基于InVEST模型的通城縣生境質(zhì)量及其影響因素評(píng)估

孫智杰羅莉威江越瀟周佑平田巍

(1.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430034；2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的日益推進(jìn)，在人類(lèi)工程活動(dòng)的改造作用下，國(guó)土空間開(kāi)發(fā)利用方式逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變[1]，也對(duì)生態(tài)用地的結(jié)構(gòu)和規(guī)模、生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境背景和生態(tài)過(guò)程產(chǎn)生了不可忽視的影響[2]，進(jìn)而使得區(qū)域生境質(zhì)量所面臨的壓力日益增大。區(qū)域生境質(zhì)量特征及其影響因素的相關(guān)分析研究，在資源環(huán)境領(lǐng)域得到了廣泛討論。

生境質(zhì)量是一項(xiàng)基礎(chǔ)且重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[3]，其反映了區(qū)域生態(tài)環(huán)境支撐物種持續(xù)生存與發(fā)展的能力，也是衡量人類(lèi)生產(chǎn)生活適宜程度的重要依據(jù)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在生境質(zhì)量評(píng)估方面進(jìn)行了大量研究。早期，主要依賴(lài)于野外調(diào)查與試驗(yàn)測(cè)試的成果，但其數(shù)據(jù)獲取難度較大，容易受到時(shí)空尺度的限制，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)段、大尺度的生境質(zhì)量動(dòng)態(tài)評(píng)估。隨著3S技術(shù)的發(fā)展，遙感生態(tài)指數(shù)法[5]、層次分析法[6]、主成分分析法[7]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[8]等數(shù)學(xué)評(píng)估方法在生境質(zhì)量評(píng)估中得到了推廣應(yīng)用[9]。其中，InVEST模型以土地利用為數(shù)據(jù)源，資料獲取較為便捷，且在評(píng)估精度、空間表達(dá)性等方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，因此在生境質(zhì)量評(píng)估中備受青睞，被廣泛應(yīng)用于不同尺度、不同區(qū)域的生境質(zhì)量評(píng)估研究中。

通城縣地處長(zhǎng)江中游三省共同構(gòu)建的“通平修”綠色發(fā)展先行區(qū)，同時(shí)也是鄂東南幕阜山生態(tài)屏障區(qū)的核心區(qū)域。如何妥善調(diào)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾，推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，是該地區(qū)面臨的主要挑戰(zhàn)。本次研究以通城縣為對(duì)象，應(yīng)用InVEST模型的生境質(zhì)量(Habitat Quality)模塊，基于3期土地利用數(shù)據(jù)，評(píng)估2000—2020年通城縣生境質(zhì)量變化特征，使用地理探測(cè)器解析生境質(zhì)量變化的主要影響因素，以期為通城縣國(guó)土空間開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

通城縣位于E113°36′～114°04′，N29°02′～29°24′，地處長(zhǎng)江中游湖北、湖南和江西3省交匯點(diǎn)，是連通咸寧、岳陽(yáng)、九江3市的重要門(mén)戶(hù)。縣境東、南、西3面環(huán)山，中、北部丘陵起伏，呈南高北低的地勢(shì)。主要出露震旦系、寒武系、奧陶系、志留系及第四系地層，巖性主要為碎屑巖、變質(zhì)巖、碳酸鹽巖等。氣候溫潤(rùn)，年均氣溫16.7℃，年均降水量1554.9mm。全縣共有植物2000余種，森林覆蓋率達(dá)54.14%，物種較豐富。全縣土地面積1140.70km2，總?cè)丝?2.17萬(wàn)人，地區(qū)生產(chǎn)總值199.58億元[10]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自GlobeLand30，分辨率30m，本次選取了2000年、2010年及2020年共3期的數(shù)據(jù)；DEM數(shù)據(jù)來(lái)自ASTER GDEM V3，據(jù)此提取坡度、溝壑密度等數(shù)據(jù)；地層巖性數(shù)據(jù)來(lái)自湖北省地質(zhì)局地質(zhì)大數(shù)據(jù)平臺(tái)(https：//geocloud.hubgs.com/)；降水、氣溫等氣象數(shù)據(jù)來(lái)自通城縣水利和湖泊局；NDVI由Landsat 8衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過(guò)遙感解譯提取；人口、GDP數(shù)據(jù)，以及農(nóng)村居民點(diǎn)、城鎮(zhèn)居民點(diǎn)、工礦用地、道路等威脅源數(shù)據(jù)來(lái)自通城縣自然資源和規(guī)劃局提供的相關(guān)資料。

