基于InVEST模型的東北地區土地利用變化對生境的影響研究

楊志鵬, 許嘉巍, 馮興華, 郭蒙, 靳英華, 高雪嬌

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基于InVEST模型的東北地區土地利用變化對生境的影響研究

楊志鵬, 許嘉巍*, 馮興華, 郭蒙, 靳英華, 高雪嬌

東北師范大學地理科學學院, 長春 130024

生境質量是區域生態文明建設的重要內容之一。以東北地區為研究區, 基于2005、2010、2015年三期的土地利用數據, 對土地利用演變視角下的生境變化進行分析。結果表明: (1)2005—2015年, 耕地和建設用地分別增加0.77%和7.51%, 林地和草地分別減少0.30%和0.25%, 耕地有64.41%轉入面積來自林地和草地, 建設用地有85.21%轉入面積來自耕地和草地, 后五年的地類轉移程度大于前五年; (2)將生境質量由高到底劃分為優等、良好、中等、較差和差5個等級, 優等的生境質量面積減少0.93%, 差等的生境質量面積增加1.34%, 區域生境質量總體呈下降趨勢, 且2010—2015年的生境質量下降幅度大于2005—2010年的生境質量下降幅度; (3)生境質量高低與土地利用類型空間布局的相關性明顯, 研究區邊緣半環狀地帶的主要土地利用類型是林地和草地, 生境質量較高, 中部和東北部地區耕地與建設用地集中, 生境質量較低; (4)城市周邊和水域附近的生境退化度較高, 建設用地擴張和水域保護應引起重視。

土地利用變化; 生境質量; InVEST模型; 東北地區

1 前言

近年來, 人們對生態環境的重視程度不斷提高, 生態環境的保護被劃為生態文明建設的重要內容, 生境質量的高低是衡量生態環境好壞的重要指標。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[1], 可以在一定程度上反映出區域的生物多樣性[2], 與區域內的土地利用變化有著密切關系。土地利用變化蘊含了大量的人類活動信息[3], 反映區域內土地資源的特點和優劣勢, 影響著生境斑塊之間的物質流、能量流過程, 進而改變區域生境分布格局和功能[4]。不同土地利用類型反映著人類對土地的利用強度, 生境質量的高低與人類對土地的利用強度呈負相關, 土地利用強度增大, 生境質量隨之衰退[5–6]。由于自然條件的變化和人類活動的影響, 土地利用格局也發生著劇烈的變化[7], 進而會影響到區域的生境質量。基于土地利用變化對生境質量評價, 可以看出區域內土地的利用方式和利用程度是否合理, 生態環境的變化有何趨勢, 對區域內生態文明建設和土地的可持續利用具有重要意義。許多數字模型可應用在生境質量的評價上面, 如IDRISI軟件中生物多樣性評價模塊、生境適宜性模型HIS、InVEST模型等[8]。其中, InVEST模型具有空間分析能力強、評價結果精確度高、投入成本低等特點[9], 在生境質量評價方面得到了較多的應用, 所得結果更能準確的反映實際生態環境狀況。

近年來, 國內外許多學者基于InVEST模型對生境質量進行了評價, 研究了土地利用空間格局對生境質量的影響。Mdk等研究了加納和科特迪瓦不同時期內兩個國家基于土地利用變化的生境質量變化, 闡述了這兩個國家生境質量的總體概況[10]; 吳健生等利用InVEST模型分析了京津冀地區2000—2010年土地利用變化引起的生境質量的時空演變, 得到京津翼地區生境質量高低分布狀況, 分析了區域生境質量退化的原因[11]; 劉智方等以福建省為研究區, 利用InVEST模型分析土地利用變化引起的生境質量的時空變化, 并且結合社會經濟數據深入闡述了福建省生境質量變化的原因[12]。現有研究主要集中在建設用地擴張與區域生境質量之間的相互關系, 研究區域多為沿海地區或城市群系統; 而缺乏對國家生態屏障區多重土地利用類型變化下的生境質量總體考量與空間差異性比較。研究選擇林地和草地集中且對生態環境有重要影響、建設用地不斷擴張的東北地區作為研究對象, 可兼顧各種土地利用類型轉換對區域生境質量影響進行時空維度分析。

