基于InVEST的黔中喀斯特山地城市贵阳市生态系统服务评估

陈谋会，林泽北，周学霞，伍娬，王志杰

(1.清镇市站街镇林业站，贵州 贵阳551403；2.贵阳市林草资源监测中心，贵州 贵阳550003；3.贵州大学生命科学学院，贵州 贵阳 550025)

生态系统服务功能是指自然生态系统为维持人类生存和发展所形成的环境条件与效用，是人类用以生存、发展的生态系统功能和生态系统产品的统一惠普[1]。自20世纪50年代初期，Eugene P.Odum在《Fundamentals of Ecology》一书中首次阐述了生态系统的“服务功能”的概念[2]后，生态系统服务功能的相关研究受到越来越多国内外学者的关注[3-5]，研究成果主要集中在对不同尺度[6]、不同区域[7]、不同类型[8]的生态系统服务功能度量、价值评估和机理分析。目前，评估生态系统服务功能重要性的研究方法主要有模型法和定量指标法[9]。由于空间异质性和区域尺度效应，导致评估结果不具典型性和可比性[10]，怎样精确地定位、定量评估生态系统服务功能，探明不同自然环境条件下生态系统重要服务功能区成为生态学领域的前沿课题。InVEST模型(Integrate Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)能通过生产函数精确评估生态系统服务物质量，实现不同重要程度的生态系统服务功能的可视化表达，不但有效反映出生态系统服务功能的空间异质性，还突破了传统评估方法的地域限制性[11]，在全球生态系统服务功能评估研究的应用得到广泛应用[12]。近年来，随着生态文明示范城市建设相关措施的深入实施，贵阳市生态系统服务功能的综合效益得以提升，已形成“林在城中、城在林中”的生态格局。随着工业化的快速发展，生态系统运转机制严重受损。然而，在典型喀斯特地区生态系统服务功能评估鲜有[13]，且多集中在单一生态系统服务功能的探讨，对生态系统综合服务功能重要性较少，忽略了生态系统服务功能间的相互作用。在以经济发展为导向的密集土地利用方式和人类高度城市化的发展策略实施后，喀斯特山地城市生态资源保护的关键区在哪里？如何在资源有限的城市生态系统中，既解决土地利用资源供需矛盾又满足城市居民对生态系统服务功能的需求？科学回答上述问题，是贵阳市保障森林资源实现动态平衡，推进生态文明建设进程亟待解决的科学问题和现实问题。基于此，本研究以典型喀斯特生态脆弱区贵阳市为研究对象，借助GIS技术和InVEST模型，对贵阳市生态系统服务功能进行定量评价，揭示水源涵养、碳储量、生物多样性保护和土壤保持生态系统服务功能现状和空间分布特征，划定该区生态系统服务功能的重要保护区域，明确生态保护核心区在维持地域自然风貌和建设绿色发展城市的重要程度，以期为决策部门在城市发展中实施生态补偿机制和保障利益分配的公平性提供理论依据。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

贵阳市(106°07′～107°17′E，26°11′～27°22′N)位于贵州省中部，地处云贵高原东段，东临湘江、南靠巴陵，中为黔中原始丘陵中段。全市辖6区3县1市，国土面积约8034 km2。地势呈明显的西南高、东北低特征，区内地貌类型以山地、丘陵为主，喀斯特发育强烈，岩石透水性强，平均海拔在1100 m左右[14]。气候区划属亚热带季风湿润温和型气候，地处费雷尔环流圈，受西风带影响，夏无酷暑，冬无严寒[15]。境内地带性植被多为中亚热带湿润性常绿阔叶林，由于城市化进程发展迅猛，2018年底贵阳市城镇化率达75.43%[16]，主城区原生植被大幅减少，环境承载力超载程度加剧，致使区域生态系统服务功能效益降低。

