2碳排放系数法 43.3空间自相关 44结果与分析 54.1土地利用变化分析 54.2土地利用碳排放时空演变特征 64.2.1土地利用碳排放时间变化特征 64.2.2土地利用碳排放空间分布特征 74.2.3土地利用碳排放空间分异特征 85结论与建议 105.1结论 105.2建议 105.3不足 116参考文献 11致谢 12摘要：本文将海南热带雨林国家公园作为研究对象，以1990、1999、2011、2021年四个时相的Landsat遥感影像数据作为基础数据源，利用碳排放系数法、空间可视化、空间自相关等方法分析海南热带雨林国家公园土地利用碳排放时空分布格局与演化特征，为推动区域经济社会绿色低碳发展提供决策参考。结果表明，（1）1990-2021年，草地、耕地、水体面积呈减少趋势，建设用地、林地、水体、未利用地面积呈增加趋势，建设用地和草地的变化程度较为显著；（2）30年来，海南热带雨林国家公园的土地利用净碳排放量整体呈先略微下降后快速上升的趋势，累计增加了73916吨。碳源增长幅度大，碳汇小幅度增长，其中林地为主要碳汇，建设用地为主要碳源，碳排放量与建设用地具有较强的相关性；（3）海南热带雨林国家公园各乡镇土地利用碳排放空间上呈中间低四周高的分布格局，且高值区有从四周向中部不断演化的趋势。（4）空间关联上，1990年海南热带雨林国家公园各乡镇净碳排放和碳源在空间上具有不显著性，在1999-2021年空间相关性不断降低，接近于均衡分布。碳汇在1990-2021年呈现显著的空间正相关关系。关键词：海南热带雨林国家公园；土地利用变化；碳排放；空间关联；时空演变1引言全球气候变暖是当今社会密切关注的问题之一，不少学者认为人类活动范围的扩大是导致全球二氧化碳浓度升高的主要原因[1]，有些学者则持其他看法，认为土地利用是造成温室气体排放量增长的主要因素[2]。无可争议的是，全球变暖与二氧化碳浓度上升密切相关。相关研究表明，区域土地利用活动产生的碳排放量占人类活动碳排放总量的1/3，成为区域碳排放的重要碳源，对于区域的碳排放格局有着重要影响[3]。2018年，IPCC发布报告强调了土地在气候系统中起着重要作用。2021年，中国提出“碳达峰、碳中和”目标，明确了碳减排任务。因此，深入研究土地利用过程中碳排放的时空演变具有重大现实意义。早在上世纪90年代国外学者就开始研究土地利用变化与碳排放之间的关系，21世纪初以来国内学者展开了大量有关碳排放问题的研究并取得了一定成果。这些研究主要集中于区域碳补偿分区、碳排放时空特征、区域碳排放核算方法、碳排放影响因素等方面。全国尺度上，葛全胜等探讨了中国300年间土地利用对碳循环产生的影响[4]；赖力在构建碳排放清单的同时考虑了陆地生态系统碳排放（碳吸收）和人为源碳排放[5]；SuM等测算了28个欧洲国家20年间的温室气体碳排放量[6]；SohlTL等为缓解美国温室气体排放构建了土地利用变化模拟框架[7]。区域尺度上，张秀梅等[8]、严志翰等[9]、魏艳茹等[10]、舒心等[11]、夏四友[12]等分别对江苏省、浙江省、福建省、长三角城市群、京津冀城市群等的碳排放和碳补偿分区进行了研究；城市尺度上，蓝家程等[13]研究了重庆市的碳排放效应；JoHK[14]以韩国为例分析了城市绿地生态系统的碳汇作用。总的来说，土地利用碳排放的定量估算、低碳优化方法是碳排放研究的重要内容，为区域可持续发展提供理论依据。然而，当前国内相关文献在研究尺度上主要集中于国家、地方和省级宏观层面，而市级和县域微观层面的研究相对缺乏；在研究区域的选择上，多数研究倾向于关注经济发达和能源消费量大的华东、华北、东北地区，而对于自然条件优越、以天然生态系统为主的南方地区研究尚显薄弱，有待进一步深入。因此，关于海南热带雨林国家公园土地利用的碳排放时空演变的研究在国内外都具有一定的重要性和研究价值。未来的研究可以进一步加强学术交流和合作，积极突破研究瓶颈，为推动土地利用的可持续发展和气候变化的适应与应对提供更深入的理论和实践支持。基于此，本研究以海南热带雨林国家公园为研究单元，利用1990、1999、2011、2021年四期LandsatTM遥感影像为数据源，运用碳排放系数法、空间可视化、空间自相关等方法分析海南热带雨林国家公园土地利用碳排放和碳吸收的时空分布格局与演化特征。针对土地利用碳排放状况的区域差异，采取适宜的碳补偿策略与方针，为推动区域经济社会绿色低碳发展提供决策参考。