基于InVEST模型的典型石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估
——以晴隆縣為例

張斯嶼，白曉永，王世杰，秦羅義，田義超，羅光杰，李 月

（1.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550002；2.中國科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站，普定562100；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴陽 550001）

基于InVEST模型的典型石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估
——以晴隆縣為例

張斯嶼1,3，白曉永1,2，王世杰1,2，秦羅義1,4，田義超1,2，羅光杰1,2，李 月1,2

（1.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550002；2.中國科學(xué)院普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站，普定562100；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴陽 550001）

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對(duì)人類的生活有著重要意義，但是目前關(guān)于喀斯特地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究較少。本文采用InVSET模型中的水源涵養(yǎng)模塊、土壤保持模塊和碳存儲(chǔ)模塊對(duì)典型喀斯特地區(qū)晴隆縣，進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評(píng)估。同時(shí)為了進(jìn)一步了解喀斯特地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能特異性，在GIS技術(shù)支持下，分析了石漠化等級(jí)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能得分的關(guān)系。結(jié)果表明：2003—2013年，研究區(qū)三大生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化主要體現(xiàn)在數(shù)量上而非空間分布；其同時(shí)受三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能控制的地區(qū)面積很小，僅占研究區(qū)總面積的0.01%，而受單一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能控制的地區(qū)相對(duì)較多；潛在石漠化和輕度石漠化地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能最好，是石漠化治理的重點(diǎn)保護(hù)區(qū)，而無石漠化地區(qū)和強(qiáng)度石漠化地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能最差，是石漠化的重點(diǎn)治理區(qū)。研究表明InVEST模型可以很好地對(duì)喀斯特地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估，為喀斯特地區(qū)的生態(tài)保護(hù)和治理提供科學(xué)的依據(jù)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能；InVEST模型；石漠化地區(qū)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)人類的生活有著重要意義，它的功能主要體現(xiàn)在產(chǎn)品供應(yīng)、服務(wù)調(diào)節(jié)、服務(wù)支持等方面（World Resources Institute，2003；Egoh et al，2009）。近年來，在全球變化背景下，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也明顯受到陸地生態(tài)系統(tǒng)的格局和過程的制約（傅伯杰等，2005）。以往對(duì)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估的方法一般有物質(zhì)量過程法、價(jià)值量評(píng)估法和能力值評(píng)估法（何敦煌，2001），這些研究讓人們意識(shí)到了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要性。但這些研究都存在著一定局限性，且對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能動(dòng)態(tài)變化評(píng)估的研究相對(duì)較少（Daily and Matson，2008；李文華等，2009；歐陽志云和鄭華，2009）。近年來，許多學(xué)者開始通過建立模型研究生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能及其變化過程，其中InVEST模型已在美國和中國部分地區(qū)取得了良好的效果。InVEST模型是于2008年興起的一種生態(tài)價(jià)值服務(wù)評(píng)估模型，主要包括海洋和陸地兩個(gè)模塊，其中陸地模塊又包括生物多樣性、碳儲(chǔ)量、水源涵養(yǎng)、水源營養(yǎng)物遷移、土壤保持、木材生存管理和作物污染的評(píng)估（Tallis et al, 2013）。目前已有一些學(xué)者利用Invest模型對(duì)陸地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行了評(píng)估，如Nelson et al（2009）對(duì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的評(píng)估，白楊等（2013）對(duì)白洋淀流域生態(tài)系統(tǒng)的綜合評(píng)估，均取得了良好的成果，為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化，自然資源管理決策提供了合理的依據(jù)。

