基于InVEST模型的近20年海南島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估

基于InVEST模型的海南島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估目錄TOC\f\h\z\t"一級(jí)標(biāo)題,1,二級(jí)標(biāo)題,2,三級(jí)標(biāo)題,3"1.緒論 [34]碳密度參數(shù)表確定取值，具體如表9：表9不同LULC碳密度數(shù)據(jù)參數(shù)表土地利用類型土地類型代碼C_aboveC_belowC_soilC_dead耕地118.662.5817.341林地227.836.7922.574.71草地49.3613.1816.511水域52.82.400裸地63.4011.360建設(shè)用地711.450.9316.0404結(jié)果與分析4.12000-2020年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能時(shí)空變化分析 4.1.1生境質(zhì)量時(shí)空變化根據(jù)InVSET模型生境質(zhì)量模塊運(yùn)行結(jié)果，采用自然點(diǎn)間斷法，將海南島生境質(zhì)量分為四個(gè)等級(jí)，分別是低（0.00-0.25）、中等（0.25-0.60）較高（0.60-0.80）高（0.80-1.00）。在時(shí)間尺度上，由表10可知，海南島2000年、2010年、2020年生境質(zhì)量指數(shù)平均值呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，由2000年的0.73上升至2010年的0.75，在下降至2020年的0.71。生境標(biāo)準(zhǔn)差指數(shù)整體在0.29-0.31間波動(dòng)，其中2000年到2020年生境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差由0.31上升至0.32，表示生境質(zhì)量空間差異在逐步擴(kuò)大。表10海南島2000-2020年生境質(zhì)量平均值年份2000年2010年2020年生境質(zhì)量平均值0.730.750.71生境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差0.310.300.32由圖5可知，在研究區(qū)的2000年至2020年期間，生境質(zhì)量等級(jí)中，高等級(jí)的面積占比始終處于最高水平，平均達(dá)到62.67%。特別地，從2000年到2010年這十年間，高等級(jí)與中等級(jí)區(qū)域的面積占比表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)趨勢(shì)，而較高等級(jí)與低等級(jí)區(qū)域的面積占比則相對(duì)保持穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生顯著的變化。這說(shuō)明生境質(zhì)量在2000-2020年發(fā)生了明顯變化。在2000-2010年海南島生境質(zhì)量的上升受2002年退耕還林工程的實(shí)施，大量耕地轉(zhuǎn)為林地使得海南島用地類型發(fā)生改變，促進(jìn)生境質(zhì)量的提高。2010-2020年間生境質(zhì)量指數(shù)出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)，受人類農(nóng)業(yè)活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)活動(dòng)增加的影響，研究區(qū)土地類型的變化導(dǎo)致生境質(zhì)量發(fā)生了變化?？臻g變化上，由圖6可知，海南島生境質(zhì)量空間分布并不均勻。整體呈現(xiàn)出中部山地區(qū)域高，四周沿海區(qū)域低的空間格局，且生境質(zhì)量的空間分布特征與海南島土地類型變化高度一致。海南島林地、草地用地類型主要分布在中部地區(qū)，該區(qū)域生物多樣性豐富，因此生境質(zhì)量較高。低值區(qū)主要分布在人口基數(shù)大、城鎮(zhèn)化率高，經(jīng)濟(jì)開發(fā)力度大的沿海地區(qū)，隨著城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張，這些區(qū)域出現(xiàn)了生境破碎化發(fā)展趨向。圖5海南島2000-2020年生境質(zhì)量各等級(jí)面積占比情況圖6海南島2000-2020年生境質(zhì)量分布圖4.1.2產(chǎn)水量時(shí)空變化從時(shí)間上看，由圖7可知，海南島2000-2020年間產(chǎn)水量及單位面積產(chǎn)水量呈先下降后上升趨勢(shì)，2000-2020年產(chǎn)水體積分別為268億m3、234億m3、241億m3，單位產(chǎn)水面積分別為7903.78m3/hm2、6889.27m3/hm2、7118.53m3/hm2。其中2000-2010年產(chǎn)水量降幅為12.84%，2010-2020年產(chǎn)水量小幅度上升，增長(zhǎng)率為3.22%。圖7海南島2000-2020年總產(chǎn)水量與單位面積產(chǎn)水量從空間上看，由圖8可知，海南島產(chǎn)水量空間上整體呈現(xiàn)由東北高、西南低的分布趨勢(shì)，空間分布不均衡。