基于InVEST模型的生态系统土壤保持功能研究——以福建宁德为例

王 敏， 阮俊杰， 姚 佳， 沙晨燕， 王 卿

(上海市环境科学研究院, 上海 200233)

基于InVEST模型的生态系统土壤保持功能研究
——以福建宁德为例

王 敏， 阮俊杰， 姚 佳， 沙晨燕， 王 卿

(上海市环境科学研究院, 上海 200233)

基于InVEST模型，对宁德地区生态系统土壤保持功能的空间特征及其影响因素进行了分析。结果表明：宁德地区土壤保持总量为9.35×108t/a，单位面积土壤保持量为695.3 t/(hm2·a)，空间上呈现中部高，东北部次之，西南部低的分布格局，各县市差异显著；各生态系统土壤保持能力从大到小依次为：灌丛>林地>草丛>旱地>园地>水田>红树林>草本湿地>城镇，自然生态系统优于人工生态系统；除自然因素外，社会经济的迅速发展也是影响土壤保持功能的重要因素，其中单位面积GDP、单位面积第一产业生产总值、人口密度、第一产业劳动力密度、交通网络密度以及耕地比例与单位面积土壤保持量负相关，林地和草地的比例与土壤保持功能正相关。可见，宁德地区土壤保持功能差异性显著，并且与社会经济发展存在紧密联系，因此，在今后的发展中要权衡社会经济发展与土壤保持功能的关系，促进经济和生态环境和谐发展。

宁德; 土壤保持; 生态系统服务; InVEST

生态系统服务功能是维系人类生存和支撑地球生命系统的物质基础[1-3]。土壤保持功能是生态系统服务功能的一个重要方面，它为土壤形成、植被固着、水源涵养等提供了重要基础，同时也为生态安全和系统服务提供了保障[4]。土壤侵蚀是全球范围内面临的主要环境和农业问题之一[5]，不仅会引起土地退化、土壤肥力下降，还会影响河流的正常泄洪以及水电工程的使用寿命[6]。在此背景下，土壤保持功能研究成为了国际生态学的热点之一，国内外许多专家和学者在这方面作了深入的研究。20世纪60年代，美国水土保持学家Wischmeier提出的通用土壤流失方程(USLE)为定量研究土壤侵蚀问题提供了有效的方法[7]。近年来，随着3S技术的迅猛发展，基于USLE和GIS的模型方法应用而生，不仅为区域尺度土壤保持功能的量化研究提供了可能，还为生态系统服务功能综合管理和决策提供可靠的依据[8-11]。生态系统服务和权衡综合评估模型(InVEST)由斯坦福大学、世界自然基金会(WWF)和大自然保护协会(TNC)联合开发，旨在权衡发展与保护的关系，寻求最优自然资源管理和经济发展模式[12-13]。其中土壤保持模块在USLE基础上加以改进，评估结果更加准确、合理。目前，该模型已成功应用于北京山区[14]、白洋淀流域[15]、密云水库流域[16]和海南岛[17]等地土壤保持功能的研究。

宁德市位于福建省东北部，地形复杂多样，生态资源丰富，同时也是全省水土流失最为严重的地区之一[18]，土壤保持功能在该地区生态系统调节、支持等方面发挥着至关重要的作用。近年来，随着海峡西岸经济区发展战略的实施，宁德地区人口剧增，经济快速发展，生态系统所受干扰加剧，土地利用发生改变，自然植被锐减，土壤保持服务功能退化，区域生态安全受到威胁。本研究基于InVEST模型，模拟了宁德地区土壤保持功能及其空间格局，探讨了土壤保持功能的影响因素，以期为该地区的水土保持和生态系统服务功能管理提供支持。

1 研究区域概况

宁德市位于东经118°32′—120°44′，北纬26°18′—27°04′。东邻东海，南通福州，西邻南平，北与浙江温州接壤。东西宽190.7 km，南北长155.3 km，土地总面积为13 452.4 km2。地势西北高，东南低，地貌以山地丘陵为主，其间杂有山间盆地，沿海一带间夹滨海堆积平原。宁德市属中亚热带海洋性季风湿润气候，降水充沛，日照充足，气候宜人。区内水系沿构造线发育，河流多呈西北—东南走向，形成独流诸河。土壤以盐斑田、块田、黄泥田为主，成土母质为海相沉积物，经多年耕垦，土体表层已明显脱盐，底层仍有盐分存在，土壤肥沃，养分丰富，属中产土壤。近十年，宁德地区人口剧增，经济发展，地区生产总值和人均生产总值具有较大幅度增加。地区产业结构继续调整，第一产业比重继续下降，第二产业比重稳步上升，第三产业比重有所下降。

