基于FLUS-InVEST模型的中山市生境質量時空分異特征

馮文彬, 林媚珍,*, 龔建周,*, 趙家敏, 鐘亮, 劉漢儀

基于FLUS-InVEST模型的中山市生境質量時空分異特征

馮文彬1, 林媚珍1,*, 龔建周1,*, 趙家敏2, 鐘亮1, 劉漢儀1

1. 廣州大學地理科學與遙感學院, 廣州 510006 2. 廣東省城鄉規劃設計研究院有限責任公司, 廣州 510290

伴隨城市的快速發展, 土地利用格局也隨之發生變化, 對城市生境質量造成顯著影響。探究在生態文明建設及生態宜居城市建設下的中山市生境質量的時空分異特征, 運用FLUS及InVEST模型評估中山市1995—2026年土地利用、生境質量及生境退化時空分異特征。研究顯示: (1)1995—2018年期間中山市土地利用以向建設用地轉化為主, 其中2000—2010年期間的土地利用變化速度是研究期間內變化最明顯的。(2)2000—2010年生境質量變化是研究期間內最明顯, 生境質量下降的面積達18.98%, 而1995—2000年間生境質量上升最明顯; 中度及以上退化地區面積自1995年逐步上升, 并于2010年后逐步穩定在12%左右。(3)通過分析得出中度及以上生境退化區主要分布在建設用地緩沖區0—300米、坡度在0—6°地區, 由此得出2026年生境主要退化地區, 為進一步的生態規劃提供一定參考價值。

生境質量; 生境退化; FLUS模型; InVEST模型; 中山市

0 前言

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的能力, 它反映區域生物的多樣性狀況[1-3]。隨著城市化進程的加速, 城市擴張激化社會發展中資源匱乏與自然資源保護之間的矛盾[4-6]。而城鎮化帶來土地利用類型的改變, 則驅使原有生境破碎化、功能退化乃至喪失, 是生物多樣性降低的主要原因[7-9]。因此對未來生境質量及生境退化的預測將能在一定程度上為區域生態環境可持續發展提供參考依據[10-11]。

隨著3S技術的發展, 生態評估模型的出現使生境評估向定量化、精細化、可視化發展, 主要的評估模型有InVEST模型[10,12]、HSI模型[13]、MAXENT模型[14]、SolVES模型[15]等。其中InVEST模型以數據需求小、成本投入低、空間分析能力強等優點而得到廣泛運用, 對評估生境有一定的可靠性[10]。基于該模型學者開展相關研究, 如陳妍等[16], 張華等[17]分別以時間序列對北京市和祁連山國家公園的生境質量及其退化特征、趨勢進行探討, 劉智方等[18]研究福建省生境質量時空變化及其變化的驅動力。但當前對生境質量的研究主要以歷史序列為主, 對于未來生境質量及其退化的關注較少, 更缺乏對未來生境退化主要區域的挖掘。

自20世紀90年代以來, 以數學模型為基礎的土地利用模擬預測模型愈發成熟, 模擬效果較好受到學者關注[19]。但此類模型也存在一定的局限, 如CLUE-S模型需借助其他模型對未來土地需求面積進行預測且主觀性較強[20], 基于二維規則轉化的CA模型在城市模擬中的真實性有所欠缺[21], 而劉小平提出的FLUS模型整合了人工神經網絡算法和輪盤賭的自適應慣性競爭機制, 有效處理了自然與人文因素下土地轉化的不確定性與復雜性, 解決了上述問題且所得結果與實際情況接近[22]。生態保護和規劃要有前瞻性, 需要對未來主要的生境退化地區做出預判, 可通過模擬預測的方法判斷未來生態可能出現的問題。

中山市作為珠江出海口城市之一, 生態結構復雜且豐富, 孕育出基塘系統, 是典型的江河入海口城市; 同時作為粵港澳大灣區重要一員, 素來以綠色宜居城市聞名。但伴隨著經濟發展, 中山市在近年城鎮化的快速發展下生態問題愈發嚴重, 生境質量發生改變。因此本文選取中山市作為研究區, 探討快速城鎮化的典型區域其生境質量及退化度的變化特征, 為進一步的生態規劃提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

