基于PLUS-InVEST模型的生态脆弱区生境质量时空演变分析

李梓涵 于慧 巩飞 王天柱 李鹏山 潘一茜 刘斯媛

李梓涵，于 慧，巩 飞，等. 基于PLUS-InVEST模型的生态脆弱区生境质量时空演变分析［J］. 湖北农业科学，2024，63（2）：254-260．

摘要：基于PLUS模型预测阿坝州生态脆弱区2030年土地利用情况，并利用InVEST模型计算2000年、2010年、2020年及2030年生境质量，对其时空演变进行分析。结果表明，研究区草地、湿地退化情况显著且裸地持续增加，预计2030年裸地面积将达334.38 km²；与2000年相比将会有204.55 km²濕地退化。驱动因子中，降雨是限制林地、湿地扩张的主要因素，侧面反映水源涵养功能的重要性；草地受各项因子的影响程度相差不大，一般生长在远离政府的地方，且其面积扩张受DEM限制；气温是导致裸地增加的主要因素。生境质量总体较高但空间分布差异较大，且有缓慢变差的趋势，预计2030年生境质量低的区域面积将比2000年增加670.28 km²，主要由扩张的耕地、建设用地造成。未来生境质量降低的速率将有所减缓，但仍需加强人工措施来阻止降低。

关键词：PLUS模型；土地利用预测；InVEST模型；生境质量；阿坝州

中图分类号：X171.1         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）02-0254-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.02.038 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Temporal and spatial evolution analysis of habitat quality in ecologically vulnerable areas based on PLUS-InVEST model

LI Zi-han 1， YU Hui 2， GONG Fei3， WANG Tian-zhu4， LI Peng-shan5， PAN Yi-xi3， LIU Si-yuan1

（1. School of Earth Science， Chengdu University of Technology， Chengdu  610051， China； 2. Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment， Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources， Chengdu  610041， China； 3. Sichuan National Spatial Ecological Restoration and Geological Disaster Prevention Research Institute， Chengdu  610081， China； 4. Agriculture and Rural Affairs Bureau of Cuona City， Shannan  856700， Xizang，China； 5. Chengdu Center for Land Improvement and Ecological Restoration， Chengdu  610072， China）

Abstract： Based on the PLUS model， the land use situation in ecologically vulnerable areas of Aba Prefecture in 2030 was predicted， and the InVEST model was used to calculate the habitat quality in 2000， 2010， 2020 and 2030， and analyze its temporal and spatial evolution. The results showed that the degradation of grassland and wetland in the study area was significant and the bare land continued to increase. It was estimated that the area of bare land would reach 334.38 km²in 2030； compared with 2000， there would be 204.55 km²of wetland degradation. Among the driving factors， rainfall was the main factor limiting the expansion of forest land and wetlands， which reflected the importance of water conservation function； there was little difference in the degree of grasslands affected by various factors， the grass land generally grew in places far from the government， and the area expansion was limited by DEM； air temperature was the main factor leading to the increase of bare land. The habitat quality was generally high， but the spatial distribution varied greatly， and there was a slow deterioration trend. It was expected that the area with low habitat quality would increase by 670.28 km²in 2030 compared with 2000， mainly caused by the expansion of cultivated land and construction land. The rate of habitat quality degradation would slow down in the future， but artificial measures were still needed to prevent the decline.

Key words： PLUS model； land use prediction； InVEST model； habitat quality； Aba Prefecture

阿坝州若尔盖县、阿坝县、红原县、松潘县4县生态系统脆弱，生态恢复力一般，位于《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划（2021-2035年）》中“三区四带”的青藏高原生态屏障区。气候变化、畜牧超载等造成该区域湿地萎缩、草地退化，进而造成生境质量不断降低。因此分析其土地利用与生境质量的预测及演变对保护若尔盖草原湿地、提高区域生态系统服务功能有重要意义。

