基于InVEST模型的生境质量评价—以北京市通州区为例

张梦迪 张芬 李雄

1978—2018年间，北京城市用地增加，城市化率也逐渐攀升，达到了86.5%，位居全国城市化比率首位[1]，由此而引发的“大城市病”问题使城市生态系统受到一定的威胁。

通州区于2015年底确定为“城市副中心”，作为“百万亩造林工程”中的重点区域之一。通州区以“推动高质量发展，扩大绿色生态空间”为理念，逐步提升其绿化总量，以期平衡副中心城市用地的扩张和绿色空间的建设，从而缓解“大城市病”所带来的生态问题。生境质量能够反映某一区域提供物种生存条件能力的高低，探究其在通州区的变化因素和时空分布特征，对指导城市副中心绿色空间系统结构和布局的构建以及生态环境保护具有重要意义。

1 研究区域概况

北京通州区地处北京东南部。东西长度为36.5 km，南北长度为48 km，总面积906 km2。该地区属于大陆性季风气候。受夏季风影响，春天干燥多风，夏天炎热多雨，海拔最高点27.6 m，最低点为8.2 m，地势平坦。作为曾经的北京市远郊农业县，耕地是通州区内主要的生境类型[2]。同时其地下水资源丰富，大小河流共计13条，以北运河和潮白河为主要水系。

2 数据来源

笔者以2008、2013和2018年精度为30 m×30 m遥感影像作为数据源，利用遥感影像处理平台（The Environment for Visualizing Images，简称ENVI）软件进行影像校正和融合，提取出研究区域的土地利用类型，并通过地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）软件进行空间数据叠加，从而分析研究区域内地类的变化，同时还需要北京市行政区划的矢量文件限定研究范围。所有数据均通过中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台获取。

3 研究方法

通常生物多样性的评价方法多为实地调查研究，利用样方或者样带的方法调查动植物种类，并且根据调查结果参考各项跟生境相关的数据，以此来确定生境质量的情况。但是该方法需要耗费大量的人力、物力与时间，并且不易获得时间跨度较大的数据。另一种方法是利用由大自然保护协会、斯坦福大学(美国)和世界野生动物基金会联合开发的环境服务功能评估模型—生态系统服务和交易的综合评估模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs，简称InVEST模型）进行定量研究。

InVEST模型最初只有水质净化、土壤保持等几个基础模型，至今已发展成能够定量分析碳储量、碳储存与隔离、产水量和水体净化等生态价值评估方面的模型。笔者采用InVEST模型中评估生态环境质量的子模块—生态系统服务和交易的综合评估模型的生境模块（InVEST-Habitat Quality，以下简称InVEST模型生境质量模块），其釆用土地利用信息结合对生物多样性构成威胁的各种生态威胁因子，对生境质量情况进行总体评价。模型中运行的结果是反映生物多样性高低的重要指标[3-6]。同时结合通州区土地利用数据，分析2008、2013、2018年的土地利用类型的空间变化，并且构建2008—2013年和2013—2018年2个时间段的土地利用转移矩阵（图1）。

1 技术路线Technology roadmap

3.1 土地利用变化

自20世纪90年代以来，土地利用演变研究成为环境变化研究的热点之一；而国外研究人员于20世纪70年代就开始研究土地利用变化，研究的内容包括自然变化、气候变化等与土地利用变化之间的相互作用关系。在20世纪90年代，国际全球环境变化人文因素计划（International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change，简称IHDP）和国际地圈生物圈计划（International Geosphere-Biosphere Programme，简称IGBP）发起跨学科综合研究计划，并启动土地利用变化科学研究方案。国外对于土地利用变化影响生态环境方面的研究启动较早，技术手段和理论方法等较为成熟，国内研究起步较晚，有待对生态服务系统类模型结合土地利用变化对生境影响的深入探讨[4]3,[7-8]。鉴于上述背景，通过GIS软件的空间分析，对2008—2013年、2013—2018年的土地利用转换进行提取，并绘制土地利用转移矩阵。

3.2 InVEST模型生境质量模块

通过InVEST模型生境质量模块以土地利用图和每种威胁对生境的影响为基础展开生境质量的评价，进而评估生物多样性的持续性和恢复能力。模型内所必需的数据主要为：当前土地利用图、威胁因子数据、威胁源数据、生境类型以及对于威胁源的敏感性。InVEST模型假定生境质量越好的地方生物多样性越丰富，同时其恢复能力也就越强[3]20。若要得到生境质量指数，首先要计算生境退化程度，其计算公为：

式中，Dxj代表生境退化程度，胁迫因子个数为R，胁迫因子r的权重为Wr，胁迫因子层在地类层上的栅格个数为Yr，地类层每个栅格上胁迫因子的个数为ry，法律保护程度为βx，j类型土地利用对胁迫因子r的敏感性为Sjr，栅格y中胁迫因子ry对栅格x的胁迫水平为irxy[9]32。

