基于InVEST模型的生態系統土壤保持功能研究
——以福建寧德為例

王 敏， 阮俊杰， 姚 佳， 沙晨燕， 王 卿

(上海市環境科學研究院, 上海 200233)

基于InVEST模型的生態系統土壤保持功能研究
——以福建寧德為例

王 敏， 阮俊杰， 姚 佳， 沙晨燕， 王 卿

(上海市環境科學研究院, 上海 200233)

基于InVEST模型，對寧德地區生態系統土壤保持功能的空間特征及其影響因素進行了分析。結果表明：寧德地區土壤保持總量為9.35×108t/a，單位面積土壤保持量為695.3 t/(hm2·a)，空間上呈現中部高，東北部次之，西南部低的分布格局，各縣市差異顯著；各生態系統土壤保持能力從大到小依次為：灌叢>林地>草叢>旱地>園地>水田>紅樹林>草本濕地>城鎮，自然生態系統優于人工生態系統；除自然因素外，社會經濟的迅速發展也是影響土壤保持功能的重要因素，其中單位面積GDP、單位面積第一產業生產總值、人口密度、第一產業勞動力密度、交通網絡密度以及耕地比例與單位面積土壤保持量負相關，林地和草地的比例與土壤保持功能正相關。可見，寧德地區土壤保持功能差異性顯著，并且與社會經濟發展存在緊密聯系，因此，在今后的發展中要權衡社會經濟發展與土壤保持功能的關系，促進經濟和生態環境和諧發展。

寧德; 土壤保持; 生態系統服務; InVEST

生態系統服務功能是維系人類生存和支撐地球生命系統的物質基礎[1-3]。土壤保持功能是生態系統服務功能的一個重要方面，它為土壤形成、植被固著、水源涵養等提供了重要基礎，同時也為生態安全和系統服務提供了保障[4]。土壤侵蝕是全球范圍內面臨的主要環境和農業問題之一[5]，不僅會引起土地退化、土壤肥力下降，還會影響河流的正常泄洪以及水電工程的使用壽命[6]。在此背景下，土壤保持功能研究成為了國際生態學的熱點之一，國內外許多專家和學者在這方面作了深入的研究。20世紀60年代，美國水土保持學家Wischmeier提出的通用土壤流失方程(USLE)為定量研究土壤侵蝕問題提供了有效的方法[7]。近年來，隨著3S技術的迅猛發展，基于USLE和GIS的模型方法應用而生，不僅為區域尺度土壤保持功能的量化研究提供了可能，還為生態系統服務功能綜合管理和決策提供可靠的依據[8-11]。生態系統服務和權衡綜合評估模型(InVEST)由斯坦福大學、世界自然基金會(WWF)和大自然保護協會(TNC)聯合開發，旨在權衡發展與保護的關系，尋求最優自然資源管理和經濟發展模式[12-13]。其中土壤保持模塊在USLE基礎上加以改進，評估結果更加準確、合理。目前，該模型已成功應用于北京山區[14]、白洋淀流域[15]、密云水庫流域[16]和海南島[17]等地土壤保持功能的研究。

寧德市位于福建省東北部，地形復雜多樣，生態資源豐富，同時也是全省水土流失最為嚴重的地區之一[18]，土壤保持功能在該地區生態系統調節、支持等方面發揮著至關重要的作用。近年來，隨著海峽西岸經濟區發展戰略的實施，寧德地區人口劇增，經濟快速發展，生態系統所受干擾加劇，土地利用發生改變，自然植被銳減，土壤保持服務功能退化，區域生態安全受到威脅。本研究基于InVEST模型，模擬了寧德地區土壤保持功能及其空間格局，探討了土壤保持功能的影響因素，以期為該地區的水土保持和生態系統服務功能管理提供支持。

