基于InVEST模型的生境質(zhì)量評價—以北京市通州區(qū)為例

張夢迪 張芬 李雄

1978—2018年間，北京城市用地增加，城市化率也逐漸攀升，達到了86.5%，位居全國城市化比率首位[1]，由此而引發(fā)的“大城市病”問題使城市生態(tài)系統(tǒng)受到一定的威脅。

通州區(qū)于2015年底確定為“城市副中心”，作為“百萬畝造林工程”中的重點區(qū)域之一。通州區(qū)以“推動高質(zhì)量發(fā)展，擴大綠色生態(tài)空間”為理念，逐步提升其綠化總量，以期平衡副中心城市用地的擴張和綠色空間的建設(shè)，從而緩解“大城市病”所帶來的生態(tài)問題。生境質(zhì)量能夠反映某一區(qū)域提供物種生存條件能力的高低，探究其在通州區(qū)的變化因素和時空分布特征，對指導城市副中心綠色空間系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布局的構(gòu)建以及生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。

1 研究區(qū)域概況

北京通州區(qū)地處北京東南部。東西長度為36.5 km，南北長度為48 km，總面積906 km2。該地區(qū)屬于大陸性季風氣候。受夏季風影響，春天干燥多風，夏天炎熱多雨，海拔最高點27.6 m，最低點為8.2 m，地勢平坦。作為曾經(jīng)的北京市遠郊農(nóng)業(yè)縣，耕地是通州區(qū)內(nèi)主要的生境類型[2]。同時其地下水資源豐富，大小河流共計13條，以北運河和潮白河為主要水系。

2 數(shù)據(jù)來源

筆者以2008、2013和2018年精度為30 m×30 m遙感影像作為數(shù)據(jù)源，利用遙感影像處理平臺（The Environment for Visualizing Images，簡稱ENVI）軟件進行影像校正和融合，提取出研究區(qū)域的土地利用類型，并通過地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）軟件進行空間數(shù)據(jù)疊加，從而分析研究區(qū)域內(nèi)地類的變化，同時還需要北京市行政區(qū)劃的矢量文件限定研究范圍。所有數(shù)據(jù)均通過中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺獲取。

3 研究方法

通常生物多樣性的評價方法多為實地調(diào)查研究，利用樣方或者樣帶的方法調(diào)查動植物種類，并且根據(jù)調(diào)查結(jié)果參考各項跟生境相關(guān)的數(shù)據(jù)，以此來確定生境質(zhì)量的情況。但是該方法需要耗費大量的人力、物力與時間，并且不易獲得時間跨度較大的數(shù)據(jù)。另一種方法是利用由大自然保護協(xié)會、斯坦福大學(美國)和世界野生動物基金會聯(lián)合開發(fā)的環(huán)境服務(wù)功能評估模型—生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和交易的綜合評估模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs，簡稱InVEST模型）進行定量研究。

InVEST模型最初只有水質(zhì)凈化、土壤保持等幾個基礎(chǔ)模型，至今已發(fā)展成能夠定量分析碳儲量、碳儲存與隔離、產(chǎn)水量和水體凈化等生態(tài)價值評估方面的模型。筆者采用InVEST模型中評估生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的子模塊—生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和交易的綜合評估模型的生境模塊（InVEST-Habitat Quality，以下簡稱InVEST模型生境質(zhì)量模塊），其釆用土地利用信息結(jié)合對生物多樣性構(gòu)成威脅的各種生態(tài)威脅因子，對生境質(zhì)量情況進行總體評價。模型中運行的結(jié)果是反映生物多樣性高低的重要指標[3-6]。同時結(jié)合通州區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，分析2008、2013、2018年的土地利用類型的空間變化，并且構(gòu)建2008—2013年和2013—2018年2個時間段的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（圖1）。

1 技術(shù)路線Technology roadmap

3.1 土地利用變化

自20世紀90年代以來，土地利用演變研究成為環(huán)境變化研究的熱點之一；而國外研究人員于20世紀70年代就開始研究土地利用變化，研究的內(nèi)容包括自然變化、氣候變化等與土地利用變化之間的相互作用關(guān)系。在20世紀90年代，國際全球環(huán)境變化人文因素計劃（International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change，簡稱IHDP）和國際地圈生物圈計劃（International Geosphere-Biosphere Programme，簡稱IGBP）發(fā)起跨學科綜合研究計劃，并啟動土地利用變化科學研究方案。國外對于土地利用變化影響生態(tài)環(huán)境方面的研究啟動較早，技術(shù)手段和理論方法等較為成熟，國內(nèi)研究起步較晚，有待對生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)類模型結(jié)合土地利用變化對生境影響的深入探討[4]3,[7-8]。鑒于上述背景，通過GIS軟件的空間分析，對2008—2013年、2013—2018年的土地利用轉(zhuǎn)換進行提取，并繪制土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

