基于InVEST模型的生境質(zhì)量評估
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2016-07-27 09:40:51徐建寧孫建國陳海鵬

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)訂閱 2016年15期 收藏

徐建寧， 孫建國， 陳海鵬

(1.蘭州交通大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；4.中國科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

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基于InVEST模型的生境質(zhì)量評估
——以橫斷山小江流域?yàn)槔?/p>

徐建寧1,2,3,4， 孫建國1,2*， 陳海鵬1,2,3,4

(1.蘭州交通大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；4.中國科學(xué)院陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

摘要[目的]評估橫斷山小江流域生境質(zhì)量，為改善流域生態(tài)環(huán)境和優(yōu)化土地利用現(xiàn)狀提供理論支持。[方法]采用InVEST模型，利用道路、農(nóng)田、城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及土地利用等數(shù)據(jù)，從生物多樣性的角度，對橫斷山區(qū)小江流域的生境質(zhì)量進(jìn)行了量化評估，并分析其空間分布特征和區(qū)域差異。[結(jié)果]①受人類活動的影響，小江流域生境質(zhì)量普遍偏低，流域中部區(qū)域退化嚴(yán)重。②土地利用類型和覆被對生境質(zhì)量有很大的影響作用，還林還草政策可有效的緩解流域生境惡化現(xiàn)象。③小江流域生境質(zhì)量具有明顯的垂直空間異質(zhì)性，生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要因地制宜。[結(jié)論]該研究可為小江流域的生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和規(guī)劃指南。

關(guān)鍵詞生境質(zhì)量；InVEST模型；小江流域；垂直空間異質(zhì)性

生境質(zhì)量與人類福祉息息相關(guān)，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。工業(yè)革命以來，社會和經(jīng)濟(jì)進(jìn)入了新的發(fā)展階段，人類的生存方式以及對生活所需物質(zhì)的要求也發(fā)生著翻天覆地的變化[2]。人類在對自然資源和生態(tài)環(huán)境的開發(fā)和利用中，只看重其市場經(jīng)濟(jì)價(jià)值和直接使用價(jià)值，而低估甚至忽略了對生境質(zhì)量的保護(hù)，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了巨大的變化[3]。引起一系列生態(tài)問題的發(fā)生，反過來又影響人類社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對人類福祉產(chǎn)生重要的影響，成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的主要障礙[4-6]。評估生境質(zhì)量是生態(tài)環(huán)境保護(hù)和自然資源合理利用的基礎(chǔ)，對維持自然系統(tǒng)的平衡和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

在這種背景下，生境質(zhì)量逐漸成為國內(nèi)相關(guān)研究的熱點(diǎn)。歐陽志云等綜合生物因子、物理因子和人為因子，創(chuàng)建了生境質(zhì)量結(jié)構(gòu)理論模型，評估了臥龍大熊貓自然保護(hù)區(qū)的生境質(zhì)量[7]。林生對昌化江流域的重金屬含量和水質(zhì)情況進(jìn)行了調(diào)查取樣，基于水功能反映了流域生境質(zhì)量情況，提出生態(tài)保護(hù)措施和管理對策[8]。程晉南等通過計(jì)算生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的方法對生境質(zhì)量進(jìn)行評估[9]。但上述研究方法所需數(shù)據(jù)量較大，不易獲取。InVEST模型生物多樣性模塊從生物多樣性的角度對生境質(zhì)量進(jìn)行量化評估，模型數(shù)據(jù)量需求較低，具有很強(qiáng)的空間分析能力。

隨著城市的發(fā)展和人類活動的增強(qiáng)，小江流域的生態(tài)安全問題日益突出、不容忽視，是一個(gè)典型的生境質(zhì)量退化區(qū)。因此，筆者選擇小江流域?yàn)檠芯繀^(qū)，針對小江流域的生境質(zhì)量問題，引入InVEST模型生物多樣性模塊，分析其空間分布特征和區(qū)域差異性，為改善流域生態(tài)環(huán)境和優(yōu)化土地利用現(xiàn)狀提供理論支持。

1研究區(qū)概況

小江流域位于云南省東北部，東經(jīng)102°52′～103°22′，北緯25°32′～26°35′，發(fā)源于滇東北高原的尋甸縣，自南而北流經(jīng)尋甸縣、昆明市東川區(qū)和會澤縣注入金沙江，主溝長141.93 km，流域面積3 044.4 km[10]。小江流域地形高差懸殊，最高海拔4 289 m，最低海拔694 m(圖1)。因此，該區(qū)域具有豐富的土壤、生物資源和獨(dú)特的氣候特征，主要表現(xiàn)出干濕季節(jié)分明和垂直差異顯著。

