基于InVEST模型的咸陽市生物多樣性評價及生態(tài)廊道構建研究

趙子馨 邱 玲 高 天

（西北農林科技大學風景園林藝術學院，楊凌 712100）

在快速城鎮(zhèn)化進程以及不合理的資源利用背景下，咸陽市的生態(tài)環(huán)境受到影響。為最大限度地保護生物資源，鞏固咸陽生態(tài)安全格局，使用InVEST生境質量評估模型，結合NPP法，將咸陽市生境劃分為優(yōu)、良、中、差4個等級，從而研究土地利用變化對生境質量的影響；將咸陽市生物多樣性維護等級分為極重要、重要、一般重要三個等級，從而評價咸陽地區(qū)的生物多樣性維護重要性。綜合生境質量評估結果與生物多樣性維護等級，利用最小阻力模型構建生態(tài)廊道。結果表明：2000–2020年咸陽地區(qū)耕地面積減少了327.33 km2；建設用地面積增長了263.88 km2; 林地、草地等生態(tài)用地呈現了先增長后減少的趨勢。質量優(yōu)等級的生境持續(xù)減少了60.56 km2，差等級的生境整體增加70.93 km2，生境質量出現退化。咸陽市生物多樣性維護重要性以一般重要為主，極重要區(qū)和重要區(qū)面積分別為896.54 km2和866.66 km2。生物多樣性與生境質量密切相關?；谠u價結果，通過阻力模型，構建生態(tài)廊道1 303.96 km，并提出咸陽市生物多樣性保護的方法和優(yōu)化對策，以期為今后咸陽市動物遷徙及生物多樣性保護提供基礎與保障。

生物多樣性保護；生境質量評估；土地利用變化；生態(tài)廊道構建；優(yōu)化策略

隨著城市建設用地的迅速擴張和人口的快速增長，人類活動對生態(tài)系統功能與生物多樣性水平的破壞日益加劇，如何維持并提升區(qū)域生物流的穩(wěn)定性及生物多樣性成為日益關注的焦點問題。

生態(tài)廊道作為構建城市整體性生態(tài)格局的重要因素，能夠有效串聯起較為孤立分散的生態(tài)節(jié)點和生態(tài)斑塊，為維持區(qū)域生物流提供重要支持[1]。通過以森林為主體、山水林田湖草一體化的生態(tài)廊道網絡體系的建設，有助于提升城市的生態(tài)結構完整度及內部分聯性，強化其生態(tài)穩(wěn)定性和生物多樣性。20世紀90年代以來，眾多國內外研究者致力于深入研究生態(tài)廊道的構建策略。金浩然[2]以廈門市為例，通過最小阻力模型構建網絡，重點關注基礎生態(tài)保護區(qū)的空間調控難題；陳劍陽等[3]則針對環(huán)太湖地區(qū)，采用最小費用路徑分析潛在廊道，并在此基礎上疊加景觀和游憩圖譜網絡，形成了一種包含多種目標的多維度的綜合生態(tài)網絡。InVEST模型，全稱為生態(tài)系統服務和交易的綜合評估模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs），在區(qū)域生態(tài)系統功能的量化方面，被國內外廣泛用于高效評估區(qū)域或流域的生態(tài)系統服務及其價值變化狀態(tài)。如Mansoor與Leha等在使用InVEST模型來估算有關流域的水資源產生量及其時間空間變遷模式后，為流域生態(tài)系統優(yōu)化管理提供了參考[4-6]。Mengist等[6]通過InVEST模型評估和模擬了喀法生物圈保護區(qū)的生境質量，并且評價和預測LULC變化影響下生境質量的時空狀態(tài)。Li等[7]對使用InVEST模型測量的棲息地質量指數是否能夠解釋城市地區(qū)鳥類多樣性的變化提出了疑問并且得出結論。李婷等[8]通過InVEST模型相關功能模塊，在秦嶺山地，分析和評估生態(tài)系統服務及其變化。劉藍月等[9]基于InVEST模型中的生境質量模塊，用生物多樣性指標來估算武夷山市植被類型的范圍及其退化情況，并以此作為構建生態(tài)環(huán)境質量模型的基礎。杜世勛等[10]通過InVEST模型對山西省土地利用變化的生物多樣性功能進行研究。包玉斌等[11-12]通過InVEST模型的生物多樣性模塊，對陜西省黃河流域和寧夏生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)域進行評價。InVEST模型擁有將評估結果可視化，預測未來發(fā)展趨勢等優(yōu)點，但同時對評估結果不確定性分析有待加強。以往研究將InVEST模型中的陸地生態(tài)系統模塊與遙感技術相結合，能夠對生境質量進行評估與監(jiān)測，但目前該模型的研究區(qū)域主要集中在濕地、沿河水域等物種資源較為豐富的地區(qū)，尺度大多以區(qū)縣級為主，鮮有城市以上的大尺度研究。

