基于InVEST模型的吉林省生境質量評價

趙博軒，李淑杰，馬 劍，高振君，張 鈞，曹秀鳳

(吉林大學地球科學學院，吉林 長春 130061)

生境(habitat)一詞最早由美國學者Grinnell提出，其定義是生物出現的環境空間范圍，而生境質量(habitat quality)是指其在有限的時間和空間中為個體和種群提供適宜生存條件的能力.目前，日益頻繁的人類活動嚴重改變了區域土地利用強度及利用方式，進而影響物質流、能量流在生境斑塊之間的循環過程，給區域生境質量及生態環境保護帶來了巨大壓力.因此，研究土地覆被與生境質量變化之間的關系對保護土地資源、提高區域生境質量來說有著重大意義.

至今，國內外學者針對生境質量開展了大量研究，研究結果隨著3S技術的廣泛應用而逐漸定量化、可視化和精細化，主要應用的研究模型有InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型、HSI生境適宜性模型[1]和MAXENT模型[2]等，其中InVEST模型應用最為廣泛，在國外已經成功應用于美國、厄瓜多爾、科特迪瓦、加納等多個國家區域生態系統價值評估過程中[3-5]；在國內，諸多學者也將其應用到黑龍江省[6]、甘肅省[7]、合肥市[8]、北京市通州區[9]、粵港澳大灣區[10]、嫩江流域[11]等區域，進行了諸如土地覆被變化、生境退化度、生境質量空間格局、時空演變分析等方面的研究.

吉林省地處中國東北部，是邊疆近海省份，地處享譽世界的“黃金玉米帶”和“黃金水稻帶”，是我國重要的生態屏障[12].近年來，隨著吉林省城市規模的不斷擴大，城市化進程不斷加劇，吉林省生境質量也受到了一定程度的影響.因此，摸清吉林省生境質量的具體情況，對吉林省生境質量進行系統分析，對加快建成生態強省，實現吉林省轉型升級及高質量發展有著重要作用.

本文首先對2000—2020年間吉林省土地覆被利用數據進行了處理，構建土地覆被轉移矩陣，從時間和空間兩個角度分析了吉林省土地覆被變化情況；其次基于InVEST生境質量(Habitat Quality)模塊，結合ArcGIS平臺，對吉林省相關矢量、柵格數據進行疊加，設置相應生態參數，計算得到吉林省生境質量結果，分析了吉林省生境質量的空間分布特征及空間變化情況，總結了吉林省2000—2020年間土地覆被變化對生境質量所造成的影響，以為吉林省今后的生態修復規劃編制及可持續發展政策制定提供參考.

1 研究區概況

吉林省地處東經121°38′～131°19′、北緯40°50′～46°19′之間，處于日本、俄羅斯、朝鮮、韓國、蒙古與我國東北部組成的東北亞幾何中心地帶(見圖1).地貌形態差異顯著，地勢由東南向西北傾斜，呈現明顯的“三大板塊”特征，山地面積占總面積的36%，丘陵和臺地占34%，平原占30%.境內大小河流眾多，分屬松花江、遼河、鴨綠江、圖們江、綏芬河5大水系.濕地資源豐富，向海濕地、莫莫格濕地、通化哈尼濕地等均為國際重要濕地.近年來，吉林省不斷擴大的城市規模對吉林省生態環境產生了一定的負面影響，生態保護與生態修復工作刻不容緩.

圖1 2020年吉林省遙感影像及位置示意圖

2 數據來源

本文采用了2000年、2010年和2020年吉林省土地利用覆被數據，數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http；∥www.resdc.cn)的中國土地利用遙感監測數據.該數據集(CNLUCC)是以美國陸地衛星Landsat遙感影像數據作為主信息源，通過人工目視解譯獲取的，空間分辨率為1 km，地理坐標系為GCS_WGS_1984，投影坐標系為Albers正軸等面積割圓錐投影.土地覆被類型包括耕地、林地、草地、水域、建設用地(城鄉、工礦、居民用地)及未利用土地6個1級類型及25個2級類型(見表1).其中吉林省未涉及的地類包括：水域中永久性冰川雪地和灘涂及未利用土地中戈壁和其他未利用土地.吉林省遙感影像數據來源于2020年谷歌影像數據庫.

