基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估

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所属分类:地理信息频道
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作 者 信 息 张明珠1,2,王 敏2,3,张晓祥2,3,杨妍菲2,3(1.合肥市测绘设计研究院,安徽 合肥 230001;2. 河海大学 水文水资源学院,江苏 南京 210098;3. 河海大学 地理空间智能与流域科学研究中心,江苏 南京 210098)“ 【摘要】以杭州市为研究区,分析了杭州市2000-2010年生态系统服务变化及其空间分布特征。综合多种地理空间数据和属性数据,采用InVEST模型及基于地表热辐射的计算方法,对研究区碳储量、产水量以及区域气候调节3种生态系统服务进行定量评估;根据生态系统服务的城乡差异因素,将杭州市划分为城镇、郊区、乡村三级,运用GIS技术对生态系统服务的空间分布特征进行分析。研究结果表明:①与2000年相比, 2010年杭州市碳储量总量小幅度增加了1492.49t,而产水量则减少了0.2×107m3,区域气候调节能力基本随着土地覆盖变化而变化;②2000—2010年,碳储量服务在城镇和郊区有增加的趋势,且平均值增加量超过5%,而水资源供给服务的总量在城镇、郊区、乡村三级里均呈减少趋势。【关键词】InVEST模型;地表热辐射;生态系统服务;GIS;杭州【中图分类号】P311.9 【文献标识码】A 【文章编号】1672-1586(2021)02-0057-08”引文格式:张明珠,王 敏,张晓祥,等. 基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估[J].地理信息世界,2021,28(2):57-64.正文0 引 言生态系统服务是人类直接或间接地从生态系统中得到的人类生存与发展所不可或缺的自然环境条件与效用。1999年Gretchen Daily在其撰写的《自然服务:社会对自然生态系统的依赖》中首先对生态系统服务的概念进行界定,进而对自然可以提供给人类社会的各种服务以及生态系统服务价值分配所涉及的经济问题进行系统论述。生态系统服务供给是指特定区域在一定时间内提供特定的生态系统商品和服务的能力。在这里,能力是指实际使用的一套自然资源和服务的产生。目前,在大多数研究成果中,基本从生态系统所提供的功能服务的经济价值角度对生态系统服务供给量进行测算,进而形成两类较为统一的评估方法:价值量和物质量评估法。研究区的选取从空间尺度角度看,有区县级、市级、流域,大到国家尺度;从地理单元的自然分区角度看,有自然保护区、喀斯特地区、黄河源区等特殊地形地貌的生态环境脆弱区;从研究内容角度看,农田地生态系统、湿地生态系统、森林生态系统等多种陆地生态系统的固碳释氧物质量、水源涵养量利用经济学方法将生态系统服务货币化的方法。由于评价标准构建的片面性,评价标准的相关指标数据获取的困难性、指标权重赋值的人为性等诸多因素的影响使得生态系统服务评估工作的可行性、有效性受到一定程度的质疑。InVEST模型全称为生态系统服务和交易的综合评估模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs),InVEST模型可以将生态系统服务功能进行定量评估并以空间显示的方式加以表达,从而不仅达到对生态系统服务功能不足地区的有效识别效果,其分析成果可作为后期生态保护与修复投资力度大小的估算、多服务和多目标优化方案的基础。自InVEST模型发布以来,在国内外得到了广泛的应用,如国外学者大多运用InVEST模型分析不同土地利用/覆盖类型下的生物多样性、碳储量、产水量、土壤保持等生态系统服务功能的变化,国内的研究学者已经将该模型应用在城市、流域、海岛、自然保护区等地的生态系统服务评估,并综合运用GIS技术对生态系统服务进行定量化、可视化研究。本文在总结前人研究成果的基础上,对杭州市生态系统服务功能进行评估。利用多种地理空间数据和属性数据,结合研究区实际情况和数据的可获取性,运用InVEST模型和GIS技术对研究区2000年和2010年的碳储量服务、水资源供给服务、区域气候调节服务进行可视化表达,定量研究分析了生态系统服务的空间分布特征,以期为研究区生态文明建设和可持续发展提供决策依据。1 研究区与数据来源1.1 研究区概况研究区杭州位于我国东南沿海、长江三角洲南翼、杭州湾西端,地处东经118°20′~120°37′和北纬29°11′~30°34′之间。