生物多樣性構成了人類生存的基礎，是經濟社會持續(xù)進步的根本，同時也是保障生態(tài)和糧食安全的重要因素。位于渭河平原與黃土高原交界處的咸陽市，是黃河二級支流、涇河的主要流域處地，其地理位置對于維護中國“三區(qū)四帶”生態(tài)安全結構具有重要作用，并且其也處于實施黃河流域環(huán)境保護和經濟發(fā)展策略的核心點上，是陜西中西部重要的生態(tài)保育區(qū)[13]。

文章使用InVEST生境質量模塊，對咸陽市生境等級進行評估，采用NPP法結合凈初級生產力、地形、降雨量、氣溫4個要素，將咸陽市生物多樣性維護等級高低進行劃分。同時基于最小阻力模型，構建咸陽地區(qū)生態(tài)廊道，旨在為未來生物多樣性保育工作提供理論支持和實際操作手段。

1 研究區(qū)域概況

1.1 氣候環(huán)境

咸陽市位于陜西省關中平原中部，全市轄3個區(qū)、9個縣，代管2個縣級市，總面積10 196 km2，地理坐標為107°38′–109°10′ E，34°11′–35°32′ N，地勢北高南低，呈階梯狀，海拔362～1 885.3 m，屬黃土高原，平原地貌。年降水量為537～650 mm，平均溫度9.0 ～13.2℃。熱量條件南北差異明顯，四季分明，氣候宜人，光、熱、水資源豐富，為野生動植物的生長創(chuàng)造了良好的環(huán)境。

1.2 生物資源

咸陽市境內擁有豐富的植物與動物資源，遼東櫟（Quercuswutaishanica）、山楊（Populus davidiana）、白樺（Betulaplatyphylla）、油松（Pinus tabuliformis）等是咸陽地區(qū)的主要樹種。此外，咸陽地區(qū)還富含藥用植物資源。野生動物方面則包括140余種鳥類、40種左右的獸類，涵蓋了14個目和30個科。其中現有國家一級重點保護動物6種，國家二級重點保護動物14種，陜西省重點保護動物16種。兩棲類動物常見的有黑斑蛙、林蛙等；爬行類有無蹼壁虎、黃紋石龍子、北方草蜥等；蛇類有黃脊游蛇、虎斑游蛇等，其種類和數量皆不多。咸陽市南部為渭河盆地，地勢平坦，自然植被分布較少，農耕歷史較為悠久；中部殘留較少天然次生林，大部分地區(qū)已被人工植樹所替代；咸陽北部保留一定面積的天然次生林，森林覆蓋面積較高[14]。其河流水體資源、開闊的河灘，以及濕地灌木草本植被也為野生動物提供了良好的棲息環(huán)境，特別是鳥類多樣性尤為豐富，是關中平原地區(qū)冬候鳥遷徙線上的棲息地。

但近年來隨著土地利用的變更、工農業(yè)的不斷發(fā)展、礦產資源的開采、城市的迅速擴張，導致野生動物及其棲息地環(huán)境不斷惡化，城市內外綠地呈現出破碎化的趨勢，生態(tài)環(huán)境脆弱問題突出。近年來，咸陽市空氣質量在全國排名持續(xù)靠后，為有效治理環(huán)境問題，將森林，草地，濕地等重要生態(tài)功能區(qū)串聯，合理規(guī)劃，構建生態(tài)廊道，鞏固和提升生物多樣性成為咸陽市城市建設的重點任務。

