基于InVEST模型的无锡市生境质量变化研究

摘要：【目的】基于2000、2010和2018年无锡市30 m分辨率土地利用数据，利用生态系统服务与权衡的综合评估（InVEST）模型评估了无锡市生境质量及生境退化度演变规律，为无锡市的生态保护和修复提供依据。【方法】基于InVEST模型模拟了无锡3个不同时期的生境质量、生境退化度，并利用土地利用转移矩阵分析了土地利用与生境质量、生境退化度变化的关系。【结果】2018年无锡市高等级生境质量占全市面积约31.11%，一般等级比例较大，约占全市面积的40.60%；无锡市生境质量空间分布差异较大，高等级生境质量主要分布在宜兴市、滨湖区等地区，而低等级生境质量主要位于无锡市主城区及江阴市等地；过去20年，无锡市生境质量总体上有明显退化趋势，其中梁溪区等无锡主城区以及江阴市退化最明显，宜兴市退化度变化不大；无锡市生境质量变化与土地利用变化是密不可分的，其中，无锡市建设用地从2000年的717.40 km2增加至2018年的1 291.40 km2，增幅约12%，而建设用地增多的区域与生境质量下降比较明显的区域在空间上有较高的一致性。【结论】无锡市的生境质量退化与耕地面积减少及城市建设用地增多等密切相关，需合理利用土地，严格控制建设用地规模，保持生态用地规模，不断提高湿地保护和修复工作。

关键词：土地利用；生态系统服务和权衡综合评估模型（InVEST模型）；生境质量；生境退化度；

建设用地；耕地面积；无锡市

中图分类号：S718；Q149"""" 文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

文章编号：1000-2006（2024）05-0165-08

Changing features of habitat quality in Wuxi City" based on InVEST model

ZHAO Xiaoyu1，WANG Yiming2，HE Xu1，LIU Xiaoyan1，ZHANG Jiamin1，DENG Yi3，FENG Yao3，CHU Lei1，ZHANG Zengxin1，2

（1. Co-Innovation Center for"" Sustainable Forestry in Southern China， College of Forestry and Grassland， College of Soil and Water Conservation，Nanjing Forestry University， Nanjing 210037，China; 2. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulics Engineering，College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China; 3. Wuxi Municipal Bureau of Natural Resources and Planning，Wuxi 214023， China）

Abstract： 【Objective】 Based on 30 m of high-resolution land use data of Wuxi City in 2000， 2010" and 2018， the" Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs （InVEST） model was used to reveal the changing features of habitat quality in Wuxi. Such information could provide a basis for ecological environment protection and restoration in Wuxi. 【Method】 Using the InVEST model， the habitat quality and habitat degradation degree of Wuxi during" recent 20 years were simulated， and the relationship between the changes of land use， habitat quality" and habitat degradation degree was analyzed by using the land use transfer matrix. 【Result】 In 2018， high-grade habitats in Wuxi accounted for approximately 31.11% of the citys area， whereas the proportion of general grades was relatively higher， accounting for approximately 40.60% of the citys area. The spatial distribution of habitat quality in Wuxi was various， with the high-grade habitats mainly distributed in Yixing City， Binhu District" and other areas， while the low-grade habitats are predominantly located in the main urban area of Wuxi City and Jiangyin City. In the past 20 years， habitat quality in Wuxi has shown a significant degradation trend， of which the main urban areas of Wuxi such as Liangxi District and Jiangyin City have the most obvious degradation， whereas the degradation degree of Yixing City has not changed much. The changes of habitat quality and land use in Wuxi are inseparable， and among them， the construction land of Wuxi increased by approximately 12% from 717.40 km2 in 2000 to 1 291.40 km2 in 2018， and the area with increased construction land and the area where the quality of habitat decline is more obvious have good spatial consistency. 【Conclusion】 Degradation of habitat quality in Wuxi is closely related to the reduction of cultivated land area and the increase of urban construction land. Therefore， it is necessary to rationally use land， strictly control the scale of construction land， maintain the scale of ecological land use， and continuously improve the protection and restoration of wetlands.

