基于InVEST模型的安徽省蕪湖市生境質(zhì)量對土地覆被變化的響應(yīng)

文/程 鵬 匡丕東 王在高 吳 楠（安徽省環(huán)境科學(xué)研究院）

一、研究背景

人類活動主導(dǎo)的建設(shè)用地擴張對生境質(zhì)量的脅迫和景觀格局的改變等議題已被廣泛關(guān)注。近年來已有許多學(xué)者利用HIS 模型[1]、主成分分析和熵權(quán)法[2，3]等不同方法來研究土地覆被變化對生境質(zhì)量所造成的影響。其中，由美國斯坦福大學(xué)、大自然保護協(xié)會和世界自然基金會共同開發(fā)的InVEST 模型中的生境質(zhì)量模塊（Habitat Quality）應(yīng)用較為廣泛，例如：謝余初等[4]選取區(qū)域生境質(zhì)量、植物凈初級生產(chǎn)力和景觀狀態(tài)指數(shù)為評價指標，構(gòu)建區(qū)域景觀尺度上生物多樣性空間格局綜合評估方法；趙夢雨[5]在 ArcGIS 和Fragstats 軟件的支持下分析了咸陽市2000—2010 年間的土地利用和景觀格局變化特征，證明生境質(zhì)量變化的驅(qū)動力主要是土地利用格局的轉(zhuǎn)變。

蕪湖市地處長江下游，屬北亞熱帶和中亞熱帶的交接地帶，水資源、土地資源、動植物資源、礦產(chǎn)資源和旅游資源均較為豐富。蕪湖交通便捷，是華東水陸交通的樞紐。近年來，蕪湖市經(jīng)濟發(fā)展突飛猛進，經(jīng)濟總量居安徽省第二，僅次于省會合肥。快速的經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程對其市域內(nèi)原始生態(tài)環(huán)境造成了較大的壓力。20 世紀90 年代以來，由于人類活動的高強度脅迫，部分野生動物數(shù)量減少，如梅花鹿、野山羊已經(jīng)絕跡[6]。本文基于InVEST 模型進行1995—2018 年蕪湖市生境質(zhì)量對土地覆被變化的響應(yīng)研究，從時間和空間兩方面分析蕪湖市土地覆被變化與生境質(zhì)量之間的關(guān)系和變化趨勢，以期為蕪湖市生態(tài)保護和土地覆被開發(fā)政策提供科學(xué)依據(jù)，同時為其他安徽省長江沿線城市的資源利用和土地規(guī)劃提供參考。

表1 土地覆被分類體系

二、研究區(qū)概況

蕪湖市位于安徽省東南部，地處長江下游，地理坐標介于東經(jīng)117°40'至 118°44'、北緯 30°19'至31°34'之間，南倚皖南山系，北望江淮平原。蕪湖北與合肥、馬鞍山毗鄰，南與宣城、池州接壤，東與馬鞍山、宣城相連，西與銅陵交界。蕪湖地勢南高北低，地形呈不規(guī)則長條狀；地貌類型多樣，平原丘陵皆備，河湖水網(wǎng)密布。蕪湖市東部和北部為沖積平原，間有洼地，有少數(shù)丘陵，地勢低平，西部和南部多山地。

蕪湖市下轄4 個市轄區(qū)、3 個縣，代管1 個縣級市，總面積6026km2。截至 2018 年底，全市常住人口374.8 萬人，比上年增加5.2 萬人。城鎮(zhèn)化率 65.54%[7]。2019 年，蕪湖市實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值3618.26 億元，同比增長8.2%，高于安徽省平均水平0.7 個百分點。其中第一產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)增加值146.57 億元，同比增長3.1%；第二產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)增加值1756.87億元，同比增長9.6%；第三產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)增加值1714.82 億元，同比增長7.1%。

三、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.數(shù)據(jù)來源

本研究采用 1995 年、2005 年和2018 年土地覆被數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn） 的中國土地覆被現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)以美國陸地衛(wèi)星Landsat TM/ETM+遙感影像數(shù)據(jù)作為主信息源，通過人工目視解譯獲取，空間分辨率為30m， 地 理 坐 標 系 為GCS_Krasovsky_1940，投影坐標系采用Albers 正軸等面積割圓錐投影。土地覆被類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6 個一級類型以及25 個二級類型（詳見表1）。蕪湖市境內(nèi)未涉及的地類包括：草地中的中覆蓋度草地和低覆蓋度草地；水域中的灘涂和永久性冰川雪地；未利用地中除裸土地之外的其他未利用地類型。數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云的GDEM 30m 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，地理坐標系為GCS_WGS_84，投影坐標系采用UTM 等角橫軸割圓柱投影。

