基于InVEST 模型的武夷山市生境質(zhì)量時空分析

劉藍(lán)月，張 鵬，吳文濤，王鏡植*

（1. 延邊大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，吉林 琿春 133300；2. 武夷山市自然資源局，福建 武夷山 354300）

0 引言

生境質(zhì)量（Habitat Quality）是一種重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，指生態(tài)系統(tǒng)能夠為生物生存、繁衍等生命活動提供資源和載體等支持的能力，常被看作是生物多樣性狀況的指示，即生境質(zhì)量高的區(qū)域生物多樣性相對更豐富[1-2]。它能從整體上反映地區(qū)生產(chǎn)空間、生活空間和生態(tài)空間的適宜程度，并在保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮重要作用。

利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評估模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs,InVEST）進(jìn)行區(qū)域生境質(zhì)量評價方法[1]有實地調(diào)查法[3]、指標(biāo)評價法[4-5]、模型評價法[6]。生境質(zhì)量評價模塊InVEST 模型發(fā)展相對成熟，具有空間分析表達(dá)能力更強(qiáng)、評估精度更高、應(yīng)用成本更低等優(yōu)勢[7]。運用該模型對自然區(qū)、城市群、流域等特定區(qū)域的生境質(zhì)量的評價研究及其時空格局的分析[8]已經(jīng)見諸報道。但存在模型評估精度不高的問題，尹楠等[9]嘗試建立符合區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能特征的數(shù)據(jù)庫，獲取實證數(shù)據(jù)用于各模塊相應(yīng)參數(shù)的校驗，使得模型參數(shù)具有適宜性和正確性，同時模型算法簡化并減少應(yīng)用的局限性，從而提高評估結(jié)果的精度和減少不確定性。

純粹能動與社群行為傾向問卷是Wojciszke和Szlendak(2010)基于Helgeson(1994，2003)的理論編制，測量純粹能動和純粹社群行為傾向兩個因子，各包含11個項目，從“特別不符合”到“特別符合”計1～7分。該工具原版具有滿意的信效度。

武夷山作為國家公園和國家重點生態(tài)功能區(qū)之一，在生態(tài)保護(hù)戰(zhàn)略中有著重要地位。本研究以武夷山市為研究區(qū)域，基于InVSET 模型生境質(zhì)量模塊，運用2010-2020 年土地利用數(shù)據(jù)，評估武夷山市10 年內(nèi)生境質(zhì)量的時空變化，為完善武夷山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能特征數(shù)據(jù)庫和模型參數(shù)適宜性提供研究數(shù)據(jù)，并對該地區(qū)在權(quán)衡發(fā)展和保護(hù)之間尋求自然資源管理和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式提供理論決策依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

武夷山市位于福建省北部，地處閩、贛兩省交界處，全境東西寬70 km，南北長72.5 km。位于117°37′22″～118°19′44″E、27°27′31″～28°04′49″N處，面積2 730 km2（圖1）。武夷山境內(nèi)擁有豐富的動植物資源，幾乎涵蓋了國內(nèi)中亞熱帶所有的植被類型，也是珍稀、特有野生動物的基因庫（武夷山市城市總體規(guī)劃2017-2035 基礎(chǔ)資料匯編，2018 年編）。生境質(zhì)量與生物多樣性有密切聯(lián)系[10]，武夷山生境質(zhì)量直接關(guān)系到這些動植物生存和繁衍等生命活動的支持能力。

圖1 研究區(qū)示意圖

式中，Qxj代表土地利用與土地覆蓋j中柵格單元x的生境質(zhì)量指數(shù)；Dxj代表土地利用與土地覆蓋或生境類型j中的柵格x的生境脅迫水平；Hj代表為土地利用與土地覆蓋j的生境適宜性；半飽和常數(shù)k值為15；歸一化常數(shù)z值為2.5；其中Dxj值由公式（2）計算可得：

式中，dxy代表柵格x到柵格y之間的直線距離；drmax代表威脅因子r的最大影響距離（單位距離為km）。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