1.2 数据源

本文遵循指标选取可获取性、全面性、科学性等基本原则，以2019年Landsat-8 OLI遥感影像(坐标系统WGS_1984_UTM_Zone_48 N，空间分辨率30 m×30 m)为主要数据源，影像来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)。基于ENVI遥感数字图像处理软件平台，对遥感影像进行辐射定标、大气校正、图像增强、影像镶嵌等预处理，根据我国现行的土地利用分类标准(GB/T21010-2017)，采用支持向量机分类法将土地利用类型划分为耕地、林地、建设用地、水域和其他用地5大类。混淆矩阵和Kappa系数验证结果表明各类型分类精度和总体精度均大于85%，分类结果精度满足本研究需求。年降水量、年平均气温数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)；应用联合国粮食及农业组织推荐的FAO-56 Penman-Monteith模型[17]计算潜在蒸散量；土壤数据来源于资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn)的《面向陆面过程模型的中国土壤水文数据集(1980)》土壤数据集(1∶100 万)[18]。

2 研究方法

2.1 生态系统服务功能重要性评价

(1)土壤保持模型

基于通用的水土流失方程，在裸地的情形下，计算不同景观类型潜在土壤侵蚀量。公式为[19]：

RKLSx=RKLSx

USLEx=RKLSxPC

SEDRETx=RKLSx-USLEx

式中：SEDRETx为栅格x的土壤保持量，RKLSx、USLEx分别是潜在土壤侵蚀量、实际土壤侵蚀量；R、K、P、C、LSx分别为降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、水土保持措施因子、植被经营管理因子、坡度-坡长因子。

(2)生境质量模型

将生境质量看作一个连续变量，将地覆被和各种生物多样性胁迫因素叠加，以衡量生物多样性。公式为[20]。

式中：Qxj为土地利用类型j中栅格x的生境质量，Hj为土地利用类型j的生境适宜性，Dxj为土地利用类型j、栅格单元x的生境胁迫水平，k为半饱和常数，在此模型中设置为0.5，z为归一化常数。

(3)碳储量模型

基于土地利用/覆被数据，统计地上生物量、地下生物量、土壤碳、死亡有机质四大碳库的平均碳密度[21]，以评价景观和类型尺度的总碳储量。公式为[22]：

Ctot=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead式中：Ctot为生态系统总碳储量，Cabove为地上生物量碳储量，Cbelow为地下生物量碳储量，Csoil为土壤碳储量，Cdead为死亡有机质碳储量。

(4)水源涵养模型

以栅格为计算单元，基于水热耦合平衡假设，模拟水源供给量的空间分布[23]。公式为[24]：

ωx=Z×(AWCx/Px)

AMCx=Min(MSDx,RDx)×PAWCx

式中：Yxj为土地利用类型j、栅格单元x的年产水量；AETxj为第j类土地利用类型在栅格单元x上的实际蒸散量，Px为单元x的年均降雨量；z为Zhang系数，ωx为无量纲的非物理参数；Rxj为土地利用类型j、栅格单元x的干燥指数，Kxj为植被的蒸散系数，AWCx为植被可利用水含量，ETox为栅格x的潜在蒸散量；MSDx为最大土壤深度，RDx为根系深度，PAWCx为土壤含水量。

2.2 生态系统综合服务功能评价

基于单一生态系统服务功能的评价结果，借助空间主成分分析法确定评价指标的权重和主成分(累计贡献率>85%)[25]，运用综合指数法对各项指标进行加权叠加计算。计算公式为：

ESI=p1W1+p2W2+…+piWi

式中：ESI为生态系统综合服务功能重要性指数；Pi为第i个主成分；Wi为第i个主成分的权重。采用自然断点分级法，将ESI分为一般重要、重要和极重要3个等级，得到贵阳市生态系统综合服务功能重要性评价结果。

3 结果与分析

3.1 土壤保持重要性评价

由土壤保持功能重要性评价结果可知(图1)，贵阳市2019年土壤保持总量为2224.66×106t。土壤保持的空间分布格局呈现出四周高、中间低的分布状态，高值区分布在开阳县金中镇和息烽县西山乡等地，其单位面积土壤保持量分别为3.39 t·m-2和3.33 t·m-2；土壤保持低值区主要出现在建设用地、耕地较为集中的南明区和白云区，其中白云区的单位面积土壤保持量最低(1.04 t·m-2)。

土壤保持重要性的评价结果显示，研究区土壤保持重要性从一般重要到极重要表现出“倒金字塔”分布的数量特征(表1)，整体上呈现出大斑块集聚、小斑块离散的空间分布特征。区内以一般重要为优势类型，面积为7515.63 km2，面积比为96.49%，高度集聚于白云区、云岩区和修文县等地区(面积占比≥98%)。在各区县中，开阳县的重要区和极重要区面积占比最大，但仍不足1.00%。，主要分布在植被覆盖度较高的茅坡村、温泉村和翁朵村。