吉林省邊界等矢量數據來自于OSGEO數據集，各矢量數據空間參考與土地利用覆被數據保持一致.在ArcGIS平臺中進行與數據相關的地理配準、裁剪、合并、消除、疊加、屬性表賦值、分類以及分區統計處理；在InVEST生境質量(Habitat Quality)模塊中進行運算，所需各類參數來源于國內外已有研究成果及相關領域專家打分.其他數據統計及計算等均在Excel工具中完成.

表1 土地覆被分類

3 研究方法

3.1 土地覆被變化

在ArcGIS平臺中，將2000年和2020年吉林省土地利用覆被柵格數據進行矢量化處理，隨后將這兩期土地利用覆被數據進行融合疊加計算，得出相應土地利用覆被轉移矩陣，利用該矩陣計算出各土地類型相互的轉化方向和面積.為進一步了解土地覆被動態變化的強度，在此基礎上，采用轉移概率矩陣模型，計算公式如下：

(1)

式中：Sij為土地覆蓋類型i轉變為土地覆蓋類型j的面積；Pij為土地覆蓋類型i轉變為土地覆蓋類型j的概率；n為土地覆蓋類型的數量.

3.2 InVEST生境質量模型

InVEST生境質量模塊通過結合景觀類型敏感性和外界威脅強度進行綜合計算，在考慮脅迫因子的影響距離、空間權重及土地受法律保護程度等因素的前提下，將生境質量視為一個連續的變量，在進行評估時充分考慮了土地覆被方式和土地覆被格局變化對生境質量的影響.計算公式[13-15]如下：

(2)

式中：Dxj為生境類型j中x柵格的生境退化度；R為威脅源個數；Wr為威脅源r的權重；Yr為威脅元的柵格數；ry為柵格y的脅迫值；βx為威脅元對柵格x的可達性(根據其受法律保護程度確定βx的取值為0～1之間)；Sjr為生境類型j對威脅源r的敏感度；irxy為柵格y的脅迫值ry對柵格x的脅迫水平，分為線性衰減和指數衰減兩種：

(3)

(4)

式中:dxy為柵格x與柵格y的直線距離；drmax為威脅源r的最大脅迫距離.

生境質量計算公式為

(5)

式中:Qxj為生境類型j中x柵格的生境質量指數；Hj為生境類型j的生境適宜度(0≤Hj≤1)；k為半飽和常數，取最大生境退化度的一半，一般設為0.5；z為歸一化常量，一般取2.5.

本文應用InVEST 3.8.9版本進行生境質量模型運算，參考國內外相關文獻[16-18]，并結合吉林省的實際情況，在ArcMap 10.5平臺中對3期吉林省土地利用覆被數據進行矢量化、重分類、柵格計算、數據匯總等一系列處理，將選中的地類賦值為1，其余地類賦值為0，結合吉林省實際情況，提取出耕地、城鎮用地、農村居民點、其他建設用地、鹽堿地和裸土地這6種地類作為威脅源，確定相關最大脅迫距離、權重和衰減類型(見表2)，其余不同類型的生境適宜度和對脅迫因子的敏感度見表3.

表2 威脅源最大脅迫距離、權重及衰減類型

表3 土地利用類型對威脅因子的敏感程度

4 研究結果

4.1 吉林省土地覆被變化情況分析

由表4可見，吉林省各土地覆被類型中，面積占比最大的是林地，占總面積的44.05%；其次是耕地，占40.12%；草地、水域、建設用地及未利用地面積占比相對較小，突出了吉林省作為“生態屏障”和“糧倉”的特點.2000—2020年這20年間，吉林省土地覆被變化較為明顯，其中耕地與建設用地面積占比逐年上升，林地、草地、水域、未利用地則呈現出逐年下降的趨勢.其中增幅最大的是建設用地，面積占比由2000年的3.48%增長到2020年的4.19%，增幅高達20.44%；降幅最大的是草地，由2000年的4.11%減少到2020年的3.50%，降幅超過14%.耕地面積略有增加，由原來的39.55%增長到40.12%，證明這20年間吉林省的耕地保護相關工作，尤其是數量保護工作落實情況較好.未利用地由2000的年6.05%減少到2020年的5.93%.水域面積也有較大幅度的減少，降幅達到了12.54%.得益于吉林省天然林保護修復政策，林地面積基本維持原狀.

