基于InVEST模型的近20年海南岛生态系统服务功能评估

基于InVEST模型的海南岛生态系统服务功能评估目录TOC\f\h\z\t"一级标题,1,二级标题,2,三级标题,3"1.绪论 [34]碳密度参数表确定取值，具体如表9：表9不同LULC碳密度数据参数表土地利用类型土地类型代码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建设用地711.450.9316.0404结果与分析4.12000-2020年生态系统服务功能时空变化分析 4.1.1生境质量时空变化根据InVSET模型生境质量模块运行结果，采用自然点间断法，将海南岛生境质量分为四个等级，分别是低（0.00-0.25）、中等（0.25-0.60）较高（0.60-0.80）高（0.80-1.00）。在时间尺度上，由表10可知，海南岛2000年、2010年、2020年生境质量指数平均值呈现先上升后下降趋势，由2000年的0.73上升至2010年的0.75，在下降至2020年的0.71。生境标准差指数整体在0.29-0.31间波动，其中2000年到2020年生境质量标准差由0.31上升至0.32，表示生境质量空间差异在逐步扩大。表10海南岛2000-2020年生境质量平均值年份2000年2010年2020年生境质量平均值0.730.750.71生境质量标准差0.310.300.32由图5可知，在研究区的2000年至2020年期间，生境质量等级中，高等级的面积占比始终处于最高水平，平均达到62.67%。特别地，从2000年到2010年这十年间，高等级与中等级区域的面积占比表现出明显的波动趋势，而较高等级与低等级区域的面积占比则相对保持稳定，没有发生显著的变化。这说明生境质量在2000-2020年发生了明显变化。在2000-2010年海南岛生境质量的上升受2002年退耕还林工程的实施，大量耕地转为林地使得海南岛用地类型发生改变，促进生境质量的提高。2010-2020年间生境质量指数出现了明显的下降趋势，受人类农业活动和经济建设活动增加的影响，研究区土地类型的变化导致生境质量发生了变化。空间变化上，由图6可知，海南岛生境质量空间分布并不均匀。整体呈现出中部山地区域高，四周沿海区域低的空间格局，且生境质量的空间分布特征与海南岛土地类型变化高度一致。海南岛林地、草地用地类型主要分布在中部地区，该区域生物多样性丰富，因此生境质量较高。低值区主要分布在人口基数大、城镇化率高，经济开发力度大的沿海地区，随着城镇用地扩张，这些区域出现了生境破碎化发展趋向。图5海南岛2000-2020年生境质量各等级面积占比情况图6海南岛2000-2020年生境质量分布图4.1.2产水量时空变化从时间上看，由图7可知，海南岛2000-2020年间产水量及单位面积产水量呈先下降后上升趋势，2000-2020年产水体积分别为268亿m3、234亿m3、241亿m3，单位产水面积分别为7903.78m3/hm2、6889.27m3/hm2、7118.53m3/hm2。其中2000-2010年产水量降幅为12.84%，2010-2020年产水量小幅度上升，增长率为3.22%。图7海南岛2000-2020年总产水量与单位面积产水量从空间上看，由图8可知，海南岛产水量空间上整体呈现由东北高、西南低的分布趋势，空间分布不均衡。各年份空间分布有所区别，但与降水量空间分布基本一致，而与研究区域实际蒸散发空间分布无明显相关。产水量高值区主要分布在东部沿海地区与中部山区，如万宁市、琼海市和屯昌县等，这些地区受东南季风与用地类型影响。中部山区土地利用以林地为主，地表植被覆盖度高，有利于水分持留。东部沿海处于东南季风迎风坡，年降雨量明显高于西南部背风坡地区，影响产水深度空间分布出现东北部高于西南部的分布特征。低值区分布在西南部的昌江黎族自治县、东方市、乐东黎族自治县，该区域位于中部山区的背风坡，区域降雨量低，蒸散量高，导致产水量低。