区域土地覆盖变化是影响陆地生态系统碳储量的重要因素。随着城镇化扩张、生态修复工程实施以及气候波动加剧，土地系统在长期尺度上呈现出更加频繁和复杂的转变过程。传统碳储量评估多依赖少数年份的土地覆盖图进行静态比较，难以刻画土地覆盖转变发生的时间、频率和路径，也容易忽略不同发展阶段下自然因素与人类活动对碳储量影响机制的变化。因此，如何从连续年度土地覆盖演变出发，揭示区域碳储量长期变化过程及其驱动机制，是服务国土空间优化、生态修复和“双碳”目标的重要科学问题。

针对上述问题，清华大学地球系统科学系徐冰教授研究团队以湖南省为研究区，融合长时序Landsat遥感影像、多任务深度学习、气候修正碳储量核算、机器学习可解释性分析和未来情景模拟，构建了长期土地覆盖变化与区域碳储量演变的综合分析框架。研究团队设计了多任务时间序列分类与变化检测模型MTUTC，同步开展年度土地覆盖分类和变化检测，重建了湖南省1990-2023年连续年度土地覆盖变化过程；在此基础上，结合气候修正InVEST模型估算碳储量变化，并利用随机森林和SHAP方法识别不同阶段碳储量空间差异的主导因素，进一步通过Markov-FLUS模型模拟2030年历史趋势情景下土地覆盖和碳储量变化。

图1. 土地覆盖转变路径与碳储量响应关系。

研究发现，1990-2023年间，湖南省土地覆盖格局发生显著变化，主要表现为森林和不透水面扩张、耕地和裸地减少。同期，湖南省陆地生态系统总碳储量总体呈波动上升趋势，由1990年的2122.74 Mt增加至2023年的2209.98 Mt，净增加87.24 Mt。森林生态系统是区域碳储量的主体，2023年森林碳储量占全省总碳储量的85.41%，是支撑湖南省长期碳汇增长的核心生态空间。

研究进一步表明，长期碳储量变化不仅取决于土地覆盖类型的最终状态，还受到土地覆盖变化频率、转变方向和路径序列的共同影响。不同土地覆盖转变路径产生了明显不同的碳响应：耕地向森林转变通常带来碳增益，森林向不透水面转变则导致碳损失；而部分“返回型”路径，如森林-耕地-森林，碳响应接近中性。研究还发现，湖南省碳储量变化存在明显的阶段性驱动机制。2000年和2020年，植被状况是解释碳储量空间差异的主导因素；而2010年人口密度成为最重要的解释变量，表明在人类活动和城镇化压力较强的阶段，人口相关土地利用扰动对区域碳储量格局产生了更加显著的影响。SHAP交互分析进一步显示，植被状况、地形条件和人口密度之间的非线性交互共同塑造了湖南省碳储量空间异质性。

图2. 不同年份碳储量驱动因素。

图3. 不同年份碳储量交互影响因素。

面向未来，历史趋势情景模拟显示，湖南省2030年碳储量相较2020年仅边际增加约1.35 Mt，明显低于2010-2020年间39.72 Mt的增量。这表明，过去依靠恢复性土地转变所形成的碳汇增长潜力可能正在减弱，未来继续通过土地转换抵消城市扩张碳成本的空间将更加有限。研究据此提出，区域碳管理应从单纯追求新增碳汇，转向保护现有高碳生态空间、控制发展压力区碳损失，并在低碳但具备恢复潜力的区域开展差异化碳汇提升。

该研究从连续年度土地覆盖变化视角揭示了区域碳储量演变过程，强调碳储量变化不仅由土地覆盖组成决定，更与土地转变的时间过程、路径方向、气候波动和阶段性人类扰动密切相关。相关成果为区域国土空间优化、生态系统碳汇管理和高碳生态空间保护提供了科学支撑。

图4. 湖南省碳储量治理分区

上述成果以“中国湖南省土地覆盖变化与碳储量的关联：来自多任务学习的见解”（Linking land cover changes to carbon storage in Hunan Province, China: Insights from multi-task learning）为题发表于《清洁生产杂志》（Journal of Cleaner Production）。清华大学地球系统科学系2024级博士生宋航为论文第一作者，清华大学地球系统科学系徐冰教授为论文通讯作者。论文合作者包括清华大学地球系统科学系博士生张雪梅、湖南省第二测绘院肖海和胡涛。该研究得到国家重点研发计划项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2026.148770

供稿：徐冰、宋航

编辑：王佳音

审核：俞乐