基于InVEST模型宜昌市土地利用和生境質(zhì)量變化研究

關(guān)鍵詞：GIS；InVEST模型；主成分分析；土地利用轉(zhuǎn)移；生境質(zhì)量

前言

土地利用變化（LUCC）研究是當(dāng)前全球變化的研究熱點(diǎn)，LUCC的驅(qū)動(dòng)力及其驅(qū)動(dòng)機(jī)理是其關(guān)鍵。快速城鎮(zhèn)化導(dǎo)致的土地利用變化，通過(guò)對(duì)生境斑塊之間的物質(zhì)、能量流循環(huán)過(guò)程施加影響，進(jìn)而改變研究區(qū)生境分布格局和功能，加劇生境分化。因此，研究土地利用變化和生境質(zhì)量對(duì)區(qū)域乃至全球環(huán)境變化研究具有重大意義。常用的評(píng)價(jià)模型有InVEST、SolVES、MAXENT等。其中In-VEST模型因其具有發(fā)展相對(duì)成熟、數(shù)據(jù)需求量小、評(píng)估精度和可視化程度高、空間分析表達(dá)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于流域、生態(tài)保護(hù)區(qū)、盆地、小城市等各種尺度范圍。未來(lái)10～20年，是宜昌市建設(shè)現(xiàn)代化特大城市關(guān)鍵時(shí)期，也是生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾加劇、資源環(huán)境約束趨緊時(shí)期。目前極少有人對(duì)該方面進(jìn)行研究。因此，文章利用GIS和InVEST模型分析宜昌市土地利用變化的驅(qū)動(dòng)力因素以及生境質(zhì)量時(shí)空演變特征，可為快速城鎮(zhèn)化區(qū)域國(guó)土空間規(guī)劃提供參考。

1研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1研究區(qū)概況

宜昌市坐落于湖北省西南部、長(zhǎng)江上游與中游的交接區(qū)域。屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，降雨豐富、陽(yáng)光充足。地形呈現(xiàn)出“西高東低”的態(tài)勢(shì)，西北部是高山植被區(qū)，東南部則分布著丘陵和平原。水系發(fā)達(dá)，有長(zhǎng)江、清江等。水土流失較為嚴(yán)重，是湖北省典型的生態(tài)脆弱區(qū)，廣受外界關(guān)注。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

（1）湖北省省、市行政邊界來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境與數(shù)據(jù)中心https：//www. resdc.cn/。

（2）2005年、2010年、2015年、2020年四期宜昌市土地利用數(shù)據(jù)（30m）來(lái)源于武漢大學(xué)楊杰和黃昕團(tuán)隊(duì)提供https：//zenodo.org/record/8176941。

（3）社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、地區(qū)生產(chǎn)總值、人口、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、化肥施用量等農(nóng)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒http：//www.tongJ1nianjian.com/。

2研究方法

2.1土地利用變化幅度

土地利用變化的幅度能體現(xiàn)特定研究時(shí)段內(nèi)土地利用的絕對(duì)變化量。

式（1）中，X為土地利用變化幅度；Un、Ub為研究初始節(jié)點(diǎn)、末節(jié)點(diǎn)某類土地利用類型的面積。

2.2生境質(zhì)量評(píng)價(jià)原理

此研究運(yùn)用InVEST模型“Habitat Quality”模塊。在運(yùn)行生境質(zhì)量模型前，需要先對(duì)圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，此研究選取3類作為威脅源，并設(shè)置權(quán)重和最大影響距離。在LUCC類型j中的斑塊中x的生境質(zhì)量計(jì)算公式如式（2）：

3結(jié)果與分析

3.1宜昌市土地利用變化分析

3.1.1土地利用變化幅度

依據(jù)宜昌市的土地使用實(shí)際狀況，文章按照國(guó)家一級(jí)土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土地進(jìn)行了重新劃分為六個(gè)大類別：耕地、森林、草原、湖泊、建設(shè)用地和未利用地。

根據(jù)宜昌市15年間土地利用類型數(shù)據(jù)提取出宜昌市2005年、2010年、2015年、2020年各年各類土地的面積，如表1所示，宜昌市土地利用主要以林地和耕地為主，兩者占總面積的95%，水域和建設(shè)用地占比較小，約占4.8%，未利用地不到1%。2005年-2020土地利用變化較為明顯，森林面積先減少后有所回升，耕地面積先增后減，水域同耕地一樣先增后減，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化，建設(shè)用地在不斷擴(kuò)張，未利用地也有所增加。