2 研究方法与数据来源

2.1 模型原理

InVEST 模型中的土壤保持模块基于USLE进行计算，土壤保持量包含侵蚀减少量和泥沙持留量两部分[19]。基本形式如下：

SEDRETx=Rx·Kx·LSx·

(1-Cx·Px)+SEDRx

(1)

(2)

USLEx=Rx·Kx·LSx·Cx·Px

(3)

式中：SEDRETx和SEDRx——栅格x的土壤保持量和泥沙持留量；USLEx和USLEy——栅格x及其上坡栅格y的实际侵蚀量；Rx，Kx，LSx，Cx和Px——栅格x的降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、地形因子、地表覆盖与管理因子和土壤保持措施因子；SEx——栅格x的泥沙持留效率。

2.2 模型构建

2.2.1 降雨侵蚀力因子R 降雨侵蚀力R反映了降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，是进行土壤侵蚀预报的重要因子[20-21]。本研究采用周伏建等根据福建省实测数据建立的R值计算式[22]：

(4)

式中：R——多年平均降雨侵蚀力[MJ·mm/(hm2·h·a)]；Pi——月均降雨量(mm)。

2.2.2 土壤可蚀性因子K 土壤可蚀性K是土壤对雨滴击溅或地表径流等侵蚀介质剥蚀和搬运的敏感性，是土壤抵抗侵蚀能力的综合体现，与降雨、径流、渗透的综合作用密切相关[23]。宁德地区主要有9个土类，目前国内学者对福建和广东各类土壤可蚀性因子已有研究，本研究通过检索相关文献中的同类土壤的土壤可蚀性K值，获得宁德地区各类土壤的土壤可蚀性因子K值[24-25]。根据宁德地区1∶1 000 000土壤图，每种土类赋予土壤可蚀性K值，即获得了宁德地区土壤可蚀性因子K值空间分布数据。

2.2.3 地形因子LS 地形因子是最为重要的参数，反映了坡度与地表状况之间的关系，它本质上是雨滴或泥沙流动直到能量消失为止的距离，用与标准侵蚀小区(坡度为9%，坡长为22.13m)的比值来表示，反映地形地貌特征对土壤侵蚀的影响[7,14]。

模型对于不同坡度，能自动计算地形因子的值。本研究根据相关研究成果，将坡度域值设为25%，当坡度小于坡度域值时，地形因子计算方法如下：

(5)

(6)

当坡度大于坡度域值时，地形因子计算方法如式：

LS=0.08λ0.35Ps0.6

(7)

(8)

式中：LS——地形因子；Fa和Cs——汇水累积阈值和栅格大小；S和Ps——坡度(°)和百分数坡度(%)；n——坡长指数。

2.2.4 地表覆盖管理因子C和土壤保持措施因子PC值定义为特定植被覆盖与管理状态下土壤侵蚀量与实施清耕的连续休闲地土壤侵蚀量的比值，反映植被或作物以及管理措施对土壤流失的影响，介于0～1[7,17]。本研究通过查阅文献资料获得不同植被类型的C值[23,26-27]。

P值是采用专门措施后土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量的比值，反映植被的管理措施差异引起的土壤流失量差别，其范围在0～1[7]。本研究借鉴前人研究成果及相近区域研究情况进行取值[26,28-29]。

2.2.5 泥沙持留效率SE泥沙持留效率反映了侵蚀产生的泥沙在输移过程中因植被过滤、拦截等作用而发生沉积的过程；被拦截泥沙比例越大，则持留效率越高[30-33]。不同类型植被因结构、生物量等的差异而具有不同的持留能力[17]。本研究延用InVEST模型数据库中不同植被类型的泥沙持留效率。

2.3 数据来源与处理

本研究使用的降雨数据来自宁德市气象局；DEM来自全球科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站；基础地理数据来自国家测绘局网站；土壤数据来自宁德市环保局；社会经济统计数据来自《宁德统计年鉴2009》；生态系统分类数据由2009年宁德地区TM遥感影像解译获得。本研究数据空间分析和处理在ArcGIS中进行；数据统计分析处理在SPSS 19.0中进行。

3 结果与分析

3.1 土壤保持量及其空间分布

宁德地区土壤保持总量为9.35×108t/a，平均单位面积土壤保持量为695.3 t/(hm2·a)。土壤保持空间特征明显，如图1所示：宁德中部地区土壤保持功能较高，东北部地区次之，西南部地区较低。

图1 宁德地区土壤保持功能空间格局

宁德地区不同市县的土壤保持功能具有明显差异(图2)，土壤保持总量从大到小排序：古田>福安>蕉城>寿宁>屏南>福鼎>周宁>霞浦>柘荣，古田土壤保持总量最高，达154 962 015 t，占总量的16.57%，柘荣最低，为45 971 773 t，仅占4.92%。单位面积土壤保持量排序：柘荣>寿宁>周宁>蕉城>福安>屏南>古田>福鼎>霞浦，柘荣的单位面积土壤保持量最高，为845.07 t，霞浦最低，仅为467.71 t，差异明显，其中，柘荣、寿宁、周宁、蕉城和福安的单位面积土壤保持量高于地区平均水平，屏南、古田、福鼎和霞浦低于平均水平。