各年份空間分布有所區(qū)別，但與降水量空間分布基本一致，而與研究區(qū)域?qū)嶋H蒸散發(fā)空間分布無(wú)明顯相關(guān)。產(chǎn)水量高值區(qū)主要分布在東部沿海地區(qū)與中部山區(qū)，如萬(wàn)寧市、瓊海市和屯昌縣等，這些地區(qū)受東南季風(fēng)與用地類型影響。中部山區(qū)土地利用以林地為主，地表植被覆蓋度高，有利于水分持留。東部沿海處于東南季風(fēng)迎風(fēng)坡，年降雨量明顯高于西南部背風(fēng)坡地區(qū)，影響產(chǎn)水深度空間分布出現(xiàn)東北部高于西南部的分布特征。低值區(qū)分布在西南部的昌江黎族自治縣、東方市、樂(lè)東黎族自治縣，該區(qū)域位于中部山區(qū)的背風(fēng)坡，區(qū)域降雨量低，蒸散量高，導(dǎo)致產(chǎn)水量低。圖8海南島2000-2020年產(chǎn)水量分布圖4.1.3土壤保持量時(shí)空變化從時(shí)間上看，2000-2020年海南島潛在土壤侵蝕總量表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。2000-2010年土壤侵蝕總量由1.76×107t上升到1.84×107t，上升了7.96×105t；單位土壤侵蝕總量由520.54t上升到544.03t，增幅為4.51%。2010-2020年土壤侵蝕總量由1.84×107t上升到1.86×107t，增加了1.42×105t；單位面積土壤侵蝕量由544.03t上升到544.82t，增加了0.15%。2000-2020年海南島土壤保持量呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，2000-2010年間土壤保持量由2.875×108t上升到2.876×108t，上升了4.96×104t，增幅為0.02%，2010-2020年土壤保持量由2.876×108t下降到2.874×108t，下降了1.92×105t，降幅為0.07%。2000-2010年研究區(qū)年內(nèi)單位面積土壤保持量由71.76t/(hm2·a)上升到71.92t/(hm2·a)，增幅為0.2%，2010-2020年研究區(qū)年內(nèi)單位面積土壤保持量由71.92t/(hm2·a)下降到71.66t/(hm2·a)，降幅為0.36%。圖9海南島2000-2020年土壤侵蝕量與單位面積土壤侵蝕量圖10海南島2000-2020年土壤保持量與單位面積土壤保持量空間變化上看，由圖可知，2000-2020年研究區(qū)土壤保持量呈現(xiàn)中部高，四周低的趨勢(shì)，高值區(qū)分布在中部山區(qū)腹地，低值區(qū)分布在沿海平原地區(qū)。形成這種空間分布的主要原因是中部地區(qū)土地類型以林地為主，植被覆蓋率，森林具有水土保持的生態(tài)功能，因此土壤保持能力強(qiáng)。海南島沿海地區(qū)的平原地帶土地以耕地、建設(shè)用地為主。人類活動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)地表改造較為徹底，造成土地裸露，土壤保持能力弱。圖11海南島2000-2020年土壤保持量變化4.1.4碳儲(chǔ)量時(shí)空變化如圖12所示，時(shí)間上看，2000年、2010年、2020年碳儲(chǔ)量分別為1.83×108噸、1.87×108噸、1.79×108噸，呈先上升后下降趨勢(shì)，共減少3.36×106噸，降幅為1.83%。單位面積碳儲(chǔ)量在2000-2010年上升2.08%，2010-2020年下降3.87%；主要原因是該時(shí)期人口大量增長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)可知，2010-2020年間海南省常住人口由868.6萬(wàn)人增長(zhǎng)至1012.3萬(wàn)人，增加了143.7萬(wàn)人，人口增加導(dǎo)致耕地和建設(shè)用地面積明顯擴(kuò)張，研究區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市建設(shè)受經(jīng)濟(jì)因素影響進(jìn)入高峰期，大量耕地和林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，碳儲(chǔ)量在2010年后流失狀況逐漸加劇。從空間上看（圖13），2000-2020年海南島碳儲(chǔ)量總體呈“中間高、四周低”的特點(diǎn)。碳儲(chǔ)量高值區(qū)分布在海南島中部山區(qū)，研究區(qū)中部山區(qū)受海拔高度與坡度影響導(dǎo)致土地開發(fā)利用受到限制，用地類型以林地為主，碳儲(chǔ)能力強(qiáng)，中部地區(qū)由于人口密度低于沿海地區(qū)，城市擴(kuò)張能力較低，且分布大量熱帶雨林，保證碳儲(chǔ)量相對(duì)較高且穩(wěn)定。碳儲(chǔ)量低值區(qū)主要分布在海南島沿海地區(qū)，?？谥鞒菂^(qū)、三亞吉陽(yáng)區(qū)空間上出現(xiàn)較為明顯的低值區(qū)，這些區(qū)域地勢(shì)平坦，土地利用類型以耕地和建設(shè)用地為主，土地類型較為破碎，土地開發(fā)利用率高，城區(qū)地面硬化程度高，碳儲(chǔ)能力弱，在海南島低海拔平原地區(qū)形成碳儲(chǔ)量低密度環(huán)帶。