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基于InVEST模型的山东省生态系统服务时空演变

王旭辉

王旭辉. 基于InVEST模型的山东省生态系统服务时空演变[J]. 四川林业科技, 2023, 44(2): 137−142 doi: 10.12172/202204250003
引用本文: 王旭辉. 基于InVEST模型的山东省生态系统服务时空演变[J]. 四川林业科技, 2023, 44(2): 137−142 doi: 10.12172/202204250003
WANG X H. Spatial and temporal evolution of ecosystem services in Shandong Province based on inVEST model[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2023, 44(2): 137−142 doi: 10.12172/202204250003
Citation: WANG X H. Spatial and temporal evolution of ecosystem services in Shandong Province based on inVEST model[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2023, 44(2): 137−142 doi: 10.12172/202204250003

基于InVEST模型的山东省生态系统服务时空演变


doi: 10.12172/202204250003
详细信息
    作者简介:

    王旭辉(1997—),女,硕士研究生,18854872252@qq.com

Spatial and Temporal Evolution of Ecosystem Services in Shandong Province Based on InVEST Model

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    出版历程
    • 收稿日期:  2022-04-25
    • 网络出版日期:  2023-02-03
    • 刊出日期:  2023-04-25

    基于InVEST模型的山东省生态系统服务时空演变

    doi: 10.12172/202204250003
      作者简介:

      王旭辉(1997—),女,硕士研究生,18854872252@qq.com

    摘要: 分析山东省生态系统服务功能时空分布驱动因素,查找当地生态系统服务受到抑制的主要因素,提高森林、耕地和水体等生态系统生产力水平。基于InVEST模型,以山东省为研究区域,评估2010年、2015年、2020年水源涵养、土壤保持和生境质量3项生态系统服务物质量及3项生态系统服务功能间的综合分区。结果表明:(1)土地利用转化以草地和耕地,耕地、林地、水体和城镇建设用地之间的相互转化为主。(2)水源涵养量和土壤保持量呈现先减少后增加的趋势,生境质量指数逐年降低。(3)山东省生态系统服务功能分区呈现带状分布,大致呈现东北-西南走向,重要性等级也呈现逐步降低的趋势。显示出山东省整体的城镇化速度在明显加快,土地利用转化频率较快,人地矛盾突出正在加剧。

    English Abstract

    • 生态学家坦斯利(Tansley)首先提出生态系统研究的观点,为研究生物与环境之间的关系从新的视角提出看法,成为当代生态学研究中较活跃的一个新领域。生态系统服务指人类从生态系统功能中获得的收益,生态系统服务的功能价值基于人类需要、利用和偏好,反映人类对生态系统功能的利用,因此功能价值的表现呈现多样化。生态系统功能是维持生态系统服务的基础,多样性对于持续提供产品的生产和服务至关重要[1]。要解决现代人类的环境污染问题、人口激增与自然资源的合理利用问题,都有赖于对生态系统的结构和功能、生态系统的稳定性及其对干扰的忍受和恢复能力的研究[2]

      近年来,国内外陆续出现各种评估方法,生态经济学等学科的研究成果将评估方法分为两类:一是替代市场技术,其中有费用支出法、市场价值法等;二是模拟市场技术,即条件价值法(UNEP)[3]。国外大多采用第二种方法来进行评估,其中包括以InVEST模型、MIMES模型、ARIES模型等为主的最终物质转换法,以基于叶面积指数的估产模型、WOFOST模型、CASA模型为主的中间物质转换法。尽管目前出现了多种价值评估方法,但是由于生态系统服务本身涉及经济学、生态学等多种学科,不同学科方向的学者出于自身领域的考虑,不免会对生态系统服务评估出现一定的差异,最终影响生态系统服务功能的评估。