2研究区概况与数据源2.1研究区概况海南热带雨林国家公园位于海南岛中部山区，地处南北热量和东西水分分界的交汇处(图1)，生态系统类型以热带雨林为主。国家公园总面积4269km2，约占海南陆域总面积的13%，森林覆盖率为95.85%，其中包括超过95%的未被破坏的原始森林及占到55%的大陆性岛屿型热带雨林。拥有中国分布最集中、保存最完好、连片面积最大的大陆性岛屿型热带雨林[15]。阳光充足且光线充沛，全年温度介于22.5至26.0摄氏度之间，并且常年降水量稳定在1759毫米左右。海南热带雨林国家公园坐落在海南岛南侧的五指山-黎母岭，最高山峰五指山（1867m），黎母岭最高峰为鹦哥岭（1811m），属于中山-丘陵地貌。主要河流有万泉河和昌化江。其中热带雨林分布最广，是该公园内最主要的植被类型，形成了独特、极具价值的森林景观、动物景观、生物资源、清洁水源、清新空气等生态产品。热带雨林可分为热带低地雨林、热带山地雨林、热带针叶林和高山云雾林。公园内野生维管束植物220科1142属3577种，其中国家一级保护植物坡垒、伯乐树、海南苏铁、葫芦苏铁、龙尾苏铁、台湾苏铁等6种，国家二级保护植物桫椤、土沉香、降香黄檀、海南紫荆木、蝴蝶树等34种，特有植物有尖峰青冈、霸王玉兰、吊罗山萝芙木、五指山含笑、海南菊、海南翠柏、雅加松等428种[15]。生物物种丰富，生物多样性高。图1研究区位置图2.2数据来源本文的土地利用数据来源于地理空间数据云()，选取云量较少、覆盖较好、夏半年的遥感影像，获取海南热带雨林国家公园1990年、1999年、2011年、2021年四期Landsat分辨率为30m的遥感影像，利用envi软件对遥感影像进行大气校正、辐射校正、几何校正等预处理，然后通过监督分类与目视解译相结合的方法，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地六个地类。最后，构建分类混淆矩阵，同时使用Kappa系数对经过解译的遥感影像进行精度检验。结果表明，四期数据Kappa系数均超过0.85，在精度上满足使用的要求。3研究方法3.1土地利用动态度采用单一土地利用动态度反映研究区一定时间范围内某种土地利用类型的动态变化情况[16]。土地利用动态度越小，土地利用动态变化越小。具体的计算公式如式（1）：K=U其中，K表示某一研究时段某一种土地利用类型的动态度；Ua为研究期初期某种地类的面积；Ub为研究末期某种地类的面积；t表示研究周期。3.2碳排放系数法采用碳排放系数法计算公园碳排放量，碳排放量计算公式如式（2）所示：Ci式中，Ci表示第i种地类产生的碳排放量（t）；Ai表示第i种地类的面积（hm2）；αi表示第i种地类的碳排放系数。当C参考以往研究成果，结合研究区的实际情况，估算得到各土地利用类型的碳排放系数（表1）。表1不同土地利用类型碳排放系数（单位：t/hm2）土地利用类型土地利用碳排放系数参考来源耕地0.497彭文甫等[17]林地-0.581彭文甫等[17]草地-0.021孙雷刚等[18]水域-0.257赖力[5]建设用地36.07谭洁等[19]未利用地-0.005赖力[5]注：负数表示碳汇。3.3空间自相关空间自相关主要探索特定地理空间范围内一组变量与其他观测变量之间潜在的相互依赖性，包括全局空间自相关和局部空间自相关[20]。采用全局Moran'sI指数分析空间关联特征，而利用局部自相关进行聚类分析,可以揭示研究区域内要素的高值与低值集聚分布,可用于要素时空演变特征分析。全局Moran'sI计算公式如式（3）：I=n式中，I为全局Moran'sI值；n为研究对象的个数；xi和xj为目标属性特征在研究对象i和j上的观测值；Wij为i和j之间的空间权重，邻接是为1，反之为0；4结果与分析4.1土地利用变化分析利用envi对海南热带雨林国家公园1990年、1999年、2011年和2021年遥感影像解译获取土地利用数据。由图2和表1可知，林地是海南热带雨林国家公园的主导土地利用类型，在各年度均占区域土地总面积的85%以上，草地和耕地面积次之。1990—2021年研究区林地面积总体上缓慢增加，水体面积前期增加较快后期缓慢增加，建设用地面积和未利用地增加幅度较大且在2011-2021年增长速率最高。