蕪湖市各類禁止開發(fā)區(qū)涉及省級及以上級別，共包括四大類[8]。禁止開發(fā)區(qū)邊界的矢量數(shù)據(jù)來源于各省直管理部門。其中，自然保護區(qū)、森林公園和風(fēng)景名勝區(qū)邊界來源于林業(yè)部門，水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)邊界來源于畜牧水產(chǎn)局。各矢量數(shù)據(jù)空間參考與土地覆被數(shù)據(jù)保持一致。

在ArcGIS 中進行數(shù)據(jù)相關(guān)的地理配準、裁剪、合并、疊加、屬性表賦值、分類以及分區(qū)統(tǒng)計處理；在InVEST 中進行模型運行，所需參數(shù)來源于國內(nèi)外已有研究成果和相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜掖蚍郑黄渌麛?shù)據(jù)統(tǒng)計及計算等均在Excel 中完成。

2.研究方法

（1）土地覆被變化。在ArcGIS軟件中，首先將3 期土地覆被數(shù)據(jù)分別進行各地物類型面積統(tǒng)計，將各地物類型進行兩兩做差，計算出各地物類型的面積變化情況；其次，將兩期土地覆被數(shù)據(jù)進行合并疊加計算，得出兩期土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣，利用土地覆被轉(zhuǎn)移矩陣計算出各土地類型相互的轉(zhuǎn)化方向和面積。為了進一步了解土地覆被動態(tài)變化的強度，在此基礎(chǔ)上，采用轉(zhuǎn)移概率矩陣模型[9]，計算公式如下：

（2）InVEST 生境質(zhì)量模型。In-VEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）是美國自然資本項目組開發(fā)的、用于評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能量及其經(jīng)濟價值、支持生態(tài)系統(tǒng)管理和決策的一套模型系統(tǒng)，它包括陸地、淡水和海洋三類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型[10]。目前，自然資本項目組開發(fā)的InVEST 模型已在20 多個國家和地區(qū)的空間規(guī)劃、生態(tài)補償、風(fēng)險管理、適應(yīng)氣候變化等環(huán)境管理決策中得到廣泛應(yīng)用。

InVEST 生境質(zhì)量模塊的原理是利用不同土地覆被類型的脅迫因子敏感度和外界威脅強度，考慮脅迫因子的影響距離、空間權(quán)重及土地受法律保護程度等因素，將生境質(zhì)量視為一個連續(xù)變量，在進行評估時充分考慮了土地覆被方式和土地覆被格局變化對生境質(zhì)量的影響，即生境質(zhì)量好的區(qū)域，其生物多樣性水平亦高，生境質(zhì)量差的區(qū)域，其生物多樣性水平則低。具體計算過程如下：

式中，Dxj為生境類型 j 中 x 柵格的生境退化度；R 為威脅源個數(shù)；Wr 為威脅源 r 的權(quán)重；Yr為威脅源的柵格數(shù)；ry為柵格 y 的脅迫值；βx為威脅源對柵格x 的可達性（受法律保護的區(qū)域內(nèi)，該值大于0 小于1，保護越嚴，值越小；其余區(qū)域為1）；Sjr為生境類型 j 對威脅源 r 的敏感度；irxy為柵格y 的脅迫值ry對柵格x 的脅迫水平，分為線性和指數(shù)兩種作用，分別見式（3）、（4）。

式中，dxy為柵格 x 與柵格 y 的直線距離；drmax為威脅源r 的最大脅迫距離。在此基礎(chǔ)上計算生境質(zhì)量：

式中，Qxj為生境類型 j 中 x 柵格的生境質(zhì)量指數(shù)；Hj為生境類型j的生境適宜度，值域為[0，1]；k 為半飽和常數(shù)，取最大生境退化度（由模型運算一次得到）的一半，通常設(shè)為0.5；z 為歸一化常量，通常設(shè)為 2.5。

