基于InVEST模型山西省土地利用變化的生物多樣性功能研究

杜世勛榮月靜

(山西省生態環境研究中心，山西 太原 030000)

引言

生物多樣性服務功能的研究是目前國內外生態學研究的熱點與重點，土地利用變化影響生物多樣性受到了極大的關注。Carolina Rojas等［1］分析拉丁美洲2000年到2010年通過分析影響土地利用的地理要素，來分析城市化影響土地利用變化，人造林、森林采伐、農業廢棄對生物多樣性造成壓力，結果對拉丁美洲戰略環評和可持續管理提供參考;Alain Billionnet［2］運用數學優化方法研究針對土地利用景觀破碎化，入侵物種影響以及遺傳多樣性的維護等方面進行研究生物多樣性的多方面;A.Barbati［3］等通過對歐洲森林監測，得到2000－2010年歐洲森林土地利用面積顯著增加，但是森林生境和森林類型損失嚴重來研究生物多樣性功能;國內楊德偉等［4］研究區域土地利用的結構和功能，尤其是濕地和沼澤地土地利用結構變化，來達到保護生物多樣性的作用。吳建國等［5］探討了分別研究土地利用變化如何影響基因多樣性、物種多樣性和土地利用多樣性三個方面，為土地利用變化影響生物多樣性的研究提供了全面的基礎;劉振生等s［6］運用MAXENT模型，采用土地利用利用、地形因子等驅動因子，對賀蘭山巖羊生境適宜性進行研究，得出巖羊偏愛于山勢陡峭地帶，并建議減少礦區和道路等人為干擾因素，以此來提高巖羊的生境質量;李雙成等［7］運用GARP生態位模型研究云南縱向嶺谷入侵物種紫莖澤蘭空間分布預測，得出紫莖澤蘭主要分布在河流谷底一些海拔比較低的區域，在海拔比較高的局部高山沒有分布，為云南縱向嶺谷地區生物多樣性管理提供一定的科學依據。

研究生物多樣性服務功能中生境適宜性的研究對動植物的生境環境保護具有重要的意義，前人運用MAXENT模型和GARP模型研究生物生境適宜分布具有較好的效果，主要從物種分布和起驅動因子的角度研究，本文運用InVEST模型的Biodiversity模塊，從土地利用分布，威脅因子圖層，生態保護圖層，土地利用對威脅因子的敏感性等方面研究生物的生境分布特征，這對于大尺度、中尺度和小尺度區域生物多樣性功能的研究提供方便，準確的科學方法。

1 研究區概況

山西省位于太行三以西，黃河以東，地處華北平原的西北側，屬于黃河中游的河東區。地理坐標為東經110°14'42″～114°33'17″，北緯34°34'58″～40°44'30″。山西省，有山地、丘陵、高原、臺地、盆地、河谷多種地形地貌。山西省主體為一個黃土覆蓋，起伏較大的山地型高原，有山地、丘陵、高原、臺地、盆地、河谷多種地形地貌。山西省生態系統主要以旱地為主，近十年土地利用變化為草叢向落葉闊葉灌木林和落葉闊葉林的轉變，山西省植被恢復較好，生態環境逐步改善。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文研究需要的基礎數據有：①基礎地理數據，包括山西省各縣市邊界等，來自于國家測繪地理信息局;②土地利用類型數據，包括2000年和2010年兩期土地利用類型，采用全國生態環境十年變化(2000－2010年)遙感調查與評估項目的解譯結果;土地利用類型的分類根據研究目的，參照全國生態環境十年變化(2000－2010年)遙感調查與評估項目，土地類型分類，包括6大類共21種小類土地利用類型，包括森林(落葉闊葉林、常綠針葉林、落葉闊葉灌木林等)，草地(草甸、草叢、草本綠地等)，濕地(河流、湖泊、水庫坑塘、運河水渠等);農田(旱地、水田等)，建設用地(居住地、廠礦、交通用地等)，未利用地(裸巖、裸土、稀疏林和稀疏草地等)。③山西道路數據，包括國道、省道、高速公路和鐵路數據，來自于國家測繪地理信息局。④山西省高程數據，來自于美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯合測量SRTM數據，分辨率為30m。

2.2 研究方法

InVEST模型［8］(the integrate valuation of ecosystem services and tradeoffs too1)是由美國斯坦福大學、世界自然基金會和大自然保護協會聯合開發的土地利用服務功能評估工具。

