基于InVEST模型的北京市土地利用變化對生境質(zhì)量的影響研究

王培東，馬文杰，文 豐，馬召威，張 平

(1.陜西眾智土地工程技術(shù)有限公司，陜西 西安 710100；2.西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710600)

1 引言

土地是人類賴以生存的根基，是地球上各類復(fù)雜地物和系統(tǒng)的主要載體。作為人與自然交互聯(lián)系最為密切的紐帶，土地利用是反映人與自然關(guān)系的重要窗口，是揭示區(qū)域環(huán)境變化的正確途徑[1]。20世紀(jì)90年代以來，土地利用變化研究受到廣泛關(guān)注，并逐漸成為全球變化研究的前沿[2]。生境質(zhì)量是區(qū)域特征的一種反映，指在一定的時間和空間中，生態(tài)系統(tǒng)對人類生存繁衍、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的適宜程度，它的評估對生物多樣性研究以及保護(hù)有重要意義，一定程度上代表了生態(tài)環(huán)境的好壞[3]。土地利用類型和覆被對生境質(zhì)量有很大的影響[4]，因此研究土地利用變化對生境質(zhì)量的影響對于生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和土地可持續(xù)利用具有重要意義[5]。

近年來，許多學(xué)者采用ARIES[6](Artificial Intelligence for Eco-system Services)、SolVES[7](Social Values for Ecosystem Services)和InVEST[8](Inte-grated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型進(jìn)行生境質(zhì)量評價，其中InVEST模型與其他模型相比具有方便、高精度、空間分析、可視化等優(yōu)點，是目前較為成熟且應(yīng)用最多的生境質(zhì)量評價模型。基于InVEST模型探討生境質(zhì)量對土地利用變化的響應(yīng)，國內(nèi)外已有大量相關(guān)研究[9,10]。本文在國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估與權(quán)衡InVEST模型，通過分析土地利用動態(tài)變化，對區(qū)域生境質(zhì)量進(jìn)行定量評估，探索生境質(zhì)量空間差異，揭示土地利用動態(tài)變化對生境質(zhì)量的影響及其規(guī)律，為區(qū)域土地可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要參考依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

北京市地處華北平原西北部，屬溫濕大陸性季風(fēng)性氣候，四季分明，春季和秋季較短，冬季和夏季較長；年平均降水量約650 mm，降水分配不均勻，全年降水80%集中在每年的6～8月份。西北地勢高聳，東南地勢平緩[16]，自然資源豐富。北京市行政邊界和高程如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置及高程示意

3 研究方法和研究數(shù)據(jù)

3.1 研究方法

3.1.1 生境的退化程度

采用InVEST模型生境質(zhì)量模塊，將生境質(zhì)量與土地利用即威脅源建立聯(lián)系，通過計算威脅源對生境的負(fù)面影響，得到生境的退化程度，計算公式為：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，Dxj為生境退化程度；R為脅迫因子個數(shù)；Wr為脅迫因子的權(quán)重；Yr為脅迫因子層在土地利用類型圖中的柵格個數(shù)；ry為土地利用類型圖中每個柵格上脅迫因子的個數(shù)；Sjr為j類型土地覆被對脅迫因子r的敏感性；irxy為柵格y中的威脅因子r對柵格x的影響；為dxy柵格x(生境)與柵格y(威脅因子)的距離；drmax為威脅因子r的影響范圍；βx為柵格x的可達(dá)性水平。

3.1.2 生境質(zhì)量

生境質(zhì)量基于生境退化程度Dxj計算，計算公式為：

(3)

式(3)中，Qxj為土地利用類型圖j中柵格x的生境質(zhì)量；Hj為土地利用類型圖j的生境屬性；k是半飽和常數(shù)，k值一般設(shè)置為生境退化程度最大值的1/2；z值為模型默認(rèn)參數(shù)；生境質(zhì)量得分值域為0～1。

3.2 研究數(shù)據(jù)

本研究使用的2000、2010和2015年土地利用數(shù)據(jù)來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，空間分辨率30米，重分類為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地。行政邊界數(shù)據(jù)來自資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。

4 結(jié)果與分析

4.1 土地利用變化特征分析

北京市2000～2015 年間土地利用類型的分布及其變化如圖2所示。北京市耕地面積急劇縮減，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和林地，建設(shè)用地劇烈擴(kuò)張，水域面積總體下降。變化面積排序依次為：耕地>建設(shè)用地>林地>草地>水域>未利用地。