本研究利用InVEST 3.6.0 版本模型中的生境質(zhì)量模型對蕪湖市1995—2018 年由于土地覆被變化帶來的生境質(zhì)量影響進行研究和分析，參照相關(guān)領(lǐng)域高校和科研院所專家的研究，將4 類禁止開發(fā)區(qū)疊加后取并集，綜合賦可達性參數(shù)βx值為0.2。最大脅迫距離、權(quán)重、衰減類型（見表2）、不同生境類型的適宜度及其對脅迫因子敏感度（見表3）。

表2 威脅源及其最大脅迫距離、權(quán)重和衰減類型

表3 生境適宜度及其對不同威脅源的相對敏感程度

進一步對三期土地覆被數(shù)據(jù)進行重分類、柵格轉(zhuǎn)矢量、矢量轉(zhuǎn)柵格、柵格計算、屬性表賦值等操作，提取目標值為1，其他都賦值0，提取出耕地、城鎮(zhèn)用地、工礦用地、農(nóng)村居民點作為InVEST 模型影響生境質(zhì)量的威脅源并確定各威脅源的

四、結(jié)果與分析

1.土地覆被變化

(1)各地物類型面積變化。三個時期土地覆被類型占比（見表4）最高的均為耕地，分別占蕪湖市總面積的 70.45%（1995 年）、69.71%（2005 年）和 65.94%（2018 年），其次是林地，占比最少的是未利用地，其中1995 年和2005 年未利用地占比均為0，2018 年未利用地占比也僅有0.01%。1995—2018 年增長最多的是建設(shè)用地，占地面積共增加了4.64%，面積翻了將近一倍；減少最多的是耕地，占地面積共減少了4.51%；林地面積占比也有所減少，呈逐年下降趨勢，到2018 年共減少了0.16%；水域和草地面積占比都經(jīng)歷了先增加后減少的過程，不同的是，草地2018 年面積占比相較于1995 年保持持平，而水域面積占比共增加了2.56%。1995 年到2005年這十年間，除了水域面積占比增長較大，其他地物類型變化幅度較小，整體土地覆被類型變化趨勢平穩(wěn)；而2005 年到2018 年地物類型變化劇烈，以耕地面積占比減少以及建設(shè)用地面積占比增加為主要變化趨勢。

表4 各時期各土地覆被類型占比情況

（2）各地物類型互相轉(zhuǎn)化情況。根據(jù)表 5 分析，1995—2018 年耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地面積高達307.87km2，在所有轉(zhuǎn)化中面積最多；耕地轉(zhuǎn)化為水域的面積也有39.99km2，這是水域面積增加的主要來源；耕地與林地、耕地與草地之間相互轉(zhuǎn)化基本持平；林地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積為12.52km2，是林地轉(zhuǎn)出的主要類型之一；未利用地的轉(zhuǎn)入也主要來源于林地；建設(shè)用地轉(zhuǎn)出最多的是耕地，面積為46.01km2，約占1995 年建設(shè)用地面積的14%，但是耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積遠遠高于建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為耕地的面積。

圖1 蕪湖市1995—2018 年土地覆被及變化

表5 1995—2018 年土地覆被類型的轉(zhuǎn)移矩陣（km2）

表6 各時期生境質(zhì)量等級占比及變化

（3）各地物類型變化分布情況。根據(jù)圖1 分析，蕪湖市的土地覆被類型以耕地為主，其次為林地，耕地在蕪湖市范圍內(nèi)廣泛分布，其中以無為市分布最多；林地主要分布在南陵縣和繁昌縣，無為市和蕪湖縣也有所分布；建設(shè)用地主要分布在鏡湖區(qū)、鳩江區(qū)和弋江區(qū)，這也是蕪湖市的主城區(qū)；水域則廣泛分布于蕪湖全市境內(nèi)。耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地現(xiàn)象在全市范圍普遍存在，其中以鏡湖區(qū)、鳩江區(qū)、弋江區(qū)、三山區(qū)和蕪湖縣最為活躍；耕地與林地之間的相互轉(zhuǎn)化多發(fā)生在林地分布較多的南陵縣和繁昌縣，林地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地也多分布于這兩縣；耕地轉(zhuǎn)化為水域多分布在無為市、蕪湖縣和繁昌縣，其他區(qū)縣也有少量分布。

