基于InVEST模型的生態系統服務功能應用研究進展

張徐, 李云霞, 呂春娟,*, 畢如田, 夏露, 郭巖松, 王煜, 許彩彩, 孫波

基于InVEST模型的生態系統服務功能應用研究進展

張徐1, 李云霞2, 呂春娟1,*, 畢如田1, 夏露1, 郭巖松1, 王煜1, 許彩彩1, 孫波1

1. 山西農業大學資源環境學院, 山西農業大學農業資源與環境國家級實驗教學示范中心, 晉中 030801 2. 中水北方勘測設計研究有限責任公司, 天津 300222

生態系統服務功能的模擬、評估、預測及其權衡關系的研究成為生態系統服務研究領域的熱點。InVEST模型包含近20項生態服務模塊, 不僅涵蓋了生態系統服務的眾多方面, 能滿足不同功能的評價、模擬和預測需求; 而且具有很強的空間化、動態化、可視化等特點。系統分析了該模型中應用最為廣泛的生境質量、水土保持、產水模型和生態系統服務綜合功能等四個方面的應用情況, 介紹了生境風險評價模塊的應用原理, 探討InVEST模型在生態系統服務功能評估中存在的問題以及未來的發展趨勢。以期更準確、更全面地評估生態系統服務功能, 更好地保護生態, 也可為管理者和決策者提供參考。

InVEST模型; 生態系統服務功能; 評估

0 前言

生態系統服務功能是指生態系統與生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[1]。生態系統服務研究是生態系統評估的核心, 其存在極高的價值[2], 為合理有效利用和保護自然資源、實現綜合管理提供重要理論依據。

Ehrlich[3]等人首次提出生態系統服務功能概念后, 不同學者對生態服務分類展開了更加詳細的研究, De Groot[4]、Costanza[5]、歐陽志云[6]、謝高地[7]和MA[8]分別闡述生態系統服務的分類系統, 其中MA是具有影響力的分類系統, 主要包括供給服務、調節服務、支持服務、文化服務, 被學術界的學者廣泛認可和應用[9](表1)。生態系統服務評估主要集中在供給、調節服務的評估, 其中研究土地利用變化對生態系統服務的研究眾多, 而開展支持, 文化服務研究較少[10]。生態系統服務功能評估方法有物質量評估法, 能值評估法和價值量評估法。目前對生態系統的服務功能的研究主要集中于評估、模擬、預測和服務權衡等[11–13]。近年來, 隨研究深入和模型的發展, 評價方法逐步趨向于模型。同時, 隨著 3S 技術空間化特性融入模型構建中, InVEST、ARIES、MIMES 和 SoIVES等模型應用于生態系統服務功能評價, 但這些模型適用生態服務功能的側重點不同。其中InVEST模型應用尤為廣泛, 該模型對數據量的需求較低, 不但可以進行定量的生態系統服務功能評估, 而且其計算結果的空間可視性和時空異質性特征也能夠展現出來[11, 14], 便于管理者高效決策和科學制定政策, 其在未來具有廣闊的應用空間[15]。因此本文從InVEST模型應用的角度出發, 對模型各個模塊在不同領域的應用進行分析總結, 對我國目前的生態文明建設具有重要的指導意義。

1 InVEST模型簡介

InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)是美國自然資本項目組開發的、用于評估生態系統服務功能及其經濟價值、支持生態系統管理和決策的一套模型系統[16–17]。InVEST工具包括量化模型、投影模型、以及對陸地、淡水和海洋系統帶來的福利的分析, 它的應用對政策制定者和團體等人群具有重要的意義。最新模型版本為InVEST3.8.0, 包含生境質量、碳儲存、產水量、生境風險評估、沿海藍碳、營養物質輸送比、波浪能發電、泥沙輸移比等 20 個主要模塊, 最常用的是生境質量[18]、碳儲存[19]、產水量[20]、泥沙輸移比[21]等 4 個模塊。

