基于InVEST模型的昆明市生境質(zhì)量時空演變分析

曾欣怡宋鈺紅

(1.西南林業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院，云南 昆明 650224；2.國家林業(yè)與草原局西南風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650224)

引言

隨著城市化進程的加快，全球正在經(jīng)歷前所未有的生境質(zhì)量退化，導(dǎo)致生物多樣性喪失嚴重[1]，生物多樣性保護面臨著巨大挑戰(zhàn)。生境質(zhì)量指生態(tài)系統(tǒng)為生物的生存與發(fā)展提供適宜條件的能力，在一定程度上可以反映區(qū)域生物多樣性的情況，是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的基礎(chǔ)，更是影響人類福祉的關(guān)鍵因素[2]。人類活動與土地利用變化是導(dǎo)致生境質(zhì)量下降的重要原因[3]，是生境質(zhì)量的一個重要風(fēng)險因素，基于土地利用對生境質(zhì)量變化進行研究，對區(qū)域生物多樣性保護與可持續(xù)發(fā)展有重要價值。

目前，關(guān)于生境質(zhì)量評估的研究主要集中在2點。建立指標體系。如，楊建強等[4]通過生境質(zhì)量和生態(tài)響應(yīng)2個方面構(gòu)建指標來評價萊州灣的生境質(zhì)量，此方法主要基于實地調(diào)研數(shù)據(jù)構(gòu)建評價體系，結(jié)果準確但消耗人力物力較大、時間較長，不利于廣泛應(yīng)用于大尺度研究。構(gòu)建模型模擬。如，劉漢儀等[5]以土地利用為基礎(chǔ)運用InVEST模型分析了粵港澳大灣區(qū)生境質(zhì)量時空演變特征；王志強等[6]通過HSI模型對扎龍國家級自然保護區(qū)丹頂鶴繁殖生境適宜性進行了定量評價；高浩翔等[7]采用最大熵模型分析了野生馬麝夏季生境適宜性。其中，InVEST模型因其獲取數(shù)據(jù)相對容易、結(jié)果可視化強，評估精度較高被國內(nèi)外學(xué)者廣泛應(yīng)用于自然保護區(qū)[8]、流域[9]、省域[10]、市域[11]等尺度。

云南省生物多樣性極其豐富[12]，昆明作為云南省省會，滇中城市群中心城市，其城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護面臨較大沖突。因此，本研究以昆明市為研究區(qū)，使用InVEST模型中Habitat Quality模塊，基于2000年、2010年、2020年3期的土地利用數(shù)據(jù)分析2000—2020年昆明市生境質(zhì)量以及變化情況，以期為昆明市權(quán)衡區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護與發(fā)展，打造高原湖濱生態(tài)宜居城市提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

昆明市位于我國西南地區(qū)，云貴高原中部(E102°10′～103°40′，N24°23′～26°22′)，下轄14個區(qū)縣，總面積21060.5km2。地勢整體呈北高南低的格局，以湖盆巖溶高原地貌形態(tài)為主，市中心海拔約1891m。屬于亞熱帶高原季風(fēng)氣候，年平均氣溫15℃，四季如春，有“春城”之稱。生態(tài)本地優(yōu)越，森林覆蓋率達到52.62%，生物多樣性總體水平上物種較豐富，生態(tài)系統(tǒng)類型較多，局部地區(qū)生物多樣性高度豐富。2021年，昆明市常住人口850.20萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值7222.5億元。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選取2000年、2010年和2020年共3期的昆明市土地利用數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于30m全球地表覆蓋數(shù)據(jù)GlobeLand30(http：//www.globallandcover.com/)，N48_20和N48_25圖幅號，其中，將昆明市土地利用分為耕地、林地、草地、灌木地、濕地、水體、建設(shè)用地7類。該數(shù)據(jù)總體精度83%，是目前為止能公開獲取到的分辨率較高、分類精度較好的全球土地覆被數(shù)據(jù)集[13]。

2.2 生境質(zhì)量評估方法

本研究采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估和權(quán)衡(InVEST)模型中生境質(zhì)量(Habitat Quality)模塊對昆明市2000年、2010年和2020年生境質(zhì)量進行評估。生境質(zhì)量模塊綜合分析土地利用和威脅生物多樣性的因素來得到生境質(zhì)量地圖[14]，其數(shù)值大小代表生境質(zhì)量水平，數(shù)值越高表示該區(qū)域生境質(zhì)量越好，物種生存條件更適宜，生物多樣性水平就越高[15]。該模塊通過威脅因子對生境的影響計算生境類型的退化程度，通過生境適宜度與生境退化度來計算生境質(zhì)量[11]。其中，生境退化度計算公式：

