基于InVEST模型的延安市生境質量時空變化分析

任卓琳 陳文南

(長安大學土地工程學院，陜西 西安 710054)

生境質量作為生態(tài)環(huán)境的本質特征，探索分析其時空分異演變規(guī)律，可以為區(qū)域生物多樣性水平維護提供科學依據。目前，國內外對生境質量評估的研究主要聚焦于構建指標體系、基于模型模擬2方面。指標體系法采用實地調查建立指標體系對生境質量進行評價往往需要大量的人力物力，難以開展長時間的數據分析，研究區(qū)多為小區(qū)域或單一物種棲息地。模型評估法主要有IDSIRI生物多樣性模塊[1]、生境適宜性HIS模型[2]和InVEST模型[3，4]等，InVEST模型所需數據易獲取、操作相對簡單、可視化程度高、評估較準確，所以較為廣泛地應用于相關研究中。

從區(qū)域角度看，延安市是林木覆蓋區(qū)域至草地覆蓋區(qū)域間的過渡地帶，也被稱為“生態(tài)危機帶”，這一區(qū)域生態(tài)敏感性較高，生態(tài)系統(tǒng)極易退化。并且隨著城市的擴張、建設用地的增加、礦業(yè)的開采等造成的水土流失、環(huán)境污染、地質災害等給延安市生境質量帶來了更大的壓力。因此，本文綜合已有研究成果，以延安市為研究區(qū)，利用InVEST模型中的生境質量模塊，基于土地利用數據對2009年和2019年2個時段模擬延安市生境質量指數，評估其生境質量變化情況，分析2009—2019年延安市生境質量時空演變規(guī)律，以期為延安市生態(tài)環(huán)境保護與恢復、構建山水林田湖草生命共同體提供理論依據。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

延安市地處陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地勢西北高東南低，屬暖溫帶半濕潤易旱氣候區(qū)。依托資源稟賦，能源化工業(yè)發(fā)展較好。2019年末，全市常住人口225.57萬人，城鎮(zhèn)化率64.07%；全市生產總值1663.89億元，占全省的6.45%。經濟發(fā)展與環(huán)境保護不平衡，植被退化、礦區(qū)開采、道路硬化等導致生境環(huán)境脆弱。

1.2 數據來源

2009年和2019年2期土地利用數據來源于延安市自然資源局，通過ArcGIS 10.2軟件轉換為柵格數據。重分類為耕地、園地、林地、草地、水域、建設用地及其他土地7種類型。

1.3 研究方法

1.3.1 InVEST模型

InVEST模型生境質量模塊通過生境質量指數表征生境質量狀況，值越大生境質量越好。計算公式：

式中，Dxj為j類生境中柵格x的生境退化指數；r為威脅因子；R為威脅因子數量；y為威脅因子r所在柵格單元；Yr為威脅因子r的柵格數量；Wr為威脅因子r的權重；irxy為威脅因子r的最大影響距離；βx為生境抗干擾水平；Sjr為j類生境對威脅因子r敏感程度；Qxj為生境質量指數；Hj為生境適宜性；k為半飽和常數；Z為模型轉換系數[5]。

本研究將耕地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運輸用地和裸土地作為生境威脅因子，并結合延安市實際情況對參數進行賦值，見表1、表2。

表1 脅迫因子權重與影響距離

表2 不同土地利用類型的生境適宜性以及對脅迫因子的敏感性

1.3.2 地學信息圖譜

地學信息圖譜是一種地理時空方法論，能夠定量表達時空分布及其結構狀況表征[6]。利用地圖代數運算與圖譜代碼融合的空間分析方法，合成生境質量轉移圖譜，同時利用地圖代數減運算得到延安市2009—2019年生境質量變化強度圖譜，為正表示生境蔓延，為負表示生境萎縮。