3.2 生物多样性保护重要性评价

贵阳市2019年平均生境质量指数为0.70。生境质量指数的高值集中分布在乌当区(0.78)和开阳县(0.77)等地区(图1)，而低值区主要集中在南明区、云岩区、白云区等地，其中云岩区的生物多样性最低，生境质量指数仅为0.44。

研究区内生物多样性保护重要性类型以极重要为主(表1，图1)，面积为4163.41 km2，面积比为53.45%；重要地区次之，面积、占比分别为3069.28 km2、39.40%。全区生物多样性保护极重要区在植被覆盖较好的山区集中分布，少部分地区沿河道呈条带状分布；一般重要地区由于面积较大，呈连片分布和斑块散布。就各区县生物多样性保护重要性的数量特征而言，“三县一市”的极重要区面积最大，基本都在500 km2以上。这些地表植被结构复杂、物种资源丰富的地区，对维持区域生物多样性具有重要贡献作用。

图1 生态系统服务功能评价结果

3.3 碳储量重要性评价

研究区内总碳储量为142.884×106t，栅格平均值为16.36×106t。碳储量的高值区主要集中在开阳县南部、乌当区东北部，低值区主要分布在云岩区、南明区等中心城区及其辐射范围(图2)，其中乌当区和开阳县的单位面积碳密度较高(19.62 kg·m-2、19.29 kg·m-2)，南明区的单位面积碳密度最低(16.05 kg·m-2)。

碳储量一般重要区到极重要区的面积和比例呈逐级递增趋势(图2)，极重要区面积最大(3706.81 km2)，占了全区面积的47.59%；其次是重要区(3406.13 km2)，其比例为43.73%；一般重要区的面积为676.20 km2，占比8.68%。各区县中，开阳县的极重要区面积超过了1100 km2，是碳储量最丰富的区域。另外一些区县如南明区、白云区、云岩区等，虽然极重要区面积相对校小，但比例也都在27%以上，这些区域在碳储量中发挥着重要作用。云岩区碳储量最少，一般重要类型面积占比是各区县的最大值(40.71%)。

3.4 水源涵养重要性评价

研究区水源涵养总量为8539.68×106mm，栅格平均值为986.93×106mm。由图2可知，水源涵养量的空间分布存在不均匀性和复杂性，呈现出东高西低的格局，高值区域出现在花溪区、开阳县和乌当区，平均水源涵养量最高为花溪区(1002.50×106mm)，低值区域主要是清镇市、修文县、和观山湖区。

水源涵养功能重要区面积最大(表1，图2)，达到4305.91 km2，约占总评估面积的55.28%，其空间分布格局呈现出带状和块状分布，少部分重要区呈斑块分布；其次为极重要地区，面积为2917.49 km2，在总评估面积中占比37.46%，除花溪区、云岩区、观山湖区和白云区大部分地区呈片状集中分布外，其余均主要分布在重要区两侧；一般重要区面积较小，仅占总评估面积的7.26%，主要分布在重要区外侧，呈零星片状分布。

图2 生态系统服务功能评价结果

3.5 生态系统服务功能重要性综合评价

主成分分析结果表明，研究区内以碳储量功能和生物多样性保护功能为主导，两者极重要区面积占比均接近50%。综合评价结果表明，贵阳市生态系统服务功能综合重要性指数为0.52～3.08，平均生态系统综合服务功能重要值为2.09。各区县中仅有乌当区(2.28)和开阳县(2.26)的ESI大于平均值，处于生态盈余，其余8个区县的生态承载力均小于生态足迹。

研究区生态系统服务功能各类型与碳储量功能的数量特征一致(表1)，均呈倒“J”分布型，但受到土壤保持功能的影响，部分极重要区转变为重要区。极重要区和重要区面积分别为3519.43 km2和3714.11 km2，一般重要类型的区域仅占7.13%。生态系统服务功能重要性的空间分布表现出明显的方向性，呈现出自东北向西南逐渐递减的分布规律(图3)。其中，一般重要区集中连片分布在中西部及东南部，其他地区基本呈星状散布，尤其是清镇市西部。重要区基本呈不规则带形分布在极重要区周边，少部分零散分布。极重要区主要分布在碳储量较高的乌当区、开阳县，还有一部分极重要区呈团块状散布在生境质量指数较高的息烽县北部和西南部，这些地区对维护整个研究区及西南地区生态系统的稳定具有重要意义。

