新安江流域生境质量时空演变及多情景预测

章 磊，蔡 俊 ，袁宏伟，徐玲慧，卫泽柱，陈笑雨

（安徽农业大学 经济管理学院，安徽 合肥 230036）

生境质量（Habiat Quality）也称栖息地质量，是生物栖息地适宜程度的衡量指标，其指数高低是影响区域生物多样性的重要因素之一[1]。一般认为，人类活动会致使生境破碎化从而加速区域生物多样性的降低，引发生态系统服务功能退化甚至丧失[2−5]。而人类活动最终可表现为对土地的利用，土地利用的强度和结构的演变最终将作用到生态系统结构与功能，引导生境质量定向演变。城镇化、工业化的快速推进会促使区域土地利用格局加速演变[4−6]，打破原有生境格局，使生境呈退化趋势[7−9]。新安江作为皖浙两省的主要淡水和饮用水发源地，不仅是整个长三角地区的生态屏障，更是全国水源涵养的重点生态功能区，内含诸多旅游资源富集程度高、景观类型多样的典型城市。分析新安江流域土地利用演变视角下的生境演变特征，对改善人居环境质量、优化生态布局、助力经济发展具有现实意义。

近年来，随着城市化进程加快，土地利用变化对区域生境质量的影响备受关注。InVEST 模型的生境质量模块（Habitat Quality Model）为区域生境质量动态评估和时空变化分析提供了极大的便利，是当前较为成熟且应用广泛的生态系统服务评估模型[10-12]。相较于其他模型，InVEST 模型具有可靠性高，输入参数少，空间分析能力较强等优势。InVEST 模型在国外已成功运用于哥伦比亚、坦桑尼亚、委内瑞拉等地的生境质量评估，国内学者也运用InVEST 模型对京津冀地区、国家公园及各流域等区域土壤保持、生境质量、碳固持等方面展开研究[13-16]。目前，对于区域生境质量的研究多为探究区域生境质量时空演变特征方面，而对土地利用景观格局进行多情景模拟以预测生境质量未来变化的研究相对较少。多情景评估区域不同发展形态下生境质量的变化情况，对制定区域生态环境保护和自然资源管理政策具有重要意义[17]。因InVEST 模型具有对数据需求量少及评估精度高的特点，其在生境质量评估领域中应用最为广泛和成熟[18-20]，土地利用/覆被数据是其运行的重要参数，精确地对其进行模拟和预测，对于分析未来生境质量演变趋势十分重要[21-22]。

一、研究区概况和研究方法

（一）研究区概况

新安江流域位于皖浙赣三省交叉处，始于安徽省黄山市休宁县，经黄山市歙县街口镇进入浙江省境内，流入下游千岛湖、富春江，汇入钱塘江，是长三角的重要生态屏障。本研究涉及的流域范围包括黄山市、宣城市、杭州市、金华市以及衢州市，地理位置介于29°6′～30°4′ N，118°5′～119°4′ E，研究区总面积为8 762.18 km2，浙江省部分占研究区面积65.27%，安徽省占34.73%。新安江流域多年平均降水量为1 760 mm，年平均气温17℃，海拔最高为1 764 m，区域内以平原和丘陵为主，属亚热带季风气候区，内有丰乐水库、新安江水库两大蓄水工程，是长江流域下游地区的重要水源涵养地。

（二）数据来源

研究区的数据来源包括2000、2010 和2018年的土地利用数据（30 m×30 m）、DEM 数据、坡度数据以及高速公路国道及铁路数据等。土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，根据研究区内土地利用的实际情况，将区域内土地分为耕地、林地、草地、水域、建设用地以及未利用地六大类，运用CA-Markov 模型进行预测时以2018 年为基期年；DEM 数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn），分辨率为30 m×30 m，坡度数据通过ArcGIS 中的Slope 工具由DEM 数据提取获得，河流数据通过IDRISI由土地利用现状数据提取而得；道路数据来自OSM，分为高速公路、国道、铁路三类。为方便数据处理和模型运行，研究所涉及的数据统一采用UTM 投影和WGS84 坐标系。