由于長江來水夾江、河口回流影響以及引河河口下游凸嘴促淤作用而造成的嚴(yán)重淤積，引進(jìn)江水中的夾江沿內(nèi)河河道逐漸沉淤，河床受水流的沖刷等，都對水流有影響。因此，要定期測流校驗流量公式，確保引流量的準(zhǔn)確無誤。閘門開高頻繁調(diào)節(jié)易造成啟閉機(jī)剎車加速磨損，運值人員應(yīng)加強(qiáng)巡查，確保啟閉機(jī)安全運行。水位計能否準(zhǔn)確測量水位關(guān)系自動控制系統(tǒng)能否安全可靠的運用，應(yīng)定期檢校水位計工作情況、數(shù)據(jù)傳輸情況，保證測量準(zhǔn)確、傳輸可靠。

2.2 研究方法

使用InVEST 3.8.5 版本的“生境質(zhì)量”模塊[11-12]。主要使用的生物多樣性指標(biāo)來估計特定區(qū)域中棲息地和植被類型的范圍及其退化狀態(tài)[13-14]。使用不同的土地利用類型的威脅因子敏感度和外界威脅強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行結(jié)合分析，從而建立對生境質(zhì)量和其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的模型。具體的生境指數(shù)計算方法如式（1）[15]：

本研究中2010-2020 年土地利用數(shù)據(jù)，來源于30 m 全球地表覆蓋數(shù)據(jù)、分類系統(tǒng)GlobeLand 30。選用2010、2015、2020 年三期的土地利用柵格數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m×30 m。

武夷山市是世界自然與文化雙重遺產(chǎn)之地。武夷山國家公園是2021 年10 月中國第一批五個國家公園之一，國家公園涵蓋了武夷山市域三分之一的面積。同時武夷山市是國家重點生態(tài)功能區(qū)，承擔(dān)水源涵養(yǎng)、水土保持和生物多樣性維護(hù)等重要生態(tài)功能，域內(nèi)生境質(zhì)量關(guān)系到閩江流域的生態(tài)安全。

武夷山森林面積緩慢上升，耕地、草地、水體總體都在變小，并且草地的分布位置也產(chǎn)生了較大改變，由城市周邊為主變成森林內(nèi)夾雜為主，人造地表主要以城鎮(zhèn)為中心逐步擴(kuò)展。武夷山生境質(zhì)量空間差異性不是非常明顯，全域范圍內(nèi)均以森林為主，其次是耕地與草地。森林生態(tài)系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而具有較強(qiáng)的抗干擾性和穩(wěn)定性，對人類的干擾活動具有較強(qiáng)的自我修復(fù)能力[17]。區(qū)域內(nèi)森林面積10 年內(nèi)增加了3.80%，為保持較為穩(wěn)定的高級生境質(zhì)量提供了保障。但耕地與草地的穩(wěn)定性就比較弱，隨著需求的改變（如毀林種茶）以及政策的限制（強(qiáng)制退耕還林等），耕地和草地的面積都在下降。人造地表的擴(kuò)張中心以城鎮(zhèn)為主，這是生境質(zhì)量呈現(xiàn)低級和較低級的主要區(qū)域，而中等質(zhì)量區(qū)域呈現(xiàn)方式也是以這些地區(qū)為中心逐漸擴(kuò)散的。

其中irxy的值由公式（3）和公式（4）計算可得：

后現(xiàn)代主義教學(xué)觀認(rèn)為，教學(xué)即生命的形成。教學(xué)過程是富有生命意義的，它是生命的發(fā)生、創(chuàng)造、凝聚、發(fā)展的過程。教師在課堂要體現(xiàn)人文關(guān)懷，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)有助其生命成長的環(huán)境，使學(xué)習(xí)過程成為學(xué)生享受生命情感、完成生命發(fā)展的過程。

結(jié)合武夷山降水量大、洪澇災(zāi)害多發(fā)、生境相對脆弱的實際情況和相關(guān)文獻(xiàn)[16]，以及InVEST 模型使用手冊，確定威脅因子為耕地、人造地表和水體。相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1。同時設(shè)置生境威脅因子敏感度，取值范圍為0～1，對威脅因子的敏感度越高取值也越高。

從足球來看，它是當(dāng)時在中國發(fā)展得最好的西方近代體育項目。最能說明問題的如1923年澳洲橄欖球總會代表亨利·美勒，已“發(fā)現(xiàn)華人的足球程度可以與澳大利亞人抗衡，遂改變計劃，決定邀請中國的足球隊訪問澳大利亞?！盵12]又如1923年“被稱為世界海禁最嚴(yán)的澳洲，凡是外國人入境均需要護(hù)照。”但是澳洲足球總會早在中國足球隊到達(dá)之前就已溝通好，準(zhǔn)免查驗[13]。所以，以李惠堂為代表的樂華足球隊，成了1928年中國出訪東南亞的首選。