3.1.2土地利用轉(zhuǎn)移變化分析

此研究借助Arcgis軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的計(jì)算。通過(guò)計(jì)算得到宜昌市2005年-2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，如表2所示，及每5年的土地利用轉(zhuǎn)移弦圖，見(jiàn)圖1。

2005年-2010年，宜昌市林地轉(zhuǎn)移面積最多，約為1.56x105公頃，主要轉(zhuǎn)向了耕地和建設(shè)用地；其次是耕地，耕地凈轉(zhuǎn)向林地最多，約為1.23×103公頃；水域轉(zhuǎn)移面積約為4.21×103公頃，主要轉(zhuǎn)向了耕地、建設(shè)用地；草地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)移面積較少。2010年-2015年，林地轉(zhuǎn)出面積依然最大，轉(zhuǎn)移約1.52 x105公頃；水域轉(zhuǎn)向耕地最多，約為200.08公頃；草地轉(zhuǎn)移面積相對(duì)較少，約為169.34公頃。2015年-2020年，林地共轉(zhuǎn)移了1.50×105公頃，主要轉(zhuǎn)向了耕地（2734.02公頃），建設(shè)用地（29.034公頃）；建設(shè)用地主要轉(zhuǎn)向水域（38.78公頃）；這五年宜昌市積極響應(yīng)國(guó)家退耕還林、還草政策，大量耕地轉(zhuǎn)向了林地和草地。各個(gè)時(shí)間段未利用地面積基本沒(méi)變。

2005年-2020年這15年總體來(lái)看，宜昌市大量林地轉(zhuǎn)出，達(dá)到1.56 x108公頃，轉(zhuǎn)向耕地和建設(shè)用地最多分別達(dá)8.65×105、1.88×105公頃；水域面積也最多由林地轉(zhuǎn)化而來(lái)，水域轉(zhuǎn)向耕地達(dá)2.84×105公頃。15年來(lái)，該地為發(fā)展經(jīng)濟(jì)，加快城市化建設(shè)，人類活動(dòng)程度加劇，大量林地和草地退化，轉(zhuǎn)向建設(shè)用地和耕地；該地水系發(fā)達(dá)，水域面積較廣，為人類生產(chǎn)和生活提供先天條件，故城鎮(zhèn)居民和產(chǎn)業(yè)用地多聚集于此，導(dǎo)致大面積水域面積減少，轉(zhuǎn)向耕地和建設(shè)用地。

3.1.3土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素分析

土地利用類型的變化是多種驅(qū)動(dòng)力因子共同作用的成果。在實(shí)際考慮宜昌市特定的自然條件和經(jīng)濟(jì)條件下，基于數(shù)據(jù)可獲取性和可計(jì)量性，從經(jīng)濟(jì)、人口、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平中選取14個(gè)指標(biāo)，通過(guò)SPSS25進(jìn)行相關(guān)性分析后，排除掉相關(guān)性不高的指標(biāo)，最終選取九個(gè)指標(biāo)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明KMO=0.652，顯著性為0.00，滿足分析要求。主成分分析中特征值大于1的共計(jì)2項(xiàng)，表明篩選出兩個(gè)主成分。第一主成分與第二主成分的貢獻(xiàn)比率總計(jì)為86.437%，這足以涵蓋了我們選擇的九種因素的大部分?jǐn)?shù)據(jù)。

由旋轉(zhuǎn)后因子載荷矩陣（如表3所示），可看出第一主成分和城市人口密度、GDP、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力有極強(qiáng)的正向關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.828、0.902、0.963，與人口總數(shù)、第一產(chǎn)業(yè)比重有極強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.863、-0.670．第二主成分與城市人口、第二產(chǎn)業(yè)比重、化肥施用量有極強(qiáng)的正向關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.604、0.937、0.956，與第三產(chǎn)業(yè)比重有極強(qiáng)負(fù)相關(guān)性，系數(shù)為-0.935。