假定模型中，土地利用类型对威胁越敏感，其退化程度越大。在得到生境退化的程度后，利用半饱和函数将栅格退化分值解译成生境质量得分值，公式如下：

式中，土地利用j中栅格x的生境质量为Qxj，土地利用j的生境属性为Hj，归一化指数为Z，其参数为模型默认值，半饱和常数为k。k值一般为生境退化最大值的1/2；如k值为1时，软件输入0.5，是软件默认数值[9]32。

土地利用中每个生境受到威胁的敏感度不同，且主要以人类活动对于生境质量改变为主，因此在威胁因子的参数设置中，人类活动对生境的影响是主要考虑因素。同时生境对威胁因素的敏感性因生境类型而异，某土地利用单元的敏感性越强，其抵抗外界干扰的能力越低，退化也就越严重，所以模型中的一个必要参数就是生境对各个胁迫因子的敏感性（表1）。

表1 生境适宜性及其对不同威胁因子的敏感性Tab.1 Habitat suitability and its sensitivity to different threat factors

根据通州区相关资料以及对研究区域的调查研究可知通州区以耕地、建设用地和道路等为居民主要活动区域，故最终选取耕地、高速公路、主路、铁路、建设用地和未利用地这6种人口活动较多的区域作为胁迫因子（表2）。结合通州区的实际情况并参照InVEST使用手册以及相关文献的研究，定义最接近生态自然系统的林地及水域生境适宜性为1和0.85；草地较适合作为自然生境，其适宜性为0.70；耕地作为人工种植的大型斑块，在通州区面积最大，是最易受人类影响的生境，适宜性定为0.60[10]624,[11-13]。

表2 胁迫因子最大影响距离和权重Tab. 2 The maximum influence distance of threat factors and weight

4 结果与分析

4.1 土地利用分析

为了深入了解通州区2008—2013年和2013—2018年2个时间段的土地利用转变情况，笔者利用ArcGIS软件对2008、2013、2018年3期土地利用数据（图2）进行叠加，重点分析在《北京市总体规划（2004—2020）》及《北京市总体规划（2016—2035）》发布后的通州区土地利用转变情况。

2 北京市通州区2008、2013、2018年土地利用解译Land use interpretation map of Tongzhou District in 2008, 2013 and 2018

2008—2013年中通州区各类用地均发生了不同情况的改变（表3、4），在这5年中，耕地、林地、水域、草地和建设用地转出和转入面积分别为16 314.16 hm2和16 596.59 hm2。耕地、建设用地和水域为主要转出类型，面积分别为 9 601.32 hm2、5 061.99 hm2和 1 163.58 hm2。建设用地有87.07%来自耕地的转入，面积为6 597.45 hm2，0.70%来自林地；耕地有84.54%来自建设用地，9.35%来自水域；而林地有86.98%来自耕地。由此可见，在2008—2013年期间，土地利用变化的主要类型是将耕地转变为建设用地和林地，建设用地转变为耕地。

表3 2008—2013年土地利用转移矩阵Tab. 3 Land use transfer matrix (2008—2013) 单位：hm2

表4 2008—2013年各类用地面积增加贡献率Tab. 4 Contribution rate of land use increase (2008—2013) 单位：%

根据2013—2018年的土地利用转移矩阵可知，2013—2018年间，耕地、林地、水域、草地和建设用地转出面积为7 819.88 hm2，转入面积为7 794.16 hm2。其中转出面积较多的是耕地、林地和建设用地，面积分别为4 135.77 hm2、2 146.04 hm2和 1 297.50 hm2。转入面积较多的是耕地、水域和建设用地，分别为1 283.85 hm2、1 081.63 hm2和4 873.96 hm2（表5、6）。在研究期间，建设用地主要由耕地转入，面积达到了3 118.59 hm2，贡献率为63.98%；林地86.37%来自耕地，面积为203.39 hm2。水域主要由529.18 hm2的耕地和491.86 hm2的建设用地转入，草地由178.53 hm2的耕地和129.09 hm2的林地转入。在2013—2018年期间，土地利用变化的主要类型是将耕地转变为建设用地和水域，林地转变为建设用地。

表5 2013—2018年土地利用转移矩阵Tab. 5 Land use transfer matrix (2013—2018) 单位：hm2

表6 2013—2018年各类用地面积增加贡献率Tab. 6 Contribution rate of land use increase (2013—2018) 单位：%