图2 宁德各县市土壤保持量

3.2不同生态系统土壤保持特征

宁德地区不同生态系统土壤保持功能也具有明显差异(表1)，土壤保持总量从大到小排序：林地>草地>水田>旱地>灌丛>城镇>园地>红树林>草本湿地，林地和草丛提供的保持量占总量的80%以上，构成了宁德地区生态系统土壤保持功能的主体。单位面积土壤保持量排序：灌丛>林地>草地>旱地>园地>水田>红树林>草本湿地>城镇，其中，自然生态系统的土壤保持功能远高于人工生态系统。

3.3 人为活动对土壤保持功能的影响

自然侵蚀过程受人为活动加速发展，进而影响土壤保持功能的发挥。本研究以宁德地区各县市为统计单元，选取各县市的社会经济指标(单位面积地区生产总值、单位面积第一产业生产总值、人口密度、第一产业劳动力密度、交通网络密度、耕地比例、林地比例和草地比例)与单位面积土壤保持量进行统计分析。结果表明：社会经济指标与土壤保持功能具有显著相关关系，其中，单位面积地区生产总值、单位面积第一产业生产总值、人口密度、第一产业劳动力密度、交通网络密度和耕地比例与单位面积土壤保持量显著负相关；林地比例和草地比例与单位面积土壤保持量显著正相关(图3)。

表1 不同生态系统土壤保持功能

图3 人为活动对生态系统土壤保持功能的影响

4 讨论与结论

土壤保持功能不仅与生态系统的结构密切相关，还受地形、气象、土壤、植被和人为活动等因素的影响。本研究引入了InVEST模型，综合考虑了以上大部分因素，评价结果较为真实、准确。宁德地区土壤保持总量为9.35×108t/a，平均单位面积土壤保持量为695.3 t/(hm2·a)，评价结果高于海南岛[17]和北京[15]等地的研究结果。主要原因有：(1) 宁德地区多山地丘陵和河谷盆地，这种多断层地貌使得区域的潜在土壤侵蚀量较高；(2) 宁德地区属中亚热带气候，受海洋性季风影响，降水量丰富，在一定程度上造成区域潜在土壤保持量较高；(3) 福建是全国林地覆盖最高的地区之一，宁德地处闽东北，植被覆盖度高，林、灌、草层次分明，结构复杂，具有极高的土壤保持能力。可见，土壤保持功能在该区域及其显著，保护区域生态环境状况对土壤保持功能的发挥具有重要意义。

从空间分布来看，宁德各市县土壤保持能力差异显著，总体来看，中部地区较高，东北部地区次之，西南部地区较低。宁德中部贯穿有霍童溪和赛江两大河流，河流两岸多山地，且地形复杂，造成潜在土壤保持量较高；同时，该区域密布林地，林层结构丰富多样，具有极高的土壤保持能力。宁德东北地区，尤其是浙江温州交界处，降水量丰富，降雨侵蚀力因子远高于其他区域，潜在土壤侵蚀量较高；另一方面，该地区除分布有林地外，还覆盖有高密度草地，良好的植被覆盖为该地区提供了较强的土壤保持能力。

宁德地区不同生态系统土壤保持能力依次为灌丛>林地>草地>旱地>园地>水田>红树林>草本湿地>城镇，其中，有植被覆盖的生态系统的土壤保持能力远大于城镇，可见，土壤保持功能的强弱与生态系统类型和植被覆盖程度密切相关。除上述原因外，土壤保持功能的强弱还与生态系统内部组成结构以及气候、土壤、地形地貌等环境因素息息相关[34]。宁德地区灌丛的单位面积土壤保持量最高，这可能与其分布于山地丘陵和降水丰富地区有关，其潜在土壤侵蚀较高，土壤保持功能可充分发挥。红树林和草本湿地虽然覆盖程度较高，但因分布于河谷盆地和沿海滩涂，地势平坦，潜在土壤侵蚀较低，土壤保持功能的发挥收到限制。

