基于InVEST模型的太原市土地利用變化對(duì)生境質(zhì)量的影響研究

趙蓉 司奕坤

(太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030600)

生境質(zhì)量可為個(gè)體和物種提供合適的環(huán)境條件[1],土地利用變化在一定程度上影響著區(qū)域生境分布格局和功能[2]。城鎮(zhèn)化進(jìn)程使得生境質(zhì)量面臨的壓力日益增大,城市擴(kuò)張對(duì)土地資源的需求量日益增大,不僅改變著城市的用地類型,也不可避免地影響著生態(tài)用地的規(guī)模,從而導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的生境質(zhì)量下降等一系列問(wèn)題。因此,探究土地利用變化視角下的區(qū)域生境質(zhì)量,可獲得該區(qū)域土地利用方式和利用程度的變化情況,以及生態(tài)環(huán)境的變化趨勢(shì),對(duì)研究生物多樣性及其保護(hù)具有重要價(jià)值,有利于維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡發(fā)展,可為區(qū)域土地的可持續(xù)合理利用提供參考。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在土地利用變化對(duì)生境質(zhì)量影響方面開(kāi)展研究。研究方法有CA-Markov、ARIES、InVEST模型等評(píng)價(jià)方法,由于InVEST模型對(duì)數(shù)據(jù)量需求量較低、易操作、可視化強(qiáng),被廣泛使用。一系列基于InVEST模型對(duì)生境質(zhì)量的相關(guān)研究應(yīng)運(yùn)而生,如楊潔等[3]探討了黃河流域的生境質(zhì)量時(shí)空演變情況及其影響因素；梁曉瑤等[4]對(duì)黑龍江省的生境質(zhì)量空間格局和影響因素進(jìn)行分析；杜世勛等[5]研究了山西省生物多樣性功能；陳妍等[6]對(duì)北京市的土地利用格局變化對(duì)生境質(zhì)量的影響展開(kāi)研究；包玉斌等[7]的研究區(qū)域?yàn)殛兾魇↑S河濕地保護(hù)區(qū)。從以上研究可以看出,InVEST模型常被用于國(guó)家、流域、省域、城市、縣域以及保護(hù)區(qū)等多個(gè)尺度。現(xiàn)有的研究大多集中在生境質(zhì)量的時(shí)空演變和其他因素對(duì)生境質(zhì)量的影響,其中以土地利用變化為主。研究區(qū)域多為沿海地區(qū)或一些熱點(diǎn)城市。

太原作為能源城市,在工業(yè)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起了重要的作用,但由于對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識(shí)不夠,過(guò)分強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而忽略了環(huán)境保護(hù)。尤其是近年來(lái)太原市城市化發(fā)展迅速,城市用地的不斷擴(kuò)張對(duì)生態(tài)用地產(chǎn)生了巨大的壓力。本文通過(guò)分析土地利用的時(shí)空變化特征,從土地利用變化入手對(duì)太原市20a的生境質(zhì)量變化進(jìn)行研究,為調(diào)整優(yōu)化太原市土地利用格局、保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境等方面提供一些參考。

1 研究區(qū)概況

太原市(E111°30′～113°09′,N37°27′～38°25′),土地面積6909km2,行政范圍包括6區(qū)2縣1市。太原市地處山西省中北部,太原盆地內(nèi),西、北、東3面環(huán)山,汾河自北向南縱貫全境。氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂?夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥。據(jù)七普統(tǒng)計(jì),太原市總?cè)丝诩s為530萬(wàn)人,跟六普相比,增幅大約為26%,城市化進(jìn)程明顯加快。

圖1 太原市區(qū)域概況

2 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所[13],選取的是2000年、2010年、2020年1∶10萬(wàn)的土地利用數(shù)據(jù),根據(jù)研究區(qū)實(shí)際,建立土地利用類型二級(jí)分類體系,見(jiàn)表1。

表1 土地利用分類體系

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化分析

計(jì)算太原市土地利用類型面積,圖層疊加后得土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣,可掌握研究區(qū)各階段損失轉(zhuǎn)移的方向和比例。

2.2.2 InVEST模型生境質(zhì)量模塊

InVEST模型是一種綜合評(píng)價(jià)模型[8]。本研究運(yùn)用“Habitat Quality”模塊。通過(guò)計(jì)算獲取該地的生境質(zhì)量,進(jìn)而評(píng)估太原市土地利用變化對(duì)生境質(zhì)量的影響。