4.2 生境质量分析

利用InVEST模型软件，对2008、2013和2018年的生境质量进行了评估。为了便于描述和比较3期的生境质量情况，将2008、2013和2018年的生境质量指数运算结果分为0.00～0.20、0.20～0.43、0.43～0.89和 0.89～1.00共4个区间，根据此运算结果，生境质量分为4个层次：低度、一般、中度、高度，并计算了每一层次生境质量所占面积的百分比[10]626。

低度生境质量以建设用地为主要用地类型，一般生境、中度生境和高度生境分别以耕地、草地、林地和水域为主要用地类型。在对生境质量占比的计算中，可以发现，通州区在研究期间，以建设用地为主的低度生境质量逐年上升，而以绿色空间为主要用地类型的一般生境质量、中度生境质量和高度生境质量呈下降趋势，且以一般生境质量为主要下降类型。对比其他3类生境质量的研究初始时间和末期时间，2008年高度生境质量为4.55%，相较于2008年，2018年的高度生境质量上升了1.19%；2018年的中度生境较2008年下降了0.02%，低度生境较2008年升高了6.52%（图3）。

3 2008、2013、2018年生境质量面积所占百分比Percentage of habitat quality area in 2008, 2013 and 2018

2012年初，北京市平原造林工程正式启动，以林地和水域为主要类型的高度生境质量主要集中于潮白河、温榆河、大运河、马驹桥湿地公园和东、西部生态绿带等区域。根据2013年《北京市人民政府关于2013年实施平原地区造林工程的意见》和2018年《北京市新一轮百万亩造林绿化行动计划2018年度建设总体方案》可知，“百万亩造林工程”以构建景观生态林、绿色通道为主，并且重点建设通州区内游憩公园和东、西部生态绿带，加快推进蓝绿交织的森林城市建设（图4）。

4 2008、2013、2018年生境质量空间分布Spatial distribution of habitat quality in 2008, 2013 and 2018

5 结论与展望

5.1 结论

北京市通州区的土地利用变化主要体现在2008—2018年这10年间城市化的进程，在政策和规划不断更新的情况下，通州区的定位也由卫星城转变为北京市副中心。耕地、林地、水域和草地逐渐转变为建设用地，而耕地是所有用地类型中向建设用地转变面积最大的地类。但是随着平原造林工程建设的展开，以及《北京市总体规划（2016—2035）》的发布，为了改变以往的城市化发展方向，通州区在2013—2018年其他用地类型向建设用地的转换开始减少，并且逐渐向水域、林地等高生境的用地类型发展。

对于2008、2013、2018年这3年的生境质量评价，一般生境质量逐渐下降，主要体现在耕地大面积向建设用地转换；低度生境质量的攀升主要是由于通州区的城市建设逐渐加快，因此导致以建设用地为主的低度生境质量增加；2013年和2018年的高度生境质量相比于2008年也有了一定的提升。根据以上数据结果说明：在城市化发展中，通州区努力将生态环境建设和城市发展同时进行，以保证“高质量”的城市副中心建设。

5.2 讨论

根据通州区生境质量的研究结果，讨论影响其变化的因素，对未来规划中扩大区域内绿色空间面积，重塑通州区生态环境具有重要影响。

1）耕地作为通州区面积最大的绿色空间，由于副中心、亦庄新城通州部分以及各个特色小镇和村庄的建设，耕地逐渐向建设用地转变，导致以耕地为主要用地类型的一般生境质量下降，同时也使得以建设用地为主的低度生境质量逐年增加。

2）平原造林政策的实施，使通州区成为平原造林工程的主要建设区域之一。根据2013年和2018年的平原造林实施意见和总体方案可知，平原造林工程以景观生态林和绿色通道建设为主。同时推进通州区疏解造林、留白增绿的绿化建设，从而增加通州区的林地面积，而林地面积的提高是影响通州区高度生境质量上升的重要原因之一。

3）通州区内东郊森林公园、大运河森林公园、马驹桥湿地公园、亦庄通明湖公园和于家务中心公园等各类公园的建设对增加草地、林地和水域的面积起到了重要作用，也是影响研究区域内中度生境质量和高度生境质量变化的重要原因。

5.3 问题与展望

由于InVEST模型的参数设定没有标准的计算方法，因此本研究中相关模型参数设置均借鉴于模型使用手册的推荐数据和前人研究的成果，并结合研究区域实际情况进行调整，因此存在模型不能够精准地反映生物质量分类的情况。目前InVEST模型多用于研究大尺度区域，对于小尺度区域的研究还有待进一步探讨。

虽然InVEST模型有一定局限性，但其为大尺度区域研究提供了相对较好的平台，通过对于卫星图的解译以及模型中各个参数的设置，可以计算出研究区域的生境质量指数，为指导生态环境建设提供了一定的科学依据。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1～4、表1～6由作者绘制；其中图2、4底图审图号为GS(2019)1719号—甲测资字1100471。