基于InVEST模型山西省土地利用變化的生物多樣性功能研究

杜世勛榮月靜

(山西省生態(tài)環(huán)境研究中心，山西 太原 030000)

引言

生物多樣性服務(wù)功能的研究是目前國內(nèi)外生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)，土地利用變化影響生物多樣性受到了極大的關(guān)注。Carolina Rojas等［1］分析拉丁美洲2000年到2010年通過分析影響土地利用的地理要素，來分析城市化影響土地利用變化，人造林、森林采伐、農(nóng)業(yè)廢棄對生物多樣性造成壓力，結(jié)果對拉丁美洲戰(zhàn)略環(huán)評和可持續(xù)管理提供參考;Alain Billionnet［2］運(yùn)用數(shù)學(xué)優(yōu)化方法研究針對土地利用景觀破碎化，入侵物種影響以及遺傳多樣性的維護(hù)等方面進(jìn)行研究生物多樣性的多方面;A.Barbati［3］等通過對歐洲森林監(jiān)測，得到2000－2010年歐洲森林土地利用面積顯著增加，但是森林生境和森林類型損失嚴(yán)重來研究生物多樣性功能;國內(nèi)楊德偉等［4］研究區(qū)域土地利用的結(jié)構(gòu)和功能，尤其是濕地和沼澤地土地利用結(jié)構(gòu)變化，來達(dá)到保護(hù)生物多樣性的作用。吳建國等［5］探討了分別研究土地利用變化如何影響基因多樣性、物種多樣性和土地利用多樣性三個(gè)方面，為土地利用變化影響生物多樣性的研究提供了全面的基礎(chǔ);劉振生等s［6］運(yùn)用MAXENT模型，采用土地利用利用、地形因子等驅(qū)動因子，對賀蘭山巖羊生境適宜性進(jìn)行研究，得出巖羊偏愛于山勢陡峭地帶，并建議減少礦區(qū)和道路等人為干擾因素，以此來提高巖羊的生境質(zhì)量;李雙成等［7］運(yùn)用GARP生態(tài)位模型研究云南縱向嶺谷入侵物種紫莖澤蘭空間分布預(yù)測，得出紫莖澤蘭主要分布在河流谷底一些海拔比較低的區(qū)域，在海拔比較高的局部高山?jīng)]有分布，為云南縱向嶺谷地區(qū)生物多樣性管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

研究生物多樣性服務(wù)功能中生境適宜性的研究對動植物的生境環(huán)境保護(hù)具有重要的意義，前人運(yùn)用MAXENT模型和GARP模型研究生物生境適宜分布具有較好的效果，主要從物種分布和起驅(qū)動因子的角度研究，本文運(yùn)用InVEST模型的Biodiversity模塊，從土地利用分布，威脅因子圖層，生態(tài)保護(hù)圖層，土地利用對威脅因子的敏感性等方面研究生物的生境分布特征，這對于大尺度、中尺度和小尺度區(qū)域生物多樣性功能的研究提供方便，準(zhǔn)確的科學(xué)方法。

1 研究區(qū)概況

山西省位于太行三以西，黃河以東，地處華北平原的西北側(cè)，屬于黃河中游的河?xùn)|區(qū)。地理坐標(biāo)為東經(jīng)110°14'42″～114°33'17″，北緯34°34'58″～40°44'30″。山西省，有山地、丘陵、高原、臺地、盆地、河谷多種地形地貌。山西省主體為一個(gè)黃土覆蓋，起伏較大的山地型高原，有山地、丘陵、高原、臺地、盆地、河谷多種地形地貌。山西省生態(tài)系統(tǒng)主要以旱地為主，近十年土地利用變化為草叢向落葉闊葉灌木林和落葉闊葉林的轉(zhuǎn)變，山西省植被恢復(fù)較好，生態(tài)環(huán)境逐步改善。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有：①基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，包括山西省各縣市邊界等，來自于國家測繪地理信息局;②土地利用類型數(shù)據(jù)，包括2000年和2010年兩期土地利用類型，采用全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000－2010年)遙感調(diào)查與評估項(xiàng)目的解譯結(jié)果;土地利用類型的分類根據(jù)研究目的，參照全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000－2010年)遙感調(diào)查與評估項(xiàng)目，土地類型分類，包括6大類共21種小類土地利用類型，包括森林(落葉闊葉林、常綠針葉林、落葉闊葉灌木林等)，草地(草甸、草叢、草本綠地等)，濕地(河流、湖泊、水庫坑塘、運(yùn)河水渠等);農(nóng)田(旱地、水田等)，建設(shè)用地(居住地、廠礦、交通用地等)，未利用地(裸巖、裸土、稀疏林和稀疏草地等)。③山西道路數(shù)據(jù)，包括國道、省道、高速公路和鐵路數(shù)據(jù)，來自于國家測繪地理信息局。④山西省高程數(shù)據(jù)，來自于美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯(lián)合測量SRTM數(shù)據(jù)，分辨率為30m。

