基于InVEST模型的莲都区公益林生态系统服务功能研究

2019-03-18周文春张超

自然保护地 2019年1期

周文春张超

周文春1张超2

（1浙江省丽水市莲都区林业局 323000；2浙江农林大学浙江临安 311300）

利用InVEST模型对丽水市莲都区公益林涵养水源、固土保肥、固碳释氧和生物多样性保护四类生态系统服务功能进行测算评估，分析其空间分布特征。通过系统聚类分析和相关性分析，对具有相似特征生态系统服务功能的乡镇进行分类，并研究各类生态系统服务功能间的相互关系。结果显示：四类生态系统服务功能重要区主要分布于莲都区南部乡镇，北部次之，中部最低；六类林分类型单位面积生态系统服务功能最低的是灌木林，其余类型差异较小；四类生态系统服务功能呈显著正相关。利用InVEST模型进行生态系统服务功能测算，能够弥补传统算法计算结果较难进行空间量化对比的劣势。

InVEST模型；生态服务功能；空间分布

森林生态服务功能是指森林生态系统及生态过程为人类提供的自然环境条件与效用，其中涵养水源、固土保肥、固碳释氧和生物多样性保护等生态服务功能是其重要组成部分[1]。

2008年，国家林业局发布了《森林生态系统服务功能评估规范》（LY/T 1721-2008），对森林生态服务功能效益的研究由此大量开展。党普兴对新疆建设兵团的森林生态服务功能进行评估[2]；马长欣对陕西省森林生态系统固碳释氧服务功能进行测算并评估其价值[3]。浙江省内有陆珠琴对缙云县公益林的生态效益进行了评价，王坚娅对仙居县公益林的生态服务功能及价值进行了测算等。以上研究均基于森林资源调查的各类主要群落类型结构进行评估，只评价了整个地区的森林整体生态效益，并未研究其空间分布。本研究利用InVEST模型对丽水市莲都区公益林的生态服务功能进行评估。

InVEST模型是由斯坦福大学、大自然保护协会（the Nature Conservancy，TNC）等共同开发的生态服务功能评估模型[4]，其目的在于更好地协调权衡经济发展和自然资源保护之间的关系。其最大的特点是将生态系统服务功能实现具体的空间分布量化，以地图的形式表现，直观地研究生态服务功能的区域异质性；且InVEST所需的数据简洁，抓住生态服务功能核心问题，优化算法，输出的数据丰富，能较好地解决各生态服务功能。

1 研究区概况

莲都区位于浙江省丽水市北部，28°44′N、119°32′S，面积为1502.1km2，其中陆地面积1481.6km2，水域面积20.5km2。

莲都区群山环绕，海拔最高为1325m，最低为40m，极差1285m。气候属中亚热带季风气候，温暖湿润，雨量充沛，四季分明。境内植被群落类型以针叶林为主，以及其他针阔混交林、阔叶林和人工经济林等群落类型。

莲都区林地面积121416hm2，森林覆盖率80.83%。公益林面积68600hm2，约占全区林地面积的56.50%，其中国家级重点公益林7800hm2，占公益林总面积的11.28%；省级重点公益林60800hm2，占88.72%。

2 研究方法

2.1 数据来源

土地利用分类数据由对2014年Landsat8的莲都区卫星遥感影像进行划分而得[5]。降雨数据利用TRMM系列降雨数据，并经过反距离权重插值法进行应用。潜在蒸发量是利用Modis日温数据和太阳辐射等数据，根据Modified- Hargreaves计算得出。土壤深度数据为森林资源二类调查数据转化为栅格数据。根系深度数据参考Canadell等和徐佩研究数据[6,7]。地形数据使用30×30m分辨率精度的DEM数据。降雨侵蚀力因子和土壤可蚀性因子参考国内外研究[8,9]。生境威胁表参考《InVEST模型数据准备手册》；威胁源敏感性表是根据《InVEST模型数据准备手册》中打分获得[10]。根据国内外文献中对每种植物实测的地上部分生物量（碳）密度和地下部分生物量（碳）密度、死亡生物量（碳）密度比值及生物量-碳转换率等研究，计算碳密度结果，并将模型数据表中土壤碳密度设为0值[11]。

