基于InVEST模型的商洛市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空變化研究

摘" 要：商洛市全境位于秦嶺自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，對該區(qū)域展開生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究，有助于保護(hù)該區(qū)域生物多樣性，可為制定生態(tài)保護(hù)措施、構(gòu)建生態(tài)補償機(jī)制提供依據(jù)。該文以南水北調(diào)工程重要水源地商洛市作為研究對象，應(yīng)用ArcGIS10.8軟件平臺以及InVEST模型對商洛市生態(tài)服務(wù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步探討研究區(qū)生態(tài)服務(wù)功能的空間分布特征并提出針對性政策建議。

關(guān)鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；InVEST模型；時空變化；政策建議；商洛市

中圖分類號：X171.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）32-0103-04

Abstract： Shangluo City is entirely located within the Qinling Nature Reserve， and conducting ecosystem services research in this area is beneficial for protecting biodiversity and providing a basis for developing ecological protection measures and establishing ecological compensation mechanisms. This study focuses on Shangluo City， an important water source for the South-to-North Water Diversion Project. It utilizes the ArcGIS 10.8 software platform and the InVEST model to analyze the ecosystem services of the city. Furthermore， the research explores the spatial distribution characteristics of ecosystem service functions in the area and offers targeted policy recommendations.

Keywords： ecosystem services; InVEST model; spatiotemporal changes; policy recommendations; Shangluo City

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指由生態(tài)系統(tǒng)形成及維系人類生存依賴的自然環(huán)境條件和效用，為人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)獲得各種惠益[1]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給是指生態(tài)系統(tǒng)在一定時期和區(qū)域內(nèi)實際能夠為人類提供的服務(wù)，與生態(tài)承載力密切相關(guān)[2]。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對資源需求逐漸增加，生態(tài)環(huán)境問題日益突顯，生態(tài)功能遭到破壞。進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估，分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能類型、數(shù)量及時空演變特征，準(zhǔn)確定位生態(tài)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，為提升生態(tài)功能治理提供理論依據(jù)，對促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有重大指導(dǎo)意義[3]。

當(dāng)前學(xué)界對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究內(nèi)容主要包括生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價[4]、生態(tài)系統(tǒng)價值評估[5]、生態(tài)補償[6]、生態(tài)安全格局[7]和不同類型土地生態(tài)功能價值量核算[8]等；研究方法上多采用生態(tài)評估模型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行定量評估，主要有InVEST模型、Meta回歸模型、ARIES模型等。

陜西境內(nèi)南水北調(diào)工程途經(jīng)商洛、安康、漢中3市，面積共計6.27萬km2，占中線水源區(qū)面積的65.86%，承擔(dān)了南水北調(diào)中線工程70%的輸水量。其中，陜西省商洛市作為南水北調(diào)水源保護(hù)區(qū)，具有重要的生態(tài)涵養(yǎng)價值。本文以南水北調(diào)工程中線城市商洛市為研究區(qū)域，利用InVEST模型測算2000—2020年間生物多樣性、水土保持、固碳服務(wù)3項服務(wù)，分析各功能時空變化特征，以期為優(yōu)化區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理、制定生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的政策提供科學(xué)依據(jù)，推動水源保護(hù)地可持續(xù)發(fā)展。

1" 研究區(qū)概況與研究方法

1.1" 研究區(qū)概況

商洛市位于陜西省東南部，秦嶺南麓，與鄂豫兩省交界，全域處于秦嶺保護(hù)范圍，總面積約為1.93萬km2。商洛山地占比較大，具有“八山一水一分田”的空間分布特征。地勢西北高，東南低，由西北向東南伸展，區(qū)域內(nèi)河流縱橫交錯，支流密布，橫跨長江、黃河2個流域。2020年，全市常住人口205.00萬人，城鎮(zhèn)化率48.03%。商洛市地處秦嶺山區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)韌性強(qiáng)勁，在秦嶺生態(tài)安全屏障構(gòu)建、生物多樣性保護(hù)、水土流失治理和釋氧固碳等服務(wù)中具有重要意義。