InVEST模型從第一版1.0系統, 到最新的InVEST3.8.0的版本, 模型評估的內容更加全面化, 運行平臺更加獨立, 組織結構更加合理化[22]。模型子模塊由生物多樣性、植物傳粉、水庫沉積物保持、碳固定、水污染管理、以及木材生產6個, 擴展到今天的25個。模型在不斷的更新換代的過程中, InVEST3.0是一個重大的轉折點和突破點。InVEST3.0版本之前模型是GIS平臺下的腳本軟件, 后來模型以一種獨立的形式存在, 不需要依賴GIS軟件, 可以直接打開InVEST模型運行[23]。同時, 模塊組織分類產生翻天覆地的變化, 由0層模型、1 層模型、2層模型轉變為支持服務、最終服務和強化工具三大部分。支持服務不區別于其他生態系統服務的同時也不會直接為人們提供福利; 最終服務可以為人們提供直接利益[22]; 強化工具為InVEST GLOBIO Model、RouteDEM、DelineateIt和Scenario Generator: Proximity Based四個模塊。

表1 生態系統服務功能分類

InVEST模型軟件基于GIS軟件運行[24], 操作時需要GIS處理完成相關的單因子圖件如LULC圖、DEM圖、降雨量圖和Pawc等數據和CSV表格。工作時需要將這些空間數據導入到模型中相應的模塊中, 通過模塊運行, 便能輸出大量的目標數據和可視化圖。

2 InVEST模型應用

2.1 InVEST模型在生境質量方面的研究

隨著土地利用方式不斷更新, 導致了適宜生物持續發展的生境趨于破碎化, 生境功能退化等問題, 進而引起生物多樣性降低[25]。因此基于生境質量的研究, 對維持生物多樣性有至關重要的作用[18]。

生境質量評估以往采用構建生態系統服務評價指標體系進行評估, 該方法需要較大的人力、物力、財力并且難以進行時間動態的分析, 評估結果只是一個數值, 缺乏對生境質量的定量化評估和定性的空間分析, 其局限性較大。而InVEST模型需要的數據容易獲取, 可以實現空間性和定量化的評估, 也可以反映多個尺度、不同地區下的生境分布及其退化狀況[26]。

InVEST模型Habitat Quality模塊在研究土地利用變化[23]、土地利用格局變化[27]、景觀格局變化[14]和土地整治[26]對生境質量的影響等方面都有應用, 由于模型是通過土地利用變化對生物多樣性的威脅程度來體現生境質量[23], 因此基于土地利用變化對生境的研究更加全面且深入。生境質量主要基于行政區劃[28], 流域[29]和特殊的地形地貌區[30]不同尺度, 研究其時間變化, 空間變化和時空變化。生境質量評價時需要參考基于時間產生變化的各種生境類型或植被類型范圍[31], 實現生境質量的動態評估[32]。基于3s技術的應用以及空間分析技術的發展, 學者研究土地利用空間格局及景觀格局的變化對生境質量的影響, 評估研究區生境質量等級, 對生境質量時空變化進行分析和景觀格局與生境質量相關性進行分析[30]。研究者在技術方法上, 不僅單純的運用InVEST模型對生境質量評估, 而且采用InVEST模型與其他模型相結合共同評估生境質量, 如褚琳等[33]采用CA-Markov 模型、Logistic 回歸模型、InVEST模型探究景觀格局下生境質量狀況, 得到景觀生境質量指數和生物多樣性服務功能降低、生境質量退化等結果。

從模型的可靠性來看, InVEST模型對生境質量的研究存在一些不足。InVEST 模型計算生境質量是將威脅疊加, 而集體多種威脅的影響遠高于個體威脅之和, 因此模型計算的生境質量值存在誤差。研究區的生境質量一般是受研究區之外的生境脅迫, 在InVEST模型中, 這種研究邊界之外的生境威脅往往被省略或忽視, 因此, 存在威脅強度減少的現象。

2.2 InVEST模型在土壤保持方面的研究

基于USLE方程計算土壤保持功能的方法忽視了地塊自身泥沙持留能力, 導致評估結果不夠準確[34]。而InVEST模型考慮地塊自身攔截上坡土壤侵蝕物的能力, 使計算的土壤流失量和保持量結果更為科學準確[35]。因此基于InVEST模型對土壤保持的研究正受到學者的重視。