（三）研究方法

1.CA-Markov 模型

生境质量的变化与经济社会发展进程中的土地利用转移密不可分，各种经济社会活动均会促使土地利用格局发生变化，从而引起局部地区栖息地的破碎、退化及丧失，最终对生物多样性和生境质量产生不可挽回的影响。通过分析土地利用类型的转移情况，可以清晰地把握某地区某一时限内土地利用结构特征和演变规律，反映土地利用格局发展方向[23−25]。

本研究采用的是IDRISI17.0 中的CA-Markov模型进行土地利用格局预测。CA 模型通过元胞局部相互作用，使用相对简单的局部转换规则，实现复杂系统的时空动态变化模拟，其计算公式如下：

式（1）中：S(t)，S(t+1)分别为t，t+1时刻元胞有限离散的集合状态；N为元胞的领域；f为局部空间的元胞转化规则。

Markov 模型在土地利用变化趋势研究中较为普遍，可用于分析土地覆被类型在时间维度上的演变趋势，其数学公式为：

式（2）中：Pij代表土地利用类型转移概率矩阵，0≤Pij<1，且=1,（i,j=1,2,···,n）；1≤n≤6，表示土地利用类型。

因此，CA-Markov 模型既具备Markov 的时间序列推演能力，又具有CA 模型预测复杂系统时空动态演进的优势，借此可使土地利用格局预测结果可视化、预测精度提升[26]。本研究主要利用IDRISI 软件中的Markov 和CA-Markov 板块进行土地利用预测，研究中选择高程、坡度、与道路距离、与水域距离作为适宜性因子，通过Fuzzy功能全部归一化至[0,255]区间内以制作土地转移适宜性图集，针对不同的模拟情景，选择不同的约束因子。

2.基于InVEST 模型的生境质量评估

InVEST 生境质量模型结合土地覆被和生物多样性威胁因素的信息生成生境质量地图，将生境质量空间分布可视化输出[27]。一般来说，可以将生境质量的退化看作附近的土地利用强度增加的结果[18]。其计算公式如下：

式（3）（4）中：Qxj为土地覆被类型j中栅格单元x的生境质量；Hj为土地覆被类型j的生境适宜度；为土地覆被类型j中栅格单元x的生境胁迫水平；k为半饱和系数，通常取生境退化度最大值的一半。r代表生境威胁源；y为胁迫因子r的所有栅格单元；irxy为栅格单元y中的胁迫因子；r对生境栅格单元x的胁迫作用，表现为线性或者指数性；βx为栅格单元x的合法可达性，本研究模型运行并未涉及；sjr为土地覆被类型j对胁迫因子r的敏感性，取值0～1，该值越接近1 表示越敏感（表1，表2）。

表1 威胁因子属性

表2 土地利用类型的生境适宜性及对各威胁因子的相对敏感性

二、结果与分析

（一）新安江流域土地利用变化分析

本文选取的研究区国土总面积为8 753.85 km2，研究区的优势地类为林地和耕地，共占据研究区总范围的87%左右。耕地分布较为集中，主要位于研究区西北和东南方平原地区，呈连片分布状；林地是占地面积最大的地类，主要分布于研究区内丘陵和低山地区，也有部分集中在研究区的中部平原；草地分布较为分散，呈斑状随机分布于研究区；水域集中在中部的新安江水库，自北向南流入千岛湖和钱塘江；建设用地分布较为分散，整体上主要分布于西北和东南的平原地区。2000—2018 年新安江流域土地利用空间布局及地类转移如图1、表3 和表4 所示，整体上看，新安江流域的土地利用结构比较稳定，其空间布局的演变方向平稳而明确。

