基于InVEST模型的佛山市生态系统服务空间格局分析

钟亮，林媚珍，周汝波

广州大学地理科学学院，广州 510006

0 前言

生态系统服务是指生态系统形成和维持人类赖以生存发展的环境条件与效用，是人类直接或间接从生态系统得到的所有收益[1-2]，通常将其分为支持服务、调节服务、供给服务和文化服务 4大类[3]。生态系统可提供粮食、氧气等直接供人类使用的产品，同时也具有涵养水源、生物多样性维持、土壤保持等功能，间接地为人类的生存提供保障，是人类赖以生存发展的基础[4]。但随着人口数量的激增及城市化进程的加快，人类对生态环境的过度开发已造成了不可逆的破坏，导致生态系统服务急剧退化[5-6]。作为人与自然关系研究的重要纽带，生态系统服务的研究已经受到了越来越多学者的重视，并且在“可持续发展”这一人类共同准则的引导之下，生态系统服务的研究与保护俨然成为了当今世界关注的前沿和热点[7-9]。

近年来，国内外学者对生态系统服务的概念与内涵、分类、评估方法等方面进行了深入的研究。其中，生态系统服务的定量评估是政府进行生态规划与保护的首要条件，也是公众和决策管理者最为关心的内容[10]。目前，在评估方法上主要分为物质量评估法和价值量评估法，其中生态系统服务的价值量评估占优势[11-13]。传统的价值量评估对生态系统服务的评估结果直观，简单实用，但是仍存在一些不足，例如，单纯地对生态系统服务的价值进行估算，则会忽略其空间异质性[14]；无法对多种服务进行权衡研究进而使研究意义大打折扣[15]。近年来随着3S技术的发展，以遥感数据、社会经济数据、GIS技术等为支撑的生态系统服务功能评估模型逐步问世[16]。评估模型在生态系统服务价值评价及其空间分布制图中占据优势，能为生态系统服务的决策管理提供重要的技术支撑[17]。其中，由斯坦福大学、大自然保护协会(TNC)和世界自然基金会合作联合开发开发的 InVEST模型(Integrated valuation of ecosystem services and trade-offs)在其空间分析功能、评估精度、适用性等方面更具优势，在全球范围内的应用也最为广泛。如美国斯坦福大学的Nelson[18]等人利用模型及其情景预测功能，就美国俄勒冈州西南部威拉米特河流域的土地利用变化对生态系统服务所产生的影响进行了深入研究；Goldstein等[19]应用 InVEST模型的水质净化模块对夏威夷岛的水质净化服务功能进行评估，并将研究成果应用到当地农业灌溉系统的改善上；张斯屿[20]采用水源涵养模块、土壤保持模块和碳存储模块对典型喀斯特地区晴隆县进行了生态系统服务评估并分析了其空间异质性；党虹[21]利用InVEST模型的土壤保持、碳储存和作物产量模块对称钩河流域的生态系统服务功能进行综合评价和分级。可见，InVEST模型在生态系统服务评估方面具有很好的应用前景，在国内也具有较强的适用性。但是，学者们往往只聚焦于单个服务或服务蔟的InVEST模型评估，缺乏了对多个生态系统服务综合的空间保护研究。而近年来，将生态系统服务的保护纳入生态保护研究中的观点逐渐成为保护生态学研究的重要议题[22]，为了定量表征生态系统服务供给能力的区域分异，有学者率先提出了生态系统服务空间保护成效指标的计算方法[23]，并以此作为生态系统服务保护优先性分级的重要依据[24]。

佛山地处珠江三角洲腹地和粤港澳大湾区的核心地带，是珠三角中部和西部地区的重要连接枢纽，也是广佛都市圈的重要组成部分，有着重要的战略地位[25]。近年来，随着粤港澳大湾区和广佛一体化建设进程加快，佛山市在大湾区中的重要性与日俱增[26]。目前佛山市正处于快速城市化进程中，已成为全国工业化与城镇化快速发展的城镇密集地区之一，潜在的生态风险不容忽视[27]。本文将以佛山市为研究区域，利用InVEST模型(InVEST 3.4.4)对2017年佛山市的产水量、土壤保持、生物多样性维持、碳储存和粮食产量 5项关键生态系统服务进行定量评估，分析其物质量的空间格局，进一步对单项生态系统服务热点以及服务的综合热点区域进行识别，并通过生态系统服务空间保护成效指标划分出佛山市生态系统保护成效高低值区域，以期能为佛山市的生态规划保护以及自然—社会—经济复合系统协调发展提供参考。