Keywords：land use; InVEST model; habitat quality; habitat degradation degree; land for construction; cultivated area; Wuxi City

生境质量是生态系统服务的一项重要功能，其高低与生物多样性息息相关，是提升生态系统服务功能的关键[1-2]。已有研究表明，生态评估模型是开展生境质量定量评估的一个重要手段，如SoIVES模型[3]用于评估生态系统服务社会价值的模型，可以对美学、教育及文化遗产等文化服务进行较为全面的评估、量化、制图，但是由于生态系统文化服务自身的非物质性、依附性和学科交叉性等特点，导致该模型存在难以被明确界定和量化等问题；生境适宜性（HSI）模型[4]是基于环境因子的生境分析模型，应用于陆地生物的生境质量动态评估，具有一定的标准和客观性，但是大多属于演绎模型，依据经验数据和专家意见，主观成分较多。生态系统服务和权衡的综合评估模型（InVEST）[5]旨在通过模拟不同土地覆被情景下生态服务系统物质量和价值量的变化[5-7]。通常采用生产函数的方法来量化和评估生态系统服务，其最大优点就在于评估结果的可视化表达[8-10]，实现了生态系统服务功能价值定量评估的空间化，对比以往生态系统服务功能的评估方法，提高了量化等功能。

InVEST模型已在空间规划、生态补偿、风险管理、适应气候变化等环境管理决策中得到广泛应用。国内外学者利用该模型在水源的供给、产出和涵养，生物多样性评估等生态功能评价方面都进行过试验，取得了不错的进展[11]。赵晓囧等[12]应用InVEST模型评估西北生态脆弱地区生境质量和退化程度，研究结果对生态多样性实施保护战略及管理决策生态系统具有重要意义。Kim等[13]应用InVEST模型评估了韩国济州岛快速变化的生境状况，分析比较了济州岛各生态自然区域的生境质量，与基于生物调查的生物多样性相比，InVEST生境质量模型可以应用于过去和未来的情景，以分析时间序列中的生境退化度，从而帮助决策者合理规划长期的生态保护政策。

然而，生境质量的量化存在较大困难，特别是对高分辨率生境质量定量评估的研究较少，先前的研究注重对野生动物生境质量的评价[14-15]，土地利用变化会改变区域内生境的构成要素，极大地影响斑块间的物质交流、能量循环，改变生境的生产服务能力，削弱其供给物种生存发展的潜力，因此土地利用变化是生境质量演变的主要驱动力因素[1]。

无锡地处快速城市化的长江三角洲地区，城乡建筑用地增多显著改变了区域的生境质量，对区域生物多样性保护带来挑战。近年来，围绕“太湖治理”和“长江大保护”两大核心，无锡市大力推进生态环境建设和保护修复，长江流域水生态、水环境已经得到极大的改善[16]，但是生态环保的情况依然复杂，生境的保护以及修复任务依然繁重[17]。本研究基于2000、2010和2018年土地利用数据，借助InVEST模型评估无锡市的生境质量以及退化度[18-19]，探索土地利用变化对于研究区生境演变产生的时空变化影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

无锡市（119°33′～120°38′E，31°07′～32°02′N）位于长江三角洲地区，总面积约为4 634 km2，其中市区面积约为1 644 km2，受北亚热带湿润季风气候控制，四季分明，热量充足，降水丰沛，雨热同季。多年平均气温16.2 ℃，多年平均降水量1 121.7 mm。境内以平原为主，星散分布着低山、残丘。南部为水网平原，北部为高沙平原，中部为低地辟成的水网圩田，西南部地势较高，为宜兴的低山和丘陵地区。宜兴地区山体均作东西向延伸，绝对高度在500 m以上，最高峰为黄塔顶，海拔611.5 m。江阴和无锡市区的山丘总体上呈北东、北偏东走向，其高度由西南往东北逐级下降。最高峰为惠山三茅峰，海拔328.98 m。

1.2 数据来源及处理

土地利用和土地覆盖数据（LULC）来自中国科学院的资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn），选取2000、2010以及2018年3期数据，空间分辨率为30 m，通过地理信息系统软件将土地利用数据按照GB/T 21010-2007《土地利用现状分类标准》进行重分类[5]，得到6类土地利用类型：耕地、林地、草地、水域、城乡建设用地和未利用土地。

