基于InVEST模型的洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務功能研究

楊 君, 周鵬全, 袁淑君, 譚 鑫, 婁知斐

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院, 湖南 長沙 410128; 2.湖南工程職業(yè)技術(shù)學院, 湖南 長沙 410000)

國內(nèi)外對于生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估方法主要分為物質(zhì)量評估法[10]和價值量評估法。價值量評估法主觀性強，可比性較差，在進行較大尺度評估時缺乏普適性，科學性較低，而物質(zhì)量評估法可根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務形成機理進行評估，其結(jié)果可靠度較高、更具解釋性，且不易受研究區(qū)尺度限制[11]，因而得到廣泛應用。例如，基于中國30個省份的能值消費情況證實合理利用可再生能源能促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[12]；通過分析現(xiàn)有系統(tǒng)的能量利用現(xiàn)狀，識別生態(tài)系統(tǒng)可發(fā)展區(qū)域和薄弱區(qū)域，強化環(huán)保設(shè)計，優(yōu)化農(nóng)業(yè)園、工業(yè)園的園區(qū)建設(shè)，有效提升了能源生產(chǎn)效率和利用效率[13-15]。美國自然資本項目組研發(fā)的InVEST模型內(nèi)涵眾多生態(tài)系統(tǒng)服務評估模塊，能夠廣泛適用于各種尺度的評估，且能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)果的空間可視化，應用前景較好。鄧楚雄等[16]基于InVEST模型“Habitat Quliaty”模塊對洞庭湖區(qū)1995—2018年生境質(zhì)量的演變進行了模擬；此外，有多位學者運用該模型對橫斷山區(qū)[17]、張家口—承德地區(qū)[18]、太行山淇河流域[19]、皖西大別山區(qū)[20]和洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)[21]的各項生態(tài)系統(tǒng)服務功能進行了評估和模擬。

洞庭湖是中國的魚米之鄉(xiāng)，是大宗農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟示范區(qū)，擁有典型的水體與濕地自然景觀和典型的淡水湖泊型自然濕地生態(tài)系統(tǒng)，也是國家保護的珍稀物種棲息地。近年來由于不合理地開發(fā)利用導致天然濕地面積減少，資源利用過度，生物多樣性減少，生態(tài)系統(tǒng)服務功能受到威脅[22]。土地利用是人與自然交叉最為密切的環(huán)節(jié)，研究土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響，對維持生態(tài)系統(tǒng)服務有著至關(guān)重要的作用。本研究運用InVEST模型對洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)2005，2018年的水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳儲量和維持生物多樣性4項生態(tài)服務功能的時空變化分析，并對研究區(qū)各項生態(tài)系統(tǒng)服務間的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系進行研究，探討研究區(qū)的生態(tài)服務功能物質(zhì)量空間分布情況，為土壤保持、土地利用和生態(tài)保護提供參考。

1 研究區(qū)概況

2014年，國務院批復《洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃》，劃定湖南省岳陽、常德、益陽市及長沙市望城區(qū)、湖北省荊州市為洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)(以下簡稱“洞庭湖區(qū)”)，本研究僅針對該區(qū)域湖南省部分開展研究。洞庭湖區(qū)總面積4.63×104km2，湖區(qū)被東、西、南方向的沖擊平原、低山和丘陵環(huán)繞，為一碟形盆地，下轄25個縣市區(qū)。2020年末總?cè)丝?.67×107人，城市化率為56%，GDP總量1.00×1012元。洞庭湖區(qū)的土壤類型以紅壤和水稻土為主，年均溫18 ℃，屬亞熱帶季風氣候，降水主要集中在3—8月，各地常年降水量在1 200～1 900 mm之間，水資源豐富，南匯湘資沅澧四大水系。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

(1) 土地利用類型柵格數(shù)據(jù)。2005，2018年土地利用類型數(shù)據(jù)為中科院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心解譯后的遙感影像數(shù)據(jù)，分辨率為30 m×30 m。因濕地作為洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)典型的生態(tài)用地，故在常見的6大類用地基礎(chǔ)之上劃分出濕地作為單獨一類，共分為耕地、林地、草地、濕地、水域、建設(shè)用地和未利用地7大類。

