基于InVEST模型的巖溶山區(qū)公路沿線生境質(zhì)量時空變化

郜紅娟,張朝瓊,蔡廣鵬

(1.貴州師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院，貴州 貴陽　550018；2.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽　550001)

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基于InVEST模型的巖溶山區(qū)公路沿線生境質(zhì)量時空變化

郜紅娟1,張朝瓊2*,蔡廣鵬2

(1.貴州師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院，貴州 貴陽550018；2.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽550001)

摘要：評估生境質(zhì)量時空變化，為生物多樣性保護和資源合理利用提供參考。以貴州省麻江縣省道S309為例，基于1992年、2012年土地利用數(shù)據(jù)，利用InVEST模型對1992～2012年公路沿線生境質(zhì)量變化進行分析。結(jié)果表明：1992～2012年，耕地和未利用地面積減少，有林地、灌木林、草地、城鎮(zhèn)工礦用地、農(nóng)村居民點和水域面積增加。10年間，省道S309公路麻江段沿線生境質(zhì)量指數(shù)增加0.07，公路東、西段生境質(zhì)量高于中段，各坡度和距離梯度帶生境質(zhì)量均呈增加趨勢。城鎮(zhèn)化、退耕還林還草工程、地形等是影響山區(qū)公路沿線生境質(zhì)量變化的重要因素。

關(guān)鍵詞：生境質(zhì)量;土地利用變化;InVEST模型;公路沿線

隨著人類活動加劇，全球范圍內(nèi)物種消亡速度不斷加速，生物多樣性危機日益加劇[1]。生物多樣性保護成為人們關(guān)注的熱點。作為生物多樣性保護研究的基礎(chǔ)，生境質(zhì)量評估日益受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。目前，國內(nèi)外生境質(zhì)量評估研究主要通過建立生境評價指標體系評估生境質(zhì)量，如楊建強等從海洋生物棲息的水環(huán)境、沉積環(huán)境和典型物種的生物質(zhì)量等方面，構(gòu)建海洋生境質(zhì)量評價指標體系，并對萊州灣生境質(zhì)量進行了評估[2]。研究對象主要集中河流生境、野生動植物、海洋、土壤等。王瓊等以蒲河流域為例對河流生境質(zhì)量進行了評價[3]。趙志軒等對白洋淀東方大葦鶯繁殖生境質(zhì)量進行了評價[4]；宋利臣等以大興安嶺為例對火燒林地土壤生境質(zhì)量進行了評價[5]，然而當前研究很少關(guān)注公路沿線這一人類劇烈活動區(qū)域生境質(zhì)量狀況。

受地形影響，山區(qū)公路沿線多為人類活動劇烈地區(qū)[6]，在快速經(jīng)濟發(fā)展作用下，人類活動勢必對公路沿線動植物生存環(huán)境產(chǎn)生威脅，同時在退耕還林還草工程影響下，山區(qū)自然植被大量恢復(fù)提高了其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[7]。然而人類活動對公路沿線生境質(zhì)量產(chǎn)生何種影響還不清楚。因此，研究以貴州省麻江縣309省道麻江段為例，利用InVEST模型，對1992～2012年該段公路沿線生境質(zhì)量變化進行分析，以期為公路沿線生物多樣性保護和資源合理利用提供區(qū)域研究信息。

1研究區(qū)概況

麻江縣地處貴州省中部，清水江上游，位于107°18′～107°53′E、26°17′～26°37′N，地勢西高東低、南高北低，處于云貴高原向湘桂丘陵過渡的斜坡地帶[8]。309省道麻江段位于縣域西部，全長約50km(圖1)，從東至西經(jīng)過杏山鎮(zhèn)、景陽鄉(xiāng)、谷硐鎮(zhèn)、壩芒鄉(xiāng)。公路沿線地貌以中山峽谷為主，地形起伏大，坡度介于0～55°之間。氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L濕潤氣候，年平均氣溫14℃，年降雨量約1 300mm[6]。

圖1　研究區(qū)位置圖Fig.1　Location of study area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源及處理

研究數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)來源于麻江縣國土資源局土地利用更新數(shù)據(jù)庫。土地利用類型劃分耕地、有林地、灌木林、草地、城鎮(zhèn)工礦用地、農(nóng)村居民點、水域和未利用地等8類。坡度數(shù)據(jù)來源于全球科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://datamirror.csdb.cn)提供的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，精度30×30m。根據(jù)研究區(qū)特點及已有研究文獻[6]將公路影響范圍界定為沿線2km，并利用ArcGIS軟件，將公路影響范圍劃分為<200m、200～500m、500～1 000m、1 000～1 500m和1 500～2 000m等5個距離梯度；將公路影響范圍坡度劃分為<5°、5～10°、10～15°、15～20°、20～25°、25～30°和>30°等7個坡度梯度。

