基于LUCC和InVEST模型的长汀县生境质量研究

赵智源，武国胜，b*，林惠花，b

（福建师范大学 a.地理科学学院，b.地理研究所，福州 350117）

0 引言

生境质量反映自然资源及人类赖以生存的环境的优劣情况，是生态系统健康水平的重要表征，指示生态系统服务功能的强弱[1]。掌握生境质量的时空变化机制有助于规范人类利用改造资源环境的行为，实现区域可持续发展。土地利用/覆被变化（LUCC）是表征人类活动行为对地球陆表自然生态系统影响最直接的信号，是人类社会经济活动与自然生态过程交互和链接的纽带[2]。土地利用变化能够直接改变生物生境和资源的时空分布，进而影响生态系统的过程[3]。因此研究土地利用变化对生境质量的影响，可为区域生态安全格局的构建和土地资源可持续利用提供理论依据[4]。

近年来，众多学者在研究土地利用变化背景下的生境质量时主要集中在两个方面：一是通过野外实地调查获取区域动植物生境质量参数，基于景观格局的指标体系评价生境质量，如对藏羚羊[5]、蒙古野驴[6]、丹顶鹤[7]、金丝猴[8]等单类物种的栖息地进行综合评估，但此类研究需要耗费大量人力成本去采集生物多样性数据，并且难以获取长时间序列的数据进行时间动态分析，因此评价结果难以比较和推广；二是利用生态评估模型直接对生境质量进行定量评估，如生境适宜度指数（HSI）[9]、ARIES[10]、InVEST[11]等模型，其中InVEST模型由于其适用范围广、所需数据量小等优点而被广泛运用于国内外生境质量的评估中，包括市域[12]、城市群[4]、流域[13]、自然保护区[14]、农牧交错带[15]等不同尺度的研究。国外学者围绕该模型对意大利[16]、美国Alabaha流域[17]、埃塞俄比亚Omo-Gibe盆地[18]等进行了一系列生物多样性的评价。随着对生境质量研究的深入，学者们逐渐将视角放在重要事件对生境质量影响及生态质量的重构模拟方面[19]。总之探讨生境质量变化及其土地利用变化一直是国内外学者关注的热点。

福建省长汀县在20世纪40年代就与陕西西安、甘肃天水一起被列为全国三大水土流失治理试验区。长汀县水土流失历史至少在200年以上，研究区内红壤土质自身保水能力差，水土流失现象严重，尤以河田镇为中心向四周扩展，形成“白沙岗”或“红色荒漠”景观，生态系统水土保持功能弱，生态环境质量脆弱。自2000年以来，长汀县进入大规模治山治水时期，土地利用类型发生了剧烈变化，经过多年以植树为主的生态修复，该县生态面貌有了较大改观，是开展土地利用变化对生境质量影响研究的理想场所。因此，在综合分析前人的研究基础上，以长汀县为研究区，基于LUCC和InVEST模型分别对2005、2010、2015、2020年4个时期15年的生境质量进行评估，分析长汀县不同区域的空间分布特征和区域差异，揭示土地利用变化对生境质量变化的响应规律，这对长汀县巩固现有治理成效，引导和调控土地利用方式和强度，进一步治理水土流失和改善生境质量具有重大现实意义。

图 1 研究区概况Figure 1 Overview of the research area

表 1 土地利用分类体系 Table 1 Land-use classification

1 材料与方法

1.1 研究区域

福建省长汀县是南方红壤典型水土流失区，位于福建西部，地理坐标在25°18′40″N～26°02′05″N， 116°00′45″E～116°39′20″E，南邻广东、西接江西，总面积3 099 km2，其中山地面积2 586 km2、耕地面积294 km2，是典型的“八山一水一分田”山区县（图1）。研究区以山地、丘陵为主，平地狭小，盆谷相间，由花岗岩风化后发育的红壤土分布广，抗侵蚀能力弱。长汀县属亚热带季风气候，多年平均降水量1 737.1 mm，降水集中且多暴雨，加上长期不合理的土地利用方式破坏了原生植被，取而代之的是大量次生植被，大多为马尾松林和灌丛，水土保持能力差，极易产生较强的土壤侵蚀。经过多年治理，长汀县水土流失强度有所降低，现阶段水土保持工作已取得了阶段性成效。

