基于InVEST模型的蓮都區公益林生態系統服務功能研究

周文春 張超

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基于InVEST模型的蓮都區公益林生態系統服務功能研究

周文春1張超2

（1浙江省麗水市蓮都區林業局 323000；2浙江農林大學 浙江臨安 311300）

利用InVEST模型對麗水市蓮都區公益林涵養水源、固土保肥、固碳釋氧和生物多樣性保護四類生態系統服務功能進行測算評估，分析其空間分布特征。通過系統聚類分析和相關性分析，對具有相似特征生態系統服務功能的鄉鎮進行分類，并研究各類生態系統服務功能間的相互關系。結果顯示：四類生態系統服務功能重要區主要分布于蓮都區南部鄉鎮，北部次之，中部最低；六類林分類型單位面積生態系統服務功能最低的是灌木林，其余類型差異較?。凰念惿鷳B系統服務功能呈顯著正相關。利用InVEST模型進行生態系統服務功能測算，能夠彌補傳統算法計算結果較難進行空間量化對比的劣勢。

InVEST模型；生態服務功能；空間分布

森林生態服務功能是指森林生態系統及生態過程為人類提供的自然環境條件與效用，其中涵養水源、固土保肥、固碳釋氧和生物多樣性保護等生態服務功能是其重要組成部分[1]。

2008年，國家林業局發布了《森林生態系統服務功能評估規范》（LY/T 1721-2008），對森林生態服務功能效益的研究由此大量開展。黨普興對新疆建設兵團的森林生態服務功能進行評估[2]；馬長欣對陜西省森林生態系統固碳釋氧服務功能進行測算并評估其價值[3]。浙江省內有陸珠琴對縉云縣公益林的生態效益進行了評價，王堅婭對仙居縣公益林的生態服務功能及價值進行了測算等。以上研究均基于森林資源調查的各類主要群落類型結構進行評估，只評價了整個地區的森林整體生態效益，并未研究其空間分布。本研究利用InVEST模型對麗水市蓮都區公益林的生態服務功能進行評估。

InVEST模型是由斯坦福大學、大自然保護協會（the Nature Conservancy，TNC）等共同開發的生態服務功能評估模型[4]，其目的在于更好地協調權衡經濟發展和自然資源保護之間的關系。其最大的特點是將生態系統服務功能實現具體的空間分布量化，以地圖的形式表現，直觀地研究生態服務功能的區域異質性；且InVEST所需的數據簡潔，抓住生態服務功能核心問題，優化算法，輸出的數據豐富，能較好地解決各生態服務功能。

1 研究區概況

蓮都區位于浙江省麗水市北部，28°44′N、119°32′S，面積為1502.1km2，其中陸地面積1481.6km2，水域面積20.5km2。

蓮都區群山環繞，海拔最高為1325m，最低為40m，極差1285m。氣候屬中亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，雨量充沛，四季分明。境內植被群落類型以針葉林為主，以及其他針闊混交林、闊葉林和人工經濟林等群落類型。

蓮都區林地面積121416hm2，森林覆蓋率80.83%。公益林面積68600hm2，約占全區林地面積的56.50%，其中國家級重點公益林7800hm2，占公益林總面積的11.28%；省級重點公益林60800hm2，占88.72%。

2 研究方法

2.1 數據來源

土地利用分類數據由對2014年Landsat8的蓮都區衛星遙感影像進行劃分而得[5]。降雨數據利用TRMM系列降雨數據，并經過反距離權重插值法進行應用。潛在蒸發量是利用Modis日溫數據和太陽輻射等數據，根據Modified- Hargreaves計算得出。土壤深度數據為森林資源二類調查數據轉化為柵格數據。根系深度數據參考Canadell等和徐佩研究數據[6,7]。地形數據使用30×30m分辨率精度的DEM數據。降雨侵蝕力因子和土壤可蝕性因子參考國內外研究[8,9]。生境威脅表參考《InVEST模型數據準備手冊》；威脅源敏感性表是根據《InVEST模型數據準備手冊》中打分獲得[10]。根據國內外文獻中對每種植物實測的地上部分生物量（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-碳轉換率等研究，計算碳密度結果，并將模型數據表中土壤碳密度設為0值[11]。

2.2 InVEST模型描述

2.2.1水源涵養

水源涵養評價公式為：

式中，為水源涵養量；Yj為第土地利用類型柵格j的產水量；AET為第土地利用類型柵格j的每年實際騰發量；P為第x土地利用類型柵格的年降雨量；為流速系數；為地形指數；為土壤飽和導水率。

