基于InVEST模型的土地利用格局變化對區域尺度生境質量的評估研究
—— 以北京為例

陳妍　喬飛　江磊. 北京大學環境科學與工程學院, 北京 0087; . 中國環境科學研究院, 北京 000; 3. 北京市環境保護科學研究院,北京 00037; 4. 國家城市環境污染控制工程技術研究中心, 北京 00037; 5. 國家環境保護工業廢水污染控制工程技術(北京)中心, 北京 00037; ? 通信作者, E-mail: jiangle3657@sina.com

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基于InVEST模型的土地利用格局變化對區域尺度生境質量的評估研究
—— 以北京為例

陳妍1喬飛2江磊3，4，5，?，
1. 北京大學環境科學與工程學院, 北京 100871; 2. 中國環境科學研究院, 北京 100012; 3. 北京市環境保護科學研究院,北京 100037; 4. 國家城市環境污染控制工程技術研究中心, 北京 100037; 5. 國家環境保護工業廢水污染控制工程技術(北京)中心, 北京 100037; ? 通信作者, E-mail: jiangle3657@sina.com

為了探究城市化背景下土地利用格局變化對生境質量的影響, 應用 InVEST模型計算北京主要威脅源(城市、農村、主要交通干道、耕地)對生境退化的貢獻, 評估北京 1990—2010年的生境質量變化。研究結果顯示, 生境退化最嚴重的區域, 主要集中在海淀、朝陽、石景山和豐臺四區, 永定、潮白兩河以及海拔75~100 m 左右的平原-山區交界地帶。威脅源對生境退化的影響從大到小依次是耕地、城鎮用地、農村居民點以及主要交通干道。20年間, 耕地的貢獻率逐漸減小(從 77.79%降至 61.15%), 城鎮用地的貢獻率則從18.10%提高到 31.54%。1990—2000 年間, 生境質量在東城、西城外圍的海淀、朝陽、石景山、豐臺四區呈環形集中退化趨勢, 生境質量總值下降 2.3%。2000—2010年間生境質量在平原區呈現大范圍分散式退化趨勢; 在房山西部山區以及密云、懷柔、昌平、房山海拔 75~100 m 左右的平原-山區交界地帶呈現集中退化趨勢; 西北部和西部山區生境則得到明顯恢復。總體看, 第二個 10 年生境質量總值下降 1.2%, 退化程度較第一個 10 年有所減輕。未來的生境保護以及城市規劃應重點關注生境退化最為突出的平原與山區交界區域。研究結果對制定合理的土地利用政策以及保護生物多樣性具有一定的積極作用。

土地利用; InVEST模型; 生境質量

北京大學學報（自然科學版） 第52卷 第3期 2016年5月

Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 52, No.3(May 2016) doi: 10.13209/j.0479-8023.2016.057

當前物種滅絕速度已遠遠超過化石記錄, 因此全球生物多樣性喪失問題不容忽視[1]。陸地生態系統中, 以城市和農田擴張[2–4]為代表的土地利用方式改變會造成生物生境的破碎、退化和喪失[5–8],而這一過程已被認為是生物多樣性喪失的最大驅動力[9–10]。因此, 生境評價對研究生物多樣性及其保護工作有至關重要的作用。

目前, 生境質量評價多采用基于景觀格局的指標體系方法[11–17]和基于模型的方法[18–20], 且后者在預測未來生境分布[21]及保護區選址[22–24]等方面的作用尤為突出。基于模型的方法主要是分析物種的分布情況及其環境條件，以達到識別適宜生存環境的目的[25–27]。近年來的研究逐步將威脅源的分布也納入生境模型中, 并成為新的研究熱點。由美國斯坦福大學、世界自然基金會(World Wildlife Fund)和大自然保護協會(Nature Conser-vancy)共同開發的 InVEST (Integrated Valua-tion of Environmental Services and Tradeoffs)模型[28], 具有數據需求量相對較小、計算結果可視性強[29–30]等特點, 已逐步應用于相關研究。該模型涉及生境質量評價[31–37]、水源涵養[38]、供水量計算[39–40]、水體凈化[41]和土壤侵蝕[42]等生態系統服務的多個領