表4 2000—2020年吉林省土地覆被變化情況

4.2 各土地覆被類型間相互轉化情況分析

由2000—2020年吉林省土地覆被變化轉移矩陣(見表5)及圖2、圖3可以看出，吉林省土地覆被最為主要的轉化特征是草地、水域向其他覆被類型的轉出，及其他覆被類型向建設用地的轉入.20年間，前4種土地覆被類型均向未利用地發生了轉化，其中水域向未利用地轉入了922.3 km2，是水域面積發生明顯變化的主要因素之一，這也證明在2000—2020年間吉林省水環境質量出現了退化.草地面積減小的主要原因是草地向耕地、林地及建設用地的轉化，其中草地向耕地凈轉入756.13 km2，約占草地總面積的11.35%；草地向林地轉入1 709.09 km2，同時林地向草地轉出1 237.95 km2.而快速增長的建設用地面積則主要來自于大量占用耕地及未利用地，耕地向建設用地凈轉入1 135.8 km2，占建設用地增加面積的83.96%；林地向建設用地轉入677.89 km2，未利用地向建設用地轉入217.50 km2.其余幾種覆被類型之間的相互轉化面積大致相同.

表5 2000—2020年吉林省土地覆被變化轉移矩陣

圖2 2000—2020年吉林省土地覆被類型空間分布圖

圖3 吉林省耕地、林地、草地及水域轉化情況

4.3 吉林省生境質量變化情況分析

將2000，2010，2020年吉林省土地利用覆被數據、威脅源數據、敏感度表格導入InVEST Habitat Quality(生境質量)模塊運行模擬，得到3期吉林省生境質量分布圖，并計算各時期生境質量平均值.為了更加直觀地展示出各時期的生境質量情況并將其進行對比，本文對3期吉林省生境質量數據進行了分區統計，使用“自然斷點法”將其分成“優秀”(1～0.8)、“良好”(0.8～0.6)、“中等”(0.6～0.4)、“較差”(0.4～0.2)、“差”(0.2～0)共5個等級，并統計了各時期各級的占比，結果見表6.

表6 2000—2020年間吉林省各等級生境質量占比變化情況

4.3.1 吉林省生境質量等級占比變化

總體來看，吉林省生境質量中“優秀”及“較差”等級生境的占比較大，分別占到吉林省總面積的47.05%和35.76%；最低等級“差”的生境占比相對較小，僅有4.62%.2020年吉林省平均生境質量為0.672 2，處于“良好”等級.平均生境質量2000年為0.674 9，2020年降低為0.672 2，證明這20年間吉林省生境質量出現了小幅度的退化.導致吉林省平均生境質量下降的主要原因在于“良好”及“中等”等級占比的減少.其中“良好”等級生境下降最多，從最初的4.39%減少為3.23%，降幅達到26%；“中等”等級占比亦減少了0.63%，這兩個等級的減少部分幾乎全部轉化為了“較差”及“差”的等級，20年間“較差”等級占比增長了1.11%，“差”等級的占比增幅達到了16.9%，可以看出，導致吉林省生境質量發生退化的主要原因并非“優秀”等級不斷惡化，而是大量的“良好”及“中等”等級地塊的生境質量持續下降.此外，2000—2010這10年間，“較差”及“差”等級不斷向“中等”及“優秀”等級轉化，吉林省平均生境質量也由0.674 9增加到0.677 4，這10年間吉林省生境質量是逐步提升的，證明吉林省生境質量退化現象主要發生在2010—2020年間.

4.3.2 吉林省生境質量空間分布情況

由圖4可見，吉林省生境質量主要呈現出東南高、西北低的空間特征，以吉林省中部大黑山脈為分界線，生境質量等級由東南向西北遞減.“優秀”等級地塊主要集中于吉林市中北部(永吉縣、蛟河市、舒蘭市)，通化市南部(通化縣、集安市)，白山市全境，延邊朝鮮族自治州東部(琿春市、和龍市、汪清縣、安圖縣).這些區域均位于吉林省東部長白山地，平均海拔500～900 m，境內河湖水系廣泛分布，且森林覆蓋度較高，因此生境質量較高.“良好”等級地塊集中出現在松原市附近(前郭縣、長嶺縣)，該區域濕地資源豐富，包括查干湖、哈達山省級濕地公園在內的泡沼眾多，是該區域生態環境較好的主要原因.“中等”等級地塊則主要出現在白城市中部(鎮賚縣、大安市)，長春市東北部(德惠市、九臺市)，四平市西部(雙遼市)，這些區域均存在較大面積的未利用土地，因此生境質量等級普遍不高.“較差”等級分布較為廣泛，主要出現在長春市中南部(農安縣、德惠市、公主嶺市)及四平市中部(梨樹縣、伊通滿族自治縣)，這些區域地處吉林省中部高平原，土地利用類型以耕地為主，且自20世紀60年代以來，土地沙化、土地鹽堿化程度不斷加劇，這些原因直接導致了該區域較低的生境質量.“差”等級地塊則出現在各地級市的行政中心及白城市中北部(鎮賚縣、通榆縣)，大面積集中連片的建設用地及較為頻繁的人類活動是導致這些區域生境質量低下的重要原因.

