基于InVEST模型的生境質量評估
——以橫斷山小江流域為例

徐建寧， 孫建國， 陳海鵬

(1.蘭州交通大學測繪與地理信息學院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省地理國情監測工程實驗室，甘肅蘭州 730070；3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；4.中國科學院陸地表層格局與模擬重點實驗室，北京 100101)

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基于InVEST模型的生境質量評估
——以橫斷山小江流域為例

徐建寧1,2,3,4， 孫建國1,2*， 陳海鵬1,2,3,4

(1.蘭州交通大學測繪與地理信息學院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省地理國情監測工程實驗室，甘肅蘭州 730070；3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；4.中國科學院陸地表層格局與模擬重點實驗室，北京 100101)

摘要[目的]評估橫斷山小江流域生境質量，為改善流域生態環境和優化土地利用現狀提供理論支持。[方法]采用InVEST模型，利用道路、農田、城市、鄉鎮及土地利用等數據，從生物多樣性的角度，對橫斷山區小江流域的生境質量進行了量化評估，并分析其空間分布特征和區域差異。[結果]①受人類活動的影響，小江流域生境質量普遍偏低，流域中部區域退化嚴重。②土地利用類型和覆被對生境質量有很大的影響作用，還林還草政策可有效的緩解流域生境惡化現象。③小江流域生境質量具有明顯的垂直空間異質性，生態環境的保護和社會經濟的發展要因地制宜。[結論]該研究可為小江流域的生態保護和可持續發展提供科學依據和規劃指南。

關鍵詞生境質量；InVEST模型；小江流域；垂直空間異質性

生境質量與人類福祉息息相關，是人類賴以生存和發展的基礎[1]。工業革命以來，社會和經濟進入了新的發展階段，人類的生存方式以及對生活所需物質的要求也發生著翻天覆地的變化[2]。人類在對自然資源和生態環境的開發和利用中，只看重其市場經濟價值和直接使用價值，而低估甚至忽略了對生境質量的保護，導致生態環境結構和功能發生了巨大的變化[3]。引起一系列生態問題的發生，反過來又影響人類社會和經濟的發展，對人類福祉產生重要的影響，成為人類社會可持續發展的主要障礙[4-6]。評估生境質量是生態環境保護和自然資源合理利用的基礎，對維持自然系統的平衡和區域的可持續發展具有非常重要的意義。

在這種背景下，生境質量逐漸成為國內相關研究的熱點。歐陽志云等綜合生物因子、物理因子和人為因子，創建了生境質量結構理論模型，評估了臥龍大熊貓自然保護區的生境質量[7]。林生對昌化江流域的重金屬含量和水質情況進行了調查取樣，基于水功能反映了流域生境質量情況，提出生態保護措施和管理對策[8]。程晉南等通過計算生態環境狀況指數的方法對生境質量進行評估[9]。但上述研究方法所需數據量較大，不易獲取。InVEST模型生物多樣性模塊從生物多樣性的角度對生境質量進行量化評估，模型數據量需求較低，具有很強的空間分析能力。

隨著城市的發展和人類活動的增強，小江流域的生態安全問題日益突出、不容忽視，是一個典型的生境質量退化區。因此，筆者選擇小江流域為研究區，針對小江流域的生境質量問題，引入InVEST模型生物多樣性模塊，分析其空間分布特征和區域差異性，為改善流域生態環境和優化土地利用現狀提供理論支持。

1研究區概況

小江流域位于云南省東北部，東經102°52′～103°22′，北緯25°32′～26°35′，發源于滇東北高原的尋甸縣，自南而北流經尋甸縣、昆明市東川區和會澤縣注入金沙江，主溝長141.93 km，流域面積3 044.4 km[10]。小江流域地形高差懸殊，最高海拔4 289 m，最低海拔694 m(圖1)。因此，該區域具有豐富的土壤、生物資源和獨特的氣候特征，主要表現出干濕季節分明和垂直差異顯著。