圖12海南島2000-2020年碳儲(chǔ)量變化圖13海南島2000-2020年碳儲(chǔ)量分布4.2土地利用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響土地利用類型的變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的各項(xiàng)功能具有顯著影響，同時(shí)，在同一用地類型內(nèi)部，其空間分布格局也呈現(xiàn)出多樣性。本研究借助ArcGIS10.8軟件，通過(guò)表格分區(qū)統(tǒng)計(jì)的方法，系統(tǒng)分析了研究區(qū)在2000年至2020年間土地利用類型數(shù)據(jù)與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)年際變化平均值的關(guān)聯(lián)。通過(guò)這一分析，我們獲得了研究區(qū)在2000-2020年間各類用地類型服務(wù)功能的均值。為進(jìn)一步消除數(shù)據(jù)間的量綱差異，本研究利用SPSS27.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，從而確保后續(xù)分析的準(zhǔn)確性和可靠性。這一研究對(duì)于深入理解土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響機(jī)制，以及優(yōu)化土地利用格局以提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值具有重要意義。圖14不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)徑向條形圖研究發(fā)現(xiàn)，由圖14可知，在耕地中，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要程度依次為生境質(zhì)量、水土保持、碳儲(chǔ)量、產(chǎn)水量。林地中以生境質(zhì)量服務(wù)最為重要，其余各項(xiàng)功能影響力亦存在較高影響力。產(chǎn)水量為草地的主要生態(tài)服務(wù)功能，碳儲(chǔ)量次之，水土保持最小。水體中影響力最大的生態(tài)服務(wù)功能為水土保持、碳儲(chǔ)量影響力最小。生境質(zhì)量服務(wù)功能在裸地、建設(shè)用地中最為重要，其余生態(tài)服務(wù)功能影響力均較弱。不同地類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的貢獻(xiàn)度存在較大差異。生境質(zhì)量服務(wù)功能在裸地與建設(shè)用地中占據(jù)主導(dǎo)地位，其重要性尤為突出，而其他生態(tài)服務(wù)功能在這些地類中的影響力則相對(duì)較弱。這揭示了不同地類在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中扮演的角色及其功能貢獻(xiàn)度的顯著差異。具體來(lái)看，林地在生境質(zhì)量方面的貢獻(xiàn)最為顯著，遠(yuǎn)超其他地類，耕地與建設(shè)用地的生境質(zhì)量則相對(duì)接近，位列其后。水體、裸地和草地的生境質(zhì)量貢獻(xiàn)度依次遞減。在產(chǎn)水量方面，林地的貢獻(xiàn)最大，其次是草地和水體，耕地、裸地和建設(shè)用地的產(chǎn)水量相對(duì)較低。而在土壤保持功能中，林地依然占據(jù)主導(dǎo)地位，水體、耕地和草地的貢獻(xiàn)度緊隨其后，建設(shè)用地和未利用地的土壤保持能力則較弱。至于碳儲(chǔ)量，林地的貢獻(xiàn)最為顯著，耕地和草地也具有一定的碳儲(chǔ)量能力，但裸地、未利用地和水體的碳儲(chǔ)量相對(duì)較低。綜合標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果分析得出，林地和草地對(duì)于海南島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能貢獻(xiàn)度最大，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)揮效能的基底，應(yīng)當(dāng)作為重點(diǎn)觀測(cè)保護(hù)對(duì)象。4.3海拔與坡度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能影響海拔與坡度變化會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，本研究主要基于數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)和InVEST模型的運(yùn)行結(jié)果，通過(guò)對(duì)其時(shí)間序列均值進(jìn)行深入分析來(lái)展開研究。在提取坡度信息時(shí)，我們采用了ArcGIS10.8的分析模塊中的slope工具，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，劃分為＜7°、7-15°、15-25°、＞25°四個(gè)梯度。海拔劃分為＜100m、100-300m、300-500m、500-800m、＞800m，通過(guò)分區(qū)統(tǒng)計(jì)獲得各海拔區(qū)間服務(wù)功能均值。