1.2 数据来源

研究涉及的2005、2010、2015和2020年共4期遥感影像为Landsat系列产品数据，所用影像获取时间为2005年10月31日（TM）、2010年10月29日（TM）、2015年09月09日（OLI）和2020年10月24日（OLI），来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/），分辨率为30 m，平均云量均为5%以下。遥感影像的预处理包括利用ENVI 5.1对影像进行几何配准和大气校正等，另外借助实地调查、林业调查辅助数据、长汀县1∶5万资源环境遥感调查子项目数据，根据研究区特征和全国土地利用分类体系（GB/T 21010-2017）建立解译标志，采用最大似然法进行监督分类，将研究区土地利用类型分为7个一级类和14个二级类，如表1,并结合Google Earth、天地图等高分影像在ArcGIS中进行目视校正，经人机交互修改后得到研究区土地利用数据，在ArcGIS中随机选点检验精度在87%以上，满足本研究需要。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用分析

为了明晰长汀县土地利用变化的数量，利用土地利用转移矩阵研究土地利用转移特征。其次，基于生态系统景观格局角度，参考已有研究[20]，选用了常用的并具有良好代表性的类型水平指标如斑块数（NP：Number of Patches）、斑块密度（PD：Patch Density）、最大斑块指数（LPI：Largest Patch Index）、平均斑块面积（AREA-MN:Mean of Patch Area）、聚集度指数（CI:Cohesion Index）进一步研究长汀县土地利用景观格局特征及演变，指数计算在Fragstats 4.2中完成。

1.3.2 InVEST模型生境质量模块

InVEST模型是由美国斯坦福大学、大自然保护协会（TNC）与世界自然基金会（WWF）联合开发的生态系统服务和权衡的综合评估模型。本研究采用其子模型生境质量模块，通过评估区域内各种生境类型或植被类型的范围和各自的退化度来表示生境质量的高低，其结果为0～1之间从低到高的连续变量，模型假定生境质量水平越高则生物多样性越丰富，反之生物多样性则较匮乏。为得到生境质量，需要先计算不同土地利用类型的退化程度，计算公式为：

（1）

式（1）中:Dxj为土地利用/覆盖类型j中x栅格的生境退化度,R为胁迫因子数量,Yr为r胁迫图层中的一组栅格数量,wr为胁迫因子r的权重，ry为土地利用类型图中每个栅格上胁迫因子的个数,βx为法律保护程度,Sjr为生境类型j对胁迫因子r的敏感性。irxy为栅格y对x的胁迫水平（包括指数衰减和线性衰减函数），计算公式为：

（2）

（3）

式（2～3）中：dxy为栅格像元x与y之间的距离,drmax为胁迫源r的最大威胁距离。

最终通过以下公式计算出生境质量指数：

（4）

表 2 胁迫源属性Table 2 Attributes of the stress sources

表 3 不同土地利用类型生境适宜度及其对各胁迫源的敏感度Table 3 Habitat suitability of different land types and their sensitivity to stress sources

式（4）中：Qxj为土地利用/覆被j中栅格x的生境质量指数,Hj为土地利用/覆被类型j的生境适宜性,k和z为比例因子，其中k为半饱和常数，z为归一化常量。

在生境质量评估模块中，主要原理是将土地利用与胁迫源建立联系，根据不同生境对胁迫源的响应程度，计算生境分布与退化情况，此外，各土地利用/覆盖类型对胁迫源的敏感性则需要考虑土地利用/覆盖类型自身的生境适宜度以及不同土地利用类型对胁迫源的敏感度，一般来说越接近自然环境的系统，生境适宜度越高，相对复杂的系统在外界干扰下也具有更强的自我修复能力，敏感度就越低，而纯人工环境则不具备生境适宜性。研究结合InVEST用户手册的推荐值[21]，借鉴刘智方[23]等对胁迫因子属性和胁迫因子敏感度的赋值，最终确定具体参数如表2、表3所示。

