基于InVEST模型的舟山群島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估研究

陳 ，邵 卓，桂 峰，趙 晟

（浙江海洋大學(xué)海洋與技術(shù)學(xué)院，舟山316000）

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的利益[1]。海島生態(tài)系統(tǒng)提供了多種多樣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，如固碳釋氧、供給食物與原材料、凈化水質(zhì)、文娛科教等。這些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可以維持和滿足人類的生活，對(duì)海島及其周邊海域的開(kāi)發(fā)起著重要的基礎(chǔ)性決定作用。然而近年來(lái)，隨著氣候變化、海平面上升和海洋經(jīng)濟(jì)持續(xù)開(kāi)發(fā)，海島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的數(shù)量與質(zhì)量急劇變化，本就脆弱的海島生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)始面臨愈漸嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

準(zhǔn)確量化評(píng)估海島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是對(duì)海島資源科學(xué)管理、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。InVEST模型是基于GIS的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估模型，可基于不同土地利用情景在多尺度上對(duì)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行較準(zhǔn)確的評(píng)估，被認(rèn)為是將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究納入不同尺度管理決策的高效工具[2]。王保盛等[3]運(yùn)用InVEST模型模擬閩三角城市群2015年和2030年的水源涵養(yǎng)情景，發(fā)現(xiàn)到2030年閩三角城市群區(qū)域內(nèi)水源涵養(yǎng)量總體會(huì)下降2.4E+07m3。Yang等人[4]運(yùn)用InVEST模型對(duì)黃河三角洲濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間格局、動(dòng)態(tài)演變及其相互之間的權(quán)衡進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

舟山群島由于其自然地理位置特殊，易受熱帶氣旋、暴雨、風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害影響。設(shè)立新區(qū)以來(lái)，舟山群島海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展力度加大，海島城鎮(zhèn)化不斷推進(jìn)。自然災(zāi)害與人為干擾的雙重影響下，海島出現(xiàn)了淡水資源緊缺、漁業(yè)資源退化、周邊海域水質(zhì)下降等生態(tài)問(wèn)題。本文利用InVEST模型對(duì)舟山群島生態(tài)系統(tǒng)提供的三項(xiàng)服務(wù)（碳存儲(chǔ)、土壤保持、水源涵養(yǎng)）進(jìn)行評(píng)估，研究舟山群島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布特征，以期為舟山群島的保護(hù)與開(kāi)發(fā)提供理論支持和科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概述

舟山群島地處我國(guó)東南沿海，長(zhǎng)江口南側(cè)，位于杭州灣外緣的東海洋面。陸地面積狹窄，海域面積達(dá)2.08萬(wàn)平方公里，陸域面積1440.12平方公里，是我國(guó)第一大島群。其自然地貌主要由山地、平原和沿海灘涂濕地組成，島嶼呈現(xiàn)“大島近岸、小島離散”的分布趨勢(shì)。舟山群島屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨水豐沛，2017年全市平均降水為1411.8mm，降水量空間差異顯著。根據(jù)我國(guó)水土流失分區(qū)分類，舟山群島屬于南方紅壤丘陵地區(qū)。由于近岸1km的海域?qū)u海岸線影響最大且有極大的開(kāi)發(fā)潛力，因此本研究選取了舟山群島及海島周圍1km海域?yàn)檠芯繀^(qū)域。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 InVEST模型

InVEST模型（Integrated Valuation of EcosystemServices and Tradeoffs）由美國(guó)斯坦福大學(xué)、TNC和世界自然基金會(huì)合作聯(lián)合開(kāi)發(fā)[5]，整合了多種生物物理模型包括水源涵養(yǎng)、水土保持、作物生產(chǎn)、漁業(yè)捕撈、碳儲(chǔ)量、生境質(zhì)量、水質(zhì)凈化等評(píng)估模塊。將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)等相關(guān)參數(shù)按要求輸入模型，可較為準(zhǔn)確的評(píng)估相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)量并分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間分布情況。此外，通過(guò)模擬不同的土地利用情景，InVEST模型可預(yù)測(cè)未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)數(shù)量以及空間分布情況變化，為決策者提供更為直觀的決策評(píng)估結(jié)果。