1 研究区概况

佛山市地处广东省的中南部、珠江三角洲腹地，地理坐标范围为 112°22′E—113°25′E，22°50′N—23°10′N，东倚广州，西接肇庆，南连珠海，北通清远，毗邻港澳，地理位置优越。现辖禅城区、南海区、顺德区、三水区、高明区 5区，总面积约3797 km2(图 1)，其中主城区位于禅城区附近，总面积为361.66 km2，常住人口约765.67万人。佛山市位于南回归线以南，属亚热带季风性湿润气候，年平均气温 23.2 ℃，年降雨量 1600—2000 mm，雨热充沛。佛山市属于典型的三角洲河网地区，地势大致西高东低，除西部北部为丘陵山区外，其余地区大部分为西江、北江三角洲平原及其支流形成的河谷冲积平原，主要分布于顺德区、禅城区、南海区南部、三水区东南部及高明区东北部，约占全市总面积的 2/3，优越的气候和地形条件还催生出珠江三角洲独特的农业系统——基塘系统[28]，历史形成的桑基、蕉基、蔗基鱼塘使得佛山自古就享有“鱼米之乡”的美誉。

图1 佛山市概况图Figure 1 Regional general situation of Foshan City

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

基于数据时效性、可获得性和可利用性，研究选用2017年10月下旬Landsat 8 OLI_TIRS影像数据，结合ENVI 5.3软件提取研究区土地利用信息(图 2)，空间分辨率为 30 m，解译精度为 89.1%，数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，由于基塘系统是一种水陆相互作用的人工生态系统，兼具淡水生态系统和陆地生态系统的特点，具有极高的生态价值[29]，且在佛山市分布广泛，故将其单独列为一种土地利用类型；年降水量、气温数据来自中国气象数据网《中国地面气候资料年值数据集》(http://data.cma.cn/)；土壤数据来源于 FAO基于世界土壤数据库(HWSD)中国土壤数据集(1:100万)；研究区矢量数据和 NDVI数据来源于资源环境数据云平台(http://www.resdc.cn/)；粮食产量等统计数据来自于佛山市统计局2018年统计年鉴。

2.2 研究方法

2.2.1 生态系统服务评估

(1)产水量。提供淡水是生态系统服务功能之一，模型原理是基于 Budyko水热耦合平衡假设[30]，在年均降雨量的基础上考虑了蒸散发的影响。计算公式如下:

图2 佛山市土地利用类型Figure 2 Land use types of Foshan City

式中，Yxi为年产水量，Px为栅格单元x的年均降雨量，AETxi为土地利用类型j上栅格单元x的实际年平均蒸散发量。

(2)土壤保持。水土保持是重要的支持服务，模型采用修正通用土壤流失方程USLE对区域土壤侵蚀量进行估算。计算公式如下

式中，USLE为实际土壤流失，RKLS为潜在土壤流失，R为降雨和径流因子，K为土壤可蚀性因子，LS为坡长坡度因子，C为植被覆盖因子，P为水土保持措施因子，SD为土壤保持量。

(3)生物多样性维持。生物多样性与生态系统服务的生产有着密切的联系，模型中的生境质量模块可以表征生物多样性，其原理是结合土地覆被和生物多样性威胁因素信息共同生成生境质量地图。计算公式如下:

式中:Hj为土地覆被类型j对应的生境类型得分；Dxj为土地覆被类型j上栅格单元x的生境胁迫水平；z为尺度常量，其值为 2.5；k为半饱和常数。

(4)碳储存。土壤和植被具有良好的固碳效应，因此可以起到调节大气的作用。模型通过将四种碳库的储量相加来评价每个地图单元和整个景观的总碳储量，相关参数设置参照周汝波[31]等人的研究，计算公式如下:

