InVEST模型在城市绿地生态网络构建中的应用研究

王钰雯 赵兵

摘要：科学构建城市绿地生态网络，对区域生态安全、城市可持续发展及生物多样性保护具有重要意义。本文基于对现有绿地生态网络规划方法及其不足的梳理，引入InVEST模型的生境质量模块，提出构建以绿地生态本底功能与结构空间相结合的绿地生态网络整体优化的概念与方法框架，为城市生物多样性的保护、生态系统服务功能的发挥以及城市绿地生态空间的合理规划等提供科学依据。

关键词：InVEST模型;城市绿地;生态网络;电路理论;阻力面

中图分类号：TU984.115 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2021）02-0-03

随着城市发展的快速推进，城市绿地建设的工作重心向城乡一体化的绿化建设转变[1]。城市绿地具有强大的功能特征，是推进城市生态建设的核心，对于改善人与自然的关系具有重要意义[2-3]。城市绿地生态网络的发展规划亟须更科学性、合理化、整体性的指导。探讨城市绿地生态网络的构建，有利于促进城市生态规划的可持续发展。

1 绿地生态网络研究

绿地是构成城市生态空间规划的重要组成部分。绿地生态网络（Urban Green Space Ecological Network）是指将分散的生态斑块如城市公园、森林公园、风景名胜区、街头绿地、湿地绿地等通过生态廊道进行连接[4]，组成一个自然高效的、连续完整的、并具有一定自我调节能力的复合生态网络。绿地生态网络构建是一种生态保护和空间应用思想，从功能和空间两个方面解决环境问题。其在功能上强调生态作用和社会作用，在空间布局上强调连续性和网络化。

2 InVEST模型生境质量评估原理

InVEST模型（Integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs）即“生态系统服务功能与权衡交易综合评价模型”[5]。

在城市绿地生态网络的构建中，对城市生态系统的服务功能进行评价是选取重要生态空间的基础。近年来，国内外有关生态系统服务的研究越来越多，随之出现了很多相关的评价方法。目前主要有能值分析法、物质量评估法和价值量评估法三种评估方法[6-7]，但是这三种方法的计算结果是区域生态系统服务功能的大小，不能反映空间异质性[6];InVEST模型实现了生态系统服务功能的空间可视化表达，更为直观地为研究数据的提取提供了科学依据。InVEST模型与其他模型相比，不仅具有情景预测功能，还能清晰显现各生态系统服务功能之间的相关关系[8]。

本文借鉴InVEST模型在生境质量上的评估，主要研究InVEST模型在绿地生态网络中的阻力面构建方面的应用。InVEST生境质量模型是结合土地利用数据和生物多样性威胁因素等信息，通过衡量由各个威胁因子造成的生境斑块退化程度来评估生境斑块的质量。威胁影响随距离变化的函数表达式为：

if linear

if exponential

在上面两式中，dxy为栅格x和y之间的线性距离，dr max代表的是威胁因子r的最大作用距离。生境的退化程度通常使用具体的某一类型的生境在具体的栅格的总的威胁水平指数Dxj来表示，通过生境退化程度最后得出生境质量Qxj：

在上式中，Sjr为类型的生境对威胁r的敏感性，Hj代表的是类型的生境适宜程度，Z=2.5，k 表示半饱和常数。

3 城市绿地生态网络构建方法研究

3.1 生态源地的识别及重要生态斑块提取

生态源地是满足区域社会经济发展生态需求的最小面积生态用地，区域生态源地的选择对城市生态系统的连接性和自我调节能力具有重大意义。生态源地的识别常基于生物多样性丰富度和生态系统服务重要性的考虑[9]，主要有关键生态资源选择法、功能优先法和空间优先法这三种识别方法。

关键生态资源也称生态环境敏感区，是指对城市区域具有重要生态意义的绿地或其他自然要素，包括主要河流及重要水体、森林公园、风景名胜区、山地丘陵、大型湿地、自然保护区、基本农田保护区等。该方法较为简单，而且由于区域内自然生态系统组成结构、不同类型的生态功能以及时空变化特征等易受到自然与人为因素的影响，所以单一依靠关键生态资源识别生态源地存在信息更新不及时、考虑因素过于单一且内部差异性容易被忽略等问题。

功能优先法以识别功能优先空间为核心，其选取常从空间适宜性评价、生态重要性评价、生态系统服务价值三个角度来确定。空间适宜性评价包含栖息地适宜性分析评价、生态环境敏感性分析、生态连通性指数分析;生态重要性评价常以生物多样性保护、土壤保持、碳储量、水源涵养等指标进行确定;生态系统服务价值的研究内容包括能值分析、价值评估、供给服务、指标测度、等效因子法等。功能优先法的选取虽然较为全面地考虑了生态空间本身的价值及其对周边环境的生态服务功能与价值，但缺乏明确的空间评价指标，在生态空间结构上缺少权衡，使通过功能优先法选择出的生态空间不能落实到具体的城市用地空间上。

空间优先法是基于特定目的识别将有效且高效的生态空间作为修复生态斑块破碎化严重与强化城市生态空间的重要生态斑块，多关注城市绿地生态网络的空间分布与格局，主要采用景观异质性评价、景观格局指数[10]、景观中心度评价、形态学空间格局分析等方法进行绿地空间结构分析，从而选取生态源地及重要生态节点。该方法重视区域生态空间结构的相互关系，但是缺少对生态功能的考虑，使规划的网络缺乏针对性，无法促进城市建设空间与绿地生态空间形成积极互动。