石漠化地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱，其環(huán)境特殊，巖石裸露，土層薄，蓄水能力差，導(dǎo)致這些問題的直接原因是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能遭到破壞。目前，國內(nèi)關(guān)于石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估的研究極少，張明陽等（2010）雖然對(duì)喀斯特地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，但其側(cè)重點(diǎn)是生態(tài)系統(tǒng)破壞所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估，并沒有對(duì)具體的環(huán)境因子進(jìn)行分析。凡非得等（2011）采用分類法對(duì)石漠化地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行了評(píng)估，但僅僅是將降雨量、土地利用類型等因素直接作為指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)，其人為的主觀因素過多。盡管InVEST模型應(yīng)用前景良好，但是目前尚未有人將該模型應(yīng)用于喀斯特地區(qū)。本文利用InVEST模型對(duì)典型石漠化地區(qū)晴隆水源涵養(yǎng)、土壤保持及碳存儲(chǔ)功能進(jìn)行了模擬分析，并將三者結(jié)合，對(duì)研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并探討了其與石漠化的關(guān)系，為喀斯特地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)及修復(fù)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)位于貴州省西南部的晴隆縣，隸屬黔西南布依族苗族自治州。地處105°01′～105°25′E，25°33′～26°11′N。該地區(qū)地形起伏大，海拔高差達(dá)1482 m，碳酸鹽巖連片分布，具有“山高坡陡谷深”的特點(diǎn)，是典型的石漠化地區(qū)。晴隆縣地處云貴高原中段，水域主要為北盤江水系，位于珠江流域。總面積1327.36 km2，其中碳酸鹽巖出露面積，即石漠化地區(qū)面積885.27 km2，占全縣土地面積的66.70%。屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨水充沛，光能資源較好。全縣年平均氣溫14°C，年均降水量1588 mm。

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 土地利用數(shù)據(jù)

晴隆縣土地利用數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度為2003—2013年，共2個(gè)時(shí)期：2003年Landsat ETM+影像，及2013年Landsat 8 OLI影像，影像融合后分辨率均為30 m。通過這2期遙感影像獲得了相應(yīng)時(shí)期的土地利用圖，在借鑒國內(nèi)外土地利用類型分類研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)土地利用景觀特點(diǎn)以及全國區(qū)域委員會(huì)1985年公布的土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，本文將研究區(qū)分為自然林、人工林、灌叢、草地、水田、旱地、水域、建設(shè)用地和裸地九種土地利用類型。

2.1.2 碳密度數(shù)據(jù)

研究區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)碳密度數(shù)據(jù)，如表1所示，來源于中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所譚秋錦等（2014）提供的18個(gè)20 m×20 m的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。通過重鉻酸鉀?濃硫酸氧化外加熱法對(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)出了不同生態(tài)系統(tǒng)的植物碳密度和土壤碳密度。

表1 晴隆縣不同生態(tài)系統(tǒng)碳密度（kgC·m?2）Table 1 Carbon densities of different ecosystems in Qinglong County (kgC·m?2)

2.1.3 土壤數(shù)據(jù)

晴隆縣的土壤空間分布圖如圖1所示，共七種土壤類型，其中以黃壤為主，土壤各屬性數(shù)據(jù)來源于中國土壤數(shù)據(jù)庫，如表2所示。

2.1.4 氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來源于貴州省氣象局，主要包括2003年和2013年月降雨數(shù)據(jù)（mm）、月最高溫度（℃）、月最低溫度（℃）、月均溫度（℃）。為了確定晴隆縣降雨及蒸散量數(shù)據(jù)的空間分布，利用晴隆、羅甸、盤縣、望謨、威寧、興義和安順氣象站的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到晴隆縣氣象數(shù)據(jù)空間分布圖。

2.2 模型原理

2.2.1 水源涵養(yǎng)量

InVEST模型的水源涵養(yǎng)模塊，建立在Budyko水熱耦合平衡和年均降雨量的基礎(chǔ)上（Budyko，1974），同時(shí)考慮了實(shí)際蒸散發(fā)，其水源供給年產(chǎn)流量公式如下（Zhang et al，2001）：

式中Yxj為第j種土地利用類型在單元格x上的年產(chǎn)水量（mm），AETxj為第j種土地利用類型在單元格x上的實(shí)際蒸散量（mm），Px為單元x的年降水量（mm）。

2.2.2 土壤保持模型

InVEST模型的水土保持模塊，改進(jìn)了Wischmeier and Smit（1978）提出的通用水土流失方程（USLE），公式如下：

式中SD即土壤保持量，RKLS為潛在土壤侵蝕量，USLE為潛在土壤流失量，它們的單位均為t·(km2·a)?1。RKLS與USLE計(jì)算方法如下：

公式中，R表示降雨侵蝕力因子[MJ·mm·(km2·h·a)?1]，K表示土壤可侵蝕因子[t·km2·h·(km2·MJ·mm)?1]，LS為坡長(zhǎng)坡度因子，C為植被管理因子，P為工程措施因子。其中，降雨侵蝕力因子計(jì)算方法如下（Wischmeier and Smith，1965）：

