基于InVEST模型的生态系统服务价值评价——以南京市为例开题报告

课题的意义、国内外研究进展、应用前景等（列出主要参考文献）

一、课题的意义

土地利用/土地覆盖变化（Land-Use and Land-Cover Change）是全球变化人文计划（IGBP与IHDP）两个国际项目合作组织开展的具有纲领性的交叉科学研究课题，其目的在于揭示、警示全人类日益发展的农业生产系统部门（泛农业化、工业化、城市（镇）化）等与人类赖以生存的地球环境系统之间相互作用的基本过程。不同的土地覆盖（利用）类型对应着不同的生态系统结构和群落组成。土地利用变化通过土地覆盖类型的改变而直接影响着生物多样性、改变水分循环特征和生态系统的结构，进而对于生态系统的结构和机理产生不同的影响，而生态系统自身结构的变化又在不同的尺度上对生态系统的功能产生影响,进一步导致了生态系统服务能力大小的变化。国内外学者们对于不同土地利用下的如初级生产力、碳固定、水土保持以及生物多样性等各项生态系统服务之间的相互依赖性以及相关关系进行了定量研究，各自从生态系统服务的角度为土地利用规划、相关政策决策与生态系统保护等方面提供了理论依据。

生态系统服务（ecosystemservices）是指人类从生态系统获得的所有惠益，包括供给服务（如提供食物和水）、调节服务（如控制洪水和疾病）、文化服务（如精神、娱乐和文化收益）以及支持服务（如维持地球生命生存环境的养分循环）。人类生存与发展所需要的资源归根结底都来源于自然生态系统。它不仅为人类提供食物、医药和其他生产生活原料，还创造与维持了地球的生命支持系统，形成人类生存所必需的环境条件．同时还为人类生活提供了休闲、娱乐与美学享受。

自20世纪70年代开始，随着全球经济的不断发展，人类对于地球各类资源的开发和使用不断加深，人类赖以生存的土地资源逐渐受到破坏，资源环境和人类发展之间的矛盾不断显现，如何平衡好发展与保护之间的关系，从根本上实现可持续发展，成为了全球学者研究和探讨的热点问题。作为生态学与地理学的交叉学科，土地利用变化与生态服务二者既有区别又有联系。从理论的角度，生态系统服务的研究已有不少成果，但同时尚有大量相关问题等待我们解决，至上世纪90年代，随着研究的不断深入和研究范式的逐步确立，生态系统服务的概念和内涵也日趋完善。1997年美国的生态经济学家RobertCostanza等在《Nature》上发表的Thevalue of the world’s eco-system service and nature capital 以效用价值理论和均衡价值理论等经济学方法计算了全球生态系统服务的经济价值，同年，Daily, G.在他的Nature’sServices: Societal Dependence on Natural Ecosystem.之中对于生态系统服务价值的评估纲要进行了较为详尽的描述。2005年，联合国发表的《MillenniumEcosystem Assessment，MA》（《千年生态系统评估报告》）中对于生态系服务的概念、尺度问题、驱动因素、评价技术与方法等进行了较为全面的探讨，同时根据学界的理论，将生态系统服务划分为供给、调节、支持和文化四个大类。在此基础之上，学者们分别在不同尺度、不同格局上对林地、湿地、草地、流域以及农用地和城市（镇）等不同用地类型的生态系统服务的经济价值进行评估。

由于在对于土地的改造和治理过程中必然涉及到对生态环境的调整，而生态系统的调整又进而会影响到生态系统服务功能的发挥，所以土地利用变化与生态系统服务的联系由此更加紧密土地利用变化的生态环境效应及其对于生态系统服务的影响也逐渐成为土地利用变化研究的核心内容之一。

InVEST的设计分为0层、1层、2层和3层共4种层次。0层模型模拟生态系统服务功能的相对价值，不进行货币化价值评估。1层模型具有较简单的理论基础，获得绝对价值，并可进行货币化价值评估（生物多样性模型除外），但比0层模型需要更多的输入数据。0 层和 1 层模型已经很成熟并已发布,而且对数据的要求相对较少。一些更加复杂2层和3层模型还在开发之中，这些模型将提供更加精确的估算结果，但同时需要更多的输入数据。这一模型具有适应范围广、应用案例多的特点，近年来受到了众多学者的认可；但由于其中的一些假定和对于算法的简化，其也具有一定局限性，比如在计算碳储量和碳汇上，该模块假定单位面积碳储量保持不变; 并在对碳汇进行估算时，假定碳储量随时间呈现线性变化。