中山市域面積1800 km2, 下轄15個鎮8個街道, 常住人口440多萬, GDP總值超3000億元, 以二、三產業為主; 位于粵港澳大灣區的中南部(22°11′N—22°47′N, 113°09′E—113°46′E)。北通廣州市和佛山市順德區, 西接江門市、珠海市斗門區, 東南連珠海市, 毗鄰港澳, 地理位置優越。全境在北回歸線以南, 年均氣溫22℃, 光熱充足, 雨量充沛, 屬亞熱帶季風氣候, 以熱帶季雨林為主; 地形以沖積平原為主, 平原分布著水稻土和基水地, 形成四周平坦, 中南部以五桂山、竹嵩嶺等山脈突起的地勢特征。中山市素來以綠色宜居、“小而美”聞名海內外, 先后獲得聯合國人居城市、全國文明城市、國家園林城市等榮譽, 正構建粵港澳大灣區最具特色生態宜居城市以及融入珠三角國家森林城市建設中。

1.2 數據來源

中山市1995、2000、2010年、2018年四期土地利用數據、行政邊界均來源中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn), 其中土地利用類型劃分為6類, 空間分辨率為30 m×30 m; 中山市自然保護區區劃圖數據來源中山市自然資源局(城市更新局)政務網(http://www.zs.gov.cn/zrzyj); 高程數據來源于地理空間數據云平臺(http://www. gscloud.cn), 空間分辨率為30 m×30 m; 道路交通數據來自OpenStreetMap網站(https://www.open-streetmap.org)的主要道路、二級道路、三級道路及鐵路數據; 統計數據來自中山市統計年鑒。

1.3 研究方法

1.3.1 生境質量評估

采用Invest模型的生境質量模塊計算中山市多時相生境質量, 計算公式如下[23]:

Figure 1 Zhongshan city location map

式中,Q為土地利用中柵格的生境質量, 其值域范圍為0—1, 值越高則表示生境質量越好, 反之則越差;H為土地利用的生境適宜度;為歸一化指數, 一般取模型的默認值,為半飽和常數[24-25],的取值為退化度最大值的一半[16];D為生境退化程度, 生境退化程度通常與土地利用類型相關。本文共選取耕地、林地、草地、水域、建設用地以及未利用土地6項一級土地利用類型, 作為生境威脅因子計算生境質量。相應地, 生境退化程度計算公式如下:

式中,D為生境退化程度;為脅迫因子個數, 即本文的土地利用類型數6種;W為脅迫因子的權重;Y指的威脅柵格圖上的一組柵格;r為脅迫因子強度;i為脅迫因子對生境的脅迫水平;β為法律保護程度;S為土地利用類型對威脅因子的敏感性;為柵格[26]。其中模型中各項參數等參考前人對該區域或臨近區域的研究設定[27]。

1.3.2 基于FLUS模型的土地利用情景模擬

FLUS模型是用于模擬人類活動與自然因素影響下的土地利用變化或未來土地利用情景的模型[28]。模型采用神經網絡算法(ANN)從土地利用數據及各項驅動因子(地形、交通、經濟等), 以隨機采樣或均勻采樣的方式計算得出研究區內的土地適宜性概率。再由土地利用適宜性概率加以各項迭代模擬參數(土地利用類型轉移成本矩陣、模擬土地利用類型面積、領域因子等), 運行元胞自動機(CA)得出模擬土地利用類型。

模型整合了人工神經網絡(ANN)算法和輪盤賭的自適應慣性競爭機制, 能夠很好的用在自然與人類活動共同作用下土地利用變化類型相互轉化的不確定性與復雜性, 所得結果與實際土地用途相接近, 并能用Kappa指數進行驗證有效性[19,29]。

2 結果與分析

2.1 基于FLUS的土地利用時空演變

2.1.1 土地利用模擬預測

基于FLUS模型, 以2010年土地利用數據為基礎, 模擬2018年土地利用數據。通過多種因子對比發現道路因子與城鎮發展、規模較相似, 故本文著重以道路因子作為參照。選取高程、坡度、坡向、到市中心的距離、到城鎮中心的距離、到主要、二級、三級道路、鐵路的距離以及GDP分布10項驅動因子, 同時以河流、水域為限制因子進行模擬。所得出模擬數據與真實2018年數據在10%隨機采樣模式中的總體精度達到0.91, Kappa系數為0.88, 大于0.80, 模擬效果較好, 可信度高[3]。同時FOM指數為0.07, FOM指數通常受模擬年數影響, 模擬年數增加一年指數增加不大于0.01為標準, 因此FOM指數處于標準水平[19]。再以2018年為基礎模擬得出2026年中山市土地利用數據(圖2)。

