基于InVEST 模型的永定區綠色基礎設施生境質量研究

余霽薇，朱深海

（吉首大學土木工程與建筑學院，湖南 張家界 427000）

城市，是以人類活動為中心的社會-經濟-自然復合生態系統［1］，城鎮化是現代化建設的重要一環，隨著社會經濟的快速發展和城鎮化進程的不斷深化，人們生活水平得到提高，不斷變化的土地利用方式和快速無序的城鎮化建設為發展提供了機遇，同時也導致了生態資源的大量消耗，各種建設用地侵占了開敞豐富的綠色空間，自然景觀被人為阻斷和破壞，生物棲息地不斷喪失，多樣性遭到破壞，人地矛盾也進一步加劇［2］。習近平總書記在十九大報告中提出“生態文明建設是實現中國夢的一個必不可少的條件”，同時還指出“人與自然是生命共同體，人類必須尊重自然，順應自然，保護自然”。近年來，學者們對綠色基礎設施的研究較多，其中，對生境質量以及生態退化評估成為了研究的熱點與難點。

綠色基礎設施作為20 世紀90 年代提出的一個以可持續發展為目標的理論，其組成不是單一的綠色空間，而是由綠道、河流、濕地、森林、公園、野生動物棲息地、自然保護區等開敞空間所組成的相互連接的網絡，綠色基礎設施在水源涵養、土壤保持、維護生態平衡、協調人與自然關系等方面具有重要作用。因此，對綠色基礎設施進行評估不僅可以評估人類活動對自然社會的影響，也可為城市建設及生態環境保護提供重要參考。InVEST 模型是基于ArcGIS 平臺，由自然資本項目支持，斯坦福大學與世界自然基金會（WWF）、大自然保護協會（TNC）聯合開發的，能結合傳統定量評估方法，對生態服務功能進行定量評估與空間表達，可模擬不同土地利用條件和覆被變化下生態服務功能的變化，并直觀地反映出生態服務功能在空間上的分布情況，是區域生態系統評估的有效手段［3，4］，同時，彌補了傳統評估方法在空間表達方面存在的不足。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

張家界市位于湖南省西北部，澧水中上游，是武陵山片區6 個中心城市之一，中國最重要的旅游城市之一，同時也是湘鄂渝黔革命根據地發源地和中心區域，具有優越的旅游資源和悠久的紅色歷史。永定區位于張家界腹地，湘西山區東北部，澧水中上游，屬武陵山脈主脈，南、西、北三面環山，中部地勢低平，成為一半環形山丘性盆地（圖1）。山形豐富，水系蜿蜒，其綠色基礎設施具有獨特優勢。山地城市地貌復雜，氣候水文多變，生態環境脆弱，適宜建設用地緊張，伴隨城市化的不斷深化及旅游產業的大力發展，城市建設用地需求不斷增長。在此背景下，更需要對其綠色基礎設施的生境質量以及生境退化情況進行評估，以進行科學有效的管理與保護，平衡開發利用強度和生態之間的矛盾。

圖1 永定區區位

1.2 研究方法

InVEST 模型中的生境質量模塊（Habitat quality）是陸地生態服務系統評估模型。該模型通過探究人類活動下生態脅迫因子對生態斑塊的影響程度，從而進一步評估研究區域生態質量。一般而言，生境質量的好壞與生境退化程度受人類活動、該區域土地利用情況、土地開發程度等因素的影響，生境退化及生態質量計算公式［5］如下：

式中，Dxj表示土地利用類型j 中柵格單元x 的總退化程度；y 表示威脅因子r 柵格圖所有柵格單元；Yr表示威脅因子r 柵格圖的柵格單元總數；Wr表示威脅因子r 的權重；ry表示每柵格單元上威脅因子個數；irxy表示威脅因子的脅迫程度；βx表示受法律保護程度；Sjr表示敏感程度［5，6］。

式中，Qxj表示生境質量；Hj表示土地利用類型j的生境適宜性；k 表示半飽和常數；z 表示歸一化常數，取值為2.5。

2 數據準備

選取《2017 年張家界市統計年鑒》以及2017 年張家界市土地利用數據，將其進行空間配準，通過ArcGIS 軟件進行計算，獲取2017 年永定區綠色基礎設施與人造地表數據，結果如圖2 所示。

圖2 2017 年永定區土地利用情況

利用ArcGIS 空間分析工具，得到永定區總面積為2 174.01 km2，其中，人造地表用地92.03 km2，占比為4.23%；綠色基礎設施用地2 081.97 km2，占比為95.77%（表1）。

