基于InVEST模型的昌黎县土地利用变化对生境质量的影响研究*

郑 宇，张蓬涛， 2※，汤 峰，赵 丽， 2，赵 旭

(1.河北农业大学国土资源学院，保定 071001； 2.河北省农田生态环境重点实验室，保定 071001)

0 引言

当前，物种灭绝速度已远远超过化石记录，全球生物多样性丧失问题不容忽视。土地利用/覆被变化(LUCC)研究作为全球变化的核心研究领域之一，对气候变化、生态系统的循环过程、全球陆海相互作用等产生重要影响，具有显著的生态效应，是影响生物多样性的主要因素[1]。土地利用变化对生境斑块之间的物质交换、能量流循环产生重要的影响，会使生境的分布和功能发生变化[2]。因此深入研究土地利用变化对生境质量的影响，对分析区域生态环境乃至全球环境的变化具有重要的意义[3]。

图1 昌黎县区位图

一级地类二级地类耕地旱地、水浇地、水田建设用地居住地、工矿用地、交通用地林地针叶林、阔叶林、灌木林、经济林园地果园、其他园地湿地沼泽、水库、河流水面未利用地裸地、沙地、盐碱地、其他草地

近年来，关于生境质量和生物多样性方面，有些学者通过对小城市[4]、河流[5]、自然保护区[6]等进行实地调查评估生境质量，有些学者通过建立模型的方法进行了研究，如生境适宜性模型HIS[7]、IDRISI软件中生物多样性评价模块[8-9]、InVEST模型[10]等。其中用的最多且最广的是InVEST模型，如Erik Nelson等[11]、包玉斌等[12]、、白杨等[13]、吴健生等[3]学者均采用InVEST模型评估了某区域的生境质量，这些学者大多对生态系统服务之间的权衡较为重视，较少涉及因土地利用变化引起的生境质量时空演变方面的研究，因此文章在前人研究基础上，采用InVEST生境质量模型，分析昌黎县土地利用及景观格局变化对生境质量的影响，以期为昌黎县生态保护和土地管理政策的制定提供科学依据，同时为其他区域的生态规划和土地规划提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

昌黎县(39°22′N～39°48′N， 118°45′E～119°20′E)隶属河北省秦皇岛市，位于市域西南部，东临渤海，北依燕山，西南挟滦河，属于暖温带、半湿润性大陆气候，年均气温11℃，土地总面积为10.021 0万hm2，下辖11镇5乡1区； 地势由西北向东南倾斜，地貌类型有山地丘陵、山麓平原、滨海平原； 辖区内共有3条水系，分别为滦河、七里海、饮马河，河渠总共有12条； 土壤类型以棕壤、褐土、潮土为主，其他分布较少的还有沼泽土、盐土、风沙土等； 植被有白薯、谷子、高粱、玉米、小麦、干鲜果树、杨树、椿树、油松侧柏、栗树、枣树等栽培植被，以及酸枣、荆条、野草木栖、铁杆蒿、车前子、益母草等野生植被； 矿产资源有铜、铁、锰3 种金属矿产，以及有草(泥)煤、长石、石英砂、水泥灰岩、花岗岩、粘土矿、建筑砂等7 种非金属矿产。

1.2 数据来源

2010年和2015年的土地利用/覆被数据，来源于昌黎县2010年和2015年土地利用变更数据库。根据土地资源的用途、利用方式和覆盖特征，参考《土地利用现状分类》(GB/T 21010- 2017)《土地利用现状分类及含义》和相关研究土地利用变化及生境文献[3，9，12]中的土地利用分类体系，并结合研究目的和研究区实际情况，建立了土地利用类型二级分类体系(表1)。

2 研究方法

2.1 土地利用变化分析

首先，对昌黎县各土地利用类型的面积变化进行统计，利用土地利用转移矩阵计算出各土地类型的转化方向； 其次，选择类型水平和景观水平两个方面的景观格局指数，对昌黎县土地利用景观格局的特征和变化做进一步地分析，反映类型水平的指数有：斑块数量、斑块密度、平均斑块面积、最大斑块指数、聚集度指数，反映景观水平的指数有：斑块数量、斑块密度、蔓延度指数、均匀度指数、多样性指数(各景观指数计算公式及内涵见文献[14-15])。通过景观分析软件Fragstats4.2计算景观指数[16]。

