最佳网格分析尺度下城市绿色基础设施的景观格局对碳汇绩效的影响研究

 

摘要：有效规划和管理城市绿色基础设施(UGI)的组成和结构以维持高水平的UGI碳汇绩效对于节约国家资源和应对气候变化至关重要。然而目前UGI景观格局对碳汇绩效的影响因素仍不明确，因此，旨在量化UGI景观格局对碳汇绩效的影响，为低碳导向下UGI的管理和优化决策提供理论基础。首先，利用景观指数法对武汉市UGI景观格局进行多尺度量化。

 

然后使用哨兵2号数据改进的CASA模型、生物量-碳转换系数评估了多尺度下武汉市UGI的碳汇绩效。并整合莫兰指数和半变异函数识别了武汉市UGI景观格局和碳汇绩效的本征尺度。最后，以本征尺度为最佳网格分析尺度揭示了UGI景观格局对碳汇绩效的关键影响因子。结果表明：

 

1)武汉市UGI碳汇绩效不存在城乡梯度差异但依然存在空间分异和空间聚集特征；

 

2)2.5km是最佳网格分析尺度，宜作为低碳导向下武汉市UGI的最佳管理单元；

 

3)UGI碳汇绩效与耕地、湿地占比和聚集度呈负相关，而与林地、草地占比和聚集度成正相关，林地的高连通度也意味着UGI的高碳汇能力。

 

此外，湿地和林地的形状指数对碳汇绩效也有显著影响。建议在2.5km尺度下从增加林地占比、构建绿廊、减少冬闲田、碳汇树种选址种植等方面提升UGI的碳汇绩效。

 

为应对气候变化、减缓全球气候变暖，中国承诺于2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。城市绿色基础设施(UrbanGreenInfrastructure，UGI)是城市中相互联系的绿色空间网络，包括自然区域、公共或私有的保护土地、具有保护价值的生产性土地及其他受保护的开放空间，该网络因其自身的自然资源价值和对人类的效益而被规划和管制。作为战略性保护的工具，UGI的内容在不同的应用环境下代表着不同的含义，它可以表示城市地区可提供生态效益的树木，也可以表示环境友好的工程化结构[1]。

 

包括林地、灌木、草地、耕地、湿地5种用地的地上植被部分是城市光合作用的主体，提供了大量的固碳服务，对于城市碳汇具有重要意义，是本文中探讨的UGI的组成内容。摘要：有效规划和管理城市绿色基础设施(UGI)的组成和结构以维持高水平的UGI碳汇绩效对于节约国家资源和应对气候变化至关重要。然而目前UGI景观格局对碳汇绩效的影响因素仍不明确，因此，旨在量化UGI景观格局对碳汇绩效的影响，为低碳导向下UGI的管理和优化决策提供理论基础。首先，利用景观指数法对武汉市UGI景观格局进行多尺度量化。然后使用哨兵2号数据改进的CASA模型、生物量-碳转换系数评估了多尺度下武汉市UGI的碳汇绩效。并整合莫兰指数和半变异函数识别了武汉市UGI景观格局和碳汇绩效的本征尺度。

 

最后，以本征尺度为最佳网格分析尺度揭示了UGI景观格局对碳汇绩效的关键影响因子。结果表明：

1)武汉市UGI碳汇绩效不存在城乡梯度差异但依然存在空间分异和空间聚集特征；

2)2.5km是最佳网格分析尺度，宜作为低碳导向下武汉市UGI的最佳管理单元；

3)UGI碳汇绩效与耕地、湿地占比和聚集度呈负相关，而与林地、草地占比和聚集度成正相关，林地的高连通度也意味着UGI的高碳汇能力。此外，湿地和林地的形状指数对碳汇绩效也有显著影响。

建议在2.5km尺度下从增加林地占比、构建绿廊、减少冬闲田、碳汇树种选址种植等方面提升UGI的碳汇绩效。

 

目前，关于UGI碳汇的相关研究主要有碳汇能力评估[2]、固碳服务供需平衡[3]、碳汇时空演变[4]、城市扩张及气候变化与碳汇的耦合研究[5-7]4个层面。从现有景观结构出发，对不同景观格局与功能之间对应关系的研究是景观生态学的主要研究思路[8]，然而现有关于探讨景观格局与绿色基础设施(GreenInfrastructure，GI)碳汇能力耦合关系的研究较少。

净初级生产力(NetPrimaryProductivity，NPP)可以反映植被的碳汇能力和生长状况，是重要的碳汇功能指标。Pachavo等[9]检验了在局部尺度，尤其是高度集约化的系统中，土地利用通过改变土地的生物物理条件来影响植被净初级生产力的假设，但是并未对土地利用格局及其与NPP的关系进行量化；Zhou等[10]以疏勒河流域39个景观指标和5种土地利用类型为研究对象，基于多元线性回归模型研究了9个不同网格尺度下景观格局与NPP的相关性，量化了自然流域景观格局与植被净初级生产力的耦合关系；Wei等[11]通过历时性研究，以总初级生产力表征碳汇能力，量化了城市化对植被碳汇的间接影响，指出植被景观格局对植被碳汇的相对贡献约为85%。虽然已经有研究指出景观格局与GI碳汇的相关性，但是相关机制尚不明确，且城市化区域相关研究尤其欠缺。结合景观生态学和植物生理学理论，景观异质性通过影响景观内部的物质循环、能量流动及信息传递等过程及景观稳定性和多样性制约着景观功能。

 

GI碳汇能力主要通过植被茎叶的光合作用过程实现[12]，光合作用与植被呼吸、土壤呼吸、营养循环等生物物理过程密切联系、相互影响[13]。景观格局作为景观空间异质性的直接表现，通过影响GI内部的生物物理过程及稳定性对植被的健康状况和碳汇能力形成制约。城市作为发展高度成熟的区域，UGI相对于其他城市构成元素具有更大的灵活性，探索UGI景观格局对碳汇能力的关键影响因子有助于通过UGI内部组成和结构的优化切实实现城市区域碳汇绩效的提升。

 

1研究区与数据源

 

1.1研究区概况

 

武汉位于江汉平原的东部，是中国少有的特大城市之一，UGI空间分布可以涵盖我国大部分城市的典型特征，是良好的研究取样对象。如图1，武汉市中心城区的UGI覆盖率远低于郊区且相对破碎化，中心城区UGI重心偏向洪山区，远郊区北面和南面存在大量聚集的林地，并且林地沿着主要道路、水体形成廊道。中心城区向远郊区过渡的近郊区存在大量耕地。湿地主要有分布在汉水与长江交叉口的河口型滩涂湿地，以及少量分布在河流岸边的湖泊和河流湿地。

 

1.2数据来源与预处理

 

基于土地利用数据、12个月的NDVI数据、12个月的气象数据，本文量化了UGI的景观格局，并完成了CASA模型的构建。数据来源及预处理平台如表1所示。武汉市2020年5月和7月的哨兵2号数据云量超过20%，用2019年同月份的数据替代。在对哨兵2号数据进行大气校正的基础上提取红外和近红外波段，在ENVI中波段运算得到归一化植被指数(NDVI)。