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GEOGRAPHICAL RESEARCH >

2016 , Vol. 35 >Issue 4: 664 - 676

DOI: https://doi.org/10.11821/dlyj201604006

Articles

Spatial and temporal changes of water conservation of Loess Plateau in northern Shaanxi province by InVEST model

  • BAO Yubin , 1 ,
  • LI Ting 2 ,
  • LIU Hui 1 ,
  • MA Tao 1 ,
  • WANG Huaixiang 1 ,
  • LIU Kang 3 ,
  • SHEN Xi 1 ,
  • LIU Xinhao 4
Expand
  • 1. Ningxia Branch, Beijing Huafan Technology Group Co., Ltd., Yinchuan 750004, China
  • 2. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, CAS, Beijing 100085, China
  • 3. College of Urban and Environmental Science, Northwest University, Xi'an 710127, China
  • 4. Ningxia Academy of Environmental Sciences Ltd., Yinchuan 750004, China

Received date: 2015-09-11

  Request revised date: 2016-01-16

  Online published: 2016-04-20

Copyright

《地理研究》编辑部
Fold

Abstract

The research on the assessment of ecosystem services is the hot spot and focus in global researches of ecology, geography, and exerted a profound influence on significantly regional ecosystem management, sustainable development and human welfare. We chose the InVEST model, a tradeoff model of regional development and ecosystem management, which provides a quantitative, scientific, dynamic assessment methods for regional water retention. Under the background of the project of Returning Farmland to Forestland, the influence of the land cover changes on the water retention was calculated quantitatively. The main conclusions are as follows: (1) The area of grass, scrub, woodland and towns increased by 3204 km2, 285.3 km2, 122.7 km2 and 450.4 km2, respectively in the Loess Plateau of northern Shaanxi from 2000 to 2010. By contrast, farmland, deserts and wetlands were reduced by 3984.5 km2, 72.7 km2 and 5.2 km2, respectively. (2) Water retention of the research area displayed a decreasing tendency in the 10 years, which has a remarkable reduction of 25 m3/hm2-40 m3/hm2 in the central part of the study area invloving the southwest of Wuding River basin, the upper reaches of Yanhe River and Qingjian River. Part of the central region has a more significant reduction exceeding 40 m3/hm2. And the reduction of other basins in this area was below 25 m3/hm2. (3) On the basis of these studies, the importance level of water conservation capacity in 2010 of the study area has been classified , and the total area of the water retention in highly important area and vital important area reached 32255.1 km2 with a proportion of 40.5%. (4) The assessment of water conservation function and the five partitions of importance level not only provides a reference for the effective management of ecosystems and is of great help to developing planning decisions in a scientific and rational perspective.

Key words： water retention function; land cover changes; InVEST model; Loess Plateau of Shaanxi

Cite this article

BAO Yubin , LI Ting , LIU Hui , MA Tao , WANG Huaixiang , LIU Kang , SHEN Xi , LIU Xinhao . Spatial and temporal changes of water conservation of Loess Plateau in northern Shaanxi province by InVEST model[J]. GEOGRAPHICAL RESEARCH, 2016 , 35(4) : 664 -676 . DOI: 10.11821/dlyj201604006

1 引言

自2005年千年生态系统评估（Millennium Ecosystem Assessment,MA）报告发表以来,国内外围绕生态系统服务研究的文献数量大幅增加、内容更加广泛和深入,对于直接关乎到人类福祉与健康的生态系统服务的认识也更加深刻[1]。据MA2005年发表的结果,全球范围有60%的生态系统服务仍在退化[1]。因此,开展生态系统服务的量化评估并进行空间重要性分区以实现生态系统的有效管理和保护对保障区域可持续发展和人类福祉意义重大,其目的就是要权衡好人类发展与自然资源管理之间的关系[2-4]。
InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）模型由斯坦福大学、大自然保护协会、世界自然基金会和其他相关机构共同开发。模型能够基于不同情景（如在不同土地利用情景下）对生态系统服务及其价值变化进行很好地分析和评估,模型的陆地生态系统服务评估包括土壤保持、水源涵养、碳储量和生物多样性评估四大模块,能够全面权衡区域的生态系统服务状况;模型能够通过空间参数的输入和结果的空间化表达使生态系统服务的重要区域易于识别,从而使区域经济社会发展与自然资源保护的权衡更加科学,政策、决策的制定更加科学有效[5,6]。
目前,InVEST模型在国外的应用较为成熟。Mansoor 等[7-9]利用InVEST模型分别对西非国家加纳和科特迪瓦、美国俄勒冈州的威拉米特河流域、西班牙东北部Francolí流域的产水量进行了评估,并得到了成功的应用。此外,众多中国学者[10,11,5,12-16]利用InVEST模型分别对台湾中部地区、黄土高原地区、白洋淀流域、汶川地震灾区、三江源地区、浙江西苕溪流域、北京山区、都江堰市的产水量或水源涵养及其空间分布特征进行了评价,模型均在各自研究区得到了较好的应用效果。
目前,国内对于生态系统服务方面的研究和文章很多,但对整个陕北黄土高原生态系统服务的研究为数不多且评估显单一、时序较早。任志远等[17]基于GIS对陕北黄土高原1978-2000年间的水源涵养及其价值进行了评估,结果显示水源涵养在1978-1990年以年均1.39%递增,1990-2000年以年均0.68%递减。傅伯杰等[11]基于气候和土地利用变化情境下,利用InVEST模型对黄土高原1975-2008年水源涵养进行评估,结果显示陕北黄土高原水源涵养在1990-2008年呈下降趋势。陕北黄土高原境内地貌类型包括有风沙地貌、黄土梁、塬、峁及其复合地貌、黄土丘陵地貌、侵蚀残塬台塬等,其丰富多样的地貌类型单元构成不同的生态环境地域而成为整个黄土高原典型并具有代表性的区域,其亦是退耕还林还草实施最早的区域。因此,选择此研究区,在土地利用变化情境下进行水源涵养研究对揭示黄土高原生态系统服务变化规律具有较好的代表性和参考价值,也为这一区域科学合理推进退耕还林还草工程提供依据。