图1 2000、2010 和2018 年新安江流域土地利用覆被图

表3 2000—2018 年新安江流域土地利用类型变化情况 单位：km2，%

表4 2000—2018 年新安江流域土地利用转移矩阵 单位：km2

从表3 可以看出，2000—2010 年，耕地、林地、草地及未利用地面积均有一定程度的减少，其中耕地减少数量最大，其次为林地，草地及未利用地变化幅度较小，减少量分别为55.32 km2、28.46 km2、0.16 km2、0.05 km2。建设用地和水域面积增加，建设用地增加幅度大于水域，增加量分别为82.69 km2和1.30 km2，建设用地增幅高达117.14%。该时段内耕地、林地、草地及未利用地动态度均为负值，耕地和林地作为转移主体，其面积主要流向建设用地。虽然其他用地类型也有向耕地、林地转移，但入不敷出，耕地面积以每年0.49%的速度不断减少，整体呈现出不断缩减的趋势，耕地占补平衡工作任重道远。建设用地呈现不断扩张态势，该时段内，涨幅为117.14%，增长面积为82.69 km2。由此可见，在城镇化进程中，城市规模不断扩大、人口不断剧增、经济水平不断提升，致使建设用地扩张的需求不断增加。水域面积呈现略微增加态势，草地和未利用地缩减速度平缓，规模基本不变。2010—2018年，景观格局演变主要表现为耕地、林地及建设用地的变动。耕地、林地、草地、未利用地面积均有一定程度的较少，减少幅度分别为2.78%、0.35%、0.14%和9.09%。建设用地和水域面积增加，增加幅度分别为34.78%和0.1%。该时段内耕地、林地、草地及未利用地动态度均为负值，耕地和林地面积分别减少了30.17 km2和23.07 km2，减少的土地面积主要流向建设用地。草地、水域及未利用地规模相对稳定，转移幅度较小。此时间段内，耕地转为林地49.32 km2，耕地转为建设用地35.75 km2，林地转为耕地49.20 km2，林地转为建设用地23.05 km2，耕地和林地均向建设用地大量转出，由于退耕还林的推进，林地整体上并未向耕地转移。

总的来看，2000—2018 年，建设用地及水域面积增加，其中建设用地逐年稳步增长，增加面积136 km2，增加幅度高达192.66%；耕地、林地、草地和未利用地面积有一定幅度的减少，降幅分别为7.48%、0.78%、0.18%及12.68%。耕地是研究区转出最多的土地利用类型，净转出面积为85.50 km2，主要流向建设用地（91.21 km2）和林地（48.97 km2），这主要是由城市发展边界扩张和退耕还林引发的耕地缩减现象。林地面积增加的来源主要为耕地流入，其主要流出方向为耕地和建设用地，分别流出55.84 km2和41.08 km2，净流出51.53 km2。

（二）新安江流域生境质量时空演变及模拟

研究通过InVEST 中生境质量板块，对研究区生境质量进行评估。生境质量板块运行需要输入当前 LULC地图、威胁因子 CSV表格、威胁源数据、生境类型及生境类型对威胁的敏感性 CSV表格及半饱和参数K。LULC 分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六大类。同时通过LULC 数据提取耕地、城镇、居民点、其他建设用地及未利用地的威胁源栅格数据，高速公路、国道与铁路威胁源数据通过栅格化获得。威胁源因子的权重代表该因子对生境完整性的影响与其他威胁因子影响作用的相对值，权重范围从0 到1。半饱和参数K 首次默认 K0取0.5，获取最高退化栅格值，为矫正模型，再次运行并设置K=1/2 K0。生境质量是自然环境为个体或种群生存提供适宜条件的能力，InVEST 模型通过估算区域生境质量得分来表示生境质量水平，生境质量得分在[0,1]分布。得分越接近0，表面生境质量越差，不利于区域生物多样性的维持，数值越接近1，说明生境质量越高，区域生境越完整，并具有相对应的功能和结构，对于生物多样性的维持越有利。ArcGIS 中的自然断点法可以使数列的类别间差异最大化，可以利用自然断点法将生境质量评估结果划分为五个等级：差（0～0.19）、较差（0.20～0.54）、一般（0.55～0.78）、良好（0.79～0.93）和优（0.94～1）。运行InVEST 模型所得的生境质量各等级空间分布格局及面积如图2 和表5 所示，生境质量高值区多集中于高海拔区域，高海拔区人类活动强度和对生态的干扰程度相对较弱，土地利用覆被类型和生态系统服务功能相对稳定。而生境质量低值区多集中于低海拔的平原地形，可能由于低海拔区域城镇相对密集及路网密度相对集中，人类活动对生态干扰更为强烈。