2.2 InVEST生境质量模型

评估生态系统服务功能的重要模型之一就是InVEST模型，由斯坦福大学开发[17-18]。该模型中的生境质量模块可以计算生态系统能供给物种生存繁衍的潜力，用生境质量指数来反映生境质量，指数越大，生境质量越高，计算公式如下：

(1)

式(1)中，j为生境类型，Qxj代表土地利用与土地覆盖j中栅格x的生境质量；Dxj为土地利用与土地覆盖j中栅格x所受胁迫水平；k为半饱和常数，通常取Dxj最大值的一半；Hj为土地利用与土地覆盖j的生境适合性；z为归一化常量，通常取值2.5[19-20]。Dxj通过式(2)计算获得：

(2)

式(2)中，R是威胁因子；y是威胁因子r栅格图层的栅格数；Yr为威胁因子所占栅格数，Wr是威胁因子权重；ry为栅格y的威胁因子值(0或1)；irxy为栅格y的威胁因子值ry对生境栅格x的威胁水平，βx为栅格x的可达性水平取值0-1， 1表示极易达到，Sjr代表生境类型j对威胁因子r的敏感程度，irxy通过式(3)得到：

(3)

式中，dxy是栅格x与栅格y之间的直线距离；drmax是威胁因子r的最大影响距离。

运行生境质量模块所需的数据包括，各期土地利用覆盖图、各期威胁因子图层、威胁因子的影响距离、生境对各威胁因子的敏感性、生境与威胁因子源的距离。

以景观生态学中的保护生物多样性为基本原则，确定一个生境类型的受威胁敏感度[21-22]。一般来讲，外来的威胁因子对自然环境影响程度最大，其次是半人工环境，最后是人工环境。模型中将各种土地利用分成天然和人工环境，建设用地是所有土地利用类型中人类活动最集中的体现，能反映人类活动对生境等生态系统的威胁，因此该文将建设用地列为威胁因子，参考InVEST模型的实例并结合Sather[23]、Foresman[19]、肖明[7]、包玉斌[12]、陈妍[24]等学者的研究，对各威胁因子的最大胁迫距离、权重、不同生境类型对威胁因子的敏感性进行赋值(表2，表3)。

表2 生态胁迫因子属性

胁迫因子最大影响距离权重权重距离递减率居住地50.21工矿用地50.31交通用地100.51

表3 不同生境类型对不同胁迫因子的敏感度

3 结果与分析

3.1 昌黎县土地利用转移的变化

昌黎县2010年和2015年主要的地类为耕地、建设用地和林地，这三种地类组成了景观基质(图2)。2005～2010年，耕地、林地、湿地、未利用地和园地面积均有不同程度地减少； 耕地面积减少最多，减少了1 497.76hm2，由于基数较大，减幅为2.39%； 其次为园地，减少面积为243.33hm2，减少幅度最大，为3.84%； 未利用地、湿地和林地减少面积分别为29.36、52.44和79.64hm2，减少幅度分别为1.30%、1.26%和1.15%； 只有建设用地面积增加，增加了1 899.84hm2，增加幅度为10.49%。总体来讲，昌黎县这一时期土地利用变化的特点是耕地资源逐渐减少、建设用地迅速扩张。

图2 2010年和2015年土地利用类型面积变化

为更加全面详细地了解昌黎县在这一时期土地利用变化的结构特征，构建土地利用转移矩阵(表4)， 2010～2015年，昌黎县园地有96.03%较稳定，转移的3.97%的园地转为建设用地； 耕地中有97.56%较稳定，未发生转化，减少的耕地主要转为建设用地，转移的比例为2.43%，还有0.01%耕地转移为园地； 未利用地有98.70%保持稳定， 0.27%转为耕地， 1.03%转为建设用地； 湿地有98.72%较稳定，转移的1.28%的湿地变为建设用地； 林地中有98.95%保持稳定，转移的林地变为建设用地和园地，所占的转出比例分别为1.13%，和0.02%； 建设用地虽然明显增加，但仍有0.13%转移为耕地，这可能与废弃宅基地整理及工矿废弃地复垦有关； 因此昌黎县2005～2010年的主要土地利用变化特点是耕地、林地、湿地、未利用地和园地转为建设用地。