2.1.1 碳存儲(chǔ)模塊。將研究區(qū)的土地利用/覆蓋類型與其相對(duì)應(yīng)的四類碳庫(kù)（地上、地下生物量、土壤和死亡有機(jī)質(zhì)）進(jìn)行匹配，評(píng)估研究區(qū)的碳存儲(chǔ)量及其空間分布。碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式為：

其中，C為碳存儲(chǔ)量，Cabove為地上生物量，Cbelow為地下生物量，Csoil為土壤碳庫(kù)，Cdead為死亡有機(jī)物碳含量。

2.1.2 水源涵養(yǎng)模塊。InVEST模型的水源涵養(yǎng)模塊主要基于水量平衡原理，通過(guò)輸入土地利用空間數(shù)據(jù)、降水量數(shù)據(jù)、蒸散量數(shù)據(jù)、土壤植被數(shù)據(jù)等對(duì)研究區(qū)內(nèi)的水源涵養(yǎng)狀況進(jìn)行評(píng)估。對(duì)柵格x的水源涵養(yǎng)量計(jì)算公式如下：

其中，AET(x)和P(x)是柵格 x的年實(shí)際蒸散量（mm）和年降水量（mm）。對(duì)于有植被覆蓋的土地利用類型，)的計(jì)算方法如式（3），ω(x)是表示自然氣候土壤特性的非物理參數(shù)。PE T(x)為柵格x的潛在蒸散量（mm），由植被蒸散系數(shù)Kc和參考蒸散量E T0(x)相乘而得，見(jiàn)式（4）。AWC(x)為植被有效含水量，Z為Zhan g系數(shù)，表示季節(jié)影響因子。

2.1.3 土壤保持模塊。土壤保持模塊基于改進(jìn)的土壤流失方程，將土壤實(shí)際侵蝕量與潛在侵蝕量之差作為研究區(qū)域的土壤保持量，其計(jì)算方法如下：

其中，SRETi為柵格i的土壤保持量，RKLS、USLE分別為柵格i的潛在侵蝕量和裸土侵蝕量，Ei為柵格i的泥沙持留量。R為降雨侵蝕因子[6]（式10），Pi表示i月的月降雨量，P為年降雨量。K是土壤侵蝕因子[7]（式 11），Sand、Silt、Clay、C分別表示土壤的砂粒含量（%）、粉粒含量（%）、粘粒含量（%）和土壤有機(jī)碳含量（%），SN1=1-San d/100。L S為坡長(zhǎng)—坡度因子，C為植被覆蓋因子，P為管理因子。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本研究使用的數(shù)據(jù)主要有以下幾類：（1）地理數(shù)據(jù)。研究區(qū)土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)來(lái)自于清華大學(xué)提供的F ROM-GLC數(shù)據(jù)庫(kù)，舟山主要有建筑用地、林地、耕地、水體等八種土地利用類型；舟山群島數(shù)字高程D EM數(shù)據(jù)來(lái)源于“地理空間數(shù)據(jù)云”的GDEMDEM數(shù)據(jù)集，分辨率為30m；使用A rcGIS軟件對(duì)研究區(qū)的D EM數(shù)據(jù)進(jìn)行水文分析獲得舟山群島的子流域劃分。（2）水文數(shù)據(jù)。舟山群島的年降水量、月降水量站點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自亞太數(shù)據(jù)研究中心和舟山市氣象局，通過(guò)普通克里金插值分析獲得整個(gè)群島的降水分布情況；蒸散量數(shù)據(jù)（ET0）則來(lái)自“全球干旱指數(shù)與潛在蒸散量數(shù)據(jù)庫(kù)”。（3）土壤數(shù)據(jù)。舟山群島的土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)來(lái)自“黑河計(jì)劃數(shù)據(jù)管理中心”提供的全球土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（HWSD）數(shù)據(jù)。因國(guó)內(nèi)外土壤分類體系不同，通過(guò)《中國(guó)土種志》等資料將中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)與HW S D數(shù)據(jù)匹配，獲得土壤深度數(shù)據(jù)。植被可利用含水率（PAWC）由田間持水量和永久萎蔫系數(shù)作差獲得[8]。碳庫(kù)數(shù)據(jù)主要來(lái)自于相關(guān)研究文獻(xiàn)[9，10]及InVEST模型提供的數(shù)據(jù)庫(kù)。使用A rcGIS將上述空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為W GS_1984_U T M投影坐標(biāo)系，空間分辨率為30m，裁剪提取出研究區(qū)域數(shù)據(jù)后輸入InVEST模型進(jìn)行相關(guān)分析。