      山东省作为环渤海经济区与沿黄河经济带经济发展的重要组成部分,同时也是我国生态保护中重要的一环,其生态系统服务功能的好坏对当地乃至环渤海经济区、沿黄河经济带的生态环境质量有着最直接的影响。因此,本研究选取具有代表性的水源涵养、土壤保持和生境质量三个模块,借助InVEST模型分析2010—2020年间土地利用变化对山东省生态系统服务功能的影响,并分别对水源涵养、土壤保持、生境质量进行评价分级,再综合对整个研究区的生态系统服务功能进行评价,进而确定综合功能重要性分区,为管理者提供制定政策时的参考依据,希望能促进当地经济的可持续发展以及土地利用的可持续性。

      • 研究区山东省位于中国东部沿海、黄河下游,北纬34°23′—38°17′、东经114°48′—122°42′。境域包括半岛和内陆两部分,山东半岛突出于渤海、黄海之中,同辽东半岛遥相对峙;内陆部分与河北省、河南省、安徽省、江苏省四省接壤。山东省东西长721.03 km,南北长约437.28 km,全省陆域面积约15.58万km2,海洋面积15.96万km2[4]

      • (1)土地利用类型数据

        对山东省2010年、2015年、2020年土地利用/覆被情况及其时空变化进行研究,需要利用山东省遥感影像分析并生成不同时期山东省的土地利用变化图。山东省遥感影像数据来源于地理空间数据云、中国科学院地理科学与资源研究所,基于美国陆地卫星Landsat TM影像,选取6月份且云量在小于10%的数据作为基础数据,运用ENVI软件对遥感数据进行处理,空间分辨率为1km。

        (2)降雨量数据

        山东省地区月均降雨量数据通过NASA DISC官网获取TRMM_3B43_V7月降雨数据集,因下载的HDF格式数据未定义参考系及方向倒转,需先进行旋转成正确的方向并定义参考系,输出tiff格式才可使用,数据空间分辨率为0.25°,时间分辨率为3h。利用ENVI软件进行数据预处理转成tiff格式。

        (3)土壤数据

        土壤属性数据来自联合国粮农组织(FAO)和维也纳国际应用系统研究所(IIASA)所构建的世界和谐土壤数据库HWSD[5],数据分辨率为1km,

      • 对山东省的生态系统服务功能评估,本研究选用的是由美国自然资本项目组开发的InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)。与其他模型相比,InVEST模型可以将模型结果空间可视化,解决了以往评估生态系统服务功能只能采用抽象方式表达的缺点[6]。本研究选取的是InVEST模型中水源供给、土壤保持和生境质量三个模块,这三项服务功能是为人类提供着直接利益,与人们生活息息相关,同时,考虑到山东省内耕地面积广大,水资源紧缺、土壤流失等问题,综合选择了水源涵养、土壤保持和生境质量三个模块进行定量评估。

      • 水源供给模型估算用栅格单元的降雨量减去实际蒸散发后的水量得到,供给量越多越说明水资源服务越强。

        $$ {Y}_{x}=\left(1-\frac{{AET}_{X}}{{P}_{x}}\right)\times {P}_{x} $$ (1)
        $$ \frac{{AET}_{X}}{{P}_{x}}=1+\frac{{PET}_{X}}{{P}_{x}}-{\left[1+{\left(\frac{{PET}_{X}}{{P}_{x}}\right)}^{\omega }\right]}^{\tfrac{1}{\omega }} $$ (2)
        $$ \omega =Z\times \frac{AWC}{P}+1.25 $$ (3)
        $$ AWC=Min(Rest.layer.depth,root.depth)\times PAWC $$ (4)
        $$ AET=Min\left(P\times {ET}_{0}\times K\right) $$ (5)

        式中,$ {Y}_{x} $表示土地利用类型的年产水量,$ {AET}_{X} $表示栅格x的年实际蒸散量,$ {P}_{x} $表示栅格x的年降水量,$ {PET}_{X} $表示潜在蒸散量,$ \omega $表示自然气候-土壤性质的非物理参数,是一个经验参数,通常用$\dfrac{AWC\times N}{P}$线性函数表示,式中N表示每年降水事件数, AWC表示土壤有效含水量(mm),由植物利用水分含量(PAWC),以及土壤的最大根系埋藏深度和植物根系深度的最小值决定[7] ,Z为经验常数,又称为“季节常数”, Z与N呈正相关,N是每年降水发生次数。1.25为$ \omega $基数,即裸地(根系深度为0)的植被年需水量和年降水量比值(Donohue, 2012),$ \omega $上限为5。其他土地利用/覆被类型的实际蒸散发通过参考作物蒸散$ {ET}_{0} $直接计算,由降水量决定其最大值。$ {ET}_{0} $表示参考作物蒸散,而K表示植被或作物的蒸散作用的影响因子。