式中P表示年均降水量（mm），Pi為月降水量（mm）。

圖1 土壤類型分布圖Fig.1 Map of soil distribution

表2 土壤屬性數(shù)據(jù)Table 2 Attribute of soil

2.2.3 碳存儲(chǔ)模型

InVEST模型的碳存儲(chǔ)模塊主要由4個(gè)基本碳庫組成：地上碳、地下碳、土壤碳及凋落物有機(jī)碳，公式如下（Jackson et al，2000）：

公式中，C為總碳儲(chǔ)量(t)，Cveg表示植被總碳儲(chǔ)量(t)，Cabove表示植被地上碳(t)，Cbelow表示地下碳(t)，包括生物根系碳，Cdead表示凋落物有機(jī)碳(t)，包括所有枯枝落葉的碳含量。Csoil表示土壤有機(jī)碳(t)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評(píng)估

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評(píng)估中，合理的對(duì)每一類生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行分級(jí)后，才能準(zhǔn)確地確定重要生態(tài)保護(hù)區(qū)。本文將InVEST模型得到的2013年水源涵養(yǎng)、土壤保持及碳存儲(chǔ)結(jié)果作為指標(biāo)，進(jìn)行重要性分級(jí)并綜合評(píng)價(jià)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示（彭怡，2013）。將各服務(wù)功能的極重要區(qū)進(jìn)行空間疊加分析，即可得到晴隆縣2013年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性綜合分區(qū)圖。

表 3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性分級(jí)表Table 3 Ecosystem services signif cance classif cation table

根據(jù)水源涵養(yǎng)、土壤保持和碳存儲(chǔ)的三個(gè)指標(biāo)值，計(jì)算可得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合值，公式如下：

式中，A表示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合值，mi表示第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值，Ai表示第i項(xiàng)的偏效用函數(shù)。但是由于各項(xiàng)指標(biāo)的單位不同，需要對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)一單位。本文采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行無量綱化，公式如下：

其中Xi表示第i項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)際值，max Xi表示第i項(xiàng)指標(biāo)的最大值，min Xi表示第i項(xiàng)指標(biāo)的最小值。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性

對(duì)研究區(qū)2003和2013年的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，利用InVEST模型的水源涵養(yǎng)模塊、土壤保持模塊和碳存儲(chǔ)模塊進(jìn)行模擬，分別得到其2003年和2013年各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能結(jié)果，再將兩個(gè)時(shí)期各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行空間相減計(jì)算，得到各功能的空間變化分布，如圖2所示。

3.1.1 水源涵養(yǎng)功能評(píng)估

如圖2所示，2003年和2013年研究區(qū)水源涵養(yǎng)量平均值分別為1680.07 mm和1479.40 mm，水源涵養(yǎng)量總值分別為2.45×109mm和2.17×109mm。近10年來，晴隆縣水源涵養(yǎng)量整體呈下降趨勢(shì)，2003年與2013年水源涵養(yǎng)量空間分布基本一致。2003—2013年期間，產(chǎn)水量最高的地區(qū)主要集中在晴隆縣東部，該地區(qū)植被覆被類型主要為自然林與人工林，森林的高效儲(chǔ)水功能是該地區(qū)產(chǎn)水量高的主要原因；產(chǎn)水量次高的地區(qū)主要集中在晴隆縣東部毗鄰北盤江流域的縣界區(qū)域，其覆被類型主要為灌叢，毗鄰北盤江流域和灌叢較好的儲(chǔ)水能力，是該地區(qū)產(chǎn)水量高的主要原因之一。

