基于InVEST模型的浙江省海岸帶土地利用變化及生境質量評價*

應 超 ，田 鵬 ，李昌達 ，陳宇昕

（1.寧波大學地理科學與旅游文化學院，浙江 寧波 315211；2.洞頭區海洋與漁業發展研究中心，浙江 溫州 325799）

近年來，生態環境問題越來越突出，威脅著人類社會的可持續發展，尤其是在經濟活動密集和生態環境脆弱的海岸帶[1]。在黨的十八大之后，我國大力推進生態文明建設，注重對生態環境的保護。作為生態環境重要指標之一的生境質量指在一定時空范圍內生態系統提供適宜個體及種群持續發展生存條件的能力，是生物生存與繁衍的有機保障和基本前提[2-3]，與區域內的土地利用變化關系緊密。土地利用變化除了可以驅動全球社會、經濟變化發展[4]，還能夠對生境斑塊的物質流、能量流循環起到作用，從而影響區域生境分布格局和功能[5]。因此，研究土地利用變化特征及對其生境質量進行評價可以為分析區域生態環境質量變化、制定區域生態政策及土地資源的持續發展提供基礎依據[6]。

目前，國內外評價生境質量的方法有兩種：一是通過構建影響生境的指標體系來評估生境質量，如劉世梁等[7]通過構建海拔高度、植被類型和水源地距離生境因子等指標來評估漫灣庫區生境質量。該方法對評價目標和研究問題的各方面進行了較全面的考慮，靈活地表現出單個指標對綜合評價的反映[8]，但僅考慮了生境質量適宜度而忽略了威脅源且指標數量要求較多、數據獲取難度較大。二是基于模型展開研究，如醫院信息系統模型[9]、SolVES模型[10]、生態系統服務和權衡的綜合評估 （Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs，In-VEST）模型等[11]。InVEST模型對數據需求量低、評估精度高，在生境質量評估中的應用最為成熟[12]。如Leh M D K等[13]基于InVEST模型和加納及科特迪瓦的土地利用數據，分析并闡述了兩個國家不同時期的生境質量總體概況和變化情況；吳健生等[6]通過InVEST模型對京津冀地區2000—2010年土地利用變化引起的生境質量時空演變進行了研究，解釋了生境質量變化的原因。這表明InVEST模型可以較好地應用于區域生態環境質量評價。當前國內外對生境質量的評價主要集中在城市、流域等研究區，例如，謝余初等[14]結合地理信息系統技術和InVEST模型，對白龍江流域景觀生物多樣性時空變化特征進行了分析，而對高強度開發利用下的海岸帶研究較少。

浙江省海岸帶是海洋經濟發達地區，更是海洋強國的重要戰略地區，其經濟的快速發展也引起了生態環境及其生境質量的變化。目前對浙江省生境質量的研究較少，且主要集中于人口較密集的城市以及城市群系統，缺少對具有高自然能量、生物生產力以及突出經濟地位的海岸帶地區的研究[15]。本文基于1990—2018年4期的土地利用數據，運用ArcGIS軟件和InVEST模型分析了海岸帶土地利用變化特征并進行生境質量評價。

1 研究區概況

浙江省海岸帶位于浙江省東部，臨近東海，海岸線漫長，總長約6 715 km，居全國首位，占全國海岸線總長的20.9%。全區地處亞熱帶季風氣候區，水熱充足，適宜水稻、楊梅等多種農作物生長。沿海漁業資源豐富，生產能力高，漁業產值占大農業比重的24%，位居全國第二。浙江省海岸帶經濟發展迅速，但隨著工業化和城市化的快速推進，圍填海等人類活動劇烈，土地利用強度不斷增大，生態環境遭到不同程度的破壞。

考慮到數據的可獲得性和行政區劃的完整性，本研究所指海岸帶范圍包括溫州市、臺州市、寧波市、紹興市、舟山市、杭州市和嘉興市等的27個縣區，為保護生態環境較脆弱的海岸帶，浙江省印發 《浙江省生態海岸帶建設方案》，依托現有大陸海岸線空間格局與資源基礎，突出海岸帶保護與利用，實現人與海岸帶的和諧共生要求[16]。