下辖上城区、下城区、江干区、拱墅区等10个市辖区,2个县,1个县级市(图1)。全市总面积约为16 596 km2,地形以丘陵、平原为主,丘陵山地占总面积的65.6%,且主要分布于杭州市的南部、西部和中部;平原面积占全市面积不到1/3,集中分布在东部、北部;水库、湖泊、河流、大江仅占8.0%。森林覆盖率达65%,居全国省会城市第一。2005年以来,杭州市委市政府先后编制实施了《杭州生态市建设规划》《杭州市生态文明建设规划(2010—2020)》《杭州市环境功能区划》等系列规划,形成了生态市—生态县—生态乡镇—生态村4级生态规划体系。杭州通过实施以西部山区和千岛湖湿地为重点的生态屏障保护工程,以及城区6条生态带保护和修复,形成形态完备、功能完善、质量完美的生态格局。现在,杭州已拥有两个世界自然文化遗产(西湖和大运河)、两个国家级自然保护区和9个国家森林公园。基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估图1 杭州市行政区划图Fig.1 Administrative division map of Hangzhou1.2 数据来源本研究所需的各种相关基础数据以及专题数据(表1)。表1 研究数据列表Tab.1 Data list in the research基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估本研究使用的土地利用数据来源于国家地理信息中心提供的全球30 m地表覆盖数据(GlobeLand30)。该产品将全球地表覆盖分为耕地、森林、草地、灌木地、湿地、水体、苔原、城镇建设用地、贫瘠地、冰川和永久积雪等10类。研究区2000年和2010年两个时期的潜在蒸散发(PET)数据来源于美国国家航空航天局(NASA)的Earthdata中心,该数据的空间分辨率为1km,时间分辨率为一年。气象数据来源于中国气象数据网,包括浙江省杭州市境内杭州、萧山、临安、富阳、桐庐、淳安和建德共7个气象站点2000年、2010年两期的降水量年平均降水观测值。土壤深度和植被可利用水含量数据均来源于寒区旱区科学数据中心提供的基于世界土壤数据库(Harmonized World Soil Database,HWSD)(v1.1)的中国土壤数据集。2 研究内容与方法2.1 研究内容为定量研究杭州市生态系统服务的空间分布特征,本文采用基于InVEST模型和GIS技术的生态系统服务估算方法,构建杭州市生态系统服务评估模型,并利用该模型估算结果,分析城乡差异下生态系统服务分布特征。杭州市生态系统服务评估模型的构建(图2)包括3个部分:①数据预处理,得到研究区2000年和2010年的土地利用/覆盖数据、气象数据、土壤数据及蒸散发等多源数据。②基于InVEST模型的生态系统服务估算结果分析,运用InVEST模型的Carbon模块、Water Yield模块,对研究区内2000年、 2010年的碳储量和产水量进行估算;区域气候调节采用基于地表热辐射的计算方法,对估算结果进行可视化表达。③考虑城乡差异的生态系统服务分析,综合考虑人口密度、人均GDP和城镇建设用地3个要素,利用GIS空间叠加分析功能将杭州市划分为城镇、郊区、乡村3级,进一步对碳储量和水资源供给服务的空间分布特征进行分析。基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估图2 杭州市生态系统服务评估研究流程图Fig.2 The ?owchart of evaluating ecosystem services in Hangzhou2.2 研究方法2.2.1 基于InVEST模型的碳储量估算方法陆地生态系统中的碳储存主要来自地上、地下、土壤、死亡有机质4大基本碳库。InVEST模型中的Carbon模块使用土地利用/覆盖(LUCC)、木材砍伐速率数据,产品衰减速率,4大基本碳库估算在景观中当前存储的碳、预测未来可能存储的碳以及研究时间段内碳的固定或释放量。Carbon模块中碳储量计算方法如下:基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估式中,C为总碳储量(t/km2)、Cabove为地上碳储量、 Cbelow为地下碳储量、Cdead为死亡有机质碳储量、Csoil为土壤碳储量。模型运行所需数据主要包括土地利用/覆盖(LUCC)图和碳库表(表2)。