基于InVEST模型評估土地整治對生境質量的影響

鐘莉娜，王 軍

（1. 中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京 100083；2. 國土資源部土地整治中心土地整治重點實驗室，北京 100035）

基于InVEST模型評估土地整治對生境質量的影響

鐘莉娜1,2，王 軍2※

（1. 中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京 100083；2. 國土資源部土地整治中心土地整治重點實驗室，北京 100035）

土地整治通過對土地資源及其利用方式再組織和再優化影響生境斑塊之間物質流、能量流的循環過程，從而改變區域生境質量和分布格局。該文以大安市土地整治重大項目為例，采用 I nVEST模型分析了土地整治對生境質量的影響。研究表明：1）土地整治前（2008年）、整治中（2011年）、整治后（2014年），耕地、草地和鹽堿地均為項目區的主要土地利用類型；2）土地整治后，大量的鹽堿地和草地轉變為耕地，耕地面積由整治前的14.43%上升到71.19%；3）土地整治中，項目區的生境質量得分由整治前的0.194下降到0.189，整治后又上升到0.214；4）土地整治工程改善了項目區的生境質量，但整治完成后生境質量改善效果經歷了先下降后上升的過程，在整治完成3～4 a時，生境質量僅比整治前提高了0.06左右，整治完成4 a之后，生境質量開始逐漸好轉。研究結果可為土地整治工作中的生境及生物多樣性保護工作提供科學依據。

土地利用；模型；土地整治；生境質量；影響；InVEST模型

0 引 言

當前，人類面臨著嚴重的生物多樣性危機，生境質量遭到破壞是生物多樣性保護工作面臨最嚴峻的挑戰之一[1-3]。生境質量是指生態系統提供適宜個體與種群持續發展生存條件的能力，可以在一定程度上反映出區域的生物多樣性狀況[4-5]。大規模人類活動引起的土地利用方式、強度及格局的改變會對生物生境質量產生重要影響，進一步影響區域乃至全球的生物多樣性狀況。生境質量評價對生物多樣性研究及其保護工作具有重要意義。

數字模型在評價生境質量現狀和預測未來生境分布方面優勢明顯[6]。國內外可進行生境質量評價的模型有很多，例如ARIES（Artificial Intelligence for Ecosystem Services）[7]、MIMES（Multiscale Integrated Models of Ecosystem Services）[8]和InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）[9]等。由斯坦福大學開發，大自然保護協會和世界自然基金會聯合支持的InVEST模型與其他模型相比具有應用成本低、評估精度高、空間分析功能強等特點[10-11]。InVEST模型的生境質量板塊中基于生境脅迫評估生境質量的方法被廣泛應用[12-13]。Terrado等[14]對比分析了InVEST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，研究表明二者之間存在顯著的相關關系。Leh等[15]利用InVEST模型評估了非洲西部地區的生境質量、碳固定等生態系統服務功能。褚琳等[16]采用InVEST模型研究了2000—2010年遼寧省海岸帶景觀格局與生境質量的變化并探討了變化的原因。

土地整治是緩解人地矛盾，實現社會、經濟、資源和生態可持續發展的基礎。2008年以來土地整治工作正式納入黨中央層面的戰略布局，中國開始大規模實施土地整治。土地整治已成為中國當前最大規模改變土地利用和生態系統的人類活動之一[17-19]。土地整治是對土地資源及其利用方式進行再組織和再優化的過程，土地資源及其利用方式的改變深刻影響了生境斑塊之間物質流、能量流的循環過程，從而影響區域生境的質量和分布格局[20]。 隨著土地整治的全面推進，土地整治對生境質量的影響越來越受到國內外專家學者的關注。為此，該文以大安市土地整治重大項目為例，基于InVEST模型分析了整治前中后項目區生境質量的時空演變，并以各子項目為研究對象分析了土地整治后不同年限生境質量的動態變化。研究將為土地整治工作中生物多樣性的保護以及生態安全格局的構建提供科學支撐。