式中，Ctot为碳储存总量；Cabove为地上植被碳储量；Cbelow为地下植被碳储量；Csoil为土壤碳储量；Cdead为死亡有机物碳储量。

(5)粮食产量。粮食生产也是重要的供给服务之一，参考吴平[32]等人的研究，根据粮食产量与NDVI线性相关，将粮食总产量按照NDVI值分配给耕地栅格。计算公式如下:

式中，Gi为耕地栅格i的粮食产量，Gsum为研究区粮食总产量，NDVIi为耕地栅格i的NDVI值，NDVIsum为研究区NDVI值之和。

2.2.2 热点分析法

热点分析用于探究各项服务特征值分布聚集度高低程度，热点区域要求高值聚集，冷点区域则要求低值聚集。在空间统计中，通常采用Getis和Ord提出的系数，是一种基于距离全矩阵的局部空间自相关指标，以探查各项生态系统服务高值或者低值在空间上发生聚类的位置。计算公式如下:

式中，Wij为斑块i与斑块j之间的空间权重矩阵，xj为斑块j的属性值，X为所有属性值的平均值，n为总的斑块数。本研究借助Arcgis10.6软件，将各项生态系统服务原始数据赋值给格网，格网大小为0.5 km×0.5 km，利用空间统计中的热点分析(Getis-Ord Gi*)工具进行分析。

2.2.3 生态系统服务空间保护成效分析

基于镇或街道级面域范围，确定生态系统服务空间保护成效评价方法如下:

式中:SE是生态系统服务空间保护成效指标，为无单位正数；Ep是镇或街道面域范围内的生态系统服务总量；E是镇或街道面域范围面积；Sp是整个研究区的生态系统服务总量；S为研究区总面积。SE指数值大于 1说明其生态系统服务空间保护成效较高，反之则说明其生态系统服务空间保护成效较差。

3 结果与分析

3.1 佛山市各项生态系统服务基本特征

3.1.1 佛山市各项生态系统服务空间分布

佛山市各项生态系统服务的评价结果见图 3和表1。从图表中可知，2017年佛山市产水量的空间分布存在很大差异，呈现出东高西低的格局(图3a)，高值区域出现在顺德区、禅城区、三水区和南海区，单位面积产水量所占比例最高为顺德区(21.71%)，原因是该区域城市化水平较高，城区中不透水地面的面积大，改变了水量平衡，使得降水入渗减少，故产水量较高。产水量低的区域主要是高明区，单位面积产水量所占比例也较低(16.67%)，主要是由于该区域植被覆盖面积较大，不透水面较少；土壤保持量的高值主要集中在高明区的西南部和三水区西北部(图 3b)，其单位面积服务量所占比例高达59.54%和26.94%，主要因为该地区的林地、耕地面积较大，植被覆盖度较高，对雨水的拦截能力较强，故土壤保持能力强；生物多样性的高值同样分布在西北部的高明区(3 3.3 9%)和三水区(25.85%)等地区(图 3c)，东部由于城市建设和人类活动的频繁，对生态环境破坏较为严重，致使生物多样性较差；碳储存的空间分布格局呈现出东西部高、中部低的分布状态(图3d)，高值区主要分布在三水区北部、南海区东部、禅城区大部，顺德区东部和高明区西部，低值区主要分布在三水区中部、南海区南部、顺德区西部以及高明区东北部，其中高明区单位面积碳储量比例较高，为 24.76%，而顺德区最低，为 16.97%，主要是由于植被覆盖度较高地区以及城市区域的生物量较多，而中部地区，尤其是沿河道附近的生物量相对较少所致；粮食产量方面，高明区和三水区单位面积的生态系统服务较高，分别达到了31.19%和28.69%，高值集中在耕地密集区域，主要在高明区东部、三水区西北部、南海区中部和顺德区北部，而禅城区由于城市建设用地面积较大，粮食产量也相对较低(图3e)。

3.1.2 佛山市各项生态系统服务分项统计

图3 佛山市各项生态系统服务评价结果Figure 3 Evaluation results of ecosystem services in Foshan

表1 佛山市各区域单位面积生态系统服务所占比例(%)Table 1 Proportion of ecosystem services per unit area in Foshan (%)