二、国内外研究进展

土地利用方式及覆盖变化综合影响了土地利用系统，作为一个复合的人工生态系统，土地利用格局的变化会引起生态系统面积、空间类型以及整体格局的变化，而生态系统发生以上的变化则会引起生态系统服务的波动，其与人类对生态系统重要性的认识程度、其自身的稀缺程度、经济社会发展对于生态系统的依赖程度等众多因素有关。一般来说，不同的土地空间利用结构及面积比例都对应着不同的生态效应，其直接影响着生态系统的物质循环、能量交换和信息传递等基础性功能而这些基础性功能能否正常发挥极大程度上决定了该区域生态系统服务能力的大小。

随着经济社会不断的发展和城市（镇）化进程的不断推进，原有以林地、草地、滩涂、湿地等自然主导的土地利用类型逐渐被以农用地、建设用地、填海造陆等人类主导的土地利用类型发展和转变。联合国于2005年发布的千年生态系统报告显示，自上世纪五十年代以来，随着现代化技术的不断使用和人口数量的不断增长，人类对于自然用地类型的破坏越来越明显，而由此导致的生态系统失衡和生态系统服务能力减退也愈发明显。除了分析和研究土地利用和生态系统构成及现状之外，对于在人类活动影响下二者的变化预期和整个土地—生态系统的稳定型等的研究也有巨大的意义，只有通过对于现实和未来两方面综合研究，才能正确评估、衡量人类行为导致的生态系统变化和生态系统服务效益与损失。

Schrter等采用一系列生态系统模型和土地利用变化情景预测了欧洲21世纪生态系统服务的供给，发现典型的土地利用变化导致了生态系统服务供给的变化，并且许多变化削弱了生态系统服务的供给。欧阳志云等^[2]认为土地利用变化对生态系统服务的影响主要通过3条途径：改变生物多样性、改变生态系统过程和改变生境。下面将主要从土地利用的面积变化、方式变化及空间格局变化等三方面对于生态系统的影响及常用评价模型等方面进行论述。有关方法及研究思路详见下表：

表1 主要应用的模型及研究思路

三、应用前景

随着“3S”技术的融合发展，土地利用信息的获取渠道愈发完善，各类用地数据的获取愈发简单，技术的发展也带动了生态系统服务价值研究思路的拓展。基于高分辨率多源遥感影像的土地利用动态监测系统的应用为各类用地面积变化提供了数据的支持，土地利用程度、土地利用动态变化度、土地利用变化率等反应用地特征的评价指数和有关空间分析模型的使用为定量分析土地利用面积变化和生态系统服务价值之间的相关关系提供了新的思路和方法。

党的十八大明确提出大力推进生态文明建设，努力建设美丽中国，实现中华民族永续发展。 “绿水青山就是金山银山”的理念不断深入人心，生态文明顶层设计和制度体系建设加快推进，污染治理强力推进，绿色发展成效明显，生态环境质量持续改善，一幅美丽中国新画卷正徐徐展开。作为生态系统服务评价的重要指标，生态系统服务的价值越来越受到学界和社会以及公众的重视，而作为最直观的评价指标，该价值计算的准确与否很大程度上影响了公众对于生态系统价值的主观看法。从宏观上看，生态系统服务是指人类从生态系统获得的所有惠益，而具体的来分析，其又包括供给服务、调节服务、文化服务以及支持服务等四个大类，对于生态系统服务价值的评估在土地利用规划、生态环境保护、土地利用规划环境影响评价、生境适宜性评价、农用地分等定级等具体工作中有着重要的作用，其应用前景广大，应用范围广泛，有较高的研究价值。

四、主要参考文献

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研究的目标、内容和拟解决的关键问题

一、研究的目标

以江苏省南京市1980年、1995年、2000年三期土地利用数据为基础，利用InVEST模型以碳储量、森林边际碳效应、生境质量、生境风险评估、景观质量等多个指标对南京市对应时期的生态系统服务价值进行评估。充分利用已有数据，借鉴国内外相关研究经验，结合本地区实际情况，调整有关评估参数，形成对于评估地区较为全面、详实、可信的生态系统服务价值的评估结果