圖4 2000—2020年吉林省生境質量空間變化情況

4.3.3 吉林省生境質量空間變化情況

將2000年、2020年兩期生境質量空間分布數據運用Raster Calculator工具進行疊加相減計算，得到20年間吉林省生境質量變化情況.計算結果取值-1～1，值越接近-1，證明該地區生境質量退化情況越嚴重，反之則表明其生境質量有所改善，為0則證明該區域生境質量未發生較大變化.

由圖4可見，吉林省絕大多數區域生境質量并未發生明顯改變；長白山風景區、白山市長白朝鮮族自治縣西南部、吉林市永吉縣中部、長春市九臺區東南部等地生境質量有明顯提高，變化的主要原因包括：

(1)長白山風景區作為吉林省最為重要的風景名勝及自然保護區之一，省委省政府歷來十分重視長白山區域生態環境治理情況.省自然資源廳開展了長白山區山水林田湖草生態保護修復試點工程，實行最嚴格的天然林保護措施，并嚴肅查處毀林種參、非法盜伐等嚴重破壞長白山區生態環境的行為，投入大量人力、物力、財力，區域生境質量有所提高.

(2)白山市長白朝鮮族自治縣是吉林省最主要的木材產地及礦山聚居地之一，20世紀60年代以來，對礦產資源的粗放開發導致了區域生態環境的嚴重惡化，近年來，吉林省針對采礦業進行了新一輪整治，遵循“誰開發、誰保護、誰破壞、誰恢復”的原則，大力推進綠色礦山建設，并制定了礦產資源保護性開發政策[12]，因此相關區域生態環境得以改善，生境質量有所提高.

(3)吉林市永吉縣、長春市九臺區針對區域內生態環境惡化問題，自2018年起開展了藍天保衛戰、綠水保衛戰等多個生態修復重大項目，針對松花江水體污染問題、畜禽養殖污染問題等出臺多項政策法規，積極治理的成果在生境質量改善方面得到了體現.

(4)自2016年起，中央生態環境保護督查組多次進駐吉林省，處理群眾舉報案件6 000余件，以遼河流域水污染防治問題、建筑違法建造問題為重點，全力以赴推進問題整改，并針對整改情況開展“回頭看”行動.在督導組的大力推進下，遼河流域水質惡化問題得到初步遏制，群眾生態環境保護意識逐漸增強，對遼河流域生境質量提升有著巨大貢獻.

與此同時，吉林省部分區域生境質量也有著不同程度的下降，主要集中在包括長春市在內的各城鎮行政中心、延邊州安圖縣中部及白城市鎮賚縣等.生境質量下降的主要原因有以下幾點：

(1)長春市及其他城鎮行政中心出現生境質量退化的主要原因是2010—2020年間吉林省經濟發展勢頭較為迅猛，建設用地急劇擴張.例如，長春市以“長春經濟圈為引領”“一主六雙”產業布局為戰略導向，成立了“中韓國際合作示范區”“長春空港經濟開發區”等諸多新開發區，侵占了城市周邊的耕地以及原本生境質量較高的林地、草地及水域；大量的工業工廠聚集也對周邊地區生態環境產生了很大影響，因此這些區域的生境質量出現了較大幅度的退化.

(2)由圖2可知，延邊州安圖縣及白城市鎮賚縣在2000—2020年間出現了較大面積的土地覆被變化.其中，安圖縣主要的轉化為林地、草地向耕地轉化，鎮賚縣則主要是草地向耕地轉化，大面積的林、草地被開墾成為耕地對區域生態系統產生了極大影響，也因此導致了這些區域生境質量的下降.

(3)白城市鎮賚縣東部月亮泡附近區域生境質量退化幅度最大，主要原因是頻繁的人類活動直接引起了較大面積的濕地退化為未利用地，對當地氣候、水文、生物多樣性等均產生了嚴重影響，直接導致了月亮泡附近地區生境質量的急速惡化.