      • InVEST模型中的土壤保持模块对生态系统的土壤保持量和土壤侵蚀量进行量化。土壤保持量由土壤潜在侵蚀量(RKLS)减去土壤实际侵蚀量(USLE)得到。

        $$ RKL{S}_{x}={R}_{x}\times {K}_{x}\times L{S}_{x} $$ (6)
        $$ USL{E}_{x}={R}_{x}\times {K}_{x}\times L{S}_{x}\times {C}_{x}\times {P}_{x} $$ (7)

        $ {R}_{x} $表示栅格x的降雨侵蚀力因子,$ {K}_{x} $表示栅格x的土壤可蚀性因子,$ L{S}_{x} $是坡度-坡长因子。$ {C}_{x} $为栅格x的植被经营管理因子,$ {P}_{x} $为栅格x的土壤保持措施因子。

      • 模型运行之前需要区分威胁源和生境类型,城镇建设用地与耕地是人类生产生活最频繁最密集的地类,这两种地类会对区域内生境质量造成严重威胁,因此本研究将城镇建设用地和耕地作为威胁区域生物多样性的影响因子。

        $$ {D}_{xj}=\displaystyle\sum_{r=1}^{R}\displaystyle\sum _{y=1}^{{Y}_{r}}\left(\dfrac{{\omega }_{r}}{\displaystyle\sum_{r=1}^{R}{\omega }_{r}}\right){r}_{y}{i}_{rxy}{\beta }_{x}{S}_{jr} $$ (8)
        $$ {i}_{rxy}=1-\left(\frac{{d}_{xy}}{{d}_{r\;{\rm{max}}}}\right)if\;linear $$ (9)
        $$ {i}_{rxy}=exp\left[-\left(\frac{2.99}{{d}_{r\;{\rm{max}}}}\right){d}_{xy}\right]if\;exponential $$ (10)

        式中,R为威胁源个数,$ {\omega }_{r} $表示威胁源r的权重,$ {Y}_{r} $表示威胁源的栅格个数,$ {r}_{y} $表示栅格y的胁迫值,$ {i}_{rxy} $表示栅格y的胁迫值$ {i}_{rxy} $对栅格x的胁迫水平,$ {\beta }_{x} $为威胁源对栅格x的可达性,取值在[0−1],越接近1表示越容易达到,$ {S}_{jr} $为生境类型j对威胁源r的敏感度,$ {d}_{xy} $为栅格x和栅格y的直线距离,${d}_{r\;{\rm{max}}}$表示威胁源r的最大影响距离。

        在上述公式的基础下计算得到生境质量指数:

        $$ {Q}_{xj}={H}_{j}\left[1-\left(\frac{{D}_{xj}^{z}}{{D}_{xj}^{z}+{k}_{z}}\right)\right] $$ (11)

        式中,$ {H}_{j} $为生境类型j的生境适宜度,取值在[0−1],K常数为半饱和常数,默认K为0.5,z被定义为2.5。

      • 山东省地区主要地类为耕地、城镇建设用地、林地和草地,耕地的面积占比达到了64%,从土地利用转移矩阵可以看出,2010年—2015年耕地面积减少了7.35%,林地、草地的面积变化幅度较小,城镇建设用地增长了3.05%;2015年—2020年。山东省地区的土地覆被类型变化显著。耕地面积变化不大,林地面积大幅缩减,减少了7.76%,草地面积也出现大幅减少,降低了34.9%,未利用土地也从1796 km2缩减到605 km2,城镇化的速度在加快。但是,水体出现59.75%的增长,2010年—2020年十年间,耕地面积减少了7.26%,林地面积减少了7.75%,草地面积大幅缩减由2010年的13164 km2减少到2020年仅有8555 km2,城镇建设用地出现较大幅度的增加,增加了18.5%,说明山东省在2010年到2020年城镇化速度明显加快,此外,未利用土地的面积减少了66.48%,面积出现大幅缩减。整个研究期内,草地、水体、未利用土地变化相对剧烈,耕地、林地次之。