2005年-2020年期間，宜昌市城市人口密度由1466km2變?yōu)?875人/km2，市區(qū)面積由4231km2變?yōu)?234.26km2，城市人口的不斷增多，促使人們對(duì)土地提出新的要求，建設(shè)用地不斷擴(kuò)大占用大量林地和草地面積，人地關(guān)系發(fā)生沖突。GDP由原來(lái)的608.06億元增為4261.4億元，第三產(chǎn)業(yè)由173.05億元增長(zhǎng)到2215.93億元，宜昌市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成以各轄區(qū)經(jīng)濟(jì)中心為核心，向四周擴(kuò)張的模式。宜昌市屬于山區(qū)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和快速的城鎮(zhèn)化，城市擴(kuò)張大量占用林地和草地面積，導(dǎo)致森林和草地大面積減少，人類活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)因素是導(dǎo)致宜昌市土地利用轉(zhuǎn)移的主要因素。

3.2宜昌市生境質(zhì)量變化分析

生境質(zhì)量指數(shù)是一個(gè)連續(xù)的變量，其值在0到1之間，數(shù)值越接近1，意味著環(huán)境質(zhì)量越優(yōu)良。結(jié)合宜昌市生境質(zhì)量實(shí)際情況，利用Arcgis自然斷點(diǎn)法，將宜昌市生境質(zhì)量劃分五個(gè)等級(jí)：低等生境質(zhì)量（0～0.3），中等生境質(zhì)量（0.3～0.6），較高生境質(zhì)量（0.6～0.9），高等生境質(zhì)量（0.9～0.95），極高生境質(zhì)量（0.95～1）。具體面積及占比如表4所示，生境質(zhì)量等級(jí)空間分布情況見(jiàn)圖2。

由圖2、表4可知，2005年-2020年宜昌市生境質(zhì)量普遍很高，約80%的面積都處于高等生境質(zhì)量之中，這與宜昌市的氣候、地理位置、地形地貌以及宜昌市的綠色發(fā)展理念密切相關(guān)。低等生境質(zhì)量面積占比先增后減，較高等生境質(zhì)量面積持續(xù)增加，高等生境質(zhì)量面積先增后減再增加，極高等生境質(zhì)量面積從2005年-2015年一直減少，從2005年開(kāi)始有所回升。低等生境質(zhì)量面積由515396公頃增長(zhǎng)到564943公頃，比重增加了2.23%，較高等生境質(zhì)量面積由2713公頃增加到8421公頃，比重增加0.27%，高等生境質(zhì)量面積由34503公頃增加到37371公頃，比重增加0.13%，極高等生境質(zhì)量由1559759公頃減少到1510690公頃，比重下降2.63%。總體來(lái)說(shuō)宜昌市生境質(zhì)量有所退化。

從空間分布來(lái)看，低生境質(zhì)量主要分布在宜昌市城區(qū)以及宜都市、枝江市、當(dāng)陽(yáng)市。這些地方地理位置和區(qū)位條件優(yōu)越，且擁有適合人類生活發(fā)展的地形地貌條件，經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，建設(shè)用地和耕地?cái)?shù)量多，生物棲息地容易受到人類活動(dòng)的破壞，生境質(zhì)量低。宜昌市絕大多數(shù)地方都適宜生物生存，生境質(zhì)量普遍高等，其中極高等生境質(zhì)量分布廣泛，主要分布在五峰、長(zhǎng)陽(yáng)、興山等地，這些地方屬于山區(qū)，人類活動(dòng)程度低，土地利用類型以林地為主，建設(shè)用地和耕地很少，能夠?yàn)樯锷婧头毖芴峁┝己玫默F(xiàn)實(shí)條件。

4結(jié)論

2005年-2020年，宜昌市的森林與草地覆蓋率下降，同時(shí)耕地、建設(shè)用地、水域及未利用地的數(shù)量有所上升。其中，新增的建設(shè)用地和耕地主要源于林地和草地的轉(zhuǎn)變，增多的水域則大部分來(lái)自于耕地的變化。大量的森林轉(zhuǎn)化為草地，但其變動(dòng)幅度相對(duì)較低。該地區(qū)的人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)迅速進(jìn)步是推動(dòng)土地用途轉(zhuǎn)變的重要原因。研究區(qū)生境質(zhì)量呈下降趨勢(shì)，土地利用變化直接影響生境質(zhì)量。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看，執(zhí)行土地的可持續(xù)利用策略，同時(shí)重視國(guó)土資源的開(kāi)發(fā)和保護(hù)，在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)合理控制人口增長(zhǎng)，特別是非農(nóng)業(yè)人口的增長(zhǎng)，以減緩城市化的步伐，顯得尤為關(guān)鍵。