1 研究區概況

大安市土地整治項目是吉林省西部土地整治重大項目區的重要組成部分。項目區地理位置為45°5′9″N～45°43′39″N，123°16′6″E～124°15′16″E，面積 1202 km2（圖1）；屬于干旱半干旱地區，四季分明，蒸發強烈，土壤鹽漬化現象比較嚴重。地處松嫩平原，地勢平坦，耕地后備資源和過境水資源豐富，是吉林省乃至全國最具農業發展潛力的地區之一。但項目區低洼易澇，出現了土地鹽堿化、濕地退化、湖泊萎縮等生態環境惡化問題，是中國典型的生態環境脆弱區。

大安項目區自2008年開始實施土地整治工程，整個項目區分為若干個子項目，各子項目土地整治工程實施的起止時間不同。各子項目整治完成的時間如圖1所示。不同時期完成子項目的面積及比例見表1。

圖1 項目區位置及子項目完成情況Fig.1 Location of project area and status of subprojects completion

表1 不同時期完成子項目的面積及比例Table 1 Area and proportion of completed subprojects in different stages

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究采用的主要數據是大安市土地整治項目區土地整治前（2008年）、土地整治中（2011年）和土地整治后（2014年）的1:10 000土地利用現狀圖。各土地利用現狀圖按照土地利用現狀分類標準[21]將土地類型劃分為二級地類。在以往研究[22]的基礎上同時考慮研究區面積及景觀破碎程度，基于ArcGIS10.0軟件平臺將土地利用矢量數據輸出為30 m×30 m的柵格數據，作為項目區生境質量的評價單元。

2.2 研究方法

2.2.1 基于InVEST3.3.0模型的生境質量評估方法

InVEST模型假定生境質量是一個連續變量，在進行生境質量評估時綜合考慮了土地利用方式和土地利用格局的影響。模型中，要獲取生境質量得分首先要計算生境退化程度。土地利用類型j中柵格x的生境退化程度計算公式為[23]

其中，Dxj為生境退化程度；R為脅迫因子個數；wr為脅迫因子r的權重；Yr為脅迫因子層在土地利用類型圖中的柵格個數；ry為土地利用類型圖中每個柵格上脅迫因子的個數；Sjr為j類型土地覆被對脅迫因子 r 的敏感性；irxy為柵格y中的威脅因子r對柵格x的影響；dxy為柵格x（生境）與柵格y（威脅因子）的距離，drmax為威脅因子r的影響范圍。βx為法律保護程度，該文不考慮法律保護程度因子，因此將βx設為1。

生境質量的公式基于生境退化程度Dxj，生境質量的計算公式為[23]

其中，Qxj為土地利用類型圖j中柵格x的生境質量；Hj為土地利用類型圖j的生境屬性。k是半飽和常數，k值一般設置為生境退化程度最大值的1/2。依據InVEST 3.3.0模型的使用說明，z值為模型默認參數，可設置為2.5[23]。生境質量得分值域為0～1（生境適宜度最高時生境質量得分為1，最低時生境質量得分為0）。

模型中需要根據研究區具體情況進行調整的參數主要包括威脅因子的最大影響距離及權重、各土地利用類型的生境質量及其對威脅因子的敏感程度。

2.2.2 專家打分法

模型在進行威脅因子的選擇時綜合考慮了模型的使用說明[23]、國內外相關學者研究[24-25]、地理學和生態學專家的意見和研究區的實際情況。因為鹽堿地是整治項目區生態脆弱的重要原因，耕地面積大、配套的設施農用地較多，鹽堿地和設施農用地對周邊土地利用生境質量的影響也不容忽視，所以將鹽堿地和設施農用地列入生境威脅因子。其他威脅因子為進行生境質量評估時用到的常規因子（表2）。

確定模型參數值時遵循以下原則[6,23]：

1）越接近自然的系統生境質量越高，城鎮、工礦用地、交通運輸等純人工環境生境質量為0，即不具備生境適宜性。

2）生態系統越復雜，自我修復能力越強，對威脅因子的敏感性越低。

3）參考使用說明中的模型參考值[23]以及相關文獻資料[6,26-28]，根據研究區的具體情況進行調整。

邀請20名專家在模型參數確定原則的指導下，根據項目區的實際情況對生境質量威脅因子影響距離、權重以及各土地利用類型對生境威脅因子的敏感度進行打分。計算得分均值得到生境質量威脅因子影響距離、權重和各土地利用類型對生境威脅因子的敏感度，具體數據見表2、表3。

