基于InVEST模型的生境质量评价与生态旅游规划应用

王晓琦 吴承照

同济大学建筑与城市规划学院 上海 200092

生态旅游的概念由世界自然保护联盟IUCN于1983年提出,随后在全球范围内得到广泛开展,生态旅游的开展有利于保护地周边社区的经济发展,是实现可持续发展的有效途径[1]。但旅游开发与核心物种保护的矛盾一直存在,正确处理保护与发展的关系,是自然保护地生态旅游规划的研究重点[2]。2018年,IUCN发布《IUCN生态系统服务评价工具包》[3],提出9种生态系统服务评价工具指导保护地的管理建设。在评价工具包的指导下,本文对InVEST模型在大山包国家级自然保护区生态旅游规划中的应用进行初探,以期为自然保护区生态旅游规划的科学化编制提供指导。

1 研究区与黑颈鹤生境概况

研究区域为云南省大山包黑颈鹤国家级自然保护区的实验区,位于昭通市昭阳区大山包镇,1990年建立县级保护区,2003年升级为国家级,2004年列入国际重要湿地,面积192 km2[4]。大山包国家级自然保护区地处云贵高原,是黑颈鹤的重要越冬区[5]。海拔在3 000—3 200 m,气候冬寒夏凉,植被主要为亚高山沼泽化草甸。保护区内湿地较多,主要分布在跳墩河、大海子、勒力寨、燕麦地水库等地,湿地的浅水区域为越冬黑颈鹤提供了良好栖息地[6]。

黑颈鹤是国家一级保护动物,由于其种群数量稀少被IUCN列为全球性易危物种[7]。黑颈鹤的主要行为包括觅食、休息、夜宿,其中觅食行为可以占到黑颈鹤日间时间分配的一半以上[8]。根据钟兴耀等[9]研究,黑颈鹤越冬期间主要利用4种生境类型,分别是水域、亚高山草甸、沼泽化草甸和耕地,黑颈鹤在水域进行休整和夜宿,在沼泽化草甸进行觅食和休息,在耕地和亚高山草甸进行觅食,黑颈鹤对夜宿地的要求更严格,一般选择在距离居民点直线距离400 m以外的地方,周围要有大面积的沼泽化草甸；休息区主要选择在夜宿地周围的沼泽化草甸,距离居民点的直线距离200 m以上；觅食主要在生境为耕地、沼泽化草甸和亚高山草甸的缓坡上进行。根据邝粉良等[10]研究,亚高山沼泽化草甸成为黑颈鹤越冬生境的主要选择。

2 研究方法

2.1 模型介绍

本文采用InVEST3.8.2版本的生境质量评估模块对黑颈鹤生境质量进行定量评估。InVEST将生境质量作为生物多样性的表征,通过分析土地利用/土地覆被类型以及对物种栖息地的威胁,评价特定物种的生境质量。生境质量是4个因素的函数,模型表示为由低到高的连续变量[11],包括生境的威胁因子、生境对威胁的敏感性、生境与威胁之间的距离,以及受保护的程度。其主要产出结果为生境质量得分的空间分布栅格图[12]。

2.1.1 生境退化程度

InVEST生物多样性模块对生境退化程度的计算基于如下的假设,土地利用类型对威胁因子越敏感则退化度越大。土地覆被j栅格x的退化度Dxj计算公式如下:

式(1)中,y表示威胁栅格图r上的所有栅格,Yr表示威胁栅格图r上的一组栅格,Wr为威胁因子的权重,ry表示栅格y处威胁r的影响值,irxy表示距离衰减函数(在威胁因子表中由用户指定,分为线性或指数),βx表示栅格x的可接近水平,Sjr表示土地覆被类型对威胁r的敏感值。

2.1.2 生境质量

通过半饱和函数转化生成生境质量分值。土地覆被j栅格x的生境质量由Qxj表示,计算公式如下:

