基于Web of Science的InVEST模型在生態(tài)領(lǐng)域的研究進展分析

李曉喬,宋 玉,魏彩蕓,王璐漪,何文博,黃 梟

(1. 甘肅省水利廳 水土保持中心,甘肅 蘭州 730020;2.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

人類從生態(tài)系統(tǒng)獲取的各種效益統(tǒng)稱為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[1］。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的科學(xué)研究和綜合評估始于20世紀(jì)70年代,由GEORGE et al.[2-4］人首次提出并使用,此后被學(xué)者和公眾接受并廣泛使用。學(xué)者們開始從不同的科學(xué)角度去研究人類社會與自然生態(tài)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系,運用不同的方法及技術(shù)手段來評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,從而實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展和自然生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用[5］,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究對人類社會合理使用自然資源,調(diào)節(jié)人類發(fā)展與自然服務(wù)功能之間的矛盾有重大的現(xiàn)實意義。研究和評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的首要因素是對其進行合理分類,目前已有國內(nèi)外學(xué)者對此展開過詳細(xì)研究,例如GROOT et al.[6］將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為生產(chǎn)、承載、調(diào)節(jié)、信息功能,ROBERT et al.[7］將其分為氣候調(diào)節(jié)、擾動調(diào)節(jié)、水調(diào)節(jié)、生物控制、土壤形成、休閑和文化等17個類型,謝高地等[8］將其分為氣體調(diào)節(jié)、生物多樣性保護、食物生產(chǎn)、水源涵養(yǎng)、娛樂文化等9類。在2000年的聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估項目(Millennium Ecosystem Assessment,MA)中將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為四大類,分別為:支持(supporting)、調(diào)節(jié)(regulating)、供給(provisioning)和文化(cultural)服務(wù)[9］,該分類是目前最具影響力的分類系統(tǒng)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估方法有物質(zhì)量評估法、能值評估法和價值量評估法[10］。對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究主要集中于評估、模擬、預(yù)測和服務(wù)權(quán)衡等[11-12］。隨著對該方面研究的深入,生態(tài)系統(tǒng)評估模型應(yīng)運而生,如佛蒙特大學(xué)開發(fā)的MIMES、GUMBO和ARIES,美國林業(yè)署開發(fā)的CITYgreen,威斯康辛大學(xué)開發(fā)的IBIS,以及斯坦福大學(xué)等開發(fā)的InVEST等眾多生態(tài)服務(wù)評估模型[13］。每個模型對于評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)鍵點不同,同一模型也可評估不同的具體生態(tài)服務(wù)功能。基于GIS和RS技術(shù)的InVEST模型是一種發(fā)展最為成熟,應(yīng)用也最為廣泛的綜合類生態(tài)服務(wù)評估模型。InVEST模型對原始數(shù)據(jù)量的要求較低,可使評估結(jié)果精確量化,計算結(jié)果以圖的形式呈現(xiàn),從而可定性分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的時空變化特征及演化進程。InVEST模型在空間分析功能、應(yīng)用成本、開源性、評估精度等方面相較于Esvalue、EcoMetric等其他生態(tài)系統(tǒng)評估模型具有明顯優(yōu)勢[14］,其在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估中的應(yīng)用,對決策者權(quán)衡人類活動的效益及影響、制定生態(tài)環(huán)境保護及修復(fù)的方案、確定人類社會可持續(xù)發(fā)展的合理規(guī)劃都具有建設(shè)性意義。

1 InVEST模型概述

1.1 InVEST模型簡介

InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型是由斯坦福大學(xué)、大自然保護協(xié)會(The Nature Conservancy,TNC)和世界自然基金會(World Wildlife Fund,WWF)聯(lián)合開發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估模型[15］。該模型主要面向政府、企業(yè)、科研機構(gòu)、高校等,在自然資本決策、生態(tài)環(huán)境評價、水土資源利用規(guī)劃、全球氣候適應(yīng)策略、社會經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略、娛樂文化服務(wù)等方面都有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景。模型產(chǎn)生的可視化結(jié)果可為決策者提供決策依據(jù),例如權(quán)衡人類活動產(chǎn)生的影響、規(guī)劃與制定自然資源的利用方針及調(diào)節(jié)生態(tài)結(jié)構(gòu)等。模型評估模塊主要有淡水生態(tài)系統(tǒng)、海洋生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)。

