基于InVEST模型的蓮都區(qū)公益林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究

周文春 張超

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基于InVEST模型的蓮都區(qū)公益林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究

周文春1張超2

（1浙江省麗水市蓮都區(qū)林業(yè)局 323000；2浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江臨安 311300）

利用InVEST模型對(duì)麗水市蓮都區(qū)公益林涵養(yǎng)水源、固土保肥、固碳釋氧和生物多樣性保護(hù)四類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行測(cè)算評(píng)估，分析其空間分布特征。通過系統(tǒng)聚類分析和相關(guān)性分析，對(duì)具有相似特征生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行分類，并研究各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間的相互關(guān)系。結(jié)果顯示：四類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要區(qū)主要分布于蓮都區(qū)南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)，北部次之，中部最低；六類林分類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能最低的是灌木林，其余類型差異較??；四類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能呈顯著正相關(guān)。利用InVEST模型進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能測(cè)算，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)算法計(jì)算結(jié)果較難進(jìn)行空間量化對(duì)比的劣勢(shì)。

InVEST模型；生態(tài)服務(wù)功能；空間分布

森林生態(tài)服務(wù)功能是指森林生態(tài)系統(tǒng)及生態(tài)過程為人類提供的自然環(huán)境條件與效用，其中涵養(yǎng)水源、固土保肥、固碳釋氧和生物多樣性保護(hù)等生態(tài)服務(wù)功能是其重要組成部分[1]。

2008年，國(guó)家林業(yè)局發(fā)布了《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》（LY/T 1721-2008），對(duì)森林生態(tài)服務(wù)功能效益的研究由此大量開展。黨普興對(duì)新疆建設(shè)兵團(tuán)的森林生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估[2]；馬長(zhǎng)欣對(duì)陜西省森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧服務(wù)功能進(jìn)行測(cè)算并評(píng)估其價(jià)值[3]。浙江省內(nèi)有陸珠琴對(duì)縉云縣公益林的生態(tài)效益進(jìn)行了評(píng)價(jià)，王堅(jiān)婭對(duì)仙居縣公益林的生態(tài)服務(wù)功能及價(jià)值進(jìn)行了測(cè)算等。以上研究均基于森林資源調(diào)查的各類主要群落類型結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，只評(píng)價(jià)了整個(gè)地區(qū)的森林整體生態(tài)效益，并未研究其空間分布。本研究利用InVEST模型對(duì)麗水市蓮都區(qū)公益林的生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估。

InVEST模型是由斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)（the Nature Conservancy，TNC）等共同開發(fā)的生態(tài)服務(wù)功能評(píng)估模型[4]，其目的在于更好地協(xié)調(diào)權(quán)衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展和自然資源保護(hù)之間的關(guān)系。其最大的特點(diǎn)是將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)具體的空間分布量化，以地圖的形式表現(xiàn)，直觀地研究生態(tài)服務(wù)功能的區(qū)域異質(zhì)性；且InVEST所需的數(shù)據(jù)簡(jiǎn)潔，抓住生態(tài)服務(wù)功能核心問題，優(yōu)化算法，輸出的數(shù)據(jù)豐富，能較好地解決各生態(tài)服務(wù)功能。

1 研究區(qū)概況

蓮都區(qū)位于浙江省麗水市北部，28°44′N、119°32′S，面積為1502.1km2，其中陸地面積1481.6km2，水域面積20.5km2。

蓮都區(qū)群山環(huán)繞，海拔最高為1325m，最低為40m，極差1285m。氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，四季分明。境內(nèi)植被群落類型以針葉林為主，以及其他針闊混交林、闊葉林和人工經(jīng)濟(jì)林等群落類型。

蓮都區(qū)林地面積121416hm2，森林覆蓋率80.83%。公益林面積68600hm2，約占全區(qū)林地面積的56.50%，其中國(guó)家級(jí)重點(diǎn)公益林7800hm2，占公益林總面積的11.28%；省級(jí)重點(diǎn)公益林60800hm2，占88.72%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

