基于InVEST模型的岷江流域土地利用變化對生境質量的影響研究

趙慶建, 吳曉珍

基于InVEST模型的岷江流域土地利用變化對生境質量的影響研究

趙慶建*, 吳曉珍

南京林業大學經濟管理學院, 南京 210037

土地利用及生境質量變化過程對維護自然系統平衡, 區域社會經濟可持續發展具有重大意義。借助InVEST模型生境質量模塊, 以岷江流域作為研究區, 在分析岷江流域土地利用變化的基礎上對其2000、2008、2013、2017年的生境質量變化特征進行分析。結果表明: (1)在2000—2017年, 岷江流域的建設用地呈現不斷增長的趨勢, 而耕地、林地和草地呈現縮減的趨勢; 耕地、林地和建設用地之間的轉換較為明顯, 建設用地轉入最大的來源主要是耕地。(2)從時間尺度上看, 岷江流域生境質量屬于較差和良好等級的占比總體上分別上升71.34%和2.41%; 中等和優等等級的占比總體上下降了4.28%和2.61%。(3)從空間尺度上看, 岷江流域上游地區的生境質量總體上高于中下游地區; 建設用地大面積擴張, 侵占了大量的耕地和林地, 從而導致了中下游平原區域的整體生境質量下降, 其中處于較差和中等等級的區域顯著擴大。

岷江流域; 土地利用變化; 生境質量; InVEST模型

0 前言

生境質量是與人類密切相關的自然資源質量, 能夠反映人類生存環境的優劣程度, 被視為區域生物多樣性和生態服務水平的重要表征及反映, 是區域生態安全保障和人類福祉提升的關鍵環節[1-2]。土地利用通過影響生境斑塊之間的物質流、能量流循環過程, 對區域生境質量分布格局和功能產生重大影響[3]。近年來, 人口增長和社會經濟快速發展, 使得對土地資源的需求日益增長, 自然資源被過度開發。土地利用方式及強度的變化使生態系統受到嚴重破壞, 進而導致自然資源的價值不斷下降[4-5]。深入分析土地利用變化對區域生境質量的影響是實現資源可持續發展、制定區域生態保護政策的基礎依據。

目前基于土地利用變化對生境質量的影響研究主要有兩種方法。第一種是基于景觀格局的指標體系方法。第二種是基于生態評估的定量研究[6-9], 常見的評價模型有HIS模型、SoLVES模型、InVEST模型等, 其中InVEST模型中的生境質量模塊能夠通過評估生境類型、植被類型的范圍和退化程度來反應生境質量及生物多樣性, 并結合生態系統內的土地利用植被信息和生物多樣性威脅因素來得到生境質量的分布信息[10-11]。目前國內學者重點運用該模型對我國部分具有重要生態價值的區域如自然保護區[12-13]、流域[14-15]、城市[16-19]的生境質量進行評價, 如谷雙喜[20]等運用InVEST模型分析了皖江流域生境質量時空變化特征, 發現該流域的土地利用類型轉移主要為耕地轉向建設用地且整體的生境質量下降明顯; 謝余初[21]等以甘肅白龍江流域為例, 結合GIS和InVEST模型選取區域生境質量、植物凈初級生產力和景觀狀態指數為評價指標, 在柵格像元尺度上開展白龍江流域景觀生物多樣性時空變化特征分析。

岷江流域作為長江經濟帶上游綠色發展的生態屏障, 區域內土地利用類型豐富, 林地、草地所占比重較大, 對流域內生境質量、水源涵養等生態功能具有至關重要的作用。同時, 四川省作為西部地區重要的經濟中心, 近年來, 其工業化、城鎮化、農業現代化都得到了發展, 岷江流域的土地利用格局也發生了不同程度的變化。在2000—2017年間, 岷江流域土地利用總體上以草地、林地和耕地為主, 建設用地總量迅速擴張, 主要以占用耕地和草地實現不同程度的土地利用變化。各地類面積的變化以及相互間的轉換, 使得生境狀況發生顯著變化[16]。因此, 借助相關軟件以岷江流域為研究對象進行定量分析十分必要, 此外, 岷江流域上中下游地勢復雜, 科學研究進展緩慢, 基礎資料缺失, 利用對數據要求較小、適用性強的InVEST模型對區域生境質量進行深入研究具有重要的現實意義。本文在分析岷江流域的土地利用變化的基礎上, 利用InVEST模型對其2000、2008、2013和2017年的生境質量時空變化特征進行深入分析從而為岷江流域在上中下游開展生態保護, 推進生態示范區建設的過程中提供重要的理論支撐。