2.2 InVEST模型

基于模型評(píng)估各類(lèi)威脅源對(duì)生境的影響程度，計(jì)算得出生境退化指數(shù)，再結(jié)合生境適宜度計(jì)算生境質(zhì)量指數(shù)[11]。該指數(shù)反映了區(qū)域生境質(zhì)量狀況，一般數(shù)值越大即代表生境質(zhì)量狀況越好，生物多樣性水平相應(yīng)越高[12]。公式：

式中，Dxj為第j種地類(lèi)中第x個(gè)柵格的生境退化指數(shù)；r為第r類(lèi)威脅源；R為威脅源總數(shù)；y為第r類(lèi)威脅源所在的柵格單元；Yr為第r類(lèi)威脅源的柵格總量；Wr為第r類(lèi)威脅源的權(quán)重；irxy為第r類(lèi)威脅源的最大脅迫距離；βx為威脅源對(duì)第x個(gè)柵格的可達(dá)性；Sjr為第j種地類(lèi)對(duì)第r類(lèi)威脅源的敏感度；Qxj為生境質(zhì)量指數(shù)；Hj為第j種地類(lèi)的生境適宜度；k為半飽和常數(shù)；Z為模型轉(zhuǎn)換系數(shù)[13]。

根據(jù)通城縣實(shí)際情況，本次研究設(shè)置了耕地、道路、工礦用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和城鎮(zhèn)居民點(diǎn)等5類(lèi)威脅源。在參考通城縣周邊相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[14-17]，確定了各類(lèi)威脅源及其最大影響距離、權(quán)重及空間衰減類(lèi)型，以及不同土地利用類(lèi)型的生境適宜度、相對(duì)敏感度，見(jiàn)表1、表2。

表1 威脅源一覽表

表2 生境適宜度及其相對(duì)敏感度

2.3 地理探測(cè)器

地理探測(cè)器是王勁峰等[18]提出的一種探測(cè)空間分異性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，可用于分析不同因子對(duì)生境質(zhì)量的影響程度[19]。本次研究以生境質(zhì)量指數(shù)為因變量，選取自然環(huán)境(坡度、溝壑密度、地層巖性、年降水量、年均氣溫、NDVI)與社會(huì)環(huán)境(人口密度、GDP、土地利用)共9項(xiàng)因子作為自變量。參照以往研究[10]，將各自變量重分類(lèi)為5類(lèi)，經(jīng)多次試驗(yàn)確定采樣格網(wǎng)大小為200m×200m，共18091個(gè)采樣點(diǎn)，據(jù)此探測(cè)影響通城縣生境質(zhì)量的主要因素。

3 結(jié)果與分析

3.1 生境質(zhì)量指數(shù)變化

2000年、2010年和2020年通城縣生境質(zhì)量指數(shù)平均值分別為0.4296、0.4293和0.4246，呈輕度下降的變化趨勢(shì)。

由表3可知，2000—2010年，全縣14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，有2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生境質(zhì)量指數(shù)保持不變，7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生境質(zhì)量指數(shù)呈上升趨勢(shì)，而5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生境質(zhì)量指數(shù)則有所下降。其中，雋水鎮(zhèn)變動(dòng)最大，下降幅度達(dá)1.73%，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)變動(dòng)幅度均在0.5%以下。2010—2020年，全縣14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生境質(zhì)量指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，其中，雋水鎮(zhèn)下降幅度最大(6.13%)。20年來(lái)，僅關(guān)刀鎮(zhèn)生境質(zhì)量指數(shù)有所上升，黃袍林場(chǎng)總體不變，其他12個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)則均呈下降趨勢(shì)。其中，雋水鎮(zhèn)、大坪鄉(xiāng)、石南鎮(zhèn)的生境質(zhì)量指數(shù)下降趨勢(shì)最為明顯，整體下降幅度分別為7.75%、3.12%、1.28%。從平均值來(lái)看，岳姑林場(chǎng)、黃垉林場(chǎng)、四莊鄉(xiāng)生境質(zhì)量指數(shù)相對(duì)較高，而石南鎮(zhèn)、雋水鎮(zhèn)、沙堆鎮(zhèn)生境質(zhì)量指數(shù)相對(duì)較低。