(2) 氣象數(shù)據(jù)。國家氣象科學數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站，包括兩個年份的洞庭湖區(qū)各個氣象站點數(shù)據(jù)。

(3) 高程數(shù)據(jù)。中科院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心。

村莊中的Ⅰ類風貌建筑保護良好，多劃歸為保護文物，售票觀覽。這樣的保護模式帶來了一些問題，所謂的保護文物脫離了原生環(huán)境變得死寂，甚至不被原生村民接納，游客進入后會聽到“沒什么可看的”的介紹；管理人員缺乏文物保護知識也是弊端之一，當村民成為一座文物建筑的售票員后，自身的局限決定了他并不會成為該項目的推廣者，游客見到的更多的是防止不買票的人員接近古建筑的守衛(wèi)。如此，生于此長于此，本應“活得”熱熱鬧鬧的古建筑逐漸寂寥。

(4) 土壤數(shù)據(jù)。世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集。

2.2 InVEST模型簡介

本研究所應用的InVEST模型3.8.5版本共分為陸地系統(tǒng)、海洋系統(tǒng)、淡水系統(tǒng)3大板塊，用于評估生態(tài)系統(tǒng)服務功能。本研究主要使用其陸地系統(tǒng)的相關(guān)模塊。

2.2.1 產(chǎn)水量 基于水量平衡原理，模型中的Water Yield模塊假設(shè)每個30 m×30 m柵格的產(chǎn)水以徑流方式匯集至流域出水口，不對地表、地下和基流做細分，利用降水、土地利用、土層深度、潛在蒸散發(fā)和植被可利用含水等參數(shù)計算研究區(qū)產(chǎn)水量。

式中：Yxj表示土地利用類型j在柵格x的年產(chǎn)水深度; AETxj是土地利用類型j在柵格x上的年蒸發(fā)量;Px為柵格x上的年降水量。

式中：Rxj為土地利用類型j上柵格x的Budyko干燥指數(shù);ωx為修正后植被可利用水量與預期降水量之比;Z為Zhang系數(shù); PAWCx為植被可利用含水量;kij為植被蒸散系數(shù); ET0為潛在蒸散量。

2.2.2 土壤保持 采用InVEST模型中SDR模塊評估研究區(qū)的土壤保持量，根據(jù)潛在土壤流失方程，由潛在土壤侵蝕量(RKLS)減實際土壤侵蝕量(USLE)得到土壤保持量(SD)。公式如下：

USLE=R×K×L×S×P×C

(5)

RKLS=R×K×L×S

(6)

SD=RKLS-USLE

(7)

式中：R為降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h)〕；K為土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(MJ·hm2·mm)〕；L為坡長因子；S為坡度因子；P為工程措施因子；C為植被覆蓋和管理因子。

2.2.3 碳儲存 采用InVEST模型中Carbon模塊計算研究區(qū)碳儲存量，基于不同時期土地利用類型數(shù)據(jù)及其對應的4個碳庫中的儲存量來估算目前景觀中儲存的碳量。計算公式：

C=Cabove+Cbelow+Cdead+Csoil

(8)

式中：C為總的碳儲量；Cabove,Cbelow,Cdead,Csoil分別對應地上碳存儲、地下碳存儲、動植物殘體碳儲存和土壤碳存儲。

2.2.4 維持生物多樣性 采用InVEST模型的Habitat Quality模塊評估研究區(qū)的生物多樣性，模擬人類活動對生境造成的影響，人類活動強度越大，對生境的威脅越大，生境質(zhì)量越低，生物多樣性水平越低；反之人類活動干擾越少，生境質(zhì)量越高，生物多樣性水平越高。結(jié)合不同的土地利用類型對威脅因子的敏感度和外界威脅強度，計算出生境質(zhì)量。

式中：Qxj為生境類型j上柵格x的生境質(zhì)量指數(shù);Hj為生境類型j的生境適宜度,取值為[0,1];Dxj為生境類型j中柵格x所受脅迫水平;k為半飽和常數(shù),通常取值為0.5,即最大生境質(zhì)量指數(shù)的一半;z為歸一化常數(shù),通常取值2.5[22]。