1 研究區概況

岷江流域全長約1279千米, 面積約135881平方公里, 地處北緯28°38′—33°10′, 東經102°35′—104°51′。岷江可分為上中下游, 以都江堰市以上為上游, 都江堰市至樂山市大渡河匯入處為中游, 樂山至宜賓長江匯合處為下游段[22]。岷江上游地形復雜, 峽谷連綿, 地廣人稀; 中下游地勢較低, 多為丘陵平原, 人口和耕地較多。隨著人類活動范圍的不斷擴大, 流域土地利用和地表覆蓋發生了顯著變化, 導致支流河道斷流、水污染嚴重、水土流失、濕地退化等生態環境問題頻繁發生, 流域植被面積與生物多樣性都在急劇減少, 生境質量不斷退化, 嚴重威脅到區域的可持續發展。

2 研究數據與方法

2.1 研究數據

岷江流域各縣市的遙感影像數據來自地理數據空間云(http://www.gscloud.cn/search), 選取2000、2008、2013和2017年分辨率為30 m的Landsat TM遙感影像。根據《土地利用現狀分類標準》(GB T21010—2007), 將土地利用體系分類合并為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6類(圖1)。

2.2 土地利用轉移

土地利用轉移矩陣是對不同時期地類變化的定量描述。通過計算不同時期同種地類的面積或者百分比差值得到土地變化度, 從而反映出特定區域特定時間各個地類的面積數據, 同時反映出各個地類初期的轉出面積以及末期轉入面積。具體數學表達形式為:

圖1 2000—2017年岷江流域土地利用空間分布

Figure 1 Spatial distribution of land use in the Minjiang River Basin in 2000-2017

式中:S表示研究時段初期類土地到研究末期轉為類土地的面積,為土地利用類型。此外, 轉移矩陣的每一行總和表示研究初期該土地利用類型的面積總數, 每個行值表示該土地類型的轉移去向和大小; 每一類的總和表示研究末期該土地類型的面積總數, 每個列值表示該土地類型的所有轉入類型及大小。

通過ArcGIS對不同時期岷江流域土地利用現狀圖進行融合疊置, 計算面積后導出屬性表, 從而完成轉移矩陣的數據提取。

2.3 生境質量模型

InVEST模型是由美國斯坦福大學主導開發的一種可以量化多種生態服務系統的評估模型, 其中生境質量模塊是利用土地利用分類圖, 基于威脅源的影響距離及空間權重, 生境適宜性以及對威脅源的敏感性來對研究區的生境質量進行空間量化評估的, 具有引入數據量少, 輸出數據量大的特點[23]。

2.3.1 生境退化度評價原理

生境退化度代表了威脅因子對生境結構的影響程度, 其計算基于以下假設, 即生態系統中的某種土地利用類型對威脅因子的敏感度越高, 則該地類的退化度越大, 其大小與生境中各地類以及威脅因子的數量等因素密切相關。土地利用類型為時柵格的生境退化度D的計算公式如下:

式中,為威脅因子;是威脅柵格圖的柵格數;Y是威脅柵格圖中的一組威脅柵格;w為威脅因子權重, 取值范圍為0—1;r表征柵格是否為威脅柵格(0或1);i為威脅柵格的威脅因子值對區域內柵格的威脅水平;β為柵格的可達性水平, 取值范圍0—1;K是土地利用類型為威脅因子的敏感度, 取值范圍0—1。i由以下公式計算可得:

2.3.2 生境質量評價原理

生境質量是生態環境提供給生物個體和種群生存所需要的環境水平, 是一個連續變量, 數值范圍由低到高, 生境質量越高的斑塊生態結構和功能越穩定。人類對土地利用的方式和強度決定了生境質量的高低, 土地利用強度越大, 生境質量下降越明顯。

