基于InVEST模型的舟山群岛生态系统服务评估研究

陈 ，邵 卓，桂 峰，赵 晟

（浙江海洋大学海洋与技术学院，舟山316000）

生态系统服务是指人类直接或间接从生态系统中获得的利益[1]。海岛生态系统提供了多种多样的生态系统服务，如固碳释氧、供给食物与原材料、净化水质、文娱科教等。这些生态系统服务可以维持和满足人类的生活，对海岛及其周边海域的开发起着重要的基础性决定作用。然而近年来，随着气候变化、海平面上升和海洋经济持续开发，海岛生态系统服务的数量与质量急剧变化，本就脆弱的海岛生态系统开始面临愈渐严峻的挑战。

准确量化评估海岛生态系统服务是对海岛资源科学管理、实现可持续发展的基础。InVEST模型是基于GIS的生态系统服务评估模型，可基于不同土地利用情景在多尺度上对多种生态系统服务功能进行较准确的评估，被认为是将生态系统服务功能研究纳入不同尺度管理决策的高效工具[2]。王保盛等[3]运用InVEST模型模拟闽三角城市群2015年和2030年的水源涵养情景，发现到2030年闽三角城市群区域内水源涵养量总体会下降2.4E+07m3。Yang等人[4]运用InVEST模型对黄河三角洲滨海湿地生态系统服务功能的空间格局、动态演变及其相互之间的权衡进行了评价。

舟山群岛由于其自然地理位置特殊，易受热带气旋、暴雨、风暴潮等自然灾害影响。设立新区以来，舟山群岛海洋经济发展力度加大，海岛城镇化不断推进。自然灾害与人为干扰的双重影响下，海岛出现了淡水资源紧缺、渔业资源退化、周边海域水质下降等生态问题。本文利用InVEST模型对舟山群岛生态系统提供的三项服务（碳存储、土壤保持、水源涵养）进行评估，研究舟山群岛生态系统服务的空间分布特征，以期为舟山群岛的保护与开发提供理论支持和科学指导。

1 研究区概述

舟山群岛地处我国东南沿海，长江口南侧，位于杭州湾外缘的东海洋面。陆地面积狭窄，海域面积达2.08万平方公里，陆域面积1440.12平方公里，是我国第一大岛群。其自然地貌主要由山地、平原和沿海滩涂湿地组成，岛屿呈现“大岛近岸、小岛离散”的分布趋势。舟山群岛属亚热带海洋性季风气候，气候温和，雨水丰沛，2017年全市平均降水为1411.8mm，降水量空间差异显著。根据我国水土流失分区分类，舟山群岛属于南方红壤丘陵地区。由于近岸1km的海域对海岛海岸线影响最大且有极大的开发潜力，因此本研究选取了舟山群岛及海岛周围1km海域为研究区域。

2 研究方法及数据来源

2.1 InVEST模型

InVEST模型（Integrated Valuation of EcosystemServices and Tradeoffs）由美国斯坦福大学、TNC和世界自然基金会合作联合开发[5]，整合了多种生物物理模型包括水源涵养、水土保持、作物生产、渔业捕捞、碳储量、生境质量、水质净化等评估模块。将空间数据和属性数据等相关参数按要求输入模型，可较为准确的评估相应的生态系统服务数量并分析生态系统服务的空间分布情况。此外，通过模拟不同的土地利用情景，InVEST模型可预测未来生态系统服务数量以及空间分布情况变化，为决策者提供更为直观的决策评估结果。

2.1.1 碳存储模块。将研究区的土地利用/覆盖类型与其相对应的四类碳库（地上、地下生物量、土壤和死亡有机质）进行匹配，评估研究区的碳存储量及其空间分布。碳储量的计算公式为：

其中，C为碳存储量，Cabove为地上生物量，Cbelow为地下生物量，Csoil为土壤碳库，Cdead为死亡有机物碳含量。

2.1.2 水源涵养模块。InVEST模型的水源涵养模块主要基于水量平衡原理，通过输入土地利用空间数据、降水量数据、蒸散量数据、土壤植被数据等对研究区内的水源涵养状况进行评估。对栅格x的水源涵养量计算公式如下：