2.2 InVEST模型描述

2.2.1水源涵养

水源涵养评价公式为：

式中，为水源涵养量；Yj为第土地利用类型栅格j的产水量；AET为第土地利用类型栅格j的每年实际腾发量；P为第x土地利用类型栅格的年降雨量；为流速系数；为地形指数；为土壤饱和导水率。

2.2.2土壤保持

采用通用水土流失方程USLE进行评价，包括自然因子和管理因子：

式中，USLE表示栅格的土壤侵蚀量；R为降雨侵蚀力；K为土壤可蚀性因子；LS为坡度—坡长因子；C为植被覆盖度因子；P为管理因子。

2.2.3碳储量

式中，C为植被总碳储量（t·ha-1）；C为以森林景观类型为统计单元的地上部分碳储量；C为以森林景观类型为统计单元的地下部分碳储量；C为以森林景观类型为统计单元的死亡有机碳储量；C为土壤碳储量。

2.2.4生物多样性

采用生境质量指数来表征生物多样性维持功能的状况：

式中，Q是土地利用与土地覆盖中栅格的生境质量；D是土地利用与土地覆盖或生境类型栅格的生境胁迫水平；为半饱和常数；H为土地利用与土地覆盖的生境适合性。

3 结果与分析

3.1 生态系统服务功能空间分布特征

如表1所示，莲都区峰源乡的单位面积水源涵养量最高、为2.85×103m3/hm2，万象街道最低、为1.96×103m3/hm2；峰源乡单位面积土壤保持量最高、为59.13t/hm2，白云街道最低，为21.79t/hm2；市白云山林场和丽新畲族乡单位面积固碳量最高、均为5.80t/hm2，白云街道最低、为2.85t/hm2。雅溪镇的三类生态系统服务功能物质量最高，白云街道最低。此外，生物多样性评价结果为一个空间无量纲的得分值，最高为峰源乡、达到9.38，白云街道最低、为6.71。

表1 各乡镇生态系统服务物质量特征

由图1可见，水源涵养的重要区域主要分布于峰源乡、莲都林场等乡镇，其次在雅溪镇、太平乡等乡镇；固碳的重要区域主要分布于周边山区，例如峰源乡、雅溪镇、丽新畲族乡等，而中心街道地区（白云街道、万象街道）固碳能力相对较弱；生物多样性的重要区域主要分布于南部地区，东部及北部山区有零星分布，中部地区生物多样性水平较低；各乡镇土壤保持量空间差异程度较小，南部地区峰源乡土壤保持量较高。

根据各类生态系统服务功能单位面积物质量，利用系统聚类分析对具有相似特征的乡镇进行分类，结果如图2所示。在系统聚类距离为7时，将莲都区分为5类生态区，包括：Ⅰ类生态区莲都林场，Ⅱ类生态区峰源乡，Ⅲ类生态区万象街道和白云街道，Ⅳ类生态区碧湖镇、南明山街道和联城街道，Ⅴ类生态区雅溪镇、仙渡乡、太平乡等其余10个乡镇。

结合表1可知，Ⅰ类生态区和Ⅱ类生态区相似度极高，四类生态系统服务功能单位面积物质量均明显高于莲都区平均值，尤其是水源涵养与生物多样性方面。由于Ⅱ类生态区在单位面积土壤保持量方面明显高于其他乡镇，而Ⅰ类生态区与与Ⅱ类生态区差距较大，所以二者分为两类。Ⅲ类生态区的特点为四类生态系统服务功能单位面积物质量均明显低于其余各个乡镇。Ⅳ类生态区的特点为除水源涵养外，其余三类生态系统服务功能单位面积物质量仅高于Ⅲ类生态区，明显低于其余12个乡镇。Ⅴ类生态区的特点为四类生态系统服务功能单位面积物质量与莲都区总体平均值较为接近，差异并不明显。

对四类主要生态系统服务功能进行相关性分析，结果如表2所示。生物多样性与其余三类生态系统服务功能均呈极显著正相关；固碳量与土壤保持呈极显著正相关，与水源涵养呈显著正相关；土壤保持与水源涵养呈极显著正相关。