在InVEST生境質量模型中, 生境質量基于生境退化度進行計算, 分值隨生境退化分值的增大而減小, 計算公式如下:

式中,Q表示土地利用類型為時柵格的生境質量;H表示土地利用類型的生境適宜性;D表示土地利用類型為時柵格的生境退化程度;和為比例因子,常數為半飽和常數, 通常等于值, 可使它取D最大值的一半,定義為常數2.5。

本研究將人類活動最為集中、對生境質量直接影響比較大的耕地、城鎮用地、農村居民點和交通運輸用地4種土地利用類型定義為生境威脅因子, 參照InVEST模型使用指南, 在模型中應用最大脅迫因子對生境影響范圍(MAX-DIST), 脅迫因子權重(0—1)、脅迫因子對生境影響遞減指數(0—1)、生境對每種脅迫因子敏感度指數(0—1)。表1中參數來源于模型推薦參考值, 表2參數參考模型推薦的參考值及相關文獻[24-26]。

3 結果與分析

3.1 2000—2017年岷江流域土地利用變化情況

在2000—2008年, 岷江流域的土地利用變化主要體現在耕地向建設用地轉變, 其中草地、建設用地、林地、水域以及未利用土地有所增長, 建設用地增長最為迅速, 增長了189.13 km2, 約增長18%, 而耕地面積下降了約243 km2, 約下降1.2%。同時, 一方面岷江流域的總人口由1330.9萬人增長至1390.5萬人, 人口增長率約為4.5%, 對住宅、工業和其他設施用地的需求越來越大, 城鎮村范圍不斷向外擴展; 另一方面, 隨著城市化的快速發展, 岷江流域內的中心城區和各縣GDP總值從787.5億元增長至1793.3億元, 各地區的基礎設施和交通網絡的完善占用了大量耕地, 導致建設用地面積持續增加, 耕地面積大幅減少。

表1 威脅因子屬性表

表2 生境適宜度及其對威脅因子的敏感度

在2008—2013年, 岷江流域的土地利用變化主要體現在草地和耕地向建設用地轉變, 其中草地和耕地大幅度減少, 分別減少了712 km2和340 km2, 下降幅度達到4.7%和1.8%; 建設用地、林地、水域和未利用土地不斷增長, 建設用地約增長443 km2, 增長幅度達37%。與此同時, 流域內總人口由1346.8萬人上升至1381萬人, GDP總值由1790.3億元增長至4409.6億元, 人口的增加對土地不斷提出新的索取, 導致土地利用類型的變化顯著, 這與彭文甫等人的研究結果也相一致[27], 該期間經濟快速發展帶動了土地城鎮化速度加快。

在2013—2017年,岷江流域的土地利用變化表現為草地和耕地向建設用地和水域轉變, 其中草地、耕地、林地面積和未利用土地分別減少了0.06%、1.4%、0.07%和5.6%; 建設用地和水域分別增加了14.2%和8.3%。其中建設用地增長面積中由耕地轉變的約占94%; 水域增長面積中由耕地轉變的約占60.5%。相比于2008—2013年, 流域內人口上升至1398萬人, GDP總值也達6421.1億元, 但耕地變化呈現小幅度下降趨勢。在此期間, 四川省制定“一帶六片八廊”的省域生態安全格局, 嚴格保護耕地, 防止城鎮建設連綿, 同時加強生態型經濟發展, 協調社會經濟發展與保護資源的關系, 逐步改善了土地生態狀況。

總體來看, 岷江流域在2000—2017年間建設用地面積不斷擴增, 約增長了858 km2, 耕地和草地面積呈下降趨勢, 分別減少了830 km2和701 km2, 約減少了4.7%和4.3%。流域內人地關系緊張的基本格局沒有改變, 大量耕地、草地被開墾利用, 亂砍亂伐的不合理土地利用現象依然嚴重, 水源涵養、凈化空氣等自然資源價值同步呈現下降趨勢, 但隨著公眾環保意識的增強以及國家退耕還林工程的啟動, 在2008—2017年耕地面積的減小幅度呈現下降趨勢。

