基于CA-Markov和InVEST模型的土地利用變化對生境影響評價
——以福建省福州新區為例

黃 康, 戴文遠,3, 黃萬里,3, 歐 惠, 胡航簫

(1.福建師范大學 地理科學學院, 福建 福州 350007; 2.福建師范大學 地理研究所, 福建 福州 350007;3.福建師范大學 濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室, 福建 福州 350007)

土地利用變化是在經濟社會變革和創新驅動下，與經濟社會發展階段轉型相適應的區域土地利用格局變化的過程。隨著城鎮化進程的快速發展，土地利用變化一直是全球變化與可持續發展研究的熱點之一[1-3]。在自然和人為等多方面驅動因素的綜合影響下土地利用發生變化，反之，土地利用變化也對生態系統中的物質交換與能量循環產生重要影響，進而影響生境質量和生態變化過程，最終改變生態系統的結構與功能[4]。因此，深入研究土地利用變化對生境質量的影響，對分析區域生態環境，促進區域可持續發展具有重要的意義。近年來生境質量評價多采用模型的方法[5-7]，其中采用最廣的是由美國斯坦福大學和世界自然基金會等機構研發的一種可以量化多種生態系統服務的InVEST模型，該模型具有數據需求量相對較小，結果可視化等特點。褚琳等[8]利用InVEST模型對2000—2010年遼寧省海岸帶景觀格局與生境質量變化進行了研究并分析了引起變化的原因。鄭宇等[9]采用InVEST模型分析昌黎縣土地利用及景觀格局的變化對生境質量產生的影響，但多數研究都只針對于研究區過去和現在的生境質量進行評價，對未來情況預測的研究較少。而CA-Markov模型[10-11]可以對未來的土地利用格局進行預測，通過將CA模型[12-13]和Markov模型[14]有機結合，既可以提高預測的精度，又可以更好地模擬土地利用格局的空間變化。井云清[15]等、吳晶晶[11]等運用CA-Markov模型分別對艾比湖濕地自然保護區和烏江下游地區的土地利用/覆被變化及預測進行了分析。但目前運用CA-Markov模型對土地利用變化模擬預測的研究多集中在較大區域尺度，而在中小區域尺度范圍內的研究較少。因此，本文以福建省福州新區為例，將CA-Markov模型的模擬預測能力以及InVEST模型的生境質量分析能力相結合，針對中尺度區域實現對生境質量變化與預測的研究。

國家級新區——福州新區既是推進福州大都市區向東面海發展的關鍵一環，又是兩岸交流合作的重要承載區、擴大對外開放重要門戶、東南沿海重要現代產業基地、改革創新示范區和生態文明先行區。根據《福州新區發展規劃》(初稿)，福州新區應堅持綠色發展理念，充分利用區內的生態優勢，走新型城鎮化的道路，建設生態宜居型新城區。但在新區發展過程中，無法避免的會造成生態用地的破壞以及生境質量的下降。因此，本文首先利用CA-Markov模型對福州新區內各土地利用類型的變化進行模擬和預測，深入分析其土地利用變化規律；其次通過InVEST模型對過去、現在和未來的生境質量進行評價，分析土地利用變化對生境產生的影響，為福州新區今后的發展建設提供科學依據。

1 研究區概況

福州新區于2015年經國務院批復成立，2016年被進一步確立為大眾創業萬眾創新示范基地。該區位于福州市濱海地區，地理坐標介于119°13′12″—119°42′47″E，25°20′41″—26°8′11″N，與臺灣北部隔海相望，對臺優勢明顯。初期規劃范圍包括馬尾區、倉山區、長樂區、福清市的部分區域，共涉及30個鄉鎮街道，規劃面積800 km2。新區屬典型的亞熱帶海洋性季風氣候，區內自然生態環境條件優越，景觀獨特，森林覆蓋率高，土壤肥沃，濕地資源豐富，海域遼闊，海岸線綿長，擁有江陰、松下等深水良港以及廣闊的潮間灘涂，具有綜合開發潛力。福州新區地處長三角與珠三角之間，區位條件優越，不僅是福州大都市發展新的經濟增長極，而且在深化對臺交流合作方面具有重要的戰略地位。福州新區近年來各項建設快速展開，城鎮化發展很快，在人類活動強烈的干擾下，土地利用變化顯著，對區內生態環境產生深刻影響。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究的土地利用數據來源于地理空間數據云2000年Landsat_ETM+和2015年Landat_OLI影像，分辨率為15 m×15 m。應用ENVI 5.0對兩期影像進行幾何校正，并在ecognition軟件支持下對其進行監督分類。參照全國土地利用分類體系(GB/T21010-2017)并根據研究區域的景觀特征，把研究區域的土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、建設用地、水域、海域、未利用地等7類。最后結合人工目視解譯，對數據進行查錯和修改，并利用Google Earth軟件進行精度的檢驗，兩期遙感影像解譯精度均在83%以上，分類精度達到要求，結合研究區實際情況建立了土地利用二級分類體系(表1)。

