柳嘉佳 王普昶 王志偉 宋雪蓮 阮璽睿 丁磊磊 謝彩云 張文

摘要 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估不僅是環(huán)境保護和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評估的定性、定量研究手段，同樣其對人類生活的服務(wù)功能也具有重要作用。貴州是全國石漠化面積最大的省份，生態(tài)環(huán)境異常脆弱。將多種具有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的模型應(yīng)用到貴州省，是近年研究的一個熱點。在國內(nèi)外涌現(xiàn)出的各類生態(tài)服務(wù)評估模型中，InVEST模型的開發(fā)應(yīng)用更加成熟，并且在國內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估中推廣應(yīng)用?；谏鲜鲈颍ㄟ^詳細闡述InVEST模型的基本內(nèi)容和特點、應(yīng)用現(xiàn)狀以及該模型的應(yīng)用局限性和發(fā)展趨勢，為該模型在貴州的應(yīng)用與發(fā)展提供科學(xué)支持，并為后續(xù)的石漠化地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能模型相關(guān)研究提供部分理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能;InVEST模型;貴州省;喀斯特地貌;生態(tài)脆弱區(qū);評估

中圖分類號 X 826? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）20-0025-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.007

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Research Progress of Guizhou Karst Ecosystem Service Function Evaluation Based on InVEST Model

LIU Jia-jia，WANG Pu-chang，WANG Zhi-wei et al （Grassland Research Institute，Guizhou Academy of Agricultural Sciences，Guiyang，Guizhou 550025）

Abstract Ecosystem service function evaluation is not only a qualitative and quantitative research method for environmental protection and ecosystem stability assessment，but also plays an important role in the service function of human life.Guizhou is the province with the largest area of rocky desertification in China，and its ecological environment is extremely fragile.In recent years，it is a hot topic to apply a variety of models with ecosystem services to Guizhou Province.Among all kinds of ecological service assessment models emerging at home and abroad，InVEST model is relatively mature and has been widely used in ecosystem service evaluation in China.Based on the above reasons，the basic content and characteristics of the InVEST model，the application status and the application limitations and development trends of the model were explained in detail，it provided scientific support for the application and development of the model in Guizhou，and provided part of the theoretical basis and scientific guidance for subsequent studies on the ecosystem service function model in rocky desertification areas.

Key words Ecosystem service function;InVEST model;Guizhou Province;Karst landform;Ecologically fragile area;Evaluation

基金項目 貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院2021年院基本科研業(yè)務(wù)發(fā)展專項（黔農(nóng)科院青年科技基金〔2021〕31號）;貴州省科技計劃項目（黔科合支撐項目（2018）2371）;貴州省科研機構(gòu)服務(wù)企業(yè)行動計劃（黔科合服企（2019）4010號）;貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院2017年度學(xué)術(shù)新苗培養(yǎng)及創(chuàng)新探索專項（黔農(nóng)科院青年基金〔2018〕91號）。

作者簡介 柳嘉佳（1992—），男，甘肅平?jīng)鋈?，研究實?xí)員，碩士，從事植物生態(tài)學(xué)研究。*通信作者，副研究員，碩士，從事草業(yè)科學(xué)研究。

收稿日期 2021-06-17;修回日期 2021-06-25

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能（ecosystem services）的概念是由Ehrlich在20世紀70年代初期首次提出，并逐漸得到公眾和學(xué)術(shù)界的接受和廣泛使用[1-2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的定義也經(jīng)歷了一個不斷演化的過程[3-7]，千年生態(tài)系統(tǒng)評估報告[8]采用了Costanza的觀點，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指人類從生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過程中直接或間接獲取的各項生態(tài)產(chǎn)品或服務(wù)，并將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為支持（supporting）、調(diào)節(jié)（regulating）、供應(yīng)（provisioning）和文化（cultural）服務(wù)四大類。