3.2 2000—2017年岷江流域生境質量時空變化

InVEST模型采用生境質量指數和生境退化指數來反映研究區域的生境質量總體狀況。其中生境質量指數是指環境提供給適合物種和種群持續生存和繁衍所需條件和資源能力的大小, 模型中以柵格圖層上0—1的連續變化值呈現, 值越靠近1, 生境質量越好。通常土地利用強度的增加會引起威脅源地的增加和強度的增大, 使其附近的生境質量退化。將準備好的數據輸入InVEST模型, 運行生境質量評價模塊, 得到2000、2008、2013和2017年的生境質量指數和生境退化程度。結合岷江流域的實際生境質量情況進行等級劃分, 區分為較差、中等、良好、優等4個等級, 對應的生境質量指數范圍分別為0—0.2、0.2—0.5、0.5—0.8和0.8—1, 統計2000—2017年各個生境質量等級的柵格數所占比例(表4)。

表3 2000—2017年岷江流域土地利用轉移矩陣

在時間上分析, 在2000—2017年, 生境質量較差的流域面積一直在增加, 在2017年較差流域面積相比于2000年約增長了71.34%; 生境質量處于中等水平的流域面積呈現下降趨勢, 分別占當年柵格數的35.97%、34.71%、35.35%和35.02%; 生境質量處于良好和優等水平的流域面積呈現上升、下降再上升的變化趨勢。2000—2017生境質量變化趨勢與該階段人口增長變化、經濟發展路徑特點相吻合, 在2000—2013年我國處于高速發展階段, 對土地資源進行過度開發, 之后轉向高質量發展, 堅持綠色發展道路, 大力實施天保、退耕還林等生態保護和建設工程, 有力促進了岷江流域生境質量的進一步改善。

在空間上分析, 從圖2可以看出在2000—2017年, 岷江流域整體生境質量從岷江上游到岷江下游逐漸減弱。岷江流域上游受到地貌高度、坡度、水分、土壤等條件的限制, 林地的覆蓋面積大, 地形破碎程度比較高, 土地利用類型主要是草地和林地, 不利于進行生產生活開發, 適合居住或耕種的土地所占的比例很小, 受到人類活動影響較小, 因此生境質量指數相對比較高。從縣級行政區劃分來看, 松潘縣、黑水縣、茂縣、理縣、汶川縣、都江堰市、蘆山縣等地區生境質量指數相對較高, 處于0.7以上; 岷江下游的地區大多數為平原和沿江流域, 地形破碎程度比較小, 受人為擾動影響較大, 同時隨著城市化進程的加快以及建設用地需求的不斷增加, 耕地、草地面積呈現不斷減少的趨勢, 其中崇州市、郫縣、邛崍市、蒲江縣、彭山縣、眉山縣、仁壽縣、樂山市、青神縣等地區生境質量指數相對處于中等水平, 生境質量較差的區域主要呈現散點狀分布, 主要集中在岷江流域東南區域內的大中小城市。從土地利用及其轉移變化來看, 作為生境威脅源的建設用地迅速增加, 耕地、林地等生境適宜性較高的土地利用類型在不斷減少, 從而環境的破壞程度比較嚴重, 對岷江流域的生境質量造成巨大威脅, 如仁壽縣、榮縣、井研縣等區域生境質量指數相對較低, 處于0.3以下。

表4 2000—2017年岷江流域生境質量變化占比

圖2 2000—2017年岷江流域生境質量指數

Figure 2 Habitat quality index of Minjiang river basin in 2000-2017

3.3 2000—2017年岷江流域生境退化度時空變化

對于生境退化指數, 由于InVEST模型的輸出結果中直接表達的結果值具有連續性, 不易進行定性分析和空間分布規律的解讀, 因此利用ArcGIS中的自然斷點分類方法, 基于數據的分布情況采用類內差異最小、類間差異最大的原則進行重分類和空間統計。將岷江流域生境退化度劃分為四個等級, 分別為基本不變, 輕度退化、中度退化和高度退化四類, 生境退化度指數的取值范圍分別對應0—0.008, 0.008—0.04, 0.04—0.07, 0.07以上。生境退化指數的高低反映了該柵格受到威脅因子的影響程度, 生境退化指數越高表明受影響越大, 退化程度越嚴重。