1990-2021年建设用地面积增加了27.09km2，增长率最高，达474%，其次是水体面积，增加了65.89km2，增长率达450%;草地和耕地面积前期缓慢下降后期下降较快，其中草地面积下降371.33km2，降幅为96%，耕地面积下降62.89km2,降幅为66%。图2海南热带雨林国家公园1990-2021年土地利用类型表2海南热带雨林国家公园土地利用类型面积及比例土地利用类型1990年1999年2011年2021年面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km2比例/%耕地94.502.1267.911.5358.801.3231.600.71林地3949.0488.784016.8090.274064.5291.414289.3796.40草地383.188.61311.867.01245.845.5311.850.27水体14.640.3348.711.0974.391.6780.531.81建设用地5.700.134.220.092.650.0632.800.74未利用地1.250.030.050.000.030.003.380.08由表3可知，1990-2021年海南热带雨林国家公园土地利用结构不断发生变化,土地利用变化表现为“四增两减”，即林地、建设用地、未利用地和水体整体呈增加趋势,草地和耕地整体呈减少态势。其中建设用地增加的速度最快，动态度达15.32%,表明土地利用开发的强度在增大,城镇面积在快速扩张,城镇化进程不断加快。草地减少的速度最快，31年间动态度为-3.13%，可能存在着过度放牧以及城市扩张导致的草场退化问题。表3海南热带雨林国家公园各土地利用类型动态度（单位:%）土地利用类型1990-1999年1999-2011年2011-2021年1990-2021年耕地-3.13-1.12-4.63-2.15林地50.28草地-2.07-1.76-9.52-3.13水体25.864.390.8314.52建设用地-2.89-3.10113.8315.32未利用地-10.70-2.781095.005.534.2土地利用碳排放时空演变特征4.2.1土地利用碳排放时间变化特征由公式（2）估算出海南热带雨林国家公园1990-2021年土地利用碳排放量和碳吸收量以及净碳排放量（表3）。由表3可知，1990-2021年海南热带雨林国家公园的净碳排放量均为负值，表现为碳吸收，土地利用的净碳排放量受到碳汇和碳源的影响。从碳源方面来看，公园总碳源量在1990-2021年整体呈先略微下降后上升的趋势，累计增加了94604t。碳源包括耕地和建设用地，其中耕地碳排放量呈持续递减趋势，但耕地的碳排放较弱，对整体碳排放量影响较小。建设用地碳排放量由1990年20575t增长至2021年118305t，增长5.75倍，其中2011-2021年增长速度最快达1238%。建设用地面积增加是引起公园总碳源量增加的主要因素。从碳汇方面来看，公园总碳汇量在1990-2021年呈增加趋势，碳汇量从229439t增长至249212t。其中，林地对碳汇贡献率最大，占碳汇总量的99%，林地为主要碳汇。从整体看，碳汇对碳的吸收量远远高于碳源的碳排放量，净碳排放为负值，且在1990-2011年呈持续递减的趋势，2011-2021年为快速增长阶段，与建设用地变化趋势一致。因此，1990-2021年建设用地面积快速增加导致的碳排放量增长是导致海南热带雨林国家公园净碳排放量增长的关键因素。表4海南热带雨林国家公园1990-2021年土地利用碳排放量（单位：102t）年份碳源碳汇净碳排放总量耕地建设用地合计林地草地水域未利用地合计1990年46.97205.75252.72-2294.39-8.05-3.76-0.01-2306.2-2053.491999年33.75152.15185.90-2333.76-6.55-12.520.00-2352.83-2166.922011年29.2295.54124.76-2361.49-5.16-19.120.00-2385.77-2261.012021年15.711183.051198.76-2492.12-0.25-20.70-0.02-2513.09-1314.334.2.2土地利用碳排放空间分布特征为了能够更加直观清楚的看出海南热带雨林国家公园1990-2021年内部区域间土地利用净碳排放量空间分布差异，将研究区46个乡镇单元净碳排放分为低值（-19500t~-16000t）、较低值（-16000t~-7200t）、中值（-7200t~3700t）、较高值（-3700t~-1200t）、高值(-1200t~2700t)五个等级，并通过ArcGIS进行空间可视化分析，结果如图4所示。