基于InVEST模型的太原市土地利用變化對生境質量的影響研究

趙蓉 司奕坤

(太原師范學院地理科學學院，山西 晉中 030600)

生境質量可為個體和物種提供合適的環境條件[1],土地利用變化在一定程度上影響著區域生境分布格局和功能[2]。城鎮化進程使得生境質量面臨的壓力日益增大,城市擴張對土地資源的需求量日益增大,不僅改變著城市的用地類型,也不可避免地影響著生態用地的規模,從而導致區域內的生境質量下降等一系列問題。因此,探究土地利用變化視角下的區域生境質量,可獲得該區域土地利用方式和利用程度的變化情況,以及生態環境的變化趨勢,對研究生物多樣性及其保護具有重要價值,有利于維持生態系統的平衡發展,可為區域土地的可持續合理利用提供參考。

近年來,國內外許多學者在土地利用變化對生境質量影響方面開展研究。研究方法有CA-Markov、ARIES、InVEST模型等評價方法,由于InVEST模型對數據量需求量較低、易操作、可視化強,被廣泛使用。一系列基于InVEST模型對生境質量的相關研究應運而生,如楊潔等[3]探討了黃河流域的生境質量時空演變情況及其影響因素；梁曉瑤等[4]對黑龍江省的生境質量空間格局和影響因素進行分析；杜世勛等[5]研究了山西省生物多樣性功能；陳妍等[6]對北京市的土地利用格局變化對生境質量的影響展開研究；包玉斌等[7]的研究區域為陜西省黃河濕地保護區。從以上研究可以看出,InVEST模型常被用于國家、流域、省域、城市、縣域以及保護區等多個尺度。現有的研究大多集中在生境質量的時空演變和其他因素對生境質量的影響,其中以土地利用變化為主。研究區域多為沿海地區或一些熱點城市。

太原作為能源城市,在工業建設和經濟發展中起了重要的作用,但由于對生態環境保護的認識不夠,過分強調經濟發展而忽略了環境保護。尤其是近年來太原市城市化發展迅速,城市用地的不斷擴張對生態用地產生了巨大的壓力。本文通過分析土地利用的時空變化特征,從土地利用變化入手對太原市20a的生境質量變化進行研究,為調整優化太原市土地利用格局、保護區域生態環境等方面提供一些參考。

1 研究區概況

太原市(E111°30′～113°09′,N37°27′～38°25′),土地面積6909km2,行政范圍包括6區2縣1市。太原市地處山西省中北部,太原盆地內,西、北、東3面環山,汾河自北向南縱貫全境。氣候屬溫帶大陸性氣候,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥。據七普統計,太原市總人口約為530萬人,跟六普相比,增幅大約為26%,城市化進程明顯加快。

圖1 太原市區域概況

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源與方法

數據來源于中國科學院地理科學與資源研究所[13],選取的是2000年、2010年、2020年1∶10萬的土地利用數據,根據研究區實際,建立土地利用類型二級分類體系,見表1。

表1 土地利用分類體系

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化分析

計算太原市土地利用類型面積,圖層疊加后得土地利用類型轉移矩陣,可掌握研究區各階段損失轉移的方向和比例。

2.2.2 InVEST模型生境質量模塊

InVEST模型是一種綜合評價模型[8]。本研究運用“Habitat Quality”模塊。通過計算獲取該地的生境質量,進而評估太原市土地利用變化對生境質量的影響。

在運行生境質量模型前,需要先對圖層數據進行預處理,模型需輸入5類數據。參照陳妍等[6]、吳健生等[8]的研究并結合實地情況,本研究選取5類作為威脅源,并設置權重和最大影響距離,見表2。結合相關參考文獻和手冊,確定生境適宜度和敏感程度,見表3,k值設0.5。

表2 威脅源的最大影響范圍及權重

表3 不同土地利用類型對各威脅源的敏感度

生境退化度由對威脅源的計算而得,生境質量的計算在生境退化度的基礎上綜合生境適宜性而得。生境對威脅因子越敏感,則該地的生境退化程度就越大。生境退化度(Dxj)公式:

式中,r為威脅因子；R為威脅因子總量；YR為威脅因子R圖層中的柵格總和；Wr為威脅因子權重；ry用于確定柵格y是否為威脅因子r的來源地；irxy為生境與威脅因子之間的距離函數；Sjr表示土地覆被類型j對于威脅因子r的敏感性。則生境質量(Qxj)公式:

式中,Hj為土地利用j的生境屬性；z為歸一化指數,其參數為模型默認值。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