2.2 研究方法

InVEST模型［8］(the integrate valuation of ecosystem services and tradeoffs too1)是由美國斯坦福大學(xué)、世界自然基金會和大自然保護(hù)協(xié)會聯(lián)合開發(fā)的土地利用服務(wù)功能評估工具。

InVEST模型的生物多樣性模型用生境質(zhì)量好壞代表生物多樣性的持續(xù)性、恢復(fù)能力，InVEST模型中的生物多樣性評價(jià)模型需要輸入基準(zhǔn)土地覆蓋圖(Baseline Land CoverMap)、當(dāng)前土地覆蓋圖(Current Land Cover Map)、威脅因子(Threats Data)、威脅因子圖層(Threat Layers)、地類對于威脅因子的敏感度(Sensitivity of Land Cover Types to Each Threat)以及保護(hù)程度(Accessibility to Sources of Degradation)。Biodiversity模型得到生境質(zhì)量指數(shù)和生境退化指數(shù)結(jié)果。評價(jià)模塊運(yùn)算以柵格數(shù)據(jù)作為評價(jià)單元，本文所有柵格大小為30m。Biodiversity模型得到生境質(zhì)量指數(shù)和生境退化指數(shù)結(jié)果，其原理為：

(1)生物生境質(zhì)量指數(shù)

生物生境質(zhì)量主要是從區(qū)域生境質(zhì)量、生境稀缺性兩個(gè)方面評價(jià)區(qū)域生物多樣性維持功能，采用生境質(zhì)量指數(shù)評價(jià)生境質(zhì)量計(jì)算方法：

式中：Qxj是土地利用與土地覆蓋j中柵格x的生境質(zhì)量;Dxj是土地利用與土地覆蓋或生境類型j柵格x的生境脅迫水平：

柵格y中脅迫因子r(ry)對柵格x中生境的脅迫作用為irxy：

dxy為柵格x與柵格y之間的直線距離，drmax是脅迫因子r的最大影響距離;Wr為脅迫因子的權(quán)重，表明某一脅迫因子對所有生境的相對破壞力;βx為柵格x的可達(dá)性水平，1表示極容易達(dá)到;S為土地利用與土地覆蓋(或生境類型)j對脅迫因子r的敏感性，該值越接近1表示越敏感;K是為半飽和常數(shù)，當(dāng)1－(/+kz)=0.5時(shí)，k值等于D值;Hj為土地利用與土地覆蓋j的生境適合性。

(2)生境退化指數(shù)

生境退化度與生境中各地類距離生態(tài)威脅因子的遠(yuǎn)近空間位置關(guān)系、地類對于威脅因子的敏感程度以及威脅因子的數(shù)量等因素緊密相關(guān)。這主要是基于InVEST模型中這樣的假設(shè)，即認(rèn)為在一個(gè)土地利用中地類對于威脅因子的敏感性程度越高，則該威脅因子對地類退化程度的影響也就越大。生境退化程度的計(jì)算公式如下：

生境退化度=∑1n(敏感性分布圖層×威脅強(qiáng)度分布圖層×權(quán)重值)

3 研究結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化與轉(zhuǎn)移

3.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)