整体来看，1990-2021年多年平均情形下公园土地利用净碳排放量空间上呈中间低四周高的分布格局，且高值区呈现出由四周向中部逐渐扩大的趋势，公园净碳排放量显著变化区域与公园建设用地显著增加区域基本保持一致。1990-2011年净碳排放量总体稳定，空间分布类型变动较少，主要为长征镇由高值区下降为较高值区，东河镇由中值区突破为高值区，牙叉镇由中值区突破为较高值区。2011-2021年净碳排放量整体增长显著，尤其以什运乡、本号镇、板桥镇和江边镇最为明显，净碳排放总量由-226100.62t上升至-131433.17t。2021年低中值区集中分布在乐东黎族自治县的尖峰镇、昌江黎族自治县的王下乡、白沙黎族自治县的南开乡、五指山市的通什镇等，主要原因是多处于山地地区，土地利用程度低，城镇发展水平低，林地面积比重大，主要承担生态功能，碳吸收量大，碳汇能力强。高值区集中分布在经济发展水平高、能源消耗量高的琼中黎族自治县的和平镇、什运乡和营根镇、东方市的江边镇和东河镇、乐东黎族自治县的抱由镇、昌江黎族自治县的打安镇、万宁市的南桥镇等，主要原因是土地利用程度高，人口密集，经济发展水平高，城镇面积大,城镇化进程不断加快，建设用地面积增加，产生的碳排放量大。图31990-2021年海南热带雨林国家公园土地利用碳排放空间变化4.2.3土地利用碳排放空间分异特征为了检验海南热带雨林国家公园各区域间土地利用碳排放是否存在空间相关性，本研究使用全局Moran'sI指数分别对公园各乡镇土地利用净碳排放、碳源、碳汇的空间关联度进行分析，结果如表5、6、7所示。表5海南热带雨林国家公园各乡镇净碳排放全局自相关统计分析年份1990年1999年2011年2021年Moran'sI指数0.1516200.0170130.0770570.030541Z值1.6809010.3630010.9159340.491388P值0.1093990.7166040.3597020.623152方差0.0117920.0116820.0117490.011530表6海南热带雨林国家公园各乡镇碳源全局自相关统计分析年份1990年1999年2011年2021年Moran'sI指数0.1557580.1364260.1341460.139523Z值1.6354551.4577181.4382291.483902P值0.1019540.1449180.1503690.137835方差0.0118430.0118450.0118210.011881由表5和表6可知，1990-2021年净碳排放和碳源的Moran'sI指数均大于0，但P值和Z值并未通过显著性检验，可见海南热带雨林国家公园各乡镇净碳排放和碳源整体的相关性并不显著。其中，净碳排放Moran'sI指数从1990年的0.151620降低到2021年的0.030541，整体呈下降趋势，说明随着时间的推移，空间集聚现象在减弱，各乡镇的净碳排放差距在逐渐缩小，有均衡分布的倾向。表7海南热带雨林国家公园各乡镇碳汇全局自相关统计分析年份1990年1999年2011年2021年Moran'sI指数0.0073130.2333220.1039220.149787Z值0.3243342.9355752.3961641.617437P值0.7456850.0033290.0165680.105784方差0.0082930.0075780.0027710.01131由表7可知，1990-2021年海南热带雨林国家公园各乡镇碳汇的Moran'sI指数均为正值，且整体呈上升趋势，其中1999年、2011年Z值大于临界值，P值小于0.1，通过了95%的显著性检验，表明碳汇之间存在较强的空间正相关关系。为了进一步探究46个乡镇之间碳汇在空间上的高低值集聚情况，对具有显著空间自相关关系的海南热带雨林国家公园1999年和2011年碳汇进行局部空间自相关分析，结果如图4所示。图4海南热带雨林国家公园碳汇LISA聚类由图4可知，碳汇高—高集聚区1999年主要分布于白沙黎族自治县的青松乡，2011年转为五指山市的畅好乡，由于该区域林地占比高，且地形以山地丘陵为主，碳汇作用显著。