2.2研究方法

InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)(www.naturalcapitalproject.org)是美國斯坦福大學(xué)、世界自然基金會和大自然保護協(xié)會2007年開發(fā)，專門用于多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估，模型具有輸入數(shù)據(jù)少、實現(xiàn)空間表達等優(yōu)勢。模型已廣泛應(yīng)用于世界各地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估[9，10]。其中，InVEST模型生物多樣性模塊以土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用生態(tài)系統(tǒng)生境適宜性、威脅地類影響距離與權(quán)重、威脅地類對生境影響敏感性進行生境質(zhì)量評估。

InVEST模型生物多樣性模塊的基本原理是：1)將各土地利用類型等同于生態(tài)系統(tǒng)類型，并根據(jù)各地類受人類干擾強度劃分為人為地類與自然地類。人為地類是指影響生境質(zhì)量的威脅地類。根據(jù)研究區(qū)土地利用分類特點，將耕地、城鎮(zhèn)工礦用地和農(nóng)村居民點歸為受人類干擾較強的人為地類。將有林地、灌木林、草地、水域和未利用地歸為受人類干擾較小的自然地類；2)根據(jù)各生態(tài)系統(tǒng)類型對動植物生存適宜性，利用專家打分和相關(guān)文獻[11，12]，得到各生態(tài)系統(tǒng)類型生境適宜分值。一般情況，自然地類生境適宜性高于人為地類生境適宜性。3)利用專家打分和相關(guān)文獻研究[13-16]，獲得威脅地類的最大影響距離、權(quán)重及威脅地類對生境影響敏感度。見表1和表2。該模型生境質(zhì)量指數(shù)計算公式表達為：

(1)

(2)

(1)、(2)式中：Qxj為生境質(zhì)量指數(shù)；Hj為生境適宜度指數(shù)；Dxj為生境退化程度；Z等于2.5；k等于柵格單元分辨率一半；Wr為威脅地類權(quán)重；ry為威脅地類個數(shù)；irxy為脅迫因子對生境質(zhì)量的脅迫水平；βx為保護法律到達度，由于研究區(qū)域不涉及保護區(qū)，故βx未考慮；Sjr為威脅地類對生境影響敏感度。

表1　威脅地類最大影響距離及權(quán)重

表2　生態(tài)系統(tǒng)對威脅地類的敏感度

3結(jié)果與分析

3.1土地利用變化

3.1.1土地利用總體變化

1992～2012年，評價區(qū)域耕地和未利用土地面積呈下降趨勢，有林地、灌木林、草地、城鎮(zhèn)工礦用地、農(nóng)村居民點和水域面積呈增加趨勢。其中，耕地面積下降較大，有林地和草地面積增加較大，灌木林和農(nóng)村居民點面積增加居中，城鎮(zhèn)工礦用地和水域面積增加較小。從變化率看，城鎮(zhèn)工礦用地面積增加幅度較大，其他地類變化幅度相對較小。詳見表3。

表3　1992～2012年公路沿線土地利用變化

3.1.2距離梯度帶上的土地利用變化

1992～2012年，各距離梯度帶上，耕地和未利用地面積降低，有林地、城鎮(zhèn)工礦用地、農(nóng)村居民點、水域面積增加，灌木林地和草地面積有增加有減少，其中，耕地和有林地變化在1 000～2 000m距離梯度較大，灌木林在0～500m和1 500～2 000m距離梯度變化較大，草地在500～2 000m距離梯度變化較大，其他地類變化在各距離梯度帶差異較小。見圖2。

3.1.3坡度梯度帶上的土地利用變化

1992～2012年，在坡度梯度帶上，耕地和未利用地面積減少，有林地、草地、城鎮(zhèn)工礦用地、農(nóng)村居民點和水域面積增加；灌木林有增有減，其中，耕地變化在5～25°較大，有林地、草地和未利用地變化在>5°較大，灌木林變化在5～15°和>30°較大，城鎮(zhèn)工礦用地和農(nóng)村居民點變化在<10°較大，各梯度帶水域變化均較小。見圖3。