        根据转移矩阵(见表1),在2010年—2020年间,有1122.75 km2的草地转化为耕地,约16370 km2的耕地、602 km2的林地、660 km2的水体转化为城镇建设用地,这表明大量的农田和水域、林地输出为城镇建设,未利用土地和耕地的转化幅度也较多,达到935 km2。总的来看,十年间,山东省内水体面积在整体中保持着较为稳定的增长,越有618 km2、2421 km2、2864 km2的草地、城镇用地、耕地转化为水体;耕地的转化最为剧烈,约1.6万km2、2355 km2、2864 km2的耕地转化为城镇用地、林地和水体。这都与山东省近年来城镇化速度的变化有着紧密的关系。

        表 1  山东省土地利用/覆被类型转移矩阵

        Table 1.  Transfer matrix of land use/cover types in Shandong provinceinceince

        时期类型2020年
        草地城镇建设用地耕地林地水体未利用土地
        2010年草地3448.928385.8272870.2561597.077165.11356.499
        城镇用地1122.757888.53216369.986602.015660.124226.899
        耕地5868.29911859.01177087.8113011.942344.856935.763
        林地1928.784232.282355.2134322.468102.46231.968
        水体618.8942421.3782864.795197.1723164.365450.791
        未利用土地165.09346.578229.14331.98138.83287.147
      • 从空间分布(见图1)来看,空间分异格局差异较小,整体上表现出一定的规律性:西北部产水量较低,产水高值区域主要集中在山东省的东南沿海一带,西南部平原地区的产水量出现先增加后减少的趋势。这种格局与降水量和土地利用类型的分布存在直接关系[8],平均降水量高且植被蒸散发量低的地区产水能力强,反之,降水量低且植被蒸散发量高的地区产水能力则较弱。

        图  1  山东省 2010年-2020年产水量分布图

        Figure 1.  Distribution map of water production in Shandong province from 2010 to 2020

        从时间分布(见表2)来看,从2010年到2020年,水源供给量增加了0.878×108 mm,增幅为21.93%。水源供给量的变化与降水量显著增加有着不可分割的关系。在2010年—2015年,水源供给量出现下降,不仅是降水量减少的影响,同时蒸散发量也从891.86 mm增加到919.29 mm,降水量的减少加之蒸散发量的增加,使得水源供给出现10%的降幅,最后形成整个研究期内水源供给量呈现“V”字型变化。

        表 2  2010年—2020年山东省生态系统服务物质量变化

        Table 2.  Changes of ecosystem service quality in Shandong province from 2010 to 2020

        水源涵养量土壤保持量生境质量指数
        2010年4.004×108 mm2.90×108 t0.373
        2015年3.590×108 mm2.51×108 t0.372
        2020年4.882×108 mm4.29×108 t0.371
      • 在土壤保持量空间分布(见图2)上,存在着明显的空间异质性。土壤保持量高值区域主要分布在中部山地与东部丘陵区等自然环境条件较好,植被覆盖度高的地区,因此,生态系统具有较高的土壤保持能力。土壤保持量低值区域主要位于平原地区,平原地区地势平坦开阔,适宜人类生产生活,多为城镇建设用地、农村居民点等,该区域自然植被较少,城市化发展进程较快,经济发展力度大于生态保护力度,导致该区域土壤保持能力低下。

        图  2  山东省2010年—2020年土壤保持量分布图

        Figure 2.  Distribution map of soil conservation in Shandong province from 2010 to 2020

        从时间分布来看(见表2),山东省内土壤保持总量在研究期内增幅48.07%。2010年土壤保持量范围在−33.95~17400 t,2015年土壤保持量范围在−4.47~11903 t,2020年土壤保持量范围在−0.96~22481 t。总体上看。在研究期间,山东省土壤保持量分布范围比较稳定,保持总量不断增加,反映出山东省的土壤保持措施对减轻土壤侵蚀的能力起着一定成效。

