基于InVEST模型的海口市生态系统服务空间评估.pdf
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1、2023 年 8 月 热 带 农 业 科 学热 带 农 业 科 学 第 43 卷第 8 期 Aug.2023 CHINESE JOURNAL OF TROPICAL AGRICULTURE Vol.43,No.8 收稿日期 2023-01-13;修回日期 2023-02-06 基金项目 海南省自然科学基金青年基金“海口城市边缘景观异质化对火山岩湿地生物多样性影响研究”(No.319QN162)。第一作者 王菲(1997),女,硕士研究生,研究方向为城市生态系统服务,E-mail:。通讯作者 周鹏(1985),男,副教授,博士,研究方向为景观生态规划,E-mail:。基于 InVEST 模型的海
2、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)摘 要 海南自由贸易港的建设加快推进了海口市建设进程,其生态系统服务将面临巨大挑战。为评估海口市生态系统服务功能,基于 InVEST 模型对海口市 2020 年碳储存、生境质量和水源涵养量 3 项服务进行估算,并用主成分分析法确定综合生态系统服务功能的空间格局。结果表明:(1)2020 年海口市碳储量、生境质量和水源涵养价值空间分布均呈现西部、南部高和北部低的格局;(2)林地、耕地和建设用地是各项生态系统服务主要贡献者;(3)碳储量与生境质量对海口市综合生态系统服务起主导作用,综合生态系统服务的极为重要
3、区占比 31.94%,集中成片分布在西部和南部,可作为维持生态系统良性循环的生态核心区。本研究为实现城镇平衡发展与生态环境保护提供科学依据。关键词 生态系统服务功能;InVEST 模型;主成分分析;海口市 中图分类号 X171.1 文献标识码 A DOI:10.12008/j.issn.1009-2196.2023.08.016 Spatial Assessment of Ecosystem Services in Haikou City Based on InVEST Model WANG Fei SHE Ruochen ZHANG Le ZHOU Peng(College of Fores
4、try,Hainan University,Haikou,Hainan 570228,China)Abstract The construction of the Hainan Free Trade Port has accelerated the construction process of Haikou City,and its ecosystem services will face enormous challenges.In order to evaluate the ecosystem service function of Haikou City,based on the In
5、VEST model,the three services of carbon storage,habitat quality,and water conservation in Haikou City in 2020 were estimated,and the spatial pattern of comprehensive ecosystem service function was determined by principal component analysis.The results showed that:(1)In 2020,the spatial distribution
6、of carbon storage,habitat quality,and water conservation value in Haikou City showed a pattern of high in the west and south and low in the north.(2)Forest land,cropland,and con-struction land are prime contributors to ecosystem services;(3)Carbon storage and habitat quality play a dominant role in
7、the integrated ecosystem services of Haikou City.The extremely-important areas of integrated ecosystem services account for 31.94%,which are concentrated in the west and south and can be used as the ecological core area to maintain the virtuous cycle of the ecosystem.This study provides a scientific
8、 basis for achieving balanced development of towns and cities and ecological-environment protection.Keywords ecosystem services;InVEST model;principal component analysis;Haikou City 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
9、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
10、依 王菲 等 基于 InVEST 模型的海口市生态系统服务空间评估 -101-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
11、服务功能评估研究更加鲜有。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
12、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(1100711042E,19312004N)位于海南岛北部,陆地总面积2 297.03 km。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.
13、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:/)的数据,分辨率 30 m30 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:/)。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:/),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.
14、open-streetmap.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:Ctotal=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead(1)式中,Ctotal、Cabove、Cbelow、Cso
15、il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:1zxjxjjzzxjDQHDk(2)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
16、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。2023 年 8 月 热带农业科学 第 43 卷第 8 期 -102-表 1 威胁因素参数设置 威胁因素 最大影响距离/km 权重 衰减类型耕地 1.5 0.6 线性 建设用地 6.0 0.8 指数 未利用地 1.0 0.5 指数 铁路 5.0 0.3 线性 主要道路 6.0 0.6 线性 居民点 3.0 0.7 指数 表 2 生境类型对威胁因素的敏感性 生境 类型 生境适宜性 耕地 建设 用地 未利 用地 铁路 主要道路居民
17、点耕地 0.4 0 0.5 0.3 0.5 0.5 0.4林地 1.0 0.8 0.7 0.8 0.8 0.9 0.8草地 0.6 0.5 0.6 0.5 0.6 0.6 0.4水体 1.0 0.2 0.2 0.7 0.6 0.7 0.75建设用地 0 0 0 0 0 0 0 未利用地 0 0 0 0 0 0 0 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:1/xxxxYAETPP(3)249Retention min 1,v
18、elocity 0.9min 1,min 1,3300sxKTIY(4)Drainagearea lgsoil_ epthpercent_dslopeTI(5)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
19、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:1/niiiiw(6)1122iiESIrWr WrW (7)式中,wi表示第i个主成分的权重;i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;r为第个主成分。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。
20、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 km(表 3),占比为 49.87%;中度重要性次之,面积和占比分别为 678.83 km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
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