耕地、林地和草地為太原市2000—2020年主要的地類,見表4。2000—2010年,林地和建設用地面積增加,建設用地增幅最大,為84.66%；林地增幅為4.90%。其他4類均有不同程度的減少,其中耕地和草地減幅分別為12.95%和7.38%。水域和未利用地減少了12.22km2和0.68km2,因基數較少,減幅為13.79%和24.73%。

表4 太原市各土地利用類型面積

2010—2020 年,草地、建設用地和水域面積增加,且增幅為0.60%、0.47%和0.41%,草地增幅最大。耕地、林地、未利用地面積減少面積約為22.93km2、2.19km2、0.99km2。其中未利用地基數較少,減幅面積最大,為47.83%。耕地和草地減幅為1.21%和0.09%。

20a間,太原市的建設用地和林地持續增加,且建設用地增量最大,增加了341.36km2。其他用地類型都有不同程度的減少,其中耕地資源減少明顯,減少了305.87km2。總之,太原市這一時期土地利用變化的特點為建設用地增加和耕地資源逐漸減少。

為深入了解太原市土地利用在這一時期的轉化情況,構建土地利用轉移矩陣,見表5、表6。2000—2010年,耕地中有57.17%處于穩定,減少的耕地主要轉為林地、草地和建設用地,所占比例分別為9.43%、19.38%和13.12%,從轉化情況可反映出耕地受到退耕還林還草以及建設用地擴張的影響。林地保留了78.48%,其轉出類型主要為耕地和草地,所占比例為6.95%和12.62%。草地中有54.22%保持穩定,主要轉出21.53%的耕地和19.95%的林地,以及3.89%的建設用地。建設用地擴張明顯,約80.17%處于穩定狀態,但約15.17%轉為耕地,這可能與廢棄宅基地以及工礦廢棄地的復墾有關。水域有48.57%處于穩定,主要轉出為耕地和草地,所占比例為20.33%和17.36%。未利用地基數最小,但向建設用地轉出了49.10%。

表5 2000—2010年太原市土地利用轉移矩陣

表6 2010—2020年太原市土地利用轉移矩陣

2010—2020年,耕地中有64.55%處于穩定,減少的耕地主要轉為林地、草地和建設用地,分別占8.07%、19.80%和6.76%。林地保留了81.32%,主要轉向耕地和草地,所占比例為6.88%和10.71%。草地中有62.26%保持穩定,主要轉出20.45%的耕地和14.94%的林地,以及2.02%的建設用地。建設用地74.86%處于穩定,主要轉出為耕地、林地和草地,所占比例分別為14.96%、4.39%和5.13%。水域有61.71%處于穩定,對其他地類有不同程度的轉移(除未利用地)。未利用地僅31.14%處于穩定,轉出的土地主要是耕地、林地和建設用地,分別占12.50%、3.35%和13.08%。

從地類轉化總體來看,20a間轉化中最穩定的是建設用地和林地,這也反映太原市城市擴張與林地生態保護并行。最明顯的是未利用地和水域的轉出,尤其是前10a,未利用地向建設用地的轉化達到了49.10%,這反映出在建設用地的擴張上未利用地發揮了作用。水域在前10a 48.57%處于穩定,后10a增長為61.71%,這與太原市從2008年實施的千里汾河清水復流工程相關。總之,草地與耕地互為轉移,水域和未利用地向其他地類的轉化是太原市這個時期內土地利用轉移變化的特點。

3.2 太原市生境質量時空變化

根據InVEST模型得到太原市的生境質量圖,生境質量高低在模型中表現為0～1的值,數值越高,生境越好。為直觀看出太原市的生境質量情況,將生境質量指數分為低、較低、一般、較高、高5個等級,數值分別為0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1,并作可視化處理。

從時間上看,見表7,整體上太原市的生境質量處于一般水平,較低、一般和高生境質量等級約占總面積的90%左右,低生境質量和較高生境質量所占比例較小。較高生境質量和高生境質量20a間變化比例不大,分別增加了0.82%和1.24%。一般生境質量和較低生境質量分別減少了2.72%和4.34%。低生境質量變化比例最大,增加了5.01%。綜上,2000—2020年,太原市整體生境質量有所下降。