低—低集聚区主要分布在东方市的江边镇和东河镇，由于该区域城镇化与工业化水平均较高，建设用地占比较高，林草地占比相对较少，碳汇作用弱。总体来看，高—高集聚区分布在林地、草地等具有碳汇作用的生态用地占比较高的乡镇，低—低集聚区分布在林草地占比较少、经济发展水平较高、建设用地占比较高的乡镇，说明海南热带雨林国家公园碳汇在部分地区存在一定集聚性。5结论与建议5.1结论（1）林地是海南热带雨林国家公园的主导土地利用类型，1990-2021年，建设用地、林地、水体、未利用地面积呈增加趋势，耕地、草地、水体面积呈减少趋势，建设用地和草地的变化程度较为显著。（2）海南热带雨林国家公园的土地利用碳排放量总体呈先略微下降后快速上升的趋势。林地为主要碳汇，且占区域总面积的85%以上，因此碳汇对碳的吸收量远远高于碳源的碳排放量，净碳排放表现为碳吸收，空间上呈中间低四周高的分布格局。建设用地为主要碳源，公园净碳排放量显著变化区域与公园建设用地显著增加区域基本保持一致。（3）从海南热带雨林国家公园各乡镇净碳排放量的空间分布来看，净碳排放量高值区域主要分布在以琼中黎族自治县的和平镇、什运乡和营根镇、东方市的江边镇和东河镇、乐东黎族自治县的抱由镇、昌江黎族自治县的打安镇、万宁市的南桥镇为主的经济发展水平高、能源消耗量高的区域，净碳排放量低值区域主要集中在乐东黎族自治县的尖峰镇、昌江黎族自治县的王下乡、白沙黎族自治县的南开乡、五指山市的通什镇为主城镇发展水平低，林地面积比重大的区域。碳排放高值区和较高值区呈现由四周向中部不断演化的趋势。（4）1990年海南热带雨林国家公园各乡镇净碳排放和碳源在空间上具有不显著的特征，且在1999-2021年空间相关性不断降低，接近于均衡分布。碳汇在1999-2011年呈现显著的空间正相关关系。5.2建议（1）合理配置各类用地的比例，严格控制建设用地能源消耗，在不断增加森林、草地、水域和未利用地碳汇的基础上，重点开发水域和湿地碳汇，探索建立以国家公园为主体、自然保护区为基础的特色自然保护地体系，增强生态系统固碳能力。(2)在东方市、陵水黎族自治县、万宁市、琼中黎族苗族自治县等碳排放相对较高的地区，着力构建清洁低碳安全高效的能源体系，加快推进节能降耗;提高绿色节能产业的比重，推动工业领域低碳转型升级和现代化发展；推动建筑业绿色发展，并构建绿色低碳综合交通运输体系与低碳生活方式。5.3不足本研究在测算土地利用碳排放时，对碳排放系数的确定主要参考其他已有文献，但由于研究区域在自然、社会经济、能源等方面存在一定差异，此各地区的碳排放系数应有所差别，但由于碳排放系数的确定具有一定难度，探究出适用于海南热带雨林国家公园实际的碳排放系数是尚需解决的难题。6参考文献[1]GhoshS,DindaS,DasChatterjeeN,etal.Spatial-explicitcarbonemission-sequestrationbalanceestimationandevaluationofemissionsusceptiblezonesinanEasternHimalayancityusingpressure-sensitivity-resilienceframework:Anapproachtowardsachievinglowcarboncities[J].JournalofCleanerProduction,2022,336:130417.[2]韩骥，周翔，象伟宁.土地利用碳排放效应及其低碳管理研究进展[J].生态学报，2016，36(4):1152-1161.[3]杨庆媛.土地利用变化与碳循环[J].中国土地科学,2010,24(10):7-12.[4]葛全胜，戴君虎，何凡能，等.过去300年中国土地利用、土地覆被变化与碳循环研究[J].中国科学，2008，38(2):197-210.[5]赖力.中国土地利用的碳排放效应研究［D].江苏南京：南京大学，2010.[6]SuM,PauleitS,YinX,etal.GreenhousegasemissionaccountingforEUmemberstatesfrom1991to2012[J].AppliedEnergy,2016,184:759-768.[7]SohlTL,SleeterBM,ZhuZ,etal.Aland-useandland-cove