地球科学进展

地球科学进展 ›› 2025, Vol. 40 ›› Issue (3): 228 -242. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2025.022

青藏高原综合科学考察研究 上一篇    下一篇

基于InVEST模型的年楚河流域生态系统格局与水源涵养服务关系研究
高小源1(), 龙芊芊2,3()   
  1. 1.中国科学院青藏高原研究所，北京 100101
    2.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610299
    3.中国科学院大学，北京 101408
  • 收稿日期:2024-05-13 修回日期:2024-09-18 出版日期:2025-03-10
  • 通讯作者: 龙芊芊 E-mail:xzhbgxy@126.com;lqq@imde.ac.cn
  • 基金资助:
    第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0201)

Relationship Between Ecosystem Patterns and Water Conservation Services in the Nianchu River Basin Based on the InVEST Model

Xiaoyuan GAO1(), Qianqian LONG2,3()   

  1. 1.Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
    2.Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610299, China
    3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China
  • Received:2024-05-13 Revised:2024-09-18 Online:2025-03-10 Published:2025-05-07
  • Contact: Qianqian LONG E-mail:xzhbgxy@126.com;lqq@imde.ac.cn
  • About author:GAO Xiaoyuan, research areas include resource industrial economics, water ecological environment protection and restoration. E-mail: xzhbgxy@126.com
  • Supported by:
    the Second Tibetan Plateau Scientific Expedition and Research Program(2019QZKK0201)
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研究生态系统格局与水源涵养服务的关系对促进生态系统管理和保护水源供给具有重要意义。以青藏高原南缘的年楚河流域为研究区，基于InVEST模型、景观生态学理论和Pearson相关系数，探索了年楚河流域2010年、2015年和2020年生态系统格局与水源涵养服务的相关关系。结果表明：①草地占比超过78%，裸地面积稳定但与草地有活跃的双向转移。②2010—2020年，草地的斑块面积占比、平均斑块面积和聚集度指数最高；裸地斑块形状最不规则，森林斑块密度增加，城镇持续扩张。③2010年、2015年和2020年的水源涵养总量分别为2.72亿m3、0.95亿m3和2.47亿m3，草地的贡献率接近80%。④水源涵养量与复合生态系统的斑块密度、边缘密度、斑块形状指数、修正的Simpson多样性指数和修正的Simpson均匀度指数呈正相关，与平均斑块面积和聚集度指数呈负相关；草地的斑块面积占比和平均斑块面积与水源涵养量呈负相关，而冰川的斑块面积占比和平均斑块面积与水源涵养量呈正相关。综上所述，草地主导了年楚河流域的生态系统格局，其破碎化程度与水源涵养服务呈正相关，不同类型的生态系统格局与水源涵养服务之间的关系表现出显著差异，可以为区域生态系统管理和水资源保护提供科学依据。

关键词: 生态系统格局, 水源涵养服务, InVEST模型, 年楚河流域, Pearson相关系数

Studying the relationship between ecosystem patterns and water conservation services is important for promoting ecosystem management and protecting the water supply. Based on the InVEST model, landscape ecology theory, and Pearson correlation coefficient analysis, this study explored the relationship between ecosystem patterns and water conservation services in the Nianchu River Basin during 2010—2020. The study yielded several interesting results: ① Grasslands account for more than 78% of the area, with stable bare land but active bidirectional transitions with grasslands. ② From 2010 to 2020, there was a slight increase in the fragmentation level of the composite ecosystem patterns within the basin. Grassland had a significantly higher Percentage of Landscape (PLAND), Mean Patch Size (MPS), and Aggregation Index (AI) than other ecosystem types. Bare land exhibited the most irregular patch shapes. Forest showed the most significant increase in Patch Density (PD) and a slight decrease in MPS. Urban areas expanded continuously. ③ The total water conservation services for 2010, 2015, and 2020 were 272 million m3, 95 million m3, and 247 million m3, respectively, with grasslands contributing nearly 80% of the total. ④ There is a significant correlation between the composite ecosystem pattern and water conservation services. Water conservation services are positively correlated with PD, Edge Density (ED), Landscape Shape Index (LSI), Modified Simpson’s Diversity Index (MSIDI), and Modified Simpson’s Evenness Index (MSIEI) but negatively correlated with MPS and AI. However, the correlations between different types of ecosystem patterns and water conservation services show significant variations. For example, PLAND and MPS are negatively correlated with water conservation services for grasslands but positively correlated with glaciers. In summary, grasslands dominate the ecological patterns of the Nianchu River Basin, and their degree of fragmentation is positively correlated with water conservation services. Furthermore, the relationships between different types of ecological patterns and water conservation services exhibit significant differences. This study provides a scientific basis for regional ecosystem management and water resource protection.

Key words: Ecosystem patterns, Water conservation services, InVEST model, Nianchu River Basin, Pearson correlation coefficient

中图分类号: 

