基于InVEST模型的生境質量評價與生態旅游規劃應用

王曉琦 吳承照

同濟大學建筑與城市規劃學院 上海 200092

生態旅游的概念由世界自然保護聯盟IUCN于1983年提出,隨后在全球范圍內得到廣泛開展,生態旅游的開展有利于保護地周邊社區的經濟發展,是實現可持續發展的有效途徑[1]。但旅游開發與核心物種保護的矛盾一直存在,正確處理保護與發展的關系,是自然保護地生態旅游規劃的研究重點[2]。2018年,IUCN發布《IUCN生態系統服務評價工具包》[3],提出9種生態系統服務評價工具指導保護地的管理建設。在評價工具包的指導下,本文對InVEST模型在大山包國家級自然保護區生態旅游規劃中的應用進行初探,以期為自然保護區生態旅游規劃的科學化編制提供指導。

1 研究區與黑頸鶴生境概況

研究區域為云南省大山包黑頸鶴國家級自然保護區的實驗區,位于昭通市昭陽區大山包鎮,1990年建立縣級保護區,2003年升級為國家級,2004年列入國際重要濕地,面積192 km2[4]。大山包國家級自然保護區地處云貴高原,是黑頸鶴的重要越冬區[5]。海拔在3 000—3 200 m,氣候冬寒夏涼,植被主要為亞高山沼澤化草甸。保護區內濕地較多,主要分布在跳墩河、大海子、勒力寨、燕麥地水庫等地,濕地的淺水區域為越冬黑頸鶴提供了良好棲息地[6]。

黑頸鶴是國家一級保護動物,由于其種群數量稀少被IUCN列為全球性易危物種[7]。黑頸鶴的主要行為包括覓食、休息、夜宿,其中覓食行為可以占到黑頸鶴日間時間分配的一半以上[8]。根據鐘興耀等[9]研究,黑頸鶴越冬期間主要利用4種生境類型,分別是水域、亞高山草甸、沼澤化草甸和耕地,黑頸鶴在水域進行休整和夜宿,在沼澤化草甸進行覓食和休息,在耕地和亞高山草甸進行覓食,黑頸鶴對夜宿地的要求更嚴格,一般選擇在距離居民點直線距離400 m以外的地方,周圍要有大面積的沼澤化草甸；休息區主要選擇在夜宿地周圍的沼澤化草甸,距離居民點的直線距離200 m以上；覓食主要在生境為耕地、沼澤化草甸和亞高山草甸的緩坡上進行。根據鄺粉良等[10]研究,亞高山沼澤化草甸成為黑頸鶴越冬生境的主要選擇。

2 研究方法

2.1 模型介紹

本文采用InVEST3.8.2版本的生境質量評估模塊對黑頸鶴生境質量進行定量評估。InVEST將生境質量作為生物多樣性的表征,通過分析土地利用/土地覆被類型以及對物種棲息地的威脅,評價特定物種的生境質量。生境質量是4個因素的函數,模型表示為由低到高的連續變量[11],包括生境的威脅因子、生境對威脅的敏感性、生境與威脅之間的距離,以及受保護的程度。其主要產出結果為生境質量得分的空間分布柵格圖[12]。

2.1.1 生境退化程度

InVEST生物多樣性模塊對生境退化程度的計算基于如下的假設,土地利用類型對威脅因子越敏感則退化度越大。土地覆被j柵格x的退化度Dxj計算公式如下:

式(1)中,y表示威脅柵格圖r上的所有柵格,Yr表示威脅柵格圖r上的一組柵格,Wr為威脅因子的權重,ry表示柵格y處威脅r的影響值,irxy表示距離衰減函數(在威脅因子表中由用戶指定,分為線性或指數),βx表示柵格x的可接近水平,Sjr表示土地覆被類型對威脅r的敏感值。

2.1.2 生境質量

通過半飽和函數轉化生成生境質量分值。土地覆被j柵格x的生境質量由Qxj表示,計算公式如下:

式(2)中,Hj表示生境適宜度(在生境適宜度表中由用戶指定),z為比例因子(系統指定為2.5)；k表示半飽和系數(用戶指定)。

2.2 數據來源及處理

InVEST模型生境質量模塊以柵格作為基本評價單元,本文輸入該模塊的柵格數據分辨率統一為30 m。生境質量模塊的成功運行需要嚴格按要求輸入5種數據,即現狀土地覆被柵格數據、生態威脅因子柵格數據集、威脅因子量表、威脅可達性矢量圖層、土地覆蓋類型對各生態威脅因子的敏感度。參照上述要求,結合研究區實情,本研究中InVEST模型的生境質量模塊所需數據包括研究區土地覆被數據和生態威脅因子柵格數據集。

2.2.1 研究區土地覆被數據

大山包土地利用/土地覆被數據由大山包自然保護區管護局提供。考慮到不同土地覆被類型具有差異化的生態屬性,生境質量的計算依據需要結合生態系統類型的屬性綜合考慮,因此本文將研究區原有土地覆被類型進一步劃分為黑頸鶴生境系統和非黑頸鶴生境系統兩大類。依據上文闡述的黑頸鶴行為及生境構成,將黑頸鶴生境系統分為水域、沼澤化草甸、耕地、亞高山草甸,并依據黑頸鶴的午休行為,將沼澤化草甸細化為近水沼澤化草甸和遠水沼澤化草甸,最終形成水域、近水沼澤化草甸(1 000 m以內)、遠水沼澤化草甸、耕地、亞高山草甸5個類型組成的黑頸鶴生境系統。其他土地覆被類型則列為非黑頸鶴生境系統。不同的土地覆被類型對于相同的生態威脅因子表現出不同的敏感度。

2.2.2 生態威脅因子柵格數據集

運用ArcGIS空間分析工具Con提取保護區范圍內的城鎮居住地、農村居民點、公路、農村道路4個地類作為生態威脅因子。將目標因子柵格圖賦值為1,而對非目標因子柵格圖賦值為0。綜合考慮以上相關研究分析并參照InVEST模型使用指南[12]、景觀生態學有關基本原理以及相關研究結果[13]、實地調研狀況建立生態威脅因子量表(表1)。

表1 威脅源及其最大威脅距離、權重及衰減類型

2.2.3 生態系統類型對各威脅因子的敏感度

參照InVEST模型使用指南[12]、鐘興耀等[9]的研究,對研究區黑頸鶴生境不同類型對各生態威脅因子的敏感度進行賦值,敏感度值域范圍為0～1(1表示土地覆被類型對威脅因子具有極高的敏感度,0則表示土地覆被類型對威脅因子無敏感度)。在敏感度量表中,要求對每一個土地覆被類型賦予一個生境適宜度得分,值域為0～1(1表示最高的生境適宜度)。針對黑頸鶴生境系統的研究,依據黑頸鶴的行為,對水域、近水沼澤化草甸、遠水沼澤化草甸、耕地和亞高山草甸的生境適宜度分別賦值為1、1、0.7、0.7、0.5,得到生態適宜性及相對敏感度量表(表2)。

表2 生境適宜度及其對不同威脅源的相對敏感程度

2.2.4 威脅可達性

《生物多樣性保護公約》中明確要求各締約國創設本國保護區及分類系統,以達到順應生物多樣性就地保護的客觀需要。因受法律及其相關保護措施的作用,人類活動在保護區與非保護區內形成的外在干擾程度是有差異的,如保護區內的社會經濟活動相對較少。In VEST模型生境質量模塊正是考慮到了這個因素從而設置了威脅可達性這一參數。本研究根據保護區保護程度的分級,賦予各個功能區矢量多邊形圖層的可達度值而嵌入其屬性表中。將核心區的威脅可達性值設為0.5,緩沖區為0.7,實驗區為0.8,沒有在保護區多邊形范圍內的值的區域則假定生態威脅因子不受這一參數影響。

2.3 熱點分析

將生境質量得分通過熱點分析,劃分出熱點與冷點區域作為用地適宜性評價的重要基礎內容。基于ArcGIS平臺,本研究使用Getis-Ord Gi?指數刻畫大山包黑頸鶴生境質量冷熱點。當Gi?值顯著為正時,生境質量呈高值集聚,為熱點區域,當Gi?值顯著為負時,生境質量呈低值集聚,為冷點區域,其中99%置信水平上的Gi?值對應的區域視為熱點和冷點,95%置信水平上的Gi?值對應的區域為次熱點和次冷點。

