福建省森林生态系统水源涵养服务评估:InVEST模型与meta分析对比

生态系统水源涵养服务评估已存在基于不同原理和数据源的多种评价方法,然而,不同方法造成的评估结果异同尚缺乏系统性定量化比较。为了揭示不同评估机制对同一地区产生的影响,分别采用"点数据-综合蓄水能力法-meta分析"和"面数据-水量平衡法-InVEST模型"两套方法体系对福建省森林水源涵养服务状况进行对比评估。结果显示：InVEST模型模拟的水源涵养能力年均值为529.62 mm,涵养总量236.18×10⁸ m³;meta分析法估算的能力均值为653.68 mm,涵养总量291.07×10⁸ m³。水源涵养能力表现出相当大的空间差异,随海拔升高呈递增趋势,西部、北部山地高于东南沿海平原。InVEST模型侧重气象、地形和土坡覆被因素,meta分析侧重林分条件,因此同一森林类型不同方法的涵养能力存在显著差异。结合点尺度分析,造成结果差异的不确定性包括水源涵养相关参数定义的多样化、测量方法及误差以及系数本地化水平。分析自上而下的InVEST模型与自下而上的meta分析两类方法的特点和机理,为不同区域研究选择适宜的评估方法提供借鉴,有助于完善生态系统水源涵养服务评估的理论和技术。     

都江堰市水源涵养功能空间格局

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421km2,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.     

基于InVEST模型的黄土高原丘陵区水源涵养功能空间特征分析

水源涵养功能是黄土高原丘陵区生态服务的主导功能,对保障该区域生态与社会经济的可持续发展具有重要作用。以定西市安定区为例,基于InVEST模型评估了2017年的水源涵养功能及其空间分布特征,并利用空间统计方法计算了水源涵养功能的冷热点和重要性分布格局。结果表明,该区2017年在栅格单元的水源涵养量介于0-364.541 mm之间,流域单位面积平均年水源涵养量36.37 m³/hm²,水源涵养总量为11900×10⁴ m³。其中,西河流域单位面积平均年水源涵养量最高,达54.64 m³/hm²,整个区域的水源涵养功能在空间分布上呈由西南向东北逐渐减少的特征。水源涵养功能的热点区域主要集中在南部地区,热点分布呈由西南至东北逐渐降低的分布格局;冷点区面积要高于热点区面积,非显著点面积占总面积的50%以上。水源涵养功能的高度重要区和极重要区面积占总面积的34.39%,主要分布在关川河流域;一般重要区和较重要区面积占总面积的40.59%,主要分布在海拔较低的称钩河和西河流域。通过对定西市安定区水源涵养功能及冷热点和重要性的空间分布特征分析,明确了生态保护与建设的重点区域,为黄土高原丘陵区的生态与社会经济发展提供决策依据。     

黄河流域水源涵养服务功能动态演变及驱动因素

黄河流域是中国重要的生态屏障,研究其水源涵养服务功能对推动黄河流域生态保护与高质量发展具有重大意义。采用InVEST模型量化黄河流域1980-2020年水源涵养服务功能,使用空间自相关分析黄河流域水源涵养服务功能空间分布模式,并运用地理探测器分析黄河流域水源涵养服务功能的驱动因素。结果表明:(1)1980-2020年黄河流域水源涵养量为174.8639亿m³-378.4538亿m³,多年平均水源涵养量265.0475亿m³,其中草地与林地多年平均水源涵养量分别占黄河全流域水源涵养总量的52.94%和24.27%。全流域水源涵养量呈现上下游地区较高,中游地区较低的分布格局。(2)全局莫兰指数为0.875,表明黄河流域水源涵养服务在空间上呈现聚集分布,以低-低聚集与高-高聚集为主。(3)1980-2020年不同地类平均水源涵养能力排序:灌木林>有林地>高覆盖草地>其他林地>中覆盖草地>低覆盖草地>旱地>建设用地>未利用地>水田>水域。(4)降水量是影响黄河流域水源涵养量变化的主要驱动因子,降水量与土地利用间交互作用对黄河流域水源涵养服务功能空间分异解释力显著增强。研究结果可为黄河流域生态系统管理与高质量发展提供重要参考。     

