基于InVEST模型的四川省2000—2020年生境質(zhì)量時(shí)空動(dòng)態(tài)變化研究

陳 琳

（長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710000）

0 引言

生境質(zhì)量指生態(tài)系統(tǒng)為生物提供良好的生存環(huán)境，以及保持可持續(xù)發(fā)展的能力。生境質(zhì)量對區(qū)域內(nèi)生物多樣性起到表征作用，能夠反映人類生存環(huán)境的優(yōu)劣程度，是區(qū)域生態(tài)安全保障的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1-2］。近年來，由于社會(huì)的快速發(fā)展和人口增長的壓力，導(dǎo)致土地資源的大量占用和過度開發(fā)。主要表現(xiàn)在土地利用方式和轉(zhuǎn)變強(qiáng)度的改變，進(jìn)而引發(fā)一系列的環(huán)境問題，因此對區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評估與分析十分必要，可為資源可持續(xù)發(fā)展、制定區(qū)域生態(tài)保護(hù)策略提供基礎(chǔ)理論依據(jù)［3］。

在該研究領(lǐng)域中，目前大致分為兩類研究方法：第一類是以景觀格局為基準(zhǔn)建立評價(jià)指標(biāo)體系；第二類是基于3S技術(shù)等數(shù)理模型，進(jìn)行生態(tài)評估的定量研究，常見的評價(jià)模型有SoLVES模型、HIS模型、InVEST模型等［3-5］。InVEST模型中的生境質(zhì)量模塊的主要功能是評估區(qū)域內(nèi)生境質(zhì)量等級(jí)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以迅速檢驗(yàn)區(qū)域內(nèi)生境質(zhì)量和數(shù)量的時(shí)空變化。選擇土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行In-VEST模型分析，生境質(zhì)量的退化可以看做是附近的土地利用強(qiáng)度增加的結(jié)果［6］，進(jìn)行該模型的研究可為深入研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值服務(wù)功能提供新的可能。

目前，國內(nèi)外的學(xué)者利用該模型對相關(guān)流域［3-5］、自然保護(hù)區(qū)［7］、城市［8］等具有重要生態(tài)價(jià)值和需求的區(qū)域進(jìn)行生境質(zhì)量的研究。如趙慶建等［3］以岷江流域的土地利用變化為研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對其生境質(zhì)量進(jìn)行研究，提出適合流域發(fā)展的環(huán)保措施；謝余初等［9］把甘肅白龍江流域作為研究對象，將生境質(zhì)量值、植物生產(chǎn)力、景觀狀態(tài)指數(shù)作為環(huán)境可持續(xù)能力的評價(jià)指標(biāo)，借助GIS和InVEST模型，在柵格像元尺度上對流域的生物多樣性進(jìn)行時(shí)空變化的分析。景曉瑋等［10］通過In-VEST模型，分析貴州省2000—2017年的土地利用變化，研究生境質(zhì)量時(shí)空轉(zhuǎn)變與土地利用類型轉(zhuǎn)變之間的關(guān)系。

四川省作為西部地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)中心，區(qū)域內(nèi)土地利用類型豐富，林地、草地所占比重較大，生態(tài)環(huán)境和生物資源豐富。近年來，四川省的城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程不斷加速，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的土地利用類型之間不斷發(fā)生轉(zhuǎn)換。不同地類的面積變化和相互轉(zhuǎn)移，區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況也會(huì)發(fā)生明顯的變化。因此，借助ArcGIS和InVEST模型軟件對四川省進(jìn)行生境質(zhì)量的定量分析是必要的，本研究基于InVEST生境質(zhì)量模型的優(yōu)點(diǎn)，通過分析四川省2000—2020年的土地利用變化，對四川省該時(shí)段生境質(zhì)量時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，為四川省生態(tài)保護(hù)和生態(tài)示范區(qū)建設(shè)提供有力的理論支撐。

1 區(qū)域概況

四 川 ?。?7°21＇E～108°33＇E，26°03＇N～34°19＇N）地處中國西南，面積約49萬km2，被稱為“天府之國”。四川省地貌類型東西差異大，主要區(qū)域分為：四川盆地、川西北山地地區(qū)、川西高山高原區(qū)、川西南山地丘陵區(qū)。山地、丘陵是區(qū)域內(nèi)主要的兩種地貌類型，分別約占全省總面積的74.2%和10.3%。四季分明的季風(fēng)氣候，夏季多暴雨，易引發(fā)泥石流、洪災(zāi)等自然災(zāi)害。西部與青藏高原相連，區(qū)域內(nèi)自然條件相對惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱；東部地處平原、丘陵，城市聚集，人口分布密度大，人地矛盾突出。