2 结果与分析

2.1 长汀县土地利用转移变化分析

2.1.1 土地利用变化分析

研究期内，土地利用面积持续增加的有常绿阔叶林、常绿阔叶灌丛、茶果园、城镇村庄和交通用地，面积增量最大的是常绿针叶林，增加了2 666.03 hm2，但由于其基数大，增幅只有1.30%，其次是城镇村庄，增加量为1 647.76 hm2，增幅为26.80%。茶果园和常绿阔叶灌丛的增幅为第一和第二，分别为32.60%和31.54%，增加面积为788.69 hm2和325.92 hm2；面积持续减少的有水田、旱地、稀疏林和草地，其中减少量最大的是稀疏林，减少了2 599.49 hm2，减幅为16.84%，其次是水田，减少了1 406.40 hm2，减幅为5.16%。草地的减幅最大，为17.26%，减少了805.56 hm2；此外，水域用地略有扩张但变化并不显著。

为深入了解长汀县土地利用变化的结构特征和各土地利用类型的流动方向（图2），构建土地利用转移矩阵。2005—2020年，常绿针叶林的扩张主要源于稀疏林和草地的转入，分别为12.37%和11.15%，常绿阔叶林也有部分稀疏林和草地的转入，分别为5.99%和3.13%，城市扩张侵占了大量未利用地、草地和耕地，分别为8.86%、3.83%和3.60%，但也有部分建设用地转为了林地（2.43%）和耕地（0.87%），这可能与“空心村”、农村废弃宅基地整理有关。而茶果园则侵占了部分未利用地和耕地，分别为3.71%和0.87%，草地和稀疏林转入教少，但却大量转出为常绿针叶林和常绿阔叶林，说明长汀县自2000年实施的生态修复和水土流失治理等水土保持项目起到了积极的促进作用。

通过以上分析可以看出，林地是长汀县的主要土地利用类型，其中常绿针叶林和阔叶林占比最大，15年来土地利用结构呈现两个特点：1）林地面积总量变化不大，主要表现为稀疏林等低覆盖度土地利用类型面积减少，并逐渐转为常绿针叶林、阔叶林等高覆盖度类型的林地结构，呈现结构性优化态势，这正是长汀县实施水保措施，调整树种结构，提升森林质量的有力体现。2）在快速的经济发展与城镇化背景下，建设用地剧烈扩张，农民为追求经济效益大力发展果业，种植经济林，致使园地面积持续增加。

图 2 2005—2020年长汀县土地利用变化示意Figure 2 Land use change in Changting County during 2005—2020

2.1.2 景观多样性和空间结构变化

景观格局指数计算结果如表4所示，从类型水平景观格局来看，常绿针叶林的LPI指数最大，说明常绿针叶林是长汀县的优势景观，2005—2020年间常绿针叶林和耕地的NP、PD指数增加，AREA-MN和COHESION指数小幅减少，表明斑块数目增多但平均面积和聚集程度降低。常绿阔叶林、常绿阔叶灌丛和稀疏林的AREA-MN和COHESION指数增加说明其破碎度降低，连通性增加，生态功能增强，但建设用地的NP、PD、AREA-MN和COHESION指数持续增加，则导致区域生态质量趋差，园地同建设用地的变化情况一致，研究期内园地的斑块数量、斑块密度和平均斑块密度逐渐增加，从邻接关系看，斑块的聚集程度也在提高；而草地的变化较为剧烈，NP、PD、LPI、AREA-MN和COHESION指数都有不同程度的减少，这与土地利用的变化情况相符，树种结构改善，使得草地大量转为其他优质林地。

表 4 长汀县2005—2020年土地利用类型水平景观指数变化Table 4 Changes of landscape index of land use types in Changting County from 2005 to 2020

