基于InVEST模型评估土地整治对生境质量的影响

钟莉娜，王 军

（1. 中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083；2. 国土资源部土地整治中心土地整治重点实验室，北京 100035）

基于InVEST模型评估土地整治对生境质量的影响

钟莉娜1,2，王 军2※

（1. 中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083；2. 国土资源部土地整治中心土地整治重点实验室，北京 100035）

土地整治通过对土地资源及其利用方式再组织和再优化影响生境斑块之间物质流、能量流的循环过程，从而改变区域生境质量和分布格局。该文以大安市土地整治重大项目为例，采用 I nVEST模型分析了土地整治对生境质量的影响。研究表明：1）土地整治前（2008年）、整治中（2011年）、整治后（2014年），耕地、草地和盐碱地均为项目区的主要土地利用类型；2）土地整治后，大量的盐碱地和草地转变为耕地，耕地面积由整治前的14.43%上升到71.19%；3）土地整治中，项目区的生境质量得分由整治前的0.194下降到0.189，整治后又上升到0.214；4）土地整治工程改善了项目区的生境质量，但整治完成后生境质量改善效果经历了先下降后上升的过程，在整治完成3～4 a时，生境质量仅比整治前提高了0.06左右，整治完成4 a之后，生境质量开始逐渐好转。研究结果可为土地整治工作中的生境及生物多样性保护工作提供科学依据。

土地利用；模型；土地整治；生境质量；影响；InVEST模型

0 引 言

当前，人类面临着严重的生物多样性危机，生境质量遭到破坏是生物多样性保护工作面临最严峻的挑战之一[1-3]。生境质量是指生态系统提供适宜个体与种群持续发展生存条件的能力，可以在一定程度上反映出区域的生物多样性状况[4-5]。大规模人类活动引起的土地利用方式、强度及格局的改变会对生物生境质量产生重要影响，进一步影响区域乃至全球的生物多样性状况。生境质量评价对生物多样性研究及其保护工作具有重要意义。

数字模型在评价生境质量现状和预测未来生境分布方面优势明显[6]。国内外可进行生境质量评价的模型有很多，例如ARIES（Artificial Intelligence for Ecosystem Services）[7]、MIMES（Multiscale Integrated Models of Ecosystem Services）[8]和InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）[9]等。由斯坦福大学开发，大自然保护协会和世界自然基金会联合支持的InVEST模型与其他模型相比具有应用成本低、评估精度高、空间分析功能强等特点[10-11]。InVEST模型的生境质量板块中基于生境胁迫评估生境质量的方法被广泛应用[12-13]。Terrado等[14]对比分析了InVEST模型中生境质量模块的计算结果与生物多样性观测的结果，研究表明二者之间存在显著的相关关系。Leh等[15]利用InVEST模型评估了非洲西部地区的生境质量、碳固定等生态系统服务功能。褚琳等[16]采用InVEST模型研究了2000—2010年辽宁省海岸带景观格局与生境质量的变化并探讨了变化的原因。

土地整治是缓解人地矛盾，实现社会、经济、资源和生态可持续发展的基础。2008年以来土地整治工作正式纳入党中央层面的战略布局，中国开始大规模实施土地整治。土地整治已成为中国当前最大规模改变土地利用和生态系统的人类活动之一[17-19]。土地整治是对土地资源及其利用方式进行再组织和再优化的过程，土地资源及其利用方式的改变深刻影响了生境斑块之间物质流、能量流的循环过程，从而影响区域生境的质量和分布格局[20]。 随着土地整治的全面推进，土地整治对生境质量的影响越来越受到国内外专家学者的关注。为此，该文以大安市土地整治重大项目为例，基于InVEST模型分析了整治前中后项目区生境质量的时空演变，并以各子项目为研究对象分析了土地整治后不同年限生境质量的动态变化。研究将为土地整治工作中生物多样性的保护以及生态安全格局的构建提供科学支撑。