2 浙江省海岸帶土地利用變化研究方法

2.1 數據來源與處理

研究以中國科學院資源環境科學與數據中心（http://www.resdc.cn/）發布的 1990年、2000年、2010年、2018年4期浙江省海岸帶土地利用數據為基礎，數據精度達到了85%以上。通過ArcGIS軟件對土地利用數據進行分類匯總，建立二級分類體系。在此基礎上，將浙江省各地級市行政區劃進行裁剪，得到浙江省海岸帶土地利用數據，再利用ArcGIS軟件對土地利用數據重分類，提取出耕地、農村居民點、工礦用地、城鎮用地的分布柵格數據并將此作為運行InVEST模型生境質量的威脅源。

2.2 InVEST模型

InVEST模型將土地利用與威脅源建立聯系，考慮到威脅源的影響距離、空間權重等因素，通過計算威脅源對生境的影響程度得到生境退化度，再配合生境的適宜情況計算出生境質量。生境質量可以反映該區域生物多樣性的狀況，從而分析土地利用變化對生境質量的影響。

進行生境退化程度計算的公式為

式中：Dxj為生境退化程度；R為生境中威脅源的個數；Yr為生境中威脅因子r的柵格個數；Wr為威脅因子r的權重；ry為對應土地利用類型上每個柵格中威脅因子的個數；irxy為威脅因子的最大影響距離；βx為柵格x的可達性水平；Sjr為土地利用類型j對威脅因子r的敏感度，取值范圍為［0，1］。

在得到生境退化程度后，生境質量計算公式為

式中：Qxj為土地利用類型j中柵格x的生境質量指數；Hj為土地利用類型j的生境適宜度；Dxj為土地利用類型j中柵格x的生境退化程度；z為歸一化常量，通常取值為2.5；k為半飽和常數，取最大生境退化度的一半，通常設為0.5。

根據浙江省海岸帶相關資料及實地調查研究，將對生境質量產生較為直接影響的耕地、農村居民點、工礦用地、城鎮用地4種土地利用類型作為威脅源，將林地、草地和水體作為生境。在參考《InVEST模型用戶手冊》中模型推薦值的基礎上，綜合陳妍、任涵等[17-18]相關研究，對4類威脅源的影響權重和最大影響距離進行賦值 （見表1）。

表1 威脅源的影響范圍及其權重

生境類型受威脅敏感度是基于景觀生態學生物多樣性保護的一般原則而定的[19]，依據InVEST模型中的劃分標準，結合各地類的生態重要程度和研究區域實際情況將地類劃分為自然地類、半人工地類和人工地類；一般而言自然地類對威脅因子的影響最大，半人工地類次之，人工地類影響最小。設定威脅因子敏感度的取值范圍為0～1，其中0表示不敏感，1表示具有高敏感性。參照吳季秋[20]、歐維新等[21]的相關研究，確定生境類型的生境適宜度和不同生境類型的敏感度 （見表2）。

表2 生境適宜度及其對不同威脅源的相對敏感程度

3 浙江省海岸帶土地利用變化及生境質量評價結果與分析

3.1 浙江省海岸帶土地利用變化

1）土地利用變化特征。浙江省海岸帶以耕地、林地和建設用地3種類型為主，面積總和達到了海岸帶總面積的90%以上 （見表3），1990年土地利用類型面積占比最高的為耕地；剩下3個時期土地利用類型面積占比最高的均為林地，4個時期占比最少的均是未利用地。1990—2018年面積增長最多的是建設用地，增長了3 363.83 km2；耕地面積減少最多，減少了2 807.76 km2；林地面積呈波動上升趨勢但增加面積不多；草地和水域面積均呈現先減后增趨勢，2018年草地面積減少了38.48%，而水域面積增加了11.42%。1990—2000年間耕地和草地面積減少較大，建設用地和林地面積增長較大；2000—2010年耕地面積減少劇烈，建設用地面積增長劇烈；2010—2018年耕地面積減少減緩，建設用地面積增長減緩，草地和水域面積從之前小幅減少轉為較大幅度增長；其他土地利用類型面積變化不大。