图8海南岛2000-2020年产水量分布图4.1.3土壤保持量时空变化从时间上看，2000-2020年海南岛潜在土壤侵蚀总量表现出上升的趋势。2000-2010年土壤侵蚀总量由1.76×107t上升到1.84×107t，上升了7.96×105t；单位土壤侵蚀总量由520.54t上升到544.03t，增幅为4.51%。2010-2020年土壤侵蚀总量由1.84×107t上升到1.86×107t，增加了1.42×105t；单位面积土壤侵蚀量由544.03t上升到544.82t，增加了0.15%。2000-2020年海南岛土壤保持量呈现先上升后下降趋势，2000-2010年间土壤保持量由2.875×108t上升到2.876×108t，上升了4.96×104t，增幅为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，降幅为0.07%。2000-2010年研究区年内单位面积土壤保持量由71.76t/(hm2·a)上升到71.92t/(hm2·a)，增幅为0.2%，2010-2020年研究区年内单位面积土壤保持量由71.92t/(hm2·a)下降到71.66t/(hm2·a)，降幅为0.36%。图9海南岛2000-2020年土壤侵蚀量与单位面积土壤侵蚀量图10海南岛2000-2020年土壤保持量与单位面积土壤保持量空间变化上看，由图可知，2000-2020年研究区土壤保持量呈现中部高，四周低的趋势，高值区分布在中部山区腹地，低值区分布在沿海平原地区。形成这种空间分布的主要原因是中部地区土地类型以林地为主，植被覆盖率，森林具有水土保持的生态功能，因此土壤保持能力强。海南岛沿海地区的平原地带土地以耕地、建设用地为主。人类活动强度大，对地表改造较为彻底，造成土地裸露，土壤保持能力弱。图11海南岛2000-2020年土壤保持量变化4.1.4碳储量时空变化如图12所示，时间上看，2000年、2010年、2020年碳储量分别为1.83×108吨、1.87×108吨、1.79×108吨，呈先上升后下降趋势，共减少3.36×106吨，降幅为1.83%。单位面积碳储量在2000-2010年上升2.08%，2010-2020年下降3.87%；主要原因是该时期人口大量增长，据统计年鉴数据可知，2010-2020年间海南省常住人口由868.6万人增长至1012.3万人，增加了143.7万人，人口增加导致耕地和建设用地面积明显扩张，研究区城镇化进程加快，城市建设受经济因素影响进入高峰期，大量耕地和林地转为建设用地，碳储量在2010年后流失状况逐渐加剧。从空间上看（图13），2000-2020年海南岛碳储量总体呈“中间高、四周低”的特点。碳储量高值区分布在海南岛中部山区，研究区中部山区受海拔高度与坡度影响导致土地开发利用受到限制，用地类型以林地为主，碳储能力强，中部地区由于人口密度低于沿海地区，城市扩张能力较低，且分布大量热带雨林，保证碳储量相对较高且稳定。碳储量低值区主要分布在海南岛沿海地区，海口主城区、三亚吉阳区空间上出现较为明显的低值区，这些区域地势平坦，土地利用类型以耕地和建设用地为主，土地类型较为破碎，土地开发利用率高，城区地面硬化程度高，碳储能力弱，在海南岛低海拔平原地区形成碳储量低密度环带。图12海南岛2000-2020年碳储量变化图13海南岛2000-2020年碳储量分布4.2土地利用对生态系统服务功能的影响土地利用类型的变化对生态系统服务的各项功能具有显著影响，同时，在同一用地类型内部，其空间分布格局也呈现出多样性。本研究借助ArcGIS10.8软件，通过表格分区统计的方法，系统分析了研究区在2000年至2020年间土地利用类型数据与生态系统服务年际变化平均值的关联。通过这一分析，我们获得了研究区在2000-2020年间各类用地类型服务功能的均值。为进一步消除数据间的量纲差异，本研究利用SPSS27.0软件对数据进行标准化处理，从而确保后续分析的准确性和可靠性。