1 研究区概况

大安市土地整治项目是吉林省西部土地整治重大项目区的重要组成部分。项目区地理位置为45°5′9″N～45°43′39″N，123°16′6″E～124°15′16″E，面积 1202 km2（图1）；属于干旱半干旱地区，四季分明，蒸发强烈，土壤盐渍化现象比较严重。地处松嫩平原，地势平坦，耕地后备资源和过境水资源丰富，是吉林省乃至全国最具农业发展潜力的地区之一。但项目区低洼易涝，出现了土地盐碱化、湿地退化、湖泊萎缩等生态环境恶化问题，是中国典型的生态环境脆弱区。

大安项目区自2008年开始实施土地整治工程，整个项目区分为若干个子项目，各子项目土地整治工程实施的起止时间不同。各子项目整治完成的时间如图1所示。不同时期完成子项目的面积及比例见表1。

图1 项目区位置及子项目完成情况Fig.1 Location of project area and status of subprojects completion

表1 不同时期完成子项目的面积及比例Table 1 Area and proportion of completed subprojects in different stages

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究采用的主要数据是大安市土地整治项目区土地整治前（2008年）、土地整治中（2011年）和土地整治后（2014年）的1:10 000土地利用现状图。各土地利用现状图按照土地利用现状分类标准[21]将土地类型划分为二级地类。在以往研究[22]的基础上同时考虑研究区面积及景观破碎程度，基于ArcGIS10.0软件平台将土地利用矢量数据输出为30 m×30 m的栅格数据，作为项目区生境质量的评价单元。

2.2 研究方法

2.2.1 基于InVEST3.3.0模型的生境质量评估方法

InVEST模型假定生境质量是一个连续变量，在进行生境质量评估时综合考虑了土地利用方式和土地利用格局的影响。模型中，要获取生境质量得分首先要计算生境退化程度。土地利用类型j中栅格x的生境退化程度计算公式为[23]

其中，Dxj为生境退化程度；R为胁迫因子个数；wr为胁迫因子r的权重；Yr为胁迫因子层在土地利用类型图中的栅格个数；ry为土地利用类型图中每个栅格上胁迫因子的个数；Sjr为j类型土地覆被对胁迫因子 r 的敏感性；irxy为栅格y中的威胁因子r对栅格x的影响；dxy为栅格x（生境）与栅格y（威胁因子）的距离，drmax为威胁因子r的影响范围。βx为法律保护程度，该文不考虑法律保护程度因子，因此将βx设为1。

生境质量的公式基于生境退化程度Dxj，生境质量的计算公式为[23]

其中，Qxj为土地利用类型图j中栅格x的生境质量；Hj为土地利用类型图j的生境属性。k是半饱和常数，k值一般设置为生境退化程度最大值的1/2。依据InVEST 3.3.0模型的使用说明，z值为模型默认参数，可设置为2.5[23]。生境质量得分值域为0～1（生境适宜度最高时生境质量得分为1，最低时生境质量得分为0）。

模型中需要根据研究区具体情况进行调整的参数主要包括威胁因子的最大影响距离及权重、各土地利用类型的生境质量及其对威胁因子的敏感程度。

2.2.2 专家打分法

模型在进行威胁因子的选择时综合考虑了模型的使用说明[23]、国内外相关学者研究[24-25]、地理学和生态学专家的意见和研究区的实际情况。因为盐碱地是整治项目区生态脆弱的重要原因，耕地面积大、配套的设施农用地较多，盐碱地和设施农用地对周边土地利用生境质量的影响也不容忽视，所以将盐碱地和设施农用地列入生境威胁因子。其他威胁因子为进行生境质量评估时用到的常规因子（表2）。

确定模型参数值时遵循以下原则[6,23]：

1）越接近自然的系统生境质量越高，城镇、工矿用地、交通运输等纯人工环境生境质量为0，即不具备生境适宜性。

2）生态系统越复杂，自我修复能力越强，对威胁因子的敏感性越低。

3）参考使用说明中的模型参考值[23]以及相关文献资料[6,26-28]，根据研究区的具体情况进行调整。

邀请20名专家在模型参数确定原则的指导下，根据项目区的实际情况对生境质量威胁因子影响距离、权重以及各土地利用类型对生境威胁因子的敏感度进行打分。计算得分均值得到生境质量威胁因子影响距离、权重和各土地利用类型对生境威胁因子的敏感度，具体数据见表2、表3。

