基于InVEST 模型的南京市溧水区生境质量时空变化分析

季晓垭，夏 敏

（南京农业大学公共管理学院，南京 210095）

生境质量是生态服务水平和区域生物多样性的重要表征及反映，能够反映人类生存环境的优劣程度，是人类福祉提升和区域生态安全保障的关键环节［1，2］。国内外学者对不同尺度的生境质量进行了研究，其中小尺度研究通过实地调查收集相关参数测算生境质量［3］；大尺度研究则运用遥感数据等使用模型进行计算，常见的模型有InVEST 模型［4］、SOLVES 模型、MAXENT 模型等。其中，InVEST 模型采用土地利用分类图，基于胁迫因子的空间权重及影响距离、生境适宜度指数以及对胁迫因子的敏感性对研究区的生境质量进行空间量化评估，具有数据需求量少、输出量大的特点［5］。

本研究分析2000—2018 年南京市溧水区的土地利用变化，进一步运用InVEST 模型研究其生境质量时空变化，以期为溧水区合理规划未来发展的空间布局、解决建设中的环境问题提供参考。

1 研究区概况

溧水区地处南京市中南部，地势东南高、西北低，是典型的低山丘陵地区。全区属亚热带季风气候，四季分明，夏季湿热多雨，冬季寒冷干燥。截至2018 年末，溧水区下辖5 个街道、3 个镇，户籍人口44.38 万人，耕地面积4.27 万hm2，实现地区生产总值789.09 亿元。高速城镇化的同时，溧水区生态环境也在不断变化。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

南京市溧水区土地利用数据（2000 年、2010 年、2018 年）来源于溧水区土地利用变更调查成果，栅格大小为30 m×30 m，其中包括25 个土地利用类型，本研究以此为基础计算生境质量。为分析土地利用变化和生境质量变化原因，依据GB/T 21010—2007《土地利用现状分类》，考虑溧水区土地利用特点，将其重分为6 种类型（表1）。

表1 土地利用类型重分类

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用变化分析 土地利用转移矩阵可以反映特定区域特定时间各地类的面积数据、各地类初期的转出面积以及末期转入面积。采用土地利用转移矩阵反映溧水区土地利用变化，具体数学表达形式如下。

式中，Sij表示研究时段初期i类土地到研究末期转为j类土地的面积，n为土地利用类型［6］。

2.2.2 生境质量分析 在InVEST 模型生境质量模块中，生境质量的计算基于生境退化指数，计算式如下［7-9］。

式中，Qxj为第j种用地类型中栅格x的生境质量指数；Hj为第j种用地类型相应的生境适宜度指数，取值为0～1；k为半饱和参数，通常取Dxj最大值的50%［10］；Z为模型尺度常数，一般取2.5；Dxj为生境退化指数，计算式如下［7-9］。

式中，R为胁迫因子数量，本研究选取旱地、水田、工矿用地、农村居民点和城镇建设用地5 种人类活动频繁且能直接影响生境质量的类型作为胁迫因子；ωr为胁迫因子权重，在本研究中分别为0.2、0.2、0.5、0.7、1.0；Yr为胁迫因子的栅格单元数；ry为各栅格胁迫因子相应个数；βx为1；Sjr为j土地类型对胁迫因子的敏感度，irxy为胁迫因子的影响程度［7-9］。表2中参数参考InVEST模型手册［7］及相关文献确定［11-13］。

表2 生境适宜度指数及其对胁迫因子的敏感度

3 结果与分析

3.1 2000—2018 年南京市溧水区土地利用变化

通过ArcGIS 对不同时期南京市溧水区土地利用数据进行融合叠置，计算面积后导出属性表，得到土地利用转移矩阵（表3）。

表3 2000—2018 年南京市溧水区土地利用转移矩阵（单位：km2）

2000—2010 年，耕地向建设用地转变是南京市溧水区最主要的土地利用变化，另有部分耕地转变为水域及水利设施用地，少量转变为林地和其他用地，但只有少量其他地类转变为耕地，导致耕地整体面积减少约63.60 km2，占9.1%。林地面积稍有减少，主要转变为建设用地及其他用地。草地基本未发生变化。水域及水利设施用地面积稍有增长，且主要转变来源于耕地。2000—2010 年只有少量建设用地转变为耕地，极少量转变为林地和水域及水利设施用地，但大量耕地及部分林地转变为建设用地，以致建设用地增长了49.47 km2，占51.5%。部分耕地及林地转变为其他用地，其他用地增长了3.29 km2。一方面，南京市溧水区的总人口增长对住宅、工业和其他设施用地的需求越来越大，城镇村范围不断向外扩展；另一方面，随着城市化的快速发展，南京市溧水区的中心城区和各县GDP 总值增长，各地区基础设施和交通网络的完善占用了大量耕地，导致耕地向建设用地转变。

2010—2018 年，南京市溧水区的主要土地利用变化体现在耕地向建设用地的转变、林地和水域及水利设施用地向耕地的转变。有41.38 km2的耕地转变为建设用地，部分耕地转变为林地和水域及水利设施用地，耕地共减少26.58 km2，约占4.4%；同时，约有26.59 km2的建设用地、林地和水域及水利设施用地转变为耕地。林地总面积基本未变，但存在与耕地及建设用地的相互转变。草地面积略有增加且主要来源为耕地。水域及水利设施用地面积略有减少，主要转变为耕地及建设用地，且有部分耕地转变为水域及水利设施用地。建设用地面积有所增长，转变主要来源于耕地，约占总转变面积的91.7%，只有少部分建设用地转变为耕地。其他用地面积略有下降，主要转变为建设用地，转变面积约0.95 km2。相比于2000—2010 年，2010—2018 年耕地面积的减少幅度呈下降趋势。在此期间，为了较好地贯彻耕地保护任务，南京市政府施行耕地保护补贴暂行办法，建立了耕地保护长效激励机制，严格保护耕地，防止城镇建设连绵，使耕地降幅趋缓。