这一研究对于深入理解土地利用变化对生态系统服务功能的影响机制，以及优化土地利用格局以提升生态系统服务价值具有重要意义。图14不同土地利用类型生态系统服务径向条形图研究发现，由图14可知，在耕地中，生态系统服务功能重要程度依次为生境质量、水土保持、碳储量、产水量。林地中以生境质量服务最为重要，其余各项功能影响力亦存在较高影响力。产水量为草地的主要生态服务功能，碳储量次之，水土保持最小。水体中影响力最大的生态服务功能为水土保持、碳储量影响力最小。生境质量服务功能在裸地、建设用地中最为重要，其余生态服务功能影响力均较弱。不同地类的生态系统服务的贡献度存在较大差异。生境质量服务功能在裸地与建设用地中占据主导地位，其重要性尤为突出，而其他生态服务功能在这些地类中的影响力则相对较弱。这揭示了不同地类在生态系统服务中扮演的角色及其功能贡献度的显著差异。具体来看，林地在生境质量方面的贡献最为显著，远超其他地类，耕地与建设用地的生境质量则相对接近，位列其后。水体、裸地和草地的生境质量贡献度依次递减。在产水量方面，林地的贡献最大，其次是草地和水体，耕地、裸地和建设用地的产水量相对较低。而在土壤保持功能中，林地依然占据主导地位，水体、耕地和草地的贡献度紧随其后，建设用地和未利用地的土壤保持能力则较弱。至于碳储量，林地的贡献最为显著，耕地和草地也具有一定的碳储量能力，但裸地、未利用地和水体的碳储量相对较低。综合标准化结果分析得出，林地和草地对于海南岛生态系统服务功能贡献度最大，是保证系统稳定发挥效能的基底，应当作为重点观测保护对象。4.3海拔与坡度对生态系统服务功能影响海拔与坡度变化会影响生态系统服务功能，本研究主要基于数字高程模型（DEM）数据和InVEST模型的运行结果，通过对其时间序列均值进行深入分析来展开研究。在提取坡度信息时，我们采用了ArcGIS10.8的分析模块中的slope工具，结合研究区实际情况，划分为＜7°、7-15°、15-25°、＞25°四个梯度。海拔划分为＜100m、100-300m、300-500m、500-800m、＞800m，通过分区统计获得各海拔区间服务功能均值。分析结果由图15表明，随着海拔的增加，研究区生境质量表现出增加的趋势。其中，生境质量平均值在海拔100-300m区间内增加量最大，在海拔超过500m后增幅逐渐降低。这反映了研究区随海拔高度升高土地利用类型发生明显变化，耕地、建设用地等威胁因子用地类型的面积逐渐下降，使生境质量逐渐升高。单位面积碳储量随海拔变化趋势与生境质量类变化类似，均表现为增加趋势。这反映研究区内低海拔地区人口活动强度大，土地开发利用率高，导致生境破碎化，进而影响生态系统异质性水平。单位面积产水量整体上随海拔高度呈现先下降后上升，这反映了研究区高海拔区域林地面积占比高，水源涵养能力好。单位面积水土保持量随海拔高度增加而上升，出现这种变化的原因之一可能是随海拔升高，降水量增加，海南岛高海拔地区林地面积占比高于低海拔地区，使水土保持能力随海拔升高而增加，流水沿途携带泥沙，使单位栅格像元泥沙淤积量随海拔降低而增加，导致单位面积水土保持量随海拔上升而增加。图15不同海拔下生态系统服务功能变化由图16可知，研究区生境质量与坡度呈现显著相关，其中随坡度增加因有较多林地分布而使生境质量有明显增加，亦表征人类活动强度和植被覆盖对生态系统服务功能具有显著影响。单位面积碳储量变化趋势表现为上升趋势，反映坡度越高林构愈复杂。研究区单位面积产水量在坡度大于15°后出现随坡度增加产水能力逐渐减弱。土壤保持量随坡度增加而增大，出现这种趋势的原因可能为坡面物质越不稳定，土壤侵蚀物质易被流水冲刷搬运至下游溪流中并发生沉积，影响水文循环。使输沙能力随坡度下降而增加，水土保持能力则随坡度增加而增加。图16不同坡度下生态系统服务功能变化5.结论本文基于InVEST模型和ArcGIS10.8平台，对海南岛2000至2020年的生境质量、水土保持、年产水量和碳储量等生态系统服务功能进行了量化分析，探讨了其时空变化特征以及不同土地利用类型和地形因子对生态系统服务功能的影响。