InVEST工具包括量化模型及投影模型,對陸地、淡水和海洋系統(tǒng)帶來的效益進行分析。為方便生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的分析,將InVEST中的模型分為支持服務(wù)、最終服務(wù)及工具3個主要類別(見表1),其中:支持服務(wù)并不會為人類直接提供利益;最終服務(wù)分為生物物理供應(yīng)及向人類的供應(yīng),可以為人類提供直接利益;工具主要是為了促進生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分析。

表1 InVEST模型類別

1.2 InVEST模型的特點與不足

原始的InVEST模型建立在ArcGIS中,新版InVEST模型增強了許多功能,以一種獨立的形式存在,可以直接在Windows操作系統(tǒng)中應(yīng)用,但其中在運行海岸保護模型時需要Python擴展庫,“波浪衰減和減少侵蝕”模型將被轉(zhuǎn)換為獨立的平臺運行。

InVEST模型可分析多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和多個決策目標(biāo),模型只需輸入相對較少的數(shù)據(jù),就能夠識別哪些領(lǐng)域的生態(tài)投資可以提高人類福祉及有利于自然發(fā)展,是量化和評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的一種新的研究方法及技術(shù)手段。模型主要分為0層、1層、2層和3層4個層級模型,各層級模型在數(shù)據(jù)要求、運行步驟、計算過程和輸出結(jié)果等方面都存在差異。0層模型對數(shù)據(jù)量的要求最低,輸出結(jié)果主要是針對區(qū)(流)域等大尺度生態(tài)功能的區(qū)劃和識別,但無法量化生態(tài)服務(wù)功能產(chǎn)生的經(jīng)濟價值。1層模型相較于0層模型對數(shù)據(jù)量的要求較高,可進行貨幣化價值評估以及計算成本現(xiàn)值等。0、1層級模型可輸入時間間隔長、范圍較廣的時空區(qū)域數(shù)據(jù)。2、3層級模型既可輸入時間間隔短的動態(tài)序列數(shù)據(jù)來評估各種時空范圍的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,也可耦合與調(diào)控不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能模塊。2、3層級模型的輸出結(jié)果較為精確,但運行步驟與計算過程更加復(fù)雜,還有待進一步開發(fā)和升級。InVEST模型運用流程見圖1。

圖1 InVEST模型運用流程

InVEST模型的應(yīng)用范圍主要是在年平均和大范圍的時空區(qū)(流)域,對小尺度空間范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估較少,尤其是在聚落、田地等方面。模型中有些模塊對輸入的數(shù)據(jù)有較高的精度要求,因此相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取有一定的困難。模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能模塊眾多,關(guān)于某些模塊還需進一步研究與改進,以便能夠?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行更加合理的評估。

2 InVEST模型研究進展

2.1 文獻(xiàn)量時序分布分析

以Web of Science(WOS)核心合集為數(shù)據(jù)庫,采用高級檢索(Advanced Search)、引文索引(Editions)選擇所有期刊來源,采用檢索詞TS=InVEST model,時間范圍為2005年1月1日—2022年5月14日,檢索時間為2022年5月14日,共檢索到384篇學(xué)術(shù)期刊論文。

以論文的題目、摘要、關(guān)鍵詞為重點信息,對以上學(xué)術(shù)期刊論文進行分析,最終選擇研究性論文(Articles)和綜述性論文(Review Articles)共369篇作為代表性論文,系統(tǒng)分析關(guān)于“InVEST模型”研究方向的演變情況。由圖2可知,InVEST模型的相關(guān)研究性論文發(fā)文量和被引頻次在2005—2021年均呈現(xiàn)上升趨勢,整體上可分為初步發(fā)展和快速增長兩個階段。

初步發(fā)展階段(2005—2013年)。該階段的年發(fā)文量極少且基本沒有增幅,說明對于InVEST模型的研究和應(yīng)用處于初步的探索狀態(tài)。

快速增長階段(2014—2021年)。該階段的年發(fā)文量和年被引頻次呈現(xiàn)指數(shù)增長,增幅明顯高于第一階段,年發(fā)文量從2014年的4篇增長到2021年的109篇,年被引頻次也從2014年的27次增長到2021年的1 917次,說明自2014年以來InVEST模型開始逐漸被廣泛應(yīng)用,關(guān)于該方面的研究也越來越多。

