基于InVEST模型的?？谑猩鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間評估

王菲 佘若晨 張樂 周鵬

（海南大學(xué)林學(xué)院 海南?？?570228）

近年來，我國就生態(tài)文明建設(shè)作出一系列決策部署，黨的十八屆五中全會和“十三五”規(guī)劃綱要明確提出設(shè)立統(tǒng)一規(guī)范的國家生態(tài)文明區(qū)[1]。隨著部分生態(tài)文明示范城市相關(guān)措施的深入實施，各地的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能效益有大幅度提升。但我國城市仍處于以經(jīng)濟(jì)發(fā)展為導(dǎo)向的背景下，主要以土地利用密集化和高密度人口為特征，生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作將面臨許多挑戰(zhàn)，如城市生態(tài)系統(tǒng)的退化會引起生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制嚴(yán)重受損及質(zhì)量下降，從而直接及間接危害人類福祉[2-3]。因此，對城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行綜合評估，并探究其主要貢獻(xiàn)的土地類型，對城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和國土空間優(yōu)化具有重要現(xiàn)實意義。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指自然界的生態(tài)系統(tǒng)為支持人類生存活動所形成的環(huán)境條件及效用，包含4項服務(wù)類型：供給、調(diào)節(jié)、文化和支持功能[4]。當(dāng)前，評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性的研究方法主要有模型法和定量指標(biāo)法[5-6]。定量指標(biāo)法具有主觀性，且在不同空間和區(qū)域尺度進(jìn)行評估時，可比性較差[7]及缺乏普遍性。模型法是依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成機(jī)理進(jìn)行評估計算，其結(jié)果客觀性較高，且不易受研究區(qū)尺度影響[8]。InVEST（Integrate Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs）模型由美國自然資本項目組研發(fā)得到的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型，能廣泛適用于各種尺度的評估，并能夠?qū)崿F(xiàn)空間可視化表達(dá)[9]。當(dāng)前多數(shù)集中在單項的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究[10-12]，在總體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值效能上對各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間的相互作用缺乏考慮，特別是針對供給、調(diào)節(jié)和支持服務(wù)之間缺乏綜合分析[13]，針對熱帶地區(qū)的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估研究更加鮮有。

圖1 海口市各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價結(jié)果

圖2 ?？谑懈黜椛鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)分項統(tǒng)計

?？谑凶鳛楹Ｄ鲜〗?jīng)濟(jì)、政治和文化中心，也是海南國際旅游島和海南自由貿(mào)易港建設(shè)的前沿陣地[14]。自2020年海南自由貿(mào)易港實施建設(shè)以來，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人類活動頻率逐漸增加，導(dǎo)致區(qū)域土地類型的急劇變化，如不合理地開發(fā)及資源過度利用使得生態(tài)和生產(chǎn)用地面積減少，區(qū)域的生態(tài)服務(wù)功能受到威脅[15]?；诖?，本研究以具有典型火山熔巖濕地的?？谑袨檠芯繉ο?，借助InVEST模型和主成分分析法，對其2020年綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行定量分級評估，揭示其碳儲量、生境質(zhì)量、水源涵養(yǎng)和綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間格局分布特征，劃定該區(qū)重要生態(tài)核心保護(hù)區(qū)域，為?？谑袑崿F(xiàn)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)耦合的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究區(qū)概況海口市（110°07′～110°42′E，19°31′～20°04′N）位于海南島北部，陸地總面積2 297.03 km2。全市地貌呈現(xiàn)為北部濱海平原區(qū)，中部沿江區(qū)，東部、南部臺地區(qū)，西部熔巖區(qū)；屬于熱帶季風(fēng)海洋性氣候，年平均氣溫為25.8 ℃，年均降水量約為1 220.4 mm。海口市的土地利用現(xiàn)狀以耕地、林地和建設(shè)用地為主，自海南自貿(mào)港和國家生態(tài)文明建設(shè)以來，城鎮(zhèn)化率達(dá)81.76%，生態(tài)和生產(chǎn)用地面積因建設(shè)用地大面積侵占而大幅減少，導(dǎo)致海口市周圍城鎮(zhèn)的生境植被大幅度減少，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能效益降低。