2.1.2 土地利用時空演變

根據上述得出的2026年中山市土地利用結果, 對中山市1995—2026年的土地利用面積進行統計, 可得出四期耕地、林地、草地、水域、建設用地以及未利用地的面積變化(表1)。結果表明, 中山市的建設用地逐年上升, 其用地面積占比由12.13%快速增長至33.81%, 耕地、林地、草地、水域、未利用地的面積都在不同程度上減少。在1995—2000年期間, 水域面積有較明顯增加且分布在北部地區, 屬于珠三角基塘聚集區。90年代中后期“廢田造塘”現象在珠三角盛行, 經濟利益驅使農民挖塘養殖致使基塘的面積出現增加; 往后年份因工業化和城市化的驅動, 工廠建設與城市擴張侵占大量的基塘用地導致水域面積在增長過后減少[30]。其中, 林地的用地面積占比相對穩定, 這與《廣東省土地利用總體規劃(2006—2020年)》的要求相符, 《規劃》中提到中山市林地面積需穩步增長, 并于2020年林地面積達3.57萬公頃; 且中山市國家森林公園、中山市香山省級自然保護區等自然保護區主要以林地為主, 在一定程度上保障了林地面積, 因此林地的面積受到政策保護而相對穩定。根據土地利用轉移矩陣可得出土地利用轉移關系(表2), 該階段中山市的土地主要向建設用地進行轉移, 其中建設用地在此階段面積增長迅速, 主要由耕地、草地、水域、林地轉入, 分別占各用地的24.72%、25.06%、42.12%、14.81%; 耕地面積有所下降, 主要向建設用地及水域轉出, 但也有14.38%的水域及67.76%未利用地向耕地轉入; 有9.90%的耕地及23.74%的未利用地向水域轉入; 林地雖然在前期有部分向建設用地轉出, 但在2010年后呈穩定并有所回升。

圖2 中山市2026年土地利用

Figure 2 land use in Zhongshan city in 2026

表1 中山市土地利用面積變化

表2 中山市1995—2026年土地利用轉移矩陣

注: “”表示未發生土地轉換, “0.00”表示土地轉換比例小于0.01%。

2.2 生境質量時空分異

2.2.1 生境質量分析

以多期土地利用數據(圖3)為基礎, 通過InVEST模型得出多期中山市生境質量結果, 并將其兩兩相減得出生境質量變化結果(圖4), 生境質量結果范圍為0—1, 兩兩相減后能得出生境上升、下降區域。由相減結果可得出生境質量提升較大的是1995—2000年期間, 占總面積的9.58%, 是四期變化數據中生境質量提升面積占比最多的一期。在2000年前后中山市的基塘在珠江三角洲“基塘熱”中得到迅猛發展[31], 土地向以水域為主的基塘轉換, 因此帶來局部生境質量的提升; 而2000—2010年生境質量明顯出現下降, 下降面積占總面積的18.98%, 是四期變化數據之最。下降區域主要發生在西北部、中東部及西南部鎮區, 同期該區域經濟、城鎮開發處于快速發展階段, 生境下降與建設用地的增長、經濟增長區域相呼應。2010—2018年與2018—2026年兩期的變化總體上相對穩定, 生境質量穩定區域均達到92%以上, 且2018—2026年生境質量相較以往有所提升。

2.2.2 生境質量退化分析

根據InVEST模型得出的生境退化度的結果, 參考相關研究的分級方式[3,10], 由小至大以等段間隔的方式將其分為無退化(0)、輕度退化(0—0.08)、中度退化(0.08—0.16)、高度退化(0.16—0.24)、重度退化(>0.24)五個等級(圖5)。從空間上能發現生境退化度在整體上呈現由城鎮中心外擴的趨勢, 其中建設用地的退化度為無, 因為建成區內的土地利用類型已確定, 難以更變, 故為無退化; 靠近城鎮用地的邊緣地區因易受城鎮外擴的影響, 故生境退化度是以中、高度退化為主; 林地、水域因幾何面積較大且利用類型受保護因而難以更變, 因而在退化度上以輕度退化為主。因此本文將著重對中、高、重退化地區進行研究分析。