基于InVEST模型SDR模塊(Sediment Delivery Ratio Model)可以對土壤保持功能、土壤侵蝕特征、土壤侵蝕模擬、土壤保持生態效益評價等方面進行研究。模型可以定量的計算潛在、實際的土壤侵蝕量和土壤保持量[36], 為合理的評估土壤保持功能提供了重要的手段。隨著研究手段的成熟和研究的深入, 可以探討土壤侵蝕特征, 分析土壤侵蝕強度的空間差異、垂直差異、坡度差異[37]。研究者不僅僅定量評估土壤侵蝕特征, 在應用技術上對土壤侵蝕進行了模擬, 如周彬對北京山區的土壤侵蝕進行了模擬[12]。研究者在定量評估的基礎上, 進一步應用模型探究土壤保持生態效益評價, 李婷等[35]對土壤保持生態效益進行評價, 并分析潛在土壤侵蝕及實際土壤侵蝕和土壤保持生態服務價值空間分布。InVEST模型的廣泛適用性, 使基于模型的研究區域趨于廣泛化, 研究內容細致化, 李婷等從秦嶺山地、流域、縣域3個尺度, 通過計算潛在與實際土壤侵蝕量, 得到土壤保持服務價值空間分布圖[35]。隨著研究的發展, 學者對結果分析的手段更加多樣, 分析不同土地類型和森林類型對土壤侵蝕量的大小的影響。常暢探究得到林地、草地、耕地、建筑用地、未利用土地、水域的保持能力逐漸降低[36]。周彬采用InVEST模型探討不同森林類型, 得到天然混交針葉林、天然側柏林、人工落葉松林的土壤保持功能逐漸降低[12]。針對結果的分析不僅局限于植被和土地類型的影響, 還研究不同地形狀況對土壤侵蝕的狀況的影響進行分析, 如陳童堯探究不同土地利用、坡度、海拔高度以及土壤類型下的保土狀況[37]。

模型中USLE方程是針對美國地區土壤流失的狀況設置的經驗公式, 其適用范圍有限, 國內學者基于InVEST模型的應用, 應參考區域研究成果, 對R因子, K因子, C因子, P因子取值進行適當調整, 使其更合理的適用中國土壤侵蝕狀況。

2.3 InVEST模型在產水方面的研究

氣候變化引起水源供給的不確定性[38], 時刻威脅著生態系統保持安全穩定的狀態。因此, 對水源供給功能的定量評估成為社會發展和生態保護的必然要求[39]。

InVEST模型Water Yield 模塊是基于水循環原理, 參考降水、植物蒸騰量、地表蒸發量、根系深度等參數, 通過降水量減去蒸散發和地表徑流后, 土壤層可調節的水量(并不是指土壤層水分的變化), 即為產水量[40]。Water Yield 模塊已成功被Polasky 等[41]、Mansoor 等[42]和Marquèsa 等[43]應用于明尼蘇達河流域、威拉米特河流域、弗蘭科利河流域、科特迪瓦等國家及區域的產水量評估, 并取得很好的效果。隨著InVEST模型的應用在不斷完善, 從已有的研究成果中可以發現, 學者們不僅能夠對產水量評估, 還可以對產水量進行不同情景的綜合、動態、可視化的評估, 如呂樂婷等[20]研究大連市產水量的時空分布特征, 并分情景研究不同情景下產水量的時空變化。InVEST模型不僅可以評估產水量的時空變化特征等[44], 還能夠結合其他技術手段研究不同驅動因子對產水量的影響, 如王耕等[45]研究大凌河流域產水量的空間分布格局, 分析了不同土地利用類型、不同土壤質地、不同氣候因子下產水量的情況, 得到潮棕壤、潮土、粗骨土、棕壤產水量逐漸降低，產水量與實際、潛在的蒸散量呈負相關的結果。由此可以看出, 學者基于InVEST模型對各干支流域的產水量進行了深度研究, 為流域保護和社會發展具有重要意義。

InVEST模型Water Yield模塊雖然目前應用廣泛, 但模型存在未考慮土地利用/覆被的空間分布、很大程度上簡化了消耗性需求和模型不能很好刻畫跨流域或季節性的農業灌溉取水等缺陷。