1.3 生境质量评估及数据获取

InVEST生物多样性模型结合景观类型敏感性和外界威胁强度，得到生境质量的优劣分布，评估生物多样性的现状[20]。InVEST模型假设生境质量数值越高的地区，生物多样性越丰富[21-22]。采用InVEST模型对无锡市生境质量进行评估，通过生境质量反映生态系统能够给物种提供生存繁衍条件的潜在能力，它的取值范围（0， 1），数值越大，说明这种环境的生态系统越稳定，生境质量值越高。模型使用栅格数据进行，或者正方形栅格的栅格地图。每个栅格都赋予一种土地利用/土地覆盖（LULC）类型[23]，包括自然类型和管理类型。可在各分类水平上划分植被类型或野生动植物生境。

生境退化度是人类活动的干扰对于生境所产生的改变程度，即威胁因子对于生境造成的退化程度，生境退化度的数值越高，表示威胁因子对生境造成的威胁程度越大[23-25]。计算公式如下：

Dxy=∑Rr=1∑Yry=1wr∑Rr=1wrryirxyβxSjr；（1）

irxy=1-（dxy/dr，max）；（2）

irxy=exp-2.99dr，maxdxy。（3）

式中：Dxy为生境退化度，x和y表示栅格；R为威胁生境的因子个数；Yr为威胁因子r在地类图层上的栅格个数；wr为威胁因子r的权重；ry为栅格y的威胁程度；irxy为ry对生境栅格x的威胁水平；βx为栅格x的可达性水平；Sjr为土地覆被类型j对威胁因子r的敏感度；dxy为栅格x与栅格y之间的直线距离；dr，max为威胁因子r的最大影响距离。由生境退化度计算生境质量，公式如下：

Qxj=Hj1-DzxjDzxj+kz。（4）

式中：Qxj为土地覆盖类型j中栅格x的生境质量指数；Hj为土地覆盖类型j中的生境适宜度；Dzxj为土地覆盖类型j中栅格x的生境退化度，z为模型默认参数；k为半饱和常数。参考相关文献及InVEST模型（3.2.0版本）并结合实际情况[5]，本研究将农业、城市、工业、农村居民点定义为威胁因子，并且结合实际情况设定不同威胁因子的最大影响距离及其权重（表1），以及生境适宜度和不同生境对威胁因子的敏感度（表2）。

生境质量数据从土地利用数据中获取，利用地理信息系统软件对土地利用、生境质量以及生境退化度数据进行处理，得到栅格图像，计算其面积和占比，进一步用栅格计算器功能，得到相邻2个时期的土地利用转移矩阵，分析各个时期各地类间的转换，得到各等级生境质量和生境退化度的分布，分析它们的演变规律，总结三者的相互关系[26]。

2 结果与分析

2.1 无锡市生境质量的演变

运行InVEST模型的生境质量模块，分别得到2000、2010和2018年无锡市生境质量的分布情况，研究区的生境质量取值为（0，1），数值越大生境越好。为了更加直观地展示空间上的生境质量分布情况，将结果分为5个等级，分别为低等级（0，0.2）、较低等级[0.2，0.4）、一般等级[0.4，0.6）、较高等级[0.6，0.8）、高等级[0.8，1.0），得到无锡市的生境质量分布图（图1）。通过统计各个等级生境质量的栅格占比，计算各等级生境质量的面积，得到2000—2018年低、较低、一般、较高和高等级生境质量的面积变化情况（表3）。

2000年无锡市的整体生境质量等级处于一般等级，平均值约为0.56，之后生境质量呈下降的趋势，2010的平均生境质量约为0.50，自2010年后整体生境质量较平稳，2018年平均生境质量保持在0.49左右。研究区内一般等级的生境质量占主导地位，占研究区面积40.60%左右，较高等级的生境质量占比最少，只有不到0.2%。各等级的面积占比表现为：一般等级＞高等级＞低等级＞较高等级＞较低等级。2000—2018年不同等级生境质量的变化，低等级生境质量区域增加约583.45 km2，一般等级减少约586.20 km2，较高等级减少约1.97 km2，高等级增加约4.71 km2，较低等级无变化。

