基于InVEST模型农牧交错带生态系统价值研究

摘要 ［目的］量化研究农牧交错带的生态系统服务功能及其价值。［方法］以典型农牧交错带内蒙古自治区兴安盟科尔沁右翼中旗为例，基于InVEST模型运行原理、研究区特点和数据可获得程度，从土壤保持、水源供给和水质净化3个主要方面对科尔沁右旗2000、2010和2019年3个时段的生态系统服务功能价值进行评估。［结果］科尔沁右翼中旗生态系统服务功能价值较大，2000、2010和2019年的生态系统土壤保持服务功能价值分别为30.54亿、31.88亿和32.79亿元，水源供给服务功能价值分别为100.69亿、105.19亿和87.40亿元，水质净化服务功能价值分别为1 685.54万、1 584.43万和1 698.02万元。［结论］基于InVEST模型对生态系统服务功能价值评估，不仅为北方农牧交错带生态系统服务功能重要性区域和综合生态区划分奠定了研究基础，也弥补了InVEST模型在我国北方农牧交错带生态系统服务研究内容和方法应用的不足。

关键词 农牧交错带；生态系统服务；价值评估；InVEST模型

中图分类号 X 171  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）23-0053-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.23.012

Research on the Ecosystem Value of the Agriculture-pastoral Ecotone Based on the InVEST Model—Taking Horqin Right Middle Banner as an Example

DING Qing-po1，JIN Wen-juan2，SUN Tian-qi3

（1.Chifeng Natural Resources Reserve and Consolidation Center，Chifeng，Inner Mongolia 024000;2.College of Land and Environment，Shenyang Agricultural University，Shenyang，Liaoning 110000;3.Anshan Natural Resources Bureau No.3 Branch，Anshan，Liaoning 114000）

Abstract ［Objective］To quantitatively study the ecosystem service functions and their values in the agriculture-pastoral ecotone.［Method］Taking the typical agricultural-pastoral ecotone in Horqin Right Middle Banner，Xing′an League，Inner Mongolia Autonomous Region as an example，based on the operation principle of InVEST model，characteristics of the area and data availability，this paper evaluated the value of ecosystem services in 2000，2010 and 2019 from the three main aspects of soil maintenance，water supply and water purification.［Result］The ecosystem service value was large.In 2000，2010 and 2019，the value of soil maintenance service was 3.054 billion，3.188 billion and 3.279 billion，respectively; the value of water supply service was 10.069 billion，10.519 billion and 8.74 billion，respectively; and the value of water purification service was 16.855，4 million，15.844，300 million and 16.980，200 million，respectively.［Conclusion］The value evaluation of ecosystem service function lays a foundation for the division of the important region and comprehensive ecological area of the ecosystem service function in the northern ecosystem，and makes up for the deficiency of the research content and method application of InVEST model in the ecosystem service in northern China.

Key words Agriculture-pasture ecotone;Ecosystem service;Value evaluation;InVEST model

作者简介 丁青坡（1979—），女，内蒙古赤峰人，高级工程师，硕士，从事测绘工程、土地利用相关研究。*通信作者，博士研究生，研究方向：国土空间生态修复。

收稿日期 2024-01-04

我国北方农牧交错带是一个复合生态系统，也是典型的生态环境脆弱区，具有多种农牧业生产方式长期并存的过渡性自然特征。北方农牧交错带区域气候干旱、有效降水少、风力侵蚀严重，区域性自然生产力较低，水土流失、水资源短缺及水体污染等一系列生态问题频发，生态系统服务功能濒临失调［1］。开展北方农牧交错带的生态系统服务功能价值评估，深入探讨多时段、不同土地利用方式下各种生态系统服务功能的空间动态变化特征及其价值，有助于划分区域综合性生态功能区，为政府和相关主管部门科学合理制定生态修复保护政策和决策规划提供参考依据。

当前关于北方农牧交错带的研究较多集中于土地利用方式演变及其影响［2］、生态脆弱性［3］、生态环境问题［4-5］等方面，缺乏对北方农牧交错带典型区域的生态系统服务功能及其价值量化研究，尤其在利用InVEST模型评估农牧交错带的生态系统服务功能价值方面。笔者选择对生态系统影响较大的土壤保持、水源供给和水质净化3种生态系统服务功能，基于InVEST模型，采用经验价值量化法对北方农牧交错带典型县域科尔沁右翼中旗的生态系统服务功能价值进行评估，以期为农牧交错带生态环境的保护和管理提供理论基础。

