徐李麒麟，佘济云，陈彩虹，崔博文

(中南林业科技大学，湖南 长沙 410000)

1 引言

自然保护地(Protected Area)是由各级政府依法划定或确认，对重要的自然生态系统、自然遗址、自然景观及其所承载的自然资源、生态功能和文化价值实施长期保护的陆域或海域。自然保护地是生态建设的核心载体，在维护国家生态安全中居于首要地位[1]。据统计，我国建有各级各类自然保护地10余种，总数超过1.2万处，面积超200万km2，占国土面积18%以上[2～4]。但目前我国保护地体系存在诸多问题，包括缺乏保护地总体发展战略与规划，保护地破碎化、孤岛化现象严重，不同类型的保护地空间重叠，多头管理、土地权属不清晰等[5～7]。因此，利用国家公园建设的契机，重新构建自然保护地体系，对明确自然保护地的功能定位、整合破碎化和孤岛化的保护地、加强自然保护地的保护以及为子孙后代留下重要的自然遗产具有重要意义[8～10]。

生态系统服务功能(Ecosystem services functions)是指生态系统形成和所维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用，主要分为支持服务、供给服务、调节服务和文化服务4种服务类型。生态系统服务功能是国际和国内学者在林学、生态学、环境科学、资源科学等多个领域的热点研究问题之一，受到众多专家学者、组织机构等的广泛关注[11]。21世纪以来，人类活动对自然资源的过度开发利用以及对生态环境的大肆破坏对全球生态系统造成了不可逆转的影响，导致大气污染、水质下降、水土流失、气候变暖、土地退化、植被破坏和生物多样性减少等生态环境问题，进而造成全球性的生态危机[12-14]。生境作为生物的生活空间，其质量高低与生物多样性保护息息相关[15]；碳储存有助于减少碳进入大气环境引发温室效应[16]；土壤侵蚀会加剧水土流失，威胁粮食安全、经济社会发展和流域生态健康[17，18]。因此，开展区域生态功能区划及针对性管理策略研究，对促进区域建设与生态环境保护的协调发展具有重要意义。对生态系统服务功能进行全面研究对区域内各项服务功能的权衡和协同具有重要的指导作用。

基于此，本研究以湖南省新邵县自然保护地为研究对象，使用GIS和InVEST模型对区域碳储存、水源涵养、土壤保持和生境质量等生态系统服务功能进行量化分析，基于模型量化结果对保护地的生态系统服务功能进行重要性评价，以期为新邵县自然保护地生态环境保护和空间体系研究提供依据，为生态系统服务功能修复及区域生态建设提供参考。

2 研究区概况

新邵县隶属于湖南省邵阳市，位于邵阳市北部，湖南省中部，介于邵阳盆地和新涟盆地之间，地势南高北低。资水纵贯全境。地理坐标为111°8′～111°5′E，27°15′～27°38′N。东北靠涟源市，东南邻邵东县，南邻邵阳市区和邵阳县，西毗隆回县，北连新化县、冷水江市。

新邵县拥有保护地6个，其中：国家级自然保护地5个，县级1个。分别是岳坪峰国家森林公园、筱溪国家湿地公园、白水洞国家级风景名胜区、白水洞国家地质公园、资水新邵段沙塘鳢黄尾鲴国家级水产种质资源保护区，同时还有羊古坳1个县级自然保护区。整合优化后的保护地为岳坪峰国家森林公园、白水洞国家地质公园和筱溪国家湿地公园。

3 数据来源与处理

3.1 数据来源

数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心，以Landsat TM/ETM、Landsat 8 遥感影像为数据源，裁剪后得到新邵县自然保护地土地利用类型数据。

3.2 数据处理

利用ArcGIS并基于InVEST模型的碳储存、水源涵养、土壤保持和生境质量模块，统计分析4个生态系统服务功能指标，并采用Standard Deviation Method对保护地的生态系统服务功能进行了等级划分和评价。

4 保护地生态系统服务功能分析

4.1 碳储存功能

基于碳密度表和InVEST模型的碳储存模块，经过统计分析得到自然保护地碳储量空间分布图(图1)，从图1中可以看出，3个保护地的总碳储量为565908.386 t，其中，筱溪国家湿地公园的碳储量为65137.73 t、白水洞国家地质公园的碳储量为310379.3215 t、岳坪峰国家森林公园的碳储量为190391.3369 t。

图1 新邵县自然保护地碳储量空间分布

通过对不同利用类型的土地碳储量进行计算，可以得到不同土地利用类型碳储量表(表1)，从表1中可以看出，不同土地利用类型的单位面积碳储量存在差异，乔木林地的单位面积碳储量最大，为398.71 t/hm2，陆地水域的单位面积碳储量最小，为0.40 t/m2。总体上乔木林地的碳储量占比最多，为总碳储量的96.5%。