1.2" 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文的研究數(shù)據(jù)包括3類：土地利用數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)及植被覆蓋度數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)來源于30米全球地表覆蓋數(shù)據(jù)，數(shù)字高程數(shù)據(jù)則來自地理空間數(shù)據(jù)云，植被覆蓋度數(shù)據(jù)來自2000—2020年中國30米年最大NDVI數(shù)據(jù)集，對數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜、裁剪、插值等預(yù)處理，以WGS-84坐標(biāo)系為統(tǒng)一地理研究基礎(chǔ)。

1.3" 研究方法

基于商洛市獨特的自然條件基礎(chǔ)，地處秦嶺同時，又是南水北調(diào)中線水源區(qū)典型地區(qū)，其生態(tài)系統(tǒng)具有保護(hù)生物多樣性、保持水土及提供碳匯等重要作用，因此本文主要選取了生物多樣性、水土保持、碳儲量3個生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)，定量研究2000年、2010年、2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，利用自然斷點法對各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)劃分等級，劃分為4個等級，分別為不適宜區(qū)、一般重要區(qū)、重要區(qū)和極重要區(qū)。

1）生物多樣性重要性評估。生物多樣性的研究采用的是InVEST模型中生境質(zhì)量模塊。InVEST模型中生境質(zhì)量和生境稀缺性作為生物多樣性的反映，可以通過評估某一地區(qū)各種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)。本研究將耕地、城市建設(shè)用地、水面等受人類活動影響較大的區(qū)域作為威脅源（表1、表2）。計算公式為

式中：Qxj為j類土地x元所代表的生境質(zhì)量；Hj為j類土地代表的生境適宜度；Dxj為網(wǎng)格像素x在j中的威脅級別；z為一個常數(shù)，常設(shè)成2.5；k為半飽和常數(shù)，常設(shè)成0.5。

2）水土保持重要性評估。水土保持是指由于流水造成的土壤侵蝕，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程的減少。根據(jù)2020年發(fā)布的《資源環(huán)境承載能力和國土空間開發(fā)適宜性評價指南（試行）》，對水土保持重要性進(jìn)行評估，主要是通過研究區(qū)植被覆蓋度、生態(tài)系統(tǒng)類型及地形特征的差異這些因子進(jìn)行評估水土保持的重要性，分級閾值見表3。

3）碳儲量重要性評價。本文在評價碳儲量功能重要性時主要是利用InVEST模型的碳固定模塊進(jìn)行。根據(jù)不同土地利用類型的分布和平均碳密度，計算研究區(qū)的碳儲量。計算公式為

C=Cabove+Csoil+Cdead+Cbelow， （2）

式中：C為總碳儲量；Cabove為地上碳儲量；Csoil為土壤碳儲量；Cdead為死亡碳儲量；Cbelow為地下碳儲量。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 生物多樣性重要性變化

2000—2020年，生物多樣性極重要區(qū)域分布分散，集中在東部、西部和北部，南部較少（圖1）。西部和西南地區(qū)的極重要區(qū)域顯著減少，不適宜區(qū)域面積逐步擴(kuò)大，至2020年占比超過89%。2000—2010年，極重要區(qū)域減少67%（表4），而2010—2020年減少約40.2 km2，降幅30%?？傮w而言，2000—2020年，極重要區(qū)域減少約317.09 km2，而一般重要區(qū)域面積則呈現(xiàn)先增后減的趨勢，最終減少了約205.35 km2。

2.2" 水土保持重要性變化

商洛市水土保持水平較高，極重要區(qū)域呈現(xiàn)先增后減的趨勢，主要分布在南部和中部（圖2）。不適宜區(qū)域持續(xù)增加，集中在城鎮(zhèn)中心附近。東南區(qū)域的水土保持重要區(qū)域增加，分布零散。2000—2020年，水土保持重要區(qū)域面積占比約70%，整體增長545.93 km2（表5）。極重要區(qū)域在2000—2010年增加2 830.31 km2， 2010—2020年減少3 219.73 km2，最終減少389.42 km2，整體降幅14.4%。一般重要區(qū)域面積減少，2000年至2020年下降19.24%。不適宜區(qū)域在2010—2020年增加386.07 km2。