圖2 研究區(qū)土地利用類型分布及其變化示意

結(jié)合表1中2000～2015 年北京市土地利用面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)，耕地面積從2000年的5067.34 km2縮減為2015年的3515.63 km2，減少面積1551.70 km2，縮減幅度30.62%。建設(shè)用地面積從2000 年的2189.02 km2擴(kuò)張至2015年的2995.69 km2，增加面積806.67 km2，增長幅度36.85%。林地面積由2000 年的7873.92 km2增長至2015年的8345.05 km2，增長面積471.13 km2，增長幅度5.98%。草地面積由2000年的771.54 km2變化為2015年的1183.80 km2，增加412.25 km2，增長幅度53.43%。水域面積有一定程度的減少，2010 年后有所恢復(fù)，但總體仍然減少了143.96 km2，縮減幅度31.59%。未利用地面積2000～2015年間增長5.61 km2，增長幅度17.59%，但由于面積較小，變化并不顯著。總體來說，建設(shè)用地急劇擴(kuò)張、耕地資源逐漸減少是北京市土地利用變化的主要趨勢。

表1 2000～2015年北京市土地利用類型面積和變化 km2

4.2 土地利用轉(zhuǎn)移分析

為進(jìn)一步分析各土地利用類型內(nèi)部的轉(zhuǎn)化方式，構(gòu)建2000～2015年北京市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表2)。由表2可知，耕地面積由2000年的5067.34 km2減少到2015年的3515.63 km2，主要轉(zhuǎn)出地類為建設(shè)用地，轉(zhuǎn)出面積為958.83 km2，轉(zhuǎn)出幅度為18.92%，也是新增建設(shè)用地面積的主要來源。耕地轉(zhuǎn)為林地的面積為540.15 km2，轉(zhuǎn)為草地的面積為379.32 km2，轉(zhuǎn)為水域的面積為61.24 km2，轉(zhuǎn)為未利用地的面積為14.52 km2。林地面積由2000年的7873.92 km2增加到2015 年的8345.05 km2，主要轉(zhuǎn)出地類為草地，轉(zhuǎn)出面積為172.40 km2，轉(zhuǎn)出幅度為2.19%。林地轉(zhuǎn)為耕地的面積為100.31 km2，轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的面積為78.47 km2，轉(zhuǎn)為水域的面積為12.19 km2，轉(zhuǎn)為未利用地的面積為5.11 km2。建設(shè)用地面積由2000年的2189.02 km2增加到2015 年的2995.69 km2，主要轉(zhuǎn)出地類為耕地，轉(zhuǎn)出面積為140.06 km2，轉(zhuǎn)出幅度為6.40%。建設(shè)用地轉(zhuǎn)為林地的面積為70.09 km2，轉(zhuǎn)為草地的面積為99.87 km2，轉(zhuǎn)為水域的面積為15.37 km2，轉(zhuǎn)為未利用地的面積為3.75 km2。草地主要轉(zhuǎn)入自耕地，轉(zhuǎn)出為林地，林地主要轉(zhuǎn)入自耕地，轉(zhuǎn)出為草地，水域主要轉(zhuǎn)出地類為耕地，未利用地主要轉(zhuǎn)出地類為耕地和建設(shè)用地。總體來說，2000～2015年北京市耕地主要轉(zhuǎn)變成建設(shè)用地，導(dǎo)致耕地面積不斷減少。建設(shè)用地急劇擴(kuò)張。6 種地類之間互相轉(zhuǎn)化，其中耕地的大量轉(zhuǎn)出使得林地、草地和未利用地面積穩(wěn)步增長；水域面積在2000～2010年間下降，主要轉(zhuǎn)出為耕地，2015 年轉(zhuǎn)為增長，主要由耕地轉(zhuǎn)入，反映了這一時期退耕還林還草政策的落實有效以及城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)。

表2 2000～2015年北京土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

4.3 生境質(zhì)量空間格局

采用InVEST模型，通過輸入模型建模所需的土地利用柵格數(shù)據(jù)、威脅因子數(shù)據(jù)、威脅源數(shù)據(jù)，生境類型及生境類型對威脅的敏感性數(shù)據(jù)，計算得到北京市2000～2015 年生境質(zhì)量空間分布，生境質(zhì)量在柵格圖層上是0～1之間連續(xù)變化的值，值越接近1，生境質(zhì)量越好，越有利于維持生物多樣性。為了直觀說明生境質(zhì)量分布情況，將生境質(zhì)量計算結(jié)果劃分為0～0.30(低)、0.30～0.60(中)、0.60～0.90(良好)和0.90～1(優(yōu)等)4個級別(圖3)。