圖3 中山市1995—2018年土地利用

Figure 3 land use in Zhongshan city from 1995 to 2026

圖4 中山市1995—2026年生境質量變化

Figure 4 Habitat quality change in Zhongshan city from 1995 to 2026

從時間序列上, 能發現1995年至2026年間中、高、重退化度地區的面積占比分別為4.98%、4.55%、11.30%、12.57%以及12.25%, 其中2010年中度及以上退化地區的增長幅度達到148.45%, 是研究期內增幅最高的一期, 往后增幅下降, 直至2026年出現負增長。此外, 中度退化面積總體呈現下上升且趨于平緩的趨勢, 分布范圍主要分布在建成區外圍。以2018、2026年為例, 中度退化區主要分布在中山市西北、中、中東、西南部地區, 該區域是中山市經濟快速發展地區外圍, 也是易受城鎮快速擴張影響區域, 因而生境質量易受退化影響。在中部與西南部之間為廣東中山香山省級自然保護區及廣東中山國家森林公園兩大自然保護區, 因而受城鎮外圍擴張影響較小, 區域主要以輕度退化為主; 而北部地區廣泛存在基塘, 且本文將基塘劃分為水域, 因此所受退化威脅較小, 也以輕度退化為主。

2.3 未來主要生境退化區

通過上述土地利用及生境質量的研究, 以2018年為例進行分析, 發掘未來主要生境退化區。無、輕度退化地區受退化的影響較小, 因此本文著重以中、高、重度退化地區作為主要研究對象。生境質量退化主要受人類活動所影響, 人類活動大多數在地勢平坦地區, 因此選取坡度作為影響要素; 而人類活動強度的典型區域是城鎮用地, 故將城鎮區域納入影響要素中。綜上, 選取城鎮緩沖距離和坡度進行探究。

選取上述分析中無生境退化地區為主的建設用地作緩沖區距離分析, 尋找最佳緩沖距離。隨著緩沖區半徑的擴大, 退化區域與緩沖區疊加面積也隨之增加, 而與中度及以上退化區域疊加面積比例較大的地區是后續重點關注區域。如表3所示, 0—300米緩沖區與退化區面積疊加超過58%, 往后300—900米的緩沖區與退化面積疊加的占比在整體上呈現下降趨勢。因此0—300米緩沖區是主要受退化影響的區域。

通過坡度進行分析中度及以上的退化區域之間的聯系, 能夠發現隨著坡度的增加, 中度及以上退化區域的面積比例均發生下降。其中, 坡度在0—6 °時的面積比例是最大的, 所占面積超過70%, 往后則隨坡度增長所占面積減少。由此發現, 中度及以上生境退化主要發生在坡度較小的地區, 尤其集中在0—6°的地區。與此同時能發現坡度對生境退化的影響是比較明顯的, 地形坡度較小地區易受到生境退化的威脅, 反之坡度較大地區則不易受到人類活動干擾, 受到退化的威脅較小。

為驗證上述要素的適用性, 再以2026年為樣本進行探討, 結果表明與中度及以上退化地區疊加區域占實際退化地區的92.36%, 吻合度較高, 從而得到2026年主要生境退化區域(圖6)。2026年主要生境退化區域分布在西北、中、西南部建設用地周邊及地形較平坦地區。

圖5 中山市生境質量退化度等級

Figure 5 Grade of habitat quality degradation in Zhongshan

表3 影響因素與退化面積占比

3 討論

在《中山市生態文明建設規劃(2013—2030年)》中強調統籌區域生態保護與建設, 推進重點生態區域的保護與修復, 推進生物多樣性保護。作為生物多樣性的反映, 本文通過InVEST模型的生境質量模塊開展研究, 以可視化的方式展示了中山市多期生境質量及生境退化的時空演變特征。同時, 《中山市國土空間總體規劃》中提及生態效益、社會效益與經濟效益可循環, 可見建設安全韌性的城市需要以生態優先, 統籌發展, 生境質量的相關研究與預測應受到重點關注。本文通過FLUS模型模擬預測未來生境退化的重點區域, 為中山市可能出現的生境退化區域做出預判, 提供保護決策的支持。而《中山市生態文明建設規劃(2013—2030年)》中所預測規劃的土地利用面積與本文通過模擬土地利用所得結果基本吻合, 因此通過模擬預測后所挖掘的主要生境退化區域有一定合理性, 相關分析也具有一定的參考價值。