表2 威脅因子最大影響距離、權重及其空間衰退類型Table 2 Maximum distance of influence,weight and type of decay over space of threat factors

表3 土地利用類型對生境威脅因子的敏感度Table 3 Sensitivity of land use type to habitat threat factors

3 結果與分析

3.1 土地整治前中后土地利用變化

土地整治前（2008年）、整治中（2011年）、整治后（2014年），耕地、草地和鹽堿地均為大安項目區的主要土地利用類型（表4 ，圖 2）。土地整治前，主要土地利用類型面積草地＞鹽堿地＞耕地，景觀破碎化程度較高，鹽堿地分布廣泛且分散。土地整治中，主要土地利用類型面積耕地＞草地＞鹽堿地。項目區東部土地整治一期工程竣工，一期工程內景觀破碎化程度明顯降低，且草地、鹽堿地面積迅速減少，耕地面積大量增加。土地整治后，主要土地利用類型面積耕地＞草地＞鹽堿地。經過土地整治，大量的草地和鹽堿地轉變為耕地，耕地面積比例由整治前的14.43%上升到71.19%。同時，整治后項目區的景觀破碎化程度明顯降低。

3.2 土地整治前中后生境質量的時空演變

基于InVEST模型的生境質量模塊得到大安項目區整治前（2008年）、整治中（2011年）、整治后（2014年）的生境質量空間分布。在ArcGIS10.0平臺上對生境質量進行重分類得到圖3，各生境質量等級的土地面積見表5。大安項目區的生境質量總體較差，主要是因為大安項目區生境質量較高的土地利用類型（如林地、草地等）面積較小且分布較為分散，耕地和鹽堿地的面積較大。鹽堿地土壤里面所含的鹽分會影響植物的正常生長，更適合耐鹽耐堿生物生存，耕地中作物種類相對單一，所以耕地和鹽堿地相對來說生境質量較低。另外，耕地和鹽堿地作為項目區生境質量的威脅因子會對周邊土地的生境質量產生負面影響。統計整治前中后生境質量的柵格平均值得到圖4。由圖4可以發現土地整治前中后，生境質量得分分別為0.194、0.189和0.214，生境質量呈現先下降后上升的趨勢。土地整治工程進行中，生境質量較整治前降低；整治工程完成后，生境質量有所回升。

土地整治前，68.71%的土地生境質量得分僅有0～0.1，生境質量得分在0.1～0.2之間的土地有14.78%，生境質量得分超過0.2的土地僅占16.51%。鹽堿地面積大（397.90 km2）、分布廣，是整治前生境質量低的主要原因。鹽堿地的鹽分多，堿性大，土壤腐殖質易遭到淋失，土壤結構差，土壤鹽堿化嚴重的地區植物難以生存。另外，鹽堿地降低了項目區生境質量較高區域的連續性，其邊際效應也導致周邊土地利用類型生境質量有所降低。草地是生境質量較高的土地利用類型，雖然此時項目區的草地面積也較大，但草地與鹽堿地交相分布，受鹽堿地的影響，草地的生境質量降低。

表4 整治前中后各土地利用類型面積Table 4 Land use area before,during and after land consolidation

圖2 整治前中后土地利用圖Fig.2 Land use map before,during and after land consolidation

圖3 土地整治前中后生境質量空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of habitat quality before,during and after land consolidation

土地整治中，生境質量得分在0～0.1之間的土地比例上升到了72.03%，項目區生境質量得分整體下降。究其原因，土地整治工程的實施需要一系列的工程配套設施用地，對周邊環境產生了劇烈的擾動，防護林等生態保護工程并不完善，導致此時項目區的生態系統處于不穩定階段，生境質量整體下降。

表5 不同等級生境質量土地面積及其比例Table 5 Area and proportion of land with different grades of habitat quality

圖4 整治前中后生境質量的變化趨勢Fig.4 Trends of habitat quality before,during and after land consolidation