2.3 空間自相關(guān)分析

相關(guān)性分析能準確、定性分析各類生態(tài)系統(tǒng)服務功能之間的相互關(guān)聯(lián)程度，借助SPSS軟件，采用spearman相關(guān)性分析對洞庭湖區(qū)四項生態(tài)系統(tǒng)服務功能之間的協(xié)同與權(quán)衡關(guān)系進行研究。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化

洞庭湖區(qū)主要用地類型為林地、耕地和水域(表1)，其中林地所占面積比例最大(46%)，耕地、水域面積分別占37%，11%。從各個土地利用類型面積變化情況來看，2005—2018年，林地面積下降了0.7%；耕地面積下降了2.1%；水域面積下降了4.2%；草地面積下降了6.6%；建設(shè)用地面積增加了49.9%；濕地面積增加了41.9%。這種變化的出現(xiàn)與政府相關(guān)政策和經(jīng)濟大環(huán)境息息相關(guān)。湖南省政府明確提出加強洞庭湖區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建和完善綜合交通運輸網(wǎng)絡。13 a間，洞庭湖區(qū)GDP總量由1.66×1011元增至9.24×1011元，經(jīng)濟高速發(fā)展的背景下，對建設(shè)用地的需求不斷上升，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和綜合交通運輸網(wǎng)絡的構(gòu)建難免占用部分耕地、林地及其他各類用地，以犧牲局部地區(qū)生態(tài)環(huán)境為代價。政府部門在注重發(fā)展經(jīng)濟，增強人民福祉的同時也不忘加強生態(tài)文明建設(shè)，提出加大對洞庭湖區(qū)濕地、風景名勝區(qū)和自然保護區(qū)的生態(tài)修復力度。因此，研究期內(nèi)耕地、林地、水域等面積減少而建設(shè)用地和濕地面積增加。

表1 2005-2018年洞庭洞生態(tài)經(jīng)濟區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

耕地與林地、耕地與水域間相互轉(zhuǎn)化及耕地和林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地為洞庭湖區(qū)2005—2018年土地利用轉(zhuǎn)移的主要特征，部分林地和的水域轉(zhuǎn)化為耕地，分別占耕地轉(zhuǎn)入總面積的46%和42%；部分耕地和林地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，分別占建設(shè)用地轉(zhuǎn)入總面積的57%和37%；大量水域轉(zhuǎn)化為濕地，占濕地轉(zhuǎn)入總面積的94%；大量耕地轉(zhuǎn)化水域，占水域轉(zhuǎn)入總面積的60%。2005—2018年，雖然洞庭湖沿岸各地政府積極開展有針對性的退耕還林、森林保育等生態(tài)保護項目，但耕地和建設(shè)用地需求上升仍是客觀事實，因此才會出現(xiàn)部分地區(qū)耕地、林地相互轉(zhuǎn)化等現(xiàn)象，總體來說耕地、林地等面積呈減少趨勢而建設(shè)用地在2005—2018年激增。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務價值空間分布格局

2005，2018年各項生態(tài)服務價值空間分布格局相似(圖1)。水源涵養(yǎng)高值區(qū)集中在東部地區(qū)，中部為明顯的低值區(qū)，西部產(chǎn)水量分布較為均勻；低值區(qū)域為湖區(qū)附近，土地利用類型以耕地、水域、濕地為主，植被覆蓋率低，蒸散量大，加之降雨相對東部地區(qū)較少使得年產(chǎn)水量較少；而東部高值區(qū)年降水量更豐富，且林地分布范圍廣，對降水的截留較強，因此水源涵養(yǎng)功能更強。土壤保持方面，土壤保持量高值區(qū)主要集中在洞庭湖西北、東南、西南方向的石門縣、平江縣、安化縣和桃江縣等地區(qū)，地形多為山地、丘陵，雖然坡度較大土壤易被侵蝕，但地表植被茂密，林地居多，對土壤有更好的持留作用；而低值區(qū)雖然地勢地平，但人類活動頻繁，開發(fā)程度高，多為耕地、水域、濕地，土壤易被侵蝕，土壤保持能力較差。碳儲量方面，洞庭湖地區(qū)碳儲量在空間上呈現(xiàn)由中間向四周遞增的態(tài)勢，低值區(qū)在湖區(qū)附近，土地利用類型以水域為主，碳密度為0；水域外圍的耕地、濕地碳密度高于水域，高值區(qū)處在研究區(qū)西北、西南部和東部，該區(qū)域以林地為主，碳密度高，固碳能力強。生境質(zhì)量方面，高值區(qū)分布在地形以山地丘陵為主的東部和西部地區(qū)以及中部洞庭湖湖區(qū)附近，自然條件優(yōu)越，該區(qū)域成立了壺瓶山、烏云界等國家級自然保護區(qū)，適宜生物生存，維持生物多樣性水平較高；低值區(qū)主要分散在各個城市主城區(qū)及各類工礦用地處，受到工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展的影響，對生境破壞較為嚴重，因此生境質(zhì)量值較低。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務功能物質(zhì)量時間變化特征