東北地區是我國重要的生態屏障區, 區內土地利用類型豐富, 林地、草地所占比重較大, 二者對生態屏障區生物多樣性、水源涵養等生態功能提升具有至關重要的作用。同時, 東北地區作為老工業基地, 近年來, 其經濟經歷了發展、衰落到振興的一個過程, 工礦業及城鎮化都得到發展, 土地利用格局發生了不同程度的變化[13]。2005—2015年間, 東北地區林地和草地面積呈減少趨勢, 分別減少了0.30%和0.25%; 耕地面積不斷增加, 增幅為0.77%; 建設用地迅速擴張, 增幅達8.56%。各地類面積的變化以及相互間的轉換, 使得生境狀況也發生著顯著變化。本研究從土地利用格局演變視角對東北地區的生境質量變化進行深入分析, 以期為東北地區土地的合理利用和生境質量的保護提供參考意見。

2 研究區概況

東北地區位于中國的東北部(115°E—135°E, 38°N—56°N), 是我國邊疆地區完整的自然地理單元, 在行政范圍內包括遼寧、吉林、黑龍江三省和內蒙古蒙東地區的五盟市, 即赤峰市、通遼市、呼倫貝爾市、興安盟和錫林郭勒盟。東北地區幅員遼闊, 占地約152萬平方千米, 總人口數超過2億。東北地區自南向北跨暖溫帶、中溫帶和寒溫帶, 自西向東從濕潤區、半濕潤區過渡到半干旱區, 氣候類型屬于溫帶季風性氣候, 四季分明, 夏季溫熱多雨, 冬季寒冷干燥。東北地區地形地貌多樣, 北部有大興安嶺和小興安嶺山脈, 東部有長白山山脈, 中部分布有松嫩平原和遼河平原, 西部則分布有呼倫貝爾草原。另外, 遼河、黑龍江、松花江等江河貫穿于東北大地。

3 數據來源與研究方法

3.1 數據來源與處理

本研究土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學中心, 選取的是2005, 2010, 2015年1:10萬的土地利用數據, 數據分辨率為1 km×1 km。用ArcGIS軟件加載土地利用數據, 對屬性表中的數據進行分類匯總, 將三級地類匯總為二級地類, 建立土地利用二級分類體系。通過ArcGIS軟件進一步對土地利用矢量數據進行重分類, 提取出耕地、城鎮用地、農村居民點用地、工礦用地的矢量數據作為InVEST模型影響生境質量的威脅源。

圖1 東北地區概況圖

3.2 研究方法

隨著社會經濟的快速發展, 東北地區土地利用格局在2005—2015年間發生了巨大變化, 通過ArcGIS軟件分析2005—2010年、2010—2015年間的土地利用格局變化。通過InVEST模型分別分析東北地區2005年、2010年、2015年的生境質量狀況。將土地利用格局變化的結果與生境質量狀況的結果進行分析, 研究二者之間的相關關系。

3.2.1 土地利用類型轉移網絡

運用ArcGIS軟件中的空間疊置功能, 分別對東北地區2005年與2010年、2010年與2015年的各土地利用類型的交互情況進行處理, 得到土地利用類型轉移矩陣。同時, 引入“土地利用轉移流”指標, 對各土地利用類型的“轉出流”、“轉入流”進行測算, 并借助社會網絡分析工具Ucinet軟件對其進行可視化, 理清東北地區各類用地的轉移交互方向和數量[14]。

式中,L為土地利用轉移流;L為轉出流;L為轉入流;L為土地轉移流凈值, 其值為正時, 表示凈流入, 其值為負時, 則表示凈流出。

3.2.2 生境質量模型

InVEST (Integrated Valua-tion of Environ-mental Services and Tradeoffs)模型是由美國斯坦福大學、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, 從生物多樣性的角度對生境質量進行量化評估[15–17](。該模型數據需求量相對較少, 計算結果可視性較強, 具有很強的空間分析能力[18–19]。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[20], 進而可以看出土地利用格局變化對生境質量的影響。