表2 威胁因子最大影响距离、权重及其空间衰退类型Table 2 Maximum distance of influence,weight and type of decay over space of threat factors

表3 土地利用类型对生境威胁因子的敏感度Table 3 Sensitivity of land use type to habitat threat factors

3 结果与分析

3.1 土地整治前中后土地利用变化

土地整治前（2008年）、整治中（2011年）、整治后（2014年），耕地、草地和盐碱地均为大安项目区的主要土地利用类型（表4 ，图 2）。土地整治前，主要土地利用类型面积草地＞盐碱地＞耕地，景观破碎化程度较高，盐碱地分布广泛且分散。土地整治中，主要土地利用类型面积耕地＞草地＞盐碱地。项目区东部土地整治一期工程竣工，一期工程内景观破碎化程度明显降低，且草地、盐碱地面积迅速减少，耕地面积大量增加。土地整治后，主要土地利用类型面积耕地＞草地＞盐碱地。经过土地整治，大量的草地和盐碱地转变为耕地，耕地面积比例由整治前的14.43%上升到71.19%。同时，整治后项目区的景观破碎化程度明显降低。

3.2 土地整治前中后生境质量的时空演变

基于InVEST模型的生境质量模块得到大安项目区整治前（2008年）、整治中（2011年）、整治后（2014年）的生境质量空间分布。在ArcGIS10.0平台上对生境质量进行重分类得到图3，各生境质量等级的土地面积见表5。大安项目区的生境质量总体较差，主要是因为大安项目区生境质量较高的土地利用类型（如林地、草地等）面积较小且分布较为分散，耕地和盐碱地的面积较大。盐碱地土壤里面所含的盐分会影响植物的正常生长，更适合耐盐耐碱生物生存，耕地中作物种类相对单一，所以耕地和盐碱地相对来说生境质量较低。另外，耕地和盐碱地作为项目区生境质量的威胁因子会对周边土地的生境质量产生负面影响。统计整治前中后生境质量的栅格平均值得到图4。由图4可以发现土地整治前中后，生境质量得分分别为0.194、0.189和0.214，生境质量呈现先下降后上升的趋势。土地整治工程进行中，生境质量较整治前降低；整治工程完成后，生境质量有所回升。

土地整治前，68.71%的土地生境质量得分仅有0～0.1，生境质量得分在0.1～0.2之间的土地有14.78%，生境质量得分超过0.2的土地仅占16.51%。盐碱地面积大（397.90 km2）、分布广，是整治前生境质量低的主要原因。盐碱地的盐分多，碱性大，土壤腐殖质易遭到淋失，土壤结构差，土壤盐碱化严重的地区植物难以生存。另外，盐碱地降低了项目区生境质量较高区域的连续性，其边际效应也导致周边土地利用类型生境质量有所降低。草地是生境质量较高的土地利用类型，虽然此时项目区的草地面积也较大，但草地与盐碱地交相分布，受盐碱地的影响，草地的生境质量降低。

表4 整治前中后各土地利用类型面积Table 4 Land use area before,during and after land consolidation

图2 整治前中后土地利用图Fig.2 Land use map before,during and after land consolidation

图3 土地整治前中后生境质量空间分布图Fig.3 Spatial distribution of habitat quality before,during and after land consolidation

土地整治中，生境质量得分在0～0.1之间的土地比例上升到了72.03%，项目区生境质量得分整体下降。究其原因，土地整治工程的实施需要一系列的工程配套设施用地，对周边环境产生了剧烈的扰动，防护林等生态保护工程并不完善，导致此时项目区的生态系统处于不稳定阶段，生境质量整体下降。

表5 不同等级生境质量土地面积及其比例Table 5 Area and proportion of land with different grades of habitat quality

图4 整治前中后生境质量的变化趋势Fig.4 Trends of habitat quality before,during and after land consolidation