基于地理空间角度的黑龙江省水源涵养功能变化的驱动因素分析

生态系统服务功能评估关乎人类福祉,是全球关注的热点问题,而水源涵养功能已成为最重要的服务功能之一,是保障区域生态安全和可持续发展的关键因素。基于InVEST模型对黑龙江省2000—2020年水源涵养功能进行定量评估,通过地理探测器分析近二十年黑龙江省水源涵养功能变化空间分异特征的主导影响因素,并结合地理加权回归来捕捉驱动因素的空间分异。结果表明：(1)2000—2020年,全省平均水源涵养量从13.81 mm/m²增加到20.29 mm/m²,水源涵养总量提升46.92%。(2)气候变化是影响水源涵养变化的主要驱动因素,土地利用变化是间接驱动因素;气候和土地利用之间的交互作用对水源涵养变化空间分异性的影响明显大于任何单一因素。(3)驱动因素与水源涵养变化的相关性及强度存在明显的空间分异特征。全省水源涵养变化与降水和林草覆盖率正相关。大小兴安岭和三江平原地区水源涵养变化同时与耕地和城乡工矿用地覆盖率负相关。本研究可为管理部门制定生态环境保护决策和优化生态系统管理提供科学依据。     

1990-2020年三江源水源涵养能力时空变化及影响因素

三江源是我国重要的水源涵养功能区,也是我国乃至东南亚地区的生态屏障,具有重要的生态战略地位。揭示三江源水源涵养能力的空间分布、变化趋势及影响因素,对于推进生态保护与修复工程,提高区域水资源供给能力和维持生态系统健康稳定具有重要意义。基于InVEST模型,定量分析了三江源区水源涵养能力的时空变化及影响因素。结果表明:草地生态系统为三江源水源涵养功能主体,年平均水源涵养量为120.04亿m³。1990-2020年三江源水源涵养量呈显著上升趋势,变化速率为1.80亿m³/a(P<0.05),年平均水源涵养量为163.84亿m³。生态治理前(1990-2005年)水源涵养量增长速率高于生态治理后(2005-2020年)。三江源区水源涵养能力空间分布上表现出东南高、西北低的特点,显著增长面积为22.07万km²,占全区总面积的60.79%。生态治理前,降水量增加、实际蒸散量增加和实际蒸散比降低等气候变化为驱动水源涵养能力增长的主要因素;生态治理后,林、草地面积增加等土地利用/覆被变化为驱动水源涵养能力增长的主要因素。     

石羊河流域水源涵养功能定量评估及空间差异

水源涵养功能是流域生态系统的重要服务功能之一和可持续发展的关键因素。采用In VEST模型,通过参数本地化,定量评估了石羊河流域产水量及水源涵养功能,在此基础上对水源涵养功能重要性进行分级,通过模拟不同退耕情景,分析其产水量及水源涵养功能的差异。结果表明:(1)In VEST模型中的Zhang系数为2.1时,研究区产水量模拟效果最佳;研究区2015年单元平均产水深度值为60.90 mm,产水总量为24.71×10~8m~3;单元平均水源涵养量为23.97 mm,水源涵养总量为1.35×10~8m~3;单元产水深度与单元平均水源涵养量空间分布均呈现出南高北低的趋势;研究区不同地类单元水源涵养能力以林地最强,草地的水源涵养总量最大。(2)研究区内水源涵养功能一般重要级别区域占总面积的53.94%,极重要和高度重要级别共占总面积的22.40%。(3)根据不同退耕模式情景模拟结果,研究区林地面积最大时,单元水源涵养量及水源涵养总量均最高;随着林地、草地面积的增加,产水量有所减少,且林地面积最大时,产水量最少;基于最小模糊度法,确定了研究区合理退耕还林还草模式。     

2030年闽三角城市群土地利用变化对生态系统水源涵养服务的影响

生态系统水源涵养服务作为水资源得以持续的基础和保障,正持续遭受着人类活动的干扰和影响,土地利用变化作为主要的方式之一,对水源涵养的影响广泛而且深远。运用InVEST模型模拟了闽三角城市群2015年和2030年的水源涵养情景,发现到2030年闽三角城市群区域内水源涵养量总体会下降0.24×10⁸ m³;对比发现：土地利用变化对水源涵养的影响主要主要表现在变化面积、变化方向、作用强度以及面积补偿作用四个方面。首先面积变化方面,水源涵养量同用地类型的面积大小正相关,但二者的变化量并不正相关;其次变化方向方面,相比变化为城市生态系统和水域生态系统而言,变化为自然生态系统和农业生态系统的土地利用变化更有利于生态系统水源涵养;再次,土地利用变化对水源涵养产生作用的强度由强及弱以此为林地、其他土地、草地、农田、建设用地、水域及滩涂;最后,面积变化后的补偿作用方面,由于不同用地类型水源涵养能力和面积变化量的差异,由农田、林地、草地及其他土地面积下降导致的水源涵养量损失并不能通过建设用地、水域及滩涂用地类型面积的增加得以完全补偿。     