目前土地利用预测最常使用的模型为Markov-FLUS和CA-Markov等耦合模型，如李亚楠等^［1］运用CA-Markov模型对南昌市2025年土地利用格局进行预测；陈理庭等^［2］、谢凌凌等^［3］利用Markov-FLUS模型分别预测了2035年饶河流域土地利用和广西土地利用变化。这类模型非常适用于多类土地利用模拟，具有数量预测优势^［2］，但缺乏对土地利用变化驱动机理的挖掘能力和时段概念。而PLUS模型，即斑块生成土地利用变化模拟模型（Patch-generating land use simulation model，PLUS）保留了模型在一定时间段内分析土地利用变化机理的能力，具有更好的解释性^［4，5］。生境質量能从整体上反映地区生态、生产、生活“三生空间”适宜程度，是生态系统服务的前提条件，是优化生态安全格局和提升人类福祉的重要保障^［6］。现阶段的生境质量研究更趋向于利用模型^［7］，如Maxent模型、ARIES模型、SoLVES模型以及 InVEST模型等^［8］。其中InVEST模型具有数据需求量少且易获得的优点，近年来在评估生境质量方面被广泛运用^［9-11］。

因此，本研究采用PLUS模型对阿坝州若尔盖县、阿坝县、红原县、松潘县4县土地利用做出预测，再利用InVEST模型评估其生境质量演变情况，进一步探讨土地利用变化对其生境质量的影响，为维护区域生态功能、山水林田湖草沙一体化保护修复工程提供参考。

1 研究区概况

研究区为四川省阿坝州若尔盖县、阿坝县、红原县、松潘县4县所辖行政区域，位于101°06′—104°15′E，31°51′—34°18′N，属于川西北山地向高原过渡地带，地势由松潘县至红原县南侧分水岭向北逐渐降低，东西边缘高、中部低。研究区属高原寒温带半湿润季风气候，长冬无夏，昼夜温差大，空气寒冷干燥；无绝对无霜期，春秋相连，干雨季分明。湿地、草地资源丰富，湿地属于青藏高原高寒湿地，是中国最大的高寒沼泽湿地；草原属青藏草原区，在若尔盖县、阿坝县、红原县均广泛分布。研究区是黄河干流重要水源补给地，地跨羌塘-三江源生物多样性保护优先区和岷山-横断山北段生物多样性保护优先区，植被类型多样，垂直地带性分布变化特征明显，生物多样性富集、独特，有“川西北高原生物基因库”之称，但同时面临着生态系统较脆弱，系统抗干扰能力弱，对全球气候变化敏感的问题。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及处理

土地利用数据来源于自然资源部（http：//www.globallandcover.com/home.html？type=data）发布的2000年、2010年、2020年3期30 m栅格数据，用于预测2030年土地利用及生境质量计算；DEM数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）提供的30 m分辨率数据高程产品；年均降水量、年均气温来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（https：//www.resdc.cn/）；土壤类型数据来源于第三次全国国土调查数据成果；人口、GDP数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心 （https：//www.resdc.cn/）提供的1 km栅格数据；距离因子来源于地理信息专业知识服务系统（http：//kmap.ckcest.cn/），包括道路数据和区县行政驻地数据，经欧氏距离处理得到。所有数据采用WGS-84坐标系，栅格大小采样到30 m×30 m。各数据类型及用途如表1所示。

2.2 研究方法

本研究基于PLUS模型，利用研究区2000年、2010年、2020年3期土地利用数据预测2030年土地利用情况；在此基础上参考文献确定危险因子和各地类对危险因子的敏感性，利用InVEST模型计算2000年、2010年、2020年和2030年4期生境质量并探究研究区30年间土地利用、生境质量演变规律及其影响因素。

2.2.1 PLUS模型 PLUS模型是Liang等^［5］提出的基于栅格数据的可用于斑块尺度土地利用（LULC）变化预测的元胞自动机（CA）模型，主要包括用地扩张分析策略（LEAS）和基于多类随机斑块种子的CA模型（CARS）两部分。与以往的各类CA模型相比，具有可以更好地挖掘各类土地利用变化的诱因、预测多类土地利用斑块级的变化等优点。

1）土地利用预测。PLUS模型通过用地扩张分析策略（LEAS）提取两期土地利用变化间各类用地扩张的部分，并采用随机森林算法获取各类用地的发展概率及驱动因子的贡献程度。土地利用类型总体概率计算的基本公式可以表示为：

在总概率的约束下，通过随机种子生成和阈值递减机制生成土地利用斑块，并使用轮盘赌机制来确定占据栅格单元的地类。当单个土地利用类型的领域效应等于0时，阈值递减机制产生“种子”到每种地类的发展概率上。公式如下：

