基于InVEST模型的四川省2000—2020年生境質量時空動態變化研究

陳 琳

（長安大學地球科學與資源學院，陜西 西安 710000）

0 引言

生境質量指生態系統為生物提供良好的生存環境，以及保持可持續發展的能力。生境質量對區域內生物多樣性起到表征作用，能夠反映人類生存環境的優劣程度，是區域生態安全保障的關鍵環節［1-2］。近年來，由于社會的快速發展和人口增長的壓力，導致土地資源的大量占用和過度開發。主要表現在土地利用方式和轉變強度的改變，進而引發一系列的環境問題，因此對區域內的生態環境進行評估與分析十分必要，可為資源可持續發展、制定區域生態保護策略提供基礎理論依據［3］。

在該研究領域中，目前大致分為兩類研究方法：第一類是以景觀格局為基準建立評價指標體系；第二類是基于3S技術等數理模型，進行生態評估的定量研究，常見的評價模型有SoLVES模型、HIS模型、InVEST模型等［3-5］。InVEST模型中的生境質量模塊的主要功能是評估區域內生境質量等級，該方法的優點是可以迅速檢驗區域內生境質量和數量的時空變化。選擇土地利用數據進行In-VEST模型分析，生境質量的退化可以看做是附近的土地利用強度增加的結果［6］，進行該模型的研究可為深入研究區域內生態系統價值服務功能提供新的可能。

目前，國內外的學者利用該模型對相關流域［3-5］、自然保護區［7］、城市［8］等具有重要生態價值和需求的區域進行生境質量的研究。如趙慶建等［3］以岷江流域的土地利用變化為研究基礎數據，對其生境質量進行研究，提出適合流域發展的環保措施；謝余初等［9］把甘肅白龍江流域作為研究對象，將生境質量值、植物生產力、景觀狀態指數作為環境可持續能力的評價指標，借助GIS和InVEST模型，在柵格像元尺度上對流域的生物多樣性進行時空變化的分析。景曉瑋等［10］通過In-VEST模型，分析貴州省2000—2017年的土地利用變化，研究生境質量時空轉變與土地利用類型轉變之間的關系。

四川省作為西部地區重要的經濟中心，區域內土地利用類型豐富，林地、草地所占比重較大，生態環境和生物資源豐富。近年來，四川省的城鎮化、農業現代化進程不斷加速，導致區域內的土地利用類型之間不斷發生轉換。不同地類的面積變化和相互轉移，區域的生態環境狀況也會發生明顯的變化。因此，借助ArcGIS和InVEST模型軟件對四川省進行生境質量的定量分析是必要的，本研究基于InVEST生境質量模型的優點，通過分析四川省2000—2020年的土地利用變化，對四川省該時段生境質量時空變化特征進行研究，為四川省生態保護和生態示范區建設提供有力的理論支撐。

1 區域概況

四 川 省（97°21＇E～108°33＇E，26°03＇N～34°19＇N）地處中國西南，面積約49萬km2，被稱為“天府之國”。四川省地貌類型東西差異大，主要區域分為：四川盆地、川西北山地地區、川西高山高原區、川西南山地丘陵區。山地、丘陵是區域內主要的兩種地貌類型，分別約占全省總面積的74.2%和10.3%。四季分明的季風氣候，夏季多暴雨，易引發泥石流、洪災等自然災害。西部與青藏高原相連，區域內自然條件相對惡劣，生態環境脆弱；東部地處平原、丘陵，城市聚集，人口分布密度大，人地矛盾突出。

2 研究數據與研究方法

2.1 數據來源

研究數據主要包括四川省土地利用數據（2000、2010、2020年）和四川省行政邊界數據。土地利用數據源自中國科學院資源環境科學數據中心（https://www.resdc.cn）的土地利用現狀遙感監測數據庫數據集中，分辨率為1 km×1 km。

2.2 土地利用類型變化

本研究選擇土地利用轉移矩陣的方法對不同地類的面積增減以及相互之間的轉移進行表征，將上述土地利用數據，在ArcGIS中，利用Combine工具計算土地覆被面積，再利用軟件中的融合工具和疊加分析工具進行數據分析，最終得到土地利用轉移矩陣。