3.2 昌黎县土地利用景观格局变化

3.2.1 类型水平景观格局分析

从景观格局的视角对土地利用的变化做进一步探讨。在这两个时期，耕地的LPI指数是最大的，说明昌黎县的优势景观是耕地，耕地的NP和PD指数不断增加，LPI、AREA_MN和COHESION指数呈下降趋势，且LPI、AREA_MN指数迅速下降且减小值最大； 建设用地的NP 和PD指数值是研究区最大的，而且LPI指数和COHESION指数增加值最大，且LPI指数有迅速增加的趋势，是除了耕地之外的优势景观； 园地、湿地和林地的NP，PD和COHESION指数都有不同程度的增加，AREA_MN和LPI指数不断减小； 未利用地NP，PD和COHESION指数增加但是变化不大，LPI指数没变化，AREA_MN指数减小，说明未利用地较稳定(表5)。

表4 2010年和2015年昌黎县土地利用转移矩阵

年份地类2015耕地建设用地林地湿地未利用地园地2010耕地97.56 2.43 0.00 0.00 0.00 0.01 建设用地0.13 99.86 0.00 0.00 0.00 0.00 林地0.00 1.13 98.85 0.00 0.00 0.02 湿地0.00 1.28 0.00 98.72 0.00 0.00 未利用地0.27 1.03 0.00 0.00 98.70 0.00 园地0.00 3.97 0.00 0.00 0.00 96.03

表5 2010年和2015年昌黎县类型水平景观指数变化

地类斑块数量(NP)斑块密度(PD)最大斑块指数(LPI)平均斑块面积(AREA-MN)聚集度指数(COHESION)2010201520102015201020152010201520102015未利用地281 284 0.280 4 0.283 4 0.649 7 0.649 7 8.026 3 7.841 7 95.357 1 95.357 2 园地1 270 1 312 1.267 4 1.309 3 1.742 3 1.703 1 4.993 3 4.646 7 97.796 0 97.822 3 湿地1 983 1 994 1.978 9 1.989 9 0.362 4 0.333 1 2.096 0 2.058 7 92.901 1 91.954 4 建设用地3 419 4 507 3.412 0 4.497 7 2.512 2 2.964 1 5.299 4 4.441 4 98.031 2 98.285 4 林地688 696 0.686 6 0.694 6 2.281 8 2.280 0 9.704 3 9.479 9 97.555 2 97.565 0 耕地541 737 0.539 9 0.735 5 38.379 4 34.040 5 115.818 5 82.988 3 99.837 6 99.810 4 合计8 1829538.165 29.510 445.927 841.970 5145.937 8111.456 7581.478 2580.794 7

3.2.2 景观水平景观格局分析

2010～2015年期间研究区的斑块数量(NP)和斑块密度(PD)指数分别由8 182和8.165 2增加为9 530和9.510 4，蔓延度指数(CONTAG)指数由56.360 3减少至55.426 6，说明研究区的整体破碎化程度增加，导致该区维持生态平衡和生境质量的压力增加； 均匀度指数(SHEI)和多样性指数(SHDI)指数分别由0.656 0和1.175 4增加为0.663 0和1.188 0，说明景观结构性的减弱有一定均衡化趋势，这是由于2010～2015年间，建设用地急速扩张，耕地面积不断减少，各景观组分所占面积比例差异减小，因此SHEI 和SHDI指数增大(表6)。

表6 2010年和2015年昌黎县景观水平景观指数变化

年份斑块数量NP斑块密度PD蔓延度指数CONTAG均匀度指数SHEI多样性指数SHDI2010818 28.165 256.360 30.656 01.175 42015953 09.510 455.426 60.663 01.188 0