圖1　小江流域地理位置示意Fig.1　Location of Xiaojiang watershed

小江流域是一個(gè)典型又復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。近年來，隨著小江流域的發(fā)展，人類經(jīng)濟(jì)活動不斷擴(kuò)向山區(qū)，過度的利用和亂砍濫伐等不合理利用自然資源的行為，造成生境質(zhì)量變差、森林植被破壞明顯，導(dǎo)致流域生態(tài)環(huán)境問題日益加劇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，流域森林覆蓋面積約占總面積的1/5，加之海拔高差懸殊，為山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害提供了有利的地形條件。導(dǎo)致河流生態(tài)功能受損，造成了嚴(yán)重的水土流失，阻礙小江流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)建設(shè)。給當(dāng)?shù)氐某擎?zhèn)、村落、道路、礦場、農(nóng)田和水利工程等造成嚴(yán)重災(zāi)害，威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[11]。提高生境質(zhì)量是小江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)的首要目標(biāo)，也是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。

2研究方法

2.1InVEST模型InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型是由自然資本項(xiàng)目支持開發(fā)的、免費(fèi)開源的、可用以量化多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估模型[12]。迄今為止，InVEST模型已經(jīng)發(fā)布了21個(gè)版本，包括9種海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和7種淡水及陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估模塊。目前在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用，許多學(xué)者結(jié)合實(shí)際工作，利用模型在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和生境質(zhì)量的研究中取得大量的進(jìn)展[13-16]。

生境質(zhì)量保護(hù)的一個(gè)主要目標(biāo)是保護(hù)生物多樣性。針對小江流域的生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)，筆者基于ArcGIS 10.2軟件，利用InVEST模型生物多樣性模塊，結(jié)合土地覆被/土地利用和生物多樣性威脅因素的信息生成生境質(zhì)量圖。InVEST模型生物多樣性模塊所需數(shù)據(jù)較易獲取，從生物多樣性的角度評估生境質(zhì)量，主要包括外界威脅強(qiáng)度和不同土地利用類型對威脅源的敏感性兩方面。模型認(rèn)為生物物種豐富，自然環(huán)境條件好，受威脅源影響較低的地區(qū)，其生境質(zhì)量就高。該生境質(zhì)量的概念實(shí)際上是生態(tài)系統(tǒng)能夠提供物種生存繁衍條件的潛在能力。

模型上每個(gè)柵格都賦予一種土地利用類型，對于每一個(gè)評估的景觀，模型都需要整個(gè)景觀上威脅因素的密度圖(或強(qiáng)度)。例如，城市、道路、農(nóng)業(yè)區(qū)和鐵路是某土地利用類型生境質(zhì)量保持的威脅因素，模型就需要數(shù)據(jù)疊加這些威脅圖層?；谝陨弦蛩兀Ｐ褪褂眠@些威脅數(shù)據(jù)圖層來評估不同土地利用類型的生境質(zhì)量退化程度。威脅源具有一定的屬性，并對地塊的生境質(zhì)量產(chǎn)生影響。主要包括：

(1)威脅能力，指各威脅圖層對生境影響的范圍[17]。威脅源能力越強(qiáng)，它的相對影響得分越高，其對生境的破壞性就比其他威脅類型更強(qiáng)。例如，城市面積在降低周圍生境質(zhì)量方面是農(nóng)業(yè)面積的2倍。

(2)敏感性。每一種生境類型對每一種威脅源的相對敏感性都可能不同。敏感性越強(qiáng)，其土地利用類型單元的抗干擾能力越低，生境板塊質(zhì)量變差[18-19]。例如，假定土地利用類型對威脅越敏感，土地利用類型單元的退化度越大。

(3)地塊單元與威脅源之間的距離。通常，隨著柵格與威脅源距離的增加，威脅的程度呈指數(shù)或線性減小，因此距離威脅最近的那些柵格單元將受到較大的影響。

生境的退化來源于外界的威脅，因此，生境質(zhì)量是基于威脅源的強(qiáng)度和敏感性來評價(jià)的。生境質(zhì)量指數(shù)的計(jì)算公式如下：

(1)

其中，Qxj土地利用類型j上柵格x的生境質(zhì)量指數(shù)；Dxj是土地利用類型j上x柵格受到的威脅水平；Hj表示生境適合性；k和z為尺度參數(shù)(常數(shù))[14]。

生境質(zhì)量指數(shù)的高低，反映了在威脅源的影響下，生境質(zhì)量的好壞和土地利用類型的破碎化程度；得分高的地塊，說明其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，生境質(zhì)量好；得分低的地塊，其抗干擾能力較差，生態(tài)環(huán)境容易受到破壞。

