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基于InVEST模型的区域生境质量对土地覆被变化的响应

范文

程爱国程鹏吴楠

摘要：基于InVEST模型中的生境质量模块，以合肥市1995年、2005年和2018年土地覆被数据为基础，在ArcGIS中进行转移矩阵分析、叠加分析、栅格计算、分区统计等，在InVEST模型中进行生境质量模拟。结果显示：（1）23年间减少的土地覆被类型是耕地和林地，其中耕地减少量较大，共减少806.06km2;林地减少量较少，共减少3.21km2;其他土地覆被类型均有所增加。（2）23年间建设用地增加迅猛，共增加773.66km2，增加量占2018年建设用地总面积的38%，增幅达到61.64%。（3）23年间主要的土地转移是耕地向其他土地覆被类型转化和其他土地覆被类型向建设用地转化，其中耕地向建设用地转化了934.19km2。（4）得益于“退耕还林、还草、还湖、还水”政策的实施，合肥市林地草地面积总量基本保持不变，水域面积持续增加，水域面积增加区域主要分布在各大水库周边以及巢湖周边。（5）23年间合肥市生境质量持续小幅下降，主城区和各县（市）主城区生境质量下降明显。

关键词：InVEST模型;土地覆被;生境质量;合肥市

中图分类号 F301.2文献标识码 A文章编号 1007-7731（2020）18-0060-07

Response of Regional Habitat Quality to Land Cover Change Based on InVEST Model

——A Case Study of Hefei City

CHENG Aiguo1 et al.

（1Qingshan Township Forestry Station，Dongzhi County，Dongzhi 247200，China）

Abstract：Based on the habitat quality module in the InVEST model，and based on the land cover data of Hefei in 1995，2005 and 2018，the transfer matrix analysis，overlay analysis，grid calculation，zoning statistics and other analysis are carried out in ArcGIS，and the habitat quality simulation is carried out in the InVEST Model.Finally，the following conclusions are obtained：（1） The types of land cover decreased in 23 years are arable land and forest land，of which arable land decreased by 806.06km2 in total and forest land decreased by 3.21km2 in total，and other types of land cover increased.（2） construction land increased rapidly in 23 years，with a total increase of 773.66km2，accounting for 38% of the total construction land area in 2018，with a growth rate of 61.64%.（3） 23 years The main land transfer situation is：arable land to other land cover types and other land cover types to construction land，of which the arable land to construction land has been transformed into 934.19km2.（4） thanks to the implementation of the policy of “returning farmland to forest，grass，lake and water”，the total area of forest land and grassland in Hefei basically remains unchanged，the area of water area continues to increase，and the area of water area increases It is mainly distributed around the major reservoirs and Chaohu Lake.（5） during 23 years，the habitat quality of Hefei city continued to decline slightly，and the habitat quality of the main urban areas and counties（cities） of Hefei city declined significantly。

Key words：InVEST model;Land cover;Habitat quality;Hefei

当前，随着我国经济社会的快速发展，自然资源和环境状况整体不容乐观，城镇建设用地、工矿用地急剧扩张，生态环境面临巨大压力，人类活动主导的城镇、工矿用地扩张对生境质量的胁迫日趋明显。生境质量是指在一定的时间和空间中生态系统提供适宜个体与种群持续发展与生存条件的能力[1-2]，通常可用生境质量指数来定量化表征。近年来，基于InVEST模型中的生境质量模块（Habitat Quality）来研究区域生境质量与土地覆被变化之间的关系成为研究热点。陈雅倩等[3]运用InVEST模型中的Habitat Quality模块分析2000年、2007年和2016年河北省唐县未利用地开发前后的生境质量变化情况，为制定合理的土地规划以及土地开发工作中的生境及生物多樣性保护等提供科学依据。吴楠等[4]基于InVEST模型，探究了基于土地覆被变化的安徽省生境质量时空演变特征，分析了1995—2018年土地覆被变化趋势，得出土地覆被类型转移规律，并系统分析了土地覆被类型对区域生境质量造成的影响，并依据土地覆被和生境质量的变化规律给出了区域规划合理建议。王治良等[5]基于InVEST Habitat Quality模型和GeoDa软件，分析了1980—2015年嫩江流域生境质量的时空格局，利用地理探测器定量探讨其影响因素，并基于其成果为嫩江流域生态环境保护提出合理建议。黄康等[6]基于CA-Markov和InVEST模型，研究福建省福州新区近15年来的土地利用变化，并对未来15年的变化进行预测以及对30年的生境质量变化进行分析，将预测结果与规划形成对比，为土地利用规划提供参考。王燕等[7]运用GIS技术和InVEST模型，基于2005—2015年遥感数据对内蒙古巴林右旗生境质量变化进行分析，结果表明该区域生境质量整体呈上升趋势，说明该区域生境质量总体趋于好转，退耕还林还草工程的实施对该地区生态恢复起到了积极的促进作用。