基于佛山市各项生态系统服务评估结果，以五种土地利用类型(耕地、林地、基塘、水域和建设用地)为基础，对各项生态系统服务进行归一化统计，运用 Origin2018软件对统计结果进行可视化展示(图4)。由图4可知，建设用地占产水量的比例最大，约为46%，其次为基塘，约占29%；对土壤保持贡献最大的是林地，约占 78%，其余用地类型均在 10%以内；林地和基塘对维持生物多样性的贡献较大，分别为 37%和 35%；碳储量以建设用地为主，约占43%；粮食产量以耕地为主，约占 40%。总的来说，林地、基塘用地和耕地在5类生态系统服务中起到至关重要的作用，为主要贡献者，建设用地对产水量和碳储存的贡献较大，而水域对所有生态系统服务的综合贡献值较低。

3.2 佛山市生态系统服务热点分布

3.2.1 佛山市单项生态系统服务热点分布

热点分布可以表明各项服务高低值的聚集情况。由图5和表2可知，产水量热点区主要分布在佛山市东部地区，包括三水区大部、南海区东部和南部、禅城区东部和顺德区大部(图5a)，热点区域以及次热区域占比分别为31.19%和30.16%；土壤保持以冷点区域为主，占比高达 77.92%，而热点区域主要分布在佛山市北部、西部等植被覆盖度较高的地区(图 5b)；生态多样性维持和碳储存的生态系统服务热点区均主要分布在西北部的三水区和高明区(图5c、图5d)，热点区域面积占比分别为15.78%和13.17%，不同的是碳储存的次热区主要分布在东部的南海区和禅城区，而相反的是，生物多样性的冷点区域恰好分布于此；粮食产量以冷点区域为主，冷点区和次冷区分别占比41.02%和27.68%，而热点分布较为分散，主要分布于西北部的高明区和三水区(图5e)。总体来说，佛山市生态系统服务热点分布格局呈现出“西多东少”的特点，原因是佛山市东部毗邻广州市，城市化较为严重，受人类活动干扰较强，而西部地区人类活动较少，土地开发程度不高，植被覆盖较好。植被覆盖度越高碳含量就越高，土壤有机质也相应越高，同时丰富的植物根系能有效抑制土壤流失，进一步促进了土壤保持。丰富的植被也能提供适宜生物栖息的场所，生物多样性也就越高。相反在城市区域，由于人类活动频繁、不透水面增加，生态系统服务较低。

图4 佛山市各项生态系统服务分项统计比例Figure 4 Itemized statistics of ecosystem services in Foshan

图5 佛山市各项生态系统服务热点分布Figure 5 Hot spots of ecosystem services in Foshan

表2 佛山市各项生态系统服务热点类型所占比例(%)Table 2 Proportion of ecosystem services hot spots in Foshan (%)

3.2.2 佛山市生态系统服务综合热点分布

基于各项服务综合热点的空间分析，可以识别出服务簇高值区域的空间组合规律，从而为定性划分保护区域提供决策依据[33]。本研究将佛山市各项生态系统服务进行五级等分，选取前 20%的高值样本进行叠加，空间粒度大小为 0.5 km×0.5 km。0-4依次表示综合生态系统服务高值区域重叠的服务有0-4项，即生态系统服务综合热点个数。从图8中可以看出，各项生态系统服务的高值区重叠比例非常低，具有4-5项高值服务的栅格仅占0.76%，且未发现5类服务均为高值的重叠区域，具有3项高值服务的栅格占总栅格的13.37%，具有2项高值服务的栅格所占比例为 8.84%，有 1项高值服务叠加区域栅格占总栅格的 38.71%，而不具有高值服务的栅格占总栅格的38.32%，说明佛山市的生态系统服务的供给和调节能力较低，各项生态系统服务分布有着明显的空间分异性。

图7 佛山市生态系统服务综合热点区分布Figure 7 Comprehensive hotspot distribution of ecosystem services in Foshan

图8 佛山市生态系统服务空间保护成效分布Figure 8 Efficiency of ecosystem services protection of Foshan