2 研究數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要包括四川省土地利用數(shù)據(jù)（2000、2010、2020年）和四川省行政邊界數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)源自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（https://www.resdc.cn）的土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)集中，分辨率為1 km×1 km。

2.2 土地利用類型變化

本研究選擇土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的方法對不同地類的面積增減以及相互之間的轉(zhuǎn)移進(jìn)行表征，將上述土地利用數(shù)據(jù)，在ArcGIS中，利用Combine工具計(jì)算土地覆被面積，再利用軟件中的融合工具和疊加分析工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

2.3 InVEST模型生境質(zhì)量評估

運(yùn)行生境質(zhì)量模型，需要輸入以下5個(gè)數(shù)據(jù)，即當(dāng)前的土地覆被數(shù)據(jù)、威脅因子要素表、威脅源柵格圖層數(shù)據(jù)集、威脅源敏感性表、半飽和K常數(shù)數(shù)值。

生境質(zhì)量是區(qū)域生物適應(yīng)性指標(biāo)之一［11］。其價(jià)值的大小反映了區(qū)域的生境質(zhì)量。價(jià)值越高，生境質(zhì)量越高，生物多樣性水平越高。其計(jì)算公式為式（1）。

式中：Qx j表示生境質(zhì)量指數(shù)；Hj表示不同地類的生境適宜度；Dxj為柵格x生境退化度；z為模型中的默認(rèn)參數(shù)；K為半飽和常數(shù)，系統(tǒng)默認(rèn)值為0.5［12］。

式（1）中的生境退化度，是模型中的另外一個(gè)指示參數(shù)，對威脅因子反應(yīng)越敏感的生境類型，代表其受到威脅因子的作用越強(qiáng)烈，表現(xiàn)出的生境退化程度越高。計(jì)算公式為式（2）和式（3）。

式中：r表示威脅因子；R為威脅源總量；Yr表示威脅源的柵格數(shù)；wr為威脅因子權(quán)重，取0~1；ry代表一個(gè)柵格單元上威脅因子的數(shù)量；irxy為威脅因子的影響區(qū)域范圍；βx表示法律準(zhǔn)入水平，取值βx=1；S jr為土地利用類型j對威脅因子r的敏感度，該值越接近1越敏感；dx y表示柵格x到柵格y之間的直線距離；drmax為r的最大威脅距離［12］。

模型中參數(shù)的選擇根據(jù)四川省的實(shí)際情況，參考模型使用手冊和相關(guān)實(shí)例及參考文獻(xiàn)［13-15］對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行賦值（見表1，表2）。

表1 四川省威脅因子權(quán)重

表2 各威脅源的敏感性及生境適宜度

2.4 空間分析

基于縣域提取生境質(zhì)量進(jìn)行空間分析，選擇冷熱點(diǎn)分析方法。生境質(zhì)量冷熱點(diǎn)分析指區(qū)域聚類分布特征，密度高的生境質(zhì)量值為熱點(diǎn)，密度低的生境質(zhì)量值為冷點(diǎn)［15］。利用Getis-Ord G*指數(shù)對要素進(jìn)行冷熱點(diǎn)分析，主要原理：計(jì)算某一個(gè)柵格及其附近柵格的生境質(zhì)量值的總和，用該總和值與所有柵格的生境質(zhì)量值總和進(jìn)行比較，得出該區(qū)域生境質(zhì)量的聚集特點(diǎn)。G*表現(xiàn)為正時(shí)，說明生境質(zhì)量值的密度高，稱為熱點(diǎn)區(qū)域；反之則為冷點(diǎn)區(qū)域。計(jì)算公式為式（4）。

式中：G*i統(tǒng)計(jì)的是z得分；x j是要素j的屬性值；ωi,j是要素i和j的空間權(quán)重；n為要素總數(shù)；

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用變化特征

從四川省2000—2020年土地利用類型的分布中可以看出：耕地、林地和草地是主要的地類，共占總面積的90%以上。構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣是為了可以更加直觀和深入分析近20年土地利用的變化情況（見表3）。四川省土地利用類型轉(zhuǎn)移主要體現(xiàn)在建設(shè)用地、農(nóng)田、草地、林地之間。其間，建設(shè)用地面積從2 914 km2增長到6 227 km2，其次，耕地是幾種土地利用類型中面積變化最多且轉(zhuǎn)移頻率最高的，減少了3 280 km2。耕地、草地等轉(zhuǎn)為建設(shè)用地的現(xiàn)象主要發(fā)生在東部地區(qū)，尤其以成都周邊最為顯著。2000—2020年四川省的各類地類均發(fā)生了變化，主要表現(xiàn)為耕地、建設(shè)用地、林地、草地四個(gè)大類之間的相互轉(zhuǎn)移。