3.2生境質(zhì)量變化

研究區(qū)域生境質(zhì)量指數(shù)由1992年的0.53增加到2012年0.60，增加了0.07(表4)。1992年和2012年生境質(zhì)量空間格局呈東段和西段較高，中段較低特點。東段和西段生境質(zhì)量多大于0.6，中段生境質(zhì)量多小于0.6。10年間，公路沿線大部分地區(qū)生境質(zhì)量呈增加趨勢，大部分地區(qū)增加幅度介于0～0.2之間，增加幅度>0.2的區(qū)域主要分布中段和東段。生境質(zhì)量下降區(qū)域集中中段和西段部分地區(qū)，僅有零星地區(qū)生境質(zhì)量下降幅度>0.2(圖4)。

圖2　1992～2012年公路沿線土地利用在距離梯度上的變化Fig.2　Land use change along the road in distance gradients from 1992 to 2012

圖3　1992～2012年公路沿線在坡度梯度上的土地利用變化Fig.3　Land use change along the road in slope gradients from 1992 to 2012

表4　1992～2012年公路沿線生境質(zhì)量指數(shù)整體變化

公路影響范圍內(nèi)，隨著距離增加生境質(zhì)量越高。10年間，各距離緩沖區(qū)生境質(zhì)量均呈增加趨勢，其中距離公路沿線1 000～2 000m區(qū)域生境質(zhì)量增加幅度較大，而沿線0～1 000m區(qū)域生境質(zhì)量增加幅度較小。公路影響范圍內(nèi)，隨著坡度增加生境質(zhì)量越高。10年間，各坡度梯度帶生境質(zhì)量均呈增加趨勢，其中公路沿線>5°坡度帶生境質(zhì)量增加幅度較大，而<5°坡度帶生境質(zhì)量增加幅度較小(圖5)。

圖4　1992～2012年公路沿線生境質(zhì)量空間格局變化Fig.4　Spatial pattern change of habitat quality along the road from 1992 to 2012

圖5　1992～2012年公路沿線生境質(zhì)量變化在距離和坡度梯度帶上的變化Fig.5　Change of habitat quality along the road in distance and slope gradients from 1992 to 2012

4討論與結(jié)論

4.1結(jié)論

1992～2012年，研究區(qū)域耕地和未利用地面積呈下降趨勢，這在各距離和坡度梯度帶上均有所體現(xiàn)。有林地、灌木林、草地、城鎮(zhèn)工礦用地、農(nóng)村居民點和水域面積呈增加趨勢，其中，灌木林地和草地在各距離或坡度梯度帶上有增加有減少，其他地類在各距離和坡度梯度帶上均呈增加趨勢。10年間公路沿線大部分地區(qū)生境質(zhì)量呈增加趨勢，生境質(zhì)量指數(shù)增加0.07，生境質(zhì)量空間格局呈東段和西段較高，中段較低特點。公路影響范圍內(nèi)，隨著距離和坡度增加生境質(zhì)量越高，公路沿線距離1 000～2 000m，坡度>5°梯度帶生境質(zhì)量增加幅度較大，距離0～1 000m和坡度<5°梯度帶生境質(zhì)量增加幅度較小。

4.2討論

在退耕還林還草工程作用下，公路沿線耕地大幅減少，有林地、灌木林和草地等自然植被快速增加，這提高了公路沿線生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，進而使其生境質(zhì)量呈增加趨勢。然而，由于該區(qū)是我國西部大開發(fā)區(qū)域，快速經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)化使城鎮(zhèn)工礦用地和農(nóng)村居民點等地類大幅增加，加之城鎮(zhèn)工礦用地和農(nóng)村居民點影響距離和權(quán)重相對較大，這使公路沿線部分地區(qū)生境質(zhì)量呈下降趨勢。另外，在退耕還林還草工程影響下，各距離和坡度梯度帶自然植被均呈增加趨勢，這使各距離和坡度梯度帶生境質(zhì)量均呈增加趨勢，然而，由于山區(qū)公路多沿河谷分布，公路兩側(cè)山地成為退耕還林還草工程優(yōu)先區(qū)域，其自然植被恢復(fù)程度較好，因此，公路沿線距離>1 000m，坡度>5°的區(qū)域生境質(zhì)量提高相對較大。相反，在地形約束下，人類活動多集中距離公路較近，地形相對平坦的河谷地區(qū)，退耕還林還草工程影響相對較小，公路沿線距離<1 000m，坡度<5°區(qū)域的生境質(zhì)量提高相對較小。

參考文獻：

[1] 劉紅玉,李兆富,白云芳.撓力河流域東方白鸛生境質(zhì)量變化景觀模擬[J].生態(tài)學(xué)報,2006,26(12):4007-4013.