2.2.2土壤保持

采用通用水土流失方程USLE進行評價，包括自然因子和管理因子：

式中，USLE表示柵格的土壤侵蝕量；R為降雨侵蝕力；K為土壤可蝕性因子；LS為坡度—坡長因子；C為植被覆蓋度因子；P為管理因子。

2.2.3碳儲量

式中，C為植被總碳儲量（t·ha-1）；C為以森林景觀類型為統計單元的地上部分碳儲量；C為以森林景觀類型為統計單元的地下部分碳儲量；C為以森林景觀類型為統計單元的死亡有機碳儲量；C為土壤碳儲量。

2.2.4生物多樣性

采用生境質量指數來表征生物多樣性維持功能的狀況：

式中，Q是土地利用與土地覆蓋中柵格的生境質量；D是土地利用與土地覆蓋或生境類型柵格的生境脅迫水平；為半飽和常數；H為土地利用與土地覆蓋的生境適合性。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務功能空間分布特征

如表1所示，蓮都區峰源鄉的單位面積水源涵養量最高、為2.85×103m3/hm2，萬象街道最低、為1.96×103m3/hm2；峰源鄉單位面積土壤保持量最高、為59.13t/hm2，白云街道最低，為21.79t/hm2；市白云山林場和麗新畬族鄉單位面積固碳量最高、均為5.80t/hm2，白云街道最低、為2.85t/hm2。雅溪鎮的三類生態系統服務功能物質量最高，白云街道最低。此外，生物多樣性評價結果為一個空間無量綱的得分值，最高為峰源鄉、達到9.38，白云街道最低、為6.71。

表1 各鄉鎮生態系統服務物質量特征

由圖1可見，水源涵養的重要區域主要分布于峰源鄉、蓮都林場等鄉鎮，其次在雅溪鎮、太平鄉等鄉鎮；固碳的重要區域主要分布于周邊山區，例如峰源鄉、雅溪鎮、麗新畬族鄉等，而中心街道地區（白云街道、萬象街道）固碳能力相對較弱；生物多樣性的重要區域主要分布于南部地區，東部及北部山區有零星分布，中部地區生物多樣性水平較低；各鄉鎮土壤保持量空間差異程度較小，南部地區峰源鄉土壤保持量較高。

根據各類生態系統服務功能單位面積物質量，利用系統聚類分析對具有相似特征的鄉鎮進行分類，結果如圖2所示。在系統聚類距離為7時，將蓮都區分為5類生態區，包括：Ⅰ類生態區蓮都林場，Ⅱ類生態區峰源鄉，Ⅲ類生態區萬象街道和白云街道，Ⅳ類生態區碧湖鎮、南明山街道和聯城街道，Ⅴ類生態區雅溪鎮、仙渡鄉、太平鄉等其余10個鄉鎮。

結合表1可知，Ⅰ類生態區和Ⅱ類生態區相似度極高，四類生態系統服務功能單位面積物質量均明顯高于蓮都區平均值，尤其是水源涵養與生物多樣性方面。由于Ⅱ類生態區在單位面積土壤保持量方面明顯高于其他鄉鎮，而Ⅰ類生態區與與Ⅱ類生態區差距較大，所以二者分為兩類。Ⅲ類生態區的特點為四類生態系統服務功能單位面積物質量均明顯低于其余各個鄉鎮。Ⅳ類生態區的特點為除水源涵養外，其余三類生態系統服務功能單位面積物質量僅高于Ⅲ類生態區，明顯低于其余12個鄉鎮。Ⅴ類生態區的特點為四類生態系統服務功能單位面積物質量與蓮都區總體平均值較為接近，差異并不明顯。

對四類主要生態系統服務功能進行相關性分析，結果如表2所示。生物多樣性與其余三類生態系統服務功能均呈極顯著正相關；固碳量與土壤保持呈極顯著正相關，與水源涵養呈顯著正相關；土壤保持與水源涵養呈極顯著正相關。

表2 生態系統服務功能相關性

**在0.01水平（雙側）上顯著相關；*在0.05水平（雙側）上顯著相關。

生物多樣性與其他生態系統服務功能均呈極顯著正相關，是由于生物多樣性較高地區的自然環境因素是適宜動植物棲息繁衍的，其生態系統結構也更為復雜和穩定，有利于提升各類生態系統服務功能。同樣，土壤保持較好的地區，其水源涵養能力更加出色，也更適宜植物扎根生長，因此固碳量及碳儲量相對較高。生態系統水源涵養能力的提升有助于自然植被生長繁殖，而植被的健康成長又將有助于土壤保持，由此可見，各類生態系統服務功能之間是相互促進、相互制約的。