二、研究的内容

研究的主要内容包括以下几个方面：

1. 计算南京市1980年、1995年、2000年生态系统服务价值；

2. 南京市1980年、1995年、2000年生态系统服务价值变化的比较；

3. 对南京市1980年、1995年、2000年生态系统服务价值变化进行分析；

4. 总结实验经验，结合有关分析给出相关建议。

三、拟解决的关键问题

通过本次研究，旨在力所能及的范围之内对现有研究存在的问题解决进行适当的补充。由于现有评估方法在评价不同地区时所采用的参数在具体使用过程中会依据地区差异进行适当调整，而我国现阶段相对缺乏较为准确的、适应我国自然地理及社会经济特殊国情的评估参数，所以本次研究拟解决的关键问题之一，就是通过实验和总结前人研究找到一个相对准确的计算参数，对选区的生态系统服务价值进行评估。

此外，在研究过程中，对于土地利用变化的分析结果有从静态向动态转变的趋势，本次实验搜集了选区内1980年、1995年、2000年三期较有代表性的数据，通过对比三期数据的实验结果，能够较好的反映出动态的土地利用变化对于生态系统服务价值的影响，追根溯源，找准问题的关键。

其次，由于当前国内研究中主要是以统计、计量分析的方式对于土地利用变化和生态系统服务之间的关系进行探索，而过于强调数学模型的运用则会造成忽略生态学本质的现象发生。这次的实验，从土地利用数据出发，综合分析面积、利用方式、景观破碎化程度等重要因素，对结果进行比较，尽量避免舍本逐末、强加因果的结论产生。

希望通过本次研究提升个人对生态系统服务价值评价的认识，为今后的学习工作与研究打下良好而坚实的基础。

研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析

一、研究方法

采用数学方法对于所选区域的生态系统服务价值进行计算，综合计算结果对于各项指标进行定量研究。

二、技术路线

三、实验方案

1. 有关要求

1.1软件要求

Arcgis10.2及以上版本、InVEST3.5.0

2.2数据要求

2.2.1碳储量分析所需数据

（1）当前土地利用/土地覆盖：每个像素的土地利用/土地覆盖（LULC）的栅格，其中每个唯一的整数代表不同的土地利用/土地覆盖等级。此栅格中的所有值必须在碳池表中具有相应的条目。

（2）当前的土地日历年：当前LULC地图描绘的年份，用于计算经济价值。

（3）碳池：LULC类的CSV表，包含存储在每个LULC类的四个基本类中的每一个中的碳数据。该表必须包含以下列：

lucode：每个LULC类的唯一整数（例如，1表示森林，3表示草地等） LULC映射中的每个值必须在碳池表中具有相应的** lucode *值。*（单位：吨/公顷）

c_above：地上生物量的碳密度 c_below：地下生物量中的碳密度

c_soil：土壤中的碳密度 c_dead：死物质中的碳密度

1.2.2森林边际碳效应所需数据

土地利用/覆盖地图、生物物理表（提供有关土地利用/土地覆盖图中哪些类别被认为是森林并且应该应用边缘效应回归的信息的表格，以及不是森林的土地覆盖类别的碳密度）、要计算的碳池

1.2.3景观质量所需数据

一般

（1）工作区。用户需要指定工作区文件夹路径。建议用户为每次运行模型创建一个新文件夹。

（2）结果后缀。此字符串将附加到模型的所有输出，同时保持工作空间的目录结构。这允许多个运行在同一工作空间内并排存储。

（3）特征影响风景质量。用户必须指定一个点要素图层，该图层指示导致负面景观质量的对象的位置，

（4）感兴趣的领域（AOI）。 AOI指示模型在何处剪切输入数据和分析范围。用户将创建一个定义其感兴趣区域的面要素图层。AOI必须与数字高程模型（DEM）相交。

（5）特征影响风景质量。 用户必须指定一个点要素图层，该图层指示导致负面景观质量的对象的位置，例如水产养殖网或波浪能设施。用户希望在分析中包括多边形（例如明确切割），必须将多边形转换为均匀间隔点的网格。模型将分别计算每个要素的视域，并将它们聚合为组合的视域。用户最多可以指定三个字段（所有字段都是可选的），以便为每个要素指定最大观看距离，视域重要性系数或视点高度：

①最大观看距离：名为“RADIUS”（首选，不区分大小写）或“RADIUS2”（保持向后兼容性）的整数字段，指定源自视点的以米为单位的最大视线长度。该值可以是正（首选）或负（保持向后兼容），但转换为正数。如果该字段不存在，则模型将在可见性分析中包括DEM中的所有像素。