2 研究区概况

陕西黄土高原按行政区划分包括榆林市和延安市辖所有县区,铜川市、宜君县和耀县,咸阳市的长武县、彬县、旬邑县、永寿县和淳化县[17],地理坐标介于34°10′N~39°35′N,107°30′E~111°15′E。本文研究的陕北黄土高原区仅为延安市和榆林市辖全部区域,如图1所示。研究区总面积为79981.9 km2,占全部黄土高原总面积的12.6%。是整个陕西黄土高原总面积的89.5%,陕西省国土面积的38.9%。境内海拔在1000~1600 m之间,年均降水量在400~600 mm之间,降水空间分布由东南向西北逐渐减少,区域蒸发量变化在1000 mm左右,蒸发强度较大[18]。
Fig. 1 Location of the study area

图1 研究区位置

3 InVEST水源涵养模型

3.1 评估方法

InVEST水源涵养模型根据水循环原理,通过降水、植物蒸腾、地表蒸发、根系深度和土壤深度等参数计算获得产水量,再用地形指数、土壤饱和导水率和流速系数对产水量进行修正获得水源涵养量,具体计算方法为：
Re tention = min 1 , 249 Velocity × min 1 , 0.9 × TI 3 × min 1 , Ksat 300 × Yield （1）
式中：Retention为水源涵养量（mm）;Ksat为土壤饱和导水率（cm/d）,利用NeuroTheta软件计算得出;Velocity为流速系数;TI为地形指数,无量纲,根据式（2）计算;Yield为产水量,通过式（3）计算。
TI = lg Drainage _ Area Soil _ Dept h × Percent _ Slope （2）
式中：Drainage_Area为集水区栅格数量,无量纲;Soil_Depth为土壤深度（mm）;Percent_Slope为百分比坡度。
Y jx = 1 - AE T xj P x × P x （3）
式中：Yjx为年产水量;Px为栅格单元x的年均降雨量;AETxj为土地利用类型j上栅格单元x的年平均蒸散发量,通过式（4）计算。
AE T xj P x = 1 + ω x R xj 1 + ω x R xj + 1 / R xj （4）
式中：Rxj为土地利用类型j上栅格单元x的干燥指数,无量纲,表示潜在蒸发量与降雨量的比值,由式（5）计算;ωx为修正植被年可利用水量与降水量的比值,无量纲。
R xj = k × E T 0 P x ， k = min ( 1 , LAI 3 ) （5）
式中：k（或ETk）为植被系数,由植被叶面积指数LAI计算获得;潜在蒸散发量ET0,单位为mm/d,是指假设平坦地面被特定矮杆绿色植物全部遮蔽,同时土壤保持充分湿润情况下的蒸散量,计算公式为：
E T 0 = 0.0013 × 0.408 × RA × ( T avg + 17 ) × ( TD - 0.0123 P ) 0.76 （6）
式中：RA太阳大气顶层辐射（MJ ⋅ m-2 ⋅ d-1）;Tagv是日最高温均值和日最低温均值的平均值（℃）;TD是日最高温均值和日最低温均值的差值（℃）。
ω x = Z AW C x P x （7）
式中：Z为zhang系数,是表征降水季节性特征的一个常数,其值在1~10之间,降水主要集中在冬季时,其值接近于10,降水主要集中在夏季或季节分布较均匀时,其值接近于1,研究区据模型测试经验取默认值;AWCx为植被有效可利用水,计算公式为：
AW C x = min （ max Soil Dept h x , Root Dept h x ） × PWA C x （8）
式中： max Soil Dept h x 为最大土壤深度; Root Dept h x 为根系深度;PAWCx为植被可利用水,利用土壤质地的计算公式如下：
PAW C x = 54.509 - 0.132 sand - 0.003 ( sand ) 2 - 0.055 silt - 0.006 ( silt ) 2 - 0.738 clay + 0.007 ( clay ) 2 - 2.688 OM + 0.501 ( OM ) 2 （9）
式中：sand为土壤砂粒含量（%）;silt为土壤粉粒含量（%）;clay为土壤粘粒含量（%）;OM为土壤有机质含量（%）。