土地整治后，生境质量得分在0～0.1之间的土地比例明显下降，由整治前的68.71%下降到了54.62%。生境质量在 0.1～0.2之间的土地比例上升，由整治前的14.78%上升到了29.47%。总体来看，整治后项目区的生境质量有所改善。土地整治后，项目区的盐碱地面积大量减少，由整治前的397.90 km2减少到了80.74 km2，大量的盐碱地转变为耕地，同时保留了一定面积的草地、林地以及湿地。另外，土地整治工程对项目区的土地利用格局进行了重新分配。土地整治通过对盐碱地的改良和景观格局的优化，改善了项目区整体的生境质量。

3.3 土地整治后不同年限生境质量动态变化

以大安市土地整治重大项目的子项目为研究对象，分析土地整治后不同年限生境质量的动态变化。不同时期完成的各子项目的面积、比例及空间分布见表1、图1。统计项目区各子项目整治前后生境质量之差，得到土地整治完成后不同时间段生境质量改善情况的动态变化（图 5），可以看出，与整治前相比，整治后生境质量明显改善（差值均大于 0），但整治完成后生境质量改善效果经历了先下降后上升的过程。土地整治工程结束初期，生境质量比整治前提高了0.13；在整治完成3～4 a时，整治后的生境质量与整治前相比提升值最低，仅有0.06左右；整治完成4 a之后，生境质量逐渐提高。

图5 土地整治后生境质量的变化Fig.5 Change of habitat quality after land consolidation

土地整治过程中，大量的盐碱地经过灌水洗盐、洗碱淋洗盐分离子等改良措施转变为耕地，使生境质量较低的盐碱地面积大量减少。同时，土地整治优化了项目区的土地利用格局，提高了项目区的土地利用效率。因此，土地整治工程结束初期，项目区的生境质量相比于整治前有了较大幅度提高。整治工程结束后，项目区土地投入使用，土地在使用过程中，会有少量经整治由盐碱地转变为耕地的土地在使用过程中重新盐碱化，导致了项目区生境质量的降低。但土地整治项目后期的维护工作会对转化为盐碱地的耕地进行重新改良，增施有机肥，治盐和培肥相结合，再次改善项目区的生境质量。

4 讨 论

土地整治通过改变土地利用类型和土地利用格局影响项目区的生境质量。不同土地利用类型提供适宜个体与种群持续发展生存条件的能力有所差异；土地利用类型在空间上的配置不同，其生境质量得分也并不相同。另外，土地整治实施过程中对周边土地利用的扰动也会对项目区的生境质量产生影响。在大力推进生态文明建设的背景下，研究土地整治对生境质量的影响对生物多样性及生态环境的保护工作具有重要意义。

生境质量评价是InVEST模型支持服务模块中的一个重要的子模块。InVEST模型在空间表达、动态研究及生物量评估方面的优势改善了传统生态系统服务价值评估方法的缺陷，但模型本身仍存在不足之处。比如，在进行生境质量估算时，通过累加各胁迫因子对生境质量的影响估算项目区生境质量，但各胁迫因子对生境质量影响的简单累加并不完全等同于各胁迫因子对生境质量的综合影响，模型在应用过程中仍需进一步完善。另外，本研究仅从土地整治对土地利用方式的改变和土地利用格局优化的角度探讨了土地整治对生境质量的影响，未考虑土地利用类型内部植被生长情况对项目区生境质量的影响。下一步研究在野外采样、实际调研的基础上，综合考虑植被生长情况和土地整治方案等，分析土地整治对项目区生境质量及其他生态系统功能的长期影响。

5 结 论

1）耕地、盐碱地和草地是项目区的主要土地利用类型。经土地整治，大量的盐碱地和草地转变为耕地。整治后，耕地面积占项目区总面积的比例由整治前的14.43%上升到71.19%，项目区的景观破碎化程度明显降低。

2）土地整治前-整治中-整治后，生境质量得分分别是0.194、0.189和0.214，生境质量呈现先下降后上升的趋势，整治后的生境质量明显高于整治前和整治中。

3）整治后0～6 a内的生境质量均优于整治前；土地整治完成后生境质量经历了先下降后上升的过程。土地整治工程结束0～4 a内生境质量不断下降；在整治完成3～4 a时，整治后的生境质量与整治前相比提升值最低，仅有0.06左右；整治完成4 a之后，生境质量开始逐渐好转。整治完成3～4 a生境质量下降的主要原因是整治后的耕地在使用过程中重新盐碱化，因此，需要强化土地整治项目后期的维护工作以促进生境质量的提升。