研究发现，海南岛的生态系统服务功能随时间变化显著，不同土地利用类型对其影响各异，且地形因子也对功能产生重要影响。这一研究有助于深化对海南岛生态系统服务功能的理解，为生态保护与可持续发展提供科学依据。主要结论如下：（1）2000-2020年间，时间尺度上，海南岛2000年至2020年间平均生境质量指数呈现先上升后下降趋势，由2000年的0.73上升至0.75，在下降至2020年的0.71。生境标准差指数整体在0.29-0.31间波动，其中2000年到2020年生境质量标准差由0.31上升至0.32，表示研究区内生境质量的差异扩大。产水量呈先下降后上升趋势，产水量及单位面积产水量变化趋势为先下降后上升，其中2000-2010年产水量降幅为22.62%，2010-2020年产水量小幅度上升，增长率为2.85%。2000-2020年间整体共减少75.69亿m3。土壤保持量呈现先上升后下降趋势，2000-2010年间土壤保持量由2.875×108t上升到2.876×108t，上升了4.96×104t，增幅为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，降幅为0.07%。碳储量呈现“上升-下降”趋势，共减少335.71万t，降幅为1.83%。（2）空间尺度上，2000-2020年间海南岛生境质量空间分布并不均匀。整体呈现出中部高，四周低；南部高、东北部和西部低的空间格局。生境质量的空间分布特征与海南岛土地类型变化高度相关。海南岛产水量的空间分布整体上呈现出从东北向西南递减的趋势，不同年份的空间分布虽然有所差异，但基本上与降水量的分布相吻合。这种分布趋势与研究区的实际蒸散发空间分布并没有明显的相关性。另外，2000-2020年，海南岛土壤保持量及碳储量均呈中部高、四周低的趋势，高值区集中于中部山区，与林地分布紧密相关，低值区则主要分布在沿海地区。（3）不同用地类型对海南岛生态系统服务存在差异，林地在生境质量方面的贡献最为显著，远超其他地类，耕地与建设用地的生境质量则相对接近，位列其后。水体、裸地和草地的生境质量贡献度依次递减。在产水量方面，林地的贡献最大，其次是草地和水体，耕地、裸地和建设用地的产水量相对较低。而在土壤保持功能中，林地依然占据主导地位，水体、耕地和草地的贡献度紧随其后，建设用地和未利用地的土壤保持能力则较弱。至于碳储量，林地的贡献最为显著，耕地和草地也具有一定的碳储量能力，但裸地、未利用地和水体的碳储量相对较低。综合分析得出，林地和草地对于海南岛生态系统服务功能贡献度最大，是保证系统稳定发挥效能的基底，应当作为重点观测保护对象。（4）随着海拔的增加，海南岛生境质量、单位面积碳储量均表现为增加趋势。单位面积产水量整体上随海拔高度升高而增加，水土保持量变化趋势为先上升后下降。坡度则与研究区生境质量与坡度呈现显著相关，其中随坡度增加因有较多林地分布而使生境质量有明显增加。单位面积碳储量变化趋势表现为先上升后下降；单位面积产水量与单位面积水土保持量均出现下降趋势。参考文献VitousekP.M.,MooneyH.A.,LubchencoJ.,等.HumandominationofEarth'secosystems[J].Science,1997,277:494-499.白婷婷,徐栋,武少腾.生态系统服务时空交互特征及其驱动力:以海南岛为例[J].中国环境科学,2023,43(11):5961-5973.DOI:10.19674/ki.issn1000-6923.20230606.003.于娜.毛乌素沙地生态系统服务时空格局及其驱动力分析[D].北京林业大学,2018.张嘉宾.关于计算森林效益的基础理论与程序的初步研究[J].林业资源管理,1982(03):1-5.谢高地,张钇锂,鲁春霞,郑度,成升魁.中国自然草地生态系统服务价值[J].自然资源学报,2001(01):47-53.谢高地,甄霖,鲁春霞,肖玉,陈操.