從圖2-c1中可以看出，近10年間，晴隆縣的水源涵養(yǎng)量主要呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，減少量為–804.6 ～ 0 mm，僅極少地區(qū)水源涵養(yǎng)量有所增加，增幅為0 ～ 134.06 mm。對(duì)水源涵養(yǎng)量變化進(jìn)行分析，生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的變化，主要是由氣候和土地利用變化兩個(gè)因素引起的（王根緒等，2009；潘韜等，2013）。2003—2013年間，土地利用變化并不明顯，因此不同土地利用類型的相互轉(zhuǎn)換不是引起研究區(qū)產(chǎn)水量減少的主要因素。從水量平衡的角度進(jìn)行分析，降水和蒸散是水源涵養(yǎng)的2個(gè)決定性因素（聶憶黃等，2009）。對(duì)這期間的降水量及潛在蒸散進(jìn)行分析，如圖3所示，2013年較2003年而言，降水量減少，而潛在蒸散量大幅度增加，從而導(dǎo)致晴隆縣的水源涵養(yǎng)量顯著減少。3.1.2 土壤保持功能評(píng)估

如圖2所示，利用InVEST模型的土壤保持模型，分別得到研究區(qū)2003年和2013年晴隆縣土壤保持空間分布圖。2013年土壤保持量較2003年而言，土壤保持量空間分布格局基本一致，但是土壤保持功能高值區(qū)有所增加，引起土壤保持量增加的原因主要如下：1）草地、灌叢、自然林及人工林的植被覆蓋度有所增加，對(duì)土壤起到一定的保護(hù)作用；2）降水量顯著減少，從而使降雨侵蝕力因子減小，對(duì)土壤的沖擊量也隨之減小、土壤侵蝕量減少；3）2002年后，出臺(tái)的退耕還林、退耕還草、生態(tài)環(huán)境移民及石漠化治理等一系列政策，對(duì)生態(tài)恢復(fù)有一定的促進(jìn)作用。將2013和2003年晴隆縣土壤保持量圖層相減，得到晴隆縣土壤保持空間變化分布圖，如圖2-c2所示。從2003—2013年晴隆縣平均土壤保持量空間變化分布圖可看出，研究區(qū)的土壤保持量有增有減，其變化量主要集中在0～100 t·km?2，其中平均土壤保持量呈增加的地區(qū)占研究區(qū)面積的86.23%，減少的占13.77%，說明晴隆縣在2003—2013年間，土壤保持量增加是總體變化趨勢(shì)。從圖4中可知，草地、灌叢及自然林的平均土壤保持量增加顯著，是土壤保持量增加的主要因素，其他土地利用類型的平均土壤保持量則變化不明顯。

圖2 不同時(shí)期晴隆縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其變化空間分布圖a1:2003年水源涵養(yǎng)空間分布圖；a2:2003年土壤保持空間分布圖；a3:2003年碳儲(chǔ)量空間分布圖；b1:2013年水源涵養(yǎng)空間分布圖；b2:2013年土壤保持空間分布圖；b3:2013年碳儲(chǔ)量空間分布圖；c1:近10年年水源涵養(yǎng)空間變化分布圖；c2:近10年年土壤保持空間變化分布圖；c3:近10年年碳儲(chǔ)量空間變化分布圖Fig.2 Ecosystem service function and its variation map of Qinglong County in different periodsa1:Spatial distribution map of water yield in 2003; a2:Spatial distribution map of soil conservation in 2003; a3:Spatial distribution map of carbon storage in 2003; b1:Spatial distribution map of water yield in 2013; b2:Spatial distribution map of soil conservation in 2013;b3:Spatial distribution map of carbon storage in 2013; c1:Spatial distribution map of water yield changes in recent 10 years; c2:Spatial distribution map of soil conservation changes in recent 10 years;c3:Spatial distribution map of carbon storage changes in recent 10 years

3.1.3 碳存儲(chǔ)功能評(píng)估

基于InVEST模型的碳存儲(chǔ)模塊，分別對(duì)晴隆縣2003年和2013年的碳存儲(chǔ)進(jìn)行了估算，得到了研究區(qū)碳儲(chǔ)量空間分布圖，如圖2所示。其中2003年總碳儲(chǔ)量22.47×105t，2013年總碳儲(chǔ)量22.91×105t，平均碳密度分別為16.98 kg·m?2和17.31 kg·m?2。2013年土壤保持量較2003年而言，碳存儲(chǔ)量空間分布格局基本一致，碳儲(chǔ)量高值區(qū)域主要集中在研究區(qū)東部、中部及北部。