在運(yùn)行生境質(zhì)量模型前,需要先對(duì)圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,模型需輸入5類數(shù)據(jù)。參照陳妍等[6]、吳健生等[8]的研究并結(jié)合實(shí)地情況,本研究選取5類作為威脅源,并設(shè)置權(quán)重和最大影響距離,見(jiàn)表2。結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)和手冊(cè),確定生境適宜度和敏感程度,見(jiàn)表3,k值設(shè)0.5。

表2 威脅源的最大影響范圍及權(quán)重

表3 不同土地利用類型對(duì)各威脅源的敏感度

生境退化度由對(duì)威脅源的計(jì)算而得,生境質(zhì)量的計(jì)算在生境退化度的基礎(chǔ)上綜合生境適宜性而得。生境對(duì)威脅因子越敏感,則該地的生境退化程度就越大。生境退化度(Dxj)公式:

式中,r為威脅因子；R為威脅因子總量；YR為威脅因子R圖層中的柵格總和；Wr為威脅因子權(quán)重；ry用于確定柵格y是否為威脅因子r的來(lái)源地；irxy為生境與威脅因子之間的距離函數(shù)；Sjr表示土地覆被類型j對(duì)于威脅因子r的敏感性。則生境質(zhì)量(Qxj)公式:

式中,Hj為土地利用j的生境屬性；z為歸一化指數(shù),其參數(shù)為模型默認(rèn)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化

耕地、林地和草地為太原市2000—2020年主要的地類,見(jiàn)表4。2000—2010年,林地和建設(shè)用地面積增加,建設(shè)用地增幅最大,為84.66%；林地增幅為4.90%。其他4類均有不同程度的減少,其中耕地和草地減幅分別為12.95%和7.38%。水域和未利用地減少了12.22km2和0.68km2,因基數(shù)較少,減幅為13.79%和24.73%。

表4 太原市各土地利用類型面積

2010—2020 年,草地、建設(shè)用地和水域面積增加,且增幅為0.60%、0.47%和0.41%,草地增幅最大。耕地、林地、未利用地面積減少面積約為22.93km2、2.19km2、0.99km2。其中未利用地基數(shù)較少,減幅面積最大,為47.83%。耕地和草地減幅為1.21%和0.09%。

20a間,太原市的建設(shè)用地和林地持續(xù)增加,且建設(shè)用地增量最大,增加了341.36km2。其他用地類型都有不同程度的減少,其中耕地資源減少明顯,減少了305.87km2。總之,太原市這一時(shí)期土地利用變化的特點(diǎn)為建設(shè)用地增加和耕地資源逐漸減少。

為深入了解太原市土地利用在這一時(shí)期的轉(zhuǎn)化情況,構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,見(jiàn)表5、表6。2000—2010年,耕地中有57.17%處于穩(wěn)定,減少的耕地主要轉(zhuǎn)為林地、草地和建設(shè)用地,所占比例分別為9.43%、19.38%和13.12%,從轉(zhuǎn)化情況可反映出耕地受到退耕還林還草以及建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的影響。林地保留了78.48%,其轉(zhuǎn)出類型主要為耕地和草地,所占比例為6.95%和12.62%。草地中有54.22%保持穩(wěn)定,主要轉(zhuǎn)出21.53%的耕地和19.95%的林地,以及3.89%的建設(shè)用地。建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯,約80.17%處于穩(wěn)定狀態(tài),但約15.17%轉(zhuǎn)為耕地,這可能與廢棄宅基地以及工礦廢棄地的復(fù)墾有關(guān)。水域有48.57%處于穩(wěn)定,主要轉(zhuǎn)出為耕地和草地,所占比例為20.33%和17.36%。未利用地基數(shù)最小,但向建設(shè)用地轉(zhuǎn)出了49.10%。

表5 2000—2010年太原市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表6 2010—2020年太原市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2010—2020年,耕地中有64.55%處于穩(wěn)定,減少的耕地主要轉(zhuǎn)為林地、草地和建設(shè)用地,分別占8.07%、19.80%和6.76%。林地保留了81.32%,主要轉(zhuǎn)向耕地和草地,所占比例為6.88%和10.71%。草地中有62.26%保持穩(wěn)定,主要轉(zhuǎn)出20.45%的耕地和14.94%的林地,以及2.02%的建設(shè)用地。建設(shè)用地74.86%處于穩(wěn)定,主要轉(zhuǎn)出為耕地、林地和草地,所占比例分別為14.96%、4.39%和5.13%。水域有61.71%處于穩(wěn)定,對(duì)其他地類有不同程度的轉(zhuǎn)移(除未利用地)。未利用地僅31.14%處于穩(wěn)定,轉(zhuǎn)出的土地主要是耕地、林地和建設(shè)用地,分別占12.50%、3.35%和13.08%。