一个基于专家知识的生态系统服务价值化方法[J].自然资源学报,2008(05):911-919.StanfordUniversity,UniversityofMinnesota,ChineseAcademyofSciences,TheNatureConservancy,WorldWildlifeFund,andStockholmResilienceCentre.InVEST3.12.1.User’sGuide.NaturalCapitalProject,2022.GoldsteinJoshuaH,CaldaroneGiorgio,DuarteThomasKaeo,EnnaanayDriss,HannahsNeil,MendozaGuillermo,PolaskyStephen,WolnyStacie,DailyGretchenC.Integratingecosystem-servicetradeoffsintoland-usedecisions.[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2012,109(19).AnnadomaNyanga,AadKessler,AlbinoTenge.Keysocio-economicfactorsinfluencingsustainablelandmanagementinvestmentsintheWestUsambaraHighlands,Tanzania[J].LandUsePolicy,2016,51.刘晔.永定河流域生态系统服务功能评估及预测[D].河北工程大学,2022.方瑜,欧阳志云,肖燚,等.海河流域草地生态系统服务功能及其价值评估[J].自然资源学报,2011,26(10):1694-1706.张灿强,李文华,张彪,等.基于InVEST模型的西苕溪流域产水量分析(英文)[J].JournalofResourcesandEcology,2012,3(01):50-54.吴健生,张理卿,彭建,等.深圳市景观生态安全格局源地综合识别[J].生态学报,2013,33(13):4125-4133.阮俊杰,王卿,黄沈发,等.海峡西岸经济区景观格局特征研究[J].水土保持通报,2013,33(04):30-36+4.DOI:10.13961/ki.stbctb.2013.04.008.王萍,刘康,李婷.西安市生态系统服务价值及其变化研究[J].安徽农业科学,2015,43(01):212-213.DOI:10.13989/ki.0517-6611.2015.01.119.马建章,戎可,程鲲.中国生物多样性就地保护的研究与实践[J].生物多样性,2012,20(05):551-558.隋磊,赵智杰,金羽等.海南岛自然生态系统服务价值评估[J].生态经济(学术版),2012,(01):20-27.饶恩明,肖燚,欧阳志云等.海南岛生态系统土壤保持功能空间特征及影响因素[J].生态学报,2013,33(03):746-755.侯鹏,翟俊,曹巍等.国家重点生态功能区生态状况变化与保护成效评估——以海南岛中部山区国家重点生态功能区为例[J].地理学报,2018,73(03):429-441.孙天成,马梓程,黄赞慧等.基于碳储存变化的海岸带生态系统修复策略——以海南岛东南海岸带为例[J].热带地理,2023,43(03):443-458.DOI:10.13284/ki.rddl.003643杜文鹏,闫慧敏,封志明,等.基于生态供给-消耗平衡关系的中尼廊道地区生态承载力研[J].生态学报,2020,40(18):6445-6458.王彤,易桂花,张廷斌,等.西南三江流域生境质量时空格局及其地形梯度效应[J].水土保持研究,2023,30(05):306-314.DOI:10.13869/ki.rswc.2023.05.011.刘娇,郎学东,苏建荣,等.基于InVEST模型的金沙江流域干热河谷区水源涵养功能评估[J].生态学