表3 反映了溧水区2000—2018 年的土地利用变化，其中耕地面积减少了约89.86 km2，占13.0%。建设用地和水域及水利设施用地面积分别增加了约80.88 km2和11.36 km2，占84.4%和9.0%。草地及其他用地面积变化不大，林地面积略有下降。

3.2 2000—2018 年南京市溧水区生境质量时空变化

3.2.1 2000—2018年生境质量时间变化特征 从表4 可以看出2000 年，溧水区的平均生境质量指数为0.406，其中和凤镇水域及水利设施用地面积较大且聚集，所以均值最高，为0.493，而东屏镇大部分耕地靠近建设用地且基本无其他土地类型导致均值最低，为0.339；2010 年的平均生境质量指数为0.396，高值区和低值区与2000 年相同；2018 年的平均生境质量指数为0.385，其中和凤镇均值仍然最高，为0.493，由于柘塘镇建设用地面积扩增，耕地面积减少，水域及水利设施用地和林地面积较少且基本未变，而东屏镇在此期间土地利用类型未发生较大变化，所以最低值转变为柘塘镇，为0.251。2010 年均值比2000 年下降了2.46%，2018 年则比2010 年下降了2.78%，下降速度在不断加快，这是因为2010—2018 年，耕地在向建设用地转变的同时林地与水域及水利设施用地向耕地转变，导致高生境质量地区快速缩小。2000—2018 年生境质量指数呈下降趋势，可以看出在研究时段内随着南京市溧水区城市化进程的推进，生态环境发生了相应变化。

表4 南京市溧水区各镇平均生境质量指数

3.2.2 2000—2018 年生境质量空间分布特征 南京市溧水区2000 年、2010 年和2018 年的生境质量空间分布情况见图1，生境质量指数范围在0～1，该值越大表示生境质量越好。由图1 可以看出，2000—2018 年南京市溧水区生境质量虽在空间上发生了一定的变化，但由于东南区域主要为林地且研究时段内林地面积略有扩增，而西北区域建设用地不断扩增，导致整体上呈东南高、西北低的空间格局。

图1 2000—2018 年南京市溧水区生境质量空间分布

2000—2010 年，生境质量水平退化区域主要集中在东屏镇、石湫镇、永阳镇和白马镇，耕地向建设用地的转变导致建设用地增多，生境质量下降。生境质量水平较好或变好的区域主要集中在柘塘镇、洪蓝镇、和凤镇和晶桥镇，该区域含有大面积水域及水利设施用地和林地，且耕地转变为建设用地情况并不明显。分析此期间溧水区的社会经济发展情况可知，总人口的急速增长、基础设施和交通网络等的完善导致建设用地需求越来越大，生境质量下降。

2010—2018 年，生境质量水平退化区域显著增加，包括柘塘镇、石湫镇、永阳镇（变化值≥0.01），主要因为建设用地的进一步增加，使原有的耕地、林地及草地的生态涵养功能下降。只有和凤镇仍然保持着较高的生境质量水平，这是由于其水域及水利设施用地面积基本未变，加之耕地、林地未被大量开垦利用。在此期间，由于耕地保护长效激励机制的建立和人们生态保护意识的增强，耕地转为建设用地面积减少，但总体生境质量状况未发生较大改变。

综上可见，2000—2018 年，随着溧水区的高速城镇化，建设用地占用大量耕地，导致生境质量有所下降。南京市溧水区东南部生境质量处于优等状态，其主要土地类型为水域及水利设施用地和林地，能够为整个溧水区提供涵养水源和净化水质。其他区域以耕地和建设用地为主要土地类型，人口密度大，耕作、施肥、生活污水和工业废水对生境质量产生了一定影响。

4 结论

城镇化发展使基础设施建设有了较大的改善，粗放式的发展导致土地利用方式发生变化，进而影响了区域生境质量。本研究通过对南京市溧水区3个时期的土地利用类型和生境质量变化进行分析，得出以下结论。

1）溧水区2000—2018 年建设用地面积不断增加，耕地和林地面积呈下降趋势，草地及其他用地面积变化不大，水域及水利设施用地面积略有下降。研究区内大量耕地、林地被开垦利用。

2）从时间上来看，2000—2018 年南京市溧水区生境质量指数呈下降趋势。从空间上来看，研究期间南京市溧水区生境质量在空间上发生了一定的变化，但整体上空间布局基本一致，生境质量指数主要呈东南高、西北低的空间格局。随着溧水区的高速城镇化，建设用地占用大量耕地，导致生境质量有所下降。

3）为提高南京市溧水区的生境质量，必须科学合法管理开发利用土地，加强对林地和耕地的保护，注重合理的土地结构和空间配置。

本研究中，InVEST 模型的部分参数，如土地利用类型对各胁迫因子的敏感度，参照相关文献以及用户指南确定，模型中土地利用类型的所有威胁都是简单相加，未考虑其综合影响。未来研究中如何充分结合当地实测获得更加精准的模型参数，并综合多种威胁的影响测算生境质量是重点方向。