式中，Step为PLUS模型估算土地利用需求时的步长；δ为降低阈值τ的衰减因子，取值范围为［0，1］；r为均值为1的正态分布随机值，范围为［0，2］；l为衰减步数；TM_k，c为定义是否允许土地利用类型k转换为类型c的转换矩阵。

利用2010年、2020年土地利用数据提取用地扩张，并参考罗芳等^［12］、李琛等^［13］的研究，选取年均降水量、年均气温、土壤类型、DEM、人口、GDP以及到区县政府、铁路、国道、省道、县道的距离作为用地扩张分析策略中的驱动因子。

2）精度验证。利用2000年、2010年土地利用数据预测2020年土地利用，再根据 PLUS模型中的Validation模块，将预测的2020年土地利用数据与实际2020年土地利用数据对比进行验证。混淆矩阵见表2，计算出OA精度为0.955 6，Kappa系数为0.922 8，表明预测的2030年土地利用结果可信。

2.2.2 InVEST模型 InVEST模型（Integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs）是美国自然资本项目组开发的、可评估生态系统服务功能的模型系统，利用其中的Habitat Quality模块计算2000年、2010年、2020年、2030年4期生境质量。生境质量计算公式为：

式中，Q_xj表示生境质量；D_xj表示生境退化度；H_j表示生境适宜性指标；k为半饱和常数，通常取最大生境退化度数值的1/2；z为常量；x表示某栅格；j表示某土地利用类型。参考文献^［14］并结合研究区土地利用數据的分类情况设置研究区威胁因子及其权重、最大威胁距离、空间衰退类型（表3）。参考InVEST模型手册及文献^{［15，16］}，设置各地类对威胁因子的敏感度（表4）。由于研究区总体生境质量较高，生境质量低的区域面积小且集中，将生境质量指数分为低［0～0.3）、较低［0.3～0.6）、较高［0.6～0.9）、高［0.9～0.1］4级。

3 结果与分析

3.1 土地利用时空变化

由表5可知，2000—2020年，研究区草地少量减少；湿地、水体和林地先减少再少量增加；耕地在2000—2010年大量增加，而后少量减少。根据PLUS模型预测的2030年土地利用，人造地表、裸地在2000—2030年3个区间内均增加，其中人造地表由2000年的0.11%增加到2030年的0.32%，裸地从2000年的0.00%增加到2030的0.92%，分别达117.55 km²和334.38 km²；草地和湿地分别减少1.95和0.44个百分点，即687.75 km²和204.55 km²。

利用2000年及预测的2030年土地利用数据制作土地利用转移矩阵见表6。由表6可见，增加的绝大部分裸地由草地转出，少量由林地转出；增加的绝大部分耕地也由草地转入；增加的大部分人造地表同样由草地转出，其次为耕地、林地和湿地。同时，减少的湿地和林地绝大部分转变为草地；减少的草地主要转变为林地、耕地、人造地表和湿地。即林地、草地、湿地相互转化，但由于大量草地转化为裸地和耕地，总体上草地面积大量减少。各年份土地利用类型见图1。

3.2 土地扩张因子贡献分析

通过用地扩张分析策略（LEAS）得到的各类用地的驱动因子贡献程度见表7。对研究区耕地、水体、冰川和永久积雪贡献程度最高的扩张因子均为DEM，分别为0.32、0.26和0.54，表明DEM对耕地、水体扩张限制最大，对冰川和永久积雪更是决定性的因素；对人造地表贡献程度最高的因子是人口，表明人口密度与人造地表关联程度最高，即人口密度越大的地方人造地表越可能扩张；对裸地贡献程度最高的因子为气温，反映出气候变化造成植被退化，进而导致裸地面积增加。生境适宜度高的地类中，林地、草地、湿地的贡献程度最高的扩张因子分别为降雨、DEM和到政府距离、降雨，表明雨量充沛、水源涵养情况较好的区域里林地、湿地更易扩张；而草地受各项因子的影响程度相差不大，一般生长在远离政府的地方，且其面积扩张受DEM限制。