在時間上分析, 從圖3可以看出在2000—2017年, 岷江流域生境質量屬于輕度退化的變化較為明顯, 從16.38%增長至17.63%; 生境質量基本不變和中度退化的流域面積呈先上升后下降的趨勢, 其中處于基本不變的流域面積在2013年高達43.37%; 生境質量高度退化的流域在2000—2013年呈現下降的趨勢且在2017年略微增長, 區域占比分別約為17.56%、17.49%、17.16%和17.20%。

在空間上分析, 從圖4可以看出在2000—2017年, 岷江流域生境退化度較高的地方主要分布在岷江流域的東南部, 如仁壽縣、榮縣、井研縣、樂山市、新津縣、屏山縣、沐川縣等耕地、建設用地分布廣、城市較為集中的地區; 而松潘縣、黑水縣、茂縣、理縣、汶川縣、洪雅縣等地區的生境退化度幾乎為0, 這些地區海拔相對較高, 人類活動地區范圍比較小且土地利用類型主要以林地、草地為主, 生態恢復系統較其他區域相比較高; 生境質量屬于中度退化的行政區主要有屏山縣、沐川縣、宜賓縣等, 這些地區的主要土地利用類型主要以耕地和水域為主, 同時從土地利用變化轉移矩陣中可以看出主要土地利用變化以耕地向草地或草地向水域轉變為主, 受到人類活動的影響相對較小。

4 討論

生境質量能夠表征區域內生態系統的健康狀況, 是區域生態安全保障和人類福祉提升的關鍵。近些年, 國內外一些學者利用生態指標法、AHP法和綜合指標法等方法對不同區域的生境質量進行深入分析。王瓊以清河為例, 采用熵權法和主成分分析賦權法, 構建河流生境質量評價指數[28]; 楊建強采用生態環境綜合指數法分析了萊州灣的生境質量[29]; 吳佳俁從“社會—生產—生態”視角構建土地利用多功能評價指標體系, 分區研究四川省的土地利用多功能性[30]。上述研究結果準確, 但在時效性、空間化等方面有待提高。InVEST模型融合了遙感數據、數學高程模型以及氣候插值數據等對地觀測數據, 克服了“以點帶面”的缺點, 具有運行參數相對較少、基礎數據獲取較易、輸出數據量大、評價結果定量化和空間可視化等特點, 使缺少實測數據資料的大中尺度區域生境質量的定量化、可視化和精細化分析和評估成為了可能, 能夠較為直觀描述區域生境質量的空間異質性[31]。

圖3 2000—2017年岷江流域生境質量退化變化

Figure 3 The habitat quality degradation changes in the Minjiang river basin in 2000-2017

圖4 2000—2017年岷江流域年生境退化度空間分布圖

Figure 4 Spatial distribution of habitat degradation in the Minjiang river basin in 2000-2017

本研究基于InVEST模型的評估結果, 直觀準確地揭示了岷江流域在2000—2017年間生境質量時空演變規律: 在時間上, 生境質量較差面積呈現上升趨勢, 中等水平面積呈現下降趨勢。在此期間土地利用面積變化顯著, 建設用地面積快速增長, 耕地、林地、草地面積不斷下降, 進而導致生境質量不斷退化。在空間上, 岷江流域上游地區的主要植被類型為草地和林地, 能夠為整個岷江流域提供涵養水源和凈化水質的作用, 人為干擾比較小, 生境質量處于優等狀態。岷江中下游以耕地為主要植被類型, 人口密度大, 耕作、施肥、生活污水和工業廢水對岷江流域的生境質量造成很大的破壞, 部分地區甚至陷入通過開閘放水也難以解決耕作生活用水的困境。因此, 為維護岷江流域生物多樣性, 必須科學合法管理開發利用土地, 加強對草地和耕地的建設保護, 保證生態用地的適宜面積并注重土地結構組成和空間配置, 提高生態用地的整體質量, 從而提升流域內的整體生境質量。

