评估碳储存动态及政策影响：在中国秦岭山脉应用InVEST-PLUS框架

《Land Use Policy》：Assessing carbon storage dynamics and policy impacts: Application of InVEST-PLUS framework in the Qinling Mountains, China

秦岭山脉1985-2020年土地利用与碳储量时空演变及2050情景模拟研究。采用InVEST碳模块与Markov-PLUS模型耦合，分析自然增长、生态优先、旅游开发三种情景下碳储量空间分异特征。结果显示森林覆盖率提升9.25%，碳储量增加79.53 Tg，南部和东部增碳显著，北部因城市化导致碳汇功能弱化。生态优先政策（EPS）至2050年碳储量最高（1778.70 Tg），较2020年增46.51 Tg，凸显生态保护政策对增强碳汇效能的关键作用。研究提出需平衡经济发展与生态完整性，为山区低碳治理提供决策框架。

　　

马玉萌|王金山|辛鹏远|赵梓欣|张晓旭|杨玉喜|高天|邱玲

中国陕西省杨陵市西北农林科技大学景观建筑与艺术学院，邮编712100

摘要

山区在全球碳封存中发挥着至关重要的作用，但它们正日益受到人为压力和土地利用变化的影响。本研究聚焦中国陕西省的秦岭山脉，量化了1985年至2020年的历史土地利用和碳储存动态，并预测了2050年的不同发展路径。通过使用39个县级数据的八个时间点，研究将InVEST碳储存与封存模块与Markov-PLUS土地利用模拟器结合，模拟了三种情景：自然增长（NGS）、生态优先（EPS）和旅游发展（TDS）。结果表明，在35年期间，森林覆盖率从66.04%增加到75.29%，碳储存量从1652.66 Tg增加到1732.19 Tg。从空间上看，秦岭南部和东部的碳储量显著增加，这与生态恢复和较低的城市压力相一致；而北部地区由于城市化进程加剧，碳储量出现了净下降。情景预测显示，到2050年，碳储量将继续增加，NGS情景下将达到1762.95 Tg，EPS情景下为1778.70 Tg，TDS情景下为1767.02 Tg。优先考虑生态恢复的EPS情景下的碳增量最大（+46.51 Tg），这凸显了以保护为导向的政策所带来的碳效益。TDS情景下的碳增量适中，允许在保持一定森林覆盖率的同时进行适度的旅游用地转换。作为中国中部的关键生态屏障，秦岭山脉需要制定平衡经济发展与生态完整性和粮食安全约束的土地利用策略。本研究为山区低碳发展提供了具有政策参考价值的框架。通过将基于情景的建模与空间分析相结合，展示了定向造林、可持续旅游和适应性土地管理如何共同增强碳汇并提升环境韧性。

引言

全球气候变化主要由人为温室气体排放驱动，是本世纪最紧迫的挑战之一。二氧化碳（CO?）仍然是长期变暖的主要贡献者，这凸显了实现碳中和的持续减排和可信路径的必要性。主要经济体已采取政策措施，将土地系统视为气候行动的核心领域——从欧盟的“绿色协议”到《巴黎协定》下的新实施承诺——这表明各国都迫切希望在不影响发展前景的情况下减缓气候变暖（O’Neill, 2022）。在此背景下，中国在第75届联合国大会上承诺实现碳排放峰值并达到碳中和，体现了其国内发展目标与国际承诺的一致性（Chen et al., 2022）。

山区生态系统对气候缓解至关重要，因为它们能够大量吸收大气中的CO?，并为减缓变暖提供重要缓冲（Xu et al., 2024）。然而，快速的土地利用/土地覆盖变化（LULC）——通常由人类活动引发——可能会破坏山区碳汇的稳定性。森林砍伐、耕地扩张和土地退化会通过改变植被组成、土壤性质和景观结构，影响碳的吸收与释放（Searchinger et al., 2018）。这些动态受到社会经济力量、政策框架和管理实践的共同影响，这些因素都会影响实现区域和国家碳中和目标的进程（Arora and Mishra, 2021; Chen et al., 2022）。

因此，国际上普遍认为可持续的土地管理和土地利用政策对于减缓和适应气候变化至关重要。政府间气候变化专门委员会（IPCC）和联合国防治荒漠化公约（UNCCD）等机构一再强调，需要制定治理机制，引导土地利用决策走向长期可持续性（Chasek et al., 2019, Minx et al., 2017）。在这种治理框架下，土地所有权——即管理土地及相关资源获取、控制和转让的社会法律关系——对土地使用者和投资者的激励机制起着关键作用。安全、明确和公平的土地使用权可以鼓励长期投资于可持续管理，而模糊或不稳定的权利则会削弱保护动力，加剧短期土地转换的压力（Chigbu, 2025, Robinson et al., 2018）。

近年来，随着数据可用性和建模能力的提高，生态系统碳动态分析取得了迅速进展。早期的研究依赖于森林清查、实地调查和遥感技术来估算地上碳储量，而基于过程的模型（如CASA、LPJ和BIOME-BGC）则加强了碳通量及其驱动因素的估算。同时，LULC变化通过元胞自动机方法进行模拟，包括IDRISI中的CA-Markov模块、CLUE-S（小范围土地利用转换及其影响模型）以及最近的Patch-generating Land Use Simulation（PLUS）框架，产生了可用于土地利用规划和政策设计的空间明确输出（Gomes et al., 2021, Mas et al., 2014, Li et al., 2023, Yu et al., 2023）。这些方法论的发展使得将土地治理目标与基于情景的预测联系起来变得更加可行，从而为政策干预和战略规划提供支持。