式(2)中,Hj表示生境适宜度(在生境适宜度表中由用户指定),z为比例因子(系统指定为2.5)；k表示半饱和系数(用户指定)。

2.2 数据来源及处理

InVEST模型生境质量模块以栅格作为基本评价单元,本文输入该模块的栅格数据分辨率统一为30 m。生境质量模块的成功运行需要严格按要求输入5种数据,即现状土地覆被栅格数据、生态威胁因子栅格数据集、威胁因子量表、威胁可达性矢量图层、土地覆盖类型对各生态威胁因子的敏感度。参照上述要求,结合研究区实情,本研究中InVEST模型的生境质量模块所需数据包括研究区土地覆被数据和生态威胁因子栅格数据集。

2.2.1 研究区土地覆被数据

大山包土地利用/土地覆被数据由大山包自然保护区管护局提供。考虑到不同土地覆被类型具有差异化的生态属性,生境质量的计算依据需要结合生态系统类型的属性综合考虑,因此本文将研究区原有土地覆被类型进一步划分为黑颈鹤生境系统和非黑颈鹤生境系统两大类。依据上文阐述的黑颈鹤行为及生境构成,将黑颈鹤生境系统分为水域、沼泽化草甸、耕地、亚高山草甸,并依据黑颈鹤的午休行为,将沼泽化草甸细化为近水沼泽化草甸和远水沼泽化草甸,最终形成水域、近水沼泽化草甸(1 000 m以内)、远水沼泽化草甸、耕地、亚高山草甸5个类型组成的黑颈鹤生境系统。其他土地覆被类型则列为非黑颈鹤生境系统。不同的土地覆被类型对于相同的生态威胁因子表现出不同的敏感度。

2.2.2 生态威胁因子栅格数据集

运用ArcGIS空间分析工具Con提取保护区范围内的城镇居住地、农村居民点、公路、农村道路4个地类作为生态威胁因子。将目标因子栅格图赋值为1,而对非目标因子栅格图赋值为0。综合考虑以上相关研究分析并参照InVEST模型使用指南[12]、景观生态学有关基本原理以及相关研究结果[13]、实地调研状况建立生态威胁因子量表(表1)。

表1 威胁源及其最大威胁距离、权重及衰减类型

2.2.3 生态系统类型对各威胁因子的敏感度

参照InVEST模型使用指南[12]、钟兴耀等[9]的研究,对研究区黑颈鹤生境不同类型对各生态威胁因子的敏感度进行赋值,敏感度值域范围为0～1(1表示土地覆被类型对威胁因子具有极高的敏感度,0则表示土地覆被类型对威胁因子无敏感度)。在敏感度量表中,要求对每一个土地覆被类型赋予一个生境适宜度得分,值域为0～1(1表示最高的生境适宜度)。针对黑颈鹤生境系统的研究,依据黑颈鹤的行为,对水域、近水沼泽化草甸、远水沼泽化草甸、耕地和亚高山草甸的生境适宜度分别赋值为1、1、0.7、0.7、0.5,得到生态适宜性及相对敏感度量表(表2)。

表2 生境适宜度及其对不同威胁源的相对敏感程度

2.2.4 威胁可达性

《生物多样性保护公约》中明确要求各缔约国创设本国保护区及分类系统,以达到顺应生物多样性就地保护的客观需要。因受法律及其相关保护措施的作用,人类活动在保护区与非保护区内形成的外在干扰程度是有差异的,如保护区内的社会经济活动相对较少。In VEST模型生境质量模块正是考虑到了这个因素从而设置了威胁可达性这一参数。本研究根据保护区保护程度的分级,赋予各个功能区矢量多边形图层的可达度值而嵌入其属性表中。将核心区的威胁可达性值设为0.5,缓冲区为0.7,实验区为0.8,没有在保护区多边形范围内的值的区域则假定生态威胁因子不受这一参数影响。

2.3 热点分析

将生境质量得分通过热点分析,划分出热点与冷点区域作为用地适宜性评价的重要基础内容。基于ArcGIS平台,本研究使用Getis-Ord Gi∗指数刻画大山包黑颈鹤生境质量冷热点。当Gi∗值显著为正时,生境质量呈高值集聚,为热点区域,当Gi∗值显著为负时,生境质量呈低值集聚,为冷点区域,其中99%置信水平上的Gi∗值对应的区域视为热点和冷点,95%置信水平上的Gi∗值对应的区域为次热点和次冷点。