表2 生态系统服务功能相关性

**在0.01水平（双侧）上显著相关；*在0.05水平（双侧）上显著相关。

生物多样性与其他生态系统服务功能均呈极显著正相关，是由于生物多样性较高地区的自然环境因素是适宜动植物栖息繁衍的，其生态系统结构也更为复杂和稳定，有利于提升各类生态系统服务功能。同样，土壤保持较好的地区，其水源涵养能力更加出色，也更适宜植物扎根生长，因此固碳量及碳储量相对较高。生态系统水源涵养能力的提升有助于自然植被生长繁殖，而植被的健康成长又将有助于土壤保持，由此可见，各类生态系统服务功能之间是相互促进、相互制约的。

图2 莲都区生态系统服务分区系统聚类图

3.2 不同森林类型生态系统服务功能特征

如表3所示，公益林中阔叶林单位面积水源涵养量最高、为2.52×103m3/hm2，灌木林最低、为2.20×103m3/hm2；毛竹林单位面积土壤保持量最高、为52.71t/hm2，灌木林最低，为40.58t/hm2；杉木林单位面积碳储量最高、为5.79t/hm2，灌木林最低、为4.68t/hm2；阔叶林多样性最高、为8.82，灌木林最低、为7.70。松林水源涵养、土壤保持和固碳量三者总量最高，最低为灌木林。

表3 不同林分类型生态系统服务物质量特征

灌木林四类生态系统服务功能单位面积物质量均明显低于其他林分类型，这是由于其植物本身生理特征决定的，灌木根系不如乔木发达，固土能力较弱，且灌木固碳能力也不如乔木出色。另外，与其他五种林分类型相比，松林的单位面积生态系统服务功能相对较低。莲都区公益林松林面积最大，为46.99万亩，占公益林总面积45.70%，自上世纪70年代大规模造林至今，许多松林面临林分结构单一、林木老化的问题，因此，在生境条件较好的地段通过人工管理干预措施，加速地带性阔叶林恢复是提升莲都区公益林生态系统服务功能的有效途径。

4 讨论

4.1 生态系统服务功能差异分析

生态系统服务功能不仅与生态系统类型、结构密切相关，还受自然因素和人为活动的影响。由结果可知，莲都区南部乡镇（峰源乡、莲都林场、大港头镇）各类生态系统服务功能最好，北部乡镇（雅溪镇、仙渡乡、黄村乡等10个乡镇）次之，中部乡镇（万象街道、白云街道、联城街道、南明山街道和碧湖镇）最差。

南部乡镇生态系统服务功能较好的原因有：（1）与中心城镇相距较远，人为活动较少；（2）海拔较高，降水丰富；（3）植被覆盖度高，结构复杂，水源涵养及固碳固土能力出色。

中部乡镇生态系统服务功能最弱的主要原因有：（1）地处中心城镇周边，人为活动干扰较强；（2）海拔较低，降水量低；（3）植被覆盖度低，结构单一，以马尾松为主，杨梅、柑橘等经济林较多，生态系统服务功能较低。

4.2 InVEST模型与国标算法的比较

本研究利用InVEST模型对莲都区生态公益林生态系统服务功能进行评估，有别于传统的利用固定参数标准进行的测算。传统的生态公益林生态系统服务功能评估，是基于一套固定参数算法标准，根据不同群落结构测算出整个森林的总体生态服务功能以及各群落类型的生态服务功能。其优点为能够较为准确实现价值量化；缺点为采用传统林业调查数据，只能测算评估总体与各群落生态服务功能，无法实现直观的区域空间分布，不能准确提供具体区域生态服务功能价值参考。

表5 国家森林生态系统服务功能评估标准与InVEST计算差异

由表5可以看出莲都区公益林三类生态系统服务功能InVEST模型计算结果与《森林生态系统服务功能评估规范》计算结果约有30%的差异。涵养水源量方面，InVEST模型计算结果相较于国标计算结果低24.76%；固土量方面，InVEST模型高28.10%；固碳量方面，InVEST模型高28.81%。

InVEST模型优点是能够快速有效地计算评估各类生态服务功能，并通过地理信息系统实现生态服务功能的空间分布，更直观的评估不同区域的生态服务功能差异；缺点在于由国外引入，计算方法和参数标准仍需要进行本地化调整，并且模型单个指标的计算具有一定局限性。另外，模型运算对于基础数据的收集要求较高，数据的精度会大大影响模型运算结果。目前地方林业部门尚未建立完善的专业信息数据库，相关参数仅能从国内外研究文献中获得，因此，地方林业科技基础数据库的完善工作亟待加强。

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2018-09-25