基于InVEST 模型的南京市溧水區(qū)生境質(zhì)量時(shí)空變化分析

季曉埡，夏 敏

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，南京 210095）

生境質(zhì)量是生態(tài)服務(wù)水平和區(qū)域生物多樣性的重要表征及反映，能夠反映人類生存環(huán)境的優(yōu)劣程度，是人類福祉提升和區(qū)域生態(tài)安全保障的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1，2］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同尺度的生境質(zhì)量進(jìn)行了研究，其中小尺度研究通過(guò)實(shí)地調(diào)查收集相關(guān)參數(shù)測(cè)算生境質(zhì)量［3］；大尺度研究則運(yùn)用遙感數(shù)據(jù)等使用模型進(jìn)行計(jì)算，常見(jiàn)的模型有InVEST 模型［4］、SOLVES 模型、MAXENT 模型等。其中，InVEST 模型采用土地利用分類圖，基于脅迫因子的空間權(quán)重及影響距離、生境適宜度指數(shù)以及對(duì)脅迫因子的敏感性對(duì)研究區(qū)的生境質(zhì)量進(jìn)行空間量化評(píng)估，具有數(shù)據(jù)需求量少、輸出量大的特點(diǎn)［5］。

本研究分析2000—2018 年南京市溧水區(qū)的土地利用變化，進(jìn)一步運(yùn)用InVEST 模型研究其生境質(zhì)量時(shí)空變化，以期為溧水區(qū)合理規(guī)劃未來(lái)發(fā)展的空間布局、解決建設(shè)中的環(huán)境問(wèn)題提供參考。

1 研究區(qū)概況

溧水區(qū)地處南京市中南部，地勢(shì)東南高、西北低，是典型的低山丘陵地區(qū)。全區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，夏季濕熱多雨，冬季寒冷干燥。截至2018 年末，溧水區(qū)下轄5 個(gè)街道、3 個(gè)鎮(zhèn)，戶籍人口44.38 萬(wàn)人，耕地面積4.27 萬(wàn)hm2，實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值789.09 億元。高速城鎮(zhèn)化的同時(shí)，溧水區(qū)生態(tài)環(huán)境也在不斷變化。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

南京市溧水區(qū)土地利用數(shù)據(jù)（2000 年、2010 年、2018 年）來(lái)源于溧水區(qū)土地利用變更調(diào)查成果，柵格大小為30 m×30 m，其中包括25 個(gè)土地利用類型，本研究以此為基礎(chǔ)計(jì)算生境質(zhì)量。為分析土地利用變化和生境質(zhì)量變化原因，依據(jù)GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》，考慮溧水區(qū)土地利用特點(diǎn)，將其重分為6 種類型（表1）。

表1 土地利用類型重分類

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化分析 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以反映特定區(qū)域特定時(shí)間各地類的面積數(shù)據(jù)、各地類初期的轉(zhuǎn)出面積以及末期轉(zhuǎn)入面積。采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣反映溧水區(qū)土地利用變化，具體數(shù)學(xué)表達(dá)形式如下。

式中，Sij表示研究時(shí)段初期i類土地到研究末期轉(zhuǎn)為j類土地的面積，n為土地利用類型［6］。

2.2.2 生境質(zhì)量分析 在InVEST 模型生境質(zhì)量模塊中，生境質(zhì)量的計(jì)算基于生境退化指數(shù)，計(jì)算式如下［7-9］。

式中，Qxj為第j種用地類型中柵格x的生境質(zhì)量指數(shù)；Hj為第j種用地類型相應(yīng)的生境適宜度指數(shù)，取值為0～1；k為半飽和參數(shù)，通常取Dxj最大值的50%［10］；Z為模型尺度常數(shù)，一般取2.5；Dxj為生境退化指數(shù)，計(jì)算式如下［7-9］。

式中，R為脅迫因子數(shù)量，本研究選取旱地、水田、工礦用地、農(nóng)村居民點(diǎn)和城鎮(zhèn)建設(shè)用地5 種人類活動(dòng)頻繁且能直接影響生境質(zhì)量的類型作為脅迫因子；ωr為脅迫因子權(quán)重，在本研究中分別為0.2、0.2、0.5、0.7、1.0；Yr為脅迫因子的柵格單元數(shù)；ry為各柵格脅迫因子相應(yīng)個(gè)數(shù)；βx為1；Sjr為j土地類型對(duì)脅迫因子的敏感度，irxy為脅迫因子的影響程度［7-9］。表2中參數(shù)參考InVEST模型手冊(cè)［7］及相關(guān)文獻(xiàn)確定［11-13］。

表2 生境適宜度指數(shù)及其對(duì)脅迫因子的敏感度

3 結(jié)果與分析

3.1 2000—2018 年南京市溧水區(qū)土地利用變化

通過(guò)ArcGIS 對(duì)不同時(shí)期南京市溧水區(qū)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行融合疊置，計(jì)算面積后導(dǎo)出屬性表，得到土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（表3）。

表3 2000—2018 年南京市溧水區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（單位：km2）

