基于InVEST模型的自然保護地生態系統服務功能研究

徐李麒麟，佘濟云，陳彩虹，崔博文

(中南林業科技大學，湖南 長沙 410000)

1 引言

自然保護地(Protected Area)是由各級政府依法劃定或確認，對重要的自然生態系統、自然遺址、自然景觀及其所承載的自然資源、生態功能和文化價值實施長期保護的陸域或海域。自然保護地是生態建設的核心載體，在維護國家生態安全中居于首要地位[1]。據統計，我國建有各級各類自然保護地10余種，總數超過1.2萬處，面積超200萬km2，占國土面積18%以上[2～4]。但目前我國保護地體系存在諸多問題，包括缺乏保護地總體發展戰略與規劃，保護地破碎化、孤島化現象嚴重，不同類型的保護地空間重疊，多頭管理、土地權屬不清晰等[5～7]。因此，利用國家公園建設的契機，重新構建自然保護地體系，對明確自然保護地的功能定位、整合破碎化和孤島化的保護地、加強自然保護地的保護以及為子孫后代留下重要的自然遺產具有重要意義[8～10]。

生態系統服務功能(Ecosystem services functions)是指生態系統形成和所維持的人類賴以生存和發展的環境條件與效用，主要分為支持服務、供給服務、調節服務和文化服務4種服務類型。生態系統服務功能是國際和國內學者在林學、生態學、環境科學、資源科學等多個領域的熱點研究問題之一，受到眾多專家學者、組織機構等的廣泛關注[11]。21世紀以來，人類活動對自然資源的過度開發利用以及對生態環境的大肆破壞對全球生態系統造成了不可逆轉的影響，導致大氣污染、水質下降、水土流失、氣候變暖、土地退化、植被破壞和生物多樣性減少等生態環境問題，進而造成全球性的生態危機[12-14]。生境作為生物的生活空間，其質量高低與生物多樣性保護息息相關[15]；碳儲存有助于減少碳進入大氣環境引發溫室效應[16]；土壤侵蝕會加劇水土流失，威脅糧食安全、經濟社會發展和流域生態健康[17，18]。因此，開展區域生態功能區劃及針對性管理策略研究，對促進區域建設與生態環境保護的協調發展具有重要意義。對生態系統服務功能進行全面研究對區域內各項服務功能的權衡和協同具有重要的指導作用。

基于此，本研究以湖南省新邵縣自然保護地為研究對象，使用GIS和InVEST模型對區域碳儲存、水源涵養、土壤保持和生境質量等生態系統服務功能進行量化分析，基于模型量化結果對保護地的生態系統服務功能進行重要性評價，以期為新邵縣自然保護地生態環境保護和空間體系研究提供依據，為生態系統服務功能修復及區域生態建設提供參考。

2 研究區概況

新邵縣隸屬于湖南省邵陽市，位于邵陽市北部，湖南省中部，介于邵陽盆地和新漣盆地之間，地勢南高北低。資水縱貫全境。地理坐標為111°8′～111°5′E，27°15′～27°38′N。東北靠漣源市，東南鄰邵東縣，南鄰邵陽市區和邵陽縣，西毗隆回縣，北連新化縣、冷水江市。

新邵縣擁有保護地6個，其中：國家級自然保護地5個，縣級1個。分別是岳坪峰國家森林公園、筱溪國家濕地公園、白水洞國家級風景名勝區、白水洞國家地質公園、資水新邵段沙塘鱧黃尾鲴國家級水產種質資源保護區，同時還有羊古坳1個縣級自然保護區。整合優化后的保護地為岳坪峰國家森林公園、白水洞國家地質公園和筱溪國家濕地公園。

3 數據來源與處理

3.1 數據來源

數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心，以Landsat TM/ETM、Landsat 8 遙感影像為數據源，裁剪后得到新邵縣自然保護地土地利用類型數據。

3.2 數據處理

利用ArcGIS并基于InVEST模型的碳儲存、水源涵養、土壤保持和生境質量模塊，統計分析4個生態系統服務功能指標，并采用Standard Deviation Method對保護地的生態系統服務功能進行了等級劃分和評價。

4 保護地生態系統服務功能分析

4.1 碳儲存功能

基于碳密度表和InVEST模型的碳儲存模塊，經過統計分析得到自然保護地碳儲量空間分布圖(圖1)，從圖1中可以看出，3個保護地的總碳儲量為565908.386 t，其中，筱溪國家濕地公園的碳儲量為65137.73 t、白水洞國家地質公園的碳儲量為310379.3215 t、岳坪峰國家森林公園的碳儲量為190391.3369 t。

圖1 新邵縣自然保護地碳儲量空間分布

通過對不同利用類型的土地碳儲量進行計算，可以得到不同土地利用類型碳儲量表(表1)，從表1中可以看出，不同土地利用類型的單位面積碳儲量存在差異，喬木林地的單位面積碳儲量最大，為398.71 t/hm2，陸地水域的單位面積碳儲量最小，為0.40 t/m2。總體上喬木林地的碳儲量占比最多，為總碳儲量的96.5%。

