基于InVEST模型的貴州喀斯特生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估研究進(jìn)展

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(píng)估不僅是環(huán)境保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)估的定性、定量研究手段，同樣其對(duì)人類(lèi)生活的服務(wù)功能也具有重要作用。貴州是全國(guó)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(gè)熱點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出的各類(lèi)生態(tài)服務(wù)評(píng)估模型中，InVEST模型的開(kāi)發(fā)應(yīng)用更加成熟，并且在國(guó)內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估中推廣應(yīng)用。基于上述原因，通過(guò)詳細(xì)闡述InVEST模型的基本內(nèi)容和特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀以及該模型的應(yīng)用局限性和發(fā)展趨勢(shì)，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(píng)估

中圖分類(lèi)號(hào) X 826? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）20-0025-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.007

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(xiàng)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(zhuān)項(xiàng)（黔農(nóng)科院青年科技基金〔2021〕31號(hào)）;貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合支撐項(xiàng)目（2018）2371）;貴州省科研機(jī)構(gòu)服務(wù)企業(yè)行動(dòng)計(jì)劃（黔科合服企（2019）4010號(hào)）;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(zhuān)項(xiàng)（黔農(nóng)科院青年基金〔2018〕91號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介 柳嘉佳（1992—），男，甘肅平?jīng)鋈?，研究?shí)習(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(jì)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(gè)不斷演化的過(guò)程[3-7]，千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估報(bào)告[8]采用了Costanza的觀(guān)點(diǎn)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指人類(lèi)從生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過(guò)程中直接或間接獲取的各項(xiàng)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(lèi)。

由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在種類(lèi)數(shù)量及重要性上的空間異質(zhì)性，所以對(duì)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(jìn)行定量評(píng)估的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)成為目前生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域[9]。近年來(lái)，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(píng)估模型在評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值及其空間分布中發(fā)揮著越來(lái)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(lái)，根據(jù)不同類(lèi)別生態(tài)系統(tǒng)功能價(jià)值評(píng)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(píng)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(kāi)發(fā)應(yīng)用也更加成熟，在國(guó)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(píng)估準(zhǔn)確性、適用范圍等方面，相比于A(yíng)RIES、SolVES 等其他生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估模型更具優(yōu)勢(shì)[14]。

貴州作為我國(guó)喀斯特面積最大的省份，土壤和植被對(duì)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(shí)也可以為決策部門(mén)實(shí)施生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制和保障利益分配的公平性提供理論依據(jù)。

1 InVEST模型簡(jiǎn)介

InVEST全稱(chēng)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合估價(jià)和權(quán)衡得失評(píng)估模型[16]， 該模型是由美國(guó)斯坦福大學(xué)、世界自然基金會(huì)和大自然保護(hù)協(xié)會(huì)（TNC）聯(lián)合研發(fā)出來(lái)的，初衷是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行準(zhǔn)確的量化評(píng)估并以圖表這種簡(jiǎn)單直觀(guān)的方式表達(dá)量化評(píng)估的結(jié)果，幫助政府提高在開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和恢復(fù)項(xiàng)目或計(jì)劃時(shí)進(jìn)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(shí)也有助于制定更加合理公平的自然資源價(jià)格體系，進(jìn)一步促進(jìn)經(jīng)濟(jì)手段在自然資源管理中的應(yīng)用以及生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的實(shí)施和利益分配的公平性。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)不但有利于促進(jìn)生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)，而且還可以為區(qū)域經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展和解決貧困問(wèn)題帶來(lái)新的思路。

1.1 InVEST模型評(píng)估內(nèi)容

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

1.2 InVEST模型評(píng)估特點(diǎn)

由于InVEST 模型具有多個(gè)不同的模塊，且不同模塊在開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估時(shí)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(gè)層級(jí)模型[22-23]。0 層模型只可簡(jiǎn)單對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的相對(duì)價(jià)值進(jìn)行模擬評(píng)估，無(wú)法精確地對(duì)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行量化，多用于關(guān)鍵區(qū)域的識(shí)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(jìn)行絕對(duì)價(jià)值的評(píng)估，特別是可以開(kāi)展貨幣化價(jià)值評(píng)估，但是在輸入的數(shù)據(jù)量上要多于0 層模型。 0、1 層級(jí)模型主要適用年平均和大范圍的時(shí)空尺度數(shù)據(jù)，而2、3 層級(jí)模型不僅適用日值或月值的動(dòng)態(tài)序列數(shù)據(jù)，還可準(zhǔn)確評(píng)估從小尺度到全球尺度的適當(dāng)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(kāi)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(píng)估結(jié)果的精確度更高。但是由于算法的復(fù)雜程度升級(jí)，因此對(duì)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(xiàng)目則還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

2 InVEST模型的應(yīng)用

2.1 InVEST模型在國(guó)外的應(yīng)用

InVEST模型自開(kāi)發(fā)問(wèn)世以來(lái)，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(chǔ)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(píng)估中都有成功應(yīng)用的案例。