表3 1990年、2000年、2010年和2018年浙江省海岸帶土地利用結構變化

2）土地利用轉換變化特征。為全面理解浙江省海岸帶土地利用變化結構特征，構建了土地利用轉移矩陣。1990—2018年浙江省海岸帶土地利用轉移矩陣見表4。

表4 1990—2018年浙江省海岸帶土地利用轉移矩陣 （km2）

1990—2000年，草地轉化為林地面積高達719.98 km2，在所有轉化面積中最多；耕地面積減少696.70 km2，主要轉向建設用地和林地，分別占轉出耕地面積的55.26%和33.84%。面積明顯增加的地類為林地和建設用地，分別增加842.70 km2和465.48 km2，林地增加的面積主要來自于草地和耕地，分別占轉入面積的71.22%和26.75%；建設用地增加的面積來自于耕地，達到了94.89%。水域面積和未利用地的面積變化不大。

2000—2010年，耕地面積減少1 376.63 km2，減幅增大，大部分仍轉向建設用地，占轉出面積的82.40%；林地面積從增加變為減少，主要轉向耕地和建設用地，分別占轉出面積的39.64%和37.11%；建設用地面積繼續增加，增幅增大，大部分由耕地轉化而來，達到了87.41%；草地面積繼續減少，但幅度較小；水域和未利用地面積變化不大。

2010—2018年，耕地面積繼續減少792.47 km2，增幅減少，主要轉向建設用地，占轉出面積的77.30%；水域面積大幅度減少，減少了193.14 km2，主要轉向建設用地和耕地；建設用地增幅減少，增加了1 040.35 km2，主要來自于耕地，占轉入的71.80%；林地、草地和未利用地面積變化不大。

總體來說，1990—2018年耕地面積顯著下降，其中，耕地轉化為建設用地面積在所有轉化中面積最多。除此之外，耕地轉化為水域是水域面積增加的主要原因；林地轉化為建設用地和耕地是林地轉出的主要土地利用類型；未利用地雖然基數較小，但是向其他地類轉變特別劇烈，尤其是向林地轉變，約有62.20%的未利用地轉化為林地；草地轉化為林地是草地轉出的主要土地利用類型；水域主要轉化為建設用地和耕地，但水域與耕地之間相互轉化基本持平；建設用地是所有土地利用類型中擴張最為明顯的，增加了超過2倍的面積。

3）土地利用空間分布特征。最主要的土地利用類型為林地，其次為耕地和建設用地。耕地廣泛分布于海岸帶內，其中在海岸帶北部錢塘江、杭州灣兩岸的分布面積最廣，另有較大一部分分布于海岸帶的中部偏東地區 （臺州東部）和東南部地區（溫州東部）；建設用地主要集中于耕地附近；林地主要分布于海岸帶的西部和中部；耕地轉化為建設用地的現象在整個浙江省海岸帶范圍內普遍存在，其中以海岸帶北部錢塘江、杭州灣附近最為活躍；草地轉為林地基本發生在1990—2000年海岸帶的西北部 （紹興西部）；水域轉化為耕地主要分布于紹興的北部 （上虞、柯橋區）；耕地轉化為水域主要分布于杭州灣南岸，其他地方也有少量分布。

3.2 浙江省海岸帶生境質量評價

InVEST模型一般采用生境質量指數來表示生境質量的高低，在模型中呈現的是在柵格圖層上連續變化的0～1之間的值，值越靠近1表示生境質量越好，具有相對應的結構和功能，更加有利于維持生物多樣性。通常，土地利用強度的增加會引起威脅源的增加和強度的增大，而使其附近的生境質量退化[22]。為了使各時期生境質量狀況及變化情況表現得更為直觀，利用ArcGIS軟件對4期生境質量數據進行重分類并將其在0～1的范圍內劃分為極差、差、中、良和優5個級別的生境質量，另外還統計了各個等級生境質量所占比例 （見表5）。