表1 研究區土地利用分類體系

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態變化的空間分析模型 傳統的單一土地利用動態度模型和綜合土地利用動態度模型都只考慮了一種土地利用類型轉換為另一種土地利用類型的單向變化過程，并沒有考慮到由其它土地類型轉變為該類型的變化過程。因此本研究利用劉盛和等[16]提出的土地利用變化的空間分析模型，其計算公式為：

TRLi=(LA(i,t1)-ULAi)/LA(i,t1)/(t2-t1)×100%

(1)

IRLi=(LA(i,t2)-ULAi)/LA(i,t1)/(t2-t1)×100%

(2)

CCLi={(LA(i,t2)-ULAi)+(LA(i,t1)-ULAi)}/

LA(i,t1)/(t2-t1)×100%=TRLi+IRLi

(3)

式中：TRLi， IRLi， CCLi——第i種土地利用類型在t1至t2期間的轉移速率、新增速率和變化速率； LA(i,t1)， LA(i,t2)——t1和t2時刻的第i種土地利用類型的面積； ULAi——研究期內第i種土地利用類型未變化部分的面積；t1，t2——研究初期和末期的時間。

根據各土地利用類型面積增加或減少將其劃分為擴張型和衰減型，結合各土地利用類型轉移速率與新增速率對比，進一步將其劃分為高速型、中速型和低速型。綜合考慮兩種劃分方式，對其進行排列組合共可產生6種類型，其計算公式與劃分方式(表2)為：

M=│Ti-Ni│/max(Ti,Ni)

(4)

式中：M——土地利用類型的變化類型的定量表示；Ti——第i種土地利用類型的轉移速率；Ni——第i種土地利用類型的新增速率。

表2 土地利用變化類型劃分

2.2.2 CA-Markov模型

(1) CA模型主要由空間、元胞、鄰域和轉化規則4個要素組成。在傳統的土地利用CA模型中，時間、空間和狀態被認為是離散的[17]。每個柵格都代表著一個元胞，每個元胞都代表著各自特定的狀態即土地利用類型，并且每一個元胞的狀態都會隨著鄰域狀態和轉化規則的變化而變化，CA模型可表達為：

S(t+1)=f[S(t),N]

(5)

式中：S——元胞空間即元胞有限、離散狀態的集合；f——元胞狀態的轉換規則函數；N——每個元胞的鄰域；t+1，t——兩個不同的時刻。

(2) 馬爾科夫預測是一種具有“無后效應”的隨機過程，即狀態轉移概率僅與轉移時的狀態、轉移步數、轉移后的狀態有關，而與轉移前的時刻無關。由于土地利用變化也具有類似馬爾科夫過程的性質，因此被廣泛應用于預測土地利用的動態變化[18]。其模擬土地利用變化的計算公式為：

S(t+1)=Pij×S(t)

(6)

式中：S(t+1)，S(t)——t+1時刻和t時刻的土地利用系統的狀態；Pij——狀態轉移概率矩陣。

(3) CA-Markov模型可以有機結合Markov模型長時間序列模擬預測的優勢和CA模型在模擬空間變化的優勢，可以較好地在數量和空間上對土地利用變化的時空格局進行模擬和預測[19]。在IDRISI軟件的支持下，利用轉移概率矩陣和轉換適宜性圖集實現模型的運算，并構建5×5的濾波器。CA濾波器通過確定元胞的鄰域創建具有顯著空間意義的權重因子，使其作用于元胞從而確定其狀態的改變。以2000年為基期年，迭代次數設為15次，得到2015年模擬的土地利用格局，并對其進行Kappa系數檢驗。最后再以2015年為基期年，迭代次數設為15次，最終得到2030年模擬的土地利用格局。