土地利用分類數(shù)據(jù)由對(duì)2014年Landsat8的蓮都區(qū)衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行劃分而得[5]。降雨數(shù)據(jù)利用TRMM系列降雨數(shù)據(jù)，并經(jīng)過反距離權(quán)重插值法進(jìn)行應(yīng)用。潛在蒸發(fā)量是利用Modis日溫?cái)?shù)據(jù)和太陽輻射等數(shù)據(jù)，根據(jù)Modified- Hargreaves計(jì)算得出。土壤深度數(shù)據(jù)為森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)。根系深度數(shù)據(jù)參考Canadell等和徐佩研究數(shù)據(jù)[6,7]。地形數(shù)據(jù)使用30×30m分辨率精度的DEM數(shù)據(jù)。降雨侵蝕力因子和土壤可蝕性因子參考國(guó)內(nèi)外研究[8,9]。生境威脅表參考《InVEST模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備手冊(cè)》；威脅源敏感性表是根據(jù)《InVEST模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備手冊(cè)》中打分獲得[10]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中對(duì)每種植物實(shí)測(cè)的地上部分生物量（碳）密度和地下部分生物量（碳）密度、死亡生物量（碳）密度比值及生物量-碳轉(zhuǎn)換率等研究，計(jì)算碳密度結(jié)果，并將模型數(shù)據(jù)表中土壤碳密度設(shè)為0值[11]。

2.2 InVEST模型描述

2.2.1水源涵養(yǎng)

水源涵養(yǎng)評(píng)價(jià)公式為：

式中，為水源涵養(yǎng)量；Yj為第土地利用類型柵格j的產(chǎn)水量；AET為第土地利用類型柵格j的每年實(shí)際騰發(fā)量；P為第x土地利用類型柵格的年降雨量；為流速系數(shù)；為地形指數(shù)；為土壤飽和導(dǎo)水率。

2.2.2土壤保持

采用通用水土流失方程USLE進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括自然因子和管理因子：

式中，USLE表示柵格的土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力；K為土壤可蝕性因子；LS為坡度—坡長(zhǎng)因子；C為植被覆蓋度因子；P為管理因子。

2.2.3碳儲(chǔ)量

式中，C為植被總碳儲(chǔ)量（t·ha-1）；C為以森林景觀類型為統(tǒng)計(jì)單元的地上部分碳儲(chǔ)量；C為以森林景觀類型為統(tǒng)計(jì)單元的地下部分碳儲(chǔ)量；C為以森林景觀類型為統(tǒng)計(jì)單元的死亡有機(jī)碳儲(chǔ)量；C為土壤碳儲(chǔ)量。

2.2.4生物多樣性

采用生境質(zhì)量指數(shù)來表征生物多樣性維持功能的狀況：

式中，Q是土地利用與土地覆蓋中柵格的生境質(zhì)量；D是土地利用與土地覆蓋或生境類型柵格的生境脅迫水平；為半飽和常數(shù)；H為土地利用與土地覆蓋的生境適合性。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間分布特征

如表1所示，蓮都區(qū)峰源鄉(xiāng)的單位面積水源涵養(yǎng)量最高、為2.85×103m3/hm2，萬象街道最低、為1.96×103m3/hm2；峰源鄉(xiāng)單位面積土壤保持量最高、為59.13t/hm2，白云街道最低，為21.79t/hm2；市白云山林場(chǎng)和麗新畬族鄉(xiāng)單位面積固碳量最高、均為5.80t/hm2，白云街道最低、為2.85t/hm2。雅溪鎮(zhèn)的三類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能物質(zhì)量最高，白云街道最低。此外，生物多樣性評(píng)價(jià)結(jié)果為一個(gè)空間無量綱的得分值，最高為峰源鄉(xiāng)、達(dá)到9.38，白云街道最低、為6.71。

表1 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量特征

由圖1可見，水源涵養(yǎng)的重要區(qū)域主要分布于峰源鄉(xiāng)、蓮都林場(chǎng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其次在雅溪鎮(zhèn)、太平鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)；固碳的重要區(qū)域主要分布于周邊山區(qū)，例如峰源鄉(xiāng)、雅溪鎮(zhèn)、麗新畬族鄉(xiāng)等，而中心街道地區(qū)（白云街道、萬象街道）固碳能力相對(duì)較弱；生物多樣性的重要區(qū)域主要分布于南部地區(qū)，東部及北部山區(qū)有零星分布，中部地區(qū)生物多樣性水平較低；各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤保持量空間差異程度較小，南部地區(qū)峰源鄉(xiāng)土壤保持量較高。