表1 威脅因子的最大影響距離及其權(quán)重

根據(jù)武夷山實際情況和GlobeLand 30 的地表分類系統(tǒng)，設(shè)置威脅因子敏感度如表2。

表2 威脅因子敏感度

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化

2010-2020 年以林地為主要用地類型的武夷山土地利用結(jié)構(gòu)總體穩(wěn)定，局部略有變化。林地面積呈上升趨勢，同時耕地、草地和水體的面積有下降趨勢，而人造地表面積快速上升（表3、圖2、圖3）。研究區(qū)中林區(qū)面積占比高達(dá)80%以上，為景觀基質(zhì)，并有上升趨勢。水體面積減少30%，部分轉(zhuǎn)換為森林與草地，同時也有部分流經(jīng)市區(qū)的水體周邊進(jìn)行了公園綠化改造。

表3 研究區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣（hm2）

圖2 武夷山市土地利用分布變化圖

圖3 2010-2020 年武夷山市土地利用變化圖

耕地面積變化較大，占比由13.4%下降到9.7%，下降了10 190 hm2，其中耕地大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樯?。武夷山有三分之一的人口從事與茶有關(guān)的行業(yè)。茶產(chǎn)業(yè)不斷壯大，2008 年以前茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成毀林種茶現(xiàn)象頻發(fā)，2008 年后違法違規(guī)開墾的茶山被整治，種上闊葉樹，恢復(fù)植被。耕地面積近10 年之中2015 年左右最低，到了2020 年有所恢復(fù)，與《武夷山市2016 年農(nóng)業(yè)支持保護(hù)補貼實施方案》有較大關(guān)系。

近10 年研究區(qū)草地面積變化較大，2010 年草地主要集中在武夷山市市區(qū)附近，之后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗w和人造地表。2015 年后境內(nèi)西北部一些森林內(nèi)部出現(xiàn)草地，基本是由耕地演變過來的，這與茶山整治不夠徹底有直接關(guān)系，即茶山退耕還林的過程中，部分茶山鏟除后沒有及時種植闊葉樹，而是荒蕪變成草地。

人造地表面積大幅度增加，面積從2 521 hm2增加到4 452 hm2，以武夷山市市區(qū)為中心，增長77%，其中耕地、森林和草地轉(zhuǎn)換為人造地表的面積最多。武夷山市人口增長、城市化進(jìn)度加快導(dǎo)致城鎮(zhèn)建設(shè)加快，武夷山市常住人口25.9 萬人（第七次人口普查數(shù)據(jù)），10 年內(nèi)增加了2.6 萬余人，增加了10%的人口是導(dǎo)致人造地表的面積增加的主要原因。此外武夷山南部興田鎮(zhèn)作為比鄰建陽區(qū)協(xié)同快速發(fā)展的外延區(qū)域，人造地表面積近10 年內(nèi)處于持續(xù)快速擴(kuò)張狀態(tài)。

3.2.2 生境質(zhì)量空間演變

3.2 生境質(zhì)量的時空變化特征

3.2.1 生境質(zhì)量時間演變

武夷山近10 年來生境質(zhì)量整體處于高級狀態(tài)，但生境質(zhì)量總體有弱下降的趨勢。運用ArcGIS 軟件中的自然斷點法（Natural Breaks）將生境分為5 個等級。將生境質(zhì)量劃分為0～1，每0.2 為一個度量，0～0.2 區(qū)間的生境質(zhì)量設(shè)置為低級，0.2～0.4 為較低級，0.4～0.6 為中等，0.6～0.8 為較高級，0.8～1 為高級，結(jié)果如圖4 所示。對研究區(qū)生境質(zhì)量占比及其面積進(jìn)行統(tǒng)計，2010年，生境質(zhì)量為高級的地區(qū)占總面積的95.43%，2015年則為91.56%，2020 年，武夷山市境內(nèi)生境質(zhì)量為高級的面積則占總面積的88.92%。同時，中等生境質(zhì)量所占的面積在不斷擴(kuò)大，而且中等生境質(zhì)量面積擴(kuò)張的速度最快。中等生境質(zhì)量所占的面積在2010、2015、2020 年分別為3.67%、7.89%、9.54%。低級生境質(zhì)量所占面積在2010、2015 和2020 年分別為0.91%、0.55%和1.54%，呈現(xiàn)先下降后較快上升的形式。由此區(qū)域內(nèi)中等質(zhì)量生境的生態(tài)退化是導(dǎo)致整體生境質(zhì)量下降的主要體現(xiàn)。