生境質量的分析是運用InVEST模型中的生境質量模塊進行的。這種分析方法的主要思路是不同的土地利用類型可能作為威脅源破壞生境質量, 將生境質量與威脅源建立聯系, 研究威脅源對生境質量的影響。基于威脅-暴露原理可知, 生境質量不僅與威脅源及其影響距離密切相關, 還與區域土地利用強度呈現出明顯的相關性。我們選取相應的土地利用類型作為威脅源, 不同的威脅源有不同的影響權重以及最大影響范圍。本研究參照肖明[21], 吳健生等[11], 陳妍等[22]的研究并結合現有數據及實地情況選取耕地、城鎮用地、農村居民點用地和工礦用地作為威脅源, 并參考模型推薦的數值[23]以及考慮實地情況對這四類威脅源的影響權重和最大影響距離進行賦值(表1)。

此外, 每種土地利用類型作為生境類型還與自身的生境適宜度和其對威脅源的敏感性有關。生境類型的適宜度越高, 其生境質量表現越優越。生境類型對威脅源的敏感性越強, 其抗干擾能力越低, 生境質量也會越差。通過參考模型的推薦值, 綜合相關文獻[24–26](Nelson E., 2009; 余新曉等, 2012; 白楊等, 2013)和相關專家的意見, 確定生境類型的生境適宜度和其對威脅源的敏感性(表2)。

表1 威脅源的權重和最大影響距離

表2 不同土地利用類型生境適宜度及其對各威脅源的敏感度

通過計算威脅源對生境的負面影響, 可以得到生境退化度, 將生境的退化度與生境的適宜情況進行綜合計算, 得到生境質量的高低。生境質量的衡量包含4個要素: 各威脅的相對影響、各生境對各威脅因子的相對敏感性、生境與威脅源距離及土地受合法保護的水平。生境對威脅因子的敏感度越高, 該因子對生境退化的影響越大, 假定柵格 x處的用地或生境類型為j, 則該點的生境退化度(Dxj)可表示為:

式中,為威脅因子,為威脅因子總量,為威脅因子柵格圖層中的單個柵格,Y為威脅因子圖層中的柵格總和,W為歸一化威脅權重,r用于判斷柵格是否為威脅因子的來源地,i為生境與威脅因子之間的距離函數,表示在社會、法律等保護狀態下威脅源到柵格的可達性水平,S表示土地覆被類型對于威脅因子的敏感性, 則處土地覆被類型的生境質量(Q)為:

式中,H為地類的生境適宜度,為半飽和常數, 通常取0.5。

4 結果與分析

4.1 土地利用變化分析

4.1.1 土地利用格局演變分析

東北地區耕地面積呈連續遞增趨勢, 2010—2015年間的耕地面積增加幅度大于2005—2010年間的增幅, 說明東北地區的耕地得到不斷地開墾。有研究表明, 東北地區氣溫呈增加趨勢, 使水田得到大面積開發[27]。林地面積不斷減少, 林地的減少集中分布在大、小興安嶺林區, 這與林業職工和部分外地人員伐林種地有關[27]。草地面積先增加后減少, 并且前五年增加幅度遠遠小于后五年的減少幅度, 整體呈減少趨勢。種植業短期內收益較高的利益驅動使得大量草地被開墾為耕地, 造成草地的減少。建設用地呈連續遞增趨勢, 前五年增幅小于后五年增幅。建設用地的增加與城市擴張有密不可分的關系, 后五年的城市擴張進程大于前五年。未利用地面積不斷減少, 很多未利用地被開墾為耕地(表3)。

表3 2005—2015年東北地區各土地利用類型面積(萬km2)