3.3 佛山市生态系统服务空间保护成效分布

基于生态系统服务空间保护成效分析，可以识别出服务空间保护成效高低区域，从而为定量划分保护区域提供决策支撑。对生态系统服务空间保护成效结果进行克里金插值，采用自然断点法(Jenks)由低至高共分为五类显示(图7a)。从图中可以看出，服务效率高值区域出现在佛山市高明区中西部，占比为 18.96%；效率较高区域出现在三水区北部和高明区东部，占比为 17.25%；效率中值区域出现在三水区中部，南海区西部以及顺德区中部占比为 23.77%；效率较低区域包括三水区南部、南海区东部、禅城区西部和顺德区大部，占比为25.63%；效率低值区域出现在南海区东部，禅城区东部和顺德区南部，占比为 14.37%。生态系统服务空间保护成效在整体上呈现出自西向东逐级递减的分布格局。

4 讨论

通过前文分析可以看出，佛山市生态系统服务高值区域出现在西部山区，低值区域主要出现在东部城区和顺德部分基塘区，根据佛山市国土规划局2018年发布的《佛山市自然生态文明建设专项规划》，佛山市正着力筑牢三大生态屏障区，即西部山地屏障区、北部山地屏障区和南部农田湿地屏障区，规划指出南部农田湿地屏障区要构建“水系连通成网，基塘比邻成片”的发展格局，因此水系和基塘的保护应该受到重视。同时结合《佛山市“十三五”城市近期建设规划(2016—2020年)》中对市域三区划定及管制要求，规划划定禁建区面积 1192.52 km2，占全市总面积的 31.4%，限建区面积 1057.29 km2，占 27.84%，适建区面积 1547.91 km2，占 40.76%，与本文生态保护成效的高值与较高值区域(36.21%)、中值区域(23.77%)、较低和低值区域(40.02%)基本吻合，禁建区与限建区集中在西部高明区和三水区，适建区集中在中南部的高明、禅城和顺德区，与本文分析也基本协调，因此本文对佛山市生态系统服务的空间格局分析具有一定的科学性和合理性，进一步验证了InVEST模型在珠三角地区的适用性。

粤港澳大湾区是我国开放程度最高、经济活力最强的区域之一，在国家发展大局中具有重要战略地位，根据国务院印发的《粤港澳大湾区发展规划纲要》，佛山将继续推进广佛超级城市建设，主动承接深圳溢出效应，借力港澳打造更高水平的开放型经济。因此，城市建设和生态保护并行的发展方案显得十分必要，在以禅城区、顺德区和南海区为代表的保护成效低值区，应避免建设用地盲目扩张，合理规划生态系统空间布局，可以采取修建城市绿道、生态公园等措施，优化生态资源配置；在以三水区和高明区为代表的保护成效高值区，应结合生态环境优势，合理利用土地，保障林地、基塘和耕地等生态系统良好运作，才能最大程度为人类提供惠益。

本文采用 InVEST模型对佛山市生态系统服务的空间格局进行研究，验证了模型评估的合理性和适用性，为探究佛山市生态系统服务空间分布格局、确定生态系统服务保护重点区域提供了参考，对保障佛山市生态保护和维持可持续发展提供了一定的科学依据。但是同时也存在着一些不足之处，例如 InVEST模型是基于土地利用类型对生态系统服务进行评价，现实情况中导致生态系统服务产生空间异质性的驱动因素还很复杂，且目前生态系统服务正向权衡与协同效应、时空异质性等方向发展，因此今后应加强此方面的研究。

5 结论

通过 InVEST模型对佛山市生态系统服务进行评估，发现: (1)各生态系统服务类型在空间分布上呈现出差异化规律，除产水量外的高值区普遍集中在西、北部地区；而以禅城区为代表的中东部区域的生态系统服务相对较低；(2)林地、基塘和耕地在5类生态系统服务中为主要贡献者，建设用地对产水量和碳储存的贡献较大，而水域对所有生态系统服务的综合贡献值较低；(3)生态系统服务热点分布格局呈现出“西多东少”的特点，土壤保持和粮食产量以冷点区为主；(4)佛山市各项生态系统服务的高值区重叠比例非常低，表明生态系统服务的调节和供给能力较低，各项生态系统服务分布有着明显的空间分异性；(5)生态系统服务空间保护成效呈现出“西高东低”的格局，低值区域出现在南海区东部，禅城区东部和顺德区南部，需要重点保护。