3 研究結(jié)果分析

3.1 碳存儲(chǔ)服務(wù)

通過(guò)輸入模型指定參數(shù)，分析得到舟山群島2017年碳儲(chǔ)存總量為94.78萬(wàn)t。利用A rcGIS對(duì)舟山群島各海島碳存儲(chǔ)能力進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，得到舟山群島各海島的平均碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)如圖1所示?？臻g分布上看，舟山群島沿海緩坡區(qū)域碳儲(chǔ)量普遍偏低。這是因?yàn)樵诟刭Y源緊張的情況下，為解決海島有限的土地資源和城市建設(shè)發(fā)展需求之間的矛盾，灘涂及緩坡林地成為了城市進(jìn)一步發(fā)展的潛在空間。從群島尺度看，普陀山、桃花島等海洋旅游島島陸植被覆蓋度高，旅游資源豐富，這些島上的自然資源和人文資源受到嚴(yán)格保護(hù)，碳儲(chǔ)存能力較強(qiáng)。岱山島耕地和建筑用地面積在島陸總面積中占比高，碳存儲(chǔ)能力相對(duì)較差。小洋山島、長(zhǎng)白島等海島為碳儲(chǔ)能力的低值區(qū)。這些島嶼具有優(yōu)越的港口岸線資源，被開(kāi)發(fā)作為港口物流島或工農(nóng)業(yè)用島。島上建設(shè)有港口、碼頭、運(yùn)輸公路等設(shè)施，近岸海域、灘涂以及島陸發(fā)展有水產(chǎn)養(yǎng)殖、制鹽、能源等產(chǎn)業(yè)，島上的自然資源被作為原材料直接提取或被移除以轉(zhuǎn)變土地利用方式，原生生態(tài)系統(tǒng)受干擾較大，碳存儲(chǔ)服務(wù)數(shù)量大幅減少。

3.2 土壤保持服務(wù)

經(jīng)模型分析，舟山群島2017年土壤保持總量為4560萬(wàn)t，土壤侵蝕量為175.31萬(wàn)t，平均每平方千米土壤侵蝕量達(dá)648.34t，依據(jù)南方紅壤丘陵區(qū)的水土流失標(biāo)準(zhǔn)[11]，舟山群島屬于輕度土壤侵蝕。以島嶼尺度看，舟山群島大多數(shù)島嶼土壤侵蝕強(qiáng)度屬于微度侵蝕（＜500t/km2）和輕度侵蝕（500～2500t/km2），而中街山列島和小衢山的單位面積土壤侵蝕量已達(dá)強(qiáng)度侵蝕（2500～8000t/km2），東福山平均每平方千米土壤侵蝕量達(dá)8771.55t，屬于極強(qiáng)度侵蝕。小衢山島港域條件優(yōu)越，島上設(shè)有特大型砂石骨料開(kāi)采生產(chǎn)基地，大量的工業(yè)開(kāi)采破壞了海島生境，急劇加速了小衢山島的土壤流失。中街山列島位于舟山漁場(chǎng)的中心，有著豐富的旅游資源，漁業(yè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和文化旅游開(kāi)發(fā)極大地?cái)_動(dòng)了中街山列島的生態(tài)系統(tǒng)。東福山為中街山列島東部的一座小島，島上淡水資源貧瘠，植被覆蓋率僅18%，約三分之一的林地為水土保護(hù)林。東福山人類活動(dòng)頻繁，夏季常常遭受臺(tái)風(fēng)侵害，島陸土壤侵蝕嚴(yán)重，盡管島上已采取水土養(yǎng)護(hù)措施，但土壤侵蝕狀況尚未得到緩解，東福山的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展仍舊面臨很大的挑戰(zhàn)（圖2）。