其中，AET(x)和P(x)是栅格 x的年实际蒸散量（mm）和年降水量（mm）。对于有植被覆盖的土地利用类型，)的计算方法如式（3），ω(x)是表示自然气候土壤特性的非物理参数。PE T(x)为栅格x的潜在蒸散量（mm），由植被蒸散系数Kc和参考蒸散量E T0(x)相乘而得，见式（4）。AWC(x)为植被有效含水量，Z为Zhan g系数，表示季节影响因子。

2.1.3 土壤保持模块。土壤保持模块基于改进的土壤流失方程，将土壤实际侵蚀量与潜在侵蚀量之差作为研究区域的土壤保持量，其计算方法如下：

其中，SRETi为栅格i的土壤保持量，RKLS、USLE分别为栅格i的潜在侵蚀量和裸土侵蚀量，Ei为栅格i的泥沙持留量。R为降雨侵蚀因子[6]（式10），Pi表示i月的月降雨量，P为年降雨量。K是土壤侵蚀因子[7]（式 11），Sand、Silt、Clay、C分别表示土壤的砂粒含量（%）、粉粒含量（%）、粘粒含量（%）和土壤有机碳含量（%），SN1=1-San d/100。L S为坡长—坡度因子，C为植被覆盖因子，P为管理因子。

2.2 数据来源及处理

本研究使用的数据主要有以下几类：（1）地理数据。研究区土地利用/覆盖数据来自于清华大学提供的F ROM-GLC数据库，舟山主要有建筑用地、林地、耕地、水体等八种土地利用类型；舟山群岛数字高程D EM数据来源于“地理空间数据云”的GDEMDEM数据集，分辨率为30m；使用A rcGIS软件对研究区的D EM数据进行水文分析获得舟山群岛的子流域划分。（2）水文数据。舟山群岛的年降水量、月降水量站点数据来自亚太数据研究中心和舟山市气象局，通过普通克里金插值分析获得整个群岛的降水分布情况；蒸散量数据（ET0）则来自“全球干旱指数与潜在蒸散量数据库”。（3）土壤数据。舟山群岛的土壤质地数据来自“黑河计划数据管理中心”提供的全球土壤数据库（HWSD）数据。因国内外土壤分类体系不同，通过《中国土种志》等资料将中国土壤数据库与HW S D数据匹配，获得土壤深度数据。植被可利用含水率（PAWC）由田间持水量和永久萎蔫系数作差获得[8]。碳库数据主要来自于相关研究文献[9，10]及InVEST模型提供的数据库。使用A rcGIS将上述空间数据坐标系统转换为W GS_1984_U T M投影坐标系，空间分辨率为30m，裁剪提取出研究区域数据后输入InVEST模型进行相关分析。

3 研究结果分析

3.1 碳存储服务

通过输入模型指定参数，分析得到舟山群岛2017年碳储存总量为94.78万t。利用A rcGIS对舟山群岛各海岛碳存储能力进行分区统计，得到舟山群岛各海岛的平均碳储量数据如图1所示。空间分布上看，舟山群岛沿海缓坡区域碳储量普遍偏低。这是因为在耕地资源紧张的情况下，为解决海岛有限的土地资源和城市建设发展需求之间的矛盾，滩涂及缓坡林地成为了城市进一步发展的潜在空间。从群岛尺度看，普陀山、桃花岛等海洋旅游岛岛陆植被覆盖度高，旅游资源丰富，这些岛上的自然资源和人文资源受到严格保护，碳储存能力较强。岱山岛耕地和建筑用地面积在岛陆总面积中占比高，碳存储能力相对较差。小洋山岛、长白岛等海岛为碳储能力的低值区。这些岛屿具有优越的港口岸线资源，被开发作为港口物流岛或工农业用岛。岛上建设有港口、码头、运输公路等设施，近岸海域、滩涂以及岛陆发展有水产养殖、制盐、能源等产业，岛上的自然资源被作为原材料直接提取或被移除以转变土地利用方式，原生生态系统受干扰较大，碳存储服务数量大幅减少。