表3 2000—2020年四川省土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 單位：km2

3.2 生境退化度

生境退化度的高低表明土地利用類型受威脅因子脅迫的程度，其分值越高說明土地利用類型受脅迫的程度越高，易發(fā)生生境退化的現(xiàn)象。四川省的生境退化度從2000—2020年變化程度較小，易發(fā)生生境退化的地區(qū)集中在中部，從中心往四周輻射（見圖1）。大部分地區(qū)退化度分值低，其區(qū)域內(nèi)主要分布的是敏感度較低的草地。林地由于受威脅因子脅迫的敏感度高，所以生境退化值較高。由圖1可知，生境退化度得分區(qū)間在空間上分布無明顯變化。從整體看來，大部分區(qū)域生境沒有發(fā)生明顯退化，變化主要出現(xiàn)在中東部。中東部由于城鎮(zhèn)建設(shè)導(dǎo)致土地利用類型轉(zhuǎn)變，進(jìn)而影響到生境敏感性的轉(zhuǎn)變，造成已經(jīng)發(fā)生過生境退化的區(qū)域再次發(fā)生顯著的變化。

圖1 2000—2020年四川省生境退化度

3.3 生境質(zhì)量時(shí)空演變過程

生境質(zhì)量指數(shù)可以量化區(qū)域生態(tài)環(huán)境的好壞，該指數(shù)值越大（取值為0~1）表示生境質(zhì)量越好。結(jié)合四川省生境質(zhì)量整體情況，對生境質(zhì)量進(jìn)行等級(jí)劃分，劃分為優(yōu)（0.9~1）、良好（0.7~0.9）、一般（0.5~0.7）、較差（0.2~0.5）、差（0~0.2）5個(gè)等級(jí)，并統(tǒng)計(jì)各個(gè)等級(jí)的面積和變化比例。

從表4中的面積變化情況來看，近20年生境質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)的區(qū)域面積增長比例最大，面積增加14 196 km2，占比上升2.9%。生境質(zhì)量差、較差、一般的區(qū)域面積均呈現(xiàn)減少的發(fā)展趨勢，占比分別下降0.7%、0.3%、1.3%。生境質(zhì)量等級(jí)良好的區(qū)域面積變化不大，但是在2010—2020年，其面積呈現(xiàn)減少的發(fā)展軌跡，占比下降0.8%。四川省生境質(zhì)量整體表現(xiàn)為一個(gè)較高水平且有一定程度的提升。

表4 2000—2020年四川省生境質(zhì)量等級(jí)面積及變化

從空間分布的角度來看，四川省大部分區(qū)域生境質(zhì)量表現(xiàn)不錯(cuò)，生境質(zhì)量表現(xiàn)好的區(qū)域主要集中在盆地以西、川西高原等地區(qū)，東北部和東南部的丘陵、山地分布很少的一部分，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋率高，自然生態(tài)環(huán)境良好且穩(wěn)定，其次相對于海拔低、平坦的地區(qū)，高原環(huán)境中受到的人類活動(dòng)干擾小。生境質(zhì)量表現(xiàn)為一般的區(qū)域主要分布在四川省東部地區(qū)，主要為耕地、少量建設(shè)用地。生境質(zhì)量較差和差的區(qū)域都集中分布在人類活動(dòng)頻繁的城鎮(zhèn)及其周圍，其中以成都為核心向外輻射，呈現(xiàn)生境質(zhì)量由差向一般和良好變化的趨勢。綜上，四川省生境質(zhì)量呈現(xiàn)東西嚴(yán)重分化的局面。

3.4 生境質(zhì)量的冷熱點(diǎn)分析

四川省生境質(zhì)量的冷熱點(diǎn)分布表現(xiàn)為“東冷西熱”（見圖2）。熱點(diǎn)區(qū)域的面積占比大，分布廣，主要是城鎮(zhèn)發(fā)展速度較為緩慢的地區(qū)，川西及川南植被覆蓋率高的區(qū)域，其主要地類為草地、林地為主。冷點(diǎn)區(qū)域占比面積相對較小，主要分布在東部，以及西北部個(gè)別縣區(qū)，這些區(qū)域主要以成都為中心擴(kuò)散的城市群，主要的土地利用類型為耕地、建設(shè)用地，表現(xiàn)出的生境質(zhì)量往往較差。從時(shí)間的角度來分析，2000—2020年，西北部的冷點(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)闊狳c(diǎn)區(qū)域，東部的冷點(diǎn)區(qū)域隨著時(shí)間變化，一部分區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇卫潼c(diǎn)、次熱點(diǎn)區(qū)，冷點(diǎn)區(qū)面積大尺度縮小。