2.2數(shù)據(jù)處理將土地利用類型分為7大類，包括林地、草地、水田、旱地、城鎮(zhèn)用地、水體和荒地。同時(shí)，根據(jù)野外調(diào)研和農(nóng)戶訪談，確定城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)田、公路、農(nóng)村道路和泥石流做為小江流域生境質(zhì)量的威脅源。同時(shí)，參考《InVEST模型用戶手冊》，得到各威脅源對生境影響的范圍(km)、各威脅源的權(quán)重(0～1)、各威脅類型的脅迫能力隨距離的遞減類型(線性遞減和指數(shù)遞減)和不同土地利用類型對威脅類型的敏感性指數(shù)。確定威脅源的最大威脅距離為3km，考慮到與流域相鄰的外部區(qū)域也會對流域的生境質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此將流域范圍外擴(kuò)3km。基于收集到的矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)換、重采樣等處理，得到各威脅源的威脅圖層(圖2)。

圖2　生境質(zhì)量威脅要素Fig.2　The threaten source of habitat quality

3結(jié)果與分析

3.1小江生境質(zhì)量的空間分布基于整理和處理好的數(shù)據(jù)，得到威脅類型表和土地利用類型對各威脅源的敏感性表，輸入各威脅圖層和土地利用數(shù)據(jù)，運(yùn)行InVEST模型生物多樣性模塊，輸出小江流域生境質(zhì)量圖層。如圖3所示：小江流域生境質(zhì)量普遍較低，平均生境質(zhì)量指數(shù)為0.519。高值區(qū)域分布在流域南部和北部區(qū)域，植被覆蓋豐富，抗干擾能力強(qiáng)，生境質(zhì)量較好。在流域中部區(qū)域，受公路、城鎮(zhèn)和農(nóng)田等威脅因子的干擾較強(qiáng)，生境退化度高，生境質(zhì)量較差。尤其在河谷地區(qū)受泥石流影響嚴(yán)重，其生境質(zhì)量最差。

圖3　生境質(zhì)量空間分布Fig.3　Spatial distribution of habitat quality

3.2不同土地利用類型的生境質(zhì)量由表1可知，小江流域林地和草地的生境質(zhì)量最高，生境指數(shù)分別為0.678和0.616；林地和草地的植被覆蓋度最高，抗干擾能力強(qiáng)，對生境質(zhì)量的保護(hù)具有非常重要的作用。旱地和城鎮(zhèn)用地的生境指數(shù)分別為0.200和0.158。由于受人類活動影響嚴(yán)重，植被覆蓋度低、生境質(zhì)量最低。泥石流的爆發(fā)對流域的生境質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，導(dǎo)致水域的生境質(zhì)量較低，水域的生境質(zhì)量指數(shù)為0.312?；牡睾退锏纳迟|(zhì)量指數(shù)分別為0.350和0.293，荒地的土地覆被度低、水田受人類活動影響是生境質(zhì)量偏低的主要原因?？梢姡ＫＭ凉こ痰慕ㄔO(shè)和退耕還林還草政策的繼續(xù)推行對流域生境質(zhì)量的提高起著不可忽視的作用。同時(shí)，了解不同土地利用類型的生境質(zhì)量指數(shù)情況，可為土地利用規(guī)劃提供科學(xué)的理論依據(jù)。

表1　不同土地利用類型的生境質(zhì)量指數(shù)

3.3生境質(zhì)量的垂直空間異質(zhì)性根據(jù)植被覆蓋情況，將小江流域劃分為4個(gè)垂直帶譜(圖4)：海拔1 600 m以下的河谷為干熱河谷稀樹草叢帶，草地、耕地和裸地所占面積比例較大；海拔1 600～2 800 m的山地為山地常綠闊葉林與針葉林帶，主要土地利用類型為林、草地和耕地；海拔2 800～3 300 m山地為亞高山針葉林帶，主要土地利用類型為草地和林地；海拔3 300 m以上山地為高山灌叢草甸帶，以草地、耕地和裸地為主。按照小江流域的海拔高度，每200 m劃分為一高度等級，統(tǒng)計(jì)小江流域各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在不同高度等級的平均值。

圖4　小江流域垂直帶譜Fig.4　Vertical band spectrum of Xiaojiang watershed

由于InVEST模型計(jì)算所得的生境質(zhì)量指數(shù)不是正態(tài)分布的。該研究采用ArcGIS 10.2的自然分類法，將生境質(zhì)量分為3級：高(>0.61)、中(0.48～0.61)、低(<0.48)，以清晰表達(dá)不同海拔區(qū)域生境質(zhì)量的差異性。如圖5所示，在干熱河谷帶，人類活動頻繁，生產(chǎn)生活區(qū)域和泥石流大都集中在該帶譜，導(dǎo)致生境退化程度高，生境質(zhì)量差。隨著海拔的上升、地勢變陡，在亞高山針葉林帶，植被覆蓋度增強(qiáng)，道路和耕地逐步減少，生境質(zhì)量變好。到高山灌叢草甸帶，地勢變緩，植被由林地轉(zhuǎn)為草地，生境質(zhì)量呈緩慢下降的趨勢。小江流域的生境質(zhì)量具有明顯的垂直空間異質(zhì)性。