由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在種類數(shù)量及重要性上的空間異質(zhì)性，所以對生態(tài)系統(tǒng)提供的支持、調(diào)節(jié)、供應(yīng)和文化服務(wù)進行定量評估的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價成為目前生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)研究的熱點和前沿領(lǐng)域[9]。近年來，隨著遙感、GIS 技術(shù)及相關(guān)理論的迅猛發(fā)展，以此為數(shù)據(jù)和技術(shù)支持的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估模型在評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值及其空間分布中發(fā)揮著越來越重要的作用，也為高效便捷地解決這一難題提供了有效途徑和方法[10]。近年來，根據(jù)不同類別生態(tài)系統(tǒng)功能價值評估需要，出現(xiàn)了一些復(fù)雜程度和數(shù)據(jù)需求不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估模型，主要有InVEST（integrated valuation of ecosystem services and trade-offs） 模型[11]、ARIES（artificial intelligence for ecosystem services） 模型[12]和 SolVES（social values for ecosystem services）模型[13]。其中，InVEST 模型的開發(fā)應(yīng)用也更加成熟，在國內(nèi)已有廣泛的推廣應(yīng)用，其空間分析功能、數(shù)據(jù)需求、模擬評估準確性、適用范圍等方面，相比于ARIES、SolVES 等其他生態(tài)系統(tǒng)評估模型更具優(yōu)勢[14]。

貴州作為我國喀斯特面積最大的省份，土壤和植被對外界反應(yīng)敏感，易遭破壞、極難恢復(fù)，屬典型的碳酸鹽生態(tài)脆弱區(qū)[15]。因此，基于InVEST 模型的貴州喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究，不僅有助于貴州喀斯特地區(qū)石漠化治理，同時也可以為決策部門實施生態(tài)補償機制和保障利益分配的公平性提供理論依據(jù)。

1 InVEST模型簡介

InVEST全稱為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合估價和權(quán)衡得失評估模型[16]， 該模型是由美國斯坦福大學(xué)、世界自然基金會和大自然保護協(xié)會（TNC）聯(lián)合研發(fā)出來的，初衷是對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行準確的量化評估并以圖表這種簡單直觀的方式表達量化評估的結(jié)果，幫助政府提高在開展生態(tài)系統(tǒng)保護和恢復(fù)項目或計劃時進行量化比較，從而更加科學(xué)合理地決定投資的分配和使用[17]。但同時也有助于制定更加合理公平的自然資源價格體系，進一步促進經(jīng)濟手段在自然資源管理中的應(yīng)用以及生態(tài)補償機制的實施和利益分配的公平性。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價不但有利于促進生態(tài)保護和恢復(fù)，而且還可以為區(qū)域經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展和解決貧困問題帶來新的思路。

1.1 InVEST模型評估內(nèi)容

InVEST? 從最初發(fā)布至今，經(jīng)歷了許多個版本，最新的InVEST 版本為3.8.4版[18]。最初的InVEST 1.0版本的評估模塊只有污染物控制和沉積物兩大子模塊，同時陸地生態(tài)系統(tǒng)模塊下的相關(guān)評估項目缺乏科學(xué)的分類[19]。而最新的版本在之前版本的基礎(chǔ)上對分類體系進行了升級，使整個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與價值的評價更為完整、科學(xué)。在增加了海洋評估系統(tǒng)的同時，逐漸打破不同生態(tài)系統(tǒng)之間的界線，使得部分模塊可以進行不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估。目前版本的InVEST模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估主要是針對淡水、海洋和陸地三大生態(tài)系統(tǒng)的評估模塊，每個模塊由于生態(tài)系統(tǒng)功能不同又具體包含不同的評估項目[20]。其中淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估包括水力發(fā)電、水質(zhì)、產(chǎn)水量、水土保持; 海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估包括海岸保護、海洋水質(zhì)、生境風(fēng)險評估、美感評估、水產(chǎn)養(yǎng)殖、疊置分析、波能、風(fēng)能評估; 陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估包括生物多樣性、碳儲量、農(nóng)作物授粉和木材生產(chǎn)量[21]。