表7 2000—2020年太原市各等級生境比例

從空間上看,見圖2,太原市整體生境質量呈現西部和東北部高、中部和南部低的趨勢。太原市的婁煩縣、古交市和陽曲縣生境質量整體較高,主要分值在0.6以上。清徐縣和小店區的生境質量較低,主要分值處于0～0.4。中部5城區的生境兩級分化嚴重,山地邊緣的生境質量較高,分值在0.6以上；中部平原在0～0.2,生境質量最低。汾河流經地區,生境質量較高。但距離城鎮較近以及位于主要交通網連接處的區域,生境質量等級較低,且零星分布于研究區。

圖2 太原市生境質量圖

為了直觀看出太原市生境質量20a間的變化,運用軟件得3個時間段的生境質量變化情況,將不同時間段的生境質量圖進行柵格運算,將生境質量變化情況分為變差、不變及變好3類。

從圖3可以看出,2000—2010年,生境質量變化劇烈,且出現集中連片區,中部的集中連片區主要為太原市城區迅速擴張的區域,主要向南部的小店區、晉源區和清徐縣擴張。變好區域主要集中在東中部的杏花嶺區和迎澤區,以及西北部的汾河水庫。這反映了汾河水庫的治理顯著,以及實施的東山生態恢復治理工程,曾經作為垃圾填埋場的杏花嶺區和迎澤區生境質量明顯變好。2010—2020年,生境質量空間變化不明顯,變好面積與變差面積基本持平,無明顯的集中區,但空間分布上,西部和中西部的變化較為劇烈,北部和南部的變化區域零星分布。綜上所述,前10a生境質量變差的面積較大,且區域較多,變化更為劇烈,后10a變化情況不顯著。

圖3 太原市生境質量變化圖

3.3 生境質量變化原因分析

從變化中可以表明,2000—2020年太原市生境質量發生退化,從土地利用角度看,2000—2020年建設用地的擴大伴隨著耕地資源的大量減少,也減少了一定數量的草地、水域和未利用土地面積。尤其是建設用地面積的持續增加,嚴重威脅著太原市的生境質量,是導致生境質量退化的主要原因。

太原市西部和東北部生境質量較高,古交市、婁煩縣和陽曲縣多山地,受地形影響對土地利用產生了良好的生態效應。另外,古交市和婁煩縣屬汾河上游,是黃土高原生態脆弱區。在政府的重視下,汾河綜合治理已經大規模地組織實施了4次,因此汾河周邊的生境質量較高。太原市中部和南部生境質量較低。中部區域處于太原市城市發展中心地帶,經濟發展迅速,交通網密集,建用地占比大,人類活動劇烈,因此該區域生境質量差。南部的清徐縣和小店區,建設用地迅速擴張,耕地面積大量減少,2016年隨著綜改示范區太原起步區的規劃和建設,生境質量較差。

4 結論與討論

利用InVEST模型,結合2000年、2010年、2020年的土地利用數據,通過ArcGIS軟件分析2個不同時間段的土地利用轉移情況,選取耕地、城鎮建設用地、農村居民點、其他建設用地和未利用地作為威脅源,通過模型計算獲得太原市的生境質量情況進行分析,結論如下。

2000—2020 年太原市建設用地和林地面積不斷增加,建設用地增加面積最大,增加了341.36km2。其他用地類型都有不同程度的減少,其中耕地資源減少明顯,減少了305.87km2。在土地利用轉移中最穩定的是建設用地和林地,草地與耕地互為轉移,水域和未利用地大量向其他地類轉化。

太原市生境質量空間上看,西部和東北部高、中部和南部低。婁煩縣、古交市和陽曲縣生境質量整體較高,清徐縣和小店區的生境質量較低。零星分布在交通網連接的區域,其生境質量較低。中部城區的生境質量最低。

太原市生境質量整體處于一般水平,且前10a的生境質量變化較為劇烈。較低、一般和高生境質量等級約占總面積的90%左右。較高生境質量和高生境質量20a間變化比例不大,分別增加了0.82%和1.24%。一般生境質量和較低生境質量分別減少了2.72%和4.34%。低生境質量變化比例最大,增加了5.01%。

山西省從2000年開始退耕還林試點,20a間從林地面積的增加可反映出太原市的退耕還林工程取得了一定進展。但建設用地持續擴張大大影響了生物多樣性。從生境質量來看,主城區的生境質量退化程度明顯,應合理規劃城市格局。黨的十八大以來,太原市不斷加強生態環境保護,從東山、西山進行生態治理和修復,到汾河流域的生態修復。但在未來的規劃和治理中,應更加注意保護草地和水域,對建設用地和耕地的擴張實施更加合理的控制措施,優化景觀格局,更加努力平衡生態環境建設和城市發展,在注重經濟效益的同時更加注重生態效益。