表1 不同土地利用类型碳储量

4.2 水源涵养功能

从图2中可知，白水洞国家地质公园的水源涵养量为34604.1432×104m3、筱溪国家湿地公园的水源涵养量为14463.2088×104m3,岳坪峰国家森林公园的水源涵养量为20384.392×104m3。从空间分布上面看，水源涵养量的空间分布主要表现为“白水洞国家地质公园高、岳坪峰国家森林公园次之、筱溪国家湿地公园低”的分布趋势。总体来说，白水洞国家地质公园水源涵养价值最高，主要原因是该区域植被覆盖度高，且降雨量较大，土壤主要为棕壤和黄棕壤，导水性能好，因此水源涵养量高。筱溪国家湿地公园水源涵养价值低是因为受年降雨量、蒸发量、植被覆盖度以及人类活动等因素的影响，各因子综合作用导致该区域水源涵养能力弱。

图2 新邵县自然保护地水源涵养功能空间分布

通过分析单位面积的水源涵养量，可以看出不同地类(除水体外)水源涵养能力从大到小排序为：乔木林地>灌木林地>园地>竹林地>草地>耕地>特殊用地>建筑用地。从土地利用类型来看，乔木林地水源涵养功能最强为56837.1576×104m3。林地单位面积水源涵养量高于草地，是因为在降水量相差不大的情况下，林地群落结构复杂，增加对降水的截留量，使降水到达地表的时间延长[19]。而耕地的群落结构单一，且植被覆盖度低，加之农作物种植间距的影响，容易导致水土流失，所以水源涵养能力弱[20]。建筑用地由于在地表增加了不透水地面，使降水入渗减少，流量增加，增加降水的地表径流，因此水源涵养能力最低(表2)。

表2 不同土地利用类型水源涵养量

4.3 土壤保持功能

通过InVEST模型的土壤保持模块运算，由图3 可知，白水洞国家地质公园的土壤侵蚀量为111786.96 t、筱溪国家湿地公园的土壤侵蚀量为103460.16 t、岳坪峰国家森林公园的土壤侵蚀量为70359.76 t，从空间分布看，3个保护地的土壤侵蚀量在空间上呈现“白水洞国家地质公园高、筱溪国家湿地公园次之、岳坪峰国家森林公园低”的分布趋势；在土壤侵蚀量高值区中，中幼龄林分布较多，且建筑用地较多，土层被破坏，夏季降水较多增加土壤侵蚀量，因此水土保持功能较差。土壤侵蚀量低值区主要分布乔木林地和竹林地，地形坡度小，土壤侵蚀量较低。

图3 新邵县自然保护地土壤保持功能空间分布

利用ArcGIS软件对保护地的土壤侵蚀量进行统计，从而得到不同土地利用类型土壤侵蚀量。从表3中可以看出，乔木林地土壤保持功能最强，其单位面积土壤侵蚀量为17.56 t/hm2，水域的土壤保持功能最弱，其单位面积土壤侵蚀量为247.65 t/hm2。通过分析单位面积土壤侵蚀量，不同地类土壤侵蚀量从大到小排序为：陆地水域>耕地>草地>竹林地>灌木林地>园地>特殊用地>建筑用地>乔木林地。由于陆地水域的地表植被覆盖度低，受降水侵蚀概率较大，因此水土保持功能最弱，而乔木林地水土保持功能最强。

表3 不同土地利用类型土壤侵蚀量

4.4 生境质量

运用ArcGIS平台，对自然保护地的生境质量进行计算，最终得到生境质量分布图，由图4 可知，从空间分布看，湖南省新邵县自然保护地的生境质量高值区主要分布在岳坪峰国家森林公园，总平均生境指数为0.975，低值区主要分布在筱溪国家湿地公园，总平均生境指数为0.904，空间分布差异不显著；生境质量较高的区域有林地分布广泛、植被覆盖度高，自然生态系统受人为干扰较少。生境质量低值区当地生态系统单一，生态环境脆弱，生境质量最低。

图4 新邵县自然保护地生境质量空间分布

土地利用类型的变化是导致生境质量变化的重要驱动因素。运用ArcGIS软件对保护地的不同利用类型的土地的平均生境质量指数进行统计，可以得到不同土地利用类型生境质量表(表4)。由表4可以得知，乔木林地平均生境指数最高，为0.987，陆地水域平均生境指数为0.823，灌木林地平均生境指数为0.729，建筑用地平均生境质量指数最低，为0.009。总体而言，林地的平均生境指数高于建筑用地。

表4 不同土地利用类型生境质量

5 生态系统服务功能重要性评价

在InVEST 模型的基础上，研究采用Standard Deviation Method 对碳储存、水源涵养、土壤保持以及生境质量进行等级划分[21]，划分为极重要区、重要区和一般重要区。根据自然保护地的实际生态情况，取各项评价指标结果的最高等级作为生态系统服务功能重要性等级。具体的评价方法如下：