对于山区而言，有效的政策支持建模框架需要满足三个实际要求：它应使用简洁且广泛可用的输入数据；能够在陡峭的地形和社会经济梯度下保持稳健性；并将不同的政策措施转化为空间明确的土地变化结果。InVEST碳模块使用有限的生物物理参数即可进行碳储量评估，即使在实地测量受限的情况下也能发挥作用（Gao et al., 2024, Piao et al., 2022）。当与PLUS元胞自动机引擎结合使用时，该综合框架可以通过明确的转换规则来表示政策、城市化和保护限制，并生成有助于科学家、规划者和利益相关者之间沟通的情景地图（Zhang et al., 2023, Wu et al., 2024）。重要的是，这里将土地所有权视为影响情景设计和解释的治理视角，而不是一个被明确建模的空间变量，因为通常难以获得与土地变化模拟兼容分辨率的土地所有权信息。

利用综合的土地变化和生态系统服务建模进行的实证研究在不同尺度上提供了重要见解。美国、巴西和中国的国家级分析表明，森林砍伐和城市扩张与碳封存的显著下降有关（Fernandes et al., 2020, Udawatta et al., 2022, Yu et al., 2024）。在更细的尺度上，来自草地、耕地和森林的证据表明，碳响应会因当地土地利用压力和气候条件而大不相同（Bai and Cotrufo, 2022, Zhao et al., 2018, Pan et al., 2024）。尽管取得了这些进展，山区土地利用政策仍存在两个主要问题：首先，很少有研究将多情景LULC模拟与碳储存评估相结合，以量化在不同社会经济背景下不同政策干预措施对碳结果的影响；其次，大规模保护策略、异质景观和治理结构之间的相互作用尚未完全理解，这限制了将建模结果转化为可操作和具有地方差异性的政策指导的能力。

中国的秦岭山脉为解决这些问题提供了理想的实验场所。作为中国北部和南部之间的生物地理过渡带，该地区拥有丰富的生物多样性、复杂的地形和多样的土地利用模式。多项生态项目（包括天然林保护计划）改善了部分地区的森林覆盖率、土壤保护和碳封存（Liao et al., 2024, Yao et al., 2024, Zhang et al., 2024）。因此，了解过去的土地利用变化和未来的政策路径如何影响秦岭山脉的县级碳结果，对于区域治理和关于山区社会-生态系统低碳发展的广泛讨论都非常重要。

基于此，本研究应用了综合的InVEST-PLUS框架来研究秦岭山脉的碳储存动态和与政策相关的土地利用未来。具体而言，它（1）描述了1985年至2020年间碳储存的时空演变，并确定了主要的土地利用驱动因素；（2）预测了2050年多种土地利用政策下的碳储存结果；（3）确定了在考虑生态完整性、发展压力和粮食安全约束的情况下，能够增强碳汇的县级空间关键点。通过结合历史评估和基于情景的模拟，该分析旨在为山区土地利用政策设计和适应性管理提供可解释的证据。

研究区域

本研究在中国中部的秦岭山脉进行（图1）。研究区域东经105°29′18″至111°01′54″，北纬32°28′53″至34°32′23″，面积约为81,790平方公里，涵盖由六个市级行政单位（西安、宝鸡、渭南、汉中、安康和商洛）管理的39个县。2019年，该地区的常住人口约为489万。

秦岭山脉是一个重要的气候和生物地理过渡带

土地利用/土地覆盖的时空动态

1985年至2020年间，秦岭山脉经历了显著的土地利用/土地覆盖（LULC）重组。在整个研究期间，林地和耕地始终是主要的地类，合计占总面积的约94.1%；然而，它们的相对比例随时间发生了显著变化（图3）。总体而言，林地、建设用地和水体面积有所扩大，而耕地、草地、灌木丛和未利用土地面积则有所减少（附录表S1–S2）。

1985年，

碳储存的时空动态（目标1）

第一个目标是量化1985年至2020年间秦岭山脉的碳储存变化情况，并解释这些变化的主要因素。结果显示，土地覆盖和碳储存呈共同演变趋势：森林覆盖率从66.04%增加到75.29%，总碳储存量从1652.66 Tg增加到1732.19 Tg。然而，碳储存的增加在空间上并不均匀。空间聚集和南北差异表明，

结论

本研究应用了综合的InVEST-Markov-PLUS建模框架，量化了1985年至2020年间土地利用/土地覆盖（LULC）变化对秦岭山脉碳储存的影响，并预测了2050年在三种与政策相关的路径下的碳结果：自然增长（NGS）、生态优先（EPS）和旅游发展（TDS）。通过结合碳核算和空间明确的土地变化模拟，该分析提供了县级层面的证据

CRediT作者贡献声明

马玉萌：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念构建。王金山：可视化、监督、方法论、调查、正式分析、数据管理。邱玲：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、资源协调、方法论、概念构建。杨玉喜：可视化、软件开发、调查、数据管理。高天：撰写——审稿与编辑，

资助

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：31971720, 31971722, 32572141, 32572139）；陕西省林业科学院科技创新计划（资助编号：SXLK2021–0216）；以及陕西省关中地区强碳汇草地关键技术研究（资助编号：SXLK2023–0218）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。