表1 不同土地利用類型碳儲量

4.2 水源涵養功能

從圖2中可知，白水洞國家地質公園的水源涵養量為34604.1432×104m3、筱溪國家濕地公園的水源涵養量為14463.2088×104m3,岳坪峰國家森林公園的水源涵養量為20384.392×104m3。從空間分布上面看，水源涵養量的空間分布主要表現為“白水洞國家地質公園高、岳坪峰國家森林公園次之、筱溪國家濕地公園低”的分布趨勢。總體來說，白水洞國家地質公園水源涵養價值最高，主要原因是該區域植被覆蓋度高，且降雨量較大，土壤主要為棕壤和黃棕壤，導水性能好，因此水源涵養量高。筱溪國家濕地公園水源涵養價值低是因為受年降雨量、蒸發量、植被覆蓋度以及人類活動等因素的影響，各因子綜合作用導致該區域水源涵養能力弱。

圖2 新邵縣自然保護地水源涵養功能空間分布

通過分析單位面積的水源涵養量，可以看出不同地類(除水體外)水源涵養能力從大到小排序為：喬木林地>灌木林地>園地>竹林地>草地>耕地>特殊用地>建筑用地。從土地利用類型來看，喬木林地水源涵養功能最強為56837.1576×104m3。林地單位面積水源涵養量高于草地，是因為在降水量相差不大的情況下，林地群落結構復雜，增加對降水的截留量，使降水到達地表的時間延長[19]。而耕地的群落結構單一，且植被覆蓋度低，加之農作物種植間距的影響，容易導致水土流失，所以水源涵養能力弱[20]。建筑用地由于在地表增加了不透水地面，使降水入滲減少，流量增加，增加降水的地表徑流，因此水源涵養能力最低(表2)。

表2 不同土地利用類型水源涵養量

4.3 土壤保持功能

通過InVEST模型的土壤保持模塊運算，由圖3 可知，白水洞國家地質公園的土壤侵蝕量為111786.96 t、筱溪國家濕地公園的土壤侵蝕量為103460.16 t、岳坪峰國家森林公園的土壤侵蝕量為70359.76 t，從空間分布看，3個保護地的土壤侵蝕量在空間上呈現“白水洞國家地質公園高、筱溪國家濕地公園次之、岳坪峰國家森林公園低”的分布趨勢；在土壤侵蝕量高值區中，中幼齡林分布較多，且建筑用地較多，土層被破壞，夏季降水較多增加土壤侵蝕量，因此水土保持功能較差。土壤侵蝕量低值區主要分布喬木林地和竹林地，地形坡度小，土壤侵蝕量較低。

圖3 新邵縣自然保護地土壤保持功能空間分布

利用ArcGIS軟件對保護地的土壤侵蝕量進行統計，從而得到不同土地利用類型土壤侵蝕量。從表3中可以看出，喬木林地土壤保持功能最強，其單位面積土壤侵蝕量為17.56 t/hm2，水域的土壤保持功能最弱，其單位面積土壤侵蝕量為247.65 t/hm2。通過分析單位面積土壤侵蝕量，不同地類土壤侵蝕量從大到小排序為：陸地水域>耕地>草地>竹林地>灌木林地>園地>特殊用地>建筑用地>喬木林地。由于陸地水域的地表植被覆蓋度低，受降水侵蝕概率較大，因此水土保持功能最弱，而喬木林地水土保持功能最強。

表3 不同土地利用類型土壤侵蝕量

4.4 生境質量

運用ArcGIS平臺，對自然保護地的生境質量進行計算，最終得到生境質量分布圖，由圖4 可知，從空間分布看，湖南省新邵縣自然保護地的生境質量高值區主要分布在岳坪峰國家森林公園，總平均生境指數為0.975，低值區主要分布在筱溪國家濕地公園，總平均生境指數為0.904，空間分布差異不顯著；生境質量較高的區域有林地分布廣泛、植被覆蓋度高，自然生態系統受人為干擾較少。生境質量低值區當地生態系統單一，生態環境脆弱，生境質量最低。

圖4 新邵縣自然保護地生境質量空間分布

土地利用類型的變化是導致生境質量變化的重要驅動因素。運用ArcGIS軟件對保護地的不同利用類型的土地的平均生境質量指數進行統計，可以得到不同土地利用類型生境質量表(表4)。由表4可以得知，喬木林地平均生境指數最高，為0.987，陸地水域平均生境指數為0.823，灌木林地平均生境指數為0.729，建筑用地平均生境質量指數最低，為0.009。總體而言，林地的平均生境指數高于建筑用地。