3.2 InVEST模型生境質(zhì)量模塊

通過InVEST模型生境質(zhì)量模塊以土地利用圖和每種威脅對生境的影響為基礎(chǔ)展開生境質(zhì)量的評價，進而評估生物多樣性的持續(xù)性和恢復(fù)能力。模型內(nèi)所必需的數(shù)據(jù)主要為：當前土地利用圖、威脅因子數(shù)據(jù)、威脅源數(shù)據(jù)、生境類型以及對于威脅源的敏感性。InVEST模型假定生境質(zhì)量越好的地方生物多樣性越豐富，同時其恢復(fù)能力也就越強[3]20。若要得到生境質(zhì)量指數(shù)，首先要計算生境退化程度，其計算公為：

式中，Dxj代表生境退化程度，脅迫因子個數(shù)為R，脅迫因子r的權(quán)重為Wr，脅迫因子層在地類層上的柵格個數(shù)為Yr，地類層每個柵格上脅迫因子的個數(shù)為ry，法律保護程度為βx，j類型土地利用對脅迫因子r的敏感性為Sjr，柵格y中脅迫因子ry對柵格x的脅迫水平為irxy[9]32。

假定模型中，土地利用類型對威脅越敏感，其退化程度越大。在得到生境退化的程度后，利用半飽和函數(shù)將柵格退化分值解譯成生境質(zhì)量得分值，公式如下：

式中，土地利用j中柵格x的生境質(zhì)量為Qxj，土地利用j的生境屬性為Hj，歸一化指數(shù)為Z，其參數(shù)為模型默認值，半飽和常數(shù)為k。k值一般為生境退化最大值的1/2；如k值為1時，軟件輸入0.5，是軟件默認數(shù)值[9]32。

土地利用中每個生境受到威脅的敏感度不同，且主要以人類活動對于生境質(zhì)量改變?yōu)橹?，因此在威脅因子的參數(shù)設(shè)置中，人類活動對生境的影響是主要考慮因素。同時生境對威脅因素的敏感性因生境類型而異，某土地利用單元的敏感性越強，其抵抗外界干擾的能力越低，退化也就越嚴重，所以模型中的一個必要參數(shù)就是生境對各個脅迫因子的敏感性（表1）。

表1 生境適宜性及其對不同威脅因子的敏感性Tab.1 Habitat suitability and its sensitivity to different threat factors

根據(jù)通州區(qū)相關(guān)資料以及對研究區(qū)域的調(diào)查研究可知通州區(qū)以耕地、建設(shè)用地和道路等為居民主要活動區(qū)域，故最終選取耕地、高速公路、主路、鐵路、建設(shè)用地和未利用地這6種人口活動較多的區(qū)域作為脅迫因子（表2）。結(jié)合通州區(qū)的實際情況并參照InVEST使用手冊以及相關(guān)文獻的研究，定義最接近生態(tài)自然系統(tǒng)的林地及水域生境適宜性為1和0.85；草地較適合作為自然生境，其適宜性為0.70；耕地作為人工種植的大型斑塊，在通州區(qū)面積最大，是最易受人類影響的生境，適宜性定為0.60[10]624,[11-13]。

表2 脅迫因子最大影響距離和權(quán)重Tab. 2 The maximum influence distance of threat factors and weight

4 結(jié)果與分析

4.1 土地利用分析

為了深入了解通州區(qū)2008—2013年和2013—2018年2個時間段的土地利用轉(zhuǎn)變情況，筆者利用ArcGIS軟件對2008、2013、2018年3期土地利用數(shù)據(jù)（圖2）進行疊加，重點分析在《北京市總體規(guī)劃（2004—2020）》及《北京市總體規(guī)劃（2016—2035）》發(fā)布后的通州區(qū)土地利用轉(zhuǎn)變情況。