2 研究方法

2.1 數據來源

2.1.1 土地利用數據

數據來源于Landsat TM影像（數據來源于地理空間數據云），分別選取2000年、2010年、2020年三個時期變化節(jié)點，數據分辨率為30 m×30 m，影像通過大氣校正、幾何校正和正射校正，生成標準影像，并以分辨率不低于30 m的DEM及高精度參考影像庫，高精度控制點和野外高精度GPS點為輔助數據，利用ENVI、ERDSA等軟件進行監(jiān)督分類，并利用復查的地面驗證點進行驗證，輸出分類圖像?；谏鲜鰯祿幚恚瑢⑾剃柺袃鹊耐恋馗鶕患壏诸惙譃榱值?、草地、水域、耕地、建設用地與未利用地。

2.1.2 野生動植物數據

野生動植物數據參考《咸陽市野生動物調查報告》，咸陽市渭河流域段兩岸綠化帶綠化建設情況，結合各區(qū)縣以及各自然保護區(qū)陸生野生動物資源調查報告獲取。

2.2 生境評估

本研究使用InVEST模型中的生境質量模塊，可視化顯示結果，綜合研究探討咸陽區(qū)域生態(tài)系統優(yōu)劣程度。

InVEST-Habitat Quality模塊，為了對生物多樣性保護的效果進行科學的評估，本研究采用各類生態(tài)系統的敏感性和所受脅迫程度作為評估指標，并對這些指標進行量化處理，以得出具體的評估結果。生境質量的計算見公式（1）。

式中，Qxj代表生境質量指數；Dxj代表土地覆蓋類型中柵格生境退化程度；k為半飽和常數，通常取Dxj最大值的一半；Hj為土地覆蓋類型的生境適宜性；歸一化常量z通常取2.5。Dxy的計算見公式（2）。

式中，R為威脅因子；y為威脅因子r柵格圖層的柵格數；Yr為威脅因子所占的柵格單元總數；Wr為威脅因子的權重，取值范圍為0 ～1；ry為柵格的威脅因子（0或1）；irxy為柵格y的威脅因子值ry對生境柵格x的威脅水平；βx為柵格的可達性水平，取0 ～1；Sjr為生境類型對威脅因子的敏感度。其中，irxy的計算見公式（3）。式中，dxy為柵格與柵格之間的直線距離；drmax為脅迫因子r的最大影響距離。

2.3 生物多樣性維護等級評價

生物多樣性維護功能是生態(tài)系統提供的最主要的功能之一，本研究綜合凈初級生產力、地形、降雨量、氣溫4個單要素，從生態(tài)系統角度，采用NPP法，評價生物多樣性維護重要性等級[15]。

2.4 生態(tài)廊道構建

咸陽市域生態(tài)源地識別采用綜合方法，其具體識別步驟如下：（1）基于咸陽市土地利用現狀圖進行MSPA分析、生態(tài)安全評價，綜合識別市域范圍內的生態(tài)源地，包括面積較大的林地斑塊、水庫及濕地公園、渭河及其沿岸綠帶等，結合咸陽市濕地規(guī)劃、綠地系統規(guī)劃等得到咸陽市域生態(tài)源地。（2）綜合生態(tài)干擾評價、土地利用現狀以及植被覆蓋度指數分析，構建生態(tài)阻力面，基于ArcGIS軟件的Linkage mapper toolbox模塊，進行定量表征與模擬研究區(qū)潛在的生物物種遷移擴散廊道，得到市域生態(tài)網絡原始方案。（3）結合用地現狀及綠地系統規(guī)劃、綠道規(guī)劃、濕地規(guī)劃等內容進行生態(tài)廊道篩選與優(yōu)化，得到最終市域生態(tài)網絡規(guī)劃方案。