1.1.2 數(shù)據(jù)來源土地利用類型數(shù)據(jù)，來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn）的數(shù)據(jù)，分辨率30 m×30 m。根據(jù)全國土地分類體系，將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地6種一級類型。30 m分辨率的高程數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺（http://www.gscloud.cn）。氣象數(shù)據(jù)：2020年平均降水量和年平均氣溫來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.cma.cn），經(jīng)ArcGIS10.6克里金插值法、重采樣處理后獲取。土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)集（HSWD1.2）。其他矢量數(shù)據(jù)：2020年主要道路（國道、省道及高速公路）、鐵路及居民點來源于OpenStreetMap（https://www.openstreetmap.org），經(jīng)ArcGIS10.6裁剪、歐氏距離、重采樣等預(yù)處理后獲取。將以上數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)一至WGS_1984_UTM。

1.2 方法

1.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估

1.2.1.1 碳儲存模型基于InVEST模型3.9.2版本中的Carbon模塊，將土地利用覆被類型與碳儲量進(jìn)行評估研究。通過計算植被地上碳儲量、植被地下碳儲量、土壤碳儲量和死亡有機(jī)質(zhì)碳儲量評價總體碳儲量。?？谔济芏葦?shù)據(jù)參考段璇瑜等[16]方法計算，計算公式[17]如下：

式中，Ctotal、Cabove、Cbelow、Csoil和Cdead分別表示總體碳儲量、植被地上碳儲量、植被地下碳儲量、土壤碳儲量和死亡有機(jī)質(zhì)碳儲量。由于死亡有機(jī)質(zhì)碳儲量含量非常低，一般不考慮。

1.2.1.2 生境質(zhì)量模型基于InVEST模型3.9.2版本中的Habitat Quality模塊，根據(jù)優(yōu)劣程度評估生物多樣性支持服務(wù)功能。本文主要對生境質(zhì)量進(jìn)行分析，結(jié)合不同的土地覆被對威脅因子的敏感度和外界威脅強(qiáng)度，計算公式如下:

式中，Qxj表示生境類型j中第x個生境像元的生境質(zhì)量得分，取值范圍為[0,1]；Hj表示生境類型j的生境適宜度；k為半飽和常數(shù)，在此模型中設(shè)置為0.5；z為歸一化常數(shù)。

參考相關(guān)文獻(xiàn)[18-19]并結(jié)合研究區(qū)實際，選取耕地、建設(shè)用地、未利用地、居民點、鐵路及主要道路作為生境威脅因素。各威脅因素參數(shù)和生境敏感性參數(shù)設(shè)置見表1、2。

表1 威脅因素參數(shù)設(shè)置

表2 生境類型對威脅因素的敏感性

1.2.1.3 水源涵養(yǎng)模型基于InVEST模型3.9.2版本中的Wtaer Yield模塊計算得到的產(chǎn)水量，結(jié)合研究區(qū)地形指數(shù)、地表流速系數(shù)和土壤飽和導(dǎo)水率計算柵格尺度的水源涵養(yǎng)量，計算公式[20]如下：

式中，Yx表示柵格單元x的年產(chǎn)水量；AETx表示柵格單元x的年實際蒸散量；Px表示柵格單元x的年降水量；Rentention為單位面積水源涵養(yǎng)量（mm）；velovity為流速數(shù)；TI為地形指數(shù)；Ks為土壤飽和導(dǎo)水率（mm/d）；Drainagearea為集水區(qū)柵格數(shù)量；percent_slope為百分比坡度；soil_depth為土壤深度（mm）。

1.2.2 綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估為了進(jìn)一步評估綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，在單項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評價結(jié)果上，借助多元統(tǒng)計方法中的主成分分析法，客觀確定各項指標(biāo)權(quán)重和主成分（累計貢獻(xiàn)率>85%）[21]；最后運(yùn)用各項指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)疊加計算，并采用自然斷點分級法將其分為5個等級，得到海口市綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性分級結(jié)果，公式如下：

式中，wi表示第i個主成分的權(quán)重；λi表示第i個主成分的貢獻(xiàn)率；n表示主成分總個數(shù)；ESI為綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估指數(shù)；ri為第i個主成分。