②视域重要性系数：用户可以通过使用存储在字段“WEIGHT”中的实数（正数或负数）对它们进行缩放来为每个视域分配重要性。如果该字段不存在，则该模型假设权重为1.0。

③视点高度：地面上方的每个特征高程都可以在“HEIGHT”字段中指定为正实数。如果该字段不存在，则默认值为0.0。

（6）DEM。需要栅格图层来进行视域分析。高程数据允许模型确定AOI陆地海景内的区域，其中输入＃4的特征是可见的。该模型以此栅格的分辨率运行。

（7）折射率系数。地球曲率校正选项可校正地球的曲率和空气中可见光的折射。空气密度的变化使光线向下弯曲，导致观察者进一步看到并且地球看起来不那么弯曲。虽然这种效应的大小随大气条件而变化，但标准的经验法则是可见光的折射使地球的表观曲率减少七分之一。默认情况下，此模型校正地球的曲率并将折射率系数设置为0.13。

估价

（1）'a'系数。估值函数使用的系数。默认设置为1.0。

（2）'b'系数。估值函数使用的系数。默认设置为0.0。

（3）最大估值半径。仅对最大估值半径范围内的单元格计算估值。最大半径是以米为单位的正数。

1.2.4生境质量所需数据

（1）当前土地利用类型图。GIS栅格数据集，每个单元格都有一个土地利用类型代码。土地利用类型图的范围应包括目标区域，以及最大最大威胁距离宽度的缓冲区。否则，靠近目标区域边缘的位置可能会使栖息地质量得分膨胀，因为目的区域之外的威胁未得到适当考虑（单位为米）；

（2）威胁数据：模型考虑的所有威胁的CSV表。该表包含有关每种威胁的相对重要性或权重及其对空间影响的信息；

例如：具有三种威胁的假设研究。农业在比道路更远的距离内使栖息地退化，并且具有更大的总体影响。此外，铺设的道路比泥土路面吸引更多的交通，因此对于附近的栖息地比对泥路更具破坏性（详见下表）：

（3）威胁来源：GIS栅格文件的每个威胁的分布和强度。这些威胁地图应覆盖目标区域，以及最大威胁距离宽度的缓冲区；

（4）生境类型和栖息地类型对每种威胁的敏感性：土地利用类型的CSV表，无论它们是否被视为栖息地，对于栖息地的土地利用类型，它们对每种威胁的特定敏感性；

（5）半饱和常数：默认情况下，它设置为0.5，也可随研究者的需要而适度调整。

特色或创新之处

1. 传统上InVEST模型常用于大尺度的生境和景观生态服务价值的评价，现有研究多用于某一省、长三角或京津冀地区、某一河流特定流域等的生态服务价值的评价，较少用于一市范围内的研究，本选题以江苏省南京市为目标区域，实现了在现有研究较少涉及的尺度上的数据分析；

2. 现有研究多采用某一特定时间的土地利用数据为基础进行分析，这种分析方式难以体现出土地利用的动态变化对于本区域生态系统服务价值的影响，本选题选取了1980、1995、2000三期土地利用数据，以此为基础分别对其生态系统服务价值进行分析，在研究土地利用变化趋势的基础上对生态系统服务价值的变化进行分析，更具科学性；

3. 在强调相关关系的同时，更加注重因果关系的挖掘。当前国内研究中主要是以统计、计量分析的方式对于土地利用变化和生态系统服务之间的关系进行探索，但是相关关系并非因果关系，土地利用面积、方式和空间格局的变化（如生境面积变化、景观破碎化等）首先作用于生态过程（如水文过程、土壤侵蚀、生物运动等），然后才对生态系统服务功能与价值产生影响，本选题从本源出发，以土地利用的变化为基础，探索土地利用与生态系统服务的本质关系。

研究计划及预期进展

2019.02.01—2019.03.14 撰写并修改开题报告

2019.03.15—2019.03.31 搜集数据并根据有关文献对数据进行整理

2019.04.01—2019.04.07 对数据进行初步计算，填写中期检查表

2019.04.08—2019.05.05 数据计算，撰写论文草稿并交导师指导

2019.05.06—2019.05.14 修改初稿，论文定稿

2019.05.15—2019.05.16 定稿查重