土地利用/覆盖(LUCC)图为全球30m地表覆盖数据(GlobeLand30)产品;InVEST模型为使用者提供了一个基于IPCC 2006温室气体排放清单的碳库表,经过整理归并为本文所用。表2 不同土地利用/覆盖类型碳密度表Tab.2 Carbon density table of different land use / cover types基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估2.2.2 基于InVEST模型的产水量估算方法本文从广义角度研究水资源供给服务,并采用InVEST模型的产水量模块。InVEST模型中的产水量计算基于一个简化的、基于水量平衡的水文循环模型,它不对地表水、地下水、基流进行细化区分,每个栅格单元的水资源供给量通过降雨量减去实际蒸散发后的水量计算而得。产水量越多,水资源供给服务就越多。InVEST模型的产水估算是建立在Budyko水热平衡假设和年均降水量的基础上。不同土地利用类型栅格单元年产水量Y(x)的计算如下:基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估2.2.3 基于地表热辐射的区域气候调节估算方法区域气候调节是城市生态系统的一项重要服务。对其调节能力进行评估的最佳指标为该区域范围内的气温空间分布图,分别表明城市核心区和郊区或农村地区的气温差异。考虑到评估气温方法的可操作性、时间成本、人力成本以及数据精度等因素,通常用地面温度代替。这里,我们使用了地表热辐射指标,地表热辐射表征地表所排放的总能量。地表排放源于陆地卫星遥感数据。通过创建一个查找表,将土地覆盖类别与地表热辐射联系起来。每种土地覆盖类型的热辐射指数由森林的热辐射标准化,因此森林的热辐射指数等于1,见公式(6):基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估式中,EI[i]为第i种土地覆盖类型的热辐射指数;e[i]为第i种土地覆盖类型的地表热辐射值;e[forest]为森林的地表热辐射值。对于地表热排放,利用Landsat7 ETM卫星(Band 6,空间分辨率为60m×60m)提供的于2002年8月20日上午10:30左右收集免费遥感数据。这些指数的计算是在不校正现场变化或大气影响的情况下直接使用Band 6的辐射率原始数据。通过运用公式(6)计算得到不同土地覆盖类型热辐射指数并建立相关查找表,地表热辐射指数的任何不确定性均由各土地覆盖类别的排放量的平均值+/-1标准差解释,且低于5%(表3)。表3 不同土地覆盖层的热辐射率和相应指标对照表Tab.3 Thermal emissivity and corresponding indicators in different land covers基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估3 结果与分析3.1 杭州市生态系统服务估算结果分析基于两期土地利用/覆盖(LUCC)数据,运用InVEST模型Carbon模块,得到杭州市2000、2010年碳储存总量分别为295 054.43t、296 546.92t。研究区碳储量的计算结果如图3所示。从两个时相的计算结果均可以发现杭州市地区碳储量的高值在杭州市山区境内,这是由于山区内植被茂密,森林覆盖率高,碳密度很高。此外,由于土地肥沃,土壤有机碳含量高,在评估结果中也呈高值。从变化量来看,大部分区域碳储量基本没变,桐庐县城中心、余杭区东部、萧山区西南部均有增高,这是由于杭州市土地利用变化引起的,从2000年到2010年,这些区域的城市扩张明显,耕地、坑塘等转变为城镇建设用地,而城镇建设用地的碳密度值较之更高导致。碳储量减少的区域较少且分布较分散,多由于土壤肥力下降、植被生长环境遭到破坏,导致土地利用类型由耕地、草地等转变为贫瘠地。其中变化量的最大值、最小值均分布在边界上,因边界处数据采集误差导致。基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估图3 杭州市碳储量服务估算结果图Fig.3 Estimation results of carbon storage service in Hangzhou输入预处理好的数据,运行InVEST模型,计算研究区范围内的产水量,得到结果(图4)。基于InVEST模型分别估算了杭州市2000年、2010年不同时期年产水量,产水总量分别为21000000m3和19000000m3,栅格平均值分别为939.55mm和865.12mm。