2.4 InVEST模型在生態系統服務功能綜合評估中的應用

InVEST模型的多服務、模塊化設計決定了它非常適用于多尺度、多情景的分析[46]。相比單一生態系統角度估算, 多模塊聯合對生態系統服務功能的評估更加合理。

生態系統服務功能綜合評估是指采用InVEST模型多個模塊同時對多種生態系統服務功能進行評估。InVEST模型對劃定生態保護區來說, 是一種有效的手段, 可以將各模型評價結果分級分區、綜合疊加, 最終確定生態功能區和優先保護區等。Terrado[47]等研究討論了平原和山區的土壤保持, 水生凈化和產水量等五種生態系統服務間的模式和相互作用的變化。從已有的研究成果中可以發現, 學者們可以分析生態系統服務空間格局變化特征, 以及進行經濟發展模式與自然保護模式的協同與權衡。郭洪偉[6]對功能變化趨勢、空間格局變化和空間格局變化因素進行分析。王蓓等[48–49]借助InVEST模型和空間統計方法研究各項生態系統服務空間格局, 生態系統服務的權衡與協同關系。張甜[13]模擬大寧河流域不同情境下土地利用變化，并對不同情景下生態系統服務權衡進行研究。研究者還設置不同情景, 探究綜合和單個情景對生態服務功能土壤保持和氮磷的影響, 如吳一帆設定化肥減量、河岸緩沖帶、退耕還林和綜合修復四個情景, 探究發現它們可以提高生態服務功能[50]。學者還將InVEST模型特點與其他模型優勢相結合, 研究生態系統服務功能。周文春等利用InVEST模型進行生態系統服務功能測算, 彌補傳統算法計算結果較難進行空間量化對比的劣勢[51]。劉菊等使用InVEST模型與影子工程法, 對其生態系統水源涵養量與價值進行量化評估與空間制圖[21]。

InVEST模型模塊比較多, 從以上學者的研究可以看出主要應用于Habitat Quality、SDR、Water Yield等模塊, 尤其集中于Habitat Quality模塊和SDR模塊的研究, 這與當下生態環境存在的問題密切相關。

2.5 生境風險評價模型

生態風險評價方法主要是運用各種多元分析模型和相關變量分析方法[52], 比如土地生態風險評價模型采用質量風險、結構風險和承載力風險確定土地生態風險; 全局空間自相關分析方法研究土地綜合生態風險格網尺度上的整體分布狀況, 判斷其空間集聚性。以上評價方法具有定量化、綜合化、空間聚集化等特點, 但未充分利用空間信息技術, 而InVEST生境風險評估模型不僅基于地學信息系統GIS運行, 而且具有以上的特點和優勢, 因此其評估結果會更加合理。

InVEST模型Habitat Risk Assessment模塊是通過整合有關生境暴露在每一個壓力源的信息及其暴露后果的信息來幫助用戶去評價人類活動對沿海與海洋生境的影響及其對生態系統服務的潛在威脅[23]。InVEST生境風險評估模型運行是通過數據獲取、模型運行和結果輸出三部分完成。數據獲取需要標準分數文件夾、分析分辨率、風險公式、衰減公式、最大標準分數、最大重疊壓力源數目和HTML表等相關數據; 運行過程是首先判斷生境暴露于壓力源可能性及其暴露后果, 然后結合暴露程度與響應值去給每個壓力源—生境聯合體生成一個對應的風險值, 接著模型會量化所有壓力源對生境的累積風險, 辨別出處于風險熱點的生境區域, 最后用戶可以自行評估比柵格分辨率還高或比研究區域面積還小的子區域尺度的風險[23]; 模型輸出結果多以地圖顯示, 內容豐富且細致, 可以產出單個柵格和分區域規模形式的累積風險分數、恢復潛能等, 也可以產出生境風險地圖。InVEST生境風險評估模型可以用于退化生態系統、脆弱生態系統或者保護區等生態系統的生境風險評估, 準確識別壓力源、風險熱點等空間分布, 有助于更好地進行生態保護和恢復, 但目前這方面的研究還很少。

3 InVEST模型的研究評價與展望

InVEST模型廣泛應用于國家和地區的空間規劃、生態補償、風險管理、適應氣候變化等多個領域[23]。受到國內外學者的認可, 在生態文明建設的需求下, 未來InVEST模型在生境質量、水土保持等不同地區生態系統的應用領域更加廣泛。