4.1.2 土地利用類型轉移變化分析

土地利用轉移網絡可以直觀具體地表明土地利用類型間的相互轉換情況, 有助于揭示一段時期內土地利用類型的轉移方向和空間演化進程。本文對東北地區2005年、2010年和2015年的土地利用數據進行處理后, 得到土地利用轉移網絡圖(圖2)。

圖2 不同時期東北地區土地利用轉移網絡(km2)

圖2(a)顯示, 2005—2010年間, 東北地區轉出最多的土地利用類型是耕地, 主要轉向了林地、建設用地和草地, 耕地的轉出受到退耕還林還草以及城市建設用地快速擴張的影響; 轉出面積次之的土地利用類型是未利用地, 主要轉向了草地和耕地; 林地和草地主要轉向了耕地, 說明林地和草地被開墾為耕地的現象較為嚴重。同時, 轉入最多的土地利用類型是耕地, 與東北地區耕地的增長現狀相吻合; 建設用地的轉入中71.5%的面積來自耕地, 說明城市的擴張占用的主要土地利用類型還是耕地。

圖2(b)顯示, 2010—2015年間, 草地轉出最多, 主要轉為了耕地和建設用地, 說明草地除了被開墾為耕地外, 還為城市的擴張提供建設用地; 轉出次之的未利用地主要轉為了耕地和草地; 耕地主要轉為了建設用地, 林地主要轉為了耕地。這五年內, 轉入最多的土地利用類型依舊是耕地, 建設用地轉入面積較2005—2010年有較大幅度增長, 表明城市擴張加劇; 建設用地的轉入有50%來自耕地, 33.4%來自于草地, 建設用地占用草地的現象在這一時期尤為明顯。

圖2(c)為2005—2015年間土地利用類型整體轉移情況。在這十年間, 耕地、林地和草地三種土地利用類型的轉入和轉出都較多, 這三種土地利用類型之間的轉移占明顯優勢; 建設用地的轉出較少, 轉入較多, 說明建設用地處在有一個不斷增長的趨勢; 相對于其他土地利用類型的轉移, 水域較為穩定, 轉出和轉入數量都相對較少。

4.2 生境質量分析

生境質量高低在InVEST模型中表現為0—1之間連續變化的值, 值越接近1, 生境質量越高, 土地開發利用強度越弱, 土地呈現出來的生態效益也就越好。土地開發利用強度越大, 便會導致威脅源的增多和威脅范圍的擴大, 進而使土地的生境質量降低。為更好地分析土地利用類型變化對生境質量的影響, 對生境質量值進行量化劃分, 在0-1的范圍內劃分為0—0.2, 0.2—0.4, 0.4—0.6, 0.6—0.8和0.8—1五個區間, 分別對應差、較差、中等、良好和優等五個等級的生境質量, 并統計了各個等級的生境質量所占的面積。

從時間變化來看, 生境質量差的區域面積先小幅度減少后大幅度增加, 生境質量較差的區域面積在十年內一直增加, 生境質量較差和差的區域面積總體呈增長趨勢, 后五年的增加幅度大于前五年; 生境質量優等和良好的區域面積總和在前五年基本保持沒變, 在后五年呈減少趨勢, 這表明東北地區的生境質量在不斷惡化, 并且后五年的惡化程度更為嚴重(表4)。

從空間格局來看, 生境質量優等區主要分布在地區邊緣地帶, 呈半環狀分布, 該地帶以林地為主, 生物多樣性豐富, 人類活動少, 生態保護程度較高; 生境質量良好區主要分布在研究區域西部以及生境質量優等區的周圍, 這些地區以草地為主, 生物多樣性較豐富, 生態良好; 生境質量中等區與東北地區的河流分布具有明顯的相關性; 生境質量較差區集中連片分布在研究區域的中部和東北部, 這兩個地區以耕地為主, 農村居民點集中分布, 人類活動產生較多干擾, 生態遭到破壞; 生境質量差區呈散點狀分布, 可分為兩類情況: 一類是區域內的大中小城市, 以建設用地為主, 生物多樣性單一, 人類活動頻繁, 干擾嚴重; 另一類是沙地、鹽堿地、裸土地等未利用地, 由于人為干擾、地形和氣候原因, 生態環境惡化(圖3)。