表5 1990—2018年浙江省海岸帶生境質量變化統計

1）生境質量時空變化特征。從時間尺度上看，1990年浙江省海岸帶整體生境質量較高，均值達到0.733 9，中等級及以上占比較大，達到88.50%；極差和差等級占比較小；2000年生境質量基本不變，但中、良和優3個等級均有較大幅度的變化，中和良兩等級分別減少了2.06%和2%，減少的中和良兩等級大部分向優等級轉化，使得優等級增加了3.14%；極差和差兩等級也有小幅度的變化；2010年生境質量大幅降低，其均值為0.690 6，減少了0.044 9，差、良和優三等級變化較小，中等級大幅度降低，減少了8.32%，而減少的中等級大部分并未向良、優兩等級轉化，而是向極差等級轉化，這也導致極差等級占比增加了8.94%，和2000年相比增加近一倍；2018年生境質量持續下降，但下降幅度減緩，生境質量均值為0.679 9，減少了0.010 7，極差和差兩等級均有不同幅度的下降，中等級有較大程度的增加，增加了3.06%，良和優兩等級變化不大。總體來說，1990—2018年浙江省海岸帶生境質量均值下降0.054 0，變化幅度較大，呈現出先略微增加后大幅下降再逐漸變緩的趨勢；在等級變化方面，4期中差等級變化較小，僅減少0.88%；良和優兩等級變化較大，分別減少2.12%和增加1.99%；極差和中兩等級變化劇烈，分別增加8.28%和減少7.29%。

1990—2000年生境質量小幅度上升，這是因為較大面積的草地轉化為林地，而林地的生境適宜度高于草地。2000—2010年生境質量大幅度下降，這是因為城鎮用地等建設用地快速擴張，大面積的耕地轉化為建設用地，而耕地的生境適宜度雖較低但仍高于建設用地，這也是該時期中等級生境質量占比大幅降低的原因，除此之外，還因小部分高生境適宜度的林地和水域轉化為建設用地；2010—2018年生境質量下降變緩是因為人們和政府對生態保護的意識增加，耕地、水域、林地轉化為建設用地的速度變慢，因此幅度變緩。

浙江省海岸帶總體生境質量處于較高水平，中等級以上水平占大部分面積。1990—2018年生境質量表現為西部高、東部低，南部高、北部低，由西部向東部沿海地區遞減。由于生境質量與生境適宜度密切相關，而林地、草地的生境適宜度高于耕地、建設用地，因此生境質量分布于海岸帶的土地利用類型具有較高的一致性。優和良兩等級主要分布在海岸帶的西部、中部和南部，主要土地類型為林地，植被覆蓋率較高，且人為開發建設用地較少，生境質量較高；生境質量中及以下的等級主要分布與海岸帶北部的錢塘江、杭州灣南北兩岸，小部分集中于寧波市、臺州市東部和溫州市東部，以耕地和建設用地為主，人類活動頻繁，造成生態破壞，生境質量低。

2）生境質量評價轉移變化特征。在ArcGIS軟件中將4個時期的生境質量圖層疊加后進行分析，得到了 1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年和1990—2018年4個時期的生境質量變化情況。除此之外，對1990—2018年生境質量各個等級之間的轉移進行統計，得到了各等級生境質量轉移矩陣 （見表6）。

表6 1990—2018年各等級生境質量轉移矩陣（km2）

通過疊加分析發現生境質量變差的區域多于變好的區域，在1990—2018年3期變化中，1990—2000年生境質量變化區域最少，僅海岸帶北部（杭州市西部）有少量的生境質量變差和紹興市西北部的生境質量變好；2000—2010年生境質量變差的區域主要集中于海岸帶北部的錢塘江、杭州灣南北兩岸，而生境質量變好的區域僅零星分布于研究區中，可能是這些地區經濟快速發展，大量土地用于城市建設、工業發展和居住，生境適宜度較高的林地、耕地被大面積侵占；2010—2018年，生境質量變差的區域繼續增多但增速減緩，說明建設用地繼續擴張，但擴張速度得到了較為有效的管控，這說明政府和人們對生態保護的意識逐漸增強，“退耕還林、退耕還湖”政策得到有效的實施。