2.3 InVEST模型生境質量評估

運行生境質量模型，需要輸入以下5個數據，即當前的土地覆被數據、威脅因子要素表、威脅源柵格圖層數據集、威脅源敏感性表、半飽和K常數數值。

生境質量是區域生物適應性指標之一［11］。其價值的大小反映了區域的生境質量。價值越高，生境質量越高，生物多樣性水平越高。其計算公式為式（1）。

式中：Qx j表示生境質量指數；Hj表示不同地類的生境適宜度；Dxj為柵格x生境退化度；z為模型中的默認參數；K為半飽和常數，系統默認值為0.5［12］。

式（1）中的生境退化度，是模型中的另外一個指示參數，對威脅因子反應越敏感的生境類型，代表其受到威脅因子的作用越強烈，表現出的生境退化程度越高。計算公式為式（2）和式（3）。

式中：r表示威脅因子；R為威脅源總量；Yr表示威脅源的柵格數；wr為威脅因子權重，取0~1；ry代表一個柵格單元上威脅因子的數量；irxy為威脅因子的影響區域范圍；βx表示法律準入水平，取值βx=1；S jr為土地利用類型j對威脅因子r的敏感度，該值越接近1越敏感；dx y表示柵格x到柵格y之間的直線距離；drmax為r的最大威脅距離［12］。

模型中參數的選擇根據四川省的實際情況，參考模型使用手冊和相關實例及參考文獻［13-15］對相應參數進行賦值（見表1，表2）。

表1 四川省威脅因子權重

表2 各威脅源的敏感性及生境適宜度

2.4 空間分析

基于縣域提取生境質量進行空間分析，選擇冷熱點分析方法。生境質量冷熱點分析指區域聚類分布特征，密度高的生境質量值為熱點，密度低的生境質量值為冷點［15］。利用Getis-Ord G*指數對要素進行冷熱點分析，主要原理：計算某一個柵格及其附近柵格的生境質量值的總和，用該總和值與所有柵格的生境質量值總和進行比較，得出該區域生境質量的聚集特點。G*表現為正時，說明生境質量值的密度高，稱為熱點區域；反之則為冷點區域。計算公式為式（4）。

式中：G*i統計的是z得分；x j是要素j的屬性值；ωi,j是要素i和j的空間權重；n為要素總數；

3 結果分析

3.1 土地利用變化特征

從四川省2000—2020年土地利用類型的分布中可以看出：耕地、林地和草地是主要的地類，共占總面積的90%以上。構建土地利用轉移矩陣是為了可以更加直觀和深入分析近20年土地利用的變化情況（見表3）。四川省土地利用類型轉移主要體現在建設用地、農田、草地、林地之間。其間，建設用地面積從2 914 km2增長到6 227 km2，其次，耕地是幾種土地利用類型中面積變化最多且轉移頻率最高的，減少了3 280 km2。耕地、草地等轉為建設用地的現象主要發生在東部地區，尤其以成都周邊最為顯著。2000—2020年四川省的各類地類均發生了變化，主要表現為耕地、建設用地、林地、草地四個大類之間的相互轉移。

表3 2000—2020年四川省土地利用轉移矩陣 單位：km2

3.2 生境退化度

生境退化度的高低表明土地利用類型受威脅因子脅迫的程度，其分值越高說明土地利用類型受脅迫的程度越高，易發生生境退化的現象。四川省的生境退化度從2000—2020年變化程度較小，易發生生境退化的地區集中在中部，從中心往四周輻射（見圖1）。大部分地區退化度分值低，其區域內主要分布的是敏感度較低的草地。林地由于受威脅因子脅迫的敏感度高，所以生境退化值較高。由圖1可知，生境退化度得分區間在空間上分布無明顯變化。從整體看來，大部分區域生境沒有發生明顯退化，變化主要出現在中東部。中東部由于城鎮建設導致土地利用類型轉變，進而影響到生境敏感性的轉變，造成已經發生過生境退化的區域再次發生顯著的變化。

圖1 2000—2020年四川省生境退化度

3.3 生境質量時空演變過程

生境質量指數可以量化區域生態環境的好壞，該指數值越大（取值為0~1）表示生境質量越好。結合四川省生境質量整體情況，對生境質量進行等級劃分，劃分為優（0.9~1）、良好（0.7~0.9）、一般（0.5~0.7）、較差（0.2~0.5）、差（0~0.2）5個等級，并統計各個等級的面積和變化比例。

從表4中的面積變化情況來看，近20年生境質量等級為優的區域面積增長比例最大，面積增加14 196 km2，占比上升2.9%。生境質量差、較差、一般的區域面積均呈現減少的發展趨勢，占比分別下降0.7%、0.3%、1.3%。生境質量等級良好的區域面積變化不大，但是在2010—2020年，其面積呈現減少的發展軌跡，占比下降0.8%。四川省生境質量整體表現為一個較高水平且有一定程度的提升。