3.3 昌黎县生境质量的时空演变

生境质量在一定程度上决定了生境斑块的破碎化，生境质量高，破碎化程度低，反之亦然，某区域提供给物种生存繁衍所需条件的潜力也可以由生境质量反映出来，生境质量指数在栅格图层中是以0-1之间连续变化的值来体现，其值越接近1，则生境质量越好，越有利用生物多样性的维持。一般情况下，土地利用强度增加，不但会引起致威胁源地的增加，还会增大威胁源地的胁迫强度，最终导致生境质量退化。为了使得区域土地利用变化对生境质量的影响得到明显的比较和说明，将2期生境质量指数运算结果划分为0～0.2， 0.2～0.4， 0.4～0.6， 0.6～0.8， 0.8～1.0共计5个区间，这5个区间依次划分为差、较差、一般、良好和优等5个级别，统计各等级生境所占百分比，运行InVEST中的生境质量模块，可以计算出昌黎县2010和2015年的生境质量指数值，并得到昌黎县2010和2015年的生境质量空间分布图。

从时间角度来看(表7)，昌黎县整体生境质量得分处于中等水平， 2010年和2015年处于一般等级的生境质量所占比例最大，分别为45.46%和44.69%； 2015年最差等级[0-0.2)得分区间的比例较2010年增加1.87%， 2015年较差等级的[0.2， 0.4)得分区间、一般等级的[0.4， 0.6)得分区间、良好等级的[0.6， 0.8)得分区间和优等[0.8， 1.0)得分区间较2010年分别减少了0.72%、0.77%、0.24%和0.13%，说明2010～2015年昌黎县整体生境质量有所下降。

从空间角度来看(图3)，整体呈现西部沿河地带和东北部区域高，并逐渐向中部地区递减的趋势。东北部十里铺镇、两山乡和西部沿滦河地区生境质量整体较好，主要分值在0.6以上，中北部的昌黎镇生境质量最差，主要分值在0～0.2之间，中部龙家店镇和安山镇生境质量分值主要在0.2～0.4之间，昌黎县其他地区的生境处于一般水平，分值主要在0.4～0.6之间，但是距离城镇较近以及位于主要交通网连接处的区域，受到威胁程度较大，生境质量得分较低，主要分值在0～0.2之间，零星分布于研究区。与2010年相比， 2015年昌黎县分值在0～0.2之间低质量生境斑块有蔓延的趋势，继续影响临近区域，导致更多低质量生境斑块出现。

表7 2010年和2015年昌黎县各等级生境比例

评估等级分值区间20102015栅格比例的变化(%)栅格数(万个)所占比例(%)栅格数(万个)所占比例(%)差[0.0, 0.2)22.638 020.33 24.716 022.20 1.87 较差[0.2, 0.4)19.005 717.07 18.202 016.35 -0.72 一般[0.4, 0.6)50.614 145.46 49.756 244.69 -0.77 良好[0.6, 0.8)7.044 76.33 6.772 56.08 -0.24 优等[0.8, 1.0)12.037 910.81 11.893 710.68 -0.13

图3 2010年和2015年昌黎县生境质量空间分布

3.4 昌黎县生境质量变化原因分析

从上述变化中可以表明， 2010～2015年昌黎县生境质量发生退化，从土地利用及其转移变化的角度来看， 2010～2015年土地利用变化的主要特点是建设用地迅速增加，作为研究区优势地类的耕地大量减少，林地、园地、未利用地、湿地面积也均有一定地减少。建设用地急速扩张并且不断侵占耕地、林地、园地和湿地，作为生境威胁源的建设用地迅速增加，生境适宜性较高的耕地、林地、园地和湿地不断减少，这一土地利用变化的过程会对研究区生境质量造成巨大威胁，导致研究区的生境质量在研究期间发生退化。