合肥市地处安徽省腹地，是安徽省省会，区域中心城市，對外交通便捷，境内铁路、公路、航空、水运交通发达，形成纵横交错、四通八达的立体化交通网络，是国家规划建设中的全国性综合交通枢纽。近年来，合肥城市发展和扩张迅速，对环境的影响不可忽视，主要体现在：（1）人口增长较快，生活垃圾、生活污水等因人类活动产生的废物增加较快;（2）土地覆被变化较大，建设用地需求量激增，城市周边耕地、林草地和水域等土地覆被类型被不断挤占;（3）工业发展迅猛，工业企业污水、废气排放量增加，给城市周边生态环境造成不利影响。笔者基于InVEST模型的生境质量模块，结合ArcGIS软件，叠加各种保护地矢量数据，设置相应生态参数，定量分析合肥市1995—2018年土地覆被变化对生境质量所造成的影响，为合肥市今后的城市生态规划和可持续发展决策提供参考。

1 数据来源与方法

1.1 研究区概况合肥地处我国华东地区、江淮之间（116°41′～117°58′E、30°57′～32°32′N），位于安徽省中部，西接六安市，北连淮南市，东北靠滁州市，东南靠马鞍山市、芜湖市，西南邻安庆市、铜陵市，环抱巢湖（见图1），全市国土面积11445.1km2。合肥市境内有丘陵岗地、低山残丘、低洼平原3种地貌，以丘陵岗地为主，江淮分水岭自西向东横贯全境。全市海拔多在15～80m，平均海拔20～40m。主城区地势由西北向东南倾斜，岗冲起伏;西南部属大别山余脉，层峦叠嶂;海拔最高为境西的牛王寨595m。合肥地处中纬度地带，属亚热带季风性湿润气候，季风明显，四季分明，气候温和，雨量适中。年平均气温15.7℃，年平均降水量约1000mm，年日照时数约2000h，年平均无霜期228d，平均相对湿度为77%。

合肥地表水系较为发达，以江淮分水岭为界，岭北为淮河水系，岭南为长江水系，淮河水系主要有东淝河、沛河、池河等，长江水系主要有南淝河、派河、丰乐河、杭埠河、滁河、裕溪河、兆河、柘皋河、白石天河、西河等。境内巢湖是中国5大淡水湖之一，东西长54.5km，南北宽21km，水域面积770km2，号称“八百里巢湖”，湖底海拔5m，湖水容量随水位高程的不同而不同，当水位高程达14m时，湖水容量为63.7亿m3。

截至2019年，全市下辖4个区、4个县，代管1个县级市，户籍人口770.44万人，常住人口818.9万人，常住人口城镇化率76.33%。2019年，合肥市全年生产总值9409.40亿元，按可比价格计算，比2018年增长7.6%。其中，第一产业增加值291.86亿元，增长1.7%;第二产业增加值3415.32亿元，增长7.7%;第三产业增加值5702.22亿元，增长7.8%。按常住人口计算，人均生产总值为115623元（折合16761美元），比2018年增加8407元[8]。

1.2 数据来源采用1995年、2005年和2018年土地覆被数据，数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）的中国土地覆被现状遥感监测数据库。该数据以美国陆地卫星Landsat TM/ETM+遥感影像数据作为主信息源，通过人工目视解译获取，空间分辨率为30m，地理坐标系为GCS_Krasovsky_1940，投影坐标系采用Albers 正轴等面积割圆锥投影。土地覆被类型包括耕地、林地、草地、水域、建设用地（城乡、工矿、居民用地）和未利用土地6个1级类型以及25个2级类型（见表1）;合肥市境内未涉及的地类包括：水域中的滩涂和永久性冰川雪地以及未利用地中除裸土地和裸岩石质地之外的其他未利用地类型。合肥市遥感影像数据来源于2019年谷歌影像。

合肥市各类禁止开发区涉及省级及以上级别，共包括4大类[9]。禁止开发区边界的矢量数据来源于各省直管理部门。湿地公园、森林公园和地质公园边界来源于林业部门，风景名胜区边界来源于住建部门。各矢量数据空间参考与土地覆被数据保持一致。在ArcGIS中进行数据相关的地理配准、裁剪、合并、叠加、属性表赋值、分类以及分区统计处理;在InVEST中进行模型运行，所需参数来源于国内外已有研究成果和相关领域专家打分;其他数据统计及计算等均在Excel中完成。