InVEST模型的生物多樣性模型用生境質量好壞代表生物多樣性的持續性、恢復能力，InVEST模型中的生物多樣性評價模型需要輸入基準土地覆蓋圖(Baseline Land CoverMap)、當前土地覆蓋圖(Current Land Cover Map)、威脅因子(Threats Data)、威脅因子圖層(Threat Layers)、地類對于威脅因子的敏感度(Sensitivity of Land Cover Types to Each Threat)以及保護程度(Accessibility to Sources of Degradation)。Biodiversity模型得到生境質量指數和生境退化指數結果。評價模塊運算以柵格數據作為評價單元，本文所有柵格大小為30m。Biodiversity模型得到生境質量指數和生境退化指數結果，其原理為：

(1)生物生境質量指數

生物生境質量主要是從區域生境質量、生境稀缺性兩個方面評價區域生物多樣性維持功能，采用生境質量指數評價生境質量計算方法：

式中：Qxj是土地利用與土地覆蓋j中柵格x的生境質量;Dxj是土地利用與土地覆蓋或生境類型j柵格x的生境脅迫水平：

柵格y中脅迫因子r(ry)對柵格x中生境的脅迫作用為irxy：

dxy為柵格x與柵格y之間的直線距離，drmax是脅迫因子r的最大影響距離;Wr為脅迫因子的權重，表明某一脅迫因子對所有生境的相對破壞力;βx為柵格x的可達性水平，1表示極容易達到;S為土地利用與土地覆蓋(或生境類型)j對脅迫因子r的敏感性，該值越接近1表示越敏感;K是為半飽和常數，當1－(/+kz)=0.5時，k值等于D值;Hj為土地利用與土地覆蓋j的生境適合性。

(2)生境退化指數

生境退化度與生境中各地類距離生態威脅因子的遠近空間位置關系、地類對于威脅因子的敏感程度以及威脅因子的數量等因素緊密相關。這主要是基于InVEST模型中這樣的假設，即認為在一個土地利用中地類對于威脅因子的敏感性程度越高，則該威脅因子對地類退化程度的影響也就越大。生境退化程度的計算公式如下：

生境退化度=∑1n(敏感性分布圖層×威脅強度分布圖層×權重值)

3 研究結果與分析

3.1 土地利用變化與轉移

3.1.1 土地利用結構

2000年到2010年期間，各土地利用類型均發生著變化，主要表現為，山西省土地利用結構中，主要以旱地為主，2000年和2010年分別占山西省域面積的37.61%和37.23%，2000年到2010年旱地面積減少597.28km2，旱地的分布受地形影響很大，主要分布在地勢比較平坦的區域，如運城西北部和南部地區，臨汾南部地區，晉城的東北部;其次是草地土地利用的草叢，草叢減少8600.39km2，2000年和2010年分別占山西省域面積的34.46%和28.97%，比例下降15.92%;然后是森林土地利用，2000年和2010年分別占山西省域面積的22.97%和28.47%，其中，2000年落葉闊葉灌木林占12.60%，落葉闊葉林占8.05%，常綠針葉林占2.29%，2010年落葉闊葉林占14.22%，落葉闊葉灌木林占11.22%，常綠針葉林占2.97%，十年間落葉闊葉林和常綠針葉林面積有所增長，增長面積分別為9685.34km2和1071.04km2，落葉闊葉灌木林減少面積為2155.68km2;然后是建設用地土地利用，2000年和2010年分別占山西省域面積的3.77%和4.09%，居住地、工業用地和交通用地面積增加，采礦點面積減少。

表1 2000－2010年山西省各土地利用類型面積和比例變化

3.1.2 土地利用轉化

山西省2000年到2010年土地利用轉換過程中，草叢逐漸地演替為落葉闊葉灌木林的面積最大為10163.50km2，主要分布在忻州的五臺縣、岢嵐縣，晉中的左權縣、和順縣和昔陽縣，臨汾的安澤縣，長治的沁源縣和平順縣，大同的靈丘縣，臨汾的安澤縣，朔州的右玉縣和平魯區，陽泉的盂縣等地區，這些地區植被在不斷恢復，說明山西省的植被恢復較好，生態環境逐漸被改善;其次是落葉闊葉灌木林轉變為落葉闊葉林，面積為6981.90km2，主要分布在晉中的和順縣和左權縣，太原的陽曲縣，忻州的五臺縣和寧武縣，陽泉的盂縣，長治的沁源縣，晉城的沁水縣等地區，說明植被經過十年的自然生長，森林植被覆蓋度也在不斷增長;然后是落葉闊葉灌木林轉變為草叢，面積為4827.80km2，主要分布在晉中市的壽陽縣和榆次區東部地區，說明這些地區由于人類頻繁的活動，經過反復砍伐，大量的植被遭到破壞所致。草叢轉變為落葉闊葉林面積為2895.77 km2，分布在忻州的五臺縣、岢嵐縣、呂梁的呂梁山一帶地區、運城的中條山一帶和晉中市東部地區;落葉闊葉灌木林轉化為常綠針葉林面積為975.95 km2，主要分布于長治市的沁源縣、平順縣和壺關縣，晉城市的沁水縣和陵川縣地區等。