圖1　小江流域地理位置示意Fig.1　Location of Xiaojiang watershed

小江流域是一個典型又復雜的生態環境脆弱區。近年來，隨著小江流域的發展，人類經濟活動不斷擴向山區，過度的利用和亂砍濫伐等不合理利用自然資源的行為，造成生境質量變差、森林植被破壞明顯，導致流域生態環境問題日益加劇。據統計，流域森林覆蓋面積約占總面積的1/5，加之海拔高差懸殊，為山體滑坡、泥石流等自然災害提供了有利的地形條件。導致河流生態功能受損，造成了嚴重的水土流失，阻礙小江流域生態經濟建設。給當地的城鎮、村落、道路、礦場、農田和水利工程等造成嚴重災害，威脅人民的生命財產安全[11]。提高生境質量是小江流域生態環境保護的首要目標，也是社會經濟發展的基礎。

2研究方法

2.1InVEST模型InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型是由自然資本項目支持開發的、免費開源的、可用以量化多種生態系統服務的評估模型[12]。迄今為止，InVEST模型已經發布了21個版本，包括9種海洋生態系統服務和7種淡水及陸地生態系統服務的評估模塊。目前在國內外得到廣泛的應用，許多學者結合實際工作，利用模型在生態系統服務功能和生境質量的研究中取得大量的進展[13-16]。

生境質量保護的一個主要目標是保護生物多樣性。針對小江流域的生態環境特點，筆者基于ArcGIS 10.2軟件，利用InVEST模型生物多樣性模塊，結合土地覆被/土地利用和生物多樣性威脅因素的信息生成生境質量圖。InVEST模型生物多樣性模塊所需數據較易獲取，從生物多樣性的角度評估生境質量，主要包括外界威脅強度和不同土地利用類型對威脅源的敏感性兩方面。模型認為生物物種豐富，自然環境條件好，受威脅源影響較低的地區，其生境質量就高。該生境質量的概念實際上是生態系統能夠提供物種生存繁衍條件的潛在能力。

模型上每個柵格都賦予一種土地利用類型，對于每一個評估的景觀，模型都需要整個景觀上威脅因素的密度圖(或強度)。例如，城市、道路、農業區和鐵路是某土地利用類型生境質量保持的威脅因素，模型就需要數據疊加這些威脅圖層。基于以上因素，模型使用這些威脅數據圖層來評估不同土地利用類型的生境質量退化程度。威脅源具有一定的屬性，并對地塊的生境質量產生影響。主要包括：

(1)威脅能力，指各威脅圖層對生境影響的范圍[17]。威脅源能力越強，它的相對影響得分越高，其對生境的破壞性就比其他威脅類型更強。例如，城市面積在降低周圍生境質量方面是農業面積的2倍。

(2)敏感性。每一種生境類型對每一種威脅源的相對敏感性都可能不同。敏感性越強，其土地利用類型單元的抗干擾能力越低，生境板塊質量變差[18-19]。例如，假定土地利用類型對威脅越敏感，土地利用類型單元的退化度越大。

(3)地塊單元與威脅源之間的距離。通常，隨著柵格與威脅源距離的增加，威脅的程度呈指數或線性減小，因此距離威脅最近的那些柵格單元將受到較大的影響。

生境的退化來源于外界的威脅，因此，生境質量是基于威脅源的強度和敏感性來評價的。生境質量指數的計算公式如下：

(1)

其中，Qxj土地利用類型j上柵格x的生境質量指數；Dxj是土地利用類型j上x柵格受到的威脅水平；Hj表示生境適合性；k和z為尺度參數(常數)[14]。

生境質量指數的高低，反映了在威脅源的影響下，生境質量的好壞和土地利用類型的破碎化程度；得分高的地塊，說明其生態系統結構穩定，生境質量好；得分低的地塊，其抗干擾能力較差，生態環境容易受到破壞。