2.生境質(zhì)量變化

（1）生境質(zhì)量隨時間變化分析。將歷年的相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入InVEST 模型中運行模擬，得到蕪湖市1995、2005、2018 年的生境質(zhì)量分布，計算各時期生境質(zhì)量平均值。為直觀展示出各個時期的生境質(zhì)量狀況以及比較各個時期生境質(zhì)量的變化情況，在ArcGIS 中將三期生境質(zhì)量分布結(jié)果柵格數(shù)據(jù)進行重分類處理并用自然斷點法將其分類為“優(yōu)”（0.8～1）、“ 良 ”（0.6～0.8）、“ 中 ”（0.4～0.6）、“較差”（0.2～0.4）和“差”（0～0.2）5 個等級，統(tǒng)計各個時期各等級的占比（詳見表6）。

從時間角度分析，蕪湖市生境質(zhì)量平均值分別為1995 年的0.4844、2005 年的 0.4819 和 2018 年的0.4655，三期都處于“中”等級且呈單邊下降趨勢，1995—2018 年平均值下降了3.9 個百分點。蕪湖市1995 年和2005 年生境質(zhì)量等級占比規(guī)律一致，占比按從高到低依次為：“較差”＞“優(yōu)”＞“良”＞“差”＞“中”；2018 年與前兩期相比，“差”與“良”的占比順序發(fā)生了顛倒，即：“較差”＞“優(yōu)”＞“差”＞“良”＞“中”。蕪湖三期“較差”等級均超過了65%，使得蕪湖市的生境質(zhì)量整體處于“中”等水平，其原因：一方面蕪湖市的土地覆被類型以耕地為主，耕地的生境質(zhì)量適宜度較低，而且耕地也是威脅地區(qū)生境質(zhì)量的因素之一；另一方面是建設(shè)用地的快速擴張侵占了生境適宜度較高的林地而使林地面積下降。在等級占比變化方面，三期“良”“中”兩個等級占比變化甚微，“優(yōu)”等級占比減少0.2%，變化較小，“較差”等級變化較大，占比減少了4.51%，而減少的占比并未向“優(yōu)”“良”“中”等級轉(zhuǎn)化，而是向“差”等級轉(zhuǎn)化，這也導(dǎo)致“差”等級占比增加了 4.64%，2018 年“差”等級的占比比1995 年“差”等級的占比增加了近一倍。

（2）生境質(zhì)量空間變化分析。從空間分布角度分析，蕪湖市生境質(zhì)量空間分布規(guī)律大致呈南部＞中部＞西部＞東部＞北部。由于生境質(zhì)量與區(qū)域本底的生境適宜度關(guān)系最為密切，而林地、草地和水域的生境適宜度指數(shù)高于耕地，因此由In-VEST 模擬得到的生境質(zhì)量分布與區(qū)域主導(dǎo)的土地覆被類型具有較高的一致性。蕪湖市的林地分布主要集中在南部和中部，東北部為蕪湖市主城區(qū)，因此蕪湖市生境質(zhì)量大致呈現(xiàn)上述規(guī)律分布。在ArcGIS 10.3 中將生境質(zhì)量指數(shù)柵格數(shù)據(jù)與蕪湖市鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊界矢量數(shù)據(jù)進行套疊并分區(qū)統(tǒng)計，得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)和縣（市、區(qū)）的三期生境質(zhì)量指數(shù)平均值，通過后期減前期的方式得到各時期內(nèi)的生境質(zhì)量變化情況。生境質(zhì)量變化范圍是-1～1，值越接近1 說明該區(qū)域生境質(zhì)量越向好發(fā)展，值越接近于-1 說明該區(qū)域生境質(zhì)量越向差發(fā)展（見圖2）。

根據(jù)分區(qū)統(tǒng)計結(jié)果，1995、2005、2018 年在蕪湖大市范圍內(nèi)僅有繁昌縣達到了“良”等級，無“優(yōu)”等級的縣（區(qū)、市）。其他市區(qū)縣方面，1995 年和2005 年生境質(zhì)量等級保持一致，“中”等級的是無為市、鳩江區(qū)、南陵縣、蕪湖縣、三山區(qū)和弋江區(qū)，“較差”等級的是鏡湖區(qū)，無“差”等級；2018 年，“中”等級的縣（區(qū)、市）由6 個減少到3 個，分別是無為市、三山區(qū)和南陵縣，鳩江區(qū)、弋江區(qū)和蕪湖縣下降為“較差”等級，鏡湖區(qū)下降為“差”等級。生境質(zhì)量下降的區(qū)域多集中在蕪湖市市轄區(qū)和各縣（區(qū)、市）中心城區(qū)以及礦產(chǎn)資源豐富地區(qū)。造成上述區(qū)域生境質(zhì)量等級下降的原因可能是：一方面，隨著蕪湖市經(jīng)濟的高速發(fā)展，各種經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和工業(yè)聚集區(qū)規(guī)劃相繼出臺并實施，市轄區(qū)和各縣（區(qū)、市）中心城區(qū)需要大量土地用于城區(qū)建設(shè)、工業(yè)發(fā)展和居住，生境適宜度較高的土地覆被類型被侵占；另一方面，在礦產(chǎn)資源豐富的縣（區(qū)、市），礦產(chǎn)開采導(dǎo)致建設(shè)用地需求量增加且一定程度上破壞了周邊的植被和環(huán)境。