2.4 用地适宜性评价

用地适宜性评价是生态旅游规划的基础,对自然保护区实验区的开发建设提供具体指导[14],用地适宜性高的区域适宜开展集中建设,用地适宜性低的区域应避免开发对黑颈鹤生境系统造成干扰。在黑颈鹤生境质量评价的基础上,选取合适的因子构建评价指标体系对旅游开发用地进行适宜性评价,以指导生态旅游规划建设。

3 结果与分析

3.1 黑颈鹤生境质量统计

InVEST生境质量指数是无量纲综合性指标,生境质量高的区域将更好地支持黑颈鹤生存发展。运用ArcGIS中Zonal Statistics分区统计工具对黑颈鹤生境质量评价进行统计,计算得到整个保护区和实验区、缓冲区、核心区的生境质量指数(表3)。

由表3可知,黑颈鹤生境质量指数得分最低的是实验区,最高的是核心区。将黑颈鹤生境质量指数划分为0～0.15、0.15～0.3、0.3～0.45、0.45～0.6、0.6～0.75共5个区间,并据此将其设定为差、较差、中、较好、好5个等级。

表3 大山包黑颈鹤生境质量状况统计

核心区生境质量最好。核心区的跳墩河水库、大海子水库及勒力寨附近生境质量最高,该区域是黑颈鹤夜宿地,周边沼泽化草甸供黑颈鹤午休,外围天然草甸与耕地供黑颈鹤觅食,因而提供了整个保护区生境质量最好的区域；其次是核心区的西北部,此处有大面积的耕地且周边居民点及道路较少,提供面积较大的高生境质量觅食区。缓冲区各等级生境质量的区域比例均匀。中等级以上的生境缓冲区为2.65%；中等级以下的生境质量区域缓冲区占了12.27%。实验区生境质量大部分为中等及以下。在燕麦地周边及以西存在面积较大的中等生境质量斑块,是实验区生境质量最好的区域；实验区以耕地、天然草地、居民点为主,燕麦地水库周边缺少沼泽化草甸供黑颈鹤午休,黑颈鹤在实验区以觅食为主。

3.2 黑颈鹤生境质量热点分析

热点区域存在于跳墩河、大海子、勒力寨周边,核心区西北部邵家屋基、刘家沟以及小海子、大河边周边,实验区西南部老屋基、甘沟周边。在GIS中叠加保护区监测到的黑颈鹤矢量分布区域,黑颈鹤分布与本次评价所得到的生境质量热点区域基本吻合。在生态旅游规划中,应尽量避开生境质量热点区域,以保护黑颈鹤生境系统不受干扰。

3.3 基于黑颈鹤保护的生态旅游用地适宜性评价

3.3.1 指标体系构建

根据生态旅游规划建设对土地资源属性的要求,考虑主导性、可获取、易量化和区域特点等因素,参考已有研究合理选择评价指标[15]。确定自然环境因子、经济社会因子以及生态安全因子作为3个一级评价因子,其中,自然环境因子选取高程和坡度作为二级因子；经济社会因子选择公路和农村道路作为二级因子；生态安全因子则利用生态质量、禁止建设区作为二级因子。通过咨询保护区有关人员及相关研究整理,对评价指标体系内的指标进行重要程度比较,借助层次分析法得到各评价因子权重信息(表4)。

表4 评价标准与权重表

3.3.2 用地适宜性评价

在GIS中采用加权总和法,计算各评价因子的权重以及分值,得到大山包自然保护生态旅游开发用地适宜性评价图。

通过分析用地适宜性可知,实验区可分为东部、南部、西部3个区域。东部用地适宜性高值区域面积最大,以较适宜、适宜为主；南部不适宜建设的区域占一半以上,但适宜性区域呈聚集性分布,成为独立完整的区域,有利于集中开发建设；西部适宜性建设区域最少,应避免大规模的生态旅游开发建设。在适宜性较高区域可以进行合理的生态旅游开发,但应考虑水源、林地、耕地的分布,采用适宜的生态旅游建设方式,充分利用保护区内水体、森林、草甸、崖壁的自然景观资源。适宜性较低的区域往往是黑颈鹤生境质量的高值区域,应尽量保持现状土地利用类型,不进行旅游开发或严格控制游览方式、游客人数与游憩活动类型。

