基于InVEST模型的海口市生态系统服务空间评估

王菲 佘若晨 张乐 周鹏

（海南大学林学院 海南海口 570228）

近年来，我国就生态文明建设作出一系列决策部署，党的十八届五中全会和“十三五”规划纲要明确提出设立统一规范的国家生态文明区[1]。随着部分生态文明示范城市相关措施的深入实施，各地的综合生态系统服务功能效益有大幅度提升。但我国城市仍处于以经济发展为导向的背景下，主要以土地利用密集化和高密度人口为特征，生态环境保护工作将面临许多挑战，如城市生态系统的退化会引起生态系统运转机制严重受损及质量下降，从而直接及间接危害人类福祉[2-3]。因此，对城市生态系统服务功能进行综合评估，并探究其主要贡献的土地类型，对城市生态环境保护和国土空间优化具有重要现实意义。

生态系统服务功能是指自然界的生态系统为支持人类生存活动所形成的环境条件及效用，包含4项服务类型：供给、调节、文化和支持功能[4]。当前，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[5-6]。定量指标法具有主观性，且在不同空间和区域尺度进行评估时，可比性较差[7]及缺乏普遍性。模型法是依据生态系统服务形成机理进行评估计算，其结果客观性较高，且不易受研究区尺度影响[8]。InVEST（Integrate Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs）模型由美国自然资本项目组研发得到的生态系统服务评估模型，能广泛适用于各种尺度的评估，并能够实现空间可视化表达[9]。当前多数集中在单项的生态系统服务功能研究[10-12]，在总体生态系统服务价值效能上对各项生态系统服务功能间的相互作用缺乏考虑，特别是针对供给、调节和支持服务之间缺乏综合分析[13]，针对热带地区的综合生态系统服务功能评估研究更加鲜有。

图1 海口市各项生态系统服务评价结果

图2 海口市各项生态系统服务分项统计

海口市作为海南省经济、政治和文化中心，也是海南国际旅游岛和海南自由贸易港建设的前沿阵地[14]。自2020年海南自由贸易港实施建设以来，经济飞速发展，人类活动频率逐渐增加，导致区域土地类型的急剧变化，如不合理地开发及资源过度利用使得生态和生产用地面积减少，区域的生态服务功能受到威胁[15]。基于此，本研究以具有典型火山熔岩湿地的海口市为研究对象，借助InVEST模型和主成分分析法，对其2020年综合生态系统服务功能进行定量分级评估，揭示其碳储量、生境质量、水源涵养和综合生态系统服务功能的空间格局分布特征，划定该区重要生态核心保护区域，为海口市实现生态与经济耦合的可持续发展提供科学理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 研究区概况海口市（110°07′～110°42′E，19°31′～20°04′N）位于海南岛北部，陆地总面积2 297.03 km²。全市地貌呈现为北部滨海平原区，中部沿江区，东部、南部台地区，西部熔岩区；属于热带季风海洋性气候，年平均气温为25.8 ℃，年均降水量约为1 220.4 mm。海口市的土地利用现状以耕地、林地和建设用地为主，自海南自贸港和国家生态文明建设以来，城镇化率达81.76%，生态和生产用地面积因建设用地大面积侵占而大幅减少，导致海口市周围城镇的生境植被大幅度减少，生态系统服务功能效益降低。

1.1.2 数据来源土地利用类型数据，来源于中科院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn）的数据，分辨率30 m×30 m。根据全国土地分类体系，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6种一级类型。30 m分辨率的高程数据来自地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn）。气象数据：2020年平均降水量和年平均气温来源于国家气象科学数据中心（http://data.cma.cn），经ArcGIS10.6克里金插值法、重采样处理后获取。土壤数据来源于世界土壤数据集（HSWD1.2）。其他矢量数据：2020年主要道路（国道、省道及高速公路）、铁路及居民点来源于OpenStreetMap（https://www.openstreetmap.org），经ArcGIS10.6裁剪、欧氏距离、重采样等预处理后获取。将以上数据坐标系统一至WGS_1984_UTM。