2.2數據處理將土地利用類型分為7大類，包括林地、草地、水田、旱地、城鎮用地、水體和荒地。同時，根據野外調研和農戶訪談，確定城市、鄉鎮、農田、公路、農村道路和泥石流做為小江流域生境質量的威脅源。同時，參考《InVEST模型用戶手冊》，得到各威脅源對生境影響的范圍(km)、各威脅源的權重(0～1)、各威脅類型的脅迫能力隨距離的遞減類型(線性遞減和指數遞減)和不同土地利用類型對威脅類型的敏感性指數。確定威脅源的最大威脅距離為3km，考慮到與流域相鄰的外部區域也會對流域的生境質量產生影響，因此將流域范圍外擴3km。基于收集到的矢量數據，進行柵格轉換、重采樣等處理，得到各威脅源的威脅圖層(圖2)。

圖2　生境質量威脅要素Fig.2　The threaten source of habitat quality

3結果與分析

3.1小江生境質量的空間分布基于整理和處理好的數據，得到威脅類型表和土地利用類型對各威脅源的敏感性表，輸入各威脅圖層和土地利用數據，運行InVEST模型生物多樣性模塊，輸出小江流域生境質量圖層。如圖3所示：小江流域生境質量普遍較低，平均生境質量指數為0.519。高值區域分布在流域南部和北部區域，植被覆蓋豐富，抗干擾能力強，生境質量較好。在流域中部區域，受公路、城鎮和農田等威脅因子的干擾較強，生境退化度高，生境質量較差。尤其在河谷地區受泥石流影響嚴重，其生境質量最差。

圖3　生境質量空間分布Fig.3　Spatial distribution of habitat quality

3.2不同土地利用類型的生境質量由表1可知，小江流域林地和草地的生境質量最高，生境指數分別為0.678和0.616；林地和草地的植被覆蓋度最高，抗干擾能力強，對生境質量的保護具有非常重要的作用。旱地和城鎮用地的生境指數分別為0.200和0.158。由于受人類活動影響嚴重，植被覆蓋度低、生境質量最低。泥石流的爆發對流域的生境質量產生很大的影響，導致水域的生境質量較低，水域的生境質量指數為0.312。荒地和水田的生境質量指數分別為0.350和0.293，荒地的土地覆被度低、水田受人類活動影響是生境質量偏低的主要原因。可見，保水保土工程的建設和退耕還林還草政策的繼續推行對流域生境質量的提高起著不可忽視的作用。同時，了解不同土地利用類型的生境質量指數情況，可為土地利用規劃提供科學的理論依據。

表1　不同土地利用類型的生境質量指數

3.3生境質量的垂直空間異質性根據植被覆蓋情況，將小江流域劃分為4個垂直帶譜(圖4)：海拔1 600 m以下的河谷為干熱河谷稀樹草叢帶，草地、耕地和裸地所占面積比例較大；海拔1 600～2 800 m的山地為山地常綠闊葉林與針葉林帶，主要土地利用類型為林、草地和耕地；海拔2 800～3 300 m山地為亞高山針葉林帶，主要土地利用類型為草地和林地；海拔3 300 m以上山地為高山灌叢草甸帶，以草地、耕地和裸地為主。按照小江流域的海拔高度，每200 m劃分為一高度等級，統計小江流域各生態系統服務功能在不同高度等級的平均值。

圖4　小江流域垂直帶譜Fig.4　Vertical band spectrum of Xiaojiang watershed

由于InVEST模型計算所得的生境質量指數不是正態分布的。該研究采用ArcGIS 10.2的自然分類法，將生境質量分為3級：高(>0.61)、中(0.48～0.61)、低(<0.48)，以清晰表達不同海拔區域生境質量的差異性。如圖5所示，在干熱河谷帶，人類活動頻繁，生產生活區域和泥石流大都集中在該帶譜，導致生境退化程度高，生境質量差。隨著海拔的上升、地勢變陡，在亞高山針葉林帶，植被覆蓋度增強，道路和耕地逐步減少，生境質量變好。到高山灌叢草甸帶，地勢變緩，植被由林地轉為草地，生境質量呈緩慢下降的趨勢。小江流域的生境質量具有明顯的垂直空間異質性。