2 結果與分析

2.1 延安市生境質量變化分析

利用相等間隔法將延安市生境質量[0，1]由低到高分為低[0～0.2)、較低[0.2～0.4)、中[0.4～0.6)、較高[0.6～0.8)、高[0.8～1.0]5個區(qū)間，并將此編碼為1、2、3、4、5，得到生境質量空間分布圖，見圖1。時間上，延安市2009—2019年各級生境質量總體呈穩(wěn)定狀態(tài)，變化幅度不大，見表3。2009年、2019年中等和高等生境質量占比較多，較低狀態(tài)占比少。2009—2019年，中等生境質量降幅1.25%，低級和較低增幅較大，分別為6.47%和8.45%，較高和高級增幅相對較小，分別為0.93%和0.87%。中等生境縮減而兩極生境微增，延安市生境兩極分化趨勢有所增強?？臻g上，2009—2019年延安市生境質量整體分布為北低南高。北部吳起縣、志丹縣、安塞區(qū)、寶塔區(qū)、延川縣和延長縣生境質量整體偏低，各等級生境質量分布較為零散，所占面積廣袤；該區(qū)域水土流失嚴重，易發(fā)生地質災害，且人為活動較多，能源、工業(yè)、人口、建設等對生態(tài)產生較大影響，生境威脅源分布密集。富縣東部、黃龍縣東部和洛川縣生境質量多為中等，且呈集中連片分布；該區(qū)域屬黃土塬農業(yè)區(qū)，人為干擾力度較為穩(wěn)定，對生境質量影響程度相對較小且較穩(wěn)定。黃龍縣、宜川縣、黃陵縣西部和富縣西部為生境質量較高區(qū)域，集中分布明顯，該區(qū)域人為活動較少，分布有多個水源涵養(yǎng)區(qū)，生物多樣性豐富?？偟膩碚f，2009—2019年延安市生境質量水平整體處于高等狀態(tài)，且從2009—2019年略有增加，這意味著延安市生境質量朝著好的方向發(fā)展。延安市位于黃土高原南部，生態(tài)環(huán)境脆弱，在21世紀社會經濟高速發(fā)展的時代，延安市區(qū)域土地利用方式及建設強度等不斷增加，不可避免地破壞局部環(huán)境，但隨著退耕還林、礦山環(huán)境整治、生態(tài)環(huán)境保護等措施的提出與實施，區(qū)域生境質量逐漸在向良性循環(huán)發(fā)展。

表3 2009—2019年延安市各級生境質量狀態(tài)

圖1 2009—2019年延安市生境質量空間分布

2.2 延安市生境質量圖譜轉移分析

2.2.1 圖譜轉移數量分析

2009—2019年延安市生境質量圖譜轉移分析共生成25類圖譜，未發(fā)生變化的圖譜(編碼11、22、33、44、55)占69.83%。穩(wěn)定圖譜中，高→高(編碼55)占比81.61%，較低→較低(編碼11)僅占0.0018%。

生境質量變化的圖譜有20類，占圖譜變化總量的30.17%，見表4。其中，前14類占圖譜變化總量的9.58%，且低階向高階轉換總量小于高階向低階轉換總量，生境質量惡化，但變化比率均較小，總面積為1007.14km2；后6類占圖譜變化總量的90.42%，較高和高2種等級間的相互轉換最明顯，占生境質量變化總量的49.33%，較高轉向高的變化率為25.81%，大于高向較高轉換的總量，表明生境質量改善量大于惡化量。此外，中和較高、中和高之間，中轉向較高的變化率7.64%大于較高轉向中的變化率3.71%，中轉向高的變化率17.12%大于高轉向中的變化率12.62%，生境質量均向好的方向發(fā)展?？傮w來說，低階向高階轉換占圖譜變化總量的53.74%，大于高階向低階轉換總量，質量向好的圖譜單元呈現凈增長，區(qū)域生境質量整體在向較好的方向發(fā)展。

表4 2009—2019年延安市生境質量轉移情況

2.2.2 圖譜轉移空間分析

2009—2019年延安市生境質量變化圖譜在空間上存在著較為明顯的區(qū)域差異性，見圖2a，北部變化明顯高于南部。其中，生境質量好轉的圖譜主要是較高→高、中→高和中→較高，主要分布于吳起縣、志丹縣、子長縣、延川縣、延長縣、安塞區(qū)和寶塔區(qū)等廣袤的北部區(qū)域，主要是由于近年來水土流失礦山環(huán)境治理以及生態(tài)環(huán)境修復取得了一定成效，尤其是自退耕還林及封山育林政策實施以來，延安市北部植被覆蓋率得到了大幅度提升，區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善。生境質量變差的圖譜主要是高→低、較高→低和中→低，主要位于各縣區(qū)經濟發(fā)展中心以及各個交通要道，土地利用方式轉換頻繁，礦業(yè)開采及施工建設等人為活動較為劇烈，對生態(tài)環(huán)境威脅較為明顯，導致了生境質量的下降。未發(fā)生變化的圖譜是高→高、較高→較高和中→中，主要分布于中南部區(qū)域，這些區(qū)域多位于自然保護地和重點農業(yè)發(fā)展地，人為干擾力度小而穩(wěn)定，不易對生態(tài)環(huán)境產生劇烈影響。