3.2 数据来源与参数处理

本文的数据来源如表1所示,通过对获取的原始数据进行计算和处理得到为模型所输入的空间参数（图2）和参数表（表2）。
Tab. 1 InVEST data needs and data sources

表1 模型参数获取及说明

数据 来源
土地利用/覆被 《全国生态十年变化遥感调查与评估项目》
降水量 陕西及周边56个气象站多年平均降水量反距离平方加权法插值
潜在蒸散量 《全国生态十年变化遥感调查与评估项目》
土壤深度 郭兆元编《陕西土壤》和《陕西省第二次土壤普查数据集》[19,20]
根系深度及流速系数 根据植被覆盖类型查阅相关文献[12,16,20]
植物可利用水含量 利用土壤质地计算获得[19]
蒸散系数 根据叶面积指数计算
土壤饱和导水率 根据NeuroTheta软件计算获得
DEM DEM（30 m×30 m）
Fig. 2 The spatial distribution of InVEST model parameters

图2 水源涵养模型空间参数

Tab. 2 Input files for the water yield module

表2 水源涵养模型参数表

Ⅰ级 Ⅱ级 III级 Root_depth (mm) Vel_coef
森林 阔叶林 落叶阔叶林 3000 180
针叶林 常绿针叶林 3000 200
针阔混交林 针阔混交林 3000 200
灌丛 阔叶灌丛 落叶阔叶灌木林 2000 249
稀疏灌丛 稀疏灌木林 1500 400
草地 草地 草原 500 500
草丛 500 400
稀疏草地 500 600
湿地 沼泽 草本沼泽 300 900
湖泊 湖泊 1 2012
水库/坑塘 1 2012
河流 河流 1 2012
运河/水渠 1 2012
农田 耕地 水田 300 900
旱地 400 800
园地 乔木园地 3000 400
城镇 居住地 居住地 1 2012
城市绿地 乔木绿地 3000 400
草本绿地 500 600
工矿交通 工业用地 1 2012
交通用地 1 2012
采矿场 1 2012
荒漠 荒漠 沙漠/沙地 1 200
裸土 1 1500
盐碱地 1 1500

4 结果分析

4.1 土地利用/覆被变化分析

研究区草地的面积和比例最大,其次为农田,再次为灌丛和林地,而湿地、荒漠和城镇的面积较小,如表3所示。2000-2010年,草地、林地、灌丛及城镇的面积均有不同程度的增加,其中草地面积和比例分别增加了3204 km2和4.01%,增幅最大;城镇面积和比例分别增加了450.4 km2和0.56%;灌丛和林地的面积均在2000-2005年间增幅较大,2005-2010年间略微增加,面积分别增加了285.3 km2和122.7 km2,比例分别增加了0.36%和0.15%。2000-2010年,农田、荒漠和湿地的面积均有不同程度的减小,其中,农田面积持续减少,且在2000-2005年间尤为显著,其面积和比例分别减少了3984.5 km2和4.98%;荒漠面积和比例分别减少了72.7 km2和0.09%;湿地面积和比例略微减少,分别减少了5.2 km2和0.01%。从以上数据变化可以得出,2000-2010年研究区退耕还林还草工程成效显著,农田面积明显下降,而草地面积大幅增加且林地和灌丛也在缓慢增加。
Tab. 3 The land use changes in different years

表3 不同年份各土利用地类型面积与比例及其变化

土地利用
类型		 2000年 2005年 2010年 2000-2010年变化值
面积（km2） 比例（%） 面积（km2） 比例（%） 面积（km2） 比例（%） 面积（km2） 比例（%）
林地 6812.3 8.52 6929.9 8.67 6935.0 8.67 122.7 0.15
灌丛 9995.8 12.50 10254.0 12.82 10281.0 12.86 285.2 0.36
草地 40116.2 50.16 42795.5 53.51 43320.2 54.17 3204.0 4.01
湿地 306.3 0.38 292.0 0.37 301.1 0.38 -5.2 -0.01
农田 19979.7 24.98 16770.2 20.97 15995.2 20.00 -3984.5 -4.98
城镇 461.1 0.58 660.8 0.83 911.5 1.14 450.4 0.56
荒漠 2303.3 2.88 2272.3 2.84 2230.6 2.79 -72.7 -0.09
图3为研究区土地利用/覆被变化的空间分布状况,从中看出2000-2005年研究区农田面积减少显著,主要分布在延安市中东部和榆林市东部区域,其面积减少的区域被以草地为主的林灌草地所取代;2005-2010年农田面积继续减少,而以草地为主的林灌草地面积继续增加,但变化区域向延安市和榆林市东部黄河干流区推进。2000-2010年,陕北黄土高原中东部和东北部区域农田大面积退耕被以草地为主的林灌草地所取代,土地利用/覆被分布格局变化较大。此外,从图3可以明显看出,榆阳区、神木县及府谷县周边城镇用地大面积增加,因此,10年间这一地区人类活动强度增大,生态环境的稳定性面临更大威胁。
Fig. 3 Spatial distribution of land covers during 2000-2010