2.2.3 InVEST生境質量模型 InVEST生境質量模型中定義生境為“通過給定的有機體為生命體提供資源和生存及繁育條件的空間[20]”。該模型是通過建立威脅源與生境質量之間的聯系，綜合考慮威脅的相對影響(權重)、生境柵格與威脅之間的距離、柵格受法律保護的程度以及每一種生境類型對每一種威脅的相對敏感性等因素，計算威脅源對生境質量的負面影響，得到研究區域的生境退化程度與生境質量。具體計算過程為：

(7)

式中：R——威脅因子；y——威脅因子r柵格圖層的柵格數；Yr——威脅因子所占柵格數；ωr——威脅因子權重；ry——柵格y的威脅因子值(0或1)；irxy——柵格y的威脅因子值ry對生境柵格x的威脅水平；βx——柵格x的可達性水平取值0～1； 1表示極易達到，Sjr——生境類型j對威脅因子r的敏感程度；irxy通過下式得到:

(8)

(9)

式中：dxy——柵格x與柵格y之間的直線距離；drmax——威脅因子r的最大影響距離。

(10)

式中：Hj——地類j的生境適宜度；Dxj——地類j中柵格x的生境退化度；k——半飽和常數，即退化度最大值的1/2；z——模型默認參數。

運行生境質量模型需要的主要參數包括威脅因子影響的距離及其權重、生境對各威脅因子的適宜度和敏感性。根據模型推薦的參考值和研究區實際情況，將對自然環境影響程度較大的人工用地(建設用地)和半人工用地(耕地)作為威脅因子，其影響范圍和權重按照人類活動對自然環境影響程度，即人工用地>半人工用地進行賦值(表3)。參考InVEST模型的實例并結合Foresman[21]、肖明[22]、鞏杰[23]、吳季秋[24]等學者的研究，對各生境類型對威脅因子的適宜度與敏感性進行賦值(表4)。

表3 威脅因子的最大影響距離及其權重

表4 不同生境類型對不同威脅因子的敏感度

3 結果與分析

3.1 土地利用動態演變

根據土地利用變化空間分析模型對福州新區2000—2015年的土地利用變化程度的測算和變化類型劃分的結果(表5—6)可以看出： ①15 a間福州新區耕地的轉移面積最大，達7 047.27 hm2，占區域總體轉移面積的37.49%，是其他土地利用類型新增部分的主要來源。轉移速度明顯快于其他土地利用類型，接近其新增速度的3倍，且耕地的轉移速率遠大于其新增速率，屬于中速衰減型。但是由于耕地的基期面積在所有類型中最大，導致其變化速率以及轉移速率并不高。 ②建設用地的新增速度和速率在所有土地利用類型中都是最快的，其新增面積同樣也是最大的，且新增速率遠大于轉移速率，屬于高速擴張型。在研究期內，建設用地的新增面積占區域總體新增面積的61.52%，可見福州新區在15 a內經歷了較為劇烈的建設用地擴張。 ③未利用地是福州新區內變化最為劇烈的地類，其變化比例高達49.23%，遠高于其他土地利用類型。在研究期內，未利用地的轉移速率最快且新增速率僅次于建設用地，從而導致其轉移面積與新增面積相當，說明新區內對未利用地的使用和閑置程度都較高。 ④除林地和水域屬于中速衰減型外，草地和海域分別均屬于低速衰減型，其轉移速度和速率一般大于其同期的新增速度與速率，凈地面積在減少。其中林地和水域的衰減趨勢較為明顯，在轉移速率為1.34%和1.86%的同時新增速率只有0.37%和0.64%。