1.2 方法

1.2.1 生态系统服务评估

1.2.1.1 碳储存模型基于InVEST模型3.9.2版本中的Carbon模块，将土地利用覆被类型与碳储量进行评估研究。通过计算植被地上碳储量、植被地下碳储量、土壤碳储量和死亡有机质碳储量评价总体碳储量。海口碳密度数据参考段璇瑜等[16]方法计算，计算公式[17]如下：

式中，Ctotal、Cabove、Cbelow、Csoil和Cdead分别表示总体碳储量、植被地上碳储量、植被地下碳储量、土壤碳储量和死亡有机质碳储量。由于死亡有机质碳储量含量非常低，一般不考虑。

1.2.1.2 生境质量模型基于InVEST模型3.9.2版本中的Habitat Quality模块，根据优劣程度评估生物多样性支持服务功能。本文主要对生境质量进行分析，结合不同的土地覆被对威胁因子的敏感度和外界威胁强度，计算公式如下:

式中，Qxj表示生境类型j中第x个生境像元的生境质量得分，取值范围为[0,1]；Hj表示生境类型j的生境适宜度；k为半饱和常数，在此模型中设置为0.5；z为归一化常数。

参考相关文献[18-19]并结合研究区实际，选取耕地、建设用地、未利用地、居民点、铁路及主要道路作为生境威胁因素。各威胁因素参数和生境敏感性参数设置见表1、2。

表1 威胁因素参数设置

表2 生境类型对威胁因素的敏感性

1.2.1.3 水源涵养模型基于InVEST模型3.9.2版本中的Wtaer Yield模块计算得到的产水量，结合研究区地形指数、地表流速系数和土壤饱和导水率计算栅格尺度的水源涵养量，计算公式[20]如下：

式中，Yx表示栅格单元x的年产水量；AETx表示栅格单元x的年实际蒸散量；Px表示栅格单元x的年降水量；Rentention为单位面积水源涵养量（mm）；velovity为流速数；TI为地形指数；Ks为土壤饱和导水率（mm/d）；Drainagearea为集水区栅格数量；percent_slope为百分比坡度；soil_depth为土壤深度（mm）。

1.2.2 综合生态系统服务评估为了进一步评估综合生态系统服务功能，在单项生态系统服务功能的评价结果上，借助多元统计方法中的主成分分析法，客观确定各项指标权重和主成分（累计贡献率>85%）[21]；最后运用各项指标进行加权叠加计算，并采用自然断点分级法将其分为5个等级，得到海口市综合生态系统服务重要性分级结果，公式如下：

式中，wi表示第i个主成分的权重；λi表示第i个主成分的贡献率；n表示主成分总个数；ESI为综合生态系统服务功能评估指数；ri为第i个主成分。

2 结果与分析

2.1 海口市各项生态系统服务功能重要性评价

为进一步分析各项生态系统服务功能空间分异，以自然断点分级法将其分为5个等级。2020年海口市碳储量的空间分布具有差异性，呈现出西部、南部高和北部低的格局（图1-a），高值区主要分布于石山镇、永兴镇、龙泉镇、龙桥镇、遵谭镇、三门坡镇和大坡镇，低值区集中在西秀镇、海秀镇、城西镇和演丰镇西部等中心城区。研究区内碳储量重要性类型以极为重要性为主，面积为1 099.46 km²（表3），占比为49.87%；中度重要性次之，面积和占比分别为678.83 km²和30.79%。各城镇中，大坡镇是碳储量最丰富的区域，其他一些城镇如三门坡镇、遵谭镇和永兴镇等极为重要区占比次之，海口市西部和南部地势较高的区域在碳储量中发挥重大作用；西秀镇和中心城区碳储量最少，是由于自然植被环境较少所导致。