圖2 蓮都區生態系統服務分區系統聚類圖

3.2 不同森林類型生態系統服務功能特征

如表3所示，公益林中闊葉林單位面積水源涵養量最高、為2.52×103m3/hm2，灌木林最低、為2.20×103m3/hm2；毛竹林單位面積土壤保持量最高、為52.71t/hm2，灌木林最低，為40.58t/hm2；杉木林單位面積碳儲量最高、為5.79t/hm2，灌木林最低、為4.68t/hm2；闊葉林多樣性最高、為8.82，灌木林最低、為7.70。松林水源涵養、土壤保持和固碳量三者總量最高，最低為灌木林。

表3 不同林分類型生態系統服務物質量特征

灌木林四類生態系統服務功能單位面積物質量均明顯低于其他林分類型，這是由于其植物本身生理特征決定的，灌木根系不如喬木發達，固土能力較弱，且灌木固碳能力也不如喬木出色。另外，與其他五種林分類型相比，松林的單位面積生態系統服務功能相對較低。蓮都區公益林松林面積最大，為46.99萬畝，占公益林總面積45.70%，自上世紀70年代大規模造林至今，許多松林面臨林分結構單一、林木老化的問題，因此，在生境條件較好的地段通過人工管理干預措施，加速地帶性闊葉林恢復是提升蓮都區公益林生態系統服務功能的有效途徑。

4 討論

4.1 生態系統服務功能差異分析

生態系統服務功能不僅與生態系統類型、結構密切相關，還受自然因素和人為活動的影響。由結果可知，蓮都區南部鄉鎮（峰源鄉、蓮都林場、大港頭鎮）各類生態系統服務功能最好，北部鄉鎮（雅溪鎮、仙渡鄉、黃村鄉等10個鄉鎮）次之，中部鄉鎮（萬象街道、白云街道、聯城街道、南明山街道和碧湖鎮）最差。

南部鄉鎮生態系統服務功能較好的原因有：（1）與中心城鎮相距較遠，人為活動較少；（2）海拔較高，降水豐富；（3）植被覆蓋度高，結構復雜，水源涵養及固碳固土能力出色。

中部鄉鎮生態系統服務功能最弱的主要原因有：（1）地處中心城鎮周邊，人為活動干擾較強；（2）海拔較低，降水量低；（3）植被覆蓋度低，結構單一，以馬尾松為主，楊梅、柑橘等經濟林較多，生態系統服務功能較低。

4.2 InVEST模型與國標算法的比較

本研究利用InVEST模型對蓮都區生態公益林生態系統服務功能進行評估，有別于傳統的利用固定參數標準進行的測算。傳統的生態公益林生態系統服務功能評估，是基于一套固定參數算法標準，根據不同群落結構測算出整個森林的總體生態服務功能以及各群落類型的生態服務功能。其優點為能夠較為準確實現價值量化；缺點為采用傳統林業調查數據，只能測算評估總體與各群落生態服務功能，無法實現直觀的區域空間分布，不能準確提供具體區域生態服務功能價值參考。

表5 國家森林生態系統服務功能評估標準 與InVEST計算差異

由表5可以看出蓮都區公益林三類生態系統服務功能InVEST模型計算結果與《森林生態系統服務功能評估規范》計算結果約有30%的差異。涵養水源量方面，InVEST模型計算結果相較于國標計算結果低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模型優點是能夠快速有效地計算評估各類生態服務功能，并通過地理信息系統實現生態服務功能的空間分布，更直觀的評估不同區域的生態服務功能差異；缺點在于由國外引入，計算方法和參數標準仍需要進行本地化調整，并且模型單個指標的計算具有一定局限性。另外，模型運算對于基礎數據的收集要求較高，數據的精度會大大影響模型運算結果。目前地方林業部門尚未建立完善的專業信息數據庫，相關參數僅能從國內外研究文獻中獲得，因此，地方林業科技基礎數據庫的完善工作亟待加強。

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2018-09-25

森林可持續經營管理試驗項目（2045210510），蓮都區生態公益林建設評價（204520079）。

S718.56

B

1004-7743（2019）01-0075-06