图3 2000-2010年研究区土地利用/覆被变化空间分布

4.2 水源涵养功能评估

4.2.1 水源涵养量变化分析 研究区各流域平均水源涵养量均呈现历年下降趋势,至2010年平均水源涵养量在200 m3/hm2以上的为秃尾河流域、云岩河流域和黄河干流区;平均水源涵养量在150 m3/hm2以下的为蒙陕支流区、泾河流域和鄂尔多斯内流区;其他各流域均在150 m3/hm2~200 m3/hm2之间,如图4所示。2000-2010年,平均水源涵养量减少量在15 m3/hm2以上的区域包括清涧河流域、窟野河流域、泾河流域、延河流域、无定河流域和佳芦河流域,其中清涧河流域减少量最大,达31 m3/hm2;其他各流域减少量均小于15 m3/hm2,鄂尔多斯内流区减少量最小为4.5 m3/hm2。
Fig. 4 Average water retention changes of each watershed in the study area

图4 研究区各流域平均水源涵养量及其变化

研究区各流域水源涵养总量亦呈下降趋势（图5）。2010年,水源涵养总量在3亿m3以上的为无定河流域和北洛河流域;水源涵养总量在1~3亿m3的为延河流域和秃尾河流域;水源涵养总量在0.5亿m3~1亿m3的为清涧河流域、黄河干流区、窟野河流域;其他各流域水源涵养总量均小于0.5亿m3,泾河流域水源涵养总量最小,为0.15亿m3。
Fig. 5 Total water retention changes of each watershed

图5 研究区各流域水源涵养总量及其变化

各流域水源涵养总量10年间均有不同程度减少,减少量在0.1亿m3以上的为无定河流域、北洛河流域、清涧河流域和延河流域,其中无定河流域减少量最大,达0.36亿m3。其他各流域减少量均在0.1 亿m3以下,减少量最小的为泾河流域,为0.03亿m3。
4.2.2 水源涵养空间分布变化分析 2000-2005年仅有长城沿线以西部分区域和黄河干流部分区域水源涵养量有0~10 m3/hm2的增加外,其他区域均有不同程度的减少,尤为明显的为研究区中部,包括无定河和延河上游、清涧河大部分区域,水源涵养减少量在25 m3/hm2~40 m3/hm2,局部区域达到40 m3/hm2以上,其他各流域减少量在0~25 m3/hm2之间不等,如图6所示。2005-2010年间水源涵养量增加的区域有所扩大,但增加量在0~10 m3/hm2之间,幅度较小,主要分布在研究区南部、长城沿线以西和黄河干流区;除上述区域以外,其他各流域仍有0~10 m3/hm2不等的减少。
Fig. 6 Changes in the pattern and spatial distribution of water conservation

图6 研究区水源涵养变化格局空间分布

2000-2010年,研究区水源涵养局部有所增加,但整体以减少为主。其中,研究区中部减少尤为显著,包括无定河和延河上游、清涧河大部分区域,水源涵养减少量在25 m3/hm2~40 m3/hm2,局部区域达到40 m3/hm2以上,其他各流域水源涵养减少量大部分在10 m3/hm2~25 m3/hm2之间不等。仅有长城沿线以西和黄河干流区及北洛河下游局部区域有0~10 m3/hm2（局部区域在10 m3/hm2以上）的增加。
由图6与图3的对比可以看出,研究区水源涵养量减少最大的区域和林灌草地增加的区域基本一致,说明退耕还林还草工程使研究区植被覆盖变好的同时加大了植被恢复区域的地面蒸散发量,植被的生态需水量增加,对涵养水量的损耗加大。因此,退耕还林还草对这一区域的水源涵养量产生较大影响。

4.3 水源涵养功能重要性空间分区

对研究区水源涵养功能进行重要性分级和空间分区以找出需要优先和重点保护的区域。本文水源涵养功能重要性分级根据《国家生态保护红线—生态功能红线划定技术指南（试行）》的分级分类方法,在ArcGIS软件中采用Quantile（分位数）分类方法进行5级分类。按水源涵养功能相对值由低到高依次分为5个重要性等级,即一般重要、较重要、中度重要、高度重要、极重要（表4）。根据重要性分级评价结果,将极重要区和高度重要区划定为水源涵养功能重要区。
Tab. 4 The classification standard of water conservation capacity

表4 水源涵养功能分级标准

重要性分级 一般重要 较重要 中等重要 高度重要 极重要
水源涵养量（m3⋅hm-2⋅a-1） 0~115 115~145 145~175 175~215 >215
本部分主要针对2010年水源涵养功能进行重要性分级。由图7和图8可知,研究区水源涵养一般重要区所占面积和比例最大,面积为18532.9 km2,比例为23.2%。水源涵养一般重要区主要分布在无定河中游、鄂尔多斯内流区、北洛河上游和下游西部区域。水源涵养较重要区的面积为13321.7 km2,所占比例为16.7%,比例相对较小。水源涵养较重要区紧围一般重要区分布,此外,蒙陕支流区和窟野河流域有一定面积分布。水源涵养中度重要区的面积为15601.9 km2,比例为19.6%。中度重要区主要分布在延河和清涧河上游,无定河下游区域。水源涵养高度重要区和极重要区的总面积为32255.1 km2,所占比例为40.5%。主要分布在无定河上游风沙草滩区、秃尾河流域、清涧河和延河下游、云岩河流域、宜川河流域及北洛河下游区域、黄河干流区域。上述水源涵养高度重要区和极重要区作为陕北黄土高原水源涵养的重要生态区,这些区域或降水较为丰富、地表水系较发达、植被覆盖较好,或因沙地覆盖具有较好的导水性能和调蓄降水能力,区域涵养水分能力较强。为使研究区实现健康可持续发展,高度重要区和极重要区需要作为重点和优先保护的区域而纳入政策和管理决策当中。
Fig. 7 The area and percentage of importance level of water conservation capacity