分析結(jié)果由圖15表明，隨著海拔的增加，研究區(qū)生境質(zhì)量表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。其中，生境質(zhì)量平均值在海拔100-300m區(qū)間內(nèi)增加量最大，在海拔超過(guò)500m后增幅逐漸降低。這反映了研究區(qū)隨海拔高度升高土地利用類型發(fā)生明顯變化，耕地、建設(shè)用地等威脅因子用地類型的面積逐漸下降，使生境質(zhì)量逐漸升高。單位面積碳儲(chǔ)量隨海拔變化趨勢(shì)與生境質(zhì)量類變化類似，均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。這反映研究區(qū)內(nèi)低海拔地區(qū)人口活動(dòng)強(qiáng)度大，土地開發(fā)利用率高，導(dǎo)致生境破碎化，進(jìn)而影響生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性水平。單位面積產(chǎn)水量整體上隨海拔高度呈現(xiàn)先下降后上升，這反映了研究區(qū)高海拔區(qū)域林地面積占比高，水源涵養(yǎng)能力好。單位面積水土保持量隨海拔高度增加而上升，出現(xiàn)這種變化的原因之一可能是隨海拔升高，降水量增加，海南島高海拔地區(qū)林地面積占比高于低海拔地區(qū)，使水土保持能力隨海拔升高而增加，流水沿途攜帶泥沙，使單位柵格像元泥沙淤積量隨海拔降低而增加，導(dǎo)致單位面積水土保持量隨海拔上升而增加。圖15不同海拔下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化由圖16可知，研究區(qū)生境質(zhì)量與坡度呈現(xiàn)顯著相關(guān)，其中隨坡度增加因有較多林地分布而使生境質(zhì)量有明顯增加，亦表征人類活動(dòng)強(qiáng)度和植被覆蓋對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有顯著影響。單位面積碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì)表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，反映坡度越高林構(gòu)愈復(fù)雜。研究區(qū)單位面積產(chǎn)水量在坡度大于15°后出現(xiàn)隨坡度增加產(chǎn)水能力逐漸減弱。土壤保持量隨坡度增加而增大，出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因可能為坡面物質(zhì)越不穩(wěn)定，土壤侵蝕物質(zhì)易被流水沖刷搬運(yùn)至下游溪流中并發(fā)生沉積，影響水文循環(huán)。使輸沙能力隨坡度下降而增加，水土保持能力則隨坡度增加而增加。圖16不同坡度下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化5.結(jié)論本文基于InVEST模型和ArcGIS10.8平臺(tái)，對(duì)海南島2000至2020年的生境質(zhì)量、水土保持、年產(chǎn)水量和碳儲(chǔ)量等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行了量化分析，探討了其時(shí)空變化特征以及不同土地利用類型和地形因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，海南島的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能隨時(shí)間變化顯著，不同土地利用類型對(duì)其影響各異，且地形因子也對(duì)功能產(chǎn)生重要影響。這一研究有助于深化對(duì)海南島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的理解，為生態(tài)保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。主要結(jié)論如下：（1）2000-2020年間，時(shí)間尺度上，海南島2000年至2020年間平均生境質(zhì)量指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，由2000年的0.73上升至0.75，在下降至2020年的0.71。生境標(biāo)準(zhǔn)差指數(shù)整體在0.29-0.31間波動(dòng)，其中2000年到2020年生境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差由0.31上升至0.32，表示研究區(qū)內(nèi)生境質(zhì)量的差異擴(kuò)大。產(chǎn)水量呈先下降后上升趨勢(shì)，產(chǎn)水量及單位面積產(chǎn)水量變化趨勢(shì)為先下降后上升，其中2000-2010年產(chǎn)水量降幅為22.62%，2010-2020年產(chǎn)水量小幅度上升，增長(zhǎng)率為2.85%。2000-2020年間整體共減少75.69億m3。土壤保持量呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，2000-2010年間土壤保持量由2.875×108t上升到2.876×108t，上升了4.96×104t，增幅為0.02%，2010-2020年土壤保持量由2.876×108t下降到2.874×108t，下降了1.92×105t，降幅為0.07%。