域[43–46]。InVEST模型中的生境質量模塊(Habitat Quality model)將土地利用/覆蓋圖與威脅源建立聯系, 根據不同生境對威脅源的響應程度, 評估不同景觀格局下的生境分布和退化情況, 計算得到的生境質量和稀缺程度可以反映該區域的生物多樣性。該方法所需的數據容易獲取, 可以替代物種調查等復雜方法, 對生境質量和數量的變化進行快速評價,確定保護的優先度, 因此該方法在物種分布數據缺乏的情況下極為有用。InVEST 模型最突出的優勢在于, 不但可以反映不同生境對于威脅源的響應程度, 還可評估威脅源間的相互影響。目前, 該模塊不僅用于生境質量評價[31]以及研究生境質量與其他生態系統服務間的相互關系[32–34], 還用于研究土地利用變化對生境質量的影響[35–36]。例如, Leh 等[36]研究了土地利用變化情況下加納和科特迪瓦兩個國家在2000, 2005和2009年的生境質量變化情況, 但由于研究區域城市擴張不明顯, 且研究尺度較大, 城市化過程并未得到體現。在模型的可靠性評估方面, Terrado[37]等將該模型中生境質量模塊的計算結果與生物多樣性觀測的結果進行對比, 結果顯示二者之間呈顯著的相關關系, 進而證明了該方法的可 靠性。

作為中國的首都和國際大都市, 北京正處于高速的發展階段。過去幾十年中, 顯著增長的城市用地面積無疑給生境質量帶來了巨大壓力, 但目前該領域的研究尚不充分。本文通過分析 1990—2010年北京土地利用格局的變化, 并借助 InVEST 生境質量模型, 評估了 1990, 2000和 2010年生境退化程度和生境質量變化情況, 識別出了生境保護需要關注的敏感區域, 以期為未來建設用地的規劃提供建議。

1 研究區域

北京位于華北平原西北部(115.7—117.4°E, 39.4—41.6°N), 面積 16410.54 km2。地勢西北高聳,東南低緩: 西部的西山和北部的軍都山在南口關溝相交, 東南是一片緩緩向渤海傾斜的平原(圖 1)。全市平均海拔 43.5 m, 平原的海拔高度為 20~60 m,山地一般海拔 1000~1500 m。北京屬典型的北溫帶半濕潤大陸性季風氣候, 四季分明, 春秋短促, 冬夏較長。年降水量約 600 mm, 降水季節分配不均勻, 全年降水的 80%集中在 6—8 月。

2　研究方法

2.1 土地利用數據

土地利用數據選取1990, 2000和2010年中國科學院資源環境科學數據中心 1:10 萬的土地利用數據。根據研究區實際情況建立土地利用二級分類體系(表1)。運用ArcGIS軟件將1990和2000年以及2000和2010年兩組數據分別疊加, 獲得土地利用類型轉移矩陣。

2.2 生境質量計算方法

運用 InVEST 模型中的生境質量模塊(Habitat Quality Model)對北京生境質量進行分析。該方法的核心是將生境質量與威脅源建立聯系, 即通過計算威脅源對生境的負面影響, 得到生境的退化程度,進而通過生境的適宜情況和退化程度計算生境質量。模型運行前, 所有的土地利用數據以及威脅源數據都需要柵格化處理。

InVEST 模型中的生境, 指被物種所占有的可以為其提供資源和生存及繁育條件的空間[47]。用戶可在土地利用類型中選取所需的類型定義為生境。人類活動對生境產生的影響通過生境退化度體現, 即威脅源對生境造成的退化程度。本研究將城鎮用地、農村居民點、主要交通干道和耕地定義為生境的威脅源。生境退化度由 5個因素決定: 不同威脅源權重(ωr)、威脅源強度(ry)、威脅源在生境的每個柵格中產生的影響(icxy)、生 境抗干擾水平(βx)以及每種生境對不同威脅源的相對敏感程度(Sjr)。5 個影響因素的取值皆在 0~1 之間。生境類型 j 中柵格 x 的退化度可由式(1)和(2)計算得到, 其中假設威脅源產生的影響隨距離加大呈線性衰減趨勢。

表1　土地利用分類體系Table1 Land use classification scheme

其中, r為生境的威脅源, y為威脅源r中的柵格, dxy為柵格x(生境)與柵格y(威脅源)的距離, dr max為威脅源r的影響范圍。

生境質量指環境為個體或種群的生存提供適宜的生產條件的能力。生境中每個柵格的生境質量由兩個因素決定: 1) 自身作為生境的適宜情況, 即生境適宜度, 取值范圍介于 0~1 之間,1表示該生境具有最高適宜度, 相反非生境取值為 0; 2) 式(1)中計算的生境退化度。生境質量計算公式如下:

其中, Hj為地類 j的生境適宜度; Dxj為地類 j中柵格x的生境退化度; k為半飽和常數, 即退化度最大值的一半; z為模型默認參數。

模型中涉及的主要參數包括威脅源影響范圍及其權重、生境適宜度及生境對各威脅源的敏感程度,參數值分別列于表2和3。表2中參數來源于模型推薦的參考值,表3中參數的確定參考了模型推薦的參考值及文獻[44, 46–51]。

表3中生境適宜度以及敏感程度的確定遵循以下原則。

1)《北京城市總體規劃(2004—2020 年)》中大片林業用地、自然保護區等區域被劃定為重要物種棲息地和自然生態系統保留地, 主要河流作為生態通道體系。因此, 本研究將林地、河渠、湖泊及水庫的生境適宜度定為 1。至于其他生境, 越接近自然的系統生境適宜度越大, 相對復雜的系統擁有相對較大的適宜性, 純人工環境不具備生境適宜性。因此, 草地為 0.7~0.8, 灘地和水田為 0.6, 農田為0.4, 其余用地類型為0。

2) 以模型推薦值為基礎, 為林地、草地、水體和農田四大類生境的敏感性賦值。由于復雜的生態系統具有更強的自我修復能力, 所以針對不同覆蓋度的林地、草地, 按照系統越復雜敏感性相對越低的原則進行相應調整。

表2　威脅源的影響范圍及其權重Table 2 Maximum distance over which each threat affects habitat quality and its weight

表3　生境適宜度及其對不同威脅源的相對敏感程度Table3Habitat types and sensitivity of habitat types to each threat

3 結果分析與討論

3.1 土地利用變化分析

北京主要的土地利用類型按面積從大到小依次為林地、耕地、建設用地、草地、水域以及裸地。1990—2000 以及 2000—2010 年土地利用轉移矩陣計算結果如表4所示。

由表4可以得到以下結論。

1) 建設用地是所有土地利用類型里擴張最明顯的, 1990—2000 年間, 耕地向建設用地轉換4.56%的面積, 甚至 0.12%的森林也轉換為建設用地, 而建設用地并沒有向其他類型轉換。2000—2010 年間, 建設用地占用耕地的面積比例逐步縮小, 但耕地仍然是建設用地增加的主要來源。

2) 耕地面積比例在 20年間顯著下降(35.8%→30.3%→24.59%), 變化幅度在所有土地利用類型中最為顯著, 耕地的減少在第一個 10 年中主要在于向建設用地的轉移, 在第二個 10年中除向建設用地轉移外, 也向森林轉移。

3) 森林面積在研究期內持續增加(44.39%→45.11%→46.75%), 且第二個 10 年的增幅高于第一個 10 年, 增加的面積主要來自草地和耕地的轉換。

4) 草地面積小幅下降, 但在第二個 10 年草地和林地有明顯相互轉換的現象。

5) 水體和裸地面積未出現大幅度變動。

3.2 生境退化度

1990, 2000和2010年生境退化度如圖2所示。結合圖1可知, 東南部平原區內, 生境退化度分值最高的是中心城區外圍, 即東城、西城周邊的海淀、朝陽、石景山、豐臺四區, 房山和大興交界處的永定河, 以及流經密云、順義的潮白河。1990年城區周邊退化度最高, 2000及2010年中心城區周邊退化度有減弱的趨勢, 但平原區其他地區的生境退化程度明顯, 特別是石景山區與海淀區的交界處以及房山區東部。除平原區外, 平原-山區交界處的生境退化程度也十分突出。1990和2000年, 交界處的生境退化主要集中在昌平和懷柔和密云高程為75~100m左右的地帶。房山區東部的生境并未出現明顯的退化,但2010年房山區東部生境退化度明顯增加。2010年紅色區域(表示生境退化高)在平原-山區交界處幾乎連為一線, 意味著北京75~100 m高程范圍內幾乎所有生境都出現較嚴重的退化, 特別是懷柔、昌平、石景山和房山四區。此外, 西北和東北部的延慶和密云也有不同程度的生境退化情況。延慶縣在 20 年間生境退化程度明顯加劇, 相反, 密云的生境退化程度則顯著減輕。

表4　土地利用轉移矩陣Table4 Land use change matrix %

城市和農村建設用地、耕地以及主要交通干道對于生境退化度的貢獻如圖 3所示。在4個威脅源中, 雖然耕地對生境退化度的貢獻率從 77.79%下降至 61.15%, 但其一直是對生境退化影響最大的威脅源; 城市建設用地和農村居民點對生境退化的貢獻逐年增加, 且城市的貢獻顯著上升, 從 1990年的18.10%提高至2010年的31.54%;與其他3個威脅源相比, 主要交通干道的對生境退化的貢獻并不顯著。