3.2 土壤保持服务

经模型分析，舟山群岛2017年土壤保持总量为4560万t，土壤侵蚀量为175.31万t，平均每平方千米土壤侵蚀量达648.34t，依据南方红壤丘陵区的水土流失标准[11]，舟山群岛属于轻度土壤侵蚀。以岛屿尺度看，舟山群岛大多数岛屿土壤侵蚀强度属于微度侵蚀（＜500t/km2）和轻度侵蚀（500～2500t/km2），而中街山列岛和小衢山的单位面积土壤侵蚀量已达强度侵蚀（2500～8000t/km2），东福山平均每平方千米土壤侵蚀量达8771.55t，属于极强度侵蚀。小衢山岛港域条件优越，岛上设有特大型砂石骨料开采生产基地，大量的工业开采破坏了海岛生境，急剧加速了小衢山岛的土壤流失。中街山列岛位于舟山渔场的中心，有着丰富的旅游资源，渔业经济活动和文化旅游开发极大地扰动了中街山列岛的生态系统。东福山为中街山列岛东部的一座小岛，岛上淡水资源贫瘠，植被覆盖率仅18%，约三分之一的林地为水土保护林。东福山人类活动频繁，夏季常常遭受台风侵害，岛陆土壤侵蚀严重，尽管岛上已采取水土养护措施，但土壤侵蚀状况尚未得到缓解，东福山的生态可持续发展仍旧面临很大的挑战（图2）。

图1 舟山群岛碳储量及岛均碳储量空间分布

3.3 水源涵养服务

2017年舟山群岛水源涵养总量为15.7亿m3，受土地利用方式和降水因素影响，总体呈现为西南多，东北少的趋势（图3）。土地利用分类中，水体的实际蒸散量最大，实际蒸散量与降水量之比接近于1，对降水几乎没有截留能力，因此舟山群岛周边海域的水源涵养能力极弱。舟山群岛西南部诸岛降水丰富，林地灌丛等植被覆盖面积大，降水截留能力较强，因此群岛西南部近岸的金塘岛、六横岛、岱山岛、虾峙岛、舟山本岛等大岛水源涵养能力较强。衢山岛、嵊泗列岛以及其他东北部小岛岛陆面积小，建设用地与耕地面积相对占比高，实际蒸散量较大而降水量相比西南各岛较少，水源涵养能力较弱，淡水资源贫乏。

图2 舟山群岛土壤保持量及土壤侵蚀强度空间分布

4 结论

舟山群岛2017年总碳储量为94.78万t，土壤保持量为4560万t，水源涵养量为15.7亿m3。总体而言，舟山群岛中面积较大的岛屿生态系统服务水平普遍高于偏远小岛。偏远的小岛远离大陆，交通不便，生态脆弱性强，各类资源十分紧张。评估结果显示偏远小岛碳存储数量少，水土流失严重，水源涵养能力差。单一的生态系统结构和低水平的生态系统服务导致偏远小岛开发难度大，生态风险高。

图3 舟山群岛2017年降水量、实际蒸散量、水源涵养服务空间分布

舟山新区在我国实施区域发展总体战略、海洋经济发展战略中具有独特地位。随着舟山群岛进一步发展建设，对海岛资源的需求与日俱增，供给服务与调节服务、支持服务的矛盾愈加激烈，海岛开发为环境带来的危害与矛盾需要解决。因此应以生态系统服务指标为约束条件，优化海岛土地利用结构，根据海岛实际生态系统状况及时调整实施政策。对于资源相对较多的海岛可实施空间整治、土地集约利用、城市绿化建设等措施。对于偏远小岛，应有约束的开发，做好灾害预防、环境影响评价工作，并进行生态修复，加强水土综合防治，实现海岛生态系统服务的可持续利用。