由于本次檢索時間為2022年5月14日,因此圖2中2022年的發(fā)文量和被引頻次均低于2021年,但從第二階段的上升趨勢來看,預(yù)測到2022年年底,2022年的發(fā)文量和被引頻次均將超過2021年。由圖3可知,出版相關(guān)InVEST模型論文的主要是關(guān)于環(huán)境、生態(tài)、綠色可持續(xù)發(fā)展、生物多樣性保護等方面的期刊,其中發(fā)文量最多的為環(huán)境科學(xué)和環(huán)境研究領(lǐng)域的期刊。

圖3 主要領(lǐng)域期刊發(fā)文量占比

2.2 研究機構(gòu)合作分析

CiteSpace是一款能夠通過可視化手段呈現(xiàn)該學(xué)科知識領(lǐng)域發(fā)展過程、規(guī)律和分布情況的Java應(yīng)用程序[16］,筆者使用最新的CiteSpace 6.1.R2對WOS論文數(shù)據(jù)庫中篩選的相應(yīng)論文進行空間可視化及數(shù)據(jù)計量分析。引文空間的各類圖譜可呈現(xiàn)該學(xué)科領(lǐng)域或某一研究方向的研究熱點、發(fā)文情況,以及作者和發(fā)文機構(gòu)的出現(xiàn)頻率與分布等,其中論文作者、發(fā)文機構(gòu)、關(guān)鍵詞和被引頻次是構(gòu)建圖譜的核心。通過CiteSpace應(yīng)用程序構(gòu)建的各類圖譜可分析InVEST模型的發(fā)展方向和前沿?zé)狳c。

為全面掌握研究機構(gòu)對InVEST模型的應(yīng)用情況與研究進展,將國內(nèi)外有關(guān)研究機構(gòu)的發(fā)文量以及機構(gòu)之間的合作關(guān)系進行了統(tǒng)計。在CiteSpace軟件中導(dǎo)入369篇代表性論文,將節(jié)點類型設(shè)置為機構(gòu)(Institution),時間切片設(shè)置為起始年份2005年、終止年份2022年及切片數(shù)據(jù)1 a,聚類算法為路徑網(wǎng)絡(luò)簡化(Pathfinder network scaling)算法,該算法可簡化計算過程且結(jié)果可視化程度高,最終得到研究機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜,見圖4。

圖4 研究機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)圖譜

由圖4可知,研究機構(gòu)大多集中在高校,且各機構(gòu)之間有著一定的合作關(guān)系,國內(nèi)有較大影響力的研究機構(gòu)主要有中國科學(xué)院(發(fā)文92篇)、中國科學(xué)院大學(xué)(發(fā)文50篇)、北京師范大學(xué)(發(fā)文33篇)、中國地質(zhì)大學(xué)(發(fā)文25篇)、北京林業(yè)大學(xué)(發(fā)文14篇)等,國外有卡塔爾大學(xué)、斯坦福大學(xué)、利茲大學(xué)等。從論文發(fā)表數(shù)量來看,我國對InVEST模型的研究與應(yīng)用已基本成熟,其中中國科學(xué)院和中國科學(xué)院大學(xué)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

2.3 文獻(xiàn)共被引聚類分析

文獻(xiàn)共被引分析,是對文獻(xiàn)的參考文獻(xiàn)部分進行的共被引分析。文獻(xiàn)的被引頻次是判斷學(xué)術(shù)影響力的一個重要因素,可通過文獻(xiàn)分析該研究方向的動態(tài)演化過程。

表2列舉了有關(guān)InVEST模型的10篇高被引頻次的文獻(xiàn)[17-26］。其中:MANSOOR et al.[17］于2013年發(fā)表的“Quantifying and mapping multiple ecosystem services change in West Africa”被引頻次204次,該文使用InVEST模型繪制和量化加納和科特迪瓦2000、2005和2009年在不同土地使用條件下的生物多樣性、產(chǎn)水量、碳儲存、養(yǎng)分保持和土壤保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,并建立了一套指標(biāo)體系,分析了土地利用變化對多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能現(xiàn)狀、變化及空間格局的影響;MARTA et al.[18］于2016年發(fā)表的“Model development for the assessment of terrestrial and aquatic habitat quality in conservation planning”被引頻次135次,該文修改了InVEST模型的陸地生境質(zhì)量評估模塊,并將其擴展到淡水生境,將模型結(jié)果與觀測到的陸地和水生生物多樣性數(shù)據(jù)進行比較,來評估模型在嚴(yán)重受損盆地中的可靠性;HE et al.[19］于2016年發(fā)表的“Assessing the potential impacts of urban expansion on regional carbon storage by linking the LUSD-urban and InVEST models”被引頻次127次,該文研究了一種鏈接模型來評估城市擴張對碳儲存的影響,該模型結(jié)合了LUSD-urban和InVEST模型的優(yōu)勢,可以估計未來城市擴張對碳儲存的潛在影響,并在對北京市的碳儲存評估中證實了該模型的相對高效和準(zhǔn)確。