從地類轉(zhuǎn)化總體來(lái)看,20a間轉(zhuǎn)化中最穩(wěn)定的是建設(shè)用地和林地,這也反映太原市城市擴(kuò)張與林地生態(tài)保護(hù)并行。最明顯的是未利用地和水域的轉(zhuǎn)出,尤其是前10a,未利用地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化達(dá)到了49.10%,這反映出在建設(shè)用地的擴(kuò)張上未利用地發(fā)揮了作用。水域在前10a 48.57%處于穩(wěn)定,后10a增長(zhǎng)為61.71%,這與太原市從2008年實(shí)施的千里汾河清水復(fù)流工程相關(guān)。總之,草地與耕地互為轉(zhuǎn)移,水域和未利用地向其他地類的轉(zhuǎn)化是太原市這個(gè)時(shí)期內(nèi)土地利用轉(zhuǎn)移變化的特點(diǎn)。

3.2 太原市生境質(zhì)量時(shí)空變化

根據(jù)InVEST模型得到太原市的生境質(zhì)量圖,生境質(zhì)量高低在模型中表現(xiàn)為0～1的值,數(shù)值越高,生境越好。為直觀看出太原市的生境質(zhì)量情況,將生境質(zhì)量指數(shù)分為低、較低、一般、較高、高5個(gè)等級(jí),數(shù)值分別為0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1,并作可視化處理。

從時(shí)間上看,見(jiàn)表7,整體上太原市的生境質(zhì)量處于一般水平,較低、一般和高生境質(zhì)量等級(jí)約占總面積的90%左右,低生境質(zhì)量和較高生境質(zhì)量所占比例較小。較高生境質(zhì)量和高生境質(zhì)量20a間變化比例不大,分別增加了0.82%和1.24%。一般生境質(zhì)量和較低生境質(zhì)量分別減少了2.72%和4.34%。低生境質(zhì)量變化比例最大,增加了5.01%。綜上,2000—2020年,太原市整體生境質(zhì)量有所下降。

表7 2000—2020年太原市各等級(jí)生境比例

從空間上看,見(jiàn)圖2,太原市整體生境質(zhì)量呈現(xiàn)西部和東北部高、中部和南部低的趨勢(shì)。太原市的婁煩縣、古交市和陽(yáng)曲縣生境質(zhì)量整體較高,主要分值在0.6以上。清徐縣和小店區(qū)的生境質(zhì)量較低,主要分值處于0～0.4。中部5城區(qū)的生境兩級(jí)分化嚴(yán)重,山地邊緣的生境質(zhì)量較高,分值在0.6以上；中部平原在0～0.2,生境質(zhì)量最低。汾河流經(jīng)地區(qū),生境質(zhì)量較高。但距離城鎮(zhèn)較近以及位于主要交通網(wǎng)連接處的區(qū)域,生境質(zhì)量等級(jí)較低,且零星分布于研究區(qū)。

圖2 太原市生境質(zhì)量圖

為了直觀看出太原市生境質(zhì)量20a間的變化,運(yùn)用軟件得3個(gè)時(shí)間段的生境質(zhì)量變化情況,將不同時(shí)間段的生境質(zhì)量圖進(jìn)行柵格運(yùn)算,將生境質(zhì)量變化情況分為變差、不變及變好3類。

從圖3可以看出,2000—2010年,生境質(zhì)量變化劇烈,且出現(xiàn)集中連片區(qū),中部的集中連片區(qū)主要為太原市城區(qū)迅速擴(kuò)張的區(qū)域,主要向南部的小店區(qū)、晉源區(qū)和清徐縣擴(kuò)張。變好區(qū)域主要集中在東中部的杏花嶺區(qū)和迎澤區(qū),以及西北部的汾河水庫(kù)。這反映了汾河水庫(kù)的治理顯著,以及實(shí)施的東山生態(tài)恢復(fù)治理工程,曾經(jīng)作為垃圾填埋場(chǎng)的杏花嶺區(qū)和迎澤區(qū)生境質(zhì)量明顯變好。2010—2020年,生境質(zhì)量空間變化不明顯,變好面積與變差面積基本持平,無(wú)明顯的集中區(qū),但空間分布上,西部和中西部的變化較為劇烈,北部和南部的變化區(qū)域零星分布。綜上所述,前10a生境質(zhì)量變差的面積較大,且區(qū)域較多,變化更為劇烈,后10a變化情況不顯著。