表5 福州新區2000-2015年土地利用動態變化率

表6 福州新區2000-2015年各類用地變化類型

注：M為土地利用類型的變化類型的定量表示。

3.2 CA-Markov預測結果

為提高CA-Markov模型的預測精度，本研究采用土地利用分類中的二級地類進行模擬預測，運用IDRISI模型中的Crosstab模塊對模擬結果與實際結果進行Kappa系數檢驗。其計算公式為：

Kappa=(Po-Pc)/(Pp-Pc)

(11)

式中：Po——正確模擬的比例；Pp——理想分類情況下的正確模擬比例；Pc——隨機情況下期望的正確模擬比例。通常，當Kappa≥0.75時，則說明模擬精度較高；當0.4≤Kappa≤0.75時，模擬精度一般；當Kappa≤0.4時，則精度較差。將2000年土地利用現狀圖與模擬結果進行對比，得到模擬結果對比數據(表7)。由模擬結果可知，968 637個柵格得到正確模擬，占總柵格數量的92.51%。2015年模擬值與實際值的總體Kappa系數達到0.957 2，遠大于0.75，并且各土地利用類型的Kappa系數均大于0.75。表明兩者一致性較高，變化相對較小，模擬結果可信。據此，本研究進一步模擬研究區2030年土地利用情況。

表7 福州新區2015年部分土地利用類型模擬Kappa系數

3.3 生境質量的時空演變特征

基于CA-Markov和InVEST模型得到研究區2000，2015和2030年的生境質量時空分布。生境質量指數在柵格圖層中是以0～1之間連續變化的值來體現，其值越接近1，則生境質量越好，越有利于生物多樣性的維持。為更好地比較研究區土地利用變化對生境質量的影響，將3期生境質量指數運算結果等距劃分為低(0～0.2)、較低(0.2～0.4)、中等(0.4～0.6)、較高(0.6～0.8)和高(0.8～1)5個級別，分別統計3期各等級生境質量柵格數及其所占百分比(圖1，表8)。結果表明： ①在時間上，研究區2000—2030年生境質量明顯下降。其中，2000年生境質量最好，中等及以上生境占62.33%，且低等級生境僅占17.50%。至2015年，中等及以上生境占比降至56.07%，雖然較低等級生境占比有所上升，但低等級生境占比顯著上升至29.48%。至2030年，生境質量進一步下降，低等級生境占比上升至41.23，而較低等級生境驟降為0，主要向低等級和中等級生境轉移。雖然2030年中等及以上生境占比達58.57%，較2015年有所上升，但不可忽視的是低等級生境占比增加了11.94%和高等級生境占比減少了6.45%。以上變化表明，2000—2030年研究區生境質量明顯退化，從土地利用及其轉移變化來看，其主要原因為2000—2030年建設用地和未利用地等生境適宜度較低的地類面積大大增加，而研究區內面積最大的耕地和生境適宜度較高的林地以及水體面積大量減少。 ②在空間上，研究區生境質量整體體現出由西北向東南逐漸遞增的趨勢。其中，北部地區生境退化較為嚴重，主要分布在馬尾鎮和城門鎮地區，上述地區與福州市中心緊密相連，主要受福州市中心建設用地向外擴張的影響；其次為瑯岐開發區，其位于閩江入海口處，2000—2015年生境退化并不顯著，至2030年，瑯岐開發區建設用地環島擴張趨勢明顯，同時影響閩江入海口處生境質量。中部地區以長樂機場向外擴散生境質量逐年降低，以低等和中等為主。雖然文武砂水庫保持著高等級的生境質量，但由于福州濱海新城東湖VR小鎮的建設導致其周邊生境質量已達到低等級。南部變化較為緩和，主要以江陰國際集裝箱碼頭為中心向外擴張以及侵占沿海灘涂和淺海水域導致生境質量逐年下降；江鏡鎮人工環境侵占相對較少仍然保持著高等級的生境質量；而高山鎮和東瀚鎮內分布著眾多丘陵，低生境分布較為零星，且根據預測結果，該地區中部分草地及耕地轉換為林地，生境質量有所上升。

圖1 福州新區生境質量空間分布(2000-2030年)