表3 海口市生态系统服务功能重要性分级结果

海口市生境质量的空间分布呈西部和南部高的格局（图1-b），2020年平均生境指数为0.68。高值区大面积集中分布于大坡镇、三门坡镇、遵谭镇、永兴镇和龙泉镇；另外一些城镇区域如石山镇、龙桥镇、东山镇、大致坡镇和甲子镇等，虽然极重要区面积占比相对校小，但在生物多样性保护中发挥着重要作用；低值区集中分布于西秀镇、长流镇、城西镇、海秀镇和中心城区等地。生境质量重要性类型主要以较为重要区和极为重要区为主，面积和占比分别为709.33 km²、670.31 km²和32.17%、30.40%（表3）。研究区内生物多样性保护极为重要区集中分布在地势较高、自然植被覆盖率高及物种资源丰富的区域，部分沿河道呈条带状分布。

2020年研究区水源涵养量空间分布格局（图1-c）的极为重要区和较高重要区域呈片状分布于西部、南部地区，包括永兴镇、龙桥镇、石山镇、大坡镇和三门坡镇等。低值区集中在北部的西秀镇、长流镇、桂林洋经济开发区和中心城区等。水源涵养功能极为重要区和较高重要区面积占比分别为4.54%和50.45%（表3），主要以条带状分布在河流周围及呈片状和零散分布；一般重要区面积为288.19 km²，占比约13.43%，其空间上呈片状和零散分布，除了北部中心城区成片集中分布外，其余主要呈零星状分布于灵山镇、演丰镇和桂林洋开发区等。

2.2 海口市各项生态系统服务分项统计

基于海口市各项生态系统服务重要性评价结果，以6种土地类型对生态系统服务进行归一化分项统计。林地碳储量占比最大，约为88.12%（图2-a）；其次为耕地，约占9.64%，其余用地类型占比较少。林地、耕地和水域对维持生物多样性的贡献依次递减，占比分别为71.28%、19.40%和7.25%（图2-b）。水源涵养方面，耕地贡献最大，占比约为43.46%（图2-c）；其次为林地和建设用地，分别为27.45%和27.37%。综上所述，林地、耕地和建设用地在3类生态系统服务功能中扮演着重要贡献者的角色，草地和未利用地由于面积较少，贡献值相对较低。

2.3 综合生态系统服务评估

基于主成分分析结果（表4），2020年海口市以碳储量和生境质量的生态系统服务功能为主导，累积贡献度为96.48%（>80%），其中二者极为重要区占比分别为49.87%和30.40%。研究区内综合生态系统服务功能空间格局与前3项生态系统服务功能基本一致，呈西部、东南部高，北部低分布形式（图3）。其中，一般重要区集中连片分布于北部中心城区，而东部和南部呈零散分布，尤其是云龙镇、演丰镇、红旗镇和三江镇。中度重要区主要在河流周围呈现条带状分布；较高重要区主要在东部和中部极为重要区周围零散分布。由于受到水源涵养功能的影响，部分极为重要区转变为一般重要区；极为重要区和较高重要区面积占比分别为31.94%和18.84%，一般重要区的面积占比最大，约为43.36%。综上可知，永兴镇、龙泉镇、遵谭镇、三门坡镇和大坡镇对维护海口市的综合生态稳定具有重要意义。