图1 年楚河流域地理位置概况
Fig. 1 Geographical overview of the Nianchu River Basin
表1 数据来源及精度
Table 1 Data source and resolution
数据来源分辨率
降水量国家青藏高原科学数据中心1 km×1 km
潜在蒸散发量国家青藏高原科学数据中心1 km×1 km
数字高程模型地理空间数据云30 m×30 m
土地利用类型中国科学院资源环境科学与数据中心30 m×30 m
土壤类型和植被可利用水率Harmonized World Soil Database1 km×1 km
土壤饱和导水率HiHydroSoil v2.0 Database500 m×500 m
表2 景观格局指数含义及计算方法
Table 2 Meaning and calculation method of landscape pattern index
景观格局指数含义计算方法单位景观水平类型水平
斑块密度（Patch Density，PD）单位面积上的斑块数量，斑块密度越大，景观破碎化程度越高PD=NA个/hm2√√
边缘密度（Edge Density，ED）斑块被边界分割的程度，值越大，景观破碎化程度越高ED=EA×104m/hm2√√
景观形状指数（Landscape Shape Index，LSI）斑块的形状复杂程度，值越大，斑块形状越复杂LSI=0.25×EA无量纲√√
平均斑块面积（Mean Patch Size，MPS）反映斑块的平均大小MPS=AN×104hm2√√
修正的Simpson多样性指数（Modified Simpson’s Diversity Index，MSIDI）反映景观在结构组成上的多样性，随着斑块类型的增多而增加MSIDI=- ln∑i=1mPi2无量纲√—
修正的Simpson均匀度指数（Modified Simpson’s Evenness Index，MSIEI）反映景观由少数几种类型斑块控制的程度，不同类型的斑块面积越接近时，均匀度越高MSIEI=-∑i=1m(PilnPi)lnm无量纲√—
聚集度指数（Aggregation Index，AI）斑块的聚合分布程度AI=∑i,k=1mgiimaxgikPi×100%√√
斑块面积占比（Percentage of Landscape，PLAND）不同类型斑块的面积比例PLAND=∑j=1naijA×100%—√
表3 地表径流系数和植被蒸散系数
Table 3 The surface flow rate coefficient and the vegetation evapotranspiration coefficient
土地利用类型地表径流系数植被蒸散系数
耕地9000.610
林地2490.905
高覆盖度草地3000.856
中覆盖度草地4000.856
低覆盖度草地5000.856
水域2 0120.151
冰川/积雪8000.151
城镇2 0120
裸地6000.605
图2 年楚河流域2010年、2015年和2020年各类型生态系统面积
Fig. 2 Area of different ecosystems of the Nianchu River Basin in 2010， 2015， and 2020
图3 年楚河流域2010年、2015年和2020年生态系统空间分布
Fig.3 Spatial distribution of ecosystems of the Nianchu River Basin in 2010， 2015， and 2020
图4 年楚河流域2010—2015年、2015—2020年和2010—2020年生态系统面积转移弦图
Fig. 4 Ecosystems transfer chord diagram of the Nianchu River Basin in 2010-2015， 2015-2020， and 2010-2020
图5 年楚河流域2010年、2015年和2020年复合生态系统景观格局指数
PD：斑块密度；ED：边缘密度；LSI：景观形状指数；MPS：平均斑块面积；MSIDI：修正的Simpson多样性指数；MSIEI：修正的Simpson均匀度指数；AI：聚集度指数
Fig. 5 Composite ecosystems landscape pattern index of the Nianchu River Basin in 2010， 2015， and 2020
PD：Patch Density；ED：Edge Density；LSI：Landscape Shape Index；MPS：Mean Patch Size； MSIDI：Modified Simpson’s Diversity Index；MSIEI：Modified Simpson’s Evenness Index； AI：Aggregation Index
图6 年楚河流域2010年、2015年和2020年各类型生态系统景观格局指数
PLAND：斑块面积占比；PD：斑块密度；ED：边缘密度；LSI：景观形状指数；MPS：平均斑块面积；AI：聚集度指数
Fig. 6 Landscape pattern indices by different type of ecosystem of the Nianchu River Basin in 2010， 2015， and 2020
PLAND： Percentage of Landscape； PD： Patch Density； ED： Edge Density； LSI： Landscape Shape Index； MPS： Mean Patch Size； AI： Aggregation Index
图7 年楚河流域2010年、2015年和2020年水源涵养年际总量
Fig. 7 Interannual total of water conservation of the Nianchu River Basin in 2010， 2015， and 2020
表4 降水量和潜在蒸散发量的年均值及其与水源涵养量的相关系数
Table 4 Annual mean values of precipitation and potential evapotranspiration and their correlation coefficients with water conservation services
时间年均值相关系数
平均降水量/mm平均潜在蒸散发量/mm降水量潜在蒸散发量
2010年283.72819.660.80***0.27
2015年209.80790.170.68***-0.01
2020年269.05780.060.77***0.24
图8 年楚河流域2010年、2015年和2020年水源涵养量空间分布情况
Fig. 8 Spatial distribution of water conservation of the Nianchu River Basin in 2010， 2015， and 2020
图9 年楚河流域2010年、2015年和2020年各类型生态系统平均水源涵养量和贡献率
Fig. 9 Average water conservation services and contribution rate of different types of ecosystems of the Nianchu River Basin in 2010， 2015， and 2020
图10 年楚河流域复合生态系统格局与水源涵养量的Pearson相关系数分析
PD：斑块密度；ED：边缘密度；LSI：景观形状指数；MPS：平均斑块面积；MSIDI：修正的Simpson多样性指数；MSIEI：修正的Simpson均匀度指数；AI：聚集度指数
Fig. 10 Pearson correlation coefficient analysis of composite ecosystem patterns and water conservation in the Nianchu River Basin
PD： Patch Density； ED： Edge Density； LSI： Landscape Shape Index； MPS： Mean Patch Size； MSIDI： Modified Simpson’s Diversity Index； MSIEI： Modified Simpson’s Evenness Index； AI： Aggregation Index
图11 年楚河流域各类型生态系统格局与水源涵养量的Pearson相关系数分析
PLAND：斑块面积占比；PD：斑块密度；ED：边缘密度；LSI：景观形状指数；MPS：平均斑块面积；AI：聚集度指数
Fig. 11 Pearson correlation coefficient analysis of different ecosystem patterns and water conservation in the Nianchu River Basin
PLAND： Percentage of Landscape； PD： Patch Density； ED： Edge Density； LSI： Landscape Shape Index； MPS： Mean Patch Size； AI： Aggregation Index
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