图2 2000 年、2010 年、2018 年新安江流域生境质量时空演变图

表5 新安江流域各等级生境质量的面积统计 单位：km2

1.生境质量时空变化分析

2000、2010、2018 新安江流域生境质量指数均值分别为0.821 0、0.814 8、0.812 0，整体生境质量指数稳定，呈轻微降低趋势。从时间尺度看，2000—2010 年，等级为较差、一般、优面积呈减少趋势，而差和良好等级面积增加，出现了优质量向低质量转化的态势，流域生境质量等级整体呈下降趋势。2010—2018 年，等级为差、较差、一般的呈增加趋势，增幅分别为7.31%、0.35%、5.99%，良好、优等级减少，出现优等级向差的转化。随着城镇化进程加快，内部第二、三产业的快速发展，城市边界不断扩张，建设用地大量侵占耕地、林地空间，建设用地增加53.31 km2，增幅较之前期有所下降，但城市边界的扩张仍导致流域内生境质量呈下降趋势。

从空间分布来看，流域三期生境质量等级以优等级为主，东西双向等级较低，相同生境质量等级总体集聚，局部交错分布。优等级主要集中在黄山市绩溪县南部、歙县东部、淳安县西部、建德市东部及龙游县东南部等地区，该地区以林地为主，伴有零星草地，水系遍布，生物多样性丰富；良好等级整体呈“1+3”空间布局，即研究区北部的一大环状区域以及南部的三小椭球板块，集中于黄山市西北部、衢州市衢江区、开化县以及建德市，其范围边界呈萎缩状，不断缩小；一般等级在黄山市西部集聚，其余呈点状散布，布局稳定，得益于退耕还草，其斑块呈扩大趋势；生境质量较差和差等级主要分布于歙县西部、徽州区、休宁县西部、建德市西部、龙游县北部，集中于研究区西部和东南部的各市城县城区，零星分布于各镇区，主要由较差等级演变为差等级向外扩张。

从生境质量等级转移角度来看，2000—2018年研究区内生境质量等级发生转移的区域面积为436.44 km2，占研究区总国土面积的4.99%，其中，等级降低的区域面积为324.85 km2，等级转好的区域面积为111.59 km2。生境质量等级降低主要表现为较差转为差（91.20 km2）、优转为较差（51.77 km2）和优转为良好（60.75 km2）。生境质量等级下降可能是由于流域内城市的发展扩张、高强度的旅游活动、重大经济工程建设，林地、耕地被建设用地不断侵占，景观趋向破碎化，生境质量呈退化之势，退化情况与土地利用转移情况吻合。生境质量等级转好主要表现为较差转为优（41.67 km2）、一般转为优（16.04 km2）和良好转为优（21.08 km2），多为低等级的生境质量向优等级转移。生境质量转好的区域主要分布于远离市县城市边界的地区，该地区远离密集的城市交通网络，人类活动对生态的干扰能力减弱。同时，自2012 年新安江开展生态补偿试点工作以来，水域治理力度不断加大，加之以退耕还林、构建防护林、易地搬迁等生态工程的实施，其生态系统服务功能得到了长久的改善。

总体来看，生境质量与土地利用类型关系密切，不同地类对生境质量有着较大的差异，研究时段内新安江流域生境仍以等级良好、优为主，面积占比约为72%，长期处于稳定状态，流域生境质量整体水平较高，空间上主要分布于低山和丘陵，这些区域主要以林地为主。然生境质量整体表现为衰退趋势，较差及差等级扩张趋势明显，集中于人类活动剧烈、经济发达地区，这些区域主要以建设用地为主。