表8 福州新區2000-2030年不同等級生境質量比例

等級生境質量2000年柵格數/104所占比例/%2015年柵格數/104所占比例/%2030年柵格數/104所占比例/%低等0～0.218.327 317.5030.869 829.4843.375 441.43較低等0.2～0.422.046 721.0617.760 416.9600中等0.4～0.625.847 024.6924.710 523.6036.833 935.18較高等0.6～0.80.768 60.730.653 60.620.538 30.51高等0.8～137.713 536.0230.708 829.3323.955 522.88

3.4 生境質量變化原因分析

從上述分析可以看出，研究區2000—2030年生境質量呈明顯地下降趨勢。從土地利用的角度來看，研究區內主要的變化特征為建設用地的高速擴張以及生境質量較高的林地和水域的大量減少，草地和灘涂等中等生境適宜度的地類也有一定程度的減少。作為研究區生境質量威脅源的建設用地在研究期間急劇增長，特別是以長樂機場周邊擴張最為劇烈，不斷侵占生境適宜度較高的林地、水域、灘涂和草地，從而導致威脅源的面積不斷增加，其影響范圍也不斷擴張，導致研究區生境質量不斷下降。從地形的角度來看，福州新區背山面海，地形較為平坦，最高海拔僅為384 m，研究區內僅有北部的羅星街道和亭江鎮交界處、瑯岐開發區，中部的松下鎮以及南部的東瀚鎮內有少量丘陵地區。就地形而言其建設用地開發難度較小，不加以限制易造成無序擴張的狀態，而丘陵地區由于人類活動對其影響較小，因此一直保持著較高的生境質量。從生境質量的空間分布來看，生境質量指數在0.6以上的區域主要分布在北部的閩江河口，中部的文武砂水庫，南部的江鏡鎮沿海地區以及東瀚鎮的丘陵地區，閩江河口和文武砂水庫為福州市重要的濕地區域，特別是閩江口國家濕地公園，自然環境優越，是我國候鳥遷徙重要越冬地，生物多樣性豐富，同時政府十分重視對上述區域的生態保護，因此具有較高的生境質量。

4 討 論

本文將福州新區未來土地利用變化模擬預測結果與《福州新區總體規劃(2015—2030年)》的遠景用地布局規劃(以下簡稱“2030年用地規劃”)進行對比(圖2)，分析模擬預測結果與規劃之間的差異。結果表明，預測的2030年建設用地在空間分布上與2030年用地規劃基本相同，但在面積上存在一定的差距。2030年用地規劃顯示規劃建設用地面積將達41 398.31 hm2，占研究區總面積高達43.93%，而本研究預測的建設用地面積為31 169.21 hm2，二者相差11.83%，相當于2015年新區內所有林地的面積。按此規劃，2015—2030年建設用地增長速度將高達1 162.52 hm/a，遠遠大于2000—2015年的建設用地增長速度。同時，研究區北部擁有長樂海蚌省級自然保護區和文武砂水庫，生態價值重要，按照2030年用地規劃將對其生境造成嚴重影響。其次，新區內由于各類建設用地的擴張，將導致生境質量明顯下降，除河流海域等地類以外，2030年大部分區域生境質量均在中等級以下范圍。因此，為對新區的生態環境進行保育，避免生境質量向更嚴重的情況退化，建議將2030年用地規劃中的建設用地邊界作為限制建設區邊界，將預測結果作為允許建設區邊界，提高建設用地的集約利用程度，以期達到經濟、社會和生態效益的綜合提高，建設生態型新城區。

圖2 福州新區2030年模擬與規劃建設用地對比

5 結 論

(1) 從土地利用變化空間分析模型和變化類型的劃分結果可以看出，研究區耕地、林地和水域與建設用地分別屬于中速衰減型和高速擴張型，衰減速度和擴張速度均較大；雖然未利用地面積變化較小，但由于其轉移與新增速度和速率相當，導致其變化最為劇烈；草地和海域均屬于低速衰減型，衰減速度較低。

(2) 從對模擬精度的檢驗結果看，研究區各二級地類的Kappa系數均超過0.750 0，且新區總體的Kappa系數高達0.957 2，模擬結果可信度較高。

(3) 2000—2030年，福州新區由于大量生境質量高的地類轉化為生境質量較低的建設用地以及土地利用強度和圍墾強度加大，威脅源數量增多，威脅范圍更廣，導致生境質量退化嚴重。