2 北京市通州區(qū)2008、2013、2018年土地利用解譯Land use interpretation map of Tongzhou District in 2008, 2013 and 2018

2008—2013年中通州區(qū)各類用地均發(fā)生了不同情況的改變（表3、4），在這5年中，耕地、林地、水域、草地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入面積分別為16 314.16 hm2和16 596.59 hm2。耕地、建設(shè)用地和水域為主要轉(zhuǎn)出類型，面積分別為 9 601.32 hm2、5 061.99 hm2和 1 163.58 hm2。建設(shè)用地有87.07%來自耕地的轉(zhuǎn)入，面積為6 597.45 hm2，0.70%來自林地；耕地有84.54%來自建設(shè)用地，9.35%來自水域；而林地有86.98%來自耕地。由此可見，在2008—2013年期間，土地利用變化的主要類型是將耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和林地，建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍?/p>

表3 2008—2013年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab. 3 Land use transfer matrix (2008—2013) 單位：hm2

表4 2008—2013年各類用地面積增加貢獻率Tab. 4 Contribution rate of land use increase (2008—2013) 單位：%

根據(jù)2013—2018年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可知，2013—2018年間，耕地、林地、水域、草地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)出面積為7 819.88 hm2，轉(zhuǎn)入面積為7 794.16 hm2。其中轉(zhuǎn)出面積較多的是耕地、林地和建設(shè)用地，面積分別為4 135.77 hm2、2 146.04 hm2和 1 297.50 hm2。轉(zhuǎn)入面積較多的是耕地、水域和建設(shè)用地，分別為1 283.85 hm2、1 081.63 hm2和4 873.96 hm2（表5、6）。在研究期間，建設(shè)用地主要由耕地轉(zhuǎn)入，面積達到了3 118.59 hm2，貢獻率為63.98%；林地86.37%來自耕地，面積為203.39 hm2。水域主要由529.18 hm2的耕地和491.86 hm2的建設(shè)用地轉(zhuǎn)入，草地由178.53 hm2的耕地和129.09 hm2的林地轉(zhuǎn)入。在2013—2018年期間，土地利用變化的主要類型是將耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和水域，林地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地。

表5 2013—2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab. 5 Land use transfer matrix (2013—2018) 單位：hm2

表6 2013—2018年各類用地面積增加貢獻率Tab. 6 Contribution rate of land use increase (2013—2018) 單位：%

4.2 生境質(zhì)量分析

利用InVEST模型軟件，對2008、2013和2018年的生境質(zhì)量進行了評估。為了便于描述和比較3期的生境質(zhì)量情況，將2008、2013和2018年的生境質(zhì)量指數(shù)運算結(jié)果分為0.00～0.20、0.20～0.43、0.43～0.89和 0.89～1.00共4個區(qū)間，根據(jù)此運算結(jié)果，生境質(zhì)量分為4個層次：低度、一般、中度、高度，并計算了每一層次生境質(zhì)量所占面積的百分比[10]626。

低度生境質(zhì)量以建設(shè)用地為主要用地類型，一般生境、中度生境和高度生境分別以耕地、草地、林地和水域為主要用地類型。在對生境質(zhì)量占比的計算中，可以發(fā)現(xiàn)，通州區(qū)在研究期間，以建設(shè)用地為主的低度生境質(zhì)量逐年上升，而以綠色空間為主要用地類型的一般生境質(zhì)量、中度生境質(zhì)量和高度生境質(zhì)量呈下降趨勢，且以一般生境質(zhì)量為主要下降類型。對比其他3類生境質(zhì)量的研究初始時間和末期時間，2008年高度生境質(zhì)量為4.55%，相較于2008年，2018年的高度生境質(zhì)量上升了1.19%；2018年的中度生境較2008年下降了0.02%，低度生境較2008年升高了6.52%（圖3）。

3 2008、2013、2018年生境質(zhì)量面積所占百分比Percentage of habitat quality area in 2008, 2013 and 2018

2012年初，北京市平原造林工程正式啟動，以林地和水域為主要類型的高度生境質(zhì)量主要集中于潮白河、溫榆河、大運河、馬駒橋濕地公園和東、西部生態(tài)綠帶等區(qū)域。根據(jù)2013年《北京市人民政府關(guān)于2013年實施平原地區(qū)造林工程的意見》和2018年《北京市新一輪百萬畝造林綠化行動計劃2018年度建設(shè)總體方案》可知，“百萬畝造林工程”以構(gòu)建景觀生態(tài)林、綠色通道為主，并且重點建設(shè)通州區(qū)內(nèi)游憩公園和東、西部生態(tài)綠帶，加快推進藍綠交織的森林城市建設(shè)（圖4）。