2000—2010 年，耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變是南京市溧水區(qū)最主要的土地利用變化，另有部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)樗蚣八O(shè)施用地，少量轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾推渌玫?，但只有少量其他地類轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀瑢?dǎo)致耕地整體面積減少約63.60 km2，占9.1%。林地面積稍有減少，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地及其他用地。草地基本未發(fā)生變化。水域及水利設(shè)施用地面積稍有增長(zhǎng)，且主要轉(zhuǎn)變來(lái)源于耕地。2000—2010 年只有少量建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀瑯O少量轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾退蚣八O(shè)施用地，但大量耕地及部分林地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，以致建設(shè)用地增長(zhǎng)了49.47 km2，占51.5%。部分耕地及林地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌玫?，其他用地增長(zhǎng)了3.29 km2。一方面，南京市溧水區(qū)的總?cè)丝谠鲩L(zhǎng)對(duì)住宅、工業(yè)和其他設(shè)施用地的需求越來(lái)越大，城鎮(zhèn)村范圍不斷向外擴(kuò)展；另一方面，隨著城市化的快速發(fā)展，南京市溧水區(qū)的中心城區(qū)和各縣GDP 總值增長(zhǎng)，各地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施和交通網(wǎng)絡(luò)的完善占用了大量耕地，導(dǎo)致耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變。

2010—2018 年，南京市溧水區(qū)的主要土地利用變化體現(xiàn)在耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變、林地和水域及水利設(shè)施用地向耕地的轉(zhuǎn)變。有41.38 km2的耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾退蚣八O(shè)施用地，耕地共減少26.58 km2，約占4.4%；同時(shí)，約有26.59 km2的建設(shè)用地、林地和水域及水利設(shè)施用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?。林地總面積基本未變，但存在與耕地及建設(shè)用地的相互轉(zhuǎn)變。草地面積略有增加且主要來(lái)源為耕地。水域及水利設(shè)施用地面積略有減少，主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦丶敖ㄔO(shè)用地，且有部分耕地轉(zhuǎn)變?yōu)樗蚣八O(shè)施用地。建設(shè)用地面積有所增長(zhǎng)，轉(zhuǎn)變主要來(lái)源于耕地，約占總轉(zhuǎn)變面積的91.7%，只有少部分建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?。其他用地面積略有下降，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，轉(zhuǎn)變面積約0.95 km2。相比于2000—2010 年，2010—2018 年耕地面積的減少幅度呈下降趨勢(shì)。在此期間，為了較好地貫徹耕地保護(hù)任務(wù)，南京市政府施行耕地保護(hù)補(bǔ)貼暫行辦法，建立了耕地保護(hù)長(zhǎng)效激勵(lì)機(jī)制，嚴(yán)格保護(hù)耕地，防止城鎮(zhèn)建設(shè)連綿，使耕地降幅趨緩。

表3 反映了溧水區(qū)2000—2018 年的土地利用變化，其中耕地面積減少了約89.86 km2，占13.0%。建設(shè)用地和水域及水利設(shè)施用地面積分別增加了約80.88 km2和11.36 km2，占84.4%和9.0%。草地及其他用地面積變化不大，林地面積略有下降。

3.2 2000—2018 年南京市溧水區(qū)生境質(zhì)量時(shí)空變化

3.2.1 2000—2018年生境質(zhì)量時(shí)間變化特征 從表4 可以看出2000 年，溧水區(qū)的平均生境質(zhì)量指數(shù)為0.406，其中和鳳鎮(zhèn)水域及水利設(shè)施用地面積較大且聚集，所以均值最高，為0.493，而東屏鎮(zhèn)大部分耕地靠近建設(shè)用地且基本無(wú)其他土地類型導(dǎo)致均值最低，為0.339；2010 年的平均生境質(zhì)量指數(shù)為0.396，高值區(qū)和低值區(qū)與2000 年相同；2018 年的平均生境質(zhì)量指數(shù)為0.385，其中和鳳鎮(zhèn)均值仍然最高，為0.493，由于柘塘鎮(zhèn)建設(shè)用地面積擴(kuò)增，耕地面積減少，水域及水利設(shè)施用地和林地面積較少且基本未變，而東屏鎮(zhèn)在此期間土地利用類型未發(fā)生較大變化，所以最低值轉(zhuǎn)變?yōu)殍咸伶?zhèn)，為0.251。2010 年均值比2000 年下降了2.46%，2018 年則比2010 年下降了2.78%，下降速度在不斷加快，這是因?yàn)?010—2018 年，耕地在向建設(shè)用地轉(zhuǎn)變的同時(shí)林地與水域及水利設(shè)施用地向耕地轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致高生境質(zhì)量地區(qū)快速縮小。2000—2018 年生境質(zhì)量指數(shù)呈下降趨勢(shì)，可以看出在研究時(shí)段內(nèi)隨著南京市溧水區(qū)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，生態(tài)環(huán)境發(fā)生了相應(yīng)變化。

表4 南京市溧水區(qū)各鎮(zhèn)平均生境質(zhì)量指數(shù)