3.2 生物多樣性功能評價

3.2.1 威脅因子敏感度

土地利用中每一個土地利用類型受威脅的敏感度不同，敏感度的大小主要是依據生態學和景觀生態學的基本理論及保護生物多樣性的基本原則來確定的。查閱相關文獻［9－11］，依據InVEST 2.6.5 Beta User's Guide中生態威脅因子劃分標準，結合山西省的生態環境實際情況，在生物多樣性模型中為各土地利用類型對于威脅因子敏感度賦值，取值范圍為0～1，并且依照生態學和景觀生態學中生物多樣性保護的一般性要求，森林、草地和濕地等天然土地利用類型敏感度較高，耕地、建設用地等人工土地利用類型敏感度較低，裸土裸巖等未利用地敏感度最低。對于各土地利用類型自然屬性(Habitat)一列的賦值是依據而確定的，將天然地類和人工地類分別賦值為1、0，其認為人為管理因素能增強環境的自我修復能力，從而降低生境地類對生態威脅因子影響的敏感度，具體如表2所示。

3.2.2 威脅因子圖層

對生物多樣性造成威脅的圖層包括耕地、城鎮、工業用地、鐵路、高速公路、國道和省道等因子，查閱相關文獻的研究分析［12，13］，考慮山西省城鎮交通工具限制和經濟發展水平，并參照InVEST 2.6.5 Beta User's Guide中研究成果，定義威脅因子的最大影響距離、權重及衰退線性相關性指數具體如表3所示。

表2 境類型對生態威脅因子敏感度

表3 生態威脅因子屬性

3.2.3 保護程度圖層

在我國，土地政策實行社會主義土地公有制，土地所有權歸國家和農民集體所有。故在本文中所提的法律準入度表示的是在當前的各項政策、法律、法規、條例及其實施辦法下，對于該地類的生態環境保護程度，模型對受國家最高法律保護的地雷，賦值為1。

圖1 山西省保護程度分布圖

本文參照InVEST模型的設置辦法來設置保護程度等級分值，本文基于生態價值及環境保護的角度出發，將研究區域內的自然保護區、自然與人文風景名勝區域、地質公園等保護程度要高，如陽城莽河獼猴自然保護區、歷山自然保護區、蘆芽山自然保護區、五鹿山自然保護區、龐泉溝自然保護區、黑茶山自然保護區等國家級自然保護區、濕地公園和重要濕地等設為1，主要包括落葉闊葉林、落葉闊葉灌木林和常綠針葉林等土地利用;省級濕地公園和重要濕地等設為0.8，主要包括河流、湖泊、大型水庫等土地利用;剩余的小片森林和草叢的地類，屬于既無人保護也無人管理的地類，設為0.2。本文以2000年土地利用類型矢量為基準，在其屬性表對應地類中設置保護性程度等級分值，再導出矢量層，得到保護程度因子層。

3.2.4 評價結果

(1)生境質量指數

按照arcgis分類的quantile(分位法)自動分類，將生境質量指數分為極重要生境(0.996～1)、高度生境(0.984～0.996)、中度生境(0.475～0.984)、一般生境(0～0.475)，非生境(0)五類。

由表4可以看出，山西省2000－2010年非生境的面積最大，占到整個省域面積的42%以上，其次是極重要的生境，占省域面積的19%以上，然后依次為一般生境、中度生境和高度生境。其中，極重要生境和高度生境面積共減小0.19萬km2，比例減小1.21%，非生境面積減小0.01萬km2，比例減小0.06%，中度生境和一般生境面積共增加0.2萬km2，比例增加1.27%。

(2)生境退化指數

按照arcgis分類的quantile(分位法)自動分類，將生境退化指數分為極嚴重退化(70.020～995.848)、高度退化(31.120～70.020)、中度退化(3.890～31.120)、輕度退化(0～3.980)和無退化五類(0)。