1.3 研究方法

1.3.1 土地覆被变化在ArcGIS软件中，首先将3期土地覆被数据分别进行各地物类型面积统计，将各地物类型进行两两作差，计算出各地物类型的面积变化情况;其次，将2期土地覆被数据进行合并叠加计算，得出2期土地覆被转移矩阵，利用土地覆被转移矩阵计算出各土地类型相互的转化方向和面积。为进一步了解土地覆被动态变化的强度，在此基础上，采用转移概率矩阵模型[10]，计算公式如下：

[Pij=Sijj=1nSij] （1）

1.3.2 InVEST生境质量模型 InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）是美国自然资本项目组开发、用于评估生态系统服务功能量及其经济价值、支持生态系统管理和决策的一套模型系统，包括陆地、淡水和海洋3类生态系统服务评估模型[11-12]。目前，自然资本项目组开发的InVEST模型已在20多个国家和地区的空间规划、生态补偿、风险管理、适应气候变化等环境管理决策中得到广泛应用。InVEST生境质量模块的原理是利用不同土地覆被类型的胁迫因子敏感度和外界威胁强度，考虑胁迫因子的影响距离、空间权重及土地受法律保护程度等因素，将生境质量视为一个连续变量，在进行评估时充分考虑了土地覆被方式和土地覆被格局变化对生境质量的影响，即生境质量好的区域，其生物多样性水平亦高，生境质量差的区域，其生物多样性水平则低。具体计算过程如下：

[? ? ? ? ?Dxj=r=1Ry=1Yr（wr/r=1Rwr）ryirxyβxSjr] （2）

式中，Dxj为生境类型j中x栅格的生境退化度;R為威胁源个数;Wr为威胁源r的权重;Yr为威胁源的栅格数;ry为栅格y的胁迫值;βx为威胁源对栅格x的可达性（受法律保护的区域内，0<βx<1，保护越严，值越小;其余区域为1）;Sjr为生境类型j对威胁源r的敏感度;irxy为栅格y的胁迫值ry对栅格x的胁迫水平，分为线性和指数2种作用：

线性：[irxy=1-（dxydrmax） ] （3）

指数：[irxy=exp （-2.99dxydrmax）] （4）

式中，dxy为栅格x与栅格y的直线距离;drmax为威胁源r的最大胁迫距离。

在此基础上计算生境质量：

[ Qxj=Hj[1-（DzxjDzxj+kz）]]? （5）

式中，Qxj为生境类型j中x栅格的生境质量指数;Hj为生境类型j的生境适宜度，值域为[0，1];k 为半饱和常数，取最大生境退化度（由模型运算一次得到）的一半，通常设为0.5;z为归一化常量，通常设为2.5[13]。

本研究利用InVEST 3.6.0版本模型中的生境质量模型对合肥市1995—2018年23年间由于土地覆被变化带来的生境质量影响进行研究和分析，参照相关领域高校和科研院所专家的研究结果，将4类禁止开发区叠加后取并集，综合赋可达性参数βx值为0.2。进一步对3期土地覆被数据进行重分类、栅格转矢量、矢量转栅格、栅格计算、属性表赋值等操作，提取目标值为1，其他都赋值0，提取出耕地、城镇用地、工矿用地、农村居民点作为InVEST模型影响生境质量的威胁源并确定各威胁源的最大胁迫距离、权重和衰减类型（见表2）及不同生境类型的适宜度及对胁迫因子敏感度（见表3）。

2 结果与分析

2.1 土地覆被的变化

2.1.1 各地物类型面积变化从各地物类型面积占比来看（表4），1995—2018年占比最多的是耕地，其次是建设用地，第3是水域，然后依次是林地、草地和未利用地;占比变化中，变化最大的是耕地和建设用地，23年来耕地占比减少了7.04%，建设用地占比增加了6.76%，其他地物类型中除了林地外均有所增加;从增幅/降幅看，虽然未利用地占比一直很小，但23年来其增幅达到了1404.17%，增幅比例远远大于其他地物类型，其次是建设用地（61.64%），水域增幅为3%，草地增幅较小（0.38%），林地和耕地出现了降幅，以耕地降幅最大，达到了9.71%;23年间建设用地面积增加了近1倍，从1995年的1255.06km2增加到2018年的2028.72km2。