圖1 舟山群島碳儲(chǔ)量及島均碳儲(chǔ)量空間分布

3.3 水源涵養(yǎng)服務(wù)

2017年舟山群島水源涵養(yǎng)總量為15.7億m3，受土地利用方式和降水因素影響，總體呈現(xiàn)為西南多，東北少的趨勢(shì)（圖3）。土地利用分類中，水體的實(shí)際蒸散量最大，實(shí)際蒸散量與降水量之比接近于1，對(duì)降水幾乎沒(méi)有截留能力，因此舟山群島周邊海域的水源涵養(yǎng)能力極弱。舟山群島西南部諸島降水豐富，林地灌叢等植被覆蓋面積大，降水截留能力較強(qiáng)，因此群島西南部近岸的金塘島、六橫島、岱山島、蝦峙島、舟山本島等大島水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)。衢山島、嵊泗列島以及其他東北部小島島陸面積小，建設(shè)用地與耕地面積相對(duì)占比高，實(shí)際蒸散量較大而降水量相比西南各島較少，水源涵養(yǎng)能力較弱，淡水資源貧乏。

圖2 舟山群島土壤保持量及土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布

4 結(jié)論

舟山群島2017年總碳儲(chǔ)量為94.78萬(wàn)t，土壤保持量為4560萬(wàn)t，水源涵養(yǎng)量為15.7億m3?？傮w而言，舟山群島中面積較大的島嶼生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平普遍高于偏遠(yuǎn)小島。偏遠(yuǎn)的小島遠(yuǎn)離大陸，交通不便，生態(tài)脆弱性強(qiáng)，各類資源十分緊張。評(píng)估結(jié)果顯示偏遠(yuǎn)小島碳存儲(chǔ)數(shù)量少，水土流失嚴(yán)重，水源涵養(yǎng)能力差。單一的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和低水平的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)導(dǎo)致偏遠(yuǎn)小島開(kāi)發(fā)難度大，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高。

圖3 舟山群島2017年降水量、實(shí)際蒸散量、水源涵養(yǎng)服務(wù)空間分布

舟山新區(qū)在我國(guó)實(shí)施區(qū)域發(fā)展總體戰(zhàn)略、海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略中具有獨(dú)特地位。隨著舟山群島進(jìn)一步發(fā)展建設(shè)，對(duì)海島資源的需求與日俱增，供給服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)的矛盾愈加激烈，海島開(kāi)發(fā)為環(huán)境帶來(lái)的危害與矛盾需要解決。因此應(yīng)以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)為約束條件，優(yōu)化海島土地利用結(jié)構(gòu)，根據(jù)海島實(shí)際生態(tài)系統(tǒng)狀況及時(shí)調(diào)整實(shí)施政策。對(duì)于資源相對(duì)較多的海島可實(shí)施空間整治、土地集約利用、城市綠化建設(shè)等措施。對(duì)于偏遠(yuǎn)小島，應(yīng)有約束的開(kāi)發(fā)，做好災(zāi)害預(yù)防、環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作，并進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，加強(qiáng)水土綜合防治，實(shí)現(xiàn)海島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)利用。