圖5　不同海拔高度的生境質量指數Fig.5　Habitat quality index of different altitude condition

4結論與討論

生境質量評估對人類可持續發展和自然環境的保護具有重要意義。該研究以生態環境質量問題日益突出的小江流域為例，引入InVEST模型生物多樣性模塊，基于土地利用數據和威脅源數據，從生物多樣性的角度，量化了小江流域的生境質量，采用生境質量指數評估了流域的生態環境現狀。結果表明：

(1)小江流域的平均生境質量指數為0.519，生境質量普遍較低。

(2)小江流域生境質量受人類活動影響嚴重。在人類活動頻繁的流域中部區域，生境質量退化明顯。在流域南部和北部區域，人類活動減少，生境質量逐步變好。要提高流域生境質量，首先要協調人地關系，減少人類對自然資源的不合理利用行為，禁止亂砍濫伐和過度放牧，以保護為主、發展為輔的原則，合理開發資源，走可持續發展的道路。

(3)土地利用類型對生境質量也有重要影響，保水保土工程的實施和退耕還林還草政策的落實是小江流域生態保護和發展的必經之路。

(4)流域生境質量具有明顯的垂直空間異質性，應因地制宜地保護生態環境，提高流域生境質量。在河谷地帶應加大生境保護力度，堅持保護和發展并行原則，在不破壞生態環境的基礎上，提高山區的經濟水平。

InVEST獨特的運行控制方式為生境質量的研究開拓了視野，但也存在一些缺陷。模型中土地利用類型上所有的威脅都是簡單相加的，但有些情況下，多種威脅的總影響遠遠大于各種影響的算術和[14]。同時，生態環境質量不光包括生物的多樣性，水源涵養和土壤保持等生態系統服務功能也

起著非常重要的作用。因此，對InVEST模型水源涵養、土壤保持和碳儲存等其他模塊的使用有待于進一步深入研究。

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作者簡介徐建寧(1991- )，男，甘肅慶陽人，碩士研究生，研究方向：自然地理。*通訊作者，教授，博士，從事自然地理綜合研究。

收稿日期2016-04-18

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)15-105-04

Habitat Quality Evaluation Based on InVEST Model—A Case Study of Xiaojiang Watershed of Hengduan Mountains

XU Jian-ning1,2,3,4,SUN Jian-guo1,2*,CHEN Hai-peng1,2,3,4

(1.Faculty of Geomatics,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou,Gansu 730070; 2.Gansu Provincial Engineering Laboratory for National Geographic State Monitoring,Lanzhou,Gansu 730070; 3.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101; 4.Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101)

Abstract[Objective] The aim was to evaluate habitat quality of Xiaojiang watershed of Hengduan Mountains,to provide theoretical support for improving eco-environment and optimizing land use status.[Method] The InVEST model was used to quantify and evaluate the habitat quality in Xiaojiang watershed of Henduan Mountains by using theland use data,including roads,farmlands,cities and towns.In addition,the spatial distribution features and regional differences were analyzed.[Result] The results showed that:① The habitat quality was generally low and the heavily degraded area was in the center of the river basin.②Land use and land cover type had a significant impact on habitat quality,and the strategy of returning the grain plots to forestry and grass had mitigated the deterioration of habitat quality effectively.③ The habitat quality in Xiaojiang watershed showed the heterogeneity of vertical space.The protection of ecological environment and development of social economy should be acted according to local conditions.[Conclusion] The study can provide scientific basis and planning guidance for ecology protection and sustainable development of Xiaojiang watershed.

Key wordsHabitat quality; InVEST model; Xiaojiang watershed; Heterogeneity of vertical space