图7 水源涵养重要性分级面积及百分比

Fig. 8 The spatial distribution of importance level of water conservation capacity

图8 水源涵养重要性分级空间分布

5 结论

（1）2000-2010年,陕北黄土高原的土地利用/覆被变化明显,退耕还林还草的成效显著,草地、灌丛和林地的面积分别增加了3204 km2、285.3 km2和122.7 km2,农田减少了3984.5 km2。退耕还林还草有效阻止了人类活动对生态系统的破坏,生态系统的逐步恢复有利于实现区域的可持续发展,为当地提供更大福祉。
（2）2000-2010年,研究区水源涵养量整体有所减少,其中部区域减少尤为显著,减少量在25 m3/hm2~40 m3/hm2,局部区域在40 m3/hm2以上。本文研究结果与傅伯杰等[11,17]对此区域水源涵养的研究结果一致,其水源涵养减少的区域亦是土地利用/覆被发生显著变化的区域,说明退耕还林还草带来生态系统恢复的同时使区域的水源涵养量有所减少。因此,遵寻生态系统的演替规律和了解生态系统的演化机制的基础上,科学合理的选择树种和乡土化植被进行人为干预和协助生态系统演化进程,可有效避免盲目退耕还林还草带来的部分生态系统服务的损失。
（3）通过水源涵养重要性分级和空间分区,高度重要区和极重要区的总面积为32255.1 km2,所占比例为40.5%,主要分布在黄河干流区、榆林地区以西风沙区,延安市黄龙山地区和子午岭地区。这些区域作为研究区社会经济发展的重要水源涵养服务区,将为研究区实现可持续发展提供重要的水源保障,为人类提供更多福祉的重要生态保护区,需得到足够重视和优先保护。

The authors have declared that no competing interests exist.

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欧阳志云, 朱春全, 杨广斌, 等. 生态系统生产总值核算:概念、核算方法与案例研究. 生态学报, 2013, 33(21): 6747-6761. [Ouyang Zhiyun, Zhu Chunquan, Yang Guangbin, et al. Gross ecosystem product: Concept, accounting framework and case study. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(21): 6747-6761.]生态系统产品与服务功能是人类生存与发展的基础。生态系统生产总值（GEP）可以定义为生态系统为人类福祉和经济社会可持续发展提供的产品与服务价值的总和，包括生产系统产品价值、生态调节服务价值和生态文化服务价值。生态系统生产总值核算的基本任务有3个，即核算生态系统产品与服务的功能量、确定生态系统产品与服务的价格、核算生态系统产品与服务的价值量。生态系统生产总值核算可以用于揭示生态系统为经济社会发展和人类福祉的贡献，分析区域之间的生态关联，评估生态保护成效和效益。以贵州省为例，探讨了生态系统生产总值核算的应用方法，评价了贵州省生态系统为贵州和其他地区人们福祉和支撑经济社会发展所提供的产品和服务及其经济价值总和。评价结果显示，贵州省2010年全省生态系统生产总价值为20013.46亿元，人均GEP 57526元，是当年该省国民生产总值和人均GDP的4.3倍。研究表明，生态系统生产总值的核算可以反映生态系统对经济社会发展的支撑作用，并为建立生态系统保护效益与成效的考核机制提供基础。

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白杨, 郑华, 庄长伟, 等. 白洋淀流域生态系统服务评估及其调控. 生态学报, 2013, 33(3): 711-717.政策制定者在制定土地利用相关政策时需要权衡各方面的利益关系,协调资源保护和经济发展之间的关系。由于缺乏有效的评价与权衡办法,目前对这方面研究还较少。采用InVEST模型,评价了白洋淀流域7种服务功能指标,分析了其空间分布特征。通过情景(政策情景与保护情景)分析,较好的反映了农业直接经济收入与服务功能之间的关系。结果表明:生物多样性、水源涵养、土壤保持和固碳重要区域主要分布在流域西部、北部和流域中部山区;水质保护和授粉重要区域主要分布于流域东部、南部和中部平原区。政策情景下,产水量第二,农业产出有所下降,固碳能力较保护模式差,N/P输出最少。保护情景下产水量最大,农田产出价值不变,氮磷保持与政策情景差不多,但固碳效果最好。通过权衡不同情景下服务功能得失,筛选既不损害流域居民实际经济收入,又能使得水文服务功能得到提高的管理模式。研究表明InVEST模型可以很好的用于对自然资本评估和空间化特征分析,通过建立不同情景,评价结果可以用于权衡不同管理策略下服务功能得失,是一种评价和预测自然资本变化的有效方法,对政策制定和策略筛选具有重要的指导意义。

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[Bai Yang, Zheng Hua, Zhuang Changwei, et al.Ecosystem services valuation and its regulation in Baiyangdian baisn: Based on InVEST model. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(3): 711-717.]