图3 海口市综合生态系统服务功能评价

表4 各主成分的特征值、贡献率、累计贡献率

3 讨论与结论

3.1 讨论

2020年海口市综合生态系统服务功能评价高值区主要集中在地势较高的西部和南部区域，低值区主要分布于北部城区、西南部和东部部分地区。与海口市自然资源和规划局2021年发布的《海口市国土空间总体规划（2021—2035年）》,所提出的构建“两核三带、八廊多园”的市域生态保护格局基本相符，即北部滨海生态带、南渡江水系生态带和南部生态绿带。因此，水系和自然保护区应受到重视。各项生态系统服务功能的重要性空间格局具有相似性，北部城市化水平较高区域，碳储量、生境质量和水源涵养量较低，其主要原因在于这段期间海口市受相关政策因素和经济因素的影响，经济提升促使城市用地呈“摊大饼”式扩张[22]，城市不透水面指数增加，破坏自然植被环境和降低了土壤肥力，导致植被固碳能力削弱，而人口密度较高，对自然生境的破坏力度也越来越大，使得生境质量偏低，加上受土地类型和降水量分布影响，建设以不透水面为主，因此水源涵养量偏低[20]。在碳储存方面，与海南中部地区相比发现，海口市的林地对碳储量的贡献作用大于草地，主要原因在于草地占比极小[23]，而中部地区草地占比较大，对于碳储量影响也更大。在生境质量方面，与气候相似的广东地区进行横向比较可知，海口市与广东省生境质量高值区都以林地和水体等土地类型为主[24]。在水源涵养方面，海口市水源涵养高值区与海南岛水源涵养高值区的布局一致，均集中在海口市西部的火山熔岩湿地区域[20]。建设用地、林地和耕地是海口市主要的用地类型，对生态系统服务功能发挥着重要作用，在未来国土空间格局优化中要重视生态用地的占比。

随着国家生态文明建设和“双碳”目标的提出，基于国土空间格局对生态系统碳储量、生境质量和水源涵养量等生态系统服务功能的研究成为学术热点之一。同时，海南自由贸易港建设背景下，海口市未来将会以“飞跃式”的速度推进经济发展，因此，城市经济建设和生态保护协调发展的方案衡量标准格外重要。针对海口市部分特殊地质类型及资源空间分布特征，在今后的国土空间管制和生态系统保护过程中，应制定相对应生态功能管理分区措施：（1）以建设用地为主的综合生态系统服务功能低值区区域，应控制建设用地总量及避免城镇盲目扩张，合理规划生态修复空间布局，设立治理重点区，适当增加湿地、林地等生态用地比重，或者优化自然资源配置，以缓解经济发展所导致的不平衡问题；（2）综合生态系统服务功能居中的区域（如云龙镇、三江镇、龙塘镇和龙桥镇北部等），以实施建设主体功能区为主，推进城市农业发展，确保兼顾生态和生产，优化种养结构，促进种养循环，实现生产稳定发展；（3）针对综合生态系统服务功能高值地区，采取长期性严格的生态保护机制，将其设为生态保护核心区，严守防线，限制开发，加强自然林地、湿地生态保护，发挥天然生态优势，适度发展生态产业和特色产业，促进生态系统良性循环。本研究对海口市生态系统服务重要性的空间格局进行评估，为确定生态系统服务保护重点区域提供了参考，为海口市未来可持续发展提供了科学依据。但本研究存在一定的局限性，综合生态评估是复杂多样化的。因此，在未来的研究中，应增加相应生态系统服务功能，进一步优化综合结果。

3.2 结论

通过InVEST 模型，结合主成分分析法对海口市生态系统服务功能进行评估，并揭示土地利用类型对生态系统服务价值的贡献，得到以下主要结论。

（1）海口市3项生态系统服务重要性的空间分布具有规律。碳储量、生境质量和水源涵养量高值区均集中分布于西部、南部的永兴镇、遵谭镇、龙泉镇、三门坡镇和大坡镇等。碳储量和生境质量功能的极为重要区占比较高，分别为49.87%、30.40%，而水源涵养功能仅占4.54%，主要受降雨影响。

（2）林地、耕地和建设用地在3项生态系统服务中为主要贡献者,林地对碳储量和生境质量功能贡献度较高，水源涵养功能均由林地、耕地和建设用地贡献。

（3）海口市综合生态系统服务功能总体较良好，从西部国家地质公园生态功能区和东部台地热作农林区位中心向四周城区呈递减分布。极为重要区占比为31.94%，由于受碳储量和生境质量功能的主导，生态格局基本聚集在地势较高、林地资源丰富和生态环境本底较优、弹性较强的地区，例如石山火山群国家地质自然公园和部分水库。