（三）土地利用格局预测及生境质量预测

1.土地利用格局预测

在运用CA-Markov 模型来预测新安江流域2030 年的土地利用格局之前，首先基于2000 年和2010 年土地利用现状、数字高程和道路等相关数据，利用CA-Markov 模型预测2018 年的土地利用结构，并将预测结果与现状进行对比，运用CROSSTAB 计算Kappa 系数为0.92，大于0.80，这表明预测结果具有较好的可信度。在此基础上，将2018 年作为基期年预测新安江流域2030年土地利用格局。多情景模拟区域不同发展形态下土地利用覆被的变化情况，对未来制定区域生态环境保护和自然资源管理政策具有重要意义，本研究在研究区经济发展和生态保护等政策及可持续发展要求的基础上，基于城市发展与生态保护两方面，设置自然增长、经济增长和生态保育三种情景，预测研究区2030 年土地利用结构及空间布局。

总体来看，三种情景下新安江流域2030 年土地利用转换较为明显的区域主要分布在研究区西北部和东南部，主要表现为城镇建设用地的对外扩张（表6）。在自然增长前景下，建设用地2030年增长至507.20 km2，耕地与草地面积均有一定程度的增长，增长来源主要为林地的转出，水域和未利用地仍保持原有发展趋势。经济增长情境下，建设用地相较于自然增长情景增长幅度进一步扩大，建设用地面积增长至510.70 km2，整体上二者土地利用结构相近。在生态保育情境下，为维护生态系统生物多样性，2030 年新安江流域范围内城镇建设用地扩张幅度减小，建设用地面积增长至317.87 km2，较于前两种情景增幅有限，这表明生态保护措施的推进对于改善生态环境有重要作用。新安江流域2030 年土地利用格局如图3 所示，由图可知，新安江流域2018—2030 年主要土地利用类型的演变与2000—2018 年的演变趋势基本一致，林地面积呈持续下降趋势，建设用地持续增加。各地类中增长率最高的建设用地，2000—2018 建设用地增长率为192.66%，2018—2030 年增长率为53.87%～147.20%，扩张形势严峻，其增长率较2000—2018 年时期虽然有所降低，但耕地占补工作仍然面临较大的压力。

表6 2000—2030 年新安江流域土地利用类型变化特征 单位：km2，%

2.生境质量预测

基于CA-Markov 和InVEST 模型生成新安江流域2030 年的生境质量等级分布图（图3）及生境质量等级结构（表7）。发展至2030 年，自然增长、经济发展和生态保育3 种情景下新安江流域生境质量平均值分别为0.748 0、0.747 8 和0.791 0。预测结果显示，新安江流域生境质量指数将会呈下降趋势，在自然增长和经济发展情景下，新安江流域平均生境质量指数在未来将进一步降低，在生态优先情景下，其平均生境质量指数基本稳定不变。

表7 2018—2030 年不同等级生境质量面积及占比 单位：km2，%

由图3 可以看出，新安江流域内生境质量的演变与2000—2018 年的演变规律基本一致，各情景下生境质量退化最明显的区域位于研究区西北部，该处的耕地面临着被建设用地侵占的威胁，需要进行合理的规划布局。至2030 年，优等级生境占比持续减少，降低了11.14%～22.86%，主要向良好等级和一般等级生境转变；良好等级和一般等级呈增长趋势，分别增长了65.76%～88.33%和32.37%～48.86%，主要由优等级生境质量退化而来；较差等级在自然增长情景和经济发展情景下均表现为增长态势，其增长幅度约为14%，生态保育情景下，较差等级规模相对稳定，基本无增减；差生境质量等级区域多为建设用地，占比在各等级中增长幅度剧烈，生态保育情境下，其增长幅度为52.78%，在自然增长和经济发展情景下约为151%。上述现象反映出2018—2030 年，新安江流域生境质量将会有一定程度的退化，退化度高值区多出现在城市边缘及流域附近，这是由于经济发展过程中城市的外延扩张及人类活动引发流域敏感性增强，导致土地覆被向威胁源用地转移。