1 资料与方法

1.1 研究区概况 科尔沁右翼中旗隶属于内蒙古自治区兴安盟市（119°34′～122°18′E，44°15′～46°41′N），地处科尔沁草原中部，是科尔沁沙地向大兴安岭、松嫩平原、松辽平原的过渡地带。全域总面积15 613 km2，下辖12个苏木镇，173个嘎查。西北部发展畜牧业，中部至东南进行农作物种植，是我国北方农牧交错带东段一个典型的以农牧业发展为主的县域［6］。区域属中温带半干旱大陆性季风气候区，年均温3.8～7.2 ℃，无霜期128～289 d，年降水量360～400 mm，年内降水分配不均，集中于6—8月，约占全年降水量的47%。境域内降水情况南北部存在分异，自北向南逐渐减少。受局部性山洪、干旱、霜冻、沙尘暴和寒潮等的影响，区域内部分地带生态环境尤为敏感脆弱。

1.2 研究方法

1.2.1 InVEST模型。InVEST模型基于GIS平台开发，由Natural Capital项目支持，美国斯坦福大学、世界自然基金和大自然保护协会等共同研发，用于评估生态系统各服务的空间特征和价值量，衡量维持生态过程稳定性以及人类生存的物质需求所提供的各种服务和效益。InVEST模型的运算过程较灵活，能有针对性地解决主要生态问题，综合考虑生态系统整体循环过程［7］。基于模拟原理，在模块的参数设置中输入DEM、降雨、土壤、土地及遥感等数据进行测算，从而得出所需数据。

1.2.1.1 土壤保持模块。InVEST模型的土壤保持模块改进了通用土壤流失方程，综合计算栅格自身产沙量和对上游栅格产沙的截留量［8］。公式如下：

RKLSx=Rx×Kx×Lx×Sx（1）

USLEx=Rx×Kx×Lx×Sx×Cx×Px（2）

式中：RKLSx是栅格x的土壤潜在侵蚀量（t）；USLEx是实际侵蚀量（t）；Rx为降雨侵蚀力［MJ·mm/（hm2·a）］；Kx为土壤可蚀性［t·a/（MJ·mm）］；Lx是坡长（m）;Sx是坡度（°）；Cx是植被覆盖度（%）；Px是土壤流失量（t）。

土壤保持量由以下公式得到：

SEDRx=SExx-1y=1USLExx-1s=y+1（1-SEx）（3）

SEDRETxD=RKLSx-USLEx+SEDRx（4）

式中：SEDRx为栅格x截留上游产沙量（t）；SEx为栅格x的截留率；SEDRETxD是栅格x的土壤持留量（t）。

1.2.1.2 水源供给模块。利用InVEST模型中的产水量模块，基于水量平衡原理，根据栅格单元的降雨量与实际蒸散发量之差计算［9］，公式如下：

Yxk=1-AETxkPx×Px（5）

式中：Yxk为栅格x地类k的平均产水深度（mm）；Px为栅格x的年降雨量（mm）；AETxk为平均实际蒸散发量（mm）。

1.2.1.3 水质净化模块。InVEST水质净化模块主要评估植被、土壤及径流过程中对N、P物质的净化状况［10］。N、P保持量越大输出量越小，水质净化服务越好［11］。模型只考虑面源污染，其他污染源忽略不计［12］，公式如下：

xexptot=xexpi（6）

xexpi=loadsurf，i×NDRsurf，i+loadsubs，i×NDRsubs，i（7）

式中：xexptot为N、P输出总量（kg/a）；xexpi为研究区每个栅格单元内的N、P输出量（kg/a）；loadsurf，i和loadsubs，i分别是地表和地下N、P负荷量［kg/（hm2·a）］；NDRsurf，i和NDRsubs，i分别是地表和地下N、P的传递速率（kg/a）。

1.2.2 价值评估法。在确定生态系统服务模块后，采用价值评估法，利用货币单位衡量和表征生态系统服务功能的价值［13］。该研究主要采用市场价值法、影子价格法和替代成本法评估3种生态系统服务功能的价值。其中，土壤保持价值包括保持土壤肥力价值和固土价值，保持土壤肥力价值采用市场价值法计算，固土价值采用替代成本法和影子价格法估算。水源供给服务价值采用市场价格法根据居民生活用水价格估算。水质净化服务价值采用替代成本法估算。

1.2.3 InVEST模型中模块参数选择和价值计算。

1.2.3.1 土壤保持模块参数选择和计算。

（1）降雨侵蚀力（R）。它反映出由于降雨所引起土壤流失的潜在能力，表征由降雨侵蚀条件对土壤潜在流失量的影响。采用月尺度推算法，结合各气象站点的月、年降雨量数据，利用公式（8）计算降雨侵蚀力（R），并在ArcGIS中利用反距离插值法［14］生成降雨侵蚀力空间分布图（图1a）。