表4 山西省2000－2010年生境質量分布面積和比例

表5 山西省2000和2010年生境退化分布面積(萬km2)和比例(%)

由表5可以看出，山西省2000－2010年處于中度退化的面積最大，占到整個省域面積的35%以上，其次是高度退化，占省域面積的20.45%，其次為極重要退化、無退化和輕度退化。其中，山西省極嚴重退化比例變化最大，從2000年的17.48%增加到2010年的17.61%，增加比例為0.13%，主要分布在國道、省道和高速公路以及城鎮中心周圍，這主要說明這些區域由于交通用地和城市用地的增加，生態用地轉化為了非生態用地，生境適宜度急劇下降，導致極嚴重退化區域增加;高度退化生境減少比例為0.05%，主要分布在極嚴重退化區域周邊，這主要是由于道路和城鎮逐漸向城市外圍擴張所致;中度退化生境減少比例為0.08%，輕度退化生境減少比例為0.32%，無退化生境比例增加0.31%，主要分布在山西省生態環境較好的區域，如五臺山、太行山、呂梁山、中條山等內部與周邊。

4 結論分析

(1)山西省土地利用類型主要以旱地為主，占山西省國土面積的37%以上，旱地的分布受地形影響很大，主要分布在地勢比較平坦的區域，如運城西北部和南部地區，臨汾南部地區，晉城的東北部;其次是草叢土地利用，占山西省域面積的30%左右;然后是森林土地利用，覆蓋率達到22%以上，包括落葉闊葉灌木林、落葉闊葉林和常綠針葉林。然后是建設用地土地利用，約占山西省國土面積的4%左右。2000年到2010年，草叢面積大量減少，落葉闊葉林和常綠針葉林面積有所增長，落葉闊葉灌木林面積有所減少，旱地面積也有所減少，居住地、工業用地和交通用地面積增加，采礦點面積減少。

(2)山西省2000年到2010年土地利用變化主要為草叢轉換落葉闊葉灌木林，落葉闊葉灌木林轉換為落葉闊葉林，以及落葉闊葉灌木林轉換為草叢等，這說明了山西省進行草地與森林的相互轉化，使得山西省部分地區由于草叢逐漸轉為落葉闊葉林和落葉闊葉灌木林使得生態環境恢復較好，如忻州的五臺縣、岢嵐縣，晉中的左權縣、和順縣和昔陽縣，臨汾的安澤縣等;而部分地區由于人類頻繁的活動，經過反復砍伐，大量的植被遭到破壞所致;生態環境質量趨于下降，如晉中市的壽陽縣和榆次區東部地區。

(3)山西省2000年到2010年生境質量的分布和變化情況為：非生境的面積最大，占到整個省域面積的42%以上，其次是極重要的生境，占省域面積的19%以上，然后依次為一般生境、中度生境和高度生境。其中，極重要生境和高度生境面積共減小0.19萬km2，比例減小1.21%，非生境面積減小0.01萬km2，比例減小0.06%，中度生境和一般生境面積共增加0.2萬km2，比例增加1.27%，山西省極重要的生境和高度生境逐漸轉變為中度生境和一般生境，表明山西省雖然近十年大量草叢轉換為落葉闊葉灌木林，但由于道路、城鎮和工業用地等威脅因子的阻隔，生境環境質量有退化趨勢，非生境轉化為中度生境和一般生境，是由于山西省近十年植被的修復對生態環境質量的提升起到一定的作用。

(4)山西省2000年到2010年生境退化的分布和變化情況為：中度退化的面積最大，占到整個省域面積的35%以上，其他其次是高度退化，占省域面積的20.45%，其次為極重要退化、無退化和輕度退化。其中，極嚴重退化面積增加，主要分布在國道、省道和高速公路以及城鎮中心周圍，無退化生境面積增加，主要分布在山西省生態環境較好的區域，如五臺山、太行山、呂梁山、中條山、汾河、沁河等周圍，高度退化、中度退化和輕度退化生境面積減少，主要分布在極嚴重退化區域周邊;綜上，山西省十年來生境退化的趨勢為極嚴重退化和無退化面積增加，高度退化、中度退化和輕度退化面積減小，說明山西省在道路和大型工程的建設周邊，生境退化嚴重，在生態環境較好的山脈和河流周邊，生境退化較緩慢甚至逐漸有改善趨勢。

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