由表6可知，1990—2018年85.61%的海岸帶生境質量等級保持不變，其中優等級面積占未變化面積中最大，達到50.32%，其次為中等級生境質量，占未變化面積的36.72%，良等級生境質量面積占未變化面積中最少，為1.73%。發生變化的生境質量等級的面積占研究區面積的14.39%，其中中等級轉換為極差等級面積最多，占變化面積的42.32%，其次是良等級轉換為優等級和中等級轉換為優等級，分別占變化面積的17.79%和10.46%；剩下的生境質量等級轉換面積較少，這也符合1990—2018年生境質量總體呈現下降的趨勢。

4 結論與建議

本文以浙江省海岸帶為研究區域，選取1990年、2000年、2010年和2018年的土地利用數據，利用ArcGIS軟件進行處理分析，得到了1990—2018年4期的土地利用變化情況，同時選取耕地、農村居民點、工礦用地、城鎮用地作為威脅源，用InVEST模型得出1990年、2000年、2010年和2018年4年的生境質量及其分布變化情況，進行深入分析得出以下結論。

1）1990—2018年浙江省海岸帶土地利用變化主要是耕地和建設用地的變化；耕地面積呈持續減少的趨勢，除了小部分因 “退耕還林、退耕還湖”政策的實施而導致耕地面積減少，還有相當大一部分耕地面積減少是由于建設用地的侵占；建設用地在28年間呈不斷增加的態勢，尤其是2000—2010年增加的建設用地超過28年間增加的建設用地面積的50%。由于 “退耕還林”等生態保護政策的實施，林地面積增加了一小部分。

2）1990—2018年浙江省海岸帶的生境質量呈現西部高、東部低，南部高、北部低的分布格局，平均生境質量均在0.679 9及以上，位于生境質量的良等級水平。生境質量總體變化呈現先略微上升后大幅下降再逐漸變緩的趨勢；生境質量略微上升的重要原因是紹興西北部大面積的草地被生境適宜性更高的林地所替代；之后大幅下降是因為隨著經濟發展，城鎮用地面積快速增加和生境適宜性較高的草地、水域面積減少，使得生境嚴重破碎化；而隨著對海岸帶的管理及一系列政策的實施，海岸帶的建設用地增幅降低，林地和草地均有不同程度的增加，使得生境質量下降減緩。

3）浙江省海岸帶生境質量與土地利用類型變化的相關性較為顯著，在28年間，由于經濟和生產力的發展，建設用地增加，耕地、水域和草地減少，生境出現不同程度的退化，但是隨著生態保護措施的實施，其生境質量的退化速度逐漸減緩。

4）InVEST模型的引入為生境的評估提供了可行的辦法，并且使評估結果可以更為直觀地得到展示，但由于模型本身還具有一些缺陷，比如僅考慮了研究區內部各個威脅源對生境的影響，缺少研究區邊界以外其他威脅因子的影響，使得結果存在一定的誤差；模型的參數設置沒有標準的計算方法，只能通過借鑒使用手冊的推薦數值和專家打分獲得，使結果具有一定的主觀性，但對生境質量的整體分布和變化情況影響不大。

通過對浙江省海岸帶土地利用變化及其生境質量的研究，可以對浙江省海岸帶生態文明建設、綠色浙江建設作進一步的探討。浙江省海岸帶部分地區生境質量不斷下降，在以后的土地利用規劃中需要平衡林地、耕地、建設用地等不同生境適宜性的土地類型，在保持合理的經濟增長基礎上配置必要的生態用地[23]；政府應加大生態保護力度和政策實施力度，如建立 “林長制” “河長制”，將林地、水域、草地等高生境質量區域進行分區管理，從而進一步完善生態保護責任體系。

本文僅考慮了生境質量對土地利用類型變化單一要素的響應，深入研究可以結合水源涵養、水土保持、碳儲量等其他模塊定量評估土地利用變化對于多種生態系統服務的變化，更加全面綜合地評估土地利用類型變化對區域生態系統所帶來的影響。