表2 主要參考文獻(xiàn)被引頻次

利用CiteSpace的聚類功能對文獻(xiàn)共被引進行聚類分析,探索相關(guān)與相似文獻(xiàn)的共同研究主題,可發(fā)現(xiàn)研究領(lǐng)域前沿的熱點問題。圖5為可視化的文獻(xiàn)共被引聚類圖譜。由圖5可知,文獻(xiàn)共被引聚類模塊的劃分成果顯著,聚類結(jié)果良好。進一步分析可知,聚類得到#0、#1、#2、#3、#4、#5、#6、#7共8個類別,分別為生境質(zhì)量、碳儲存、產(chǎn)水量、回歸分析、驅(qū)動因素、生物多樣性熱點、水土流失、未來土地變化情景模擬模型。從文獻(xiàn)共被引聚類圖譜中可以看出,目前關(guān)于InVEST模型的研究進展與前沿方向主要分為以下4個模塊:

圖5 文獻(xiàn)共被引聚類圖譜

1)生物多樣性評估模塊。生物多樣性是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)持續(xù)生產(chǎn)的重要因素,具有時空異質(zhì)性等特點。在InVEST模型中生物多樣性通過評估區(qū)域生境類型或植被類型的范圍和這些類型各自的退化程度來表達(dá),通過生境質(zhì)量和生境稀缺性兩個模型來表現(xiàn)。模型主要由4個因素構(gòu)成,分別為威脅的相對影響、生境類型對威脅的相對敏感性、柵格單元與威脅之間的距離和單元受到的合法保護水平。生境質(zhì)量模型的計算公式為

(1)

式中:Qxj為柵格單元x中土地利用類型j的生境質(zhì)量;Dxj為柵格單元x中土地利用類型j所受的脅迫水平;k為半飽和常數(shù),取值為Dxj最大值的1/2;Hj為土地利用類型j的生境適合性;z為歸一化常量,通常取值為2.5。

計算生境稀缺性模型時先計算各土地利用類型j的變化指數(shù)Rj,公式為

Rj=1-Nj/Njbaseline

(2)

式中:Nj為當(dāng)前土地利用類型中j類的柵格數(shù)量,單位個;Njbaseline為基準(zhǔn)土地利用類型中j類的柵格數(shù)量,單位個,若基準(zhǔn)類型中沒有j類,則Rj為0。

基于Rj,計算柵格單元x的生境總體稀缺性指數(shù)Rx,公式為

(3)

式中:X為生境柵格總數(shù),單位個;σxj用于表征柵格單元x的當(dāng)前類型是否為j類的,是為1,不是為0。

2)產(chǎn)水量模塊。InVEST模型的產(chǎn)水量模塊屬于水庫水電生產(chǎn)模塊,包括研究土地利用格局變化如何影響年地表產(chǎn)水量和水電生產(chǎn)等。產(chǎn)水量評估模塊基于Budyko水熱耦合平衡假設(shè)和年平均降水量數(shù)據(jù),具體計算公式為

Yx=(1-Ex/Px)×Px

(4)

式中:Yx為柵格單元x的產(chǎn)水量,單位mm;Ex為柵格單元x的年實際蒸散發(fā)量,單位mm;Px為柵格單元x的多年平均降水量,單位mm。

3)碳儲量估算模塊。根據(jù)土地利用分類現(xiàn)狀和土地覆蓋類型,使用4個碳庫(地上生物量、地下生物量、土壤、死亡有機物)的碳儲量估算在當(dāng)前景觀下的區(qū)域總碳儲量或者某一時空內(nèi)的碳固持量,計算公式為

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(5)

式中:Ctot為區(qū)域總碳儲量,單位t;Cabove為地上碳儲量,單位t;Cbelow為地下根系碳儲量,單位t;Csoil為土壤碳儲量,單位t;Cdead為死亡有機物碳儲量,單位t。

4)水土流失模塊。屬于淤積物截留模塊中的子模塊,采用通用土壤流失方程進行區(qū)域土壤侵蝕量的估算。模塊數(shù)據(jù)及參數(shù)來源有DEM高程數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、土壤屬性數(shù)據(jù)、土地利用/土地覆被和坡度閾值等。計算公式為