5 結論與討論

本文首先基于遙感影像及土地覆被類型轉移矩陣，從數量變化和空間變化兩個角度對2000—2020年間吉林省土地覆被動態變化進行了綜合分析；其次應用InVEST模型生境質量模塊，確定了6類威脅源，分別計算了2000年、2010年、2020年吉林省生境質量，系統闡述了吉林省生境質量的空間分布特征及20年間吉林省生境質量的變化情況；最后結合土地覆被類型變化，探究了吉林省生境質量發生變化的根本原因.研究結果對未來吉林省相關規劃編制、重塑吉林省生態環境具有重要意義.研究結論如下：

(1)2000—2020年間，吉林省土地覆被類型發生了較大程度的變化，主要是草地、水域面積減少及建設用地面積的大幅度增加.20年間，草地面積占比由最初的4.11%減少到3.50%，其中草地向耕地轉入2 270.56 km2，向建設用地轉入138.67 km2，這是導致草地面積減少的兩個最主要原因；水域面積降幅則達到12.54%，主要原因是有922.3 km2的水域轉化為了未利用地，大面積的濕地、湖泊發生了環境退化；建設用地面積增加了1 352.67 km2，其中耕地向建設用地凈轉入1 135.8 km2，占建設用地增加面積的83.96%，這主要是由于隨著長春市“一主六雙”高質量發展戰略的全面鋪開，吉林省正處于全面、全方位振興的關鍵階段，自2010年以來，制造業、高新技術產業等二、三產業占區域生產總值比重快速上升，大量耕地及其他利用類型的土地被用于建造工業聚集區、居民區以及商業聚集區，在很大程度上造成了吉林省生境質量的下降；耕地面積略微增加，證明20年間吉林省耕地保護工作落實情況較好，但毀林毀草開荒的現象仍然存在；林地、未利用地面積微量減少，穩定性較好.

(2)吉林省生境質量呈現東南高、西北低的空間特征，不同土地覆被類型與生境質量等級的空間分布之間有著一定關系，吉林省東南部有大面積的林地及自然保護區，“優秀”等級生境廣泛出現；“良好”等級生境出現在河湖濕地面積廣闊的松原市；“中等”等級生境主要出現在未利用土地的聚集區；以耕地平原為主的地貌類型及自20世紀60年代以來日益嚴重的“三化”問題，導致“較差”等級生境主要出現在中部；“差”等級生境則集中出現在各城市的行政中心及建設用地集中連片的區域.

(3)2000，2010，2020年吉林省平均生境質量分別為0.674 9，0.677 4，0.672 2，均處于“良好”等級，生境質量狀況相對較好，且呈現出先上升后下降的趨勢.其中2000—2010年間“差”“較差”等級生境不斷向“優秀”“良好”及“中等”等級轉化，使得吉林省平均生境質量有所上升，證明這10年間吉林省生態保護、生態修復工作落實情況較好.而從2010—2020年，“優秀”等級生境占比較2000年未發生較大波動，導致吉林省平均生境質量下降的原因主要是“中等”“良好”等級退化為了“較差”“差”等級.因此在下一步的規劃及政策制定過程中，應更加重視對濕地、草地及未利用土地等用地類型的保護.

(4)2000—2020年間，生境質量得到改善的區域主要集中在吉林市、白山市，省委省政府的高度重視、全面推進吉林省綠色礦山建設以及中央環保督查組的多次進駐，使得這些區域的生境質量得到了較大改善.生境質量惡化的區域則出現在各城鎮行政中心、白城市及延邊州，引起生境質量退化的最主要原因仍是土地覆被類型的變化.濕地退化、毀林毀草開墾及建設用地的急劇擴張進一步導致了這些區域生境質量的下降.

雖然InVEST模型存在一定的局限性，但其為大尺度區域研究提供了相對較好的平臺，為地區規劃編制提供了一定的科學依據.本文在應用InVEST模型的過程中，相關模型運行參數的設置和選擇均參考InVEST用戶使用手冊及相關文獻，并根據吉林省實際情況進行了一定的調整，由于吉林省內部不同地區情況各異，統一的參數設置可能導致模型不能夠精準反映區域生境質量特點的問題；此外，目前針對小尺度區域的研究仍有待進一步討論.