图3 不同情景下新安江流域2030 年景观及生境质量空间布局图

三、讨论与结论

本文基于CA-Markov 和InVEST 模型对新安江流域生境质量进行评估和预测，在区域尺度上对区域生境质量时空演变展开研究，预测其未来趋势，可以为地方自然资源配置，防止生态系统服务功能退化提供合理依据。近二十年来，新安江流域内社会经济发展迅速，由建设用地扩张引发的人地矛盾促使生境质量降低，以至于市县区域生境质量退化严重，平均生境质量指数呈下降趋势。预估未来一段时间研究区生境质量退化程度将大大降低，尤其在生态保育情景下生境质量维持不变，可能与退耕还林、构建防护林等生态补偿工程的开展有关。新安江流域整体生境质量指数的下降意味着其生态系统功能在不断地削弱，在开发建设的过程中要协调人地矛盾，统筹发展与生态的关系，构建可持续高质量发展模式。本研究基于CA-Markov 模型和InVEST 模型对新安江流域生境质量的时空演变特征展开分析并进行未来预测，从整体上反映新安江流域内生境质量等级分布及演变趋势，对其生境的保护有一定的积极效应，但评估结果有一定的局限性。本研究中进行土地空间布局预测时，没有考虑到规划衔接时期规划因素对土地利用的影响，同时模拟土地利用空间格局并未考虑政策因素，预测精度有待进一步提升。在InVEST 模型生境质量评估时，选择的威胁源较少，其参数设置没有统一标准，威胁源的敏感性及其权重的设置有一定的主观性，研究结果精度有待进一步研究[28]。

本研究基于CA-Markov 模型模拟了新安江流域2030 年三种情景下的土地利用空间布局，采用InVEST 模型评估了新安江流域2000、2010 年及2018 年的生境质量，并对其时空演变特征以及其在三种情景下2030 年的生境质量演变趋势进行分析。研究结论如下：

（1）2000—2018 年间，新安江流域的土地利用结构比较稳定，其空间布局的演变方向稳定明确，内部的优势地类为林地和耕地，共占据研究区总范围的87%左右，二者分布均较为集中连片。研究区内各地类间均存在不同程度的转换，耕地、林地、草地和未利用地面积均有一定幅度的减少，建设用地及水域面积均有所增加。其中，建设用地增幅高达192.66%，这表明随着城镇化进程的加快，城市边界不断扩张，建设用地的需求量将会与耕地、林地保护的冲突日益显著。

（2）2000—2018 年间，新安江流域生境质量平均指数整体较好，高值区集中于中部林地，低值区集中于市县城市区域，生境质量指数整体相对稳定。其生境质量等级以优等级为主，良好及以上等级分布于林地、耕地上，低等级则集中于建设用地。研究区内生境质量等级发生转移的区域面积为436.44 km2，占研究区总国土面积的4.99%，生境质量等级降低的面积为324.85 km2，等级转好的区域面积为111.59 km2，等级降低主要表现为较差转为差（91.20km2）、优转为较差（51.77 km2）和优转为良好（60.75 km2），等级转好则主要表现为较差转为优（41.67 km2）、一般转为优（16.04 km2）和良好转为优（21.08 km2），等级转移主要由区域林地、耕地和建设用地的流入流出引起。

（3）2018—2030 年间，新安江流域内生境质量的演变与2000—2018 年的演变规律基本一致。三种情景下，建设用地均继续扩张；自然增长和经济增长情景下，生境质量退化趋势明显，生态优先情境下生境质量指数相对稳定。三种情景下，生境质量平均指数的高低序列为：生态优先情景>自然增长情景>经济发展情景。由此可见，新安江流域生境质量退化与建设用地的扩张密切相关，必须采取一系列措施合理控制建设用地规模，以维护生态系统稳定性。