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马凤娇, 刘金铜. 生态系统服务研究文献现状及不同研究方向评述. 生态学报, 2013, 33(19): 5963-5972.生态系统服务研究是生态学研究的前沿和热点。对生态系统服务文献发表情况和生态系统服务主要研究方向进行阐述分析。(1)通过Thomson Reuters公司ISI Web of knowledge 信息平台提供的Science Citation Index Expanded 数据库为数据源检索分析得到:生态系统服务研究从文献数量、作者、国家和机构上近年来都表现出陡增的趋势;最主要的研究国家为美国、英国、德国、澳大利亚和中国;涉及54 个学科,不同的国家侧重的研究领域不同;来自258 个期刊,55% 的文献集中在24 个主要期刊上,主要期刊平均影响因子5.976。(2)从生态系统服务评价方法、生态系统内部和生态系统外部驱动因素、基于生态系统服务的生态系统管理4个方面来评述生态系统服务的研究进展。其中生态系统内部驱动主要是指生物多样性和土地利用变化,生态系统外部驱动因素包括自然因素和人为活动。最后,对生态系统服务研究的发展做了展望。

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[Ma Fengjiao, Liu Jintong.A review of ecosystem services and research perspectives. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(19): 5963-5972.]

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Mansoor D K, Leha, M D, Matlocka E C, et al. Quantifying and mapping multiple ecosystem services change in West Africa. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2013, 165(1751): 6-18.Although ecosystem services have been identified to be declining over the previous decades, there is no clear methodology of evaluating the impacts of land use change on ecosystem services. This paper presents a methodology for quantifying and assessing changes in multiple ecosystems services as a result of land use change using the Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs (InVEST) model. The model was used to map and quantify biodiversity and four ecosystem services for Ghana and Cote d’Ivoire for 2000, 2005 and 2009 land use conditions: water yield, carbon storage, nutrient retention, and sediment retention. The study developed a suite of indices to analyze land use change impacts on the status, change and spatial patterns of multiple ecosystem services. On a national scale, the results show a mix of increases in service (water yield, N retention and P retention in Ghana, and, N and P retention in Cote d’Ivoire), little change in services (sediment retention in Ghana and sediment retention and water yield in Cote d’Ivoire) and decreases in services (biodiversity and carbon storage in both countries) from 2000 to 2009. The assessment illustrates a methodology that can be employed by land managers in exploring multiple management scenarios and their implications for multiple ecosystem services change.

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Nelson E, Mendoza G, Regetz J.Modeling multiple ecosystem services,biodiversity conservation, commodity production, and tradeoffs at landscape scales. Frontiers in Ecology and The Environment, 2009, 7(1): 4-11.Nature provides a wide range of benefits to people. There is increasing consensus about the importance of incorporating these "ecosystem services" into resource management decisions, but quantifying the levels and values of these services has proven difficult. We use a spatially explicit modeling tool, Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs (InVEST), to predict changes in ecos...

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Montse Marquèsa, Rubab Fatima Bangasha,Vikas Kumara.The impact of climate change on water provision under a low flowregime: A case study of the ecosystems services in the Francoliriver Basin. Journal of Hazardous Materials, 2013, 263: 224-232.

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Chiang Lichi, Lin Yupin, Huang Tao.Simulation of ecosystem service responses to multiple disturbances from an earthquake and several typhoons. Landscape and Urban Planning, 2014, 122(2): 41-55.Ongoing environmental disturbances (e.g., climate variation and anthropogenic activities) alter an ecosystem gradually over time. Sudden large disturbances (e.g., typhoons and earthquakes) can have a significant and immediate impact on landscapes and ecosystem services. This study explored how precipitation variation (PV) and land use/land cover (LULC) changes caused by multiple disturbances can cumulatively impact ecosystem functioning in the Chenyulan watershed in central Taiwan. We simulated four ecosystem services (water yield production, water purification, soil conservation, carbon storage) and biodiversity using the InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs) model to analyze the spatiotemporal changes and obtain information regarding changes in the ecosystem. Our results indicate that the Chi-Chi earthquake had the greatest impact on the ecosystem. Specifically, the ecosystem was altered by the earthquake and could no longer absorb disturbances of a similar magnitude as before the earthquake. By differentiating the impacts of the PV and LULC changes on ecosystem services and biodiversity, we observe that the PV had a stronger impact on water yield and soil conservation, whereas the LULC change had a stronger impact on water purification. Our results also suggest that a comprehensive ecosystem management plan should consider the cumulative and hierarchical context of disturbance regimes to prevent reductions in ecological variability and ecosystem resilience, particularly in areas that are more sensitive to large disturbances. In this way, ecosystem resilience may be maintained at a level sufficient to preserve ecosystem functioning and ecosystem services in the event of unexpected large-scale environmental disturbances.