除自然因素外，土壤保持功能还受到人为因素的影响[35]。区域人口增长、经济发展是影响土壤保持功能的重要人为因素。相关资料显示：宁德地区人口数量从1980年的249.33万人增长到2011年的340.03万人；地区生产总值从1980年的66 064万元增长到2011年的9 301 166万元，年均增长水平均高于全国平均水平。人口增长和经济发展直接导致了城市、居民点和交通、工矿用地迅速扩大，分布区域从河谷盆地、沿海平原及低丘台地向山地下部的坡地扩展，有的地方连大于25度的坡地也被利用。由此产生的土壤层结构破坏和林草地、农田的直接侵占极大削弱了宁德地区的土壤保持功能。经济利益驱使下的政策向导是影响宁德地区土壤保持功能的另一个重要因素。上世纪80年代以来，在市场需求和政府鼓励的作用下，福建茶果园发展迅速，面积接近耕地面积的一半。除了利用原来耕地和开发原来水土流失的荒草坡地外，大部分茶果园是开发原来植被良好、无水土流失或水土流失较轻的高密度灌草地、疏林坡地和森林砍伐迹地，这一现象在闽东北的宁德地区十分普遍。果园生态系统结构单一，植被层次单调，加上清除地被物的习惯，其土壤保持功能远不如林灌草地；同时，不少政府为显示政绩，大面积连片种果，很多坡度较大，立地条件差的坡面被改造成果园，必然引起一定的水土流失问题。宁德地区是福建主要的香菇和木耳产区，也是重要的人造板和活性炭生产基地，为满足生产需求，每年要消耗大量的天然阔叶林，导致阔叶林面积锐减，形成残次林并呈岛状分布[36]。虽然政府倡导植树造林，但天然林仍不断减少，人工林增加，森林普遍年轻化、针叶化，导致森林结构单一，总体质量下降，水土保持能力低于天然林。除上述因素外，还有许多人为不合理的开发建设活动造成宁德地区生态灾害加剧，影响土壤保持功能。

本文基于InVEST模型，研究了宁德地区的土壤保持功能，着重分析了其空间分布和影响因素，在研究过程中存在一些误差和不足：(1) 各因子数据来源和精度不一，以及在计算过程中均会产生误差。如计算R值时，可用站点少，分布不均匀，插值计算精度有限；C值和P值采用他人的研究成果，应用于宁德地区也会不可避免地产生误差。(2) 模型中参数地选择也会使运算中产生误差。如泥沙持留效率采用InVEST模型数据库中不同植被类型的泥沙持留效率，但该成果用在宁德地区也会产生误差。(3) 本文模拟了土壤保持物质的量，并没有落实到价值量上，有待在今后的研究中进一步深入。虽然存在上述误差和不足，但模型在研究该区域土壤保持功能时仍然取得了较好的效果。

基于研究成果，提出如下建议：(1) 编好生态环境保护规划，特别是做好水土保持重要生态功能区区划工作，按规划实施生态环境保护工作。(2) 权衡社会经济发展与土壤保持功能的关系，使决策者在大力发展社会经济地同时注重区域土壤保持功能地保护。(3) 加强天然林生态系统的保护，兼顾林产业发展与森林质量保护，严格控制天然林的消耗。(4) 加大生态保护宣传教育力度，健全生态监测监督体系完善生态保育，完善生态保育管理体制和决策机制。

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StudyonSoilConservationServiceofEcosystemBasedonInVESTModel-ACaseStudyofNingdeCity,FujianProvince

WANG Min, RUAN Jun-jie, YAO Jia, SHA Chen-yan, WANG Qing

(ShanghaiAcademyofEnvironmentalSciences,Shanghai200233,China)

Based on the InVEST model, this paper analyzed the spatial characteristics of the soil conservation service of ecosystems and its impact factors in Ningde. The results showed that the amount of soil preserved by ecosystems was approximately 9.35×108t/a, and the average capacity per unit area was 695.3 t/(hm2·a) for the entire region. With regard to the spatial pattern, it displayed the highest capacity in the central part and has the lowest capacity in the southwest, and the difference among the various regions was significant. The soil conservation capacity differed widely across various ecosystems, with a descending order from shrubs, forests, grasslands, dry lands, plantation, paddy lands, mangroves, swamp and city. Natural ecosystems were generally found to perform better than artificial ones in terms of conserving soil resources. Besides natural factors，social and economic development are important factors influencing soil conservation service. Indicators such as gross regional product per area, GDP of primary industry per area, population density, area ratio of farmland and transit network density, showed a negative correlation with soil conservation capacity, while area ratio of forests and grasslands showed a positive correlation with soil erosion rate. In conclusion, the social and economic development in Ningde might impair soil conservation service of ecosystems, as a result, tradeoffs should be made to keep development harmonious.

Ningde; soil conservation; ecosystem services; integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs; InVEST

2013-11-21

：2013-12-06

宁德市生态文明战略研究

王敏(1978—),女,上海人,高级工程师,博士,主要从生态规划与管理研究。E-mail:wangmm@163.com

阮俊杰(1984—),男,浙江绍兴人,工程师,硕士,主要从生态遥感研究。E-mail:dhurjj@126.com

X171.1

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：1005-3409(2014)04-0184-06