在關中地區(qū)，白琵鷺、野兔等野生動物為咸陽地區(qū)較為常見的野生物種，是在咸陽地區(qū)生活、繁衍、棲息、遷移的代表，能夠反映區(qū)域動物活動的特征，白琵鷺作為國家二級重點保護野生動物更具有代表性。所以，本研究選擇了指示物種白琵鷺作為參照，為構建一個合理的消費面模型，挑選了相應的阻力變量因子。基于這些因子在物種遷移過程中所起到的阻力大小，為每個因子賦予不同的阻力值。為了確保模型的準確性，采用專家打分法來確定每個因子的權重。最后，將這些權重值與相應的阻力值相疊加，構建出消費面模型。該模型可以更好地反映出白琵鷺在遷移過程中所面臨的阻力情況，再利用Linkage Mapper工具生成潛在生態(tài)廊道，最后疊加現有的干渠廊道形成優(yōu)化后的生態(tài)廊道（圖1）。

圖1 生態(tài)廊道構建與評價流程圖Fig. 1 Ecological corridor construction and evaluation flow char

2.5 InVEST生物多樣性模型數據采集

通常來說，自然環(huán)境對外部威脅因素的反應最為敏感，其次是半人工環(huán)境。相比之下，人造環(huán)境對于外部生態(tài)威脅因子的反應較弱甚至完全無影響。本研究綜合考慮耕地、建設用地、未利用地三項威脅因子，威脅因子的強度和生態(tài)系統敏感性賦值結合研究區(qū)實際情況及前人研究結果[12,15-19]進行設置，表中相關數值與圖層保持一致（表1，表2）。

表1 威脅因子參數表Tab. 1 Threat factor parameter table

表2 土地利用類型對各威脅因子的敏感性Tab. 2 Sensitivity of land use types to each threat factor

表3 咸陽市土地利用變化Tab. 3 Land use transfer in Xianyang

3 結果與分析

3.1 咸陽市土地利用及其轉移變化

從咸陽市2000年、2010年、2020年三期土地利用類型變化數據顯示，咸陽市耕地面積與建設面積變化最為顯著，2000–2020年，林地與草地面積都出現了先增加后減少的現象。

2000–2010年，耕地面積減少195.67 km2，林地、草地、水域、建設用地、未利用地面積分別增加了2.26 km2、45.3 km2、15.33 km2、132.18 km2、0.6 km2，耕地面積主要向建設用地與林地轉化。在近10年期間，退耕還林還草政策的推進頗見成效，但城市化的擴張速度仍然較快。

2010–2020年，耕地面積減少131.66 km2，主要轉化為建設用地；林地、草地面積分別減少2.38 km2、3.85 km2，主要轉化為未利用地與水域。近10年來，建設用地共增加了131.62 km2，生態(tài)用地整體變化較小。

2000–2020年，近20年來，建設用地面積變化幅度較大，共增長了263.8 km2，森林面積在2000–2010年增長，在2010–2020年間呈下降趨勢，共縮減了0.12 km2，未利用土地面積增長5.55 km2。水域面積呈現了持續(xù)增加的趨勢，表明對濕地的保護逐漸被重視。整體來看，咸陽市生態(tài)用地變化幅度較小，主要變化來自于耕地向建設用地的轉化。

3.2 生境質量評價

使用InVEST模型中的生境評估模型計算獲得生境質量指數（0 ～1），指數越接近1，表明該生境質量越優(yōu)秀。為了更好地比較土地使用變化對生態(tài)環(huán)境質量的影響，將生境質量指數運算結果劃分為差（0 ～0.2）、中（0.3 ～0.4）、良（0.5 ～0.6）、優(yōu)（0.7 ～0.9）4類[16]，按照10年等時段分析可得2000年、2010年、2020年三個時期咸陽市生境質量空間分布情況（圖2）。