圖3 研究區(qū)生境質(zhì)量空間分布示意

從北京市生境質(zhì)量空間格局變化可以得出，北京市生境質(zhì)量總體有一定程度的改善。2000～2015年低生境質(zhì)量面積持續(xù)擴(kuò)張，增幅36.57%，生境質(zhì)量良好和優(yōu)等的地區(qū)面積分別增長39.52%和2.18%，中生境質(zhì)量縮減30.68%。生境質(zhì)量與土地利用分布有密切聯(lián)系，中、低等級生境質(zhì)量主要分布在順義區(qū)、通州區(qū)、海淀區(qū)、豐臺區(qū)和大興區(qū)，這些地區(qū)的主要土地利用類型為耕地和建設(shè)用地，人類活動強(qiáng)度較高，生境質(zhì)量較為退化；生境質(zhì)量良好和優(yōu)等的區(qū)域與研究區(qū)內(nèi)水域、林地、草地的分布一致。較高等級的生境質(zhì)量主要集中在北京市西南部、西北部和東北部的山區(qū)，包括懷柔區(qū)、延慶區(qū)、門頭溝區(qū)和密云區(qū)，這些地區(qū)的土地利用類型主要為林地和草地，人類活動相對較少，生物多樣性豐富，生境質(zhì)量高。從時間尺度上看，生境質(zhì)量升高的區(qū)域，與研究時段內(nèi)林地、草地和水域面積增加有關(guān)，降低的主要為原來的中等級生境區(qū)域，與2000 年以來耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變一致。

采用分區(qū)統(tǒng)計評價北京市各區(qū)生境質(zhì)量差異(表3)。門頭溝區(qū)、懷柔區(qū)、延慶區(qū)、密云區(qū)和房山區(qū)生境質(zhì)量最好，生境質(zhì)量指數(shù)大于0.7，而東城區(qū)、西城區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)最低，均小于0.1。土地利用與生境質(zhì)量密切相關(guān)，林地、水域和草地對生境質(zhì)量的貢獻(xiàn)較大；耕地對生境質(zhì)量影響明顯。2000～2015 年北京市生境質(zhì)量得到一定程度的改善，其中貢獻(xiàn)度最大的是林地和草地，林地面積和草地面積分別增長了5.98%和53.43%。

表3 北京市各區(qū)生境質(zhì)量分區(qū)統(tǒng)計

5 結(jié)論與討論

本文采用InVEST模型評估了2000～2015 年北京市生境質(zhì)量對土地利用變化的響應(yīng)，結(jié)果顯示：

(1)北京市林地的面積最多，草地、水域和未利用地所占面積較小；耕地面積急劇縮減，轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和林地；建設(shè)用地急劇擴(kuò)張，水域面積總體下降。

(2)2000～2015年耕地主要向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化，面積由2000 年的5067.34 km2減少至2015年的3515.63 km2，轉(zhuǎn)出面積1551.70 km2；建設(shè)用地則不斷擴(kuò)張，2015 年的建設(shè)用地面積為2995.69 km2，其中32.01%由耕地轉(zhuǎn)入；林地和草地面積穩(wěn)步增長，北京市生境質(zhì)量總體呈現(xiàn)中等偏高的水平，但中南部地區(qū)建設(shè)用地擴(kuò)張導(dǎo)致該區(qū)域生境質(zhì)量下降。

(3)北京市生境質(zhì)量總體呈不斷改善的趨勢，門頭溝區(qū)、懷柔區(qū)、延慶區(qū)、密云區(qū)和房山區(qū)生境質(zhì)量最高，而東城區(qū)、西城區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)最低。生境質(zhì)量高值區(qū)主要為林地、草地和水域，人類活動相對較少，生境保護(hù)質(zhì)量較高。生境質(zhì)量低值區(qū)的土地利用類型主要為建設(shè)用地和耕地，人類活動強(qiáng)度較高，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化。未來北京市土地利用規(guī)劃中，土地規(guī)劃和生態(tài)保護(hù)工作需要優(yōu)化林地、草地、耕地和建設(shè)用地的分布格局，在保持經(jīng)濟(jì)增長的基礎(chǔ)上配備必要的生態(tài)用地。協(xié)調(diào)生境質(zhì)量改善和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，促使北京市經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)、科學(xué)發(fā)展。

本文的威脅源主要從文獻(xiàn)中獲取，未來可以結(jié)合生境質(zhì)量監(jiān)測實驗，獲取更能反映實際威脅源的參數(shù)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)還包括水源涵養(yǎng)、土壤保持、碳儲量等，今后還應(yīng)綜合多個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)分析城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)動態(tài)和權(quán)衡。此外，將土地利用模型和InVEST模型結(jié)合，探索未來城市發(fā)展多情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)響應(yīng)是一個重要的研究方向。