近20年来，无锡市生境质量呈明显下降趋势，高生境质量从2000年的31.01%上升为2018年的31.11%，一般生境质量从2000年的53.24%下降为2018年的40.60%，较低生境质量没有变化，而低生境质量则从15.55%增加为28.14%。生境质量较高的区域主要集中于无锡市滨湖区、宜兴市外围区域，土地利用类型以耕地、林地为主，少部分为草地；生境质量较低的区域主要集中于宜兴市中心区域，其低等级生境质量面积增加了121.45 km2、梁溪区及周边城区，土地利用类型以建设用地和耕地为主，还涉及部分水域以及未利用地。同时为了更清晰了解无锡市生境质量发生的变化，对2000年及2018年生境质量数据进行了栅格计算，得到18年间无锡市各地类生境质量的面积变化情况见表4。

从不同土地利用类型的面积变化来看，无锡市生境质量具有空间差异性。生境质量高的区域同时也是土地利用变化较少的区域，其中耕地的面积变化量最大，2000—2018年期间减少了672.733 km2，增多了228.411 km2，耕地减少的区域主要集中在梁溪区及周边城区，也是生境质量较低区域，表明耕地的面积变化会直接影响该地区生境质量。生境质量的变化趋势完全呈现破碎化的趋势，人为扰动极易造成生境质量变化，生境质量的威胁因子更强。所以，即使整体生境质量处于较高的水平，但是低等级生境质量的区域增加的幅度越来越大，高等级生境质量区域远没有低等级增加的快，这一现象需要引起足够的重视，应当继续加大对无锡市生态环境的保护力度。

2.2 无锡市生境退化度演变

利用InVEST模型得到2000、2010和2018年无锡市生境质量的退化情况，研究区的生境退化度取值范围（0～0.2），值越大代表退化程度越高。将结果分3个等级，分别为低（0， 0.026）、中[0.026， 0.065）、高[0.065， 0.200），即无锡市生境退化度的空间分布图（图2）。通过统计各个等级的栅格占比，计算各等级生境退化度的面积和比例，得到2000—2018年低等级、中等级和高等级生境退化度面积和所占比例的变化情况（图3）。

2000—2018年，无锡市的生境退化度整体处于中等级，2000以后研究区内低等级的生境退化度区域逐渐占主导地位，占研究区面积40%左右。从各等级生境退化面积占比来看，低等级和高等级的面积都呈现逐年升高的趋势，而中等级呈现逐年下降的趋势。2000—2018年生境退化度均值呈现升高趋势：2000年退化度均值约为0.040；2010年退化度约为0.043；2018年退化度约为0.044，与该时段流域内生境质量的变化以及耕地、林地与城乡建设用地面积的转换有关。尤其是无锡市东部江阴地区城市分布密集的区域生境退化程度越来越高。

2000—2018年间生境退化度在时间跨度上呈现升高的趋势，在空间跨度上发生变化的区域比较集中。其中低等级生境退化度占比最大且一直呈现上升趋势，从2000年的32.31%升至2018年的41.24%，增加了近9个百分点；中等级生境退化度在时间跨度上一直呈现下降趋势，从2000年的44.19%降至2018年的28.34%，下降了将近16个百分点；高等级生境退化度整体面积占比最少，但是也呈现缓慢上升的趋势，从2000年的23.51%升至2018年的30.42%，增加了近7个百分点，这与近年来无锡市深入贯彻生态文明建设的理念密不可分。研究区内生境退化度较高的地区往往就是生境质量较低的地区，反映为建设用地、耕地、未利用土地以及部分水域，生境退化度较低的区域往往是生境质量较高的地区，是林地、草地和部分耕地以及水域。整体来说，研究区内生境退化度的变化不明显，只有人类活动频繁的如沿江城市群、城乡人口聚集地的退化度变化剧烈。

2.3 近20年无锡市土地利用变化规律

根据土地利用数据得到2000—2018年无锡市各种土地利用类型空间分类图（图4）。通过统计不同土地利用类型的栅格占比，得到2000—2018年不同时期土地利用转移矩阵（表5）。

通过2000—2018年土地利用转移矩阵发现，耕地的转出面积占比最大，占总计转出面积的86.70%，636.38 km2；建设用地的转入面积占比最大，占总计转入面积的83.83%，615.31 km2。2000—2010年时期，耕地、水域和建设用地这3种土地利用类型相互转换剧烈，说明该时间段无锡市的经济以农林业为主，耕地、林地和草地的需求远大于城市、乡镇的建设用地；2010年之后，无锡地区的经济快速发展，建设用地迅速增加，耕地、林地和草地之间变化大大减少；减少的耕地、林地和草地主要都转向建设用地，另一部分通过退耕还湖、退林还湖等方式转向水域。其中耕地面积的减少最多，建设用地面积增加的最多。这些土地利用类型相互转化的过程，极大地反映出人口增加、经济社会发展和环境保护程度对于土地利用结构变化的推动作用。