表4 2000—2020年四川省生境質量等級面積及變化

從空間分布的角度來看，四川省大部分區域生境質量表現不錯，生境質量表現好的區域主要集中在盆地以西、川西高原等地區，東北部和東南部的丘陵、山地分布很少的一部分，區域內植被覆蓋率高，自然生態環境良好且穩定，其次相對于海拔低、平坦的地區，高原環境中受到的人類活動干擾小。生境質量表現為一般的區域主要分布在四川省東部地區，主要為耕地、少量建設用地。生境質量較差和差的區域都集中分布在人類活動頻繁的城鎮及其周圍，其中以成都為核心向外輻射，呈現生境質量由差向一般和良好變化的趨勢。綜上，四川省生境質量呈現東西嚴重分化的局面。

3.4 生境質量的冷熱點分析

四川省生境質量的冷熱點分布表現為“東冷西熱”（見圖2）。熱點區域的面積占比大，分布廣，主要是城鎮發展速度較為緩慢的地區，川西及川南植被覆蓋率高的區域，其主要地類為草地、林地為主。冷點區域占比面積相對較小，主要分布在東部，以及西北部個別縣區，這些區域主要以成都為中心擴散的城市群，主要的土地利用類型為耕地、建設用地，表現出的生境質量往往較差。從時間的角度來分析，2000—2020年，西北部的冷點區域轉變為熱點區域，東部的冷點區域隨著時間變化，一部分區域逐漸轉變為次冷點、次熱點區，冷點區面積大尺度縮小。

圖2 2000—2020年四川省生境質量冷熱點分布

4 討論

綜上所述，四川省的生境質量變化特征具有逐漸變好的總趨勢，以2010年為節點，前后兩段時間的生境質量值表現呈相反特征。這些變化特征的原因與土地利用類型的格局分布密切相關。前人研究表明土地利用方式的轉變將會是影響環境的最大因素之一，同時也將成為生境質量降低、生物多樣性減少的主要原因［3］。研究發現，2000—2020年四川省各土地利用變化幅度均低于10%，研究區的平均生境質量基本上沒有明顯的降低，低等級的生境質量面積占比在減少，高等級的生境質量面積占比在提高。從數據上顯示，以2010年為節點，生境質量在整個過程中低等級的呈現提高又降低的趨勢。其主要原因與四川省近20年來的經濟發展密切相關。將人口密度、城鎮化率這些影響環境的主要驅動力與之聯系起來，便能很好的得出生境質量如此變化的原因。從2000—2010年，成都市主要的幾個經濟大區城鎮化率就已經達到100%，其他臨近的城市城鎮化率也是突飛猛進的增長，綿陽、自貢等地級市在2020年達到90%。城鎮的大面積擴張，涉及的區域生態環境變差。但四川省總體表現為低等級的生境質量提高，高等級的生境質量面積也在增加，主要原因是境內流域的生態保護，退耕還林的實施，對重點污染和部分合適的區域實施生態修復、土地復墾、復種等項目，上述各種項目的有效實施對生境質量的提高起到長期有效的保障作用。從四川省的生境質量斑塊分布空間來說，川西地區生境質量水平高，且保持相對穩定，原因是經濟發展水平低，其次是生態環境的重點保護對象，生態保護力度大。川東地區城市群集中且經濟發展速度快，城鎮發展和相關政策的落實，區域內有大量人類活動，這些是導致四川省生境質量空間分布呈現西高東低格局的主要原因。不同的地貌類型其生境質量呈現不同的變化，基于該研究區西部和東部分別是高原和盆地兩種截然不同的地貌類型，其生境質量的變化也有一些差別。

5 結論

①2000—2020年，四川省建設用地面積在原本的基礎上增長了114%，耕地是減少最明顯的土地利用類型。

②從生境退化度角度分析，2000—2020年，生境質量退化程度較小，易發生退化的區域集中分布在中部，以成都為中心。四川省生境質量表現為空間上東西分化明顯，生境質量等級之間的面積差異顯著。最直接的表現是生境質量等級為優的區域面積增長最多，其他等級的變化不太明顯。

③土地利用方式的變化是四川省生境質量變化的主要原因，其次，區域內的不同地貌類型也對生境質量產生一定的影響。