根據(jù)各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能單位面積物質(zhì)量，利用系統(tǒng)聚類分析對(duì)具有相似特征的鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行分類，結(jié)果如圖2所示。在系統(tǒng)聚類距離為7時(shí)，將蓮都區(qū)分為5類生態(tài)區(qū)，包括：Ⅰ類生態(tài)區(qū)蓮都林場(chǎng)，Ⅱ類生態(tài)區(qū)峰源鄉(xiāng)，Ⅲ類生態(tài)區(qū)萬象街道和白云街道，Ⅳ類生態(tài)區(qū)碧湖鎮(zhèn)、南明山街道和聯(lián)城街道，Ⅴ類生態(tài)區(qū)雅溪鎮(zhèn)、仙渡鄉(xiāng)、太平鄉(xiāng)等其余10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

結(jié)合表1可知，Ⅰ類生態(tài)區(qū)和Ⅱ類生態(tài)區(qū)相似度極高，四類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能單位面積物質(zhì)量均明顯高于蓮都區(qū)平均值，尤其是水源涵養(yǎng)與生物多樣性方面。由于Ⅱ類生態(tài)區(qū)在單位面積土壤保持量方面明顯高于其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)，而Ⅰ類生態(tài)區(qū)與與Ⅱ類生態(tài)區(qū)差距較大，所以二者分為兩類。Ⅲ類生態(tài)區(qū)的特點(diǎn)為四類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能單位面積物質(zhì)量均明顯低于其余各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。Ⅳ類生態(tài)區(qū)的特點(diǎn)為除水源涵養(yǎng)外，其余三類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能單位面積物質(zhì)量?jī)H高于Ⅲ類生態(tài)區(qū)，明顯低于其余12個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。Ⅴ類生態(tài)區(qū)的特點(diǎn)為四類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能單位面積物質(zhì)量與蓮都區(qū)總體平均值較為接近，差異并不明顯。

對(duì)四類主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2所示。生物多樣性與其余三類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能均呈極顯著正相關(guān)；固碳量與土壤保持呈極顯著正相關(guān)，與水源涵養(yǎng)呈顯著正相關(guān)；土壤保持與水源涵養(yǎng)呈極顯著正相關(guān)。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能相關(guān)性

**在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)；*在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

生物多樣性與其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能均呈極顯著正相關(guān)，是由于生物多樣性較高地區(qū)的自然環(huán)境因素是適宜動(dòng)植物棲息繁衍的，其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜和穩(wěn)定，有利于提升各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。同樣，土壤保持較好的地區(qū)，其水源涵養(yǎng)能力更加出色，也更適宜植物扎根生長(zhǎng)，因此固碳量及碳儲(chǔ)量相對(duì)較高。生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力的提升有助于自然植被生長(zhǎng)繁殖，而植被的健康成長(zhǎng)又將有助于土壤保持，由此可見，各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之間是相互促進(jìn)、相互制約的。

圖2 蓮都區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分區(qū)系統(tǒng)聚類圖

3.2 不同森林類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能特征

如表3所示，公益林中闊葉林單位面積水源涵養(yǎng)量最高、為2.52×103m3/hm2，灌木林最低、為2.20×103m3/hm2；毛竹林單位面積土壤保持量最高、為52.71t/hm2，灌木林最低，為40.58t/hm2；杉木林單位面積碳儲(chǔ)量最高、為5.79t/hm2，灌木林最低、為4.68t/hm2；闊葉林多樣性最高、為8.82，灌木林最低、為7.70。松林水源涵養(yǎng)、土壤保持和固碳量三者總量最高，最低為灌木林。