3.2.2 2000—2018 年生境質(zhì)量空間分布特征 南京市溧水區(qū)2000 年、2010 年和2018 年的生境質(zhì)量空間分布情況見(jiàn)圖1，生境質(zhì)量指數(shù)范圍在0～1，該值越大表示生境質(zhì)量越好。由圖1 可以看出，2000—2018 年南京市溧水區(qū)生境質(zhì)量雖在空間上發(fā)生了一定的變化，但由于東南區(qū)域主要為林地且研究時(shí)段內(nèi)林地面積略有擴(kuò)增，而西北區(qū)域建設(shè)用地不斷擴(kuò)增，導(dǎo)致整體上呈東南高、西北低的空間格局。

圖1 2000—2018 年南京市溧水區(qū)生境質(zhì)量空間分布

2000—2010 年，生境質(zhì)量水平退化區(qū)域主要集中在東屏鎮(zhèn)、石湫鎮(zhèn)、永陽(yáng)鎮(zhèn)和白馬鎮(zhèn)，耕地向建設(shè)用地的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致建設(shè)用地增多，生境質(zhì)量下降。生境質(zhì)量水平較好或變好的區(qū)域主要集中在柘塘鎮(zhèn)、洪藍(lán)鎮(zhèn)、和鳳鎮(zhèn)和晶橋鎮(zhèn)，該區(qū)域含有大面積水域及水利設(shè)施用地和林地，且耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地情況并不明顯。分析此期間溧水區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況可知，總?cè)丝诘募彼僭鲩L(zhǎng)、基礎(chǔ)設(shè)施和交通網(wǎng)絡(luò)等的完善導(dǎo)致建設(shè)用地需求越來(lái)越大，生境質(zhì)量下降。

2010—2018 年，生境質(zhì)量水平退化區(qū)域顯著增加，包括柘塘鎮(zhèn)、石湫鎮(zhèn)、永陽(yáng)鎮(zhèn)（變化值≥0.01），主要因?yàn)榻ㄔO(shè)用地的進(jìn)一步增加，使原有的耕地、林地及草地的生態(tài)涵養(yǎng)功能下降。只有和鳳鎮(zhèn)仍然保持著較高的生境質(zhì)量水平，這是由于其水域及水利設(shè)施用地面積基本未變，加之耕地、林地未被大量開墾利用。在此期間，由于耕地保護(hù)長(zhǎng)效激勵(lì)機(jī)制的建立和人們生態(tài)保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地面積減少，但總體生境質(zhì)量狀況未發(fā)生較大改變。

綜上可見(jiàn)，2000—2018 年，隨著溧水區(qū)的高速城鎮(zhèn)化，建設(shè)用地占用大量耕地，導(dǎo)致生境質(zhì)量有所下降。南京市溧水區(qū)東南部生境質(zhì)量處于優(yōu)等狀態(tài)，其主要土地類型為水域及水利設(shè)施用地和林地，能夠?yàn)檎麄€(gè)溧水區(qū)提供涵養(yǎng)水源和凈化水質(zhì)。其他區(qū)域以耕地和建設(shè)用地為主要土地類型，人口密度大，耕作、施肥、生活污水和工業(yè)廢水對(duì)生境質(zhì)量產(chǎn)生了一定影響。

4 結(jié)論

城鎮(zhèn)化發(fā)展使基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有了較大的改善，粗放式的發(fā)展導(dǎo)致土地利用方式發(fā)生變化，進(jìn)而影響了區(qū)域生境質(zhì)量。本研究通過(guò)對(duì)南京市溧水區(qū)3個(gè)時(shí)期的土地利用類型和生境質(zhì)量變化進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

1）溧水區(qū)2000—2018 年建設(shè)用地面積不斷增加，耕地和林地面積呈下降趨勢(shì)，草地及其他用地面積變化不大，水域及水利設(shè)施用地面積略有下降。研究區(qū)內(nèi)大量耕地、林地被開墾利用。

2）從時(shí)間上來(lái)看，2000—2018 年南京市溧水區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)呈下降趨勢(shì)。從空間上來(lái)看，研究期間南京市溧水區(qū)生境質(zhì)量在空間上發(fā)生了一定的變化，但整體上空間布局基本一致，生境質(zhì)量指數(shù)主要呈東南高、西北低的空間格局。隨著溧水區(qū)的高速城鎮(zhèn)化，建設(shè)用地占用大量耕地，導(dǎo)致生境質(zhì)量有所下降。

3）為提高南京市溧水區(qū)的生境質(zhì)量，必須科學(xué)合法管理開發(fā)利用土地，加強(qiáng)對(duì)林地和耕地的保護(hù)，注重合理的土地結(jié)構(gòu)和空間配置。

本研究中，InVEST 模型的部分參數(shù)，如土地利用類型對(duì)各脅迫因子的敏感度，參照相關(guān)文獻(xiàn)以及用戶指南確定，模型中土地利用類型的所有威脅都是簡(jiǎn)單相加，未考慮其綜合影響。未來(lái)研究中如何充分結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)獲得更加精準(zhǔn)的模型參數(shù)，并綜合多種威脅的影響測(cè)算生境質(zhì)量是重點(diǎn)方向。