从景观格局角度来看， 2010～2015年，建设用地景观类型水平的聚集度指数由98.031 2增加到98.285 4，LPI指数由2.512 2 增加到2.964 1，建设用地斑块分布趋于集聚且占研究区的面积增加，会增强对生境的胁迫作用，耕地景观类型水平的LPI指数由38.379 4减少为34.040 5，平均斑块面积(AREA_MN)指数由115.818 5减少为82.988 3，生境适宜性高的耕地破碎化程度增强且面积减少，会造成生境质量退化； 2010年和2015年昌黎县整体景观斑块数量(NP)分别为8 182和9 530，斑块密度(PD)分别为8.165 2和9.510 4，整体景观蔓延度指数(CONTAG)分别为56.360 3和55.426 6，说明研究区的整体破碎化程度增加，导致该区维持生态平衡和生境质量的压力增加，均匀度指数(SHEI)和多样性指数(SHDI)分别由0.656 0和1.175 4增加为0.663 0和1.188 0，原因是各景观组分所占面积比例的差异在变小，导致景观均匀度指数和多样性指数增大。

生境质量指数在0.6及以上的斑块主要分布在昌黎县东北部的两山镇和十里铺镇以及西部滦河河道沿线区域。两山镇和十里铺镇属于昌黎县生态环境一级保护区，著名的碣石山景区就位于此处，此区域多为山地，受地形影响形成的各种小生境不仅为丰富的生物多样性提供了基础，也对土地利用产生了良好的生态效应，另外此区域也是全县重要的水源涵养和水土保持功能区，政府又十分重视对保护区生态环境的保护，因此其生境质量较高； 西部滦河河道沿线区域是昌黎县河流湿地生态景观保护区，具有维持湿地景观的生物多样性、补充地下水的生态功能，在当地政府的保护下，此区域的生境质量也较好。生境质量指数在0～0.2之间的生境斑块主要位于昌黎镇和距离城市较近以及位于主要交通网连接处的区域，其中昌黎镇是昌黎县的中心城区，经济发展迅速，商业发展繁华，建设用地迅速扩张，耕地资源被大量占用，导致此区域生境质量差； 距离城市较近以及位于主要交通网连接处的区域受到威胁程度较大，因此生境质量得分也较低； 生境质量指数在0.4～0.6之间的生境斑块主要位于其他大部分平原区，生境质量处于一般水平。

4 结论与讨论

2010～2015年昌黎县耕地面积不断减少，共减少1 497.76hm2，减少的耕地主要转为建设用地，转移的面积占耕地总面积的2.43%，还有0.01%耕地转移为园地； 林地、园地、未利用地、湿地面积也有所减少，主要转为建设用地； 研究期建设用地增加了1 899.84hm2，主要来源于耕地与园地的转化。

2010～2015年昌黎县生境质量有所下降，主要原因是随着经济快速发展和人口增长，以及城镇化的不断推进，人们对土地的利用强度不断加大，土地利用转移变化速度加快，人为的开发和建设使得作为威胁源的建设用地的面积、斑块数量、斑块聚集程度不断增加，生境适宜性最好的湿地、耕地、园地面积减少，最大斑块指数和斑块数量的减少，加之整体景观蔓延度指数的降低，这一土地利用景观格局变化过程最终导致昌黎县生境斑块破碎化程度加大，维持生物多样性的能力受到极大影响，生境质量发生退化。昌黎县东北部的两山镇和十里铺镇以及滦河河道沿线区域，生境质量较好，变化不大，一方面是因为这些区域受地形本身的影响形成的各种小生境为丰富的生物多样性提供了物质基础，另一方面是因为自“十八大”以来，国家做出大力推进生态文明建设的战略决策，政府实行了一系列保护生态环境的措施，因此使其生境质量没有下降。

昌黎县生境质量总体上处于一般水平，但是作为中心城区的昌黎镇、距城镇较近地区和位于主要交通网连接处的地区，生境质量很差，所以在今后进行土地规划及生态规划工作时要优化林地、耕地及建设用地的景观格局，在经济增长得到合理保证的前提下配置必要的生态用地，在今后城镇化发展进程中，要适当控制城镇空间形态，尽量避免低效率的零散式的建设用地扩张，并对农村闲置宅基地和废弃工矿用地加大整理复垦加大力度，尽可能减少其对生境的影响。

该研究仅考虑了生境质量对于土地利用变化的响应，下一步可以结合土壤保持、水源涵养和碳储量等其他模块，全面综合地评估土地利用变化对于多种生态系统服务的变化。