表3 不同林分類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量特征

灌木林四類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能單位面積物質(zhì)量均明顯低于其他林分類型，這是由于其植物本身生理特征決定的，灌木根系不如喬木發(fā)達(dá)，固土能力較弱，且灌木固碳能力也不如喬木出色。另外，與其他五種林分類型相比，松林的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能相對(duì)較低。蓮都區(qū)公益林松林面積最大，為46.99萬畝，占公益林總面積45.70%，自上世紀(jì)70年代大規(guī)模造林至今，許多松林面臨林分結(jié)構(gòu)單一、林木老化的問題，因此，在生境條件較好的地段通過人工管理干預(yù)措施，加速地帶性闊葉林恢復(fù)是提升蓮都區(qū)公益林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的有效途徑。

4 討論

4.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能差異分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能不僅與生態(tài)系統(tǒng)類型、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，還受自然因素和人為活動(dòng)的影響。由結(jié)果可知，蓮都區(qū)南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)（峰源鄉(xiāng)、蓮都林場(chǎng)、大港頭鎮(zhèn)）各類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能最好，北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)（雅溪鎮(zhèn)、仙渡鄉(xiāng)、黃村鄉(xiāng)等10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)）次之，中部鄉(xiāng)鎮(zhèn)（萬象街道、白云街道、聯(lián)城街道、南明山街道和碧湖鎮(zhèn)）最差。

南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較好的原因有：（1）與中心城鎮(zhèn)相距較遠(yuǎn)，人為活動(dòng)較少；（2）海拔較高，降水豐富；（3）植被覆蓋度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水源涵養(yǎng)及固碳固土能力出色。

中部鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能最弱的主要原因有：（1）地處中心城鎮(zhèn)周邊，人為活動(dòng)干擾較強(qiáng)；（2）海拔較低，降水量低；（3）植被覆蓋度低，結(jié)構(gòu)單一，以馬尾松為主，楊梅、柑橘等經(jīng)濟(jì)林較多，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較低。

4.2 InVEST模型與國(guó)標(biāo)算法的比較

本研究利用InVEST模型對(duì)蓮都區(qū)生態(tài)公益林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估，有別于傳統(tǒng)的利用固定參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的測(cè)算。傳統(tǒng)的生態(tài)公益林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估，是基于一套固定參數(shù)算法標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同群落結(jié)構(gòu)測(cè)算出整個(gè)森林的總體生態(tài)服務(wù)功能以及各群落類型的生態(tài)服務(wù)功能。其優(yōu)點(diǎn)為能夠較為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)價(jià)值量化；缺點(diǎn)為采用傳統(tǒng)林業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，只能測(cè)算評(píng)估總體與各群落生態(tài)服務(wù)功能，無法實(shí)現(xiàn)直觀的區(qū)域空間分布，不能準(zhǔn)確提供具體區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值參考。

表5 國(guó)家森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn) 與InVEST計(jì)算差異

由表5可以看出蓮都區(qū)公益林三類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能InVEST模型計(jì)算結(jié)果與《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》計(jì)算結(jié)果約有30%的差異。涵養(yǎng)水源量方面，InVEST模型計(jì)算結(jié)果相較于國(guó)標(biāo)計(jì)算結(jié)果低24.76%；固土量方面，InVEST模型高28.10%；固碳量方面，InVEST模型高28.81%。

InVEST模型優(yōu)點(diǎn)是能夠快速有效地計(jì)算評(píng)估各類生態(tài)服務(wù)功能，并通過地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生態(tài)服務(wù)功能的空間分布，更直觀的評(píng)估不同區(qū)域的生態(tài)服務(wù)功能差異；缺點(diǎn)在于由國(guó)外引入，計(jì)算方法和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)仍需要進(jìn)行本地化調(diào)整，并且模型單個(gè)指標(biāo)的計(jì)算具有一定局限性。另外，模型運(yùn)算對(duì)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集要求較高，數(shù)據(jù)的精度會(huì)大大影響模型運(yùn)算結(jié)果。目前地方林業(yè)部門尚未建立完善的專業(yè)信息數(shù)據(jù)庫，相關(guān)參數(shù)僅能從國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)中獲得，因此，地方林業(yè)科技基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的完善工作亟待加強(qiáng)。

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2018-09-25

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S718.56

B

1004-7743（2019）01-0075-06