將2013和2003年晴隆縣土壤保持量圖層相減，得到晴隆縣碳儲(chǔ)量空間變化分布圖，如圖2-c3所示?？煽闯鼋?0年期間，研究區(qū)的碳儲(chǔ)量變化區(qū)域并不多，變化區(qū)域的面積占晴隆縣總面積的27.51%。碳儲(chǔ)量發(fā)生變化的部分中，呈增加趨勢(shì)的占45.98%，減少的占54.02%。對(duì)比分析知，碳儲(chǔ)量增加和減少區(qū)域的面積較為接近，說明研究區(qū)的碳儲(chǔ)量增減在空間范圍上差異并不大，其變化主要體現(xiàn)在數(shù)量上。由圖5知，其中草地、自然林和人工林是碳儲(chǔ)量增加區(qū)域的主要土地利用類型，碳儲(chǔ)量減少區(qū)域的主要土地利用類型則為灌叢和旱地。這說明2003—2013年間，退耕還林等生態(tài)治理措施初見呈現(xiàn)，但環(huán)境破壞和環(huán)境治理是并存的。

圖3 2003—2013年晴隆縣降水量及潛在蒸散發(fā)量變化趨勢(shì)Fig.3 Trends of precipitation and potential evapotranspiration from 2003 to 2013 in Qinglong County

圖4 不同歷史時(shí)期各土地利用類型平均土壤保持量Fig.4 Average soil conservation of different land use type in different years

圖5 2003—2013年間不同土地利用類型碳儲(chǔ)量平均變化值Fig.5 Average carbon storage variation of different landuse type from 2003 to2013

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性綜合評(píng)估

對(duì)2013年水源涵養(yǎng)、土壤保持及碳存儲(chǔ)功能圖進(jìn)行分級(jí)，分別得到它們的重要性分級(jí)圖，再將其進(jìn)行疊加分析得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性綜合分區(qū)圖，如圖6所示，共劃分了3類7 種生態(tài)重要保護(hù)區(qū)：一類是三個(gè)功能同時(shí)很重要區(qū)域；一類為兩個(gè)生態(tài)服務(wù)功能同時(shí)很重要區(qū)域；另外一類則是只有一種生態(tài)服務(wù)功能很重要區(qū)域。對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析知，三個(gè)指標(biāo)都重要的區(qū)域僅占了研究區(qū)總面積的0.01%；水源涵養(yǎng)與土壤保持、水源涵養(yǎng)與碳儲(chǔ)存和土壤保持與碳儲(chǔ)存功能同時(shí)很重要的區(qū)域面積分別占研究區(qū)總面積的0.25%、2.25%及1.70%。單一的水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳存儲(chǔ)重要區(qū)的面積，分別占研究區(qū)總面積的28.31%、6.62%及4.43%。單一的土壤保持重要區(qū)分布相對(duì)分散，空間上分布較零星、破碎。單一的水源涵養(yǎng)重要區(qū)是涉及面積最廣的生態(tài)服務(wù)功能，其分布相對(duì)集中，主要位于研究區(qū)北部、中部偏北及東部。對(duì)整個(gè)晴隆縣而言，中部地區(qū)及南部地區(qū)的生態(tài)服務(wù)綜合功能略差，幾乎沒有生態(tài)服務(wù)功能重要區(qū)位于這些地區(qū)，這些地區(qū)的土地利用類型主要為人類生活用地，包括建設(shè)用地、旱地及水田。這些地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)較易遭到破壞且恢復(fù)慢，對(duì)周圍區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)依賴性較強(qiáng)。為了保護(hù)和治理喀斯特地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，減輕非生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要區(qū)的壓力，加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要區(qū)的保護(hù)是極其必要的。

圖 6 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性綜合評(píng)估Fig.6 Comprehensive evaluation of ecosystem services function importance