圖4 武夷山市生境質(zhì)量指數(shù)評估等級

我宛如掉進(jìn)冰窟窿一樣，灰心喪氣，渾身冷得發(fā)抖。突然，門開了，白麗筠走了進(jìn)來，高跟鞋篤篤篤地敲擊地面。我熱情地向她表示歡迎，不料從白麗筠的身后閃出一個戴黑面罩的男子，露出兩只恐怖的眼睛，一下子閃到我的身后。他的胳膊與我的胳膊扭絞在一起，我動彈不得，他卻騰出雙手搬著我的腦袋，猛地一擰，我的頭顱就掉了下來，好像瓜蒂熟透的西瓜那樣……

式中，r代表威脅因子；y代表威脅因子r柵格圖上的一組柵格單元；Yr表示威脅因子r柵格圖上的柵格單元總數(shù)；R代表威脅因子的類型總和；ωr表示威脅因子r的權(quán)重，其取值范圍為0～1；ry表示每y柵格單元上威脅因子值，其取值范圍為0～1；irxy表示柵格單元y中的威脅因子r對生境柵格單元x的脅迫水平；βr表示合法可達(dá)性，在本研究中不考慮受法律保護(hù)程度因子；Sjr表示土地利用與土地覆蓋或生境類型j對r敏感程度，其取值范圍為0～1。

3.2.3 生境質(zhì)量退化評估

武夷山的生境質(zhì)量退化較小，退化范圍總體以城鎮(zhèn)為中心，向外生境退化逐漸減弱。生境退化指數(shù)平均分為五個等級，使用自然斷點法進(jìn)行分類，將結(jié)果由低到高分別設(shè)置為弱退化、較弱退化、中等、較強(qiáng)退化、強(qiáng)退化，如圖5 所示。從2010-2015 年，武夷山市全境生境質(zhì)量總體較好，退化區(qū)域較為集中，主要分布在武夷山市區(qū)武夷街道、崇安街道所屬地區(qū)的一條帶狀線上，這是武夷山人口主要分布區(qū)域。2015-2020 年期間，武夷山市生境質(zhì)量退化區(qū)域除上個5 年段的中心帶狀區(qū)域外，增加了多個退化中心，主要以武夷山的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為中心向四周擴(kuò)散，如五夫鎮(zhèn)、興田鎮(zhèn)、星村鎮(zhèn)和嵐谷鄉(xiāng)、吳屯鄉(xiāng)及周邊地區(qū)，最南面興田鎮(zhèn)的中等退化尤其明顯。土地利用變化可直接影響生境質(zhì)量變化[18]，人口增長和城市化進(jìn)程導(dǎo)致城鎮(zhèn)擴(kuò)張建設(shè)是造成生境質(zhì)量下降的必然趨勢，人造地表面積增加77%是生境質(zhì)量弱退化的主要原因。

圖5 武夷山市生境退化評估等級

由表4 數(shù)據(jù)可得，強(qiáng)退化范圍明顯變小，生境強(qiáng)退化的速度明顯減弱。其中強(qiáng)退化在2010 年較為嚴(yán)重，在地區(qū)分布上可以發(fā)現(xiàn)，2010 年生境退化最嚴(yán)重的區(qū)域在吳屯鄉(xiāng)附近，呈強(qiáng)退化形式。武夷山西部的山體多由堅硬的凝灰熔巖和流紋巖等構(gòu)成，受洪災(zāi)影響較小，而東部山體由浸水后易發(fā)生軟化和膨脹、抗滑穩(wěn)定性極差紅色砂頁巖構(gòu)成，受雨水浸泡、洪災(zāi)等影響較為明顯，容易造成山體滑坡等災(zāi)害現(xiàn)象。武夷山在六月期間經(jīng)常出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣，山體滑坡現(xiàn)象頻發(fā)，2010 年6 月連降二十余天大雨[16]，位于東北部的吳屯鄉(xiāng)以紅色砂頁巖為主的山體多處滑坡，呈現(xiàn)強(qiáng)退化現(xiàn)象。