基于InVEST模型的金沙江流域干热河谷区水源涵养功能评估

以金沙江流域干热河谷区1990年、2000年、2010年和2019年4期Landsat遥感影像为基础数据,通过目视解译和最大似然相结合的方法进行土地利用类型分类,定量分析金沙江流域干热河谷区土地利用类型的时间变化与空间转移过程;采用InVEST模型,结合气象、土壤和地形等数据评估了1990-2019年金沙江流域干热河谷区及不同土地利用类型的产水功能和水源涵养功能。结果表明：1）1990-2019年金沙江流域干热河谷区土地利用类型以草地、乔木林地和耕地为主;近30年来,灌木林地、建设用地、交通运输用地和水域的面积不断增加,建设用地面积增幅最大;草地、乔木林地、耕地和裸地面积均减少。2）1990-2019年,建设用地、灌木林地、交通运输用地和水域面积的增加来源于草地、耕地和乔木林地。3）金沙江流域干热河谷区多年平均产水量为26.09×10⁸ m³,水源涵养量为7.26×10⁸ m³,产水量的变化与分布直接影响着区域的水源含养量;平均水源涵养能力68.74 mm,呈现上升-下降-上升的波动变化趋势。4）1990-2019年不同土地利用类型的水源涵养量变化明显,不同地类平均水源涵养量的大小依次为耕地 > 草地 > 建设用地 > 乔木林地 > 交通运输用地 > 灌木林地 > 裸地 > 水域。     

基于水源涵养参照系的中国生态系统水源涵养功能优劣评估

为解决水源涵养优劣评估结果空间可比性差的问题,在拟合1990—2018年中国生态系统水源涵养动态数据基础上,构建基于参照系的水源涵养功能优劣等级评估方法体系,从全国和分区尺度揭示中国生态系统水源涵养功能优劣格局与演变规律,阐明该方法的优越性。结果表明：(1)2015年中国全国生态系统水源涵养功能以差级别占主导,约占总面积的44.8%,主要分布于西北、青藏高原、华北平原和东北平原。1990—2018年中国生态系统水源涵养功能中等级面积极显著降低,差等级面积显著增加,其余类型呈波动变化。(2)各气候区生态系统水源涵养优劣等级构成因气候、生态系统构成等差异而不同,一般为气候区愈湿润,其优良等级比重愈高。1990—2018年,共有10个气候区的优、良、中、低或差等级面积发生了显著变化,主要为优、良、中等级以显著降低为主,差等级全显著增加。(3)与其他方法相比,基于参照系的生态系统水源涵养功能优劣评估法因引入分区分类评估思想,评估结果更科学,空间可比性显著提高。     

1980—2016年三江源国家公园水源供给及水源涵养功能时空变化研究

为实现三江源国家公园水源供给及涵养功能评估,服务区域生态服务价值估算,基于InVEST模型,利用1980—2016年期间共7期土地利数据,结合气象数据,土壤数据,地形数据等,评估了三江源国家公园水源供给及水源涵养量的时间变化特征与空间分布状况。结果表明:1)1980—2016年三江源国家公园年降水呈不显著增加趋势;潜在蒸散、实际蒸散显著增加。在此影响下,园区产水量及水源涵养量总体呈不显著增加趋势。在不同年代,园区水资源总量经历了骤降-好转-略微降低的变化过程。降水量与实际蒸散量对园区产水量及水源涵养量影响最为显著。2)园区产水量及水源涵养量空间分布趋势一致,呈由北向南先减少后增加的变化趋势。这种空间差异主要由降水差异及地表覆盖特征引起的蒸散差异引起。3)在极端降水条件下,园区产水量及水源涵养量的数量和空间分布差异十分显著。长江源园区生态水源对降水变化的响应最为敏感。     