表4 2005—2015年東北地區各等級生境所占面積(萬km2)

圖3 東北地區生境質量空間分布

圖4 2005—2015年間生境質量變化情況

為更好地研究生境質量的變化, 將2005年、2010年、2015年三個年份生境質量圖分別疊加后相減, 得到2005—2010年、2010—2015年和2005—2015年三個時期的生境質量變化情況(圖4)。紅色區域是生境質量變差的區域, 藍色區域是生境質量變好的區域, 綠色區域是生境質量沒有發生變化的區域。從圖中可以看出, 2005—2015年間, 絕大部分區域的生境質量沒有發生變化, 變化區域零星存在, 生境質量變差的區域面積大于變好的區域; 在這十年間, 后五年生境質量變化的區域比前五年多, 尤其是生境質量變差的區域明顯增多, 說明后五年生境質量的變化更為劇烈, 生境質量下降也更為嚴重。2005—2010年間, 生境質量變差的區域集中分布在三江平原和內蒙古錫林郭勒草原, 這些地區過度墾殖、不合理利用土地導致草地和耕地的退化、沙化和鹽堿化。2010—2015年間, 內蒙古錫林郭勒草原仍存在大面積的生境質量變差現象, 草地遭到了嚴重的破壞; 三江平原和大興安嶺地區生境質量也在變差, 生境質量的保護重視度不夠。

東北地區生境質量整體上存在很大程度的下降, 生境質量下降的區域說明生態環境正在遭受破壞, 生境退化度可以反映出生境質量的下降程度。圖5表示東北地區2005、2010、2015年三個年份生境退化度情況, 從圖中可以看出, 生境退化度最高的區域出現在城市周邊和各個流域, 城市的擴張致使城市周邊的耕地和其他土地利用類型變為建設用地, 對生態環境的破壞最為嚴重, 尤其以沈陽、長春和哈爾濱三大中心城市為代表, 周邊的生境質量存在嚴重的破壞, 流域附近的生態環境比較脆弱, 受到外界干擾后容易被破壞, 生境退化嚴重; 生境退化度較高的區域集中分布在東北地區的中部和東北部, 這些地區地勢平坦, 土地利用類型以耕地為主, 分布有大量的居民點, 生態環境遭到破壞主要受人類活動的影響; 在東北地區的邊緣部分, 土地利用類型以草地和林地為主, 生境質量退化并不顯著。

5 結論與討論

本研究以東北地區為研究區域, 選取2005年、2010年和2015年的土地利用數據, 通過ArcGIS軟件分析處理得到2005—2015年間三個不同時期土地利用變化情況; 選取耕地、城鎮用地、農村居民點和工礦用地作為威脅源, 通過InVEST模型運算得到2005、2010和2015三個年份的生境質量和生境退化度情況, 進行深入分析。主要結論如下:

(1)2005—2015年, 東北地區耕地和建設用地呈不斷增長趨勢, 耕地和建設用地后五年增速明顯快于前五年, 而林地和未利用地總體呈不斷縮減趨勢; 耕地、林地和草地相互間的轉入和轉出最為活躍, 建設用地的轉入也比較多, 轉入的最大來源是耕地和草地, 轉出較多的土地利用類型還有未利用地, 大部分轉為耕地。

(2)東北地區的生境質量呈現中部地區低邊緣地區高的分布格局, 生境質量總體呈下降趨勢, 后五年的下降幅度快于前五年; 草原和平原上生境退化度較高, 城市的周邊以及流域附近生境質量的退化尤為明顯。

東北地區生境質量與土地利用類型存在顯著的相關性, 林地和草地的生境質量高, 而耕地和建設用地的生境質量低。隨著生產力的發展, 耕地和建設用地增加, 林地和草地減少, 土地利用格局發生了變化, 生境質量也隨之改變。