2.1.2 各地物类型相互转化由1995—2018年土地覆被类型的转移矩阵分析可知（见表5），主要的转化特征为耕地向其他覆被类型尤其是建设用地转出，其他覆被类型（包括耕地）向建设用地转入。23年间，耕地向建设用地转入面积达到934.19km2，占到2018年耕地面积的12.46%、建设用地面积的46.05%，23年来建设用地将近50%的面积增加来自于耕地，同时还有173.83km2的建设用地转入为耕地;另外，耕地向水域转化了65.35km2，同时水域向耕地转化了30.35km2;其他几种地物类型之间的互相转化面积大致相抵。

从空间分布看（见图2），通过叠加合肥市乡镇矢量数据，耕地向建设用地转化广泛分布于合肥市区周边和各个下辖县的主城区周边，以及各个区县的乡镇工业聚集区周边。这主要是因为城市发展所带来的城镇用地需求量增加，必然要侵占其周边的其他用地类型。耕地向水域转化较为突出的区域是合肥市区的大房郢水库。该水库是人工修建而成，建成后，不仅让合肥市土地覆被类型中的水域范围得到了大面积增加，而且改善了合肥市的生境质量，还彻底解决了合肥北部局部地区水量不足、水压不够的问题。其他耕地转水域的区域大多数也分布在巢湖及水库周边，比如肥东县的众兴水库和袁河西水库、长丰县的杜集水库、庐江县的七巧水库和肥西的大堰湾水库。林地和草地向建设用地的转化零星分布于合肥市区、肥东县和巢湖市，总体转化量不大。水域向耕地转化主要分布在长丰县中西部乡镇，转换量亦不大。耕地转草地主要分布在合肥市蜀山区和瑶海区，如蜀山区大蜀山、安徽大学馨苑校区和新站区的合肥综合保税区周边。

2.2 生境质量的变化将历年的相关数据导入InVEST模型中运行模拟，得到合肥市1995年、2005年、2018年的生境质量分布，计算各时期生境质量平均值。为直观展示出各时期的生境质量状况以及比较各时期生境质量的变化情况，在ArcGIS中将3期生境质量分布结果栅格数据进行重分类处理，叠加合肥市乡镇矢量数据进行分区统计，并用自然断点法将其分类为“优”（0.8～1）、“良”（0.6～0.8）、“中”（0.4～0.6）、“较差”（0.2～0.4）和“差”（0～0.2）5个等级[14]，统计各时期各等级的占比（见表6）。

2.2.1 生境质量等级的占比由表6可知，3期（1995年、2005年、2018年）除“差”等外，其他等级都是逐年下降;2018年较1995年“优”等级下降0.13%，“良”等级下降0.73%，“中”等级下降1%，“较差”等级下降1.81%，“差”等级23年间增长3.67%。虽然“较差”等级减少最多，但并未向好的等级转化，绝大多数“较差”等级转化为了“差”等级，“中”以上等级亦向“差”等级转化。这也直接导致了合肥市23年来生境质量小幅持续下降，降幅为6.15%。

2.2.2 生境质量空间分布的变化由图3可知，1995年生境质量为“差”等级仅集中在合肥市中心城区，庐江县和巢湖市总体达到“中”等级，巢湖周边区域以及肥西县的紫蓬山附近、庐江县南部达到“良”及以上等级，其他区域多数为“中”等级以下;2005年“差”等级小幅度扩大，扩大区域主要集中在合肥市主城区、肥东县和巢湖市主城区，其他区域等级基本保持不变，总体变化较小;到了2018年，“差”等级分布范围急剧扩大，最显著区域是合肥市主城区，较1995年扩大了近5倍，其他“差”等级增加的区域除了肥东县和巢湖市主城区外，还有长丰县和肥西县主城区;23年来仅庐江县尚未出现“差”等级区域。