[生态系统服务功能重要性]=max([碳储存功能重要性],[水源涵养功能重要性],[土壤保持功能重要性],[生境质量维护功能重要性])

湖南省新邵县自然保护地生态系统服务功能重要性(图5)分为一般重要区、重要区和极重要区。由评价结果可知，岳坪峰国家森林公园的重要区占比面积最大，其次为极重要区，一般重要区占比最小。重要区主要分布在保护地南部区域，土地利用类型主要为乔木林地；筱溪国家湿地公园的一般重要区、重要区和极重要区的面积占比大致相同，极重要区主要分布在保护地西北部，土地利用类型为乔木林地与竹林地。一般重要区主要分布在陆地水域区域；白水洞国家地质公园的重要区面积占比最大，一般重要区与极重要区面积占比大致相等。一般重要区主要分布在保护地的东部，土地利用类型主要为竹林地、草地和耕地。极重要区与重要区皆均匀分布在保护地中，土地利用类型主要为林地。

图5 生态系统服务功能重要性评价

6 结论与讨论

6.1 结论

本研究以湖南省新邵县自然保护地为研究对象，以土地利用、土壤、DEM数据等为切入口，综合运用ArcGIS和InVEST模型，对自然保护地的生态系统服务功能进行了量化分析，并运用Standard Deviation Method对自然保护地的生态系统综合服务功能进行了重要性分级评价，研究结果可对自然保护地的发展管理提供借鉴意义。主要结论如下。

(1)通过InVEST模型的定量分析，可得3个保护地的总碳储量为565908.386 t，其中，筱溪国家湿地公园的碳储量为65137.73 t、白水洞国家地质公园的碳储量为310379.3215 t、岳坪峰国家森林公园的碳储量为190391.3369 t；从土地利用类型来看，乔木林地的碳储量占比最多，为总碳储量的96.5%。

(2)水源涵养量空间分布主要表现为“白水洞国家地质公园高、岳坪峰国家森林公园次之、筱溪国家湿地公园低”的趋势，水源涵养量值分别为34604.1432×104m3、20384.392×104m3、14463.2088×104m3。从土地利用类型来看，乔木林地水源涵养功能最强为56837.1576×104m3。从单位面积水源涵养量看，不同地类(除水体外)水源涵养能力大小排序为：乔木林地>灌木林地>园地>竹林地>草地>耕地>特殊用地>建筑用地。

(3)土壤保持功能主要通过土壤侵蚀量反映，白水洞国家地质公园的土壤侵蚀量为111786.96 t、筱溪国家湿地公园的土壤侵蚀量为103460.16 t、岳坪峰国家森林公园的土壤侵蚀量为70359.76 t，3个保护地的土壤侵蚀量在空间上呈现“白水洞国家地质公园高、筱溪国家湿地公园次之、岳坪峰国家森林公园低”的分布趋势；从土地利用类型来看，乔木林地土壤保持功能最强，其单位面积土壤侵蚀量为17.56 t/hm2，水域的土壤保持功能最弱，其单位面积土壤侵蚀量为247.65 t/hm2。

(4)湖南省新邵县自然保护地的生境质量高值区主要分布在岳坪峰国家森林公园，总平均生境指数为0.975，低值区主要分布在筱溪国家湿地公园，总平均生境指数为0.904，空间分布差异不显著；从土地利用类型来看，有林地平均生境指数最高，建筑用地平均生境质量指数最低。

(5)湖南省新邵县自然保护地的生态系统服务功能划分为一般重要区、重要区和极重要区。由评价结果可知，岳坪峰国家森林公园的重要区占比面积最大，其次为极重要区，一般重要区占比最小；筱溪国家湿地公园的一般重要区、重要区和极重要区的面积占比大致相同；白水洞国家地质公园的重要区面积占比最大，一般重要区与极重要区面积占比大致相等。一般重要区主要分布在保护地的东部，极重要区与重要区皆均匀分布在保护地中。

6.2 讨论

本研究在模型构建过程中，部分参数主要通过模型指南和国内相似地区研究成果结合本研究区的自然地理特征获得，可能存在一定误差，今后应加强外业实地监测调查，实现参数本地化评估结果的准确性。考虑到数据资料的获取难度，本文选取碳储存、水源涵养、土壤保持、生境质量4个生态系统服务功能指标进行研究，但研究不够全面，今后应充分考虑生态系统服务功能指标选取的全面性。

由于研究篇幅与时间的限制，本研究只对新邵县自然保护地的生态系统服务功能进行了重要性评价，在今后的研究中，可加入生态脆弱性评价等影响因子，以对保护地的生态保护重要性进行综合评价。