式中，Dxj代表土地利用類型j中柵格x受脅迫程度(生境退化度)；R代表威脅因子個數(shù)；r代表單個威脅因子；Yr代表威脅因子r所占柵格數(shù)；y代表威脅因子r所在的柵格；Wr代表威脅因子r的權(quán)重；ry代表威脅因子強度；irxy代表威脅因子對每個柵格產(chǎn)生的影響；Sjr代表土地利用類型對不同威脅因子的相對敏感程度。

生境質(zhì)量的計算公式：

式中，Qxj代表土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量水平，范圍為0～1；Hj代表土地利用類型j的生境適宜度；k為半飽和常數(shù)；z采用模型默認參數(shù)[16]。

結(jié)合前人研究與研究區(qū)實際情況[15，17]，本研究將土地利用中耕地與人造地表作為威脅因子。具體參數(shù)設(shè)置主要參考InVEST模型手冊以及相關(guān)案例研究[14，16]，威脅因子最大影響距離、權(quán)重、衰減方式如表1所示，各用地類型的生境適宜度及其對威脅因子的相對敏感度如表2所示。

表1 威脅源最大影響距離及權(quán)重

表2 土地利用對各威脅源的敏感度

3 結(jié)果與分析

3.1 生境質(zhì)量指數(shù)變化

生境質(zhì)量指數(shù)范圍為0～1，數(shù)值越大表示生境質(zhì)量越高，采用分區(qū)統(tǒng)計方法得到昆明市生境質(zhì)量指數(shù)，2000年、2010年、2020年的生境質(zhì)量指數(shù)平均值分別為0.7、0.7、0.68，整體呈減少的變化趨勢；2000—2010年基本不變(增幅1%)，2010—2020年降幅4%。如表3所示，2000—2010年，昆明市14個區(qū)縣中半數(shù)的區(qū)縣生境質(zhì)量指數(shù)不變，5個區(qū)縣生境質(zhì)量指數(shù)增加，增幅均在1.5%左右，生境質(zhì)量指數(shù)呈降低趨勢的區(qū)縣為官渡區(qū)和祿勸彝族苗族自治縣，降幅分別為3.2%和1.2%；2010—2020年昆明市14個區(qū)縣中12個區(qū)縣的生境質(zhì)量指數(shù)呈降低趨勢，降幅各異，其中降幅最大的為官渡區(qū)，達到25%，呈貢區(qū)次之，降幅達20.3%；富民縣和祿勸彝族苗族自治縣生境質(zhì)量指數(shù)不變；2000—2020年，14個區(qū)縣中僅富民縣的生境質(zhì)量指數(shù)不變，其余13個區(qū)縣均呈降低趨勢，其中官渡區(qū)降幅最大，達到27.4%。

表3 2000—2020年昆明市各區(qū)縣生境質(zhì)量指數(shù)

3.2 生境質(zhì)量等級的面積變化

結(jié)合研究區(qū)實際情況與相關(guān)案例，將生境質(zhì)量結(jié)果分為低[0，0.4]、較低[0.4，0.6]、中[0.6，0.8]、較高[0.8，0.9]和高[0.9，1.0]5個等級，如表4所示。

表4 2000—2020年昆明市各等級生境質(zhì)量面積

2000年、2010年和2020年昆明市生境質(zhì)量處于中等級、較高等級和高等級區(qū)域的面積相對平穩(wěn)；低等級區(qū)域面積呈增加趨勢，面積占比分別為1.7%、2.1%和6.1%；較低等級生境質(zhì)量面積呈降低趨勢，面積占比分別為38.4%、36.7%和33.9%。從時間尺度上看，2000—2010年，低、中、高等級面積增加，增幅分別為22.4%、4.5%和1.1%；較低、較高等級面積減少，降幅分別為4.5%、11.8%。2010—2020年，低、較高等級面積增加，增幅分別為191.1%、7.3%；較低、中、高等級面積減少，降幅分別為7.4%、3.3%、1.6%。2000—2020年，低、中等級面積增加，增幅分別為256.5%和1%；較低、較高、高等級面積減少，降幅分別為11.5%、5.3%和0.5%。整體上看，昆明市低等級生境質(zhì)量面積呈增加趨勢，但速率不快，而且整體占比不高；較低等級生境質(zhì)量面積呈減少趨勢，但整體占比最高；中、較高和高等級生境質(zhì)量面積大致維持穩(wěn)定，整體占研究區(qū)面積約60%，表明研究區(qū)生態(tài)本底優(yōu)越，這也得益于昆明市近年來生態(tài)保護策略。