通过将2018年和1995年2期生境质量分布栅格数据进行叠加相减计算，得到生境质量变化情况，取值-1～1，值越接近1，说明该区域生境质量越有改善，反之则越变越差。通过分析生境质量变化发现，大多数区域保持在基本不变的状态;巢湖整个水域以及肥西和庐江靠近巢湖的乡镇、庐江县西南地区（即庐江县柯坦镇和罗河镇）、长丰县东北部（即长丰县杜集镇）生境质量有所改善。究其原因主要包括：（1）安徽省委省政府和合肥市委市政府历来高度重视巢湖及其周边区域的生态环境治理，每年都投入大量人力物力用于改善巢湖及其周边区域的生态环境，治理的积极效果也逐渐显现;（2）庐江县柯坦镇和罗河镇是重要的矿产资源分布区，20世纪60—70年代以来相关乡镇粗放开采矿产资源导致区域生态环境有所破坏，但随着近年来各级政府对生态环境保护的重视、人民群众思想的转变以及中央环保督察工作的大力开展，相关乡镇的生态环境得以改善，区域生境质量得以提高;（3）长丰县杜集镇属江淮分水岭综合治理重点乡镇[15]，1997年安徽省政府就已经开始了江淮分水岭易旱地区的综合治理，重点治理水利设施、农村人居、农村经济和生态环境，积极治理的成果在区域生境质量改善方面得到了体现。而合肥市蜀山区、包河区、庐阳区、新站区的部分区域以及肥西县主城区、长丰县主城区和西南地区、肥东县主城区、巢湖市主城区生境质量均有所下降。究其原因主要是由于建设用地急剧扩张，侵占了耕地以及生境质量较高的林地、草地和水域。另外大量的工业聚集在这些区域也是导致其生境质量下降的原因之一。

3 结论与讨论

3.1 结论（1）1995—2018年合肥市土地覆被变化主要是耕地向其他土地覆被类型转化和其他土地覆被类型向建设用地转化。耕地和林地面积持续减少，耕地面积减少量较大，共减少了806.06km2，占1995年耕地面积的10%;林地面积减少量微小，稳定性较好;草地面积略微增加，稳定性较好;水域面积增加较多，23年间共增加30km2，且绝大多数增加的面积由耕地转化而来，这得益于合肥市“退耕还湖、水”政策的实施;面积增加最多的是建设用地，共增加了773.66km2，这是由于合肥市作为安徽省省会，区域中心城市，在中部崛起和皖江城市带承接产业转移国家战略发展以来，以制造业、服务业等二三产业为主导的产业格局吸引了大量人口涌入，2009年以来合肥市常住人口增加了超过300万，大量耕地和其他用途土地被用于城镇建设用地的开发，工业聚集区、居民区以及商业用地猛增，这也直接导致了合肥市生境质量持续小幅下降;未利用地23年来占比微小，在2005年之前占比小于0.001%，到2018年也只有0.03%。

（2）合肥市生境质量较高的林地和草地面积比较稳定，究其原因可能是合肥市林地和草地主要分布在大小蜀山、紫蓬山、岱山和巢湖周边以及庐江县南部等区域，大小蜀山、紫蓬山、岱山和巢湖周边一直以来都是合肥市生态环境重点保护区域，林地和草地得到了比较好的保护，而庐江县南部区域的林地分布区距离城市主城区较远，且有“退耕还林、还草”的政策保障。另一个生境质量较高的土地覆被类型—水域面积的增加主要得益于合肥市重大民生工程大房郢水库工程的实施，环巢湖周边水环境治理工程的实施以及“退耕还湖、水”政策的落实。

（3）1995—2018年合肥市生境质量指数一直处于“中”等级，且持续小幅下降，合肥市主城区以及各区县主城区的生境质量下降较为明显，其中以合肥市主城区下降趋势尤为突出;建设用地作为影响生境质量最为重要的土地覆被类型，其面积持续大幅度的增加是合肥市生境质量下降的主要原因，但得益于生境质量较高的林地和草地面积的稳定以及水域面积的增加，在一定程度上遏制了合肥市生境质量的下降趋势。

3.2 讨论合肥市生境质量总体不高，一方面是受到其自然禀赋的制约，另一方面是作为省会城市的城镇建设扩张对区域生境质量造成的不利影響。今后合肥市应当结合国土空间规划、生态环境保护规划等进行合理的建设用地和生态用地的配比，提高建设用地使用效率，逐年提高林地、草地和水域面积占比;在矿产资源较为丰富的巢湖市和庐江县要加强日常监管[16-17]，合理配置矿区开采，做好生态环境保护措施，严守生态保护红线，将遥感监测与地面核查相结合，提高生态环境保护监管效率，增加监管手段，做好山水林田湖草的日常监测，在兼顾城市发展的同时保护好生态环境，逐步提高区域生境质量。

InVEST模型提供了基于栅格数据的分布式生境质量快速模拟方法框架，本研究仅聚焦于生境质量对土地覆被变化单一要素的响应，且威胁源种类较少，对于各种生境胁迫的内在机制研究也较为滞后，导致合肥市域的生境质量定量分析结论具有一定的局限性。下一步可结合水土保持、生态保护红线、NPP等因素，对区域生境质量进行更加全面合理的评价。

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（责编：徐世红）

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