圖2 2000—2020年四川省生境質(zhì)量冷熱點(diǎn)分布

4 討論

綜上所述，四川省的生境質(zhì)量變化特征具有逐漸變好的總趨勢，以2010年為節(jié)點(diǎn)，前后兩段時(shí)間的生境質(zhì)量值表現(xiàn)呈相反特征。這些變化特征的原因與土地利用類型的格局分布密切相關(guān)。前人研究表明土地利用方式的轉(zhuǎn)變將會(huì)是影響環(huán)境的最大因素之一，同時(shí)也將成為生境質(zhì)量降低、生物多樣性減少的主要原因［3］。研究發(fā)現(xiàn)，2000—2020年四川省各土地利用變化幅度均低于10%，研究區(qū)的平均生境質(zhì)量基本上沒有明顯的降低，低等級(jí)的生境質(zhì)量面積占比在減少，高等級(jí)的生境質(zhì)量面積占比在提高。從數(shù)據(jù)上顯示，以2010年為節(jié)點(diǎn)，生境質(zhì)量在整個(gè)過程中低等級(jí)的呈現(xiàn)提高又降低的趨勢。其主要原因與四川省近20年來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)。將人口密度、城鎮(zhèn)化率這些影響環(huán)境的主要驅(qū)動(dòng)力與之聯(lián)系起來，便能很好的得出生境質(zhì)量如此變化的原因。從2000—2010年，成都市主要的幾個(gè)經(jīng)濟(jì)大區(qū)城鎮(zhèn)化率就已經(jīng)達(dá)到100%，其他臨近的城市城鎮(zhèn)化率也是突飛猛進(jìn)的增長，綿陽、自貢等地級(jí)市在2020年達(dá)到90%。城鎮(zhèn)的大面積擴(kuò)張，涉及的區(qū)域生態(tài)環(huán)境變差。但四川省總體表現(xiàn)為低等級(jí)的生境質(zhì)量提高，高等級(jí)的生境質(zhì)量面積也在增加，主要原因是境內(nèi)流域的生態(tài)保護(hù)，退耕還林的實(shí)施，對重點(diǎn)污染和部分合適的區(qū)域?qū)嵤┥鷳B(tài)修復(fù)、土地復(fù)墾、復(fù)種等項(xiàng)目，上述各種項(xiàng)目的有效實(shí)施對生境質(zhì)量的提高起到長期有效的保障作用。從四川省的生境質(zhì)量斑塊分布空間來說，川西地區(qū)生境質(zhì)量水平高，且保持相對穩(wěn)定，原因是經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低，其次是生態(tài)環(huán)境的重點(diǎn)保護(hù)對象，生態(tài)保護(hù)力度大。川東地區(qū)城市群集中且經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度快，城鎮(zhèn)發(fā)展和相關(guān)政策的落實(shí)，區(qū)域內(nèi)有大量人類活動(dòng)，這些是導(dǎo)致四川省生境質(zhì)量空間分布呈現(xiàn)西高東低格局的主要原因。不同的地貌類型其生境質(zhì)量呈現(xiàn)不同的變化，基于該研究區(qū)西部和東部分別是高原和盆地兩種截然不同的地貌類型，其生境質(zhì)量的變化也有一些差別。

5 結(jié)論

①2000—2020年，四川省建設(shè)用地面積在原本的基礎(chǔ)上增長了114%，耕地是減少最明顯的土地利用類型。

②從生境退化度角度分析，2000—2020年，生境質(zhì)量退化程度較小，易發(fā)生退化的區(qū)域集中分布在中部，以成都為中心。四川省生境質(zhì)量表現(xiàn)為空間上東西分化明顯，生境質(zhì)量等級(jí)之間的面積差異顯著。最直接的表現(xiàn)是生境質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)的區(qū)域面積增長最多，其他等級(jí)的變化不太明顯。

③土地利用方式的變化是四川省生境質(zhì)量變化的主要原因，其次，區(qū)域內(nèi)的不同地貌類型也對生境質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。