表1 生态系统服务功能重要性评价结果

图3 生态系统综合服务功能评价结果

4 结论与讨论

贵阳市生态系统综合服务功能整体处于极重要水平，不同生态系统服务功能的重要程度分区空间格局和聚集效应各异。其中，90%以上研究区域属于水土流失严重的生态脆弱区，这主要与石漠化、地形等喀斯特地质背景的影响和制约有关，加上高强度利用、高频度人为干扰对地表植被的破坏，致使土壤结构破坏，水土流失严重[26]。城市化水平较高的人口稠密区，其碳储量功能较弱，而水源涵养功能较高，主要是因为建设用地形成了大分散、广蔓延的“冒进式”扩张，土壤肥力下降，破坏了植被生长环境，致使森林固碳能力下降，而建设城区地面多为不透水面，径流系数普遍较大[27]，使得降水入渗较少，水源涵养量较高。

针对贵阳市特殊的地质条件及其林地资源空间分布异质性，在今后的国土空间管制和生态系统恢复重建过程中，应制定不同主导生态功能分区环境管理措施。对于生态系统综合服务功能重要性程度较弱的环城北路街道、黔灵东路街道等老城区为主的代表地区，根据其“植被净初级生产力较弱，城市化水平较高，生态退化严重”的特点，应将其作为生态恢复重点治理区，基于生态效益补偿机制，扩大森林、湖泊、湿地等绿色生态空间比重，缓解资源环境与经济发展不协调的矛盾。对于生态系统综合服务功能重要性程度居中的永乐乡、小寨坝镇等生态建设集中发展区，应持之以恒实施主体功能区制度，有序推进“生态工业、都市农业和现代服务业”行动和“蓝天守护、碧水治理、绿地保护”行动。而对于生态系统综合服务功能重要性程度较高的地区，根据其“植被净初级生产力强，社会经济水平低”的特点，应将这些区域作为生态保护核心区，继续实施长江防护林、天然林资源保护工程，严守区内森林保护防线，采取“取消或弱化地区生产总值考核指标”政策，确保社会商品林采伐、森林康养等经营性活动实现经济效益、社会效益和生态效益有机结合[28]。

总体而言，贵阳市位于“两江”上游地区的交错地带，是我国四大生态环境脆弱区之一，复杂的自然条件和生态区位决定了其生态环境质量是影响两江流域生态安全和制约两江三角洲经济发展的重要因素，今后应以生态系统服务保护优先性原则，建立生态环境保护机制，制定不同生态功能分区的经济发展模式，完善森林监管、保护和恢复的制度体系，健全水源地保护区域的生态补偿机制，推进农林产业绿色化、集约化发展和碳排放权等市场化交易，确保资源型城市贵阳市经济和生态的可持续发展，筑牢长江、珠江两大水系上游绿色生态屏障。

本文基于InVEST模型，运用主成分分析法、多因子综合评价法，在明确贵阳市面临的结构性生态环境问题和较突出的石漠化等特殊问题的基础上，构建了包括土壤保持、生物多样性保护、碳储量和水源涵养4项生态系统服务功能的重要性评价指标体系，对生态系统综合服务功能的空间分布特征进行了分析，得到以下主要结论：

贵阳市4项生态系统服务功能重要性程度具有各类异性特征。其中，碳储量功能是贵阳市改善生境质量、增加生态质量和效益的关键因素，水源涵养功能和生物多样性保护功能极重要区所占面积比例较高，而土壤保持功能一般重要区面积占比达到96.49%。

贵阳市生态系统服务功能总体较高，贵阳市生态资源优势明显，呈现“城中心向城外围”递增趋势。其中，极重要区占研究区总面积的47.68%，生态格局基本沿苗岭山脉、乌江水系分布，聚集在水源涵养量大、碳储量丰富的生态多功能复合区，例如生态环境本底较优、弹性较强的顺海国有林场和凤凰山国有林场。