1 研究區域概況

寧德市位于東經118°32′—120°44′，北緯26°18′—27°04′。東鄰東海，南通福州，西鄰南平，北與浙江溫州接壤。東西寬190.7 km，南北長155.3 km，土地總面積為13 452.4 km2。地勢西北高，東南低，地貌以山地丘陵為主，其間雜有山間盆地，沿海一帶間夾濱海堆積平原。寧德市屬中亞熱帶海洋性季風濕潤氣候，降水充沛，日照充足，氣候宜人。區內水系沿構造線發育，河流多呈西北—東南走向，形成獨流諸河。土壤以鹽斑田、塊田、黃泥田為主，成土母質為海相沉積物，經多年耕墾，土體表層已明顯脫鹽，底層仍有鹽分存在，土壤肥沃，養分豐富，屬中產土壤。近十年，寧德地區人口劇增，經濟發展，地區生產總值和人均生產總值具有較大幅度增加。地區產業結構繼續調整，第一產業比重繼續下降，第二產業比重穩步上升，第三產業比重有所下降。

2 研究方法與數據來源

2.1 模型原理

InVEST 模型中的土壤保持模塊基于USLE進行計算，土壤保持量包含侵蝕減少量和泥沙持留量兩部分[19]。基本形式如下：

SEDRETx=Rx·Kx·LSx·

(1-Cx·Px)+SEDRx

(1)

(2)

USLEx=Rx·Kx·LSx·Cx·Px

(3)

式中：SEDRETx和SEDRx——柵格x的土壤保持量和泥沙持留量；USLEx和USLEy——柵格x及其上坡柵格y的實際侵蝕量；Rx，Kx，LSx，Cx和Px——柵格x的降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子、地表覆蓋與管理因子和土壤保持措施因子；SEx——柵格x的泥沙持留效率。

2.2 模型構建

2.2.1 降雨侵蝕力因子R 降雨侵蝕力R反映了降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是進行土壤侵蝕預報的重要因子[20-21]。本研究采用周伏建等根據福建省實測數據建立的R值計算式[22]：

(4)

式中：R——多年平均降雨侵蝕力[MJ·mm/(hm2·h·a)]；Pi——月均降雨量(mm)。

2.2.2 土壤可蝕性因子K 土壤可蝕性K是土壤對雨滴擊濺或地表徑流等侵蝕介質剝蝕和搬運的敏感性，是土壤抵抗侵蝕能力的綜合體現，與降雨、徑流、滲透的綜合作用密切相關[23]。寧德地區主要有9個土類，目前國內學者對福建和廣東各類土壤可蝕性因子已有研究，本研究通過檢索相關文獻中的同類土壤的土壤可蝕性K值，獲得寧德地區各類土壤的土壤可蝕性因子K值[24-25]。根據寧德地區1∶1 000 000土壤圖，每種土類賦予土壤可蝕性K值，即獲得了寧德地區土壤可蝕性因子K值空間分布數據。

2.2.3 地形因子LS 地形因子是最為重要的參數，反映了坡度與地表狀況之間的關系，它本質上是雨滴或泥沙流動直到能量消失為止的距離，用與標準侵蝕小區(坡度為9%，坡長為22.13m)的比值來表示，反映地形地貌特征對土壤侵蝕的影響[7,14]。

模型對于不同坡度，能自動計算地形因子的值。本研究根據相關研究成果，將坡度域值設為25%，當坡度小于坡度域值時，地形因子計算方法如下：

(5)

(6)

當坡度大于坡度域值時，地形因子計算方法如式：

LS=0.08λ0.35Ps0.6

(7)

(8)

式中：LS——地形因子；Fa和Cs——匯水累積閾值和柵格大小；S和Ps——坡度(°)和百分數坡度(%)；n——坡長指數。

2.2.4 地表覆蓋管理因子C和土壤保持措施因子PC值定義為特定植被覆蓋與管理狀態下土壤侵蝕量與實施清耕的連續休閑地土壤侵蝕量的比值，反映植被或作物以及管理措施對土壤流失的影響，介于0～1[7,17]。本研究通過查閱文獻資料獲得不同植被類型的C值[23,26-27]。