2000年到2010年期間，各土地利用類型均發(fā)生著變化，主要表現(xiàn)為，山西省土地利用結(jié)構(gòu)中，主要以旱地為主，2000年和2010年分別占山西省域面積的37.61%和37.23%，2000年到2010年旱地面積減少597.28km2，旱地的分布受地形影響很大，主要分布在地勢比較平坦的區(qū)域，如運(yùn)城西北部和南部地區(qū)，臨汾南部地區(qū)，晉城的東北部;其次是草地土地利用的草叢，草叢減少8600.39km2，2000年和2010年分別占山西省域面積的34.46%和28.97%，比例下降15.92%;然后是森林土地利用，2000年和2010年分別占山西省域面積的22.97%和28.47%，其中，2000年落葉闊葉灌木林占12.60%，落葉闊葉林占8.05%，常綠針葉林占2.29%，2010年落葉闊葉林占14.22%，落葉闊葉灌木林占11.22%，常綠針葉林占2.97%，十年間落葉闊葉林和常綠針葉林面積有所增長，增長面積分別為9685.34km2和1071.04km2，落葉闊葉灌木林減少面積為2155.68km2;然后是建設(shè)用地土地利用，2000年和2010年分別占山西省域面積的3.77%和4.09%，居住地、工業(yè)用地和交通用地面積增加，采礦點(diǎn)面積減少。

表1 2000－2010年山西省各土地利用類型面積和比例變化

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)化

山西省2000年到2010年土地利用轉(zhuǎn)換過程中，草叢逐漸地演替為落葉闊葉灌木林的面積最大為10163.50km2，主要分布在忻州的五臺縣、岢嵐縣，晉中的左權(quán)縣、和順縣和昔陽縣，臨汾的安澤縣，長治的沁源縣和平順縣，大同的靈丘縣，臨汾的安澤縣，朔州的右玉縣和平魯區(qū)，陽泉的盂縣等地區(qū)，這些地區(qū)植被在不斷恢復(fù)，說明山西省的植被恢復(fù)較好，生態(tài)環(huán)境逐漸被改善;其次是落葉闊葉灌木林轉(zhuǎn)變?yōu)槁淙~闊葉林，面積為6981.90km2，主要分布在晉中的和順縣和左權(quán)縣，太原的陽曲縣，忻州的五臺縣和寧武縣，陽泉的盂縣，長治的沁源縣，晉城的沁水縣等地區(qū)，說明植被經(jīng)過十年的自然生長，森林植被覆蓋度也在不斷增長;然后是落葉闊葉灌木林轉(zhuǎn)變?yōu)椴輩玻娣e為4827.80km2，主要分布在晉中市的壽陽縣和榆次區(qū)東部地區(qū)，說明這些地區(qū)由于人類頻繁的活動，經(jīng)過反復(fù)砍伐，大量的植被遭到破壞所致。草叢轉(zhuǎn)變?yōu)槁淙~闊葉林面積為2895.77 km2，分布在忻州的五臺縣、岢嵐縣、呂梁的呂梁山一帶地區(qū)、運(yùn)城的中條山一帶和晉中市東部地區(qū);落葉闊葉灌木林轉(zhuǎn)化為常綠針葉林面積為975.95 km2，主要分布于長治市的沁源縣、平順縣和壺關(guān)縣，晉城市的沁水縣和陵川縣地區(qū)等。

3.2 生物多樣性功能評價(jià)

3.2.1 威脅因子敏感度

土地利用中每一個(gè)土地利用類型受威脅的敏感度不同，敏感度的大小主要是依據(jù)生態(tài)學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)的基本理論及保護(hù)生物多樣性的基本原則來確定的。查閱相關(guān)文獻(xiàn)［9－11］，依據(jù)InVEST 2.6.5 Beta User's Guide中生態(tài)威脅因子劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合山西省的生態(tài)環(huán)境實(shí)際情況，在生物多樣性模型中為各土地利用類型對于威脅因子敏感度賦值，取值范圍為0～1，并且依照生態(tài)學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)中生物多樣性保護(hù)的一般性要求，森林、草地和濕地等天然土地利用類型敏感度較高，耕地、建設(shè)用地等人工土地利用類型敏感度較低，裸土裸巖等未利用地敏感度最低。對于各土地利用類型自然屬性(Habitat)一列的賦值是依據(jù)而確定的，將天然地類和人工地類分別賦值為1、0，其認(rèn)為人為管理因素能增強(qiáng)環(huán)境的自我修復(fù)能力，從而降低生境地類對生態(tài)威脅因子影響的敏感度，具體如表2所示。