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與石漠化關(guān)系

將生態(tài)系統(tǒng)綜合服務(wù)功能重要性圖層與石漠化等級(jí)圖層進(jìn)行疊加分析，即可得到各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要區(qū)面積與石漠化等級(jí)的關(guān)系，如表4所示。統(tǒng)計(jì)分析得，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要區(qū)主要分布在無石漠化、潛在石漠化地區(qū)及輕度石漠化地區(qū)，中、強(qiáng)度石漠化地區(qū)的分布面積較少。雖然中、強(qiáng)度石漠化地區(qū)單一水源涵養(yǎng)功能重要區(qū)的面積較大，但其占整個(gè)水源涵養(yǎng)重要區(qū)的面積比例并不高，分布為19.60%和6.86%。由此可知，無石漠化地區(qū)、潛在石漠化地區(qū)及輕度石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合功能相對(duì)較好，而中、強(qiáng)度石漠化地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合功能則稍弱些。因此，對(duì)無、潛在和輕度石漠化地區(qū)進(jìn)行生態(tài)保護(hù)和修復(fù)，對(duì)中、強(qiáng)度石漠化地區(qū)進(jìn)行石漠化治理，對(duì)改善喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有著重大意義。

將晴隆縣2013年水源涵養(yǎng)量、土壤保持量和碳存儲(chǔ)量無量綱化后，根據(jù)2.2中公式，得到晴隆縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能得分圖，如圖7所示，其得分在0.11～0.89，平均分0.50，得分越高，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能性越好。由圖分析知，得分高的地區(qū)分布較集中，主要位于晴隆縣南部、東南部及北部，該區(qū)域的石漠化等級(jí)主要為潛在石漠化和輕度石漠化；得分相對(duì)較低的地區(qū)分布較零散破碎化，主要分布在無石漠化和強(qiáng)度石漠化地區(qū)。對(duì)各石漠化等級(jí)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能平均分進(jìn)行分析，如圖8所示，潛在石漠化與輕度石漠化地區(qū)的平均分最高，無石漠化與強(qiáng)度石漠化地區(qū)的平均分相對(duì)較低。這主要是因?yàn)?，潛在石漠化地區(qū)和輕度石漠化地區(qū)的石漠化現(xiàn)象并不嚴(yán)重，且人類活動(dòng)在該區(qū)域并不頻繁，其生態(tài)環(huán)境相對(duì)良好，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能平均分也較高；無石漠化地區(qū)多被人類開發(fā)利用，其生態(tài)環(huán)境遭到破壞，而強(qiáng)度石漠化地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)本身就生態(tài)結(jié)構(gòu)單一、脆弱且易被破壞，所以這些區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的平均得分相對(duì)較低。由此可見，對(duì)無石漠化地區(qū)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，潛在石漠化和輕度石漠化地區(qū)進(jìn)行生態(tài)保護(hù)，中、強(qiáng)度石漠化地區(qū)進(jìn)行石漠化治理，可以有效地改善晴隆縣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

表 4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與石漠化等級(jí)關(guān)系Table 4 Relationship between ecosystem service function and rocky desertif cation level

圖7 2013年晴隆縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能得分圖Fig.7 Ecosystem service function score map of Qinglong County in 2013

圖 8 各等級(jí)石漠化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能平均得分Fig.8 Ecosystem service function average score of different rocky desertif cation level

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

本文利用InVEST模型對(duì)晴隆縣進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估。目前潘韜等（2003）利用InVEST模型對(duì)三江源地區(qū)的水源供給進(jìn)行了分析，周彬等（2010）基于InVEST模型對(duì)北京市的土壤侵蝕進(jìn)行了模擬分析，彭怡等（2013）則利用InVEST模型的評(píng)估了汶川災(zāi)區(qū)的碳存儲(chǔ)功能變化，盡管這些研究通過InVEST模型取得了良好的成果，但其均是僅對(duì)某一單一的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估。在此基礎(chǔ)之上，少數(shù)國內(nèi)外學(xué)者利用InVEST模型將幾種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能結(jié)合起來（Nelson et al，2009；白楊等，2013），進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合評(píng)估，其結(jié)果也與現(xiàn)實(shí)吻合度非常高，但是目前仍沒有人將該模型應(yīng)用于石漠化地區(qū)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合，本文首次將該模型用于石漠化地區(qū)，并考慮了石漠化等級(jí)因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，其模擬效果較好。綜上，在考慮石漠化地區(qū)特殊的環(huán)境背景下，利用InVEST模型進(jìn)行的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評(píng)估，可以較好地適用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、土層薄、蓄水能力差的石漠化地區(qū)。