Goldstein等[24]使用InVEST模型對(duì)夏威夷O′ahu島7個(gè)土地利用規(guī)劃方案的生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在水質(zhì)凈化和碳儲(chǔ)量?jī)纱笄榫霸O(shè)定下，在碳儲(chǔ)存和水質(zhì)之間以及在環(huán)境改善和財(cái)務(wù)回報(bào)之間進(jìn)行權(quán)衡，從而對(duì)涉及私人利益和公共利益之間權(quán)衡取舍的當(dāng)?shù)赝恋厥褂脹Q策提供參考依據(jù)。Benra等[25]運(yùn)用智利南部224個(gè)集水區(qū)3年（1998、2007和2013年）水文監(jiān)測(cè)記錄對(duì)InVEST季節(jié)性水產(chǎn)量模型進(jìn)行評(píng)估，表明觀(guān)測(cè)值和模型值之間具有良好的匹配性，有助于應(yīng)對(duì)近期的土地利用變化和氣候變化。Nelson等[26]基于InVEST模型對(duì)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(hù)和商品生產(chǎn)水平的變化進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)關(guān)于生物多樣性保護(hù)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(jià)值的方案更多，以至于生物多樣性保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的水平較低。因此，通過(guò)InVEST模型對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的準(zhǔn)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(gè)模塊對(duì)坦桑尼亞?wèn)|部地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)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(guó)內(nèi)的應(yīng)用

近年來(lái)，我國(guó)的一些學(xué)者、 研究人員已經(jīng)成功將InVEST 模型應(yīng)用于長(zhǎng)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(píng)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(jià)值變化及生境質(zhì)量時(shí)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(jià)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(hù)與改善方針策略的制定提供理論依據(jù);劉宥延等[33]運(yùn)用InVEST模型評(píng)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(diǎn);仲俊濤等[34]選取InVEST模型碳儲(chǔ)存、土壤保持和水源涵養(yǎng)3項(xiàng)情景，對(duì)禁牧前后草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)估，確定生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。

貴州省地處喀斯特山區(qū)，該區(qū)具有石漠化現(xiàn)象嚴(yán)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(duì)貴州喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估對(duì)促進(jìn)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(guò)InVEST模型對(duì)貴州喀斯特山區(qū)丘陵、槽谷和峽谷3種典型地貌類(lèi)型區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境退化程度進(jìn)行綜合評(píng)估，結(jié)果表明由于地貌類(lèi)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(shì)也各有不同;賈婉琳等[37]采用InVEST模型綜合評(píng)估了赤水河流域的水源供給、土壤保持、碳存儲(chǔ)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(lái)略微增加，整體土壤侵蝕狀況為微度侵蝕，流域碳儲(chǔ)量呈降低趨勢(shì)，生境質(zhì)量整體呈改善趨勢(shì);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(duì)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(píng)估結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)該模型對(duì)于貴州喀斯特山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估和促進(jìn)石漠化治理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.3 InVEST 模型應(yīng)用現(xiàn)狀概述

通過(guò)對(duì)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(chǔ)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(wèn)題受到的關(guān)注度愈來(lái)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(píng)估等模塊。同時(shí)該模型開(kāi)始與其他生態(tài)模型以及GIS等手段相結(jié)合，針對(duì)不同典型區(qū)域的熱點(diǎn)環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行研究。例如，孫蓉[39]選取江西省 38 處森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型自然保護(hù)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(diǎn)保護(hù)區(qū)，為自然保護(hù)區(qū)生境優(yōu)化提供科學(xué)有效的評(píng)價(jià)依據(jù)。

目前利用InVEST模型針對(duì)貴州喀斯特山區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估研究仍然略顯不足。從評(píng)估模塊來(lái)看，目前的研究?jī)H涉及石漠化地區(qū)的水土保持、碳儲(chǔ)量和部分流域的產(chǎn)水量等模塊，其他模塊的評(píng)估鮮有涉及;從評(píng)估范圍來(lái)看，目前的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)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(yán)重的區(qū)域，截至2021年，貴州省森林覆蓋率已經(jīng)達(dá)到60%，因此在貴州開(kāi)展關(guān)于林地和草地這兩類(lèi)重要的土地利用方式的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)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(jiǎn)單便捷，應(yīng)用范圍靈活，還可以輸出專(zhuān)題圖和權(quán)衡曲線(xiàn)等最直觀(guān)的評(píng)估結(jié)果的優(yōu)勢(shì)，正廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)的決策中。在全球生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)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(píng)估內(nèi)容和數(shù)據(jù)獲取門(mén)檻的問(wèn)題，仍存在以下可以改進(jìn)之處：首先是目前該模型的應(yīng)用主要是在大尺度，針對(duì)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(jí)還需更進(jìn)一步，將更多影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估的因素納入進(jìn)來(lái)。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(jìn)一步提高，從而影響到準(zhǔn)確地評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。因此，通過(guò)仔細(xì)全面地分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估模型的不確定性及其形成原因，有針對(duì)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(lái)該模型需要考慮的重要問(wèn)題。貴州作為我國(guó)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(qiáng)對(duì)不同情景下不同尺度和生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估，對(duì)于促進(jìn)貴州石漠化治理、完善生態(tài)補(bǔ)償制度以及政府制定合理的生態(tài)保護(hù)政策具有重要的參考價(jià)值。

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