3.3 生境質量變化情況

為了判斷生境質量的變化情況, 將3個時期的生境質量地圖相減得到圖4。圖4中綠色部分是生境質量上升的區域, 紅色部分是生境質量退化的區域, 黃色部分是生境質量未發生改變的區域。

結合圖1可知, 1990—2000年間, 生境質量下降的范圍是中心城區外圍區域以及延慶縣的平原區; 2000—2010年間, 生境質量降低的區域基本上覆蓋東南大部分平原和西南部山區, 以及昌平、懷柔、密云、房山海拔 75~100 m的平原-山區交界處, 房山以及平原-山區交界處的生境質量下降尤為顯著。

從生境質量好轉情況看, 1990—2000年間, 除密云水庫附近、延慶及昌平的平原與山區交界處外, 其余區域生境質量提升不明顯; 2000—2010年間, 生境質量改善明顯優于第一個10年, 特別是西北部延慶、懷柔、密云山區生境質量恢復顯著。

3.4 討論

生境質量受生境適宜度以及威脅源兩個因素的共同作用。綜合生境退化度以及生境質量的計算結果來看, 1990—2000年間, 生境質量的退化主要是中心城區建設用地向外圍集中擴張造成的。圖4中深紅色區域直接反映原有生境被建設用地取代, 即生境的喪失; 紅色變淺的區域是受到城市威脅源的影響而質量降低的生境。由圖2可知, 威脅源的影響范圍主要是東南部及西北部延慶的平原區, 因此, 東北部密云地區生境質量的明顯增加主要由耕地和草地向水體的轉換造成, 這是因為與前兩者比較, 后者具有更高的生境適宜度; 延慶以及昌平的平原與山區交界地帶生境質量好轉是由林地增加做出的貢獻。2000—2010 年間, 平原區生境質量退化問題由中心城區周邊擴散至整個平原區, 但強度有所下降。原因是大面積耕地被建設用地占據, 原有的分散分布的生境被非生境替代,非生境又作為威脅源影響周邊的生境。大部分山區基本不受威脅源的影響, 西部及北部山區延慶、懷柔和密云境內生境質量發生明顯提升的原因是山區中大面積草地及小面積耕地轉換為林地的貢獻; 西南部房山一帶的山區卻因為林地退化為草地, 使得生境質量明顯退化。山區與平原交界處的昌平大部及懷柔西南部生境存在明顯的退化, 這是由該區域林地退化成草地, 加上作為威脅源的建設用地在平原區的分散式擴張引起的。綜上所述, 平原區建設用地的擴張直接導致原有生境的喪失及破碎化, 大大減小了生物的生存空間, 同時, 排放的污水、固廢以及廢氣等, 也給周邊的動植物造成負面壓力。山區方面, 房山的生境質量下降最為顯著, 林地生態系統退化為相對簡單的草地生態系統, 直接導致生境質量降低。相對而言, 延慶、懷柔和密云境內的植樹造林工作, 有利于生境質量的提升。

目前北部山區的生境情況已得到明顯恢復, 但山區與平原的交界處存在較大風險, 南部山區同樣面臨威脅, 是未來城市規劃需要重點關注的生境保護的敏感區域。《北京城市總體規劃(2004—2020 年)》將北京市域內海拔100~300 m的區域劃定為淺山區, 即平谷、密云、懷柔、昌平、門頭溝及房山的山區-平原交界處。關于北京淺山區的土地可持續利用問題, 俞孔堅等[52]認為, 隨著城市規模的不斷擴大, 淺山區已經開始承受一定的壓力, 或極有可能受到城鎮化影響。本文的結論恰好印證了這一觀點。《北京城市總體規劃(2004—2020 年)》強調需“嚴格控制淺山區開發建設”, 但從本文的研究結果看, “控制開發建設”這一舉措并未有效地保護淺山生境。原因有兩個: 首先, 昌平和懷柔淺山區出現林地轉換成草地的現象, 雖然不是建設用地開發造成的, 但由于生境適宜度的下降, 使得生境質量降低; 第二, 控制開發的范圍僅限于淺山區本身, 而未對其威脅源進行控制, 雖然該規劃中提出要建設沿六環路的市區綠化隔離帶, 但該隔離帶并不能阻隔威脅源對北部淺山區的影響。綜上, 北京山區的植樹造林已經取得良好的效果, 但在今后的生態建設工作中, 不但需繼續保持并加強山區植樹造林工作, 還應給予海拔低、可達性優、相對于山區來說面臨著更大潛在威脅的淺山區充分的重視, 在嚴格限制淺山區開發的同時, 加強平原區的生態緩沖區建設。