通過分析東北地區土地利用變化對生境質量的影響, 可得到優化東北地區土地利用格局和提升生態環境質量的啟示, 為東北地區生態文明建設、全力打造“五位一體”的區域發展格局作進一步探討。生境質量的降低與林地、草地的減少有密切關系, 應加大政策實施力度, 如建立“林長制”, 分區管理區域林地、草地等生境質量優質地區, 進一步完善生態屏障區資源保障責任體系; 進一步加強對土地利用類型間的轉換控制, 減緩轉換速度, 減少對生境質量好的土地利用類型的破壞, 防止區內生境質量的降低; 加強景觀斑塊連續性, 降低區域斑塊的破碎度, 形成地類的集聚分布, 對區域生態環境的保護有著重要的作用; 就生境退化度而言, 在城市的周邊以及流域附近生境質量的退化程度尤為明顯, 對城市的擴張要進行合理的規劃和控制, 對流域要進行特殊的保護, 獲得更大的生態效益。總之, 東北地區在未來土地利用格局規劃中, 要特別注意對林地和草地的保護, 合理控制耕地和建設用地的數量, 優化林地、草地、耕地、建設用地等景觀格局, 在追求經濟效益的同時也要注重生態效益, 做到人地系統協調發展。

本文僅從土地利用視角對生境質量進行分析, 得到了一些有益于區域生態文明建設的結論。但生境質量作為分析區域生態環境的重要方面, 其內容包含多個方面, 如: 水源涵養、水土保持、碳儲量等; 而威脅源不僅是人類經濟活動影響, 還包含了不穩定因素下的自然災害。多元生態功能下的生境質量綜合評價模型構建、多重威脅源影響下的生境質量變化如何將是今后需做改進和深入研究的方向。

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Effects of land use change on habitat based on InVEST model in Northeast China

YANG Zhipeng, XU Jiawei*, FENG Xinghua, GUO Meng, JIN Yinghua, GAO Xuejiao

School of Geographical Sciences, Northeast Normal University, Changchun 130024, China

Research on habitat quality is one of the important contents of regional ecological civilization construction. Taking Northeast China as the research area, this study analyzed habitat quality change in the perspective of land use evolution based on land use data of 2005, 2010 and 2015. The results are as follows. (1) From 2005 to 2015, cultivated land and construction land increased by 0.77% and 7.51%, respectively, while forest land and grassland decreased by 0.30% and 0.25%, respectively. 64.41% of the newly added cultivated land was transferred from forest land and grassland, and 85.21% of the newly added construction land was transferred from cultivated land and grassland. The degree of land type transfer in the last five years was significantly greater than that in the first five years. (2) The habitat quality was divided into 5 grades: excellent, good, medium, relatively bad, bad. The area of excellent quality habitat decreased by 0.93%, while the area of bad quality habitat increased by 1.34%. The overall quality of regional habitat was declining, and habitat quality decline in 2010-2015 was greater than that in 2005-2010. (3) The correlation between the quality of habitat and the spatial distribution of land use type was significant. The main types of land use in the semi-annular belt at the edge of the area were forest land and grassland, with better habitat quality; in the central and northeastern regions, cultivated land and construction land were concentrated, and habitat quality was lower. (4) Habitat degradation was high around the city and in the vicinity of waters. Expansion of construction land and protection of waters should be paid attention to.

land use change; habitat quality; InVEST model; Northeast China

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.018

X826

A

1008-8873(2018)06-139-09

2017-11-25;

2017-12-19

國家自然科學基金項目( 41171072; 41571078)

楊志鵬(1992—), 男, 碩士研究生, 從事土地利用變化研究, E-mail: yangzp315@nenu.edu.cn

許嘉巍, 男, 博士, 教授, 從事自然地理學研究, E-mail: xujw634@nenu.edu.cn

楊志鵬, 許嘉巍, 馮興華, 等. 基于InVEST模型的東北地區土地利用變化對生境的影響研究[J]. 生態科學, 2018, 37(6): 139-147.

YANG Zhipeng, XU Jiawei, FENG Xinghua, et al. Effects of land use change on habitat based on InVEST model in Northeast China[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 139-147.