2.3" 碳儲量重要性變化

商洛市全境碳儲量水平較高，除城區(qū)建設(shè)用地密集區(qū)外，碳儲量分布均勻（圖3），極重要區(qū)域占比超過85%（表6）。2000—2020年，極重要區(qū)域減少840.72 km2，主要減少發(fā)生在2010—2020年，降幅為5.47%。重要區(qū)域在2000—2010年持續(xù)增加，面積從1 642.25 km2增至1 673.11 km2，2020年達(dá)到1 943.11 km2。一般重要區(qū)域2000—2010年大幅減少158.96 km2，2010—2020年雖有增加，但仍比2000年低113.96 km2。不適宜區(qū)域在2000—2010年小幅下降后整體快速增加，2010—2020年增加656.71 km2，占比增至3.49%。

3" 討論

本研究以商洛市為研究對象，對商洛市2000年、2010年、2020年生境質(zhì)量、水土保持、固碳服務(wù)進(jìn)行評價，揭示了各生態(tài)服務(wù)功能時間和空間上的變化特征，得到以下結(jié)論。

首先，2000—2020年生物多樣性極重要區(qū)在西部減少情況最為嚴(yán)重，主要在柞水縣和鎮(zhèn)安縣。西南地區(qū)生物重要性重要區(qū)域減少同樣比較明顯，不適宜區(qū)域面積逐漸擴(kuò)大。2000—2010年生物多樣性重要區(qū)域降幅較大，降幅達(dá)8.75%。2000—2020年生物多樣性重要區(qū)域面積減少共計1 187.28 km2。

其次，2000—2020年研究區(qū)整體水土保持水平較高，2010—2020年水土保持極重要區(qū)域水平降低，極重要水平向重要水平轉(zhuǎn)變，重要區(qū)域面積出現(xiàn)增多趨勢，重要區(qū)域的增加部分主要在商洛東南區(qū)域，分布較為零散，主要在山陽縣和商南縣，不適宜區(qū)域面積增加幅度386.07 km2，增長比例相對較低，變化主要發(fā)生在2010—2020年間。

再次，商洛市全境碳儲量水平較高，碳儲量重要區(qū)域分布較為均勻，除城區(qū)等建設(shè)用地密集區(qū)碳儲量偏低，其他區(qū)域碳儲量水平整體較高。

最后，商洛市整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平較高，但在2000—2020年間，各功能不適宜區(qū)域面積持續(xù)增加，尤其2010—2020年間，因城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，生物多樣性遭受破壞，應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)監(jiān)管力度，發(fā)掘生態(tài)源地，構(gòu)建生態(tài)長廊，穩(wěn)固生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在功能。

4" 對策與建議

作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)，商洛市應(yīng)著力打造現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系，持續(xù)創(chuàng)新“生態(tài)產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)生態(tài)化”實踐探索，促進(jìn)農(nóng)村一、二、三產(chǎn)業(yè)深度融合，按照“產(chǎn)業(yè)化、綠色化、景區(qū)化、品牌化”發(fā)展思路，持續(xù)壯大茶、菌、果、畜、藥和漁等特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，全面延伸產(chǎn)業(yè)鏈條，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效。加快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)路修建，局部地區(qū)應(yīng)加強(qiáng)改善“有特色資源但運輸條件不暢”的狀況，暢通與拓寬商品流通渠道，使優(yōu)質(zhì)農(nóng)副產(chǎn)品快速地進(jìn)入流通領(lǐng)域。

積極推動生態(tài)服務(wù)價值化，建立完善彈性生態(tài)補償機(jī)制。構(gòu)建南水北調(diào)中線水源區(qū)典型地域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估體系，使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)轉(zhuǎn)化為可量化、可交易的經(jīng)濟(jì)價值，創(chuàng)建生態(tài)產(chǎn)品和服務(wù)的市場平臺，通過生態(tài)產(chǎn)品市場化、碳交易等手段，實現(xiàn)生態(tài)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)創(chuàng)收，同時探索實施彈性生態(tài)補償機(jī)制，推動跨區(qū)域生態(tài)合作，引導(dǎo)供給和需求跨區(qū)域流動，跨地區(qū)解決錯配問題，引導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)走向均衡。

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