土地整治后，生境質量得分在0～0.1之間的土地比例明顯下降，由整治前的68.71%下降到了54.62%。生境質量在 0.1～0.2之間的土地比例上升，由整治前的14.78%上升到了29.47%。總體來看，整治后項目區的生境質量有所改善。土地整治后，項目區的鹽堿地面積大量減少，由整治前的397.90 km2減少到了80.74 km2，大量的鹽堿地轉變為耕地，同時保留了一定面積的草地、林地以及濕地。另外，土地整治工程對項目區的土地利用格局進行了重新分配。土地整治通過對鹽堿地的改良和景觀格局的優化，改善了項目區整體的生境質量。

3.3 土地整治后不同年限生境質量動態變化

以大安市土地整治重大項目的子項目為研究對象，分析土地整治后不同年限生境質量的動態變化。不同時期完成的各子項目的面積、比例及空間分布見表1、圖1。統計項目區各子項目整治前后生境質量之差，得到土地整治完成后不同時間段生境質量改善情況的動態變化（圖 5），可以看出，與整治前相比，整治后生境質量明顯改善（差值均大于 0），但整治完成后生境質量改善效果經歷了先下降后上升的過程。土地整治工程結束初期，生境質量比整治前提高了0.13；在整治完成3～4 a時，整治后的生境質量與整治前相比提升值最低，僅有0.06左右；整治完成4 a之后，生境質量逐漸提高。

圖5 土地整治后生境質量的變化Fig.5 Change of habitat quality after land consolidation

土地整治過程中，大量的鹽堿地經過灌水洗鹽、洗堿淋洗鹽分離子等改良措施轉變為耕地，使生境質量較低的鹽堿地面積大量減少。同時，土地整治優化了項目區的土地利用格局，提高了項目區的土地利用效率。因此，土地整治工程結束初期，項目區的生境質量相比于整治前有了較大幅度提高。整治工程結束后，項目區土地投入使用，土地在使用過程中，會有少量經整治由鹽堿地轉變為耕地的土地在使用過程中重新鹽堿化，導致了項目區生境質量的降低。但土地整治項目后期的維護工作會對轉化為鹽堿地的耕地進行重新改良，增施有機肥，治鹽和培肥相結合，再次改善項目區的生境質量。

4 討 論

土地整治通過改變土地利用類型和土地利用格局影響項目區的生境質量。不同土地利用類型提供適宜個體與種群持續發展生存條件的能力有所差異；土地利用類型在空間上的配置不同，其生境質量得分也并不相同。另外，土地整治實施過程中對周邊土地利用的擾動也會對項目區的生境質量產生影響。在大力推進生態文明建設的背景下，研究土地整治對生境質量的影響對生物多樣性及生態環境的保護工作具有重要意義。

生境質量評價是InVEST模型支持服務模塊中的一個重要的子模塊。InVEST模型在空間表達、動態研究及生物量評估方面的優勢改善了傳統生態系統服務價值評估方法的缺陷，但模型本身仍存在不足之處。比如，在進行生境質量估算時，通過累加各脅迫因子對生境質量的影響估算項目區生境質量，但各脅迫因子對生境質量影響的簡單累加并不完全等同于各脅迫因子對生境質量的綜合影響，模型在應用過程中仍需進一步完善。另外，本研究僅從土地整治對土地利用方式的改變和土地利用格局優化的角度探討了土地整治對生境質量的影響，未考慮土地利用類型內部植被生長情況對項目區生境質量的影響。下一步研究在野外采樣、實際調研的基礎上，綜合考慮植被生長情況和土地整治方案等，分析土地整治對項目區生境質量及其他生態系統功能的長期影響。

5 結 論

1）耕地、鹽堿地和草地是項目區的主要土地利用類型。經土地整治，大量的鹽堿地和草地轉變為耕地。整治后，耕地面積占項目區總面積的比例由整治前的14.43%上升到71.19%，項目區的景觀破碎化程度明顯降低。

2）土地整治前-整治中-整治后，生境質量得分分別是0.194、0.189和0.214，生境質量呈現先下降后上升的趨勢，整治后的生境質量明顯高于整治前和整治中。

3）整治后0～6 a內的生境質量均優于整治前；土地整治完成后生境質量經歷了先下降后上升的過程。土地整治工程結束0～4 a內生境質量不斷下降；在整治完成3～4 a時，整治后的生境質量與整治前相比提升值最低，僅有0.06左右；整治完成4 a之后，生境質量開始逐漸好轉。整治完成3～4 a生境質量下降的主要原因是整治后的耕地在使用過程中重新鹽堿化，因此，需要強化土地整治項目后期的維護工作以促進生境質量的提升。