P值是采用專門措施后土壤流失量與順坡種植時的土壤流失量的比值，反映植被的管理措施差異引起的土壤流失量差別，其范圍在0～1[7]。本研究借鑒前人研究成果及相近區域研究情況進行取值[26,28-29]。

2.2.5 泥沙持留效率SE泥沙持留效率反映了侵蝕產生的泥沙在輸移過程中因植被過濾、攔截等作用而發生沉積的過程；被攔截泥沙比例越大，則持留效率越高[30-33]。不同類型植被因結構、生物量等的差異而具有不同的持留能力[17]。本研究延用InVEST模型數據庫中不同植被類型的泥沙持留效率。

2.3 數據來源與處理

本研究使用的降雨數據來自寧德市氣象局；DEM來自全球科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站；基礎地理數據來自國家測繪局網站；土壤數據來自寧德市環保局；社會經濟統計數據來自《寧德統計年鑒2009》；生態系統分類數據由2009年寧德地區TM遙感影像解譯獲得。本研究數據空間分析和處理在ArcGIS中進行；數據統計分析處理在SPSS 19.0中進行。

3 結果與分析

3.1 土壤保持量及其空間分布

寧德地區土壤保持總量為9.35×108t/a，平均單位面積土壤保持量為695.3 t/(hm2·a)。土壤保持空間特征明顯，如圖1所示：寧德中部地區土壤保持功能較高，東北部地區次之，西南部地區較低。

圖1 寧德地區土壤保持功能空間格局

寧德地區不同市縣的土壤保持功能具有明顯差異(圖2)，土壤保持總量從大到小排序：古田>福安>蕉城>壽寧>屏南>福鼎>周寧>霞浦>柘榮，古田土壤保持總量最高，達154 962 015 t，占總量的16.57%，柘榮最低，為45 971 773 t，僅占4.92%。單位面積土壤保持量排序：柘榮>壽寧>周寧>蕉城>福安>屏南>古田>福鼎>霞浦，柘榮的單位面積土壤保持量最高，為845.07 t，霞浦最低，僅為467.71 t，差異明顯，其中，柘榮、壽寧、周寧、蕉城和福安的單位面積土壤保持量高于地區平均水平，屏南、古田、福鼎和霞浦低于平均水平。

圖2 寧德各縣市土壤保持量

3.2不同生態系統土壤保持特征

寧德地區不同生態系統土壤保持功能也具有明顯差異(表1)，土壤保持總量從大到小排序：林地>草地>水田>旱地>灌叢>城鎮>園地>紅樹林>草本濕地，林地和草叢提供的保持量占總量的80%以上，構成了寧德地區生態系統土壤保持功能的主體。單位面積土壤保持量排序：灌叢>林地>草地>旱地>園地>水田>紅樹林>草本濕地>城鎮，其中，自然生態系統的土壤保持功能遠高于人工生態系統。

3.3 人為活動對土壤保持功能的影響

自然侵蝕過程受人為活動加速發展，進而影響土壤保持功能的發揮。本研究以寧德地區各縣市為統計單元，選取各縣市的社會經濟指標(單位面積地區生產總值、單位面積第一產業生產總值、人口密度、第一產業勞動力密度、交通網絡密度、耕地比例、林地比例和草地比例)與單位面積土壤保持量進行統計分析。結果表明：社會經濟指標與土壤保持功能具有顯著相關關系，其中，單位面積地區生產總值、單位面積第一產業生產總值、人口密度、第一產業勞動力密度、交通網絡密度和耕地比例與單位面積土壤保持量顯著負相關；林地比例和草地比例與單位面積土壤保持量顯著正相關(圖3)。