4 2008、2013、2018年生境質(zhì)量空間分布Spatial distribution of habitat quality in 2008, 2013 and 2018

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

北京市通州區(qū)的土地利用變化主要體現(xiàn)在2008—2018年這10年間城市化的進程，在政策和規(guī)劃不斷更新的情況下，通州區(qū)的定位也由衛(wèi)星城轉(zhuǎn)變?yōu)楸本┦懈敝行?。耕地、林地、水域和草地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，而耕地是所有用地類型中向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變面積最大的地類。但是隨著平原造林工程建設(shè)的展開，以及《北京市總體規(guī)劃（2016—2035）》的發(fā)布，為了改變以往的城市化發(fā)展方向，通州區(qū)在2013—2018年其他用地類型向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)換開始減少，并且逐漸向水域、林地等高生境的用地類型發(fā)展。

對于2008、2013、2018年這3年的生境質(zhì)量評價，一般生境質(zhì)量逐漸下降，主要體現(xiàn)在耕地大面積向建設(shè)用地轉(zhuǎn)換；低度生境質(zhì)量的攀升主要是由于通州區(qū)的城市建設(shè)逐漸加快，因此導致以建設(shè)用地為主的低度生境質(zhì)量增加；2013年和2018年的高度生境質(zhì)量相比于2008年也有了一定的提升。根據(jù)以上數(shù)據(jù)結(jié)果說明：在城市化發(fā)展中，通州區(qū)努力將生態(tài)環(huán)境建設(shè)和城市發(fā)展同時進行，以保證“高質(zhì)量”的城市副中心建設(shè)。

5.2 討論

根據(jù)通州區(qū)生境質(zhì)量的研究結(jié)果，討論影響其變化的因素，對未來規(guī)劃中擴大區(qū)域內(nèi)綠色空間面積，重塑通州區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要影響。

1）耕地作為通州區(qū)面積最大的綠色空間，由于副中心、亦莊新城通州部分以及各個特色小鎮(zhèn)和村莊的建設(shè)，耕地逐漸向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變，導致以耕地為主要用地類型的一般生境質(zhì)量下降，同時也使得以建設(shè)用地為主的低度生境質(zhì)量逐年增加。

2）平原造林政策的實施，使通州區(qū)成為平原造林工程的主要建設(shè)區(qū)域之一。根據(jù)2013年和2018年的平原造林實施意見和總體方案可知，平原造林工程以景觀生態(tài)林和綠色通道建設(shè)為主。同時推進通州區(qū)疏解造林、留白增綠的綠化建設(shè)，從而增加通州區(qū)的林地面積，而林地面積的提高是影響通州區(qū)高度生境質(zhì)量上升的重要原因之一。

3）通州區(qū)內(nèi)東郊森林公園、大運河森林公園、馬駒橋濕地公園、亦莊通明湖公園和于家務(wù)中心公園等各類公園的建設(shè)對增加草地、林地和水域的面積起到了重要作用，也是影響研究區(qū)域內(nèi)中度生境質(zhì)量和高度生境質(zhì)量變化的重要原因。

5.3 問題與展望

由于InVEST模型的參數(shù)設(shè)定沒有標準的計算方法，因此本研究中相關(guān)模型參數(shù)設(shè)置均借鑒于模型使用手冊的推薦數(shù)據(jù)和前人研究的成果，并結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況進行調(diào)整，因此存在模型不能夠精準地反映生物質(zhì)量分類的情況。目前InVEST模型多用于研究大尺度區(qū)域，對于小尺度區(qū)域的研究還有待進一步探討。

雖然InVEST模型有一定局限性，但其為大尺度區(qū)域研究提供了相對較好的平臺，通過對于衛(wèi)星圖的解譯以及模型中各個參數(shù)的設(shè)置，可以計算出研究區(qū)域的生境質(zhì)量指數(shù)，為指導生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供了一定的科學依據(jù)。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～4、表1～6由作者繪制；其中圖2、4底圖審圖號為GS(2019)1719號—甲測資字1100471。