1.2 InVEST模型評估特點

由于InVEST 模型具有多個不同的模塊，且不同模塊在開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估時需要不同的數(shù)據(jù)以及不同復(fù)雜程度的算法，因此將InVEST 模型分為 0 層、1 層、2 層和 3 層共4個層級模型[22-23]。0 層模型只可簡單對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的相對價值進行模擬評估，無法精確地對其經(jīng)濟價值進行量化，多用于關(guān)鍵區(qū)域的識別，但是0 層模型所需要的數(shù)據(jù)量也是最少。1 層模型相比較0層模型可進行絕對價值的評估，特別是可以開展貨幣化價值評估，但是在輸入的數(shù)據(jù)量上要多于0 層模型。 0、1 層級模型主要適用年平均和大范圍的時空尺度數(shù)據(jù)，而2、3 層級模型不僅適用日值或月值的動態(tài)序列數(shù)據(jù)，還可準確評估從小尺度到全球尺度的適當空間范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。2 層和3 層模型還可開展不同尺度、不同情景下的分析以及不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能模塊間的耦合，而且評估結(jié)果的精確度更高。但是由于算法的復(fù)雜程度升級，因此對于數(shù)據(jù)的需求也更大，目前2 層和 3 層模型的一些復(fù)雜程度更高、數(shù)據(jù)獲取難度更大的項目則還有待進一步開發(fā)。

2 InVEST模型的應(yīng)用

2.1 InVEST模型在國外的應(yīng)用

InVEST模型自開發(fā)問世以來，便在全世界范圍內(nèi)獲得高度關(guān)注，并被大范圍的推廣使用，如今在外碳儲量、水體凈化、產(chǎn)水量、生物多樣性、土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估中都有成功應(yīng)用的案例。

Goldstein等[24]使用InVEST模型對夏威夷O′ahu島7個土地利用規(guī)劃方案的生態(tài)服務(wù)價值進行評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在水質(zhì)凈化和碳儲量兩大情景設(shè)定下，在碳儲存和水質(zhì)之間以及在環(huán)境改善和財務(wù)回報之間進行權(quán)衡，從而對涉及私人利益和公共利益之間權(quán)衡取舍的當?shù)赝恋厥褂脹Q策提供參考依據(jù)。Benra等[25]運用智利南部224個集水區(qū)3年（1998、2007和2013年）水文監(jiān)測記錄對InVEST季節(jié)性水產(chǎn)量模型進行評估，表明觀測值和模型值之間具有良好的匹配性，有助于應(yīng)對近期的土地利用變化和氣候變化。Nelson等[26]基于InVEST模型對俄勒岡州威拉米特盆地的土地利用/土地覆蓋變化方案的生物多樣性保護和商品生產(chǎn)水平的變化進行評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)關(guān)于生物多樣性保護和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的權(quán)衡比例太小，但是涉及較高的商品生產(chǎn)價值的方案更多，以至于生物多樣性保護和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的水平較低。因此，通過InVEST模型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的準確量化，并分析它們之間的權(quán)重關(guān)系，有助于制定更加有效、高效和合理的涉及自然資源處置的決策。Fisher 等[27]應(yīng)用InVEST模型木材等多個模塊對坦桑尼亞東部地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)進行了評估， 以了解該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的功能與政策變化之間的聯(lián)系。

2.2 InVEST模型在國內(nèi)的應(yīng)用

近年來，我國的一些學(xué)者、 研究人員已經(jīng)成功將InVEST 模型應(yīng)用于長江中下游地區(qū)[28]、洞庭湖地區(qū)[29]、疏勒河流域[30]、西南地區(qū)[31]生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的定量評估。劉家福等[32]基于CA-Markov與InVEST模型分析吉林省2000—2024年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化及生境質(zhì)量時空演變特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，吉林省森林的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值量最大，水文和氣候調(diào)節(jié)是主要的生態(tài)服務(wù)功能，為吉林省生態(tài)環(huán)境保護與改善方針策略的制定提供理論依據(jù);劉宥延等[33]運用InVEST模型評估了2017年的水源涵養(yǎng)功能及其空間分布特征，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域水源涵養(yǎng)總量為11 900×104 m 且在空間分布上呈由西南向東北逐漸減少特點;仲俊濤等[34]選取InVEST模型碳儲存、土壤保持和水源涵養(yǎng)3項情景，對禁牧前后草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量進行精準評估，確定生態(tài)補償標準。