表3 2000—2020年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生境質(zhì)量指數(shù)

3.2 生境質(zhì)量等級(jí)時(shí)間變化特征

根據(jù)生境質(zhì)量指數(shù)計(jì)算情況，將通城縣生境質(zhì)量劃分為5個(gè)等級(jí)：低[0，0.25)、較低[0.25，0.40)、中[0.40，0.55)、較高[0.55，0.75)和高[0.75，1]。表4數(shù)據(jù)顯示，20年間，全縣生境質(zhì)量各等級(jí)面積占比總體波動(dòng)不大，總體以較低、中等、較高等級(jí)的區(qū)域居多。其中，生境質(zhì)量等級(jí)為低的區(qū)域面積最小，但持續(xù)呈擴(kuò)張趨勢(shì)，共增加了22.22km2，占比由3.70%上升至5.65%；生境質(zhì)量等級(jí)為較低的區(qū)域持續(xù)呈縮減趨勢(shì)，共減少了18.96km2，占比由33.86%下降至32.20%；生境質(zhì)量等級(jí)為中等的區(qū)域面積最大，呈先增加后減少的趨勢(shì)，但總體波動(dòng)不大始終保持在37%左右浮動(dòng)；生境質(zhì)量等級(jí)為較高的區(qū)域先減少后增加，總體波動(dòng)較小，共增加了1.21km2；生境質(zhì)量等級(jí)為高的區(qū)域占比相對(duì)較少，也呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，總體波動(dòng)微小，20年間僅減少了0.28km2。

表4 2000—2020年通城縣各等級(jí)生境質(zhì)量狀態(tài)

3.3 生境質(zhì)量等級(jí)空間分布特征

由圖1可知，20年間全縣生境質(zhì)量等級(jí)空間分布格局差異不大。低等級(jí)區(qū)域主要分布于縣境中西部雋水鎮(zhèn)、石南鎮(zhèn)、五里鎮(zhèn)，東南部麥?zhǔn)墟?zhèn)等城鎮(zhèn)密集地區(qū)，土地利用類(lèi)型主要為建設(shè)用地；較低等級(jí)區(qū)域主要分布于縣境中北部大坪、沙堆、四莊鄉(xiāng)，東部塘湖鎮(zhèn)，西南部馬港鎮(zhèn)等地區(qū)，土地利用類(lèi)型主要為耕地；中等等級(jí)區(qū)域多呈帶狀分布于較低等級(jí)區(qū)域邊緣，土地利用類(lèi)型多為林地、草地及水體；較高等級(jí)區(qū)域呈塊狀分布于縣內(nèi)各處，土地利用類(lèi)型主要為林地及濕地；高等級(jí)區(qū)域主要分布于岳姑林場(chǎng)及四莊鄉(xiāng)東北部，土地利用類(lèi)型以林地為主。低等級(jí)區(qū)域是擴(kuò)張最為明顯的區(qū)域，主要集中分布于雋水鎮(zhèn)北部、大坪鄉(xiāng)西部地區(qū)，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)林地與耕地的占用與破壞是造成這一現(xiàn)象的主要原因。此外，關(guān)刀鎮(zhèn)、塘湖鎮(zhèn)等地也存在零星點(diǎn)狀的低等級(jí)區(qū)域增長(zhǎng)，主要源于區(qū)內(nèi)灰?guī)r、花崗巖等礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用造成的生態(tài)環(huán)境影響。