由图4看出,产水量较高的区域多分布在城市建成区。这是因为降雨到达地面后,在地表产生径流,而地表状况复杂且土壤含水率也不尽相同,造成不同地块的径流系数不同,产水量也就不同了。城市建成区多为不透水面,径流系数普遍较大,产水量自然就高了。由于杭州市大部分区域2010年的降水量较2000年减少,而潜在蒸散发量较2000年增加,导致这些区域2010年的产水量比2000年少。杭州市区产水量随城市规模的扩大而增加。另外,杭州市的千岛湖地区产水量也有一定程度的增加,主要是当地2010年降水量比2000年多,自然环境保护状况较好,潜在蒸散发量变化不大。但由于杭州市产水总增加量小于其他产水量减少区域的总减少量,导致全市产水总量呈减少趋势。基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估图4 杭州市水资源供给服务估算结果图Fig.4 Estimation results of water resources supply service inHangzhou由于区域气候调节的指标值是基于土地覆盖数据运用相关公式计算得到的,所以其指数的空间分布与土地覆盖的空间格局密切相关。表3中城镇建设用地的指数最大为5,水体、林地的相关指数分别为-1、-2,可以得到图5的结果。由于杭州市林地面积占比达61.24%,所以研究区大部分区域气候调节能力值为-2。3.2 城乡差异的生态系统服务分析近年来,随着地方人才引进、招商引资等政策的落实,G20及第十一届金融峰会等国际性、全国性会议的召开,为杭州市注入鲜活血液的同时,也让世界认识到了杭州市作为我国经济大都市的蓬勃生机与快速发展的动力。然而,为了城市的稳步、可持续发展,城乡差异、区域差异问题是不可避免要考虑并制定出具体实施方案努力缩小的。城乡差异、区域差异不仅体现在经济发展上,也体现在自然资源的拥有量、利用率,生态环境质量,生态系统服务功能等多方面。而这些也影响着一个区域、一个城市的全面发展。因此对杭州市进行子区域的生态审计研究是必要的。基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估图5 杭州市区域气候调节服务估算结果图Fig.5 Estimation results of regional climate regulation services in HangzhouDagmar Haase等在其相关研究中考虑人口密度和建筑密度两个指标将Leipzig-Halle区划分为高密集建筑区域的城市部分、内部城市周边地区、外围城市地区、其他地区4个等级。本研究中子研究区划分考虑因素包括人口密度、地均GDP、城镇建筑用地3个因素,将杭州市分为:城镇、郊区、乡村3个等级,具体界定范围(表4)。表4 人口密度、地均GDP阈值设定表Tab.4 Thresholds setting of population density and per capita GDP基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估最后叠加2010年的城镇建设用地范围,并进行区域综合、简化处理后得到城镇、郊区、乡村三级子区域范围(图6)。基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估图6 城镇、郊区、乡村三级子研究区划分图Fig.6 Division map of three levels study area: urban area,suburban area and rural area将整个杭州市基于人口密度、地均GDP和城镇建筑用地3个要素划分为城镇、郊区、乡村三级,分别统计2000年、2010年碳储量和产水量分布(表5)。可以看出:碳储量服务在城镇和郊区的分布2010年较2000年相比有增加的趋势,主要是由于城镇和郊区的城市扩张,耕地、坑塘等转变为城镇建设用地引起的,且城镇、郊区、乡村呈现出明显的分布不均,这主要是因为城市区域多为人工建筑物等不透水面占多数,草地、林木等植被较少;水资源供给服务的总量在城镇、郊区、乡村三级里均呈减少趋势,特别是在乡村一级减少较多。表5 碳储量分区统计表Tab.5 Statistics of carbon storages基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估使用每个子区域的平均值对该研究区城镇、郊区和农村进行分析,假设2000年的评估值为100%,则评估值大于105%意味着生态系统服务供应量与2000年相比有所增加,该区域的生态系统服务有所改善评估值小于95%意味着相应减少(表6)。