就基于 Invest 模型的生境質量評價方法而言，未來可以開展針對該方法的參數改進研究。目前, 關于威脅源的影響范圍和強度以及生境敏感性等參數的設定, 沒有統一的方法, 在一定程度上給不同地區研究的對比造成困難。因此, 在今后的研究中, 應關注關鍵參數的確定方法。

4　結論

1) 北京 1990—2010 年間, 建設用地和林地呈現明顯的凈增長態勢, 增長比例分別為 8.62%和2.36%, 耕地比例減小 11.21%。第一個 10 年中, 土地利用總變化與凈變化的絕對值差距不大, 分別為13.92%和 12.42%, 但第二個 10 年中的置換過程非常明顯, 特別是林地、草地以及耕地三者的置換率分別達到 13.52%, 11.12%和7.66%。

2) 生境退化最嚴重的區域主要集中在城市周邊的海淀、朝陽、石景山、豐臺四區, 永定、潮白兩河, 以及海拔 75~100 m左右的平原-山區交界地帶。2010年, 城市周邊退化問題較1990和2000年有所緩解。威脅源對生境退化的影響從大到小依次是耕地、城鎮用地、農村居民點以及主要交通干道。20 年間, 耕地的貢獻率從 77.79%下降至61.15%, 城鎮用地則從18.10%提高31.54%。

3) 1990—2000 年間, 海淀、朝陽、石景山、豐臺四區的生境質量大幅下降, 延慶、昌平、順義、房山等區的局部地區小幅降低, 而在密云水庫、昌平及延慶山區則明顯上升, 全市范圍內生境質量總值下降 2.3%。2000—2010 年間, 該值在密云、懷柔、昌平、房山海拔75~100 m左右的平原-山區交界地帶以及房山西部山區顯著下降, 在平原區呈現分散式下降的態勢, 而西部和北部山區生境得到較大范圍的恢復。10 年間, 生境質量總值下降1.2%。

4) 從生境質量情況看, 除北部的延慶、懷柔、密云外, 北京生境面臨的風險不容樂觀, 東南部平原生境質量下降顯著, 而這種趨勢已經蔓延至平原-山區交界地帶, 且該區域生境退化問題較尤為突出, 因此在未來城市規劃與生境保護過程中應予以重點關注。

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Effects of Land Use Pattern Change on Regional Scale Habitat Quality Based on InVEST Model—a Case Study in Beijing

CHEN Yan1QIAO Fei2JIANG Lei3，4，5，?
1. College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871; 2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012; 3. Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection, Beijing 100037; 4. National Engineering Research Center of Urban Environmental Pollution Control, Beijing 100037; 5. State Environmental Protection Engineering (Beijing) Center for Industrial Wastewater Pollution Control, Beijing 100037; ? Corresponding author, E-mail: jiangle3657@sina.com

To study the effects of land use pattern change on habitat quality in the background of urbanization, InVEST model was applied to calculate the contributions of habitat threats (urban area, rural construction area, main roads and agriculture land) to habitat degradation, and to assess habitat quality changes between 1990 and 2010 in Beijing. The results showed that the most severe habitat degradation problems occurred in Haidian, Chaoyang, Shijingshan and Fengtai districts, Yongding River, Chaobai River, and the mountain-plain border area (at an elevation about 75 – 100 m). Agriculture lands had the largest effect on habitat degradation, followed by urban areas, rural construction areas and main roads. During these two decades, the contribution of agriculturelands decreased from 77.79% to 61.15%, but the contribution of urban areas increased from 18.10% to 31.54%. Between 1990 and 2000, habitat quality declined dramatically in Haidian, Chaoyang, Shijingshan and Fengtai districts, which were located at the rim of Dongcheng and Xicheng districts. The total habitat quality value decreased by 2.3%. During 2000 and 2010, the deterioration of habitat quality expanded to most of the plain areas. In the mountain area of Fangshan and the mountain-plain border area (at an elevation about 75-100 m) in Miyun, Huairou, Changping and Fangshan, the value decreased significantly. However, habitat quality had been restored notably in northern and western mountain areas. The total habitat quality value declined by 1.2%, which indicated that habitat deterioration had been mitigated to some extent compared with the last decade. For habitat conservation and urban planning in the future, more attention should be paid to mountain-plain border areas. The current study played an active role in land use policy-making and biodiversity conservation.

land use; InVEST model; habitat quality

X826

國家自然科學基金( 71173013, 41071074)資助

2015-02-12;

2015-04-30; 網絡出版日期: 2016-05-17