3 讨 论

生境质量作为生态系统服务的重要组成部分，与人类的生存发展密不可分，同时也影响着生物的多样性和地区的可持续发展[5]。王培东等[27]应用InVEST模型评估了北京地区的生境质量，发现人类活动相对较少的地区同时也是生境质量较高区域，而人类活动频繁的耕地、建设用地等土地生态退化较严重。何清清等[28]对三峡库区的生境质量进行了定量评价，发现人类的福祉与生境质量息息相关，随着长江沿岸社会经济的快速发展，建设用地呈爆发式增长，城市区域的生境质量衰退明显。本研究基于InVEST模型评估了无锡市生境质量，结果表明，建设用地面积增加和耕地面积的减少是导致生境质量退化的主要原因，这与包玉斌等[5]的研究结果一致。因此随着城乡建设发展，耕地以及林草地的面积在一定程度上都有所减少[6]，进而导致生境质量退化，不合理的土地利用方式不断影响该地区的生境质量，对流域内的生物多样性保护带来挑战。然而与Berta等[25]的研究结果略有不同，他们认为农业扩张是影响生境质量的重要风险因素，这主要是由于他们的研究区埃塞俄比亚相对而言是城乡发展落后地区，农业扩张会引起本土植被大面积消失和土地的破碎化。近年来，无锡市依托优越的地理位置和自然生态环境本底，以及在经济发展和生态文明建设方面取得的相对平衡，统筹山水林田湖系统的治理，生态环境得到了一定的改善，高等级生境质量的数量总体上有所增加。本研究虽然运用InVEST模型合理分析了无锡市近年来生境质量的状况，但仍存在不足之处：关于InVEST模型，此次研究选择的威胁源不多，且最大影响距离及权重在一定程度上具有主观性，因此结果的精确性存在误差；生境质量的状况于生态环境的影响而言，虽占比较大，但其中土壤侵蚀、固碳及水源涵养等方面的作用也是不可忽视的。所以在将来的研究中，要综合考虑多种威胁源的影响并综合运用模型来深入分析。

本研究基于2000、2010和2018年的30 m分辨率土地利用资料，利用InVEST模型评估了无锡市生境质量的演变及其影响因素，结果表明：

1）2018年无锡市高生境质量占总面积的31.11%，一般生境质量为40.60%，而低生境质量为28.00%。其中，无锡市滨湖区、宜兴市生境质量较高，梁溪区、惠山区等无锡市主城区以及江阴市等地区生境质量较低。

2）近20年来，无锡市生境质量呈明显下降趋势，高生境质量从2000年的31.01%上升为2018年的31.11%，一般生境质量从2000年的53.24%下降为2018年的40.60%，而低生境质量则从15.55%增加为28.14%，其中，生境质量降低明显的区域主要集中在宜兴市、梁溪区及周边城市，其低等级生境质量面积增加了121.45 km2，而其余地区变化不明显。

3）研究发现无锡市生境退化度较高的地区基本是建设用地快速增加的区域。与2000年相比，2018年无锡市耕地、林地均呈现明显减少，其中，耕地减少了12.69%，而建设用地则增加了约12.39%。因此，生境质量低的区域往往也是生境退化度高的区域，耕地面积相对减少及城市建设用地增加是降低生境质量的主要原因。要遏制无锡市生境质量下降趋势，必须科学合理利用土地，严格控制建设用地规模，加大生态用地投入，不断提高湿地保护和修复工作。

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（责任编辑 孟苗婧 郑琰燚）

基金项目：国家重点研发计划（2019YFC0409004）;国家自然科学基金项目（41971025）;江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）。

第一作者：赵晓雨（zxy1815469183@163.com）。

*通信作者：张增信（nfuzhang@163.com），教授。

引文格式：赵晓雨，王益明，何旭，等.基于InVEST模型的无锡市生境质量变化研究[J]. 南京林业大学学报（自然科学版），2024，48（5）：165-172.

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