[2] 楊建強,朱永貴,宋文鵬,等.基于生境質(zhì)量和生態(tài)響應(yīng)的萊州灣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價[J].生態(tài)學(xué)報,2014,34(1):105-114.

[3] 王瓊,范志平,李法云,等.蒲河流域河流生境質(zhì)量綜合評價及其與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)雜志,2015,34(2):516-523.

[4] 趙志軒,嚴登華,耿雷華,等.白洋淀東方大葦鶯繁殖生境質(zhì)量評價[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2014,25(5):1483-1490.

[5] 宋利臣,何平平,崔曉陽.大興安嶺重度火燒林地土壤生境質(zhì)量綜合評價[J].生態(tài)學(xué)雜志,2015,34(8):2353-2361.

[6] 郜紅娟,羅緒強,韓會慶,等.貴州山區(qū)公路沿線生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2016,40(1):135-141.

[7] 朱敏.氣候變化背景下白馬雪山生境質(zhì)量評估研究[D/OL].昆明:昆明理工大學(xué),2012:57[2015-10-03].http://epub.cnki.net/kns/brief/default_result.aspx.

[8] 郜紅娟,張朝瓊,蔡廣鵬,等.基于GIS的巖溶山區(qū)農(nóng)村居民點用地適宜性評價[J].水土保持研究,2015,22(2):200-203.

[9] 唐堯,祝煒平,張慧,等.InVEST模型原理及其應(yīng)用研究進展[J].生態(tài)科學(xué),2015,34(3):204-208.

[10]王雅,蒙吉軍,齊楊,等.基于InVEST模型的生態(tài)系統(tǒng)管理綜述[J].生態(tài)學(xué)雜志,2015,34(12):3526-3532.

[11]包玉斌,劉康,李婷,等.基于InVEST模型的土地利用變化對生境的影響——以陜西省黃河濕地自然保護區(qū)為例[J].干旱區(qū)研究,2015,32(3):622-629

[12]吳健生,張理卿,彭建,等.深圳市景觀生態(tài)安全格局源地綜合識別[J].生態(tài)學(xué)報,2013,33(13):4125-4133

[13]杜世勛,榮月靜.基于InVEST模型山西省土地利用變化的生物多樣性功能研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2015,40(6):65-70.

[14]白健,劉健,余坤勇,等.基于InVEST-Biodiversity模型的閩江流域生境質(zhì)量變化評價[J].中國科技論文,2015,10(15):1782-1788.

[15]孫傳諄,甄霖,王超,等.基于InVEST模型的鄱陽湖濕地生物多樣性情景分析[J].長江流域資源與環(huán)境,2015,24(7):1119-1125.

[16]TALLIS H T,RICKETTS T,NELSON E, et al. InVEST1.005 beta User’s Guide[M].Stanford:The Natural Capital Project,2010.

文章編號：1004—5570(2016)03-0007-06

收稿日期：2016-03-08

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(31100187)

作者簡介：郜紅娟(1981-)，女，講師，研究方向：自然資源開發(fā)與區(qū)域規(guī)劃研究，E-mail：cgp1963@126.com. *通訊作者：張朝瓊(1965-)，女，教授，研究方向：3S技術(shù)應(yīng)用與土地利用規(guī)劃管理，E-mail：qzhang714@163.com.

中圖分類號：F301.2

文獻標識碼：A

Spatial and temporal variation of habitat quality along the road in karst mountainous based on the InVEST model

GAO Hongjuan1,ZHANG Chaoqiong2*,CAI Guangpeng2

(1.College of Geography and Tourism, Guizhou Normal College, Guiyang, Guizhou 550018,China; 2.College of Geography and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang,Guizhou 550001,China)

Abstract:Exploring the spatial-temporal change of habitat quality will provide a scientific reference for biodiversity protection and reasonable utilization of resources. Taking 309 provincial road in Majiang county of Guizhou province, the study analyzed the habitat quality change along the road in mountainous from 1992 to 2012 utilizing InVEST model based on land use data for 1992 and 2012. Cultivated land and unused land area decreased while forestland, shrub, grassland, urban and industrial land, rural settlements and water body area increased from 1992 to 2012. Habitat quality along 309 provincial road in Majiangcountyincreased by 0.07 from 1992 to 2012. Habitat quality in east and west parts of road was greater than central part. Habitat quality increased in slope and distance gradients. Urbanization, Green for Grain Project and terrain are important factors affecting habitat quality changes along the road in mountainous.

Key words:habitat quality; land use change; InVEST model; along the road