由于区域气候调节是指标统计量,并不能做累积平均计算,这里取指标数大于0的比例做比较分析。可以看出:郊区的碳储量平均值增加量超过5%,而水资源供给减少量超过5%;城镇则表现为碳储量增加超过5%,水资源供给减少量不足5%;乡村水资源供给减少超过5%,碳储量减少小于5%。伴随着同时期的区域气候调节基本不变,不难推测出碳储量与水资源供给之间存在着某种相关关系。表6 城镇、郊区、乡村的各生态系统服务变化表Tab.6 Changes of ecosystem services in urban area, suburban area and rural area基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估注: ↑表示2010年的计算值大于105%, ←→表示2010年的计算值变化量小于±5%,↓表示2010年的计算值小于95%。4 结束语本文综合考虑前人对生态系统服务功能的总结,采用InVEST模型和基于地表热辐射的计算方法,结合杭州市的实际情况,对杭州市的碳储量、水资源供给、区域气候调节3种生态系统服务进行了定量评估,并考虑了城乡差异因素,进一步分析了碳储量和水资源供给服务在城镇、郊区、乡村的空间分布特征。研究表明:1)杭州市2000、2010年碳储存总量分别为295054.43t、296546.92t;产水总量分别为21000000m3和19000000m3,栅格平均值分别为939.55mm和865.12mm;区域气候调节能力的变化基本随着土地覆盖变化而变化。2)杭州市碳储量总量在2010年比2000年有所增多,而水资源供给的指标产水量相反。碳储量的增多主要是由于城市扩张,耕地、坑塘等转变为城镇建设用地引起的,产水量的增多集中在市区和千岛湖地区,但是由于杭州市大部分区域2010年的降水量较2000年减少,而潜在蒸散发量较2000年增加,总增加量小于其他产水量减少区域的总减少量,导致全市产水量总量呈减少趋势。3)综合考虑人口密度、人均GDP、城镇建设用地3个要素将杭州市划分为城镇、郊区、乡村三级,分析可得,碳储量服务在城镇和郊区的分布2010年较2000年相比有增加的趋势,平均值增加量超过5%;水资源供给服务的总量在城镇、郊区、乡村三级里均呈减少趋势,特别是在乡村一级减少较多。碳储量和水资源供给两种生态系统服务在城镇、郊区、乡村均呈现出明显的分布不均。与国内外相关研究成果相比,本研究的不足之处有:首先是数据精度问题,本研究中的多种生态系统服务的估算是基于土地利用/覆盖数据,虽然该数据的平均分类精度在83.51%,但由于后续的各种指标值均是划分到在1km格网上,并在此基础上完成多种分析,因此数据精度直接影响到研究结果的准确性。再次,分析的全面性问题,本研究仅从碳储量、水资源供给和区域气候调节服务3个方面展开,生态系统服务框架中包括供给服务、调节服务、文化服务共17种,在以后数据的可获取性和模型方法的成熟度得到改善的前提下还可以对区域生态系统服务进行更加准确的评估与分析。作者简介:张明珠(1994—),女,安徽六安人,地理学专业,硕士研究生,主要研究方向为空间数据处理与分析、城市环境与城市生态。E-mail:orientzhu_911@163.com基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估本期回顾基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估《地理信息世界》2021年2期速览·《地理信息世界》2021年2期速览地理信息科学一流本科专业建设·新时代GIS高等教育的改革和探索·地理信息科学一流人才培养的探索与实践·“我眼中的地图”开放式问题分析·地理大数据背景下空间分析课程教学改革探索·农业院校遥感原理课程教学改革探讨·疫情防控下全国大学生专业技能竞赛的改革创新 ——以地理信息 科学专业为例理论研究·武汉市汉剧剧场的时空分布特征分析·中国城市建设用地扩展模式与PM2.5关系探究·城市群飞地型斑块空间活力对比 ——以中国三大城市群为例·基于无人机巡检倾斜影像的绝缘子爆片自动检测方法·基于参数约束的隧道断面抗差拟合研究基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估基于InVEST模型的杭州市生态系统服务评估
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