4.2 結(jié)論

（1）空間分布上：2003年和2013年，晴隆縣水源涵養(yǎng)、土壤保持和碳存儲(chǔ)功能的空間格局基本一致。

（2）空間變化上：2003—2013年間，晴隆縣水源涵養(yǎng)量呈減少趨勢(shì)、土壤保持量和碳儲(chǔ)量呈增加趨勢(shì)。

（3）生態(tài)系統(tǒng)綜合服務(wù)功能方面：無生態(tài)系統(tǒng)重要區(qū)的面積比例為43.47%；三大生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能均重要的區(qū)域，僅占研究區(qū)總面積的0.01%；單一水源涵養(yǎng)重要區(qū)面積較大，占整個(gè)研究區(qū)面積的28.3%。

（4）生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與石漠化的關(guān)系：晴隆縣生態(tài)系統(tǒng)功能重要區(qū)主要分布在無石漠化、潛在石漠化及輕度石漠化地區(qū)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能得分方面，潛在石漠化＞輕度石漠化＞中度石漠化＞強(qiáng)度石漠化＞無石漠化。

綜上，對(duì)無石漠化地區(qū)進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，潛在和輕度石漠化地區(qū)采取保護(hù)措施，中、強(qiáng)度石漠化地區(qū)加強(qiáng)生態(tài)治理，對(duì)提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，改善生態(tài)環(huán)境具有重大意義。

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Ecosystem services evaluation of typical rocky desertif cation areas based on InVEST model — A case study at Qinglong Country, Guizhou Provice

ZHANG Si-yu1,3, BAI Xiao-yong1,2, WANG Shi-jie1,2, QIN Luo-yi1,4, TIAN Yi-chao1,2, LUO Guang-jie1,2, LI Yue1,2
(1. State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550002, China; 2. Karst Ecosystem Observation Research Station in Puding, Chinese Academy of Sciences, Puding 562100, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. School of Geography and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China)

Ecosystem services are significantly important for human being. However, little attention has been paid to the ecosystem services in rocky desertif cation areas. In this study, InVSET (Integrated Valuation of Environmental Services and Tradeoffs) model was used to evaluate ecosystem services, in terms of water yield module, sediment retention module and carbon storage module, in a typical rocky desertif cation area, Qinglong County. The relationship between rocky desertif cation classif cation and ecosystem services scoring were also analyzed for further understanding of the specificity related torocky desertif cation ecosystem services, with the support of GIS. The results show that: between 2003 and 2013, the quantity change, rather than the spatial distribution change, was the major transformation among the three ecosystem services. The water yield service tended to decline because of precipitation decrease and evapotranspiration increase. The soil conservation service trended to increase due to the decreased rainfall erosivity. And the carbon conservation didn't change obviously. In addition, regions covered by all the three ecosystem services only account for 0.01% of the total area, while those affected by single ecosystem service took the majority. The land for human living activities mainly located in areas where rare ecosystem service covers, and environmental ecosystem services of these areas were the worst as a result of destruction of environment ecosystem. Moreover, regions of potential and mild rocky desertif cation possessed the best ecosystem services owing to the low-level rocky desertif cation and the rare interference of human activities in these areas. On the contrary, ecosystem services in the regions with intense rocky desertification was the worst as a result of human over-exploited in nonrocky desertif cation areas. Our study indicates that the InVEST model can assess ecosystem services in rocky desertif cation areas effectively. The measures of restoring the ecological damages in non-rocky desertif cation areas, protecting ecosystem in potential as well as mild rocky desertif cation areas, and governing middle or intense rocky desertification areas are significantly beneficial in improving the environment ecosystem of rocky desertif cation areas.

ecosystem services; InVSET model; rocky desertif cation area

X821

：A

：1674-9901(2014)05-0328-11

10.7515/JEE201405004

2014-08-30

國家973項(xiàng)目（2013CB956704）；國家科技支撐計(jì)劃（2014BAB03B02）；貴州省科技計(jì)劃（黔科合重大專項(xiàng)字[2012]6015號(hào)）；貴州省農(nóng)業(yè)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合NY字[2014]3039號(hào)）；貴陽市科技局項(xiàng)目（筑合同[2012205]號(hào)）；“西部之光”之西部博士專項(xiàng)（科發(fā)人教字[2012]179 號(hào)）

王世杰，E-mail: wangshijie@vip.skleg.cn