2.2 长汀县生境质量与生境退化度分析

2.2.1 长汀县生境质量的时空演化

InVEST模型一般用生境质量指数表示生境质量的优劣，具体表现为0～1之间连续变化的值，值越接近1，生境质量越好，生态系统功能越完善，越有利于生物多样性的维持。为更好地揭示长汀县生境质量等级变化，参考类似地区[22]的划分标准，在ArcGIS中将2005—2020年4期长汀县生境质量分为5个等级，分别为差（0～0.2）、较差（0.2～0.4）、一般（0.4～0.6）、良（0.6～0.8）和优（0.8～1），如表5所示，从时间尺度来看，长汀县2005、2010、2015和2020年平均生境质量分别为0.821 0、0.824 3、0.825 6和0.824 0，呈现先增后减的趋势。研究区平均生境质量处于优等范围，主要因为长汀县生态基础由大量林地构成，15年间林地总量变化不大。处于优质等级的生境从2005年至2015年有较明显的提升，近5年小幅下降。一般等级的生境15年间比例持续上升，变化幅度最大，为0.30%；差等级别的生境自2005年的3.84%逐期减少至2015年的3.57%，在近5年又呈现增长态势，于2020年达到3.80%。

表 5 长汀县各年份不同等级生境比例Table 5 Habitat proportions of different grades in different years in Changting County

图 3 长汀县生境质量空间分布示意Figure 3 Spatial distribution of habitat quality in Changting County

图 5 长汀县生境退化度空间分布示意Figure 5 Spatial distribution of habitat degradation in Changting County

从空间尺度来看，长汀县总体生境质量处于较高水平，优质等级生境占绝大部分面积。具体表现为西高东低，中部相对较差，生境斑块西部细小破碎，东部相对集中（图3）。差等级别生境主要分布在大同镇、策武乡和河田镇，在远离主城区的西北外围如红山乡、四都镇、铁山乡和庵杰乡生境质量大多位于一般级别以上，生境质量较好；而东南地区如宣成乡、南山镇、童坊镇和新桥镇分布着较多一般级别以下的生境斑块，主要围绕人类活动密集的区域呈南北带状分布。

为了更直观地显示生境质量变化的区域，将4期生境数据进行叠加处理，得到2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年和2005—2020年4个时期生境质量具体的变化情况（图4）。其中，淡蓝色为未发生变化的区域，绿色是生境质量变好的区域，红色是生境质量变差的区域。可以看出，2005—2020年间绝大部分面积的生境较为稳定，变化最剧烈的时期为2005—2010年间，这与土地利用变化情况相一致，该时期土地利用变化主要表现为建设用地和园地的迅速增加，变差斑块大量出现在河田、策武和大同镇等中心城镇可能与此有关，而稀疏林和草地转为常绿针叶林又为研究区提供了生境变好的细小图斑；2010—2015年生境质量变好的区域要略多于变差的区域。研究期后5年变化相对头5年要稳定，15年间质量变好的区域面积大于质量变差的区域，说明长汀县大规模植树造林与水土保持工作初见成效；生境质量变差的区域主要集中在人类活动密集的山间盆谷如大同、策武和河田，城镇和果园多分布于这些地区。

2.2.2长汀县生境退化度的时空演化

2005—2020年间，长汀县生境平均退化度分别为0.004 9，0.008 4，0.008 6和0.008 9，研究区退化度值持续增高。2005年是长汀县将水土流失综合治理列入民办实事项目的中间时期，封山育林育草、禁止砍伐天然林等政策在一定程度上降低了生境退化度值。2010年，持续城镇化下的建设用地扩张致使生境受迫质量下降。2010—2020年，经过上一轮10年的人工治理，荒山荒坡植被逐渐恢复，经果林规模成片，但城镇化仍在继续，生境退化度呈现小幅增长态势，说明长汀县仍存在一定的生态风险。

由图5可以看出，长汀县生境退化度高值区主要分布在城镇村庄周边，一方面受城镇扩张影响，由内而外扩散；另一方面在耕地、园地的影响下，生境退化斑块面积变小，越来越破碎。高山林地和水域变化较小，退化程度低。长汀县的生境退化主要集中在中部和东部，围绕城镇居民点向外围呈现出低-高-中-低的退化趋势，城镇中心土地利用稳定，基本无变化，退化较轻。距离城镇越近，生境受到威胁越严重，生境退化度越高；反之受威胁越小，退化逐渐减弱，其中河田镇、策武乡和大同镇为中部典型分布区，均为人类活动密集乡镇。