表4 不同土地利用類型生境質量

5 生態系統服務功能重要性評價

在InVEST 模型的基礎上，研究采用Standard Deviation Method 對碳儲存、水源涵養、土壤保持以及生境質量進行等級劃分[21]，劃分為極重要區、重要區和一般重要區。根據自然保護地的實際生態情況，取各項評價指標結果的最高等級作為生態系統服務功能重要性等級。具體的評價方法如下：

[生態系統服務功能重要性]=max([碳儲存功能重要性],[水源涵養功能重要性],[土壤保持功能重要性],[生境質量維護功能重要性])

湖南省新邵縣自然保護地生態系統服務功能重要性(圖5)分為一般重要區、重要區和極重要區。由評價結果可知，岳坪峰國家森林公園的重要區占比面積最大，其次為極重要區，一般重要區占比最小。重要區主要分布在保護地南部區域，土地利用類型主要為喬木林地；筱溪國家濕地公園的一般重要區、重要區和極重要區的面積占比大致相同，極重要區主要分布在保護地西北部，土地利用類型為喬木林地與竹林地。一般重要區主要分布在陸地水域區域；白水洞國家地質公園的重要區面積占比最大，一般重要區與極重要區面積占比大致相等。一般重要區主要分布在保護地的東部，土地利用類型主要為竹林地、草地和耕地。極重要區與重要區皆均勻分布在保護地中，土地利用類型主要為林地。

圖5 生態系統服務功能重要性評價

6 結論與討論

6.1 結論

本研究以湖南省新邵縣自然保護地為研究對象，以土地利用、土壤、DEM數據等為切入口，綜合運用ArcGIS和InVEST模型，對自然保護地的生態系統服務功能進行了量化分析，并運用Standard Deviation Method對自然保護地的生態系統綜合服務功能進行了重要性分級評價，研究結果可對自然保護地的發展管理提供借鑒意義。主要結論如下。

(1)通過InVEST模型的定量分析，可得3個保護地的總碳儲量為565908.386 t，其中，筱溪國家濕地公園的碳儲量為65137.73 t、白水洞國家地質公園的碳儲量為310379.3215 t、岳坪峰國家森林公園的碳儲量為190391.3369 t；從土地利用類型來看，喬木林地的碳儲量占比最多，為總碳儲量的96.5%。

(2)水源涵養量空間分布主要表現為“白水洞國家地質公園高、岳坪峰國家森林公園次之、筱溪國家濕地公園低”的趨勢，水源涵養量值分別為34604.1432×104m3、20384.392×104m3、14463.2088×104m3。從土地利用類型來看，喬木林地水源涵養功能最強為56837.1576×104m3。從單位面積水源涵養量看，不同地類(除水體外)水源涵養能力大小排序為：喬木林地>灌木林地>園地>竹林地>草地>耕地>特殊用地>建筑用地。

(3)土壤保持功能主要通過土壤侵蝕量反映，白水洞國家地質公園的土壤侵蝕量為111786.96 t、筱溪國家濕地公園的土壤侵蝕量為103460.16 t、岳坪峰國家森林公園的土壤侵蝕量為70359.76 t，3個保護地的土壤侵蝕量在空間上呈現“白水洞國家地質公園高、筱溪國家濕地公園次之、岳坪峰國家森林公園低”的分布趨勢；從土地利用類型來看，喬木林地土壤保持功能最強，其單位面積土壤侵蝕量為17.56 t/hm2，水域的土壤保持功能最弱，其單位面積土壤侵蝕量為247.65 t/hm2。

(4)湖南省新邵縣自然保護地的生境質量高值區主要分布在岳坪峰國家森林公園，總平均生境指數為0.975，低值區主要分布在筱溪國家濕地公園，總平均生境指數為0.904，空間分布差異不顯著；從土地利用類型來看，有林地平均生境指數最高，建筑用地平均生境質量指數最低。

(5)湖南省新邵縣自然保護地的生態系統服務功能劃分為一般重要區、重要區和極重要區。由評價結果可知，岳坪峰國家森林公園的重要區占比面積最大，其次為極重要區，一般重要區占比最小；筱溪國家濕地公園的一般重要區、重要區和極重要區的面積占比大致相同；白水洞國家地質公園的重要區面積占比最大，一般重要區與極重要區面積占比大致相等。一般重要區主要分布在保護地的東部，極重要區與重要區皆均勻分布在保護地中。

6.2 討論

本研究在模型構建過程中，部分參數主要通過模型指南和國內相似地區研究成果結合本研究區的自然地理特征獲得，可能存在一定誤差，今后應加強外業實地監測調查，實現參數本地化評估結果的準確性。考慮到數據資料的獲取難度，本文選取碳儲存、水源涵養、土壤保持、生境質量4個生態系統服務功能指標進行研究，但研究不夠全面，今后應充分考慮生態系統服務功能指標選取的全面性。

由于研究篇幅與時間的限制，本研究只對新邵縣自然保護地的生態系統服務功能進行了重要性評價，在今后的研究中，可加入生態脆弱性評價等影響因子，以對保護地的生態保護重要性進行綜合評價。