圖6 中山市2026年主要生境退化區域

Figure 6 Major habitat degradation areas in Zhongshan city in 2026

通過對中山市的生境質量與生境退化區的研究, 將兩大主要自然保護區(中山香山省級自然保護區、中山國家森林公園)疊加至生境變化與生境退化圖層中可發現兩大自然保護區在研究期間內其生境質量整體上未發生改變, 受到較好的保護; 在生境質量退化方面受到的威脅較小, 符合自然保護區的功能, 結果表明關于中山市的生境質量相關結果是較為可靠的。研究結果與劉漢儀等[10]對粵港澳大灣區生境質量研究在中山地區的結果相吻合, 且與張學儒等[3]對泛長三角地區生境退化特征的相符。本研究通過InVEST模型對中山市多期生境質量進行評估研究, 為生態規劃提供了一定參考價值。模型在參數設置上參考了相似地區的研究的參數設置, 具有一定合理與科學性。但模型主要是基于土地利用類型及脅迫因子進行生境質量評估, 而現實情況中的空間環境因素比較復雜, 因此在宏觀上所得結果具有一定的參考價值, 而局部特殊環境地區的評估精準度仍待考量。

4 結論

(1)中山市的土地利用向建設用地轉換為主, 從而帶來生境質量的大幅下降, 主要分布在北部、主城區及三角、坦洲鎮等經濟發達鎮區; (2)中度及以上生境退化面積大幅度增加, 主要分布在西北、中、中東、西南部建設用地周邊; (3)通過疊加分析獲得2026年主要生境退化區, 主要分布在中山市西北部、中部及西南部建設用地300米范圍內和坡度平坦地區。在快速城市化發展下, 原本生態結構復雜的珠江入海口城市的生境質量受到沖擊, 在構建粵港澳大灣區最具特色生態宜居城市的背景下, 中山市需統籌區域生態保護與建設。

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Spatiotemporal differentiation of habitat quality in Zhongshan City based on Flus-InVEST model

FENG Wenbin1, LIN Meizhen1,*, GONG Jianzhou1,*, ZHAO Jiamin2, ZHONG Liang1, LIU Hanyi1

1. School of Geography and Remote Sensing, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China 2. Guangdong Urban and Rural Planning and Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510290, China

With the rapid development of cities, the land use pattern also changes, which has a significant impact on the quality of urban habitat. The temporal and spatial differentiation characteristics of habitat quality in Zhongshan City under the construction of ecological civilization and ecological livable city were explored. The FLUS and InVEST models were used to evaluate the temporal and spatial differentiation characteristics of land use, habitat quality and habitat degradation in Zhongshan City from 1995 to 2026. The results show that: (1) During 1995 to 2018, the land use of Zhongshan City was mainly converted to construction land, and the land use change rate during 2000 to 2010 was the most obvious in the study period. (2) During the study period, the change of habitat quality was the most obvious from 2000 to 2010, and the decrease area of habitat quality was 18.98%, while the increase of habitat quality was the most obvious from 1995 to 2000. The area of moderate and above degraded areas has gradually increased since 1995, and gradually stabilized at about 12% after 2010. (3) Through the analysis, it is concluded that the moderate and above habitat degradation areas are mainly distributed in the construction land buffer zone of 0-300 m and the slope of 0-6°, and the main habitat degradation areas in 2026 are obtained, which provides certain reference value for further ecological planning.

Habitat quality; Habitat degradation; FLUS model; InVEST model; Zhongshan city

馮文彬,林媚珍, 龔建周, 等. 基于FLUS-InVEST模型的中山市生境質量時空分異特征[J]. 生態科學, 2022, 41(3): 16–23.

FENG Wenbin, LIN Meizhen, GONG Jianzhou, et al. Spatiotemporal differentiation of habitat quality in Zhongshan City based on Flus-InVEST model[J]. Ecological Science, 2022, 41(3): 16–23.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.03.002

K903

A

1008-8873(2022)03-016-08

2021-09-18;

2021-11-07

國家自然科學基金項目(41771097) ; 國家自然科學基金項目(42071123)

馮文彬(1997—), 男, 廣東廣州人, 碩士, 主要從事生態系統服務研究, E-mail: 806196620@qq.com

林媚珍, 女, 碩士, 教授, 主要從事生態系統服務、生態效應研究, E-mail: lmzh888@163.com

龔建周, 女, 博士, 教授, 主要從事城市化與生態環境效應研究, E-mail: gongjzh66@126.com