圖5　不同海拔高度的生境質(zhì)量指數(shù)Fig.5　Habitat quality index of different altitude condition

4結(jié)論與討論

生境質(zhì)量評估對人類可持續(xù)發(fā)展和自然環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。該研究以生態(tài)環(huán)境質(zhì)量問題日益突出的小江流域?yàn)槔?，引入InVEST模型生物多樣性模塊，基于土地利用數(shù)據(jù)和威脅源數(shù)據(jù)，從生物多樣性的角度，量化了小江流域的生境質(zhì)量，采用生境質(zhì)量指數(shù)評估了流域的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。結(jié)果表明：

(1)小江流域的平均生境質(zhì)量指數(shù)為0.519，生境質(zhì)量普遍較低。

(2)小江流域生境質(zhì)量受人類活動影響嚴(yán)重。在人類活動頻繁的流域中部區(qū)域，生境質(zhì)量退化明顯。在流域南部和北部區(qū)域，人類活動減少，生境質(zhì)量逐步變好。要提高流域生境質(zhì)量，首先要協(xié)調(diào)人地關(guān)系，減少人類對自然資源的不合理利用行為，禁止亂砍濫伐和過度放牧，以保護(hù)為主、發(fā)展為輔的原則，合理開發(fā)資源，走可持續(xù)發(fā)展的道路。

(3)土地利用類型對生境質(zhì)量也有重要影響，保水保土工程的實(shí)施和退耕還林還草政策的落實(shí)是小江流域生態(tài)保護(hù)和發(fā)展的必經(jīng)之路。

(4)流域生境質(zhì)量具有明顯的垂直空間異質(zhì)性，應(yīng)因地制宜地保護(hù)生態(tài)環(huán)境，提高流域生境質(zhì)量。在河谷地帶應(yīng)加大生境保護(hù)力度，堅(jiān)持保護(hù)和發(fā)展并行原則，在不破壞生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上，提高山區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平。

InVEST獨(dú)特的運(yùn)行控制方式為生境質(zhì)量的研究開拓了視野，但也存在一些缺陷。模型中土地利用類型上所有的威脅都是簡單相加的，但有些情況下，多種威脅的總影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于各種影響的算術(shù)和[14]。同時(shí)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不光包括生物的多樣性，水源涵養(yǎng)和土壤保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也

起著非常重要的作用。因此，對InVEST模型水源涵養(yǎng)、土壤保持和碳儲存等其他模塊的使用有待于進(jìn)一步深入研究。

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作者簡介徐建寧(1991- )，男，甘肅慶陽人，碩士研究生，研究方向：自然地理。*通訊作者，教授，博士，從事自然地理綜合研究。

收稿日期2016-04-18

中圖分類號S 181

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)15-105-04

Habitat Quality Evaluation Based on InVEST Model—A Case Study of Xiaojiang Watershed of Hengduan Mountains

XU Jian-ning1,2,3,4,SUN Jian-guo1,2*,CHEN Hai-peng1,2,3,4

(1.Faculty of Geomatics,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou,Gansu 730070; 2.Gansu Provincial Engineering Laboratory for National Geographic State Monitoring,Lanzhou,Gansu 730070; 3.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101; 4.Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101)

Abstract[Objective] The aim was to evaluate habitat quality of Xiaojiang watershed of Hengduan Mountains,to provide theoretical support for improving eco-environment and optimizing land use status.[Method] The InVEST model was used to quantify and evaluate the habitat quality in Xiaojiang watershed of Henduan Mountains by using theland use data,including roads,farmlands,cities and towns.In addition,the spatial distribution features and regional differences were analyzed.[Result] The results showed that:① The habitat quality was generally low and the heavily degraded area was in the center of the river basin.②Land use and land cover type had a significant impact on habitat quality,and the strategy of returning the grain plots to forestry and grass had mitigated the deterioration of habitat quality effectively.③ The habitat quality in Xiaojiang watershed showed the heterogeneity of vertical space.The protection of ecological environment and development of social economy should be acted according to local conditions.[Conclusion] The study can provide scientific basis and planning guidance for ecology protection and sustainable development of Xiaojiang watershed.

Key wordsHabitat quality; InVEST model; Xiaojiang watershed; Heterogeneity of vertical space

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2016年15期

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