碳儲(chǔ)量呈現(xiàn)“上升-下降”趨勢(shì)，共減少335.71萬(wàn)t，降幅為1.83%。（2）空間尺度上，2000-2020年間海南島生境質(zhì)量空間分布并不均勻。整體呈現(xiàn)出中部高，四周低；南部高、東北部和西部低的空間格局。生境質(zhì)量的空間分布特征與海南島土地類型變化高度相關(guān)。海南島產(chǎn)水量的空間分布整體上呈現(xiàn)出從東北向西南遞減的趨勢(shì)，不同年份的空間分布雖然有所差異，但基本上與降水量的分布相吻合。這種分布趨勢(shì)與研究區(qū)的實(shí)際蒸散發(fā)空間分布并沒(méi)有明顯的相關(guān)性。另外，2000-2020年，海南島土壤保持量及碳儲(chǔ)量均呈中部高、四周低的趨勢(shì)，高值區(qū)集中于中部山區(qū)，與林地分布緊密相關(guān)，低值區(qū)則主要分布在沿海地區(qū)。（3）不同用地類型對(duì)海南島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)存在差異，林地在生境質(zhì)量方面的貢獻(xiàn)最為顯著，遠(yuǎn)超其他地類，耕地與建設(shè)用地的生境質(zhì)量則相對(duì)接近，位列其后。水體、裸地和草地的生境質(zhì)量貢獻(xiàn)度依次遞減。在產(chǎn)水量方面，林地的貢獻(xiàn)最大，其次是草地和水體，耕地、裸地和建設(shè)用地的產(chǎn)水量相對(duì)較低。而在土壤保持功能中，林地依然占據(jù)主導(dǎo)地位，水體、耕地和草地的貢獻(xiàn)度緊隨其后，建設(shè)用地和未利用地的土壤保持能力則較弱。至于碳儲(chǔ)量，林地的貢獻(xiàn)最為顯著，耕地和草地也具有一定的碳儲(chǔ)量能力，但裸地、未利用地和水體的碳儲(chǔ)量相對(duì)較低。綜合分析得出，林地和草地對(duì)于海南島生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能貢獻(xiàn)度最大，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)揮效能的基底，應(yīng)當(dāng)作為重點(diǎn)觀測(cè)保護(hù)對(duì)象。（4）隨著海拔的增加，海南島生境質(zhì)量、單位面積碳儲(chǔ)量均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)。單位面積產(chǎn)水量整體上隨海拔高度升高而增加，水土保持量變化趨勢(shì)為先上升后下降。坡度則與研究區(qū)生境質(zhì)量與坡度呈現(xiàn)顯著相關(guān)，其中隨坡度增加因有較多林地分布而使生境質(zhì)量有明顯增加。單位面積碳儲(chǔ)量變化趨勢(shì)表現(xiàn)為先上升后下降；單位面積產(chǎn)水量與單位面積水土保持量均出現(xiàn)下降趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)VitousekP.M.,MooneyH.A.,LubchencoJ.,等.HumandominationofEarth'secosystems[J].Science,1997,277:494-499.白婷婷,徐棟,武少騰.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空交互特征及其驅(qū)動(dòng)力:以海南島為例[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2023,43(11):5961-5973.DOI:10.19674/ki.issn1000-6923.20230606.003.于娜.毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空格局及其驅(qū)動(dòng)力分析[D].北京林業(yè)大學(xué),2018.張嘉賓.關(guān)于計(jì)算森林效益的基礎(chǔ)理論與程序的初步研究[J].林業(yè)資源管理,1982(03):1-5.謝高地,張釔鋰,魯春霞,鄭度,成升魁.中國(guó)自然草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[J].自然資源學(xué)報(bào),2001(01):47-53.謝高地,甄霖,魯春霞,肖玉,陳操.一個(gè)基于專家知識(shí)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值化方法[J].自然資源學(xué)報(bào),2008(05):911-919.StanfordUniversity,UniversityofMinnesota,ChineseAcademyofSciences,TheNatureConservancy,WorldWildlifeFund,andStockholmResilienceCentre.InVEST3.12.1.User’sGuide.NaturalCapitalProject,2022.GoldsteinJoshuaH,Caldaro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