圖2 研究區(qū)域生境質量變化Fig. 2 Change of habitat quality in the research area

2000–2010年咸陽市生境質量較差的面積有所增加，生境質量優(yōu)等面積減少了18.98 km2，中等與良等面積分別增加了13.46 km2、9.18 km2。2010–2020年，咸陽市生境質量優(yōu)等級面積減少的幅度較大，為41.61 km2，差等級生境面積僅增加了16.66 km2，中、良等級生境面積分別增加27.54 km2、17.31 km2。這表明，2000–2010年間，隨著耕地面積的不斷減少，建筑用地的快速增加，咸陽市優(yōu)等級的生境面積也在縮小，建設用地的擴張對咸陽市生境質量有著顯著影響。但隨著退耕還林還草政策的提出，草地面積的增加使咸陽地區(qū)生境質量中，良等面積也有增加；2010–2020年間，耕地面積減少，建設用地增長，林地、草地等生態(tài)用地面積變化較小，咸陽市優(yōu)等面積大幅減少，中、良等級生境面積增長較快。

2000–2020年間，總體上南部生境質量退化遠高于北部區(qū)域，占比約為全域面積的33%，退化區(qū)域集中在城鎮(zhèn)集中建設區(qū)。在南部地區(qū)中，渭河沿線生境有較明顯的提升，這表明咸陽市渭河廊道林帶建設和水環(huán)境修復對于周邊生態(tài)系統功能提升與生物多樣性改善效果明顯；北部生境質量有顯著改善，這表明隨著對生態(tài)保護的重視不斷增強，近20年來咸陽市集中力量不斷強化重要生態(tài)源地的保護，陸續(xù)開展的自然保護區(qū)建設、森林公園建設、三北防護林帶建設、退耕還林還草、小流域綜合治理、創(chuàng)建“國家園林城市”“國家森林城市”等工作對生物多樣性保護呈明顯正相關關系，生態(tài)網絡格局基本形成；中部生境質量變化不明顯，這仍與礦產資源開發(fā)與脆弱的“旱腰帶”自然本底高度關聯，困難立地仍舊是咸陽市生態(tài)系統功能提升的攻堅環(huán)節(jié)。

3.3 生物多樣性維護等級

咸陽市生物多樣性維護重要性以一般重要為主，極重要區(qū)和重要區(qū)面積分別為896.54 km2、866.66 km2，占比為8.80%、8.50%，極重要區(qū)主要分布在咸陽市旬邑縣的東北部、彬州市西部以及永壽縣的西北部，以植被覆蓋情況較優(yōu)的林地為主。對此可以看出，生物多樣性與生境質量息息相關，生境質量好的地區(qū)其生物多樣性狀況更好，同時可以看出，生物多樣性與人類活動的頻繁度呈負相關，人口活動密集，城市化進程加快，工業(yè)建設和道路建設不斷擴張，對生境質量產生負面的影響。近年來隨著生態(tài)文明建設的高度重視，咸陽地區(qū)對生物多樣性的保護有所提高（圖3）。

圖3 研究區(qū)域生物多樣性評價Fig. 3 Biodiversity evaluation of the research area

3.4 生態(tài)網絡構建

經模型構建，全域共包含10個生態(tài)源地、多條生態(tài)廊道、30個關鍵點（pinch point）、21個障礙點（barrier）。生態(tài)廊道與生態(tài)源地大致構成一個環(huán)形閉合區(qū)域，加上多個關鍵生態(tài)節(jié)點，能夠有效促進生物物種的遷徙和物質能量之間的交流（圖4）。

圖4 生態(tài)廊道分布Fig. 4 Ecological corridor distribution

咸陽市北部地區(qū)擁有集中的生態(tài)源地和較大的面積，其中的翠屏山、馬欄山、石門山和爺臺山一帶更是重點生態(tài)源地。這片區(qū)域屬于子午嶺—黃龍山生物多樣性優(yōu)先保護區(qū)，對生物的棲息和遷徙具有重大意義，因此應當被列為生態(tài)保育區(qū)，實施嚴格的管控措施。

中部地區(qū)的生態(tài)源地雖然也有一定的數量，但重點生態(tài)源地如仲山、九嵕山、嵯峨山、五峰山等地，存在源地面積較小且分布較為分散的問題，這導致了景觀的連通性較差，不利于生物的遷徙與棲息。對于這種情況，應進行優(yōu)化處理，增加生態(tài)用地的比例，并提高生態(tài)過程的連續(xù)性。

至于南部地區(qū)，主要是中心城區(qū)，大部分土地被用于建設或作為耕地使用。這里的重點保育對象是渭河及其沿線的灘涂。在實施生態(tài)網絡管控時，必須同時考慮到城市發(fā)展的實際需求。