3.3 生境質(zhì)量等級空間分布特征

從生境質(zhì)量等級空間分布來看，如圖1a、1b、1c所示，2000年、2010年和2020年昆明市生境質(zhì)量整體呈現(xiàn)“北高南低，西高東低”的格局。3期生境質(zhì)量等級中，高等級區(qū)域主要分布于研究區(qū)西部，包括祿勸彝族苗族自治縣中西部、西山區(qū)大部分、安寧市西部、晉寧區(qū)南部，其他區(qū)縣零散分布，用地類型以林地為主；較高等級區(qū)域呈片式分布，集中分布于滇池、陽宗海、松華壩水庫、上游水庫、清水海、云龍水庫等水域；中等級區(qū)域主要分布于東川區(qū)以及尋甸回族彝族自治縣東部，其他區(qū)縣零散分布，富民縣北部區(qū)域中等級面積顯著增多；較低等級區(qū)域主要分布于嵩明縣中部、石林彝族自治縣西北部，在尋甸回族彝族自治縣和宜良縣大面積分布，其他區(qū)縣零散分布；低等級區(qū)域分布變化最為明顯，隨著社會發(fā)展與人類活動影響，向周圍擴張，分布范圍具體來講，自五華區(qū)東南部向西北部擴張，自盤龍區(qū)西南部向東北部擴張，自西山區(qū)東北向西南擴張，自官渡區(qū)西部向南部擴張，并向東北延伸至長水機場方向、向西南延伸至呈貢區(qū)，自安寧市中部向西部擴張，晉寧區(qū)環(huán)滇池向南擴張，其他各區(qū)縣分布較為分散，在各自低等級分布區(qū)域周圍緩慢擴張，主要用地類型為建設(shè)用地。

注：a、b、c為生境質(zhì)量空間分布；d為等級轉(zhuǎn)移格局。圖1 2000—2020年昆明市生境質(zhì)量空間分布及等級轉(zhuǎn)移格局

3.4 生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)移分析

整體上看，如圖1d所示，研究區(qū)生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)移面積變化最大為較低等級轉(zhuǎn)為低等級，其面積為734km2。研究區(qū)生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)為高等級的區(qū)域以中等級轉(zhuǎn)高等級為主，面積為503.9km2。生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)為中等級區(qū)域以較低等級轉(zhuǎn)中等級為主，面積為569km2。生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)為較低等級區(qū)域以中等級轉(zhuǎn)較低等級為主，面積為381.6km2。研究區(qū)生境質(zhì)量等級不變面積17660km2，占研究區(qū)總面積83.9%。生境質(zhì)量等級降低面積2068.8km2，占研究區(qū)總面積9.8%，生境質(zhì)量等級升高面積1331.7km2，占研究區(qū)總面積6.3%。

如表5所示，2000年高等級生境質(zhì)量區(qū)域中有0.7%和2.5%的面積分別轉(zhuǎn)化為低和較低等級生境質(zhì)量，有8.5%和0.1%的面積分別轉(zhuǎn)化為中和較高等級，88.2%的面積仍然保持高等級。由高等級轉(zhuǎn)化為低和較低等級的區(qū)域零散分布于主城5區(qū)、其他區(qū)縣也有少量分布，其主要原因是用地類型由林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。

表5 2000—2020年昆明市生境質(zhì)量等級面積占比變化轉(zhuǎn)移矩陣

較高等級生境質(zhì)量區(qū)域中有2.1%和5.3%的面積分別轉(zhuǎn)化為低和較低等級生境質(zhì)量，有6%和3.2%的面積分別轉(zhuǎn)化為中和高等級，83.3%的面積仍然保持較高等級。由較高等級轉(zhuǎn)化為低和較低等級的區(qū)域主要零散分布于西山區(qū)東部、官渡區(qū)西部、嵩明縣中部，其主要原因是用地類型由水體轉(zhuǎn)為耕地和建設(shè)用地。

中等級生境質(zhì)量區(qū)域有2.6%和6.4%的面積分別轉(zhuǎn)化為低和較低等級生境質(zhì)量，有0.3%和8.5%的面積分別轉(zhuǎn)化為較高和高等級，82.1%的面積仍然保持中等級。由中等級轉(zhuǎn)化為低和較低等級的區(qū)域主要分布于東川區(qū)東部、官渡區(qū)中部，其他區(qū)縣少量分布，其主要原因是用地類型由草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地和耕地。中等級轉(zhuǎn)化為高等級區(qū)域整體分散，少部分集中分布于富民縣昂大本山，其主要原因是用地類型由草地轉(zhuǎn)為林地