圖3 太原市生境質(zhì)量變化圖

3.3 生境質(zhì)量變化原因分析

從變化中可以表明,2000—2020年太原市生境質(zhì)量發(fā)生退化,從土地利用角度看,2000—2020年建設(shè)用地的擴(kuò)大伴隨著耕地資源的大量減少,也減少了一定數(shù)量的草地、水域和未利用土地面積。尤其是建設(shè)用地面積的持續(xù)增加,嚴(yán)重威脅著太原市的生境質(zhì)量,是導(dǎo)致生境質(zhì)量退化的主要原因。

太原市西部和東北部生境質(zhì)量較高,古交市、婁煩縣和陽(yáng)曲縣多山地,受地形影響對(duì)土地利用產(chǎn)生了良好的生態(tài)效應(yīng)。另外,古交市和婁煩縣屬汾河上游,是黃土高原生態(tài)脆弱區(qū)。在政府的重視下,汾河綜合治理已經(jīng)大規(guī)模地組織實(shí)施了4次,因此汾河周邊的生境質(zhì)量較高。太原市中部和南部生境質(zhì)量較低。中部區(qū)域處于太原市城市發(fā)展中心地帶,經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,交通網(wǎng)密集,建用地占比大,人類活動(dòng)劇烈,因此該區(qū)域生境質(zhì)量差。南部的清徐縣和小店區(qū),建設(shè)用地迅速擴(kuò)張,耕地面積大量減少,2016年隨著綜改示范區(qū)太原起步區(qū)的規(guī)劃和建設(shè),生境質(zhì)量較差。

4 結(jié)論與討論

利用InVEST模型,結(jié)合2000年、2010年、2020年的土地利用數(shù)據(jù),通過(guò)ArcGIS軟件分析2個(gè)不同時(shí)間段的土地利用轉(zhuǎn)移情況,選取耕地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地和未利用地作為威脅源,通過(guò)模型計(jì)算獲得太原市的生境質(zhì)量情況進(jìn)行分析,結(jié)論如下。

2000—2020 年太原市建設(shè)用地和林地面積不斷增加,建設(shè)用地增加面積最大,增加了341.36km2。其他用地類型都有不同程度的減少,其中耕地資源減少明顯,減少了305.87km2。在土地利用轉(zhuǎn)移中最穩(wěn)定的是建設(shè)用地和林地,草地與耕地互為轉(zhuǎn)移,水域和未利用地大量向其他地類轉(zhuǎn)化。

太原市生境質(zhì)量空間上看,西部和東北部高、中部和南部低。婁煩縣、古交市和陽(yáng)曲縣生境質(zhì)量整體較高,清徐縣和小店區(qū)的生境質(zhì)量較低。零星分布在交通網(wǎng)連接的區(qū)域,其生境質(zhì)量較低。中部城區(qū)的生境質(zhì)量最低。

太原市生境質(zhì)量整體處于一般水平,且前10a的生境質(zhì)量變化較為劇烈。較低、一般和高生境質(zhì)量等級(jí)約占總面積的90%左右。較高生境質(zhì)量和高生境質(zhì)量20a間變化比例不大,分別增加了0.82%和1.24%。一般生境質(zhì)量和較低生境質(zhì)量分別減少了2.72%和4.34%。低生境質(zhì)量變化比例最大,增加了5.01%。

山西省從2000年開(kāi)始退耕還林試點(diǎn),20a間從林地面積的增加可反映出太原市的退耕還林工程取得了一定進(jìn)展。但建設(shè)用地持續(xù)擴(kuò)張大大影響了生物多樣性。從生境質(zhì)量來(lái)看,主城區(qū)的生境質(zhì)量退化程度明顯,應(yīng)合理規(guī)劃城市格局。黨的十八大以來(lái),太原市不斷加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù),從東山、西山進(jìn)行生態(tài)治理和修復(fù),到汾河流域的生態(tài)修復(fù)。但在未來(lái)的規(guī)劃和治理中,應(yīng)更加注意保護(hù)草地和水域,對(duì)建設(shè)用地和耕地的擴(kuò)張實(shí)施更加合理的控制措施,優(yōu)化景觀格局,更加努力平衡生態(tài)環(huán)境建設(shè)和城市發(fā)展,在注重經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)更加注重生態(tài)效益。