3.2.2 威脅因子圖層

對生物多樣性造成威脅的圖層包括耕地、城鎮(zhèn)、工業(yè)用地、鐵路、高速公路、國道和省道等因子，查閱相關(guān)文獻(xiàn)的研究分析［12，13］，考慮山西省城鎮(zhèn)交通工具限制和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，并參照InVEST 2.6.5 Beta User's Guide中研究成果，定義威脅因子的最大影響距離、權(quán)重及衰退線性相關(guān)性指數(shù)具體如表3所示。

表2 境類型對生態(tài)威脅因子敏感度

表3 生態(tài)威脅因子屬性

3.2.3 保護(hù)程度圖層

在我國，土地政策實(shí)行社會主義土地公有制，土地所有權(quán)歸國家和農(nóng)民集體所有。故在本文中所提的法律準(zhǔn)入度表示的是在當(dāng)前的各項(xiàng)政策、法律、法規(guī)、條例及其實(shí)施辦法下，對于該地類的生態(tài)環(huán)境保護(hù)程度，模型對受國家最高法律保護(hù)的地雷，賦值為1。

圖1 山西省保護(hù)程度分布圖

本文參照InVEST模型的設(shè)置辦法來設(shè)置保護(hù)程度等級分值，本文基于生態(tài)價(jià)值及環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，將研究區(qū)域內(nèi)的自然保護(hù)區(qū)、自然與人文風(fēng)景名勝區(qū)域、地質(zhì)公園等保護(hù)程度要高，如陽城莽河獼猴自然保護(hù)區(qū)、歷山自然保護(hù)區(qū)、蘆芽山自然保護(hù)區(qū)、五鹿山自然保護(hù)區(qū)、龐泉溝自然保護(hù)區(qū)、黑茶山自然保護(hù)區(qū)等國家級自然保護(hù)區(qū)、濕地公園和重要濕地等設(shè)為1，主要包括落葉闊葉林、落葉闊葉灌木林和常綠針葉林等土地利用;省級濕地公園和重要濕地等設(shè)為0.8，主要包括河流、湖泊、大型水庫等土地利用;剩余的小片森林和草叢的地類，屬于既無人保護(hù)也無人管理的地類，設(shè)為0.2。本文以2000年土地利用類型矢量為基準(zhǔn)，在其屬性表對應(yīng)地類中設(shè)置保護(hù)性程度等級分值，再導(dǎo)出矢量層，得到保護(hù)程度因子層。

3.2.4 評價(jià)結(jié)果

(1)生境質(zhì)量指數(shù)

按照arcgis分類的quantile(分位法)自動分類，將生境質(zhì)量指數(shù)分為極重要生境(0.996～1)、高度生境(0.984～0.996)、中度生境(0.475～0.984)、一般生境(0～0.475)，非生境(0)五類。

由表4可以看出，山西省2000－2010年非生境的面積最大，占到整個(gè)省域面積的42%以上，其次是極重要的生境，占省域面積的19%以上，然后依次為一般生境、中度生境和高度生境。其中，極重要生境和高度生境面積共減小0.19萬km2，比例減小1.21%，非生境面積減小0.01萬km2，比例減小0.06%，中度生境和一般生境面積共增加0.2萬km2，比例增加1.27%。

(2)生境退化指數(shù)

按照arcgis分類的quantile(分位法)自動分類，將生境退化指數(shù)分為極嚴(yán)重退化(70.020～995.848)、高度退化(31.120～70.020)、中度退化(3.890～31.120)、輕度退化(0～3.980)和無退化五類(0)。

表4 山西省2000－2010年生境質(zhì)量分布面積和比例

表5 山西省2000和2010年生境退化分布面積(萬km2)和比例(%)

由表5可以看出，山西省2000－2010年處于中度退化的面積最大，占到整個(gè)省域面積的35%以上，其次是高度退化，占省域面積的20.45%，其次為極重要退化、無退化和輕度退化。其中，山西省極嚴(yán)重退化比例變化最大，從2000年的17.48%增加到2010年的17.61%，增加比例為0.13%，主要分布在國道、省道和高速公路以及城鎮(zhèn)中心周圍，這主要說明這些區(qū)域由于交通用地和城市用地的增加，生態(tài)用地轉(zhuǎn)化為了非生態(tài)用地，生境適宜度急劇下降，導(dǎo)致極嚴(yán)重退化區(qū)域增加;高度退化生境減少比例為0.05%，主要分布在極嚴(yán)重退化區(qū)域周邊，這主要是由于道路和城鎮(zhèn)逐漸向城市外圍擴(kuò)張所致;中度退化生境減少比例為0.08%，輕度退化生境減少比例為0.32%，無退化生境比例增加0.31%，主要分布在山西省生態(tài)環(huán)境較好的區(qū)域，如五臺山、太行山、呂梁山、中條山等內(nèi)部與周邊。