在应用研究中，单一的识别方法无法保证源地识别的完整性和科学性，而且存在忽略内部差异性等问题，无法更科学合理地進行识别与构建。因此研究通常综合多个方法识别生态源地，如Zetterberg A等从城镇绿地生态系统评估、区域景观格局分析和城镇公园空间分析三种尺度，对研究区域绿地生态网络进行了优化分析[11]。部分学者基于MCR模型和景观功能结构理论，结合生态系统服务价值、绿地类型、景观格局指数等方法分析了该地区绿地生态功能的空间差异[12]。结合研究，本文提出基于InVEST模型的生境质量高值区评估，结合形态学空间格局分析（MSPA）和生态连接度，并以当地政府颁布的生态红线区域保护规划作为参考，选取绿地生态网络构建的生态源地及重要生态节点，可以从区域生态功能和绿地空间结构两个方面保证生态源地识别的科学性及完整性。

3.2 基于InVEST模型的阻力面的构建

阻力面的构建是识别及提取生态廊道的核心。阻力面反映了不同物种在穿过各类型空间时需要克服的景观阻力，阻力面的赋值常结合研究区域基础地形、土地覆盖类型、植被类型及覆盖程度、人类行为活动以及距离进行确定。不同的景观阻力赋值对生态廊道的识别具有不同的影响[13]。

目前阻力面的构建常根据不同的土地利用类型结合相关文献进行经验分配，但单一地利用土地覆被类型进行赋值，无法考虑到同一用地类型的内部差异性，忽视了城市生态与人类社会经济之间的相互作用，无法准确表现社会行为活动影响下的复杂生态本底特征。因此，学者们相继在土地覆被类型阻力值的基础上，结合自然因素[14]、自然灾害因素以及人文因素构建景观阻力因子指标评价体系[15]。生境质量评估反映了研究区域的环境适宜性，基于InVEST模型的生境质量模块确定空间生境质量分布情况，用其倒数表示物种流动的阻力，并结合基础地形分析以及植被覆盖度作为指标构建生态过程流通的阻力面，实现潜在生态廊道的提取和筛选，可以为后续生态廊道的识别提供更为科学合理的景观阻力面。

生境质量模块中需输入的参数主要有当前土地利用规划数据、区域主要生境胁迫因子及其影响范围和权重、景观类型对威胁源的敏感性程度参数以及生境适宜度参数等数据。本研究基于InVEST模型使用指南《生态系统服务评估与权衡（InVEST）模型（3.2.0 版本）》中的得分标准，结合相关学者的研究基础，设计Habitat Quality模块输入参数表（表1和表2）。

3.3 生态廊道辨识及重要生态廊道选择

生态廊道是一种联系生态源地、重要生态节点以及结构性控制区的线状斑块区域，包括河流、山体林地、交通等廊道类型。筛选生态廊道可以维持和增加生境的连接，保持生态功能的完整性以及保护生物的多样性。其识别方法主要分为关键生态资源选择法和模型模拟法。

关键生态资源选择法主要是选取对城市区域具有重要意义的具有线性特征的生态要素和生态实体，如城市绿化带、主要河流及重要水体防风林带等。

模型模拟法主要有最小累积阻力模型法（Minimal cumulative resistance， MCR）、电路理论法（Circuit Theory）[16]、生物流情景模拟分析、网络分析法模型（Analytic Network Process，ANP）、空间句法分析（Space Syntax）[17]。通过建立景观阻力面，模拟各类生物体通过不同生态空间的运动阻力来识别潜在生态廊道。对生态廊道进行初步提取之后，还需要采取廊道相对重要性分析，运用定量分析廊道的相对重要性，明确生态廊道的先后保护顺序。

基于InVEST模型的生境质量评估建立景观阻力面，再基于重力模型识别景观面中多条具有一定宽度的路径，并可通过生态节点之间电流的强弱，确定生态廊道的相对重要性，最后构建绿地生态网络的方法更具有稳定性和科学性。

3.4 生态节点的提取及其研究方法

生态节点是稳定区域绿地生态网络结构的景观节点，分散布置在生态空间中，建立在各个生态廊道敏感区域，巩固和强化了各个生态源地之间的联系。

目前识别方法主要为基于各类阻力模型进行的空间结构分析，对通过各个生态廊道的电流强弱进行分析，识别电流值最高的区域为生态节点[18]。累计电流值越大的节点，对生态网络结构的稳定性及完整性就越重要。关键绿地节点的增加，可以提高绿地间的连通性，维持区域内各生物的生存环境，进而保护生物多样性[19]，形成更为完整、布局良好的绿地生态网络。

4 结语

探索构建绿地生态网络的新途径，具有重大的学术和社会价值。城市绿地生态网络将区域各类型绿地作为城市空间规划的一部分，探讨生态功能效力和网络空间结构的相互作用，引导城市用地合理化布局。

近些年，绿地生态网络的研究主要是基于空间优先级的思想，选取生态源生态廊道及生态节点等景观网络基本构成要素，相比较技术方法，利用生态威胁因子对空间适宜性评价、生态重要性评价、生态系统服务价值的研究较少，过于关注绿地空间结构的构建，而忽视了与生态功能的有效结合。因此，本文在总结学习上述学者研究方法的基础上，提出引入InVEST模型的生境质量模块，以形态学格局分析和当地红线保护区域作为生态源地的提取依据，并以生境质量、植物覆盖度以及基础地形分析作为指标构建生态过程流通的阻力面，最后通过电路理论识别并优化生态廊道及生态节点。这种方法科学评价了区域用地的生态服务功能，从生态本底功能和绿地空间结构两个方面保证了绿地生态网络构建的合理性和完整性，为相关绿地生态网络的规划实践提供了指导与参考。

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作者简介：王钰雯（1995—），女，山东枣庄人，硕士在读，研究方向：风景园林规划与设计。

赵兵（1968—），男，浙江杭州人，博士，教授，系本文通讯作者，研究方向：城市绿地系统规划、风景园林工程新技术、城市绿地与健康。