2005—2018年各項生態(tài)系統(tǒng)服務價值均出現(xiàn)不同程度的變化(表2)，水源涵養(yǎng)量增加了5.31×109m3，土壤保持量增加了2.09×109t，碳儲存量減少了2.00×109t，平均生境量指數(shù)下降了0.011。

表2 2005，2018年洞庭湖區(qū)生態(tài)服務物質(zhì)量變化

從空間格局變化來看(圖1)，柵格平均產(chǎn)水深度以增加為主，增加地區(qū)的面積占全區(qū)的62.4%，但增加幅度不明顯，其中增加幅度10%以內(nèi)的地區(qū)面積占13.8%，主要受年降雨量變化影響，大致與降雨量增減保持一致。土壤保持方面，2005—2018年洞庭湖區(qū)土壤保持總量增加，減少區(qū)域的面積僅占總面積的14.5%，主要集中在洞庭湖區(qū)西北部石門縣境內(nèi)的山地丘陵地區(qū)，受降雨量增大影響，雨水對坡度較大區(qū)域的地表土壤沖刷作用更強烈，土壤侵蝕更加嚴重，土壤保持能力減弱，而整體上柵格平均土壤保持量以不變和小幅增加為主。2005—2018年洞庭湖區(qū)碳儲存總量略微減小，90.4%以上地區(qū)保持不變，增加部分面積為4%，減小部分面積為5.6%，增加的部分主要集中在君山區(qū)南部和華容縣境內(nèi)，研究期內(nèi)該地區(qū)的土地利用類型由水域轉(zhuǎn)為耕地，碳密度增強，因此碳固存能力也得到相應提升。2005—2018年洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量方面，整體上略微減小，減小部分面積占研究區(qū)總面積的61.2%，其中面積未發(fā)生變化的部分占8.3%，增加的部分占30.5%，主要由于工業(yè)化和城市化的推進使建設(shè)用地的需求增加，侵占了部分耕地和林地，周邊生境受到脅迫，整體生境質(zhì)量存在下降趨勢。

圖1 2005-2018年洞庭湖各項生態(tài)系統(tǒng)服務功能分布及變化情況

3.4 各項生態(tài)系統(tǒng)服務相關(guān)性

通過ArcGIS平臺Creat Random Points工具在研究區(qū)內(nèi)隨機生成500個采樣點，并將4項生態(tài)系統(tǒng)服務功能值提取到點。采樣點具備非線性特征且呈正態(tài)分布，借助SPSS軟件采用spearman相關(guān)性分析法對2018年洞庭湖地區(qū)各項生態(tài)系統(tǒng)服務數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，若數(shù)據(jù)呈顯著正相關(guān)為協(xié)同關(guān)系，顯著負相關(guān)為權(quán)衡關(guān)系，不呈現(xiàn)顯著相關(guān)性則為兼容關(guān)系(詳見表3)。