3 讨论

2005—2010年，长汀县生境质量上升较快，平均生境质量得分与刘智方等[23]在福建省的研究结果相符。此期间受“退耕还林”“大封禁，小治理”等政策影响，以及实施“等高草灌带”“老头松”施肥改造和坡耕地整治等生态工程措施，土壤得到改良，荒山荒坡植被得到一定程度恢复。2010—2015年，长汀县生境质量增速放缓，耕地面积减少，耕地的破碎化程度有所增加，一方面是受到退耕还林政策的影响，另一方面是受城镇扩张的影响，人为的开发和建设活动使得建设用地斑块聚集。大量交通建设用地如赣龙铁路、汀龙高速公路以及一些山区公路的修建侵占了部分针叶林和耕地，使得原有的斑块被分割，导致了原有的大型针叶林、耕地斑块的减小，从而使得聚集度降低，此外，人们为追求经济效益大量开垦茶果园，在山坡地进行的老果园改造等农业生产活动使得园地的聚集度提高，存在一定的生态风险，但由于长汀县上一时期良好的治理措施，封山育林的政策在生境质量改善中起了主导作用，此消彼长，生境质量仍表现为优质等级。2015—2020年，长汀县生境质量较上一时期有所下降，一方面受土地利用变化的影响，建设用地面积持续扩张，如大同镇南部的工贸新城和策武乡中部的稀土工业园区的扩建，继续影响周边区域，使得更多的低生境斑块出现。另一方面，某些区域受自然条件、气候和人类活动的限制，在治理效益达到最大后，这5年的生态环境治理效应逐渐下降，进入了稳固现有治理成效的时期。

研究结果表明长汀县水土流失治理工作在15年间已取得一定成效，土地利用变化与生境质量变化密切相关，土地利用的强度、方式直接影响着区域生境质量。得益于长汀县东、西、北三面高山的高植被覆盖度以及相应的水土保持政策扶持，长汀县外围的红山乡、四都镇和铁长乡等高海拔山地生境质量常年保持在优质等级并有小幅提升，是重要的生态涵养区，而人类活动频繁的山间盆谷相对高山区来说将面临着更大的潜在威胁。因为生境质量分布与地形条件存在极大相关性，低值区多为受人类活动干扰强度大和海拔较低的区域，如差等级别生境集中的大同镇、策武乡和河田镇，土地利用类型主要是建设用地、耕地及果园；而生境质量良好的区域多分布在高海拔地区，同时自然保护区中常绿阔叶林和针叶林连片分布，也能较好地保护区域生境质量。例如长汀圭龙山省级自然保护区覆盖下的四都镇、铁山乡和庵杰乡就具有较优的表现，类似地区可以发展生态农业和生态旅游业等绿色友好产业。在今后的水土流失治理工作中，可以设置城镇开发边界限制非农建设对周围生境的破坏，并建立生态廊道对低生境区进行包围分割，加强低海拔地区的生态缓冲区建设，合理规划利用土地，优化国土空间开发保护格局等措施，进而提高长汀县的生境质量与生态系统功能，为实现2035年远景规划目标打下坚实基础。

4 结论

1）2005—2020年长汀县耕地和草地面积持续减少，园地、水域和建设用地面积增加，林地总量变化不大，稀疏林比重大幅下降，常绿针阔林、灌丛比重上升；另外以裸地为主的未利用地减幅最大，与2005年相比减少81.99%。建设用地增加的面积主要来自耕地和草地，林地呈结构性优化态势。

2）2005—2020年长汀县平均生境质量指数均超过0.8，15年来整体生境质量处于优质等级，2015年生境质量最好，近5年在人类活动的干扰下生境有破碎化的趋势。

3）生境退化呈现一定的集聚特征，退化高值区集中在城镇村庄周围并向外围逐渐降低，建议在重要生境周边建立缓冲带，在控制城镇扩张和人类活动强度的同时，积极采取生态保护措施，以促进区域协调发展。