圖1 2000—2020年通城縣生境質(zhì)量空間分布

3.4 生境質(zhì)量影響因素分析

根據(jù)地理探測(cè)器分析得出，決定力(q值)從大到小依次為土地利用>人口密度>地層巖性>坡度>NDVI>GDP>年降水量>年均氣溫>溝壑密度。其中，土地利用及人口密度的q值分別為0.5811和0.4226，是影響生境質(zhì)量的最主要的2個(gè)因素，這表明城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)張以及人口的轉(zhuǎn)入對(duì)生境質(zhì)量產(chǎn)生了較為顯著的影響。此外，地層巖性、坡度、NDVI的決定力也相對(duì)較高，表明地質(zhì)條件、地形地貌及植被因素也對(duì)生境質(zhì)量產(chǎn)生了較大的影響。

由表5可知，土地利用∩地層巖性(0.7348)、土地利用∩人口密度(0.6900)、土地利用∩年降水量(0.6832)的交互作用對(duì)生境質(zhì)量影響較大。其中，土地利用與地層巖性的交互作用最為顯著，這說(shuō)明巖土體類(lèi)型、成土母質(zhì)等地質(zhì)環(huán)境條件對(duì)土地開(kāi)發(fā)利用方式起到制約作用，并進(jìn)一步影響生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的空間分布格局；人口密度與土地利用的交互起到次要作用，原因是人口增加的同時(shí)也伴隨建設(shè)用地的擴(kuò)張，這加劇了周邊區(qū)域的生態(tài)壓力[20]；降水量則影響了植被的生長(zhǎng)發(fā)育與土壤侵蝕強(qiáng)度，也會(huì)影響土地利用格局，進(jìn)而對(duì)生境質(zhì)量產(chǎn)生影響。

表5 影響因子交互作用探測(cè)結(jié)果

因此，充分考慮通城縣的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境和氣象條件，如巖土體類(lèi)型、成土母巖與成土母質(zhì)、土壤類(lèi)型、地下水環(huán)境、降水量與降雨侵蝕力等因素，合理布局城鎮(zhèn)空間與農(nóng)業(yè)空間，提高土地利用效率，減輕人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響與破壞，可以更好地保護(hù)通城縣生態(tài)環(huán)境，進(jìn)一步改善區(qū)域生境質(zhì)量。

4 結(jié)論

2000—2020年，通城縣生境質(zhì)量指數(shù)整體維持中等水平，并呈現(xiàn)出輕度下降的趨勢(shì)，其中雋水鎮(zhèn)、大坪鄉(xiāng)、石南鎮(zhèn)下降最為明顯。岳姑林場(chǎng)、黃垉林場(chǎng)、四莊鄉(xiāng)生境質(zhì)量指數(shù)相對(duì)較高，石南鎮(zhèn)、雋水鎮(zhèn)、沙堆鎮(zhèn)生境質(zhì)量指數(shù)相對(duì)較低。

20年間，通城縣各生境質(zhì)量等級(jí)面積占比在整體上較為穩(wěn)定。其中，生境質(zhì)量等級(jí)為低的區(qū)域逐漸擴(kuò)張；生境質(zhì)量等級(jí)為較低的區(qū)域持續(xù)縮減；生境質(zhì)量等級(jí)為中等、較高和高的區(qū)域則總體波動(dòng)不大。

在空間分布上，通城縣各生境質(zhì)量等級(jí)在20年間未發(fā)生顯著的變化。其中，低等級(jí)區(qū)域主要分布于縣境中西部、東南部等城鎮(zhèn)密集地區(qū)；較低等級(jí)區(qū)域主要分布于縣境中北部、東南部、西南部地區(qū)；中等等級(jí)區(qū)域主要呈帶狀分布于較低等級(jí)區(qū)域周邊；較高等級(jí)區(qū)域呈塊狀分布于縣內(nèi)各處；高等級(jí)區(qū)域主要分布于岳姑林場(chǎng)及四莊鄉(xiāng)東北部。

土地利用、人口密度和地層巖性是影響通城縣生境質(zhì)量的主要因素，土地利用與地層巖性、人口密度、年降水量的交互作用對(duì)生境質(zhì)量的影響較為顯著。在未來(lái)的發(fā)展中，充分考慮區(qū)域地質(zhì)環(huán)境和氣象條件，并積極優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)和人口空間布局，可進(jìn)一步改善通城縣生境質(zhì)量。