表3 洞庭湖區(qū)四項生態(tài)系統(tǒng)服務功能間相關(guān)性

2018年洞庭湖區(qū)除水源涵養(yǎng)和土壤保持功能相關(guān)性不顯著，為兼容關(guān)系外，其他各項生態(tài)系統(tǒng)服務功能間均呈現(xiàn)顯著相關(guān)性。生境質(zhì)量和碳儲存功能之間相關(guān)性最大，碳儲存和土壤保持、生境質(zhì)量和土壤保持、碳儲存和水源涵養(yǎng)間均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，為協(xié)同關(guān)系；水源涵養(yǎng)和碳儲存之間呈顯著負相關(guān)，為權(quán)衡關(guān)系。研究區(qū)內(nèi)生境質(zhì)量高的區(qū)域，反映出該地生態(tài)狀況好，植被較為茂密，有利于固碳和減緩土壤流失，因而與土壤保持和碳固存之間形成相互促進的協(xié)同關(guān)系，但植被茂盛的林地多處在山地丘陵地帶，地形起伏度較大，會加劇地表徑流，加之蒸騰作用更加旺盛，一定程度上影響對降水的截留，因此與水源涵養(yǎng)功能間為權(quán)衡關(guān)系。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

InVEST模型作為生態(tài)系統(tǒng)服務功能量化模型，已在國內(nèi)外得到廣泛應用，在評估研究區(qū)內(nèi)各項生態(tài)系統(tǒng)服務功能整體情況及發(fā)展方向時具有較高的可靠性，這為本研究奠定了基礎(chǔ)。與洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)生態(tài)服務功能現(xiàn)有研究相比，本研究結(jié)果與汪杰對洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳儲存3項生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估結(jié)果和發(fā)展方向基本一致[21]，但本研究增加了生境質(zhì)量研究，內(nèi)容更豐富；與鄧楚雄等[23]，耿紀文等[24]的研究結(jié)果有一定差別，主要原因是研究期限、研究方法和研究區(qū)域有所不同，他們均采用當量因子法，通過修正當量因子評估洞庭湖區(qū)生態(tài)服務價值，而不是生態(tài)服務功能物質(zhì)量，鄧楚雄等[23]的研究區(qū)是洞庭湖區(qū)，而不是洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)，比本研究少了平江縣、桃江縣、安化縣和石門縣。與前人研究相比，本研究的結(jié)果可視化更強，能直觀反映各項生態(tài)服務功能物質(zhì)量的時空分布情況，在探討了生態(tài)系統(tǒng)服務功能的時空變化后，揭示了各項生態(tài)系統(tǒng)服務間的權(quán)衡協(xié)同關(guān)系，豐富了生態(tài)服務價值與功能的研究內(nèi)容，研究結(jié)果對洞庭湖區(qū)土地資源利用與管理有意義。

生態(tài)服務功能評估受到社會、經(jīng)濟和自然等多因素影響，現(xiàn)階段對其量化評估可以了解其變化趨勢，但無論是指標選取還是模型構(gòu)建，對社會經(jīng)濟因素考慮都不夠，今后的相關(guān)研究可以從這些方面進行豐富和完善。

4.2 結(jié) 論

受經(jīng)濟發(fā)展客觀需要和退田還湖、退耕還林等相關(guān)生態(tài)保護政策影響，研究期內(nèi)洞庭湖區(qū)土地利用發(fā)生較大變化；為滿足建設(shè)用地需要，部分林地、耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地；各項生態(tài)系統(tǒng)服務價值均出現(xiàn)不同程度變化；2005，2018年各項生態(tài)服務價值空間分布格局相似，水源涵養(yǎng)、碳儲存、維持生物多樣性功能的物質(zhì)量分布情況整體表現(xiàn)為“中部低，四周高”，全區(qū)大部分土壤保持功能物質(zhì)量分布較為平均，僅東部、西南部和西北部地區(qū)出現(xiàn)較高值，這與中部地區(qū)為水域和耕地而四周區(qū)域主要為林地的土地利用布局相關(guān)；從權(quán)衡關(guān)系來看，洞庭湖區(qū)各項生態(tài)系統(tǒng)服務功能間整體上較為協(xié)調(diào)，研究區(qū)內(nèi)僅水源涵養(yǎng)和生境質(zhì)量之間為權(quán)衡關(guān)系，水源涵養(yǎng)和土壤保持之間為兼容關(guān)系，其他各項生態(tài)系統(tǒng)服務功能間均能相互增益，為協(xié)同發(fā)展關(guān)系。