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Su Changhong, Fu Bojie.Evolution of ecosystem services in the Chinese Loess Plateau under climatic and land use changes. Global and Planetary Change, 2013, 101(1): 119-128.Due to the lengthy historic land use by humans and the climate change characterized by warming and drying, the Loess Plateau has been plagued by ecosystem degradation for a long time. A series of ecological conservation projects launched since the 1970s altered the land use pattern greatly, and exerted a profound influence on the ecosystem services. Based on the Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs (InVEST) and Carnegie–Ames–Stanford Approach (CASA) models, we assessed the historical fluctuation of sediment control, water yield, and net primary production (NPP) in the Loess Plateau. The results showed that sediment retention was greatly consolidated indicated by the sharp decrease of sediment export. Water yield decreased at first and increased later. Both sediment export and water yield showed an increasing ‘spatial homogenization’ tendency during the period. NPP was steady between 1990 and 2000, and then increased greatly after 2000. Ecosystem services are interlinked closely and complexly. Correlation analyses indicated a positive relationship between the difference in sediment export and water yield ( r 2 02=020.776 6868 ) from 1975 to 2008, with negative correlations between the difference of NPP and water yield ( r 2 02=0261020.422 6868 )/sediment export ( r 2 02=0261020.240 68 ) from 1990 to 2008. This, to some extent, implies that there are tradeoffs between the services of water yield and sediment control/NPP, and there is synergy between sediment control and NPP. Climatic and land use changes are the major drivers on ecosystem services fluctuation. Correlation analyses showed that the decrease of precipitation significantly hindered water yield ( r 2 02=020.980 6868 ) and sediment export ( r 2 02=020.791 6868 ). The increase of temperature exerted a slight negative influence on water yield ( r 2 02=0261020.350 6868 ). A spatial concordance existing between the ‘cropland to grass/woodland’ area and the high sediment control ( r 2 02=020.313 6868 )/NPP ( r 2 02=020.488 6868 ) area indicated that the land use change from cropland to woodland/grassland significantly consolidated sediment control and NPP production. The observed spatio-temporal variation of ecosystem services and their correlations provide an operable criterion for land use management policies.

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彭怡. InVEST模型在生态系统服务功能评估中的应用研究: 以四川汶川地震灾区为例. 成都: 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所, 2010.

[Peng Yi. Application of InVEST model in ecosystem services assessment: A case study from Wenchuan Earthquake Area. Chengdu: Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences & Ministry Water Conservancy, 2010.]

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潘韬, 吴绍洪, 戴尔阜, 等. 基于InVEST模型的三江源区生态系统水源供给服务时空变化. 应用生态学报, 2013, 24(1): 183-189.<p>三江源是我国最大的水源供给和涵养生态功能区.近年来，受多种驱动因素的影响，三江源区生态系统退化严重，水源供给能力受到一定影响.本文探讨了1981&mdash;2010年三江源区降水和径流系数的变化规律，基于InVEST模型定量估算了1980&mdash;2005年三江源区生态系统的水源供给量，分析了不同时期水源供给量的时空变化特征及其成因.结果表明： 1981&mdash;2010年，三江源区的降水量整体呈先降低后增加的趋势，降水径流系数的递减趋势比较显著，表明区域地表产流能力下降；潜在蒸散发有减少趋势，但并不明显，其变化趋势为-0.226 mm&middot;a<sup>-1</sup>.1980&mdash;2005年，三江源区水源供给量整体呈下降趋势，且黄河源区的下降趋势最明显.三江源区水源供给量的时空变化是气候变化和土地利用共同作用的结果，气候因子主要通过改变降水和潜在蒸散来影响水源供给量；气候变化和土地利用导致的生态系统退化及下垫面改变可能是三江源区水源供给量下降的主要驱动力.</p>

[Pan Tao, Wu Shaohong, Dai Erfu.Spatiotemporal variation of water source supply service in Three Rivers Source Area of China based on InVEST model. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(1): 183-189.]

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Zhang Canqiang, Li Wenhua, Zhang Biao, et al.Water yield of Xitiaoxi River Basin based on InVEST modeling. Journal of Resources and Ecology, 2012: 3(1): 50-54.Water yield calculation and mapping are of great importance to water resource planning and management and hydropower station construction. A water yield model based on InVEST was employed to estimate water runoff in the Xitiaoxi River basin. The data included land use and land cover, average annual precipitation and potential evapotranspiration, soil depth, and plant available water content. In order to test model accuracy the natural runoff of Xitiaoxi River was estimated based on linear regression relation of rainfall-runoff in a ‘reference period’. After repeated validation, when the Z value was 6.5 the water yield was 8.30 E+8 m<sup>3</sup> and this was a smaller difference with natural runoff. From the distribution of water yield, south and southwestern areas of the watershed had higher water yield volumes per hectare.