4 結(jié)論分析

(1)山西省土地利用類型主要以旱地為主，占山西省國土面積的37%以上，旱地的分布受地形影響很大，主要分布在地勢比較平坦的區(qū)域，如運(yùn)城西北部和南部地區(qū)，臨汾南部地區(qū)，晉城的東北部;其次是草叢土地利用，占山西省域面積的30%左右;然后是森林土地利用，覆蓋率達(dá)到22%以上，包括落葉闊葉灌木林、落葉闊葉林和常綠針葉林。然后是建設(shè)用地土地利用，約占山西省國土面積的4%左右。2000年到2010年，草叢面積大量減少，落葉闊葉林和常綠針葉林面積有所增長，落葉闊葉灌木林面積有所減少，旱地面積也有所減少，居住地、工業(yè)用地和交通用地面積增加，采礦點(diǎn)面積減少。

(2)山西省2000年到2010年土地利用變化主要為草叢轉(zhuǎn)換落葉闊葉灌木林，落葉闊葉灌木林轉(zhuǎn)換為落葉闊葉林，以及落葉闊葉灌木林轉(zhuǎn)換為草叢等，這說明了山西省進(jìn)行草地與森林的相互轉(zhuǎn)化，使得山西省部分地區(qū)由于草叢逐漸轉(zhuǎn)為落葉闊葉林和落葉闊葉灌木林使得生態(tài)環(huán)境恢復(fù)較好，如忻州的五臺縣、岢嵐縣，晉中的左權(quán)縣、和順縣和昔陽縣，臨汾的安澤縣等;而部分地區(qū)由于人類頻繁的活動，經(jīng)過反復(fù)砍伐，大量的植被遭到破壞所致;生態(tài)環(huán)境質(zhì)量趨于下降，如晉中市的壽陽縣和榆次區(qū)東部地區(qū)。

(3)山西省2000年到2010年生境質(zhì)量的分布和變化情況為：非生境的面積最大，占到整個(gè)省域面積的42%以上，其次是極重要的生境，占省域面積的19%以上，然后依次為一般生境、中度生境和高度生境。其中，極重要生境和高度生境面積共減小0.19萬km2，比例減小1.21%，非生境面積減小0.01萬km2，比例減小0.06%，中度生境和一般生境面積共增加0.2萬km2，比例增加1.27%，山西省極重要的生境和高度生境逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸壬澈鸵话闵?，表明山西省雖然近十年大量草叢轉(zhuǎn)換為落葉闊葉灌木林，但由于道路、城鎮(zhèn)和工業(yè)用地等威脅因子的阻隔，生境環(huán)境質(zhì)量有退化趨勢，非生境轉(zhuǎn)化為中度生境和一般生境，是由于山西省近十年植被的修復(fù)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提升起到一定的作用。

(4)山西省2000年到2010年生境退化的分布和變化情況為：中度退化的面積最大，占到整個(gè)省域面積的35%以上，其他其次是高度退化，占省域面積的20.45%，其次為極重要退化、無退化和輕度退化。其中，極嚴(yán)重退化面積增加，主要分布在國道、省道和高速公路以及城鎮(zhèn)中心周圍，無退化生境面積增加，主要分布在山西省生態(tài)環(huán)境較好的區(qū)域，如五臺山、太行山、呂梁山、中條山、汾河、沁河等周圍，高度退化、中度退化和輕度退化生境面積減少，主要分布在極嚴(yán)重退化區(qū)域周邊;綜上，山西省十年來生境退化的趨勢為極嚴(yán)重退化和無退化面積增加，高度退化、中度退化和輕度退化面積減小，說明山西省在道路和大型工程的建設(shè)周邊，生境退化嚴(yán)重，在生態(tài)環(huán)境較好的山脈和河流周邊，生境退化較緩慢甚至逐漸有改善趨勢。

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