當然, 在目前InVEST模型的應用中發現一些不足。第一, InVEST模型的表達直觀和評價結果的可視化, 需要空間數據, 但是空間數據的獲取存在精度不確定, 獲取方式困難等問題。因此建立完備的空間數據庫和降低數據獲取的難度是一種必然的趨勢。第二, InVEST模型預測評估生境質量的過程中需確定權重, 即各指標因子對各功能的重要性, 權重是構建土地生態系統服務評價的重要保障, 權重的切實性將影響結果的可靠性。但是, 權重的確定并沒有系統的標準和有效的方式, 因此這也是需要解決的問題。第三, InVEST模型用于國家、省、流域等區域大尺度的研究[53], 但是目前區域小尺度的生態服務也至關重要, 因此InVEST模型未來更新發展可以趨于小區域的研究。綜上所述InVEST模型應通過完善理論、創新模型和拓展實踐等途徑促進模型應用的可靠性。

InVEST模型在生態系統服務功能評估雖然存在一些缺陷, 但在生態領域適用性、動態性以及空間化的特點是毋庸置疑的, 應用前景非常廣泛。第一, InVEST模型趨向于在生態系統服務功能的權衡與協同研究的應用, 研究各種服務功能的得失, 政府決策的得失, 從而為利益相關者和政府制定者提供更多元化的管理決策[46]。第二, 未來InVEST模型將更多的應用于生態時空格局變化及其重要評價。前期的研究多是以時間序列為主, 伴隨著人類活動和生態環境的不斷惡化, 促使生態時空格局的研究。因此分析和研究時空格局的變化對生態系統的研究和維持自然生態系統的平衡至關重要。第三, 隨著大數據時代的發展, 未來InVEST模型勢必與大數據相結合, 未來企業可以采用InVEST模型降低投資風險, 它可以指導自然資本進行投資, 以確保他們的供應鏈的可持續化、安全化。

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Research progress on application of ecosystem service functions based on InVEST model

ZHANG Xu1, LI Yunxia2, LYUChunjuan1,*, BI Rutian1, XIA Lu1, GUO Yansong1, WANG Yu1, XU Caicai1, SUN Bo1

1. College of Resources and Environment, Shanxi Agriculture University, National Experimental Teaching Demonstration Center for Agricultural Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Jinzhong 030801, China 2. China Water Resources Bei fang Investigation, Design and Research Co. Ltd, Tianjin 300222, China

The research on the simulation, evaluation, prediction and trade-off of ecosystem services has become a hot topic in the field of ecosystem services. The InVEST model contains nearly 20 modules of ecosystem services, which not only covers many aspects of ecosystem services, but also can meet the needs of evaluation, simulation and prediction of different functions; moreover, it is characteristic of spatialization, dynamic and visualization. This paper introduced the application principle of habitat risk assessment module, analyzed the application of habitat quality, soil and water conservation, water production model and ecosystem service comprehensive function, and discussed the problems and future development trend of InVEST model in ecosystem service function assessment. The research progress is useful to evaluate ecosystem service function more accurately and comprehensively, and to provide reference for government managers and decision makers.

InVEST model; ecosystem services; evaluation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.01.027

張徐, 李云霞, 呂春娟, 等. 基于InVEST模型的生態系統服務功能應用研究進展[J]. 生態科學, 2022, 41(1): 237–242.

ZhangXu, LIYunxia, LYUChunjuan, et al. Research progress on application of ecosystem service functions based on InVEST model[J]. Ecological Science, 2022, 41(1): 237–242.

Q141

A

1008-8873(2022)01-237-07

2020-06-04;

2020-06-24

山西省自然基金項目“沿黃丘陵溝壑區煤炭資源性縣域水土保持生態空間格局的時空演變及驅動力分析”; 國家自然科學基金項目“鐵礦干排尾礦坡面生態恢復侵蝕調控機理研究”(41401619)

張徐(1994—), 男, 山西運城人, 在讀碩士研究生, 主要從事土地生態研究, E-mail: 1246727491@qq.com

呂春娟, 女, 博士, 教授，主要從事生態修復、土地整治、土壤侵蝕方面的研究, E-mail: lcjcwg@ 126.com