2 結(jié)果與分析

2.1 ?？谑懈黜椛鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價

為進(jìn)一步分析各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間分異，以自然斷點分級法將其分為5個等級。2020年?？谑刑純α康目臻g分布具有差異性，呈現(xiàn)出西部、南部高和北部低的格局（圖1-a），高值區(qū)主要分布于石山鎮(zhèn)、永興鎮(zhèn)、龍泉鎮(zhèn)、龍橋鎮(zhèn)、遵譚鎮(zhèn)、三門坡鎮(zhèn)和大坡鎮(zhèn)，低值區(qū)集中在西秀鎮(zhèn)、海秀鎮(zhèn)、城西鎮(zhèn)和演豐鎮(zhèn)西部等中心城區(qū)。研究區(qū)內(nèi)碳儲量重要性類型以極為重要性為主，面積為1 099.46 km2（表3），占比為49.87%；中度重要性次之，面積和占比分別為678.83 km2和30.79%。各城鎮(zhèn)中，大坡鎮(zhèn)是碳儲量最豐富的區(qū)域，其他一些城鎮(zhèn)如三門坡鎮(zhèn)、遵譚鎮(zhèn)和永興鎮(zhèn)等極為重要區(qū)占比次之，?？谑形鞑亢湍喜康貏葺^高的區(qū)域在碳儲量中發(fā)揮重大作用；西秀鎮(zhèn)和中心城區(qū)碳儲量最少，是由于自然植被環(huán)境較少所導(dǎo)致。

表3 ?？谑猩鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性分級結(jié)果

?？谑猩迟|(zhì)量的空間分布呈西部和南部高的格局（圖1-b），2020年平均生境指數(shù)為0.68。高值區(qū)大面積集中分布于大坡鎮(zhèn)、三門坡鎮(zhèn)、遵譚鎮(zhèn)、永興鎮(zhèn)和龍泉鎮(zhèn)；另外一些城鎮(zhèn)區(qū)域如石山鎮(zhèn)、龍橋鎮(zhèn)、東山鎮(zhèn)、大致坡鎮(zhèn)和甲子鎮(zhèn)等，雖然極重要區(qū)面積占比相對校小，但在生物多樣性保護(hù)中發(fā)揮著重要作用；低值區(qū)集中分布于西秀鎮(zhèn)、長流鎮(zhèn)、城西鎮(zhèn)、海秀鎮(zhèn)和中心城區(qū)等地。生境質(zhì)量重要性類型主要以較為重要區(qū)和極為重要區(qū)為主，面積和占比分別為709.33 km2、670.31 km2和32.17%、30.40%（表3）。研究區(qū)內(nèi)生物多樣性保護(hù)極為重要區(qū)集中分布在地勢較高、自然植被覆蓋率高及物種資源豐富的區(qū)域，部分沿河道呈條帶狀分布。

2020年研究區(qū)水源涵養(yǎng)量空間分布格局（圖1-c）的極為重要區(qū)和較高重要區(qū)域呈片狀分布于西部、南部地區(qū)，包括永興鎮(zhèn)、龍橋鎮(zhèn)、石山鎮(zhèn)、大坡鎮(zhèn)和三門坡鎮(zhèn)等。低值區(qū)集中在北部的西秀鎮(zhèn)、長流鎮(zhèn)、桂林洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和中心城區(qū)等。水源涵養(yǎng)功能極為重要區(qū)和較高重要區(qū)面積占比分別為4.54%和50.45%（表3），主要以條帶狀分布在河流周圍及呈片狀和零散分布；一般重要區(qū)面積為288.19 km2，占比約13.43%，其空間上呈片狀和零散分布，除了北部中心城區(qū)成片集中分布外，其余主要呈零星狀分布于靈山鎮(zhèn)、演豐鎮(zhèn)和桂林洋開發(fā)區(qū)等。

2.2 海口市各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分項統(tǒng)計

基于?？谑懈黜椛鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性評價結(jié)果，以6種土地類型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行歸一化分項統(tǒng)計。林地碳儲量占比最大，約為88.12%（圖2-a）；其次為耕地，約占9.64%，其余用地類型占比較少。林地、耕地和水域?qū)S持生物多樣性的貢獻(xiàn)依次遞減，占比分別為71.28%、19.40%和7.25%（圖2-b）。水源涵養(yǎng)方面，耕地貢獻(xiàn)最大，占比約為43.46%（圖2-c）；其次為林地和建設(shè)用地，分別為27.45%和27.37%。綜上所述，林地、耕地和建設(shè)用地在3類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能中扮演著重要貢獻(xiàn)者的角色，草地和未利用地由于面積較少，貢獻(xiàn)值相對較低。