表4 退化區(qū)域隨時間變化所占面積比

2020 年強(qiáng)退化區(qū)域減少至0.02%，武夷山裸露、沙化等面積快速減少。較強(qiáng)退化所占面積比在2010-2015年由0.11%增長到0.66%，之后則呈下降趨勢，在2020年下降到0.29%。中等退化則所占面積比持續(xù)增長。較弱退化原本所占面積比較大，增長的速度也更快。武夷山市2010-2020 年的生境退化總體規(guī)律是退化區(qū)域面積增大，退化強(qiáng)度有所減弱，退化區(qū)域由原來的集中分布模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘀行牡妮^為分散的模式。退化區(qū)域總體集中在城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)以及周邊，及人造地表集中的區(qū)域。

Comprehensive judgment of economic growth stage in Huaihai Economic Zone

沙盤實訓(xùn)課程雖然類似于競爭性游戲，但經(jīng)營規(guī)則比較復(fù)雜，知識性較強(qiáng)。以企業(yè)經(jīng)營管理沙盤為例，各經(jīng)營團(tuán)隊需要規(guī)劃好企業(yè)的廣告方案、生產(chǎn)計劃、原材料采購計劃，需要控制好企業(yè)的現(xiàn)金流，掌握企業(yè)財務(wù)報表的填制并核算企業(yè)利潤等。各團(tuán)隊要經(jīng)營好模擬企業(yè)，既需要有理論知識的積累，也需要根據(jù)經(jīng)營規(guī)則制定合理的經(jīng)營策略，并具備根據(jù)市場競爭環(huán)境進(jìn)行靈活調(diào)整策略的能力。做好這些，既需要團(tuán)隊成員加強(qiáng)相關(guān)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，也需要花費大量時間、精力去探索經(jīng)營思路與競爭對策。因此，對于同學(xué)們勇于克服困難、保持持續(xù)學(xué)習(xí)的動力需要進(jìn)行激勵。

InVEST 模型引入國內(nèi)后，在多個領(lǐng)域取得了不錯的效果，但模型本身仍有不準(zhǔn)確的地方。特別是土地利用類型、脅迫因子及脅迫強(qiáng)度對于脅迫因子的敏感性等參數(shù)設(shè)定沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，主觀誤差不可避免存在[10]。模型在應(yīng)用過程中依靠實際調(diào)研和野外驗證，加強(qiáng)參數(shù)修正與本地化應(yīng)用。生境質(zhì)量好的區(qū)域其生物多樣性也高[19]，如果將土地類型分類成天然生境和人工生境[20]，武夷山廣泛分布的森林天然生境整體穩(wěn)定性是武夷山物種多樣化的保障，因而生境質(zhì)量水平整體較高，而人工生境面積的擴(kuò)張則起到相反作用，在人類活動頻繁的地區(qū)，生境質(zhì)量普遍較低。

4 結(jié)論

基于InVEST 模型的生境質(zhì)量模塊，使用不同土地利用類型的威脅因子敏感度和外界威脅強(qiáng)度數(shù)據(jù)，分析了武夷山市土地利用變化情況以及生境質(zhì)量，并結(jié)合了武夷山發(fā)展現(xiàn)狀。2010-2020 年生境質(zhì)量為高級的地區(qū)由95.43%下降到88.92%，中等生境質(zhì)量所占的面積由3.67%升到9.54%，低級生境質(zhì)量所占面積由0.91%先下降到0.55%，后又升到1.54%。生境質(zhì)量基本穩(wěn)定，略帶下降，這主要與武夷山地區(qū)全域范圍內(nèi)均以森林為主、森林保護(hù)狀況良好有直接關(guān)系。同時體現(xiàn)了研究區(qū)內(nèi)近年來生態(tài)保護(hù)措施成效顯著。區(qū)域內(nèi)中等質(zhì)量生境的生態(tài)退化是導(dǎo)致整體生境質(zhì)量下降的主要體現(xiàn)。這與武夷山人口快速增長、城鎮(zhèn)高度擴(kuò)建有關(guān)。以國家公園、國家重點生態(tài)區(qū)、世界自然與文化雙重遺產(chǎn)為背景的城市如何均衡環(huán)境保護(hù)和城市發(fā)展需要計算人口臨界值以及提高臨界值的環(huán)境保護(hù)措施，利用生境質(zhì)量優(yōu)良臨界值估算人口臨界值是本研究繼續(xù)深入的方向。