Ax=R·K·LS·C·P

(6)

式中:Ax為柵格單元x的土壤流失量,單位t;R為降雨侵蝕因子,單位MJ·mm/(hm2·h);K為土壤可蝕性因子,單位t·hm2·h/(hm2·MJ·mm);LS為坡長、坡度因子;C為覆被管理因子;P為水土保持措施因子。

2.4 研究熱點分析

在CiteSpace中對關(guān)鍵詞(Keyword)進行突現(xiàn)(Burstness)分析,統(tǒng)計2012—2022年間有關(guān)InVEST模型主要研究方向的關(guān)鍵詞,最終篩選出突現(xiàn)頻次和強度高的關(guān)鍵詞,這些關(guān)鍵詞可表征有關(guān)InVEST模型的研究熱點,結(jié)果見表3。由表3可知,突現(xiàn)強度最高的關(guān)鍵詞為“生物多樣性保護”(強度3.07),且持續(xù)時間也是最長的,說明在2015—2019年,應(yīng)用InVEST模型更多的是對生物多樣性保護方面進行研究。在2016年之前,高頻突現(xiàn)關(guān)鍵詞主要為“年平均“蒸散發(fā)量”“覆蓋”和“水文”,說明在2012—2016年,應(yīng)用InVEST模型在水利生產(chǎn)、水文等方面的研究是熱點前沿,其中包括產(chǎn)水量、水體凈化及水源涵養(yǎng)等評估模塊。在2016—2019年,高頻突現(xiàn)關(guān)鍵詞除了“生物多樣性保護”,還包括“多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”“城市擴張和權(quán)衡利弊”,說明在此期間研究者們應(yīng)用InVEST模型的評估結(jié)果去權(quán)衡城市發(fā)展對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的影響。在2019—2022年,“空間分布”“碎片化”和“情景模擬”成為新的高頻突現(xiàn)關(guān)鍵詞,預(yù)計InVEST模型在未來情景預(yù)測等方面的應(yīng)用將會進一步發(fā)展。

表3 高頻突現(xiàn)關(guān)鍵詞統(tǒng)計

3 結(jié)論與展望

1)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究對人類社會與自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展有重大的現(xiàn)實意義,InVEST模型能夠?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行綜合評估,是量化和評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的一種新的研究方法及技術(shù)手段。InVEST模型具有多模塊和多層級的特點,產(chǎn)生的可視化結(jié)果可為決策者提供決策依據(jù)。目前有關(guān)InVEST模型的應(yīng)用主要在大尺度的時空區(qū)(流)域,在研究尺度上還需進一步拓展,關(guān)于模型的某些模塊還需進一步升級與優(yōu)化。

2)InVEST模型的相關(guān)研究性論文最早發(fā)表于2005年,在2014—2021年有關(guān)InVEST模型的研究和應(yīng)用得到了快速發(fā)展。期刊種類主要集中在環(huán)境、生態(tài)、綠色可持續(xù)發(fā)展、生物多樣性保護等方面,呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉的特點。研究機構(gòu)多集中在高校,有中國科學(xué)院、中國科學(xué)院大學(xué)、斯坦福大學(xué)和利茲大學(xué)等。各研究機構(gòu)之間存在較大差異,未來應(yīng)該加強合作。預(yù)計有關(guān)InVEST模型的研究熱度將持續(xù)上升。

3)InVEST模型的研究進展與前沿方向主要有生物多樣性評估、產(chǎn)水量、碳儲量估算和水土流失4個模塊,研究視角較為豐富,目前主要模塊的研究與應(yīng)用較為成熟,但在海洋生態(tài)系統(tǒng)評估模塊的應(yīng)用較少。InVEST模型在不同時期有著不同的研究熱點,前后分別出現(xiàn)過年平均蒸散發(fā)量、水文、生物多樣性保護、多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和情景模擬等高頻突現(xiàn)關(guān)鍵詞,這些關(guān)鍵詞集中體現(xiàn)了該時期的研究熱點,預(yù)計未來情景預(yù)測將會成為新時期的研究熱點。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是一個統(tǒng)一的有機整體,只研究熱點問題,評估個別服務(wù)功能的價值是不全面的,將多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值以及相關(guān)的評價體系進行耦合,開發(fā)綜合評估模塊將成為InVEST模型未來發(fā)展的主要方向。