考慮到綠色基礎設施和研究區土地覆被類型的實際情況，通過實地調研和相關學者研究案例，將農田與人造地表（居民點、交通用地等）作為研究區生境質量和生境退化的威脅源［7］，運用ArcGIS 空間分析工具Con 分別提取研究區農田類威脅因子（Cropland 圖層）和人造地表威脅因子（Impervious 圖層），結果分別如圖3、圖4 所示。將目標因子柵格圖層賦值為1，而對非目標因子柵格圖層賦值為0。

表1 2017 年永定區用地構成及占比

圖3 農田威脅因子柵格

圖4 人造地表威脅因子柵格

在該模型中，區域內生態系統與生態威脅因子，無論是呈指數相關（Exponential）還是線性相關（Linear），都表明了威脅因子與各地類斑塊間的空間耦合關系，即每個威脅因子影響生境質量的最大距離與衰退線性相關；而每一種地類斑塊都有著不同的生境適應性，并對生態威脅的敏感程度也有明顯差異。在模型中，每個土地覆被類型對威脅因子敏感度的取值范圍在0～1，取值越高，對于威脅因子的敏感度就越高，參考InVEST 模型使用指南《In-VEST 模型數據準備手冊》中的得分標準，參考國內外學者研究成果［8］，同時結合研究區實際情況，將威脅因子及威脅因子敏感度賦值，計算得到研究區域威脅因子（表2）與威脅因子敏感度數據（表3）。

表2 生態威脅因子

表3 威脅因子敏感度

3 結果與分析

生境質量指數是對研究區域內綠色基礎設施生境斑塊的生態適宜性以及退化程度進行評價的一個綜合性指標。生境質量分值的高低可以反映該研究區域內生境斑塊的破碎化程度，同時也可以體現除各斑塊受人為因素影響外斑塊抗干擾能力的高低［9］。

將永定區土地利用柵格、威脅因子柵格等數據導入InVEST 模型生境質量評估模塊中，運行模型，可以得出當前研究區域的生境質量（圖5）與生境退化（圖6）。利用ArcGIS 軟件重分類功能，將生境質量分為低（0～0.2）、較低（0.2～0.4）、中（0.4～0.6）、較高（0.6～0.8）、高（0.8～1.0）5 個等級。將生境退化指數分為基本無退化（0～0.02）、低退化（0.02～0.04）、中等退化（0.04～0.05）、嚴重退化（0.05～0.08）、劇烈退化（—0.08）5 個等級［10，11］。

由圖5、圖6 可以看出，永定區總體生境情況較好。生境質量指數高值區與較高值區域主要分布在大型山體和水體等自然資源豐富、人類活動較少地區。生境質量高值區占比最大，主要分布在森林資源與水體資源豐富地區；其次是生境質量較低地區，主要分布在永定區鄉鎮周邊；永定區城區及周邊鄉鎮等人類活動頻繁地區生境質量最差，由于城區發展較快，生產生活的開發建設逐漸向周邊擴散，侵占原有土地，吞噬了周邊生境質量較好區域。

圖5 永定區生境質量空間布局

圖6 永定區生境退化空間布局

同時，由于山地是永定區主要地形，林地所占比重較大，因此，無退化區域占比較大，整體情況相對穩定。此外，2017 年永定區生境嚴重退化和劇烈退化地區呈現出由中心向四周輻射的趨勢。永定城區作為區域發展中心、區域經濟增長高地，因此該區域的生態退化程度也高于其他地區。永定區山地較多，地形起伏大，給交通建設造成一定的阻礙，為了節約建設成本，交通用地大多分布在山地間相對平坦區域，這些區域受人類頻繁活動的影響，生態退化程度也相對較高。

綜上可知，即使永定區城區內澧水河穿城而過，天門山風景區屹立其中，但由于城鎮化不斷深化，建設用地需求擴張、城鎮建設速度加快、城區建筑施工、旅游資源的大量開發等導致裸露地面較多，水體受到了污染，綠色基礎設施生境質量迅速下降、生態退化程度加劇，生境也因為人類活動變得破碎化。同時，城市生態功能體系建設相對滯后，缺乏對綠色基礎設施的建設和保護，使得城區生態文明建設與可持續發展要求之間仍存在一定差距。

4 小結

InVEST 模型評估結合了RS 與GIS，在生態評估空間分析與表現上具有明顯優勢，是區域生態系統評估的有效手段，為合理利用自然資源、協調人類與自然關系和可持續發展提供了信息技術支撐，是政府、組織等進行決策和規劃的有效工具。

通過InVEST 模型對永定區綠色基礎設施生境質量進行評估，并分析空間分布規律，可以得知研究區域內綠色基礎設施生態質量整體上較好，而人類活動是生境退化的主要驅動因子。為更好地發揮永定區綠色基礎設施生態優勢，應加強對永定區城區及其鄉鎮開發建設強度的控制，加強監督與管理，維護生態系統的平衡與穩定，防止綠色基礎設施的生態遭到破壞。