表1 不同生態系統土壤保持功能

圖3 人為活動對生態系統土壤保持功能的影響

4 討論與結論

土壤保持功能不僅與生態系統的結構密切相關，還受地形、氣象、土壤、植被和人為活動等因素的影響。本研究引入了InVEST模型，綜合考慮了以上大部分因素，評價結果較為真實、準確。寧德地區土壤保持總量為9.35×108t/a，平均單位面積土壤保持量為695.3 t/(hm2·a)，評價結果高于海南島[17]和北京[15]等地的研究結果。主要原因有：(1) 寧德地區多山地丘陵和河谷盆地，這種多斷層地貌使得區域的潛在土壤侵蝕量較高；(2) 寧德地區屬中亞熱帶氣候，受海洋性季風影響，降水量豐富，在一定程度上造成區域潛在土壤保持量較高；(3) 福建是全國林地覆蓋最高的地區之一，寧德地處閩東北，植被覆蓋度高，林、灌、草層次分明，結構復雜，具有極高的土壤保持能力。可見，土壤保持功能在該區域及其顯著，保護區域生態環境狀況對土壤保持功能的發揮具有重要意義。

從空間分布來看，寧德各市縣土壤保持能力差異顯著，總體來看，中部地區較高，東北部地區次之，西南部地區較低。寧德中部貫穿有霍童溪和賽江兩大河流，河流兩岸多山地，且地形復雜，造成潛在土壤保持量較高；同時，該區域密布林地，林層結構豐富多樣，具有極高的土壤保持能力。寧德東北地區，尤其是浙江溫州交界處，降水量豐富，降雨侵蝕力因子遠高于其他區域，潛在土壤侵蝕量較高；另一方面，該地區除分布有林地外，還覆蓋有高密度草地，良好的植被覆蓋為該地區提供了較強的土壤保持能力。

寧德地區不同生態系統土壤保持能力依次為灌叢>林地>草地>旱地>園地>水田>紅樹林>草本濕地>城鎮，其中，有植被覆蓋的生態系統的土壤保持能力遠大于城鎮，可見，土壤保持功能的強弱與生態系統類型和植被覆蓋程度密切相關。除上述原因外，土壤保持功能的強弱還與生態系統內部組成結構以及氣候、土壤、地形地貌等環境因素息息相關[34]。寧德地區灌叢的單位面積土壤保持量最高，這可能與其分布于山地丘陵和降水豐富地區有關，其潛在土壤侵蝕較高，土壤保持功能可充分發揮。紅樹林和草本濕地雖然覆蓋程度較高，但因分布于河谷盆地和沿海灘涂，地勢平坦，潛在土壤侵蝕較低，土壤保持功能的發揮收到限制。

除自然因素外，土壤保持功能還受到人為因素的影響[35]。區域人口增長、經濟發展是影響土壤保持功能的重要人為因素。相關資料顯示：寧德地區人口數量從1980年的249.33萬人增長到2011年的340.03萬人；地區生產總值從1980年的66 064萬元增長到2011年的9 301 166萬元，年均增長水平均高于全國平均水平。人口增長和經濟發展直接導致了城市、居民點和交通、工礦用地迅速擴大，分布區域從河谷盆地、沿海平原及低丘臺地向山地下部的坡地擴展，有的地方連大于25度的坡地也被利用。由此產生的土壤層結構破壞和林草地、農田的直接侵占極大削弱了寧德地區的土壤保持功能。經濟利益驅使下的政策向導是影響寧德地區土壤保持功能的另一個重要因素。上世紀80年代以來，在市場需求和政府鼓勵的作用下，福建茶果園發展迅速，面積接近耕地面積的一半。除了利用原來耕地和開發原來水土流失的荒草坡地外，大部分茶果園是開發原來植被良好、無水土流失或水土流失較輕的高密度灌草地、疏林坡地和森林砍伐跡地，這一現象在閩東北的寧德地區十分普遍。果園生態系統結構單一，植被層次單調，加上清除地被物的習慣，其土壤保持功能遠不如林灌草地；同時，不少政府為顯示政績，大面積連片種果，很多坡度較大，立地條件差的坡面被改造成果園，必然引起一定的水土流失問題。寧德地區是福建主要的香菇和木耳產區，也是重要的人造板和活性炭生產基地，為滿足生產需求，每年要消耗大量的天然闊葉林，導致闊葉林面積銳減，形成殘次林并呈島狀分布[36]。雖然政府倡導植樹造林，但天然林仍不斷減少，人工林增加，森林普遍年輕化、針葉化，導致森林結構單一，總體質量下降，水土保持能力低于天然林。除上述因素外，還有許多人為不合理的開發建設活動造成寧德地區生態災害加劇，影響土壤保持功能。