2.3 綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估

基于主成分分析結(jié)果（表4），2020年?？谑幸蕴純α亢蜕迟|(zhì)量的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能為主導(dǎo)，累積貢獻(xiàn)度為96.48%（>80%），其中二者極為重要區(qū)占比分別為49.87%和30.40%。研究區(qū)內(nèi)綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能空間格局與前3項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能基本一致，呈西部、東南部高，北部低分布形式（圖3）。其中，一般重要區(qū)集中連片分布于北部中心城區(qū)，而東部和南部呈零散分布，尤其是云龍鎮(zhèn)、演豐鎮(zhèn)、紅旗鎮(zhèn)和三江鎮(zhèn)。中度重要區(qū)主要在河流周圍呈現(xiàn)條帶狀分布；較高重要區(qū)主要在東部和中部極為重要區(qū)周圍零散分布。由于受到水源涵養(yǎng)功能的影響，部分極為重要區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橐话阒匾獏^(qū)；極為重要區(qū)和較高重要區(qū)面積占比分別為31.94%和18.84%，一般重要區(qū)的面積占比最大，約為43.36%。綜上可知，永興鎮(zhèn)、龍泉鎮(zhèn)、遵譚鎮(zhèn)、三門坡鎮(zhèn)和大坡鎮(zhèn)對維護(hù)?？谑械木C合生態(tài)穩(wěn)定具有重要意義。

圖3 海口市綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價

表4 各主成分的特征值、貢獻(xiàn)率、累計貢獻(xiàn)率

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

2020年海口市綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價高值區(qū)主要集中在地勢較高的西部和南部區(qū)域，低值區(qū)主要分布于北部城區(qū)、西南部和東部部分地區(qū)。與?？谑凶匀毁Y源和規(guī)劃局2021年發(fā)布的《海口市國土空間總體規(guī)劃（2021—2035年）》,所提出的構(gòu)建“兩核三帶、八廊多園”的市域生態(tài)保護(hù)格局基本相符，即北部濱海生態(tài)帶、南渡江水系生態(tài)帶和南部生態(tài)綠帶。因此，水系和自然保護(hù)區(qū)應(yīng)受到重視。各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要性空間格局具有相似性，北部城市化水平較高區(qū)域，碳儲量、生境質(zhì)量和水源涵養(yǎng)量較低，其主要原因在于這段期間海口市受相關(guān)政策因素和經(jīng)濟(jì)因素的影響，經(jīng)濟(jì)提升促使城市用地呈“攤大餅”式擴(kuò)張[22]，城市不透水面指數(shù)增加，破壞自然植被環(huán)境和降低了土壤肥力，導(dǎo)致植被固碳能力削弱，而人口密度較高，對自然生境的破壞力度也越來越大，使得生境質(zhì)量偏低，加上受土地類型和降水量分布影響，建設(shè)以不透水面為主，因此水源涵養(yǎng)量偏低[20]。在碳儲存方面，與海南中部地區(qū)相比發(fā)現(xiàn)，?？谑械牧值貙μ純α康呢暙I(xiàn)作用大于草地，主要原因在于草地占比極小[23]，而中部地區(qū)草地占比較大，對于碳儲量影響也更大。在生境質(zhì)量方面，與氣候相似的廣東地區(qū)進(jìn)行橫向比較可知，?？谑信c廣東省生境質(zhì)量高值區(qū)都以林地和水體等土地類型為主[24]。在水源涵養(yǎng)方面，海口市水源涵養(yǎng)高值區(qū)與海南島水源涵養(yǎng)高值區(qū)的布局一致，均集中在海口市西部的火山熔巖濕地區(qū)域[20]。建設(shè)用地、林地和耕地是?？谑兄饕挠玫仡愋?，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)揮著重要作用，在未來國土空間格局優(yōu)化中要重視生態(tài)用地的占比。