較低等級生境質(zhì)量區(qū)域中有9.1%的面積轉(zhuǎn)化為低等級生境質(zhì)量，有7%、0.3%和2.2%的面積分別轉(zhuǎn)化為中、較高和高等級，81.3%的面積仍然保持較低等級。由較低等級轉(zhuǎn)化為低等級的區(qū)域主要分布于滇池東北部、東南部和西南部、盤龍區(qū)和五華區(qū)城郊、官渡區(qū)東北部以及其他區(qū)縣建成區(qū)域，其主要原因是這類區(qū)域用地類型由耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地。較低等級轉(zhuǎn)化為中等級區(qū)域主要分布于富民縣東北部、尋甸回族彝族自治縣中部，其他區(qū)縣零散分布，其主要原因是用地類型由耕地轉(zhuǎn)為草地。

低等級生境質(zhì)量區(qū)域中有3.7%的面積轉(zhuǎn)化為較低等級生境質(zhì)量，有1%、0.1%和0.4%的面積分別轉(zhuǎn)化為中、較高和高等級生境質(zhì)量，94.8%的面積仍然保持低等級。由低等級轉(zhuǎn)化為較低等級及以上的區(qū)域面積占比低、零散分布于各區(qū)縣。

4 討論

生境質(zhì)量是生態(tài)文明建設(shè)的重要方面，對維持區(qū)域生物多樣性起著關(guān)鍵作用。近年來，昆明經(jīng)濟建設(shè)的推進使得其社會經(jīng)濟高速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平不斷提高，建設(shè)用地、耕地增加明顯，使得昆明市域生境質(zhì)量顯著下滑。根據(jù)統(tǒng)計，2000年昆明市常住人口481萬人，GDP636.13億元，到2020年昆明市常住人口達到846萬人，GDP達到6733.79億元，可見經(jīng)濟與人口增長帶來的城市擴張是影響昆明市生境質(zhì)量的重要因素，造成中心城區(qū)，即五華區(qū)、盤龍區(qū)、西山區(qū)、官渡區(qū)、呈貢區(qū)生境質(zhì)量下降尤其明顯。最近幾年隨著生態(tài)文明建設(shè)的推進，昆明部分區(qū)域開展的退耕還林、換草、還湖活動使得部分區(qū)域的生境質(zhì)量有所提高。

昆明市作為滇中最大城市，其生態(tài)安全問題不容小視。在發(fā)展經(jīng)濟的同時也應(yīng)注重生態(tài)環(huán)境的保持，協(xié)調(diào)人與自然的關(guān)系，統(tǒng)籌發(fā)展與保護之間的關(guān)系。因此在城市建設(shè)時應(yīng)減少對林地、草地等自然環(huán)境的破壞，加強城市建設(shè)的集約化發(fā)展。并針對需要優(yōu)先保護的區(qū)域劃定生態(tài)保護區(qū)，確定好發(fā)展與保護的界限，實現(xiàn)綠色發(fā)展。

5 結(jié)論

研究基于土地利用數(shù)據(jù)，采用InVEST模型對昆明市20年來生境質(zhì)量時空演變進行了分析，研究結(jié)果表明，昆明市整體生境質(zhì)量處于中等級且呈下滑趨勢，其中官渡區(qū)下滑最為嚴重；整體上昆明市各生境質(zhì)量等級面積由高到低為較低、高、中、低、較低，處于中等級、較高等級和高等級區(qū)域的面積相對平穩(wěn)，占研究區(qū)面積60%，低等級區(qū)域面積呈增加趨勢，較低等級生境質(zhì)量面積呈降低趨勢；昆明市生境質(zhì)量呈“北高南低，西高東低”的分布格局，最高點位于西部山區(qū)，最低點位于滇池東岸的城區(qū)以及各縣的縣政府所在地；20年來，昆明市生境質(zhì)量等級以不變?yōu)橹?，生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)移面積變化最大為較低等級轉(zhuǎn)為低等級。生境質(zhì)量降低主要為城鎮(zhèn)區(qū)域，是城市擴張的結(jié)果，生境質(zhì)量增加主要為遠離城鎮(zhèn)的偏遠山區(qū)。本文研究結(jié)果為協(xié)調(diào)昆明市城市發(fā)展與生態(tài)保護，以及生境保護視角下的城市規(guī)劃提供了理論參考。