貴州省地處喀斯特山區(qū)，該區(qū)具有石漠化現(xiàn)象嚴重、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)變異敏感度高、水土保持能力弱、自然災(zāi)害頻發(fā)等特征，屬典型的生態(tài)脆弱區(qū)[35]。因此，應(yīng)用InVEST模型對貴州喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行評估對促進石漠化區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。郜紅娟等[36]通過InVEST模型對貴州喀斯特山區(qū)丘陵、槽谷和峽谷3種典型地貌類型區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境退化程度進行綜合評估，結(jié)果表明由于地貌類型和坡度帶的不同，其生態(tài)環(huán)境平均退化程度的變化趨勢也各有不同;賈婉琳等[37]采用InVEST模型綜合評估了赤水河流域的水源供給、土壤保持、碳存儲和生境質(zhì)量等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，該流域產(chǎn)水量近年來略微增加，整體土壤侵蝕狀況為微度侵蝕，流域碳儲量呈降低趨勢，生境質(zhì)量整體呈改善趨勢;張斯嶼等[38]在GIS技術(shù)支持下，采用InVEST 模型中的3大典型模塊對貴州喀斯特典型地區(qū)晴隆縣石墨化程度與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估結(jié)果進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)該模型對于貴州喀斯特山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估和促進石漠化治理具有重要的現(xiàn)實意義。

2.3 InVEST 模型應(yīng)用現(xiàn)狀概述

通過對InVEST模型應(yīng)用案例的研究發(fā)現(xiàn)，目前該模型的應(yīng)用主要集中在陸地生態(tài)系統(tǒng)模塊的碳儲量、生物多樣性、土壤侵蝕和淡水生態(tài)系統(tǒng)模塊的產(chǎn)水量方向，其余方向的研究較少。主要是由于隨著全球氣候變化，碳排放、水資源分布不均等問題受到的關(guān)注度愈來愈高，其次也是由于其他情景的研究數(shù)據(jù)收集困難，限制性較大，特別是美感評估等模塊。同時該模型開始與其他生態(tài)模型以及GIS等手段相結(jié)合，針對不同典型區(qū)域的熱點環(huán)境問題進行研究。例如，孫蓉[39]選取江西省 38 處森林生態(tài)系統(tǒng)類型自然保護區(qū)，將InVEST 模型與 MaxEnt 模型相結(jié)合，綜合分析生境質(zhì)量和物種豐富度格局后得到最佳生境區(qū)域和生境優(yōu)化重點保護區(qū)，為自然保護區(qū)生境優(yōu)化提供科學(xué)有效的評價依據(jù)。

目前利用InVEST模型針對貴州喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估研究仍然略顯不足。從評估模塊來看，目前的研究僅涉及石漠化地區(qū)的水土保持、碳儲量和部分流域的產(chǎn)水量等模塊，其他模塊的評估鮮有涉及;從評估范圍來看，目前的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估僅涉及部分的流域以及典型的喀斯特地貌和石漠化比較嚴重的區(qū)域，截至2021年，貴州省森林覆蓋率已經(jīng)達到60%，因此在貴州開展關(guān)于林地和草地這兩類重要的土地利用方式的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估已是迫在眉睫。

3 展望

InVEST模型憑借其數(shù)據(jù)獲取方便，操作簡單便捷，應(yīng)用范圍靈活，還可以輸出專題圖和權(quán)衡曲線等最直觀的評估結(jié)果的優(yōu)勢，正廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境保護和修復(fù)的決策中。在全球生態(tài)系統(tǒng)評價研究中，該模型具有廣泛的應(yīng)用空間及前景。但是該模型由于評估內(nèi)容和數(shù)據(jù)獲取門檻的問題，仍存在以下可以改進之處：首先是目前該模型的應(yīng)用主要是在大尺度，針對中小尺度的應(yīng)用較少，而聚焦聚落、田地的研究則亟待完善;其次由于生態(tài)系統(tǒng)自身的復(fù)雜性和相關(guān)數(shù)據(jù)獲取具有較高難度，目前的應(yīng)用模塊研發(fā)和優(yōu)化升級還需更進一步，將更多影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估的因素納入進來。由于生態(tài)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性以及模型的結(jié)構(gòu)和輸入數(shù)據(jù)的精確性有待進一步提高，從而影響到準確地評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。因此，通過仔細全面地分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估模型的不確定性及其形成原因，有針對性地采取有效措施提高模擬結(jié)果的精確性以及模型模擬結(jié)果的可靠性也是未來該模型需要考慮的重要問題。貴州作為我國石漠化面積最大的喀斯特生境脆弱區(qū)域，充分利用InVEST 模型加強對不同情景下不同尺度和生態(tài)系統(tǒng)類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行評估，對于促進貴州石漠化治理、完善生態(tài)補償制度以及政府制定合理的生態(tài)保護政策具有重要的參考價值。

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