本文基于InVEST模型，研究了寧德地區的土壤保持功能，著重分析了其空間分布和影響因素，在研究過程中存在一些誤差和不足：(1) 各因子數據來源和精度不一，以及在計算過程中均會產生誤差。如計算R值時，可用站點少，分布不均勻，插值計算精度有限；C值和P值采用他人的研究成果，應用于寧德地區也會不可避免地產生誤差。(2) 模型中參數地選擇也會使運算中產生誤差。如泥沙持留效率采用InVEST模型數據庫中不同植被類型的泥沙持留效率，但該成果用在寧德地區也會產生誤差。(3) 本文模擬了土壤保持物質的量，并沒有落實到價值量上，有待在今后的研究中進一步深入。雖然存在上述誤差和不足，但模型在研究該區域土壤保持功能時仍然取得了較好的效果。

基于研究成果，提出如下建議：(1) 編好生態環境保護規劃，特別是做好水土保持重要生態功能區區劃工作，按規劃實施生態環境保護工作。(2) 權衡社會經濟發展與土壤保持功能的關系，使決策者在大力發展社會經濟地同時注重區域土壤保持功能地保護。(3) 加強天然林生態系統的保護，兼顧林產業發展與森林質量保護，嚴格控制天然林的消耗。(4) 加大生態保護宣傳教育力度，健全生態監測監督體系完善生態保育，完善生態保育管理體制和決策機制。

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StudyonSoilConservationServiceofEcosystemBasedonInVESTModel-ACaseStudyofNingdeCity,FujianProvince

WANG Min, RUAN Jun-jie, YAO Jia, SHA Chen-yan, WANG Qing

(ShanghaiAcademyofEnvironmentalSciences,Shanghai200233,China)

Based on the InVEST model, this paper analyzed the spatial characteristics of the soil conservation service of ecosystems and its impact factors in Ningde. The results showed that the amount of soil preserved by ecosystems was approximately 9.35×108t/a, and the average capacity per unit area was 695.3 t/(hm2·a) for the entire region. With regard to the spatial pattern, it displayed the highest capacity in the central part and has the lowest capacity in the southwest, and the difference among the various regions was significant. The soil conservation capacity differed widely across various ecosystems, with a descending order from shrubs, forests, grasslands, dry lands, plantation, paddy lands, mangroves, swamp and city. Natural ecosystems were generally found to perform better than artificial ones in terms of conserving soil resources. Besides natural factors，social and economic development are important factors influencing soil conservation service. Indicators such as gross regional product per area, GDP of primary industry per area, population density, area ratio of farmland and transit network density, showed a negative correlation with soil conservation capacity, while area ratio of forests and grasslands showed a positive correlation with soil erosion rate. In conclusion, the social and economic development in Ningde might impair soil conservation service of ecosystems, as a result, tradeoffs should be made to keep development harmonious.

Ningde; soil conservation; ecosystem services; integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs; InVEST

2013-11-21

：2013-12-06

寧德市生態文明戰略研究

王敏(1978—),女,上海人,高級工程師,博士,主要從生態規劃與管理研究。E-mail:wangmm@163.com

阮俊杰(1984—),男,浙江紹興人,工程師,碩士,主要從生態遙感研究。E-mail:dhurjj@126.com

X171.1

：A

：1005-3409(2014)04-0184-06