圖2 2009—2019年延安市生境質量轉移圖譜及變化強度空間分布

2.3 延安市生境質量變化強度分析

對2009年和2019年2期生境質量柵格數據進行地圖代數運算，得到延安市生境質量變化強度，見表5。數量上，均衡狀態(tài)占比69.83%。變化柵格中，初步蔓延與萎縮占比大，分別為10.11%和8.24%，較強蔓延與較強萎縮占比小，分別為0.22%和0.35%。均衡狀態(tài)占比大，變化總強度蔓延大于萎縮，延安市生境質量總體穩(wěn)中變好?？臻g上，見圖2b，強萎縮主要位于延安市市區(qū)以及各縣區(qū)中心，21世紀以來，人類活動強度不斷增大，導致林地和草地減少，植被覆蓋度降低，生境質量出現強萎縮。初步、中等及較強蔓延和萎縮間交叉伴生，主要分布于延安北部、東部以及中南部區(qū)域，甘泉縣西部和宜川縣中部有極為明顯的初步蔓延。生境質量蔓延主要是由于相關法規(guī)頒布后，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護取得明顯成效，絕大部分廢棄礦山轉為林地，生態(tài)環(huán)境得到修復，并且退耕還林、封山育林等措施的實施，一定程度上促進生態(tài)環(huán)境的改善；生境質量萎縮主要是由于這一區(qū)域自然條件復雜，生態(tài)環(huán)境相對脆弱，經濟社會的高速發(fā)展促進交通、旅游業(yè)以及建筑業(yè)的發(fā)展，導致部分林草地轉為建設用地，一定程度上破壞了生態(tài)環(huán)境，導致生境質量惡化。但總體來說，二者此消彼漲，相互并存，區(qū)域整體生境質量波動較小。均衡態(tài)主要位于延安市東南部和西南部，多為自然保護地，受人類干擾力度較小，不易出現生境質量波動。

表5 2009—2019年延安市生境質量變化強度

3 結論

本研究利用InVEST模型估算延安市2009—2019年生境質量，揭示延安市生境質量時空變化特征。

2009—2019年，延安市生境質量總體穩(wěn)定，整體生境質量處于高等水平且略有提升。由于延安市位于黃土高原中南地區(qū)，是林木覆蓋區(qū)域至草地覆蓋區(qū)域間的過渡地帶，生境質量空間上自北向南逐級遞增，以高、較高、中狀態(tài)為主，低、較低狀態(tài)較少，兩極分化趨勢有所增強，與區(qū)域社會經濟發(fā)展、土地利用方式以及自然條件復雜性有著密切的關系。

2009—2019年，延安市生境質量轉移圖譜以未發(fā)生轉移的圖譜單元為主，生境質量整體未發(fā)生明顯變化。生境質量發(fā)生轉移的圖譜中，較高和高、中和較高以及中和高之間的轉換最為頻繁。

2009—2019年，延安市生境質量變化強度不大，數量上以初級變化為主，極端變化極少?？臻g上北部明顯大于南部，各縣區(qū)經濟發(fā)展中心變化強度最大，其他強度等級各地區(qū)分布不一，但蔓延強度整體大于萎縮強度。

4 討論

在生態(tài)文明建設的背景下，延安市自然條件相對脆弱地區(qū)，應更加注重生態(tài)環(huán)境保護，挖掘城市內部開發(fā)潛力，嚴格控制建設用地擴張。同時，生境質量的萎縮與蔓延與各地區(qū)人為活動和自然條件有著密切的關系，各地區(qū)應結合實際情況，因地制宜地進行城市規(guī)劃建設，礦山環(huán)境治理以及土地整治與生態(tài)修復，保障生境質量向良性方向持續(xù)健康發(fā)展。此外，對生境質量轉移較為頻繁的圖譜進行監(jiān)測并采取相應措施，促進其生境質量高質量發(fā)展。