隨著國家生態(tài)文明建設(shè)和“雙碳”目標(biāo)的提出，基于國土空間格局對生態(tài)系統(tǒng)碳儲量、生境質(zhì)量和水源涵養(yǎng)量等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究成為學(xué)術(shù)熱點之一。同時，海南自由貿(mào)易港建設(shè)背景下，?？谑形磥韺浴帮w躍式”的速度推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此，城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的方案衡量標(biāo)準(zhǔn)格外重要。針對?？谑胁糠痔厥獾刭|(zhì)類型及資源空間分布特征，在今后的國土空間管制和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)過程中，應(yīng)制定相對應(yīng)生態(tài)功能管理分區(qū)措施：（1）以建設(shè)用地為主的綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能低值區(qū)區(qū)域，應(yīng)控制建設(shè)用地總量及避免城鎮(zhèn)盲目擴(kuò)張，合理規(guī)劃生態(tài)修復(fù)空間布局，設(shè)立治理重點區(qū)，適當(dāng)增加濕地、林地等生態(tài)用地比重，或者優(yōu)化自然資源配置，以緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展所導(dǎo)致的不平衡問題；（2）綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能居中的區(qū)域（如云龍鎮(zhèn)、三江鎮(zhèn)、龍?zhí)伶?zhèn)和龍橋鎮(zhèn)北部等），以實施建設(shè)主體功能區(qū)為主，推進(jìn)城市農(nóng)業(yè)發(fā)展，確保兼顧生態(tài)和生產(chǎn)，優(yōu)化種養(yǎng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)種養(yǎng)循環(huán)，實現(xiàn)生產(chǎn)穩(wěn)定發(fā)展；（3）針對綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能高值地區(qū)，采取長期性嚴(yán)格的生態(tài)保護(hù)機(jī)制，將其設(shè)為生態(tài)保護(hù)核心區(qū)，嚴(yán)守防線，限制開發(fā)，加強(qiáng)自然林地、濕地生態(tài)保護(hù)，發(fā)揮天然生態(tài)優(yōu)勢，適度發(fā)展生態(tài)產(chǎn)業(yè)和特色產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。本研究對?？谑猩鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性的空間格局進(jìn)行評估，為確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)保護(hù)重點區(qū)域提供了參考，為?？谑形磥砜沙掷m(xù)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。但本研究存在一定的局限性，綜合生態(tài)評估是復(fù)雜多樣化的。因此，在未來的研究中，應(yīng)增加相應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，進(jìn)一步優(yōu)化綜合結(jié)果。

3.2 結(jié)論

通過InVEST 模型，結(jié)合主成分分析法對?？谑猩鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行評估，并揭示土地利用類型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的貢獻(xiàn)，得到以下主要結(jié)論。

（1）?？谑?項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性的空間分布具有規(guī)律。碳儲量、生境質(zhì)量和水源涵養(yǎng)量高值區(qū)均集中分布于西部、南部的永興鎮(zhèn)、遵譚鎮(zhèn)、龍泉鎮(zhèn)、三門坡鎮(zhèn)和大坡鎮(zhèn)等。碳儲量和生境質(zhì)量功能的極為重要區(qū)占比較高，分別為49.87%、30.40%，而水源涵養(yǎng)功能僅占4.54%，主要受降雨影響。

（2）林地、耕地和建設(shè)用地在3項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中為主要貢獻(xiàn)者,林地對碳儲量和生境質(zhì)量功能貢獻(xiàn)度較高，水源涵養(yǎng)功能均由林地、耕地和建設(shè)用地貢獻(xiàn)。

（3）?？谑芯C合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總體較良好，從西部國家地質(zhì)公園生態(tài)功能區(qū)和東部臺地?zé)嶙鬓r(nóng)林區(qū)位中心向四周城區(qū)呈遞減分布。極為重要區(qū)占比為31.94%，由于受碳儲量和生境質(zhì)量功能的主導(dǎo)，生態(tài)格局基本聚集在地勢較高、林地資源豐富和生態(tài)環(huán)境本底較優(yōu)、彈性較強(qiáng)的地區(qū)，例如石山火山群國家地質(zhì)自然公園和部分水庫。