3.3 生境质量时空变化

研究区总体生境质量较高，各时段生境质量高和较高的区域面积占比之和均在95%以上，生境质量高的区域主要为东部林地；较高的区域为中西部大面积的草地。生境质量较低的区域主要分布在红原县中北部、松潘县中部；生境质量低的区域集中在若尔盖县西部及阿坝县西部，各时段生境质量等级分布见图2，面积占比见表8。4期生境质量结果对比显示，研究区生境质量总体保持较高水平，但有逐步降低的趋势。生境质量低的区域面积占比由2000年的0.50%逐渐增加到2030年的2.35%，增加的主要区域为阿坝县西部的裸地和各县的建设用地及耕地；生境质量较低的区域面积占比变化较平稳，在2000—2010年有所增加，但在2010—2020年少量下降；生境质量较高的区域面积占比在2000—2010年降低了0.52个百分点；在2010—2020年降低了0.99个百分点，预测2020—2030年将会降低0.87个百分点，降低速率先增加再有所减缓；生境质量高的区域面积变化也较平稳，面积占比在3个时间区间内变化均不超过1个百分点。表明近年来在“绿水青山就是金山银山”和“山水林田湖草是一个生命共同体”的发展理念下，生态环境保护和生态系统可持续管理有一定效果，但亟需加强。

4 小结与讨论

4.1 小结

本研究利用3期土地利用数据，结合气候、环境、距离等驱动因子预测研究区未来土地利用情况，探究各类驱动因子对不同地类变化的影响程度并评价研究区2000—2030年生境质量变化，主要结论如下。

1）2000—2020年，由于周边草地退化，研究区西部裸地大面积增长，且根据预测的2030年土地利用数据，如若不加强人工干预，到2030年裸地面积将大面积增加，达到334.38 km²。将预测的土地利用数据与2000年对比，到2030年将会有204.55 km²湿地退化，由沼泽湿地向草甸演替。

2）各类影响地类变化的驱动因子中，降雨是限制林地、湿地扩张的首要因素，侧面反映水源涵养功能对维护生境适宜度高的地类有较大作用。而DEM为限制草地的首要因素，反映矿山开发等破坏景观、形成高陡边坡的人类活动对草地会造成显著影响。裸地的增加与气温密切相关，表明气候变化对植被、土地利用变化有巨大影响。由于青藏高原不断隆起抬升，西南季风受限不能深入，若尔盖高原湿地气候条件有变干变冷的趋势，这是导致区域湿地生态系统脆弱的重要原因。

3）研究区整体生境质量较高，且空间差异较大。生境质量低的区域集中在若尔盖县西部及阿坝县西部。由于草地、湿地的退化，生境质量较低的区域有逐步扩大的趋势，主要由西部新增裸地和各区县扩张的建设用地、耕地造成。未来生境质量降低的速率将有所减缓，但仍需加强人工措施来阻止降低。

4.2 讨论

1）为了保证多期土地利用数据的地类分类标准相同，本研究采用的土地利用数据仅分为了9个一级类型，没有二级类型，如若利用多期同源的具有二级地类分类的土地利用数据，对土地利用预测及生境质量的计算会更加精确。此外，PLUS模型中选取的驱动因子是否为最佳组合还有待探究。

2）根据研究区土地利用及生境质量演变情况，研究区面临的最大的生态问题是草地退化、裸地面积大量增加，因此提出以下建议：一是加强草原综合治理，控制草场载畜量，全面推行草畜平衡、草原禁牧休牧轮牧。二是加强矿山生态修复和人工草场建设；推动重点区域荒漠化、沙化土地和黑土滩型等退化草原治理，遏制草原沙化趋势，提升草原生态功能；抑制牧区草地鼠害，恢复草原生态，促进草原生物多样性保护。三是针对研究区内若尔盖湿地自然保护区，应开展重点水源涵养区封育保护，加强高原湿地保护与修复，恢复退化湿地生态功能和周边植被，增强水源涵养功能，严禁沼泽湿地疏干改造、侵占湿地开发草场和发展破坏沼泽湿地及其水源涵养功能的产业。

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收稿日期：2023-02-06

基金項目：四川省科技计划重点研发项目（2022YFS0494）；四川省地质调查研究院项目（51000024Y000010978072）；四川省自然资源厅科研项目（Kj-2021-12）

作者简介：李梓涵（1998-），女，四川绵阳人，在读硕士研究生，研究方向为生态修复与景观格局，（电话）18281606607（电子信箱）cdut_zihanli@163.com；通信作者，巩 飞（1995-），男，四川绵阳人，工程师，硕士，主要从事国土整治与生态修复研究，（电话）18582883627（电子信箱）842256774@qq.com。