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Evaluation on effect of land consolidation on habitat quality based on InVEST model

Zhong Lina1,2,Wang Jun2※
(1. School of Land Science and Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2. Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation,Ministry of Land and Resources,Beijing 100035,China)

Land consolidation is a process of re-organization and re-optimization of land resource and its utilization. The change of land resource and its utilization has a profound influence on the circulation process of material flow and energy flow between habitat patches,thus changing the quality and distribution pattern of the regional habitat. Da’an City is located in the Songnen Plain,which is flat,and rich in cultivated land reserve resources and water resources,and is one of the most potential areas of agricultural development in China. This paper took the land consolidation major project area of Da’an City as an example,and analyzed the influence of land consolidation on habitat quality based on the model of InVEST(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs). The data used in the study was the 1:10000 land use map of the land consolidation project area in 2008,2011 and 2014,which represented the time before,during and after the land consolidation. Based on the ArcGIS 10.0 software,the land use vector data were output as the raster data of 30 m×30 m,which were used as the evaluation unit of the habitat quality of the project area. The results showed that:1) Cultivated land,saline alkali land and grassland were the main land use types in the project area. After land consolidation,a large amount of saline alkali land was converted into arable land,and the proportion of arable land area in the total area of the project increased from 14.43% to 71.19%. The degree of landscape fragmentation was significantly decreased after land consolidation. 2) The overall habitat quality of Da’an land consolidation project area was poor. The area of which the habitat quality score was between 0 and 0.1 accounted for 54.62%-72.03% of the land consolidation project area. The main reason for this phenomenon was that for the land use types whose habitat quality was higher,such as woodland and grassland,their areas were small and the distributions were dispersed;the areas of cultivated land and saline alkali land were larger,but the habitat quality of the 2 kinds of land use types was lower. 3) Before land consolidation,the score of habitat quality was 0.194;the score of habitat quality was reduced to 0.189 during land consolidation,and was increased to 0.214 after land consolidation. Before,during and after the land consolidation,the habitat quality showed a trend of first decreasing and then increasing. Saline alkali land is one of the threat factors of habitat quality,and its area in the former project area was large,which has a negative impact on the quality of the whole project area. The disturbance of human during the land consolidation project has reduced the habitat quality of the project area. After land consolidation,the score of habitat quality was increased to 0.214. The main reason was that the land use pattern has been optimized owing to land consolidation. At the same time,a large increase in arable land has made the grain production capacity of the project area increase significantly. 4) Overall,the land consolidation project has improved the habitat quality of the project area,but the habitat quality score has experienced a process of first decrease and then increase. In the 3-4 years after land consolidation,the quality of the habitat was the lowest since land consolidation completed,and it was only 0.06 higher than that before land consolidation. And then the quality of the habitat began to improve gradually. After land consolidation,there would be a small amount of arable land changed to saline land again,so the habitat quality of the project area decreased. However,the maintenance work would improve these saline alkali land and change them to arable land,so the quality of the habitat would rise again.

land use;models;land consolidation;habitat quality;effect;InVEST model

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.034

X826

A

1002-6819(2017)-01-0250-06

钟莉娜，王 军. 基于InVEST模型评估土地整治对生境质量的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(1)：250－255.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.034 http://www.tcsae.org

Zhong Lina,Wang Jun.Evaluation on effect of land consolidation on habitat quality based on InVEST model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):250－255.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.034 http://www.tcsae.org

2016-06-02

2016-10-18

国家自然科学基金（41171152）

钟莉娜，博士生，主要研究方向为景观生态和土地整治。北京 中国地质大学（北京）土地科学技术学院，100083。Email：zhong_lina@163.com

※通信作者：王 军，博士，研究员，主要从事景观生态学、土地可持续利用与土地整治研究。北京 国土资源部土地整治中心土地整治重点实验室，100035。Email：wangjun@lcrc.org.cn