2.4 用地適宜性評價

用地適宜性評價是生態旅游規劃的基礎,對自然保護區實驗區的開發建設提供具體指導[14],用地適宜性高的區域適宜開展集中建設,用地適宜性低的區域應避免開發對黑頸鶴生境系統造成干擾。在黑頸鶴生境質量評價的基礎上,選取合適的因子構建評價指標體系對旅游開發用地進行適宜性評價,以指導生態旅游規劃建設。

3 結果與分析

3.1 黑頸鶴生境質量統計

InVEST生境質量指數是無量綱綜合性指標,生境質量高的區域將更好地支持黑頸鶴生存發展。運用ArcGIS中Zonal Statistics分區統計工具對黑頸鶴生境質量評價進行統計,計算得到整個保護區和實驗區、緩沖區、核心區的生境質量指數(表3)。

由表3可知,黑頸鶴生境質量指數得分最低的是實驗區,最高的是核心區。將黑頸鶴生境質量指數劃分為0～0.15、0.15～0.3、0.3～0.45、0.45～0.6、0.6～0.75共5個區間,并據此將其設定為差、較差、中、較好、好5個等級。

表3 大山包黑頸鶴生境質量狀況統計

核心區生境質量最好。核心區的跳墩河水庫、大海子水庫及勒力寨附近生境質量最高,該區域是黑頸鶴夜宿地,周邊沼澤化草甸供黑頸鶴午休,外圍天然草甸與耕地供黑頸鶴覓食,因而提供了整個保護區生境質量最好的區域；其次是核心區的西北部,此處有大面積的耕地且周邊居民點及道路較少,提供面積較大的高生境質量覓食區。緩沖區各等級生境質量的區域比例均勻。中等級以上的生境緩沖區為2.65%；中等級以下的生境質量區域緩沖區占了12.27%。實驗區生境質量大部分為中等及以下。在燕麥地周邊及以西存在面積較大的中等生境質量斑塊,是實驗區生境質量最好的區域；實驗區以耕地、天然草地、居民點為主,燕麥地水庫周邊缺少沼澤化草甸供黑頸鶴午休,黑頸鶴在實驗區以覓食為主。

3.2 黑頸鶴生境質量熱點分析

熱點區域存在于跳墩河、大海子、勒力寨周邊,核心區西北部邵家屋基、劉家溝以及小海子、大河邊周邊,實驗區西南部老屋基、甘溝周邊。在GIS中疊加保護區監測到的黑頸鶴矢量分布區域,黑頸鶴分布與本次評價所得到的生境質量熱點區域基本吻合。在生態旅游規劃中,應盡量避開生境質量熱點區域,以保護黑頸鶴生境系統不受干擾。

3.3 基于黑頸鶴保護的生態旅游用地適宜性評價

3.3.1 指標體系構建

根據生態旅游規劃建設對土地資源屬性的要求,考慮主導性、可獲取、易量化和區域特點等因素,參考已有研究合理選擇評價指標[15]。確定自然環境因子、經濟社會因子以及生態安全因子作為3個一級評價因子,其中,自然環境因子選取高程和坡度作為二級因子；經濟社會因子選擇公路和農村道路作為二級因子；生態安全因子則利用生態質量、禁止建設區作為二級因子。通過咨詢保護區有關人員及相關研究整理,對評價指標體系內的指標進行重要程度比較,借助層次分析法得到各評價因子權重信息(表4)。

表4 評價標準與權重表

3.3.2 用地適宜性評價

在GIS中采用加權總和法,計算各評價因子的權重以及分值,得到大山包自然保護生態旅游開發用地適宜性評價圖。

通過分析用地適宜性可知,實驗區可分為東部、南部、西部3個區域。東部用地適宜性高值區域面積最大,以較適宜、適宜為主；南部不適宜建設的區域占一半以上,但適宜性區域呈聚集性分布,成為獨立完整的區域,有利于集中開發建設；西部適宜性建設區域最少,應避免大規模的生態旅游開發建設。在適宜性較高區域可以進行合理的生態旅游開發,但應考慮水源、林地、耕地的分布,采用適宜的生態旅游建設方式,充分利用保護區內水體、森林、草甸、崖壁的自然景觀資源。適宜性較低的區域往往是黑頸鶴生境質量的高值區域,應盡量保持現狀土地利用類型,不進行旅游開發或嚴格控制游覽方式、游客人數與游憩活動類型。