但InVEST模型在生境質量評價中也具有局限性。一是模型中部分參數如土地利用類型對各個脅迫因子的敏感度是參照文獻以及InVEST模型用戶指南確定的, 而生境質量的時空變化受到多種因素的影響, 分析結果存在一定的誤差, 只限于對岷江流域總體上的生境質量時空變化進行分析。二是模型中土地利用類型上的所有威脅都是簡單相加, 而多種威脅的總影響總是遠遠大于各種影響的算術和[32]。因此, 未來如何科學綜合流域內多種生態服務, 深入分析不同生態系統服務之間的復雜關系, 充分結合當地實測從而獲得更加精準的計算服務量是研究生境質量的重點方向, 以便能更好地揭示岷江流域生境質量的發展演變規律。

5 結論

本文采用InVEST模型的生境質量評估模塊對岷江流域2000、2008、2013和2017年四個時期的生境質量變化進行空間異質性分析, 得出以下結論:

(1)在2000—2017年, 岷江流域的建設用地呈現不斷增長的趨勢, 耕地、林地和草地呈現縮減的趨勢。其中耕地、草地、林地和建設用地之間的轉換較為明顯且建設用地轉入最大的來源主要是耕地。

(2)從時間上來看, 岷江流域生境質量處于較差水平呈增長趨勢, 中等水平呈下降趨勢; 處于良好和優等水平的流域面積呈上升, 后小幅度減少再大幅度增加的趨勢。岷江流域的生境質量與土地利用之間存在很顯著的相關性, 耕地、林地和草地的生境質量高, 而建設用地的生境質量較低且耕地和草地面積下降是生境質量下降的主要原因。

(3)在空間上來看, 岷江流域上游地區生境質量總體普遍高于中下部地區, 生境質量較差的區域大多集中在耕地、建設用地聚集的人類活動區域。

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Research on the impact of land use change on habitat quality in Minjiang river basin based on InVEST Model

ZHAO Qingjian*, WU Xiaozhen

College of Economics and Management, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China

The process of land use and habitat quality change is of great significance to maintaining the balance of natural systems and the sustainable development of regional socio-economics. Taking the Minjiang River as the research area, the InVEST Model was used to evaluate the spatial and temporal changes in habitat quality based on the land use change. The results show that: (1) The construction land in the Minjiang River Basin showed an increasing trend, while the cultivated land, woodland and grassland showed a shrinking trend in 2000-2017; the conversion between cultivated land, woodland and construction land was more obvious, and the construction land changed. The largest source of construction land transfer was mainly cultivated land. (2) In terms of time scale, the proportion of poor and good habitat quality increased by 71.34% and 2.41% respectively; the proportion of medium and excellent grades dropped by 4.28% and 2.61% respectively. (3) In terms of spatial scale, the habitat quality of upper reaches of the Minjiang River Basin was generally higher than that of the middle and lower reaches. The large-scale expansion of construction land had encroached on a large amount of arable land and woodland, which led to a decline in the overall habitat quality of the middle and lower reaches of the plain area. Among them, the poor and middle-level areas were significantly expanded.

Minjiang river basin; land use change; habitat quality; InVEST Model

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.06.001

Q148

A

1008-8873(2022)06-001-10

2020-09-10;

2020-11-25

國家自然科學基金項目(71373125); 江蘇高校哲學社會科學研究重大項目(2020SJZDA073)

吳曉珍(1996—), 女, 江蘇南通人, 碩士研究生, 主要從事生態經濟研究, E-mail: 1026742937@qq.com

通信作者:趙慶建, 男, 博士, 教授, 主要從事生態經濟?復雜社會生態系統研究, E-mail: zhao5190@126.com

趙慶建, 吳曉珍. 基于InVEST模型的岷江流域土地利用變化對生境質量的影響研究[J]. 生態科學, 2022, 41(6): 1–10.

ZHAO Qingjian, WU Xiaozhen. Research on the impact of land use change on habitat quality in Minjiang river basin based on InVEST Model[J]. Ecological Science, 2022, 41(6): 1–10.