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余新晓, 周彬, 吕锡芝, 等. 基于InVEST模型的北京山区森林水源涵养功能评估. 林业科学, 2012, 48(10): 1-5.<p>基于北京市第六次森林资源二类调查数据,区划北京山区森林景观类型,并应用InVEST模型评估北京山区森林生态系统的水源涵养功能。结果表明: 总面积为479 209 hm<sup>2</sup>的北京山区森林可划分为18种类型,其水源涵养总量为16.2万亿m<sup>3</sup>平均水源涵养深度为75 mm; 各森林类型的水源涵养深度差异很大,落叶松人工林最大,为148 mm,其他阔叶人工林最小,为47.6 mm; 在各类森林水源涵养总量方面,天然柞树林最高,为8.25万亿m<sup>3</sup>其他阔叶人工林最小,为60.7亿m<sup>3</sup>。</p>

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[Yu Xinxiao, Zhou Bin, Lv Xizhi, et al.Evaluation of water conservation function in mountain forest areas of Beijing based on InVEST model. Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(10): 1-5.]

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傅斌, 徐佩, 王玉宽, 等. 都江堰市水源涵养功能空间格局. 生态学报, 2013, 33(3): 789-797.水源涵养是生态系统的重要服务功能之一。识别水源涵养重要区对于制定水源保护规划,落实陆域-水域综合保护,防治水体污染,保障区域用水安全具有重要意义。以2008年四川都江堰市为研究范围,采用生态系统服务功能综合权衡工具-Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs(InVEST)中的水源涵养模型对县域生态系统的水源涵养功能进行了空间制图,然后采用综合指数法将水源涵养功能与植被减洪能力和水源地保护区进行叠加计算水源涵养重要性指数。结果表明:尽管汶川地震导致都江堰市域部分地区水源涵养功能降低,但都江堰市水源涵养功能整体仍然较高,部分地区多年平均水源涵养量超过200mm/a。都江堰市的水源涵养极重要区面积为421km<sup>2</sup>占全市总面积的34.9%,远大于目前县域的水源保护区面积,未来应进一步加强对这些极重要区的保护,以保证本市以及成都平原的供水安全。水域涵养功能及其重要性都存在较明显的空间分异,大致呈现由西北向东南减少的趋势,水源涵养重要性与水源功能的分布密切相关,但又不完全一致。因此,在县域尺度上采用服务功能空间化评估结果进行重要性评价能够比较精细地反映生态系统水源涵养重要性的空间差异。但该方法还需要将人类用水需求进行空间表达,与本文的方法进行结合,以更准确反映水源涵养重要性的空间分异。

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[Fu Bin, Xu Pei, Wang Yukuan,et al.Spatial pattern of water retetnion in Dujiangyan county. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(3): 789-797.]

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李晶, 任志远. 陕北黄土高原生态系统涵养水源价值的时空变化. 生态学杂志, 2008, 27(2): 240-244. [Spatio-temporal change of water conservation value of Loess Plateau ecosystem in northern Shaanxi province. Chinese Journal of Ecology, 2008, 27(2): 240-244.]<FONT face=Verdana>在GIS支持下，采用水量平衡法、容量折算法等计算了生态系统涵养水源的物质量，采用成本核算、市场价格法等计算了涵养水源的价值量。结果表明：陕北黄土高原生态系统涵养水源量及其价值在1978—2000年总体呈先增加再减少的趋势，其中，1978—1990年生态系统总涵养水源数量从15.98×10<SUP>9</SUP> t·a<SUP>-1</SUP>增加到19.19×10<SUP>9</SUP> t·a<SUP>-1</SUP>，总涵养水源价值从10.71×10<SUP>9</SUP>元·a<SUP>-1</SUP>增加到12.86×10<SUP>9</SUP>元·a<SUP>-1</SUP>，年均递增率为1.39%；1990—2000年生态系统总涵养水源数量从19.19×10<SUP>9</SUP> t·a<SUP>-1</SUP>减少到17.96×10<SUP>9</SUP> t·a<SUP>-1</SUP>，总涵养水源价值从12.86×10<SUP>9</SUP>元·a<SUP>-1</SUP>减少到12.03×10<SUP>9</SUP>元·a<SUP>-1</SUP>，年均递减率为0.68%。陕北黄土高原生态系统涵养水源量及涵养水源价值在空间分布上存在一定的差异，呈现南北高、中部低的趋势。<BR><BR></FONT>

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孙逊, 马乃喜, 曹明明, 等. 陕西省志黄土高原志. 西安: 陕西人民出版社, 1995.

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游松财, 邸苏闯, 袁晔. 黄土高原地区土壤田间持水量的计算. 自然资源学报, 2009, 24(3): 545-552.研究应用土壤类型图和土壤剖面数据库，通过不同土壤质地标准转换，识别黄土高原地区土壤质地类型。在此基础上，应用土壤转换函数法和土壤质地信息进行1m深度内土壤田间持水量的计算，再根据土壤质地信息和植被类型数据进行有效土壤厚度的估算。结果表明，该参数在黄土高原地区有很大的差异，大体趋势是从东南向西北逐渐降低。西北部土壤田间持水量较低，大部分地区为200~300mm；河套地区较高，为400~500mm；中部地区为300~400mm，少数的森林区域可以达到500~600mm。东南部的土田间持水量较高，大部分区域为400~500mm；森林区域可以达到700~800mm。

DOI

[You Songcai, Di Suchuang, Yuan Ye.Study on soil field capacity estimation in the Loess Plateau region. Journal of Natural Resources,2009, 24(3): 545-552.]

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