      • 从空间分布(见图3)来看,在研究期内,生境质量空间分布格局基本一致,整体分布没有发生大幅度变动,都是沿海地区以及海拔较高的地区生境质量指数偏高,西北部以及中东部、西南部平原地区生境质量指数偏低,与区域内耕地面积广大有着密切关系。

        图  3  山东省2010年—2020年生境质量指数空间分布

        Figure 3.  Spatial distribution of habitat quality index in Shandong province from 2010 to 2020

        从得到的平均生境质量指数(见表2)也可以看出,虽然2010年—2020年的平均生境质量指数分别为0.373、0.372、0.371,虽然变化幅度较小,但仍能看出呈现出一个逐年变差的趋势。

      • 由于本研究的土壤保持和水源涵养这两种服务功能的量纲不同,为综合评价山东省的生态系统服务功能,需要用归一化对两者的量纲进行消除,将两种服务功能进行范围是[0–1]的数值标准化处理,将三者归一化的得到的值进行叠加,得到范围为[0–3]的叠加图,将三种服务以权重分为0.33进行计算,得到叠加后的归一化值,利用重分类分位数法在叠加后的归一化值分为一般重要、中度重要、高度重要和极度重要四个重要性等级区,如图4

        图  4  山东省生态系统服务功能重要性分级分布图

        Figure 4.  Hierarchical distribution map of importance of ecosystem services in Shandong province

        可以看出,山东省的生态系统服务功能分区呈现带状分布,大致呈现东北-西南走向。其中服务功能一般重要的地区主要分布在鲁西北、鲁西一带;服务功能中等重要地区主要分布在鲁西南、鲁中北一带,在东北部也有少许分布,在四种服务功能等级中占比最大;服务功能高度重要地区主要分布在鲁中以及延伸到鲁东部分植被覆盖率较高的地区,服务等级极度重要地区主要分布在东南沿海、中部山地以及东部丘陵地区,这些地区年降水量较多、土壤保持条件较好、植被覆盖率高,生态系统环境较好,因此服务等级高于其他地区。

      • 以山东省生态系统服务功能为研究对象,基于ArcGIS软件和InVEST模型,结合获得的相关数据,分别对山东省2010年、2015年和2020年山东省的水源涵养、土壤保持和生境质量三种生态系统服务功能的数量变化、空间分布和时空变化情况进行模拟评估和定量评价,将三项子功能分区叠加到山东省生态系统服务功能将研究区2020年三项生态系统服务功能的评估结果划分为四个重要性分级,得到综合生态系统服务功能分区。

        山东省土壤保持量呈现出先减少后增加的趋势变化,土壤保持功能在整体上以提高为主;水源涵养量呈现出先减少后显著增加的变化特征。水源供给量在整体上表现为不断增加的趋势;生境质量指数呈现整体下降趋势。山东省整体的生态系统服务功能分区呈现不规则带状分布,大致呈现东北-西南走向。

      • 通过对山东省生态系统服务功能中的土壤保持服务、水源涵养服务和生境质量服务进行量化评估可知,山东省整体的生态系统服务功能等级自东南向西北逐步降低,在西北地区还存在提高的需求,从而制约西部地区整体的可持续发展。研究结果发现,山东省整体的城镇化速度在明显加快,土地利用转化频率较快,人地矛盾突出正在加剧。水源涵养量受自然气候的影响以及人类活动影响较大,在面对人口众多的城市与乡村之间,水资源也出现明显的不足,供需矛盾突出,制约着生态文明建设以及经济社会的可持续发展。土壤保持量在城镇化速度加快的影响下也在逐年发生着变化,土壤侵蚀强度及侵蚀量都在不同土地利用类型的变化下不断加剧,重点区域及重点流域形势严峻。因此,从各生态系统服务功能供给这一视角提出山东省的生态系统可持续发展经营策略迫在眉睫。

    参考文献 (8)

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