东江流域森林水源涵养功能空间格局评价

东江流域森林水源涵养功能对于保障流域可持续发展具有重要作用。应用In VEST模型,结合东江流域土地覆盖分类数据、气候数据、土壤数据评估了东江流域森林水源涵养功能的空间分布。结果表明:东江流域森林生态系统水源涵养总量为47.29×10~8m~3,水源涵养功能最高为572.6 mm,平均水源涵养功能为204.15 mm。东江流域森林水源涵养功能在空间上呈现出不同的分布特征,流域内森林水源涵养功能随海拔升高呈现先上升后降低的趋势,在海拔900—1200 m范围,水源涵养功能平均值达到最大值270 mm;流域内森林水源涵养功能随坡度升高呈增加趋势,在坡度大于50°的区域,森林水源涵养功能平均值增加到327.2 mm,高于流域平均水平60%。流域水源涵养功能呈现中游下游上游的空间格局,流域上、中、下游地区的水源涵养总量占流域的比例分别为11%、72%、17%。     

Trade-offs between water yield and carbon sequestration for sub-alpine catchments in western Sichuan,China

Aims There is increasing concern on the trade-off between carbon sequestration and water yield of forest ecosystems. Our objective was to explore the effects of vegetation composition on water and carbon trade-off in the sub-alpine watersheds of western Sichuan during 1982-2006.Methods The WaSSI-C, which is an eco-hydrological model with coupled water and carbon cycles, was employed to calculate the key components in water balance and carbon sequestration for the 22 sub-catchments in the upper reaches of Zagunao River. Spearman’s Rho trend analysis was used to examine the trends in runoff and net ecosystem productivity. Important findings Compared with either subalpine meadow or mixed forest dominated catchments, the conifer-dominated catchments had much higher water loss due to high evapotranspiration, and the loss was not offset by its higher soil water infiltration during the growing season. The change in soil water storage for subalpine meadow, mixed forest and coniferous forest are -44 mm, -18 mm and -5 mm, respectively, which indicated significant decline in soil water storage and thus water yield particularly in alpine meadow catchments. Significant negative relationship was found between runoff and net ecosystem productivity, the alpine meadow as the dominant vegetation type showed high water yield and low carbon sequestration, and the conifer-dominant and mixed forest vegetation showed low water yield and high carbon sequestration, moreover, the higher the forest coverage, the lower the water yield. Upward trends in net ecosystem productivity were observed in the three vegetation types during the study period and the alpine meadow type was significant.     

川西亚高山流域水碳平衡研究

森林生态系统的产水量与固碳效益之间存在着一种可交易的平衡关系。基于WaSSI-C水碳耦合模型和趋势分析, 研究了1982-2006年川西杂古脑河上游22个子流域内不同植被类型空间分布对水碳平衡的影响并分析了其水碳耦合关系, 发现: 1)针叶林主导的流域在生长季增加土壤水分入渗的功能明显高于其他植被类型, 但不足以补偿其高蒸散带来的水分消耗, 因而其年平均土壤含水量明显低于高山草甸和混交林类型; 且森林土壤含水量随着森林覆盖率的升高而降低。2) 25年的土壤水分蓄变量的平均值, 高山草甸流域为-44 mm, 混交林为-18 mm, 针叶林为-5 mm, 说明川西亚高山植被的整体维持稳定产水量及其潜力在下降, 其中高山草甸流域下降趋势尤为显著。3)流域产流量和净生态系统生产力具有显著负相关性, 且不同植被组成对固碳和产水效益的转化具有重要影响: 高山草甸主导的子流域具有较高的产水量和较低的固碳能力, 常绿针叶林主导的子流域具有较高固碳能力和较低产水量, 且森林覆盖率越高, 产水量越低。三种植被类型的净生态系统生产力在研究期间均呈现上升趋势, 且高山草甸的上升趋势显著。     

基于地理探测器的云南省生态系统产水服务的空间异质性及驱动因素

产水服务作为重要的生态系统服务功能,准确把握其空间分异特征、明确不同地域的关键驱动因子是维系生态安全和可持续发展的关键。以地理空间异质性显著的云南省为研究区,借助InVEST模型模拟1992—2019年云南省产水量时空分布,通过地理探测器探析气候、植被、土壤、地形、土地利用等因子对产水服务的空间驱动特征。结果表明: 1992—2019年,云南省产水量呈先增大后减小的波动变化趋势,各年产水量空间分布格局相似,总体趋势是自西北、西部、西南部向中部和东部逐渐递减。气候类因子(降水量和实际蒸散量)是导致产水服务空间分异的主要驱动因子。在不同的流域分区,各驱动因素对产水量的影响具有明显的空间异质性:云岭-元江一线以西,伊洛瓦底江、怒江上游、怒江下游、澜沧江上游、金沙江上游、元江、李仙江一带,降水量是主要的控制因子;云岭-元江一线以东,喀斯特地貌区(南广河、赤水河、乌江、右江、盘龙河)以及人口密度大、耕地资源短缺的金沙江下游地区,实际蒸散量和土地利用类型是主要的控制因子。本研究结果可为云南省水资源管理政策和生态文明建设工作提供参考依据,对促进高原山地复杂区生态系统服务优化和可持续发展具有一定的指导意义。     