以廊道連接重要的生態(tài)源地，構建“多層次、成網絡、功能復合”的生態(tài)網絡體系，同葉脈一樣散落在整個市域，骨架型生態(tài)廊道總長度1 303.96 km，模型分析可得，規(guī)劃廊道根據組成內容和生態(tài)系統類型可劃分為河流廊道、森林廊道、道路廊道三個基本類型，重點生態(tài)廊道有渭河廊道、涇河廊道以及北部溝壑上的連續(xù)林帶。

4 基于生態(tài)廊道構建的咸陽市生物多樣性保護策略

4.1 嚴控生態(tài)保護紅線

在國土空間規(guī)劃過程全面考慮并科學劃定生態(tài)保護紅線。根據相關要求對自然保護地進行優(yōu)化和整合，加強對廊道沿線的生態(tài)保護紅線管控，禁止一切開發(fā)性和生產性建設活動，逐步實施退耕還林還草，加快推進違法侵占廊道用地的調出工作。此外，強化對重點區(qū)域的保護監(jiān)管，并嚴格落實重點生態(tài)功能區(qū)生物多樣性保護和管控政策，穩(wěn)步落實生物多樣性保護工作。

4.2 構建區(qū)域生態(tài)網絡

強化市區(qū)生態(tài)廊道與區(qū)域生態(tài)網絡的銜接，為生物遠距離遷徙活動提供連續(xù)的生態(tài)空間和休憩場所；加快市區(qū)線性綠地景觀人工修復，完善城市綠道體系，構成連續(xù)的城市藍綠網；加快推進綜合公園—社區(qū)公園—游園—口袋公園4級公園體系形成，形成市區(qū)源地斑塊。通過綠色廊道建設將棲息地之間連接，促進生物物種的遷徙和交流，有效降低物種瀕危和滅絕的幾率。

4.3 生態(tài)緩沖區(qū)建設

渭河，涇河廊道側堤坡腳外200 m內，禁止建設任何可能產生污染的項目，同時要嚴格控制各類開發(fā)建設活動的空間范圍和規(guī)模，確保其對環(huán)境的影響最小化。打造林相豐富的密林斑塊，補植鳥嗜好物種，同時清理老化與病蟲害嚴重的植株，部分節(jié)點增加色葉、開花喬木，打造喬灌草復合群落，吸引更多種類林鳥；形成健康城市韌性基底，加強城市河、渠水網吸納降雨能力，采取小微濕地、下沉濕地、植草溝、生物浮床等低影響開發(fā)；親水平臺、園路、綠道、廣場、停車場等鋪裝要求透水環(huán)保材質，考慮人們在休閑活動的同時，減少對生態(tài)系統循環(huán)的阻隔與干擾。

4.4 城市環(huán)境修復

加強外來物種管理，開展動植物普查、檢測等，加大城區(qū)內珍稀、瀕危、特有生物資源的調查；在城市河流段以自然方式設計生態(tài)綠島，植物以水生植物為主，輔以耐濕喬灌木，果實草籽為佳；豐富水底生物群落，豐富水底沉水植物、水藻等，有效修復水域生態(tài)功能。

5 結論

2000–2020年，咸陽市耕地面積減少327.33 km2,建設用地面積增加263.8 km2，生態(tài)用地變化幅度出現了先增加后減少的情況。研究區(qū)域生境等級為優(yōu)等級的區(qū)域面積持續(xù)減少，差等級的面積呈現了持續(xù)增加的趨勢，但增加速度逐漸變緩。生境質量優(yōu)等級地區(qū)與生物多樣性維護等級極重要區(qū)重疊，生境質量越好，生物多樣性維護重要性越高。根據生境質量評估結果和生物多樣性維護重要性，利用最小阻力模型構建了能夠連接各個生態(tài)源地的生態(tài)廊道，共長1 303.96 km，有利于將破碎化的生境聯系起來，以期對該地區(qū)動物的遷徙與生物多樣性保護提供有力保障。

注：文中圖表均由作者繪制。