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Evaluation on effect of land consolidation on habitat quality based on InVEST model

Zhong Lina1,2,Wang Jun2※
(1. School of Land Science and Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2. Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation,Ministry of Land and Resources,Beijing 100035,China)

Land consolidation is a process of re-organization and re-optimization of land resource and its utilization. The change of land resource and its utilization has a profound influence on the circulation process of material flow and energy flow between habitat patches,thus changing the quality and distribution pattern of the regional habitat. Da’an City is located in the Songnen Plain,which is flat,and rich in cultivated land reserve resources and water resources,and is one of the most potential areas of agricultural development in China. This paper took the land consolidation major project area of Da’an City as an example,and analyzed the influence of land consolidation on habitat quality based on the model of InVEST(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs). The data used in the study was the 1:10000 land use map of the land consolidation project area in 2008,2011 and 2014,which represented the time before,during and after the land consolidation. Based on the ArcGIS 10.0 software,the land use vector data were output as the raster data of 30 m×30 m,which were used as the evaluation unit of the habitat quality of the project area. The results showed that:1) Cultivated land,saline alkali land and grassland were the main land use types in the project area. After land consolidation,a large amount of saline alkali land was converted into arable land,and the proportion of arable land area in the total area of the project increased from 14.43% to 71.19%. The degree of landscape fragmentation was significantly decreased after land consolidation. 2) The overall habitat quality of Da’an land consolidation project area was poor. The area of which the habitat quality score was between 0 and 0.1 accounted for 54.62%-72.03% of the land consolidation project area. The main reason for this phenomenon was that for the land use types whose habitat quality was higher,such as woodland and grassland,their areas were small and the distributions were dispersed;the areas of cultivated land and saline alkali land were larger,but the habitat quality of the 2 kinds of land use types was lower. 3) Before land consolidation,the score of habitat quality was 0.194;the score of habitat quality was reduced to 0.189 during land consolidation,and was increased to 0.214 after land consolidation. Before,during and after the land consolidation,the habitat quality showed a trend of first decreasing and then increasing. Saline alkali land is one of the threat factors of habitat quality,and its area in the former project area was large,which has a negative impact on the quality of the whole project area. The disturbance of human during the land consolidation project has reduced the habitat quality of the project area. After land consolidation,the score of habitat quality was increased to 0.214. The main reason was that the land use pattern has been optimized owing to land consolidation. At the same time,a large increase in arable land has made the grain production capacity of the project area increase significantly. 4) Overall,the land consolidation project has improved the habitat quality of the project area,but the habitat quality score has experienced a process of first decrease and then increase. In the 3-4 years after land consolidation,the quality of the habitat was the lowest since land consolidation completed,and it was only 0.06 higher than that before land consolidation. And then the quality of the habitat began to improve gradually. After land consolidation,there would be a small amount of arable land changed to saline land again,so the habitat quality of the project area decreased. However,the maintenance work would improve these saline alkali land and change them to arable land,so the quality of the habitat would rise again.

land use;models;land consolidation;habitat quality;effect;InVEST model

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.034

X826

A

1002-6819(2017)-01-0250-06

鐘莉娜，王 軍. 基于InVEST模型評估土地整治對生境質量的影響[J]. 農業工程學報，2017，33(1)：250－255.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.034 http://www.tcsae.org

Zhong Lina,Wang Jun.Evaluation on effect of land consolidation on habitat quality based on InVEST model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):250－255.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.034 http://www.tcsae.org

2016-06-02

2016-10-18

國家自然科學基金（41171152）

鐘莉娜，博士生，主要研究方向為景觀生態和土地整治。北京 中國地質大學（北京）土地科學技術學院，100083。Email：zhong_lina@163.com

※通信作者：王 軍，博士，研究員，主要從事景觀生態學、土地可持續利用與土地整治研究。北京 國土資源部土地整治中心土地整治重點實驗室，100035。Email：wangjun@lcrc.org.cn