圖2 蕪湖市1995—2018 年生境質(zhì)量及變化

五、結(jié)論及建議

1995—2018 年蕪湖市土地覆被類型變化以耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化為主，耕地面積減少271.55km2，除了“退耕還林、還湖”政策的實施使得耕地面積減少，還有相當一部分耕地被建設(shè)用地侵占，建設(shè)用地在23年間增加了278.89km2，代替水域成為繼耕地和林地后蕪湖第三大土地覆被類型。

1995—2018 年“退耕還林、還湖”政策得到了有效的實施，分別有37.88km2和39.99km2的耕地轉(zhuǎn)化為林地和水域，部分區(qū)域生境質(zhì)量得到了改善，但與此同時又有39.06km2的林地和40.14km2的草地被重新開墾為耕地，導(dǎo)致部分區(qū)域生境質(zhì)量下降。

1995—2018 年，蕪湖市生境質(zhì)量水平整體呈“中”等級，且持續(xù)下降，在蕪湖市建成區(qū)、各市縣中心城區(qū)以及礦產(chǎn)資源豐富區(qū)域，由于建設(shè)用地侵占其他土地覆被類型，導(dǎo)致上述區(qū)域周邊生境質(zhì)量下降明顯。

建設(shè)用地是對生境質(zhì)量威脅程度最大的土地覆被類型，建設(shè)用地的增長必然加速區(qū)域內(nèi)生境質(zhì)量的下降。蕪湖市在未來的國土空間規(guī)劃中，需要優(yōu)化森林、濕地、農(nóng)田、建設(shè)用地等景觀格局，提高建設(shè)用地利用效率，配備必要的生態(tài)用地，加強礦產(chǎn)資源開發(fā)的生態(tài)監(jiān)管和生態(tài)保護、修復(fù)，將礦產(chǎn)資源重點開發(fā)區(qū)、鼓勵開發(fā)區(qū)和限制開發(fā)區(qū)[11]的生態(tài)保護工作作為重點之一，對礦產(chǎn)資源禁止開發(fā)區(qū)要加強日常監(jiān)管力度，防止偷采盜采現(xiàn)象發(fā)生。要嚴守生態(tài)保護紅線、環(huán)境質(zhì)量底線和資源利用上線，編制生態(tài)環(huán)境準入清單，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，在遏制生境質(zhì)量持續(xù)下降勢頭的基礎(chǔ)上，逐年提高區(qū)域生境質(zhì)量指數(shù)。

另外，蕪湖市在進一步實施“退耕還林、還湖”的同時，可運用遙感監(jiān)測等手段高效率、大范圍地對毀林草湖復(fù)墾的現(xiàn)象加以監(jiān)管，加強自然生態(tài)保護和修復(fù)，禁止采伐森林和毀壞植被，增加天然林面積，逐步提高生境適宜度較高的土地覆被類型面積占比，從而提升區(qū)域生境質(zhì)量。

六、研究展望

本文僅聚焦于生境質(zhì)量對土地覆被變化單一要素的響應(yīng)，考慮到廣義生境質(zhì)量豐富的內(nèi)涵，在蕪湖市域的定量分析結(jié)論具有一定局限性。可將InVEST 模型與其他參數(shù)進行結(jié)合，例如稅燕萍[12]等將InVEST模型與NDVI 指數(shù)相結(jié)合，評估了拉薩河流域1990—2015 年的生境質(zhì)量時空變化，結(jié)果表明，NDVI 對生境質(zhì)量變化的影響更為顯著。下一步，還可以結(jié)合水源涵養(yǎng)、水土保持、植被凈初級生產(chǎn)力等因素，更加全面綜合地評估土地覆被變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)所帶來的影響。