4 自然保護區生態旅游發展思路與保護策略

實驗區生態旅游規劃建設應遵循“因地制宜、保護優先”原則。從保護區資源保護、改善村民生活、生態旅游可持續發展的角度出發,依據旅游用地適宜性與景觀資源評價,從以下4個維度對實驗區提出生態旅游發展思路與保護策略。

1)適宜性高且景觀資源好。集中開展生態旅游道路、旅游設施、觀景點的建設。在景觀良好地點設置觀景點、架設步道及相關設施,但應注意架設的方式與規模以保護完整的草甸荒野景觀；注意生態旅游道路、設施設置的合理性,采取適地的方式以最小干預的原則進行開發建設。將傳統村落發展為生態旅游服務點,利用優美的農田景觀,建設錯落有致的梯田,進行以梯田景觀為主題的生態旅游建設。一是村集體開展整體村落風貌保護的相關活動,防止村民不合風貌的自建行為,以及新農村改造中的建設性破壞；二是在有條件的情況下,提供專項風貌保護基金,鼓勵村民根據傳統民居風格修葺保護民宅。集中打造旅游產業體系,進行人為干擾小的旅游活動,如利用景觀資源發展以專業極限運動為核心,相關服務、配套、觀光、培訓等一系列延伸產業系統發展的極限運動產業體系。

2)適宜性高但景觀資源差。集中布局交通集散點,建設展館、研學基地等具有重要科普教育價值但人流量較高的設施,以從整個大山包自然生態系統保護的角度減少人為干擾的影響。

3)適宜性低但景觀資源好。高質量的天然草地、原生森林區域具有良好的自然景觀風貌,但適宜性極低,應嚴格保護當前原生生態系統,不進行大規模的生態旅游開發,控制游客數量,降低其可達性。但可通過借景手法,依據優質的景觀資源開展以露營、觀鳥、徒步為核心的旅游產品,還可在保護優先地前提下,開展具有教育意義的生態旅游活動。

4)適宜性低且景觀資源差。以耕地為主,保留當前利用現狀,同時改變現有耕種方式,注重提高黑頸鶴食物的質量,建議種植燕麥等有利于黑頸鶴健康的農作物。積極引進生態新技術,既保持傳統農耕風貌又能帶來高的經濟收入。

5 討論

InVEST模型具有數據需求量相對較小、計算結果可視性強等特點。該方法所需的數據容易獲取,可以替代物種調查等復雜方法,對生境質量和數量的變化進行快速評價,在物種分布數據缺乏的情況下極為有用。其生境質量評估結果借助GIS空間分析功能可以直觀描述生境質量的空間異質性,但InVEST模型在生境質量評價中有其固有的缺陷:一是模型中黑頸鶴生境對威脅因子的敏感度基于土地覆被數據進行賦值,忽略了物種間的響應；二是InVEST模型對所有的威脅統一進行權重和影響距離疊加,未考慮耦合因子對生境質量的評價存在潛在的影響。在實際情況中,耦合因子對生境質量的評價還存在潛在的影響,比如黑頸鶴生境的破碎化程度、連通程度,城鎮居民點、農村居民地的斑塊大小、聚合程度等復合因子對黑頸鶴生境質量的影響并未予以考慮。此外,由于InVEST模型的應用具有地區差異性,本文輸入的大山包保護區數據及參數還需充分結合當地的實測,才能達到提高模型評估精度的目的。

本文在《IUCN生態系統服務評價工具包》的指導下,選取InVEST模型應用于自然保護區的生態旅游規劃實踐,對生態旅游規劃的科學化編制進行初步探索,InVEST模型的生境質量評價結果可作為生態旅游開發用地適宜性的重要基礎數據,在明確的空間位置上指導自然保護區的生態旅游開發建設,其在自然保護區的規劃、管理、建設中具有廣泛的應用前景。