京津冀地区水源涵养价值流动分析及生态补偿额度

科学测算生态补偿额度是推进生态补偿落实、实现区际经济与生态保护协调发展的重要基础。以京津冀为研究区,应用InVEST模型及影子工程法定量测算2005年、2010年和2018年的区域水源涵养服务价值量,利用生态系统服务供需比识别水源涵养价值输出区,运用断裂点公式和场强模型分析价值流动的时空特征,并基于价值转移量和地理探测器探测的主导因子构建水源涵养生态补偿模型,计算了京津冀各县（区）的水源涵养服务补偿额度。结果表明：（1）2005年、2010年和2018年京津冀地区水源涵养服务价值分别为19.4×10⁸元、40.2×10⁸元和47.8×10⁸元,林地对水源涵养价值增加起着至关重要的作用。（2）各流域内水源涵养服务价值输出区主要分布在太行山脉、燕山山脉和坝上高原地区,且输出区数量呈增加态势。（3）2005年、2010年和2018年各流域水源涵养流入到消费区的价值的高值区变化较大,主要发生在滦河山区、北三河山区、大清河山区和永定河册田水库至三家店区4个流域内,低值区的分布则变化较小;但受森林覆盖率、水系以及地形的影响,水源涵养服务价值转移量总体呈增加趋势。（4）基于水源涵养生态补偿模型,得到京、津、冀三地支付金额比例为2.04：1.61：1,各县（区）需支付补偿金额在0-340.95万元;而京、津、冀三地受偿金额比例为1：0：1.87,各输出区的受偿金额则在0-545.75万元之间。     

基于地表水与地下水分割校正的漓江流域水供给服务时空格局研究

喀斯特区域水循环过程与其他地区存在显著区别,其水供给服务也具有独特的空间分布特征。然而,目前针对喀斯特地区产水量的时空变化研究较少考虑喀斯特生态系统的特殊性,导致产水量的空间模拟结果存在一定偏差。根据喀斯特地貌形态和地下水补径排泄特征提出了一种产水量分割方法,并基于水量平衡原理建立了地表水与地下水分割校正概念模型。选取喀斯特山区典型区域漓江流域为研究区,通过上述方法校正了InVEST模型产水量模拟结果,从栅格、地貌分区和子流域3个尺度分析了漓江流域2000—2020年产水量校正前与校正后时空分布格局。研究结果表明：(1)漓江流域2000—2020年InVEST模型产水量呈现先减后增再减的趋势,水供给服务空间分布格局为北高南低。产水深度在岩溶区和非岩溶区几乎没有差异,但在岩溶区内部差异明显：裸露型岩溶区产水深度高于覆盖型和埋藏型,峰林平原产水深度高于峰丛洼地。子流域分区平均产水深度排序为漓江上游区>漓江中游区>恭城河区>荔浦河区>漓江下游区。(2)利用地表与地下水分割校正后,水供给服务空间分布格局为四周高于中部,西北部高于东南部。非岩溶区产水深度明显高于岩溶区,埋...     

基于SWAT模型的浑河中上游水源涵养服务价值评估

浑河中上游流域的森林覆盖率高达68%,是辽宁省饮用水的重要水源保护地。本研究基于SWAT模型和影子工程法,评估2000—2019年浑河中上游流域的水源涵养量及其服务价值,并分析其时空变化的原因,以期为流域内生态补偿和生态恢复提供依据。结果表明:2000—2019年浑河中上游水源涵养量及其价值量呈先增加后减少趋势;年均水源涵养总量和水源涵养服务价值分别为24.6亿m³和150.4亿元;研究区水源涵养量存在明显的空间差异,高值区主要分布在清原县和新宾县,低值区集中于沈阳市辖区;不同生态系统的水源涵养服务价值差异较大,森林的单位面积水源涵养量远高于草地、农田和城市。