4 自然保护区生态旅游发展思路与保护策略

实验区生态旅游规划建设应遵循“因地制宜、保护优先”原则。从保护区资源保护、改善村民生活、生态旅游可持续发展的角度出发,依据旅游用地适宜性与景观资源评价,从以下4个维度对实验区提出生态旅游发展思路与保护策略。

1)适宜性高且景观资源好。集中开展生态旅游道路、旅游设施、观景点的建设。在景观良好地点设置观景点、架设步道及相关设施,但应注意架设的方式与规模以保护完整的草甸荒野景观；注意生态旅游道路、设施设置的合理性,采取适地的方式以最小干预的原则进行开发建设。将传统村落发展为生态旅游服务点,利用优美的农田景观,建设错落有致的梯田,进行以梯田景观为主题的生态旅游建设。一是村集体开展整体村落风貌保护的相关活动,防止村民不合风貌的自建行为,以及新农村改造中的建设性破坏；二是在有条件的情况下,提供专项风貌保护基金,鼓励村民根据传统民居风格修葺保护民宅。集中打造旅游产业体系,进行人为干扰小的旅游活动,如利用景观资源发展以专业极限运动为核心,相关服务、配套、观光、培训等一系列延伸产业系统发展的极限运动产业体系。

2)适宜性高但景观资源差。集中布局交通集散点,建设展馆、研学基地等具有重要科普教育价值但人流量较高的设施,以从整个大山包自然生态系统保护的角度减少人为干扰的影响。

3)适宜性低但景观资源好。高质量的天然草地、原生森林区域具有良好的自然景观风貌,但适宜性极低,应严格保护当前原生生态系统,不进行大规模的生态旅游开发,控制游客数量,降低其可达性。但可通过借景手法,依据优质的景观资源开展以露营、观鸟、徒步为核心的旅游产品,还可在保护优先地前提下,开展具有教育意义的生态旅游活动。

4)适宜性低且景观资源差。以耕地为主,保留当前利用现状,同时改变现有耕种方式,注重提高黑颈鹤食物的质量,建议种植燕麦等有利于黑颈鹤健康的农作物。积极引进生态新技术,既保持传统农耕风貌又能带来高的经济收入。

5 讨论

InVEST模型具有数据需求量相对较小、计算结果可视性强等特点。该方法所需的数据容易获取,可以替代物种调查等复杂方法,对生境质量和数量的变化进行快速评价,在物种分布数据缺乏的情况下极为有用。其生境质量评估结果借助GIS空间分析功能可以直观描述生境质量的空间异质性,但InVEST模型在生境质量评价中有其固有的缺陷:一是模型中黑颈鹤生境对威胁因子的敏感度基于土地覆被数据进行赋值,忽略了物种间的响应；二是InVEST模型对所有的威胁统一进行权重和影响距离叠加,未考虑耦合因子对生境质量的评价存在潜在的影响。在实际情况中,耦合因子对生境质量的评价还存在潜在的影响,比如黑颈鹤生境的破碎化程度、连通程度,城镇居民点、农村居民地的斑块大小、聚合程度等复合因子对黑颈鹤生境质量的影响并未予以考虑。此外,由于InVEST模型的应用具有地区差异性,本文输入的大山包保护区数据及参数还需充分结合当地的实测,才能达到提高模型评估精度的目的。

本文在《IUCN生态系统服务评价工具包》的指导下,选取InVEST模型应用于自然保护区的生态旅游规划实践,对生态旅游规划的科学化编制进行初步探索,InVEST模型的生境质量评价结果可作为生态旅游开发用地适宜性的重要基础数据,在明确的空间位置上指导自然保护区的生态旅游开发建设,其在自然保护区的规划、管理、建设中具有广泛的应用前景。