基于CA-Markov和InVEST模型的土地利用变化对生境影响评价<br/>——以福建省福州新区为例

基于CA-Markov和InVEST模型的土地利用变化对生境影响评价
——以福建省福州新区为例

2019-06-14戴文远黄万里胡航箫

水土保持通报 2019年6期

黄康, 戴文远,3, 黄万里,3, 欧惠, 胡航箫

(1.福建师范大学地理科学学院, 福建福州 350007; 2.福建师范大学地理研究所, 福建福州 350007;3.福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室, 福建福州 350007)

土地利用变化是在经济社会变革和创新驱动下，与经济社会发展阶段转型相适应的区域土地利用格局变化的过程。随着城镇化进程的快速发展，土地利用变化一直是全球变化与可持续发展研究的热点之一[1-3]。在自然和人为等多方面驱动因素的综合影响下土地利用发生变化，反之，土地利用变化也对生态系统中的物质交换与能量循环产生重要影响，进而影响生境质量和生态变化过程，最终改变生态系统的结构与功能[4]。因此，深入研究土地利用变化对生境质量的影响，对分析区域生态环境，促进区域可持续发展具有重要的意义。近年来生境质量评价多采用模型的方法[5-7]，其中采用最广的是由美国斯坦福大学和世界自然基金会等机构研发的一种可以量化多种生态系统服务的InVEST模型，该模型具有数据需求量相对较小，结果可视化等特点。褚琳等[8]利用InVEST模型对2000—2010年辽宁省海岸带景观格局与生境质量变化进行了研究并分析了引起变化的原因。郑宇等[9]采用InVEST模型分析昌黎县土地利用及景观格局的变化对生境质量产生的影响，但多数研究都只针对于研究区过去和现在的生境质量进行评价，对未来情况预测的研究较少。而CA-Markov模型[10-11]可以对未来的土地利用格局进行预测，通过将CA模型[12-13]和Markov模型[14]有机结合，既可以提高预测的精度，又可以更好地模拟土地利用格局的空间变化。井云清[15]等、吴晶晶[11]等运用CA-Markov模型分别对艾比湖湿地自然保护区和乌江下游地区的土地利用/覆被变化及预测进行了分析。但目前运用CA-Markov模型对土地利用变化模拟预测的研究多集中在较大区域尺度，而在中小区域尺度范围内的研究较少。因此，本文以福建省福州新区为例，将CA-Markov模型的模拟预测能力以及InVEST模型的生境质量分析能力相结合，针对中尺度区域实现对生境质量变化与预测的研究。

国家级新区——福州新区既是推进福州大都市区向东面海发展的关键一环，又是两岸交流合作的重要承载区、扩大对外开放重要门户、东南沿海重要现代产业基地、改革创新示范区和生态文明先行区。根据《福州新区发展规划》(初稿)，福州新区应坚持绿色发展理念，充分利用区内的生态优势，走新型城镇化的道路，建设生态宜居型新城区。但在新区发展过程中，无法避免的会造成生态用地的破坏以及生境质量的下降。因此，本文首先利用CA-Markov模型对福州新区内各土地利用类型的变化进行模拟和预测，深入分析其土地利用变化规律；其次通过InVEST模型对过去、现在和未来的生境质量进行评价，分析土地利用变化对生境产生的影响，为福州新区今后的发展建设提供科学依据。

1 研究区概况

福州新区于2015年经国务院批复成立，2016年被进一步确立为大众创业万众创新示范基地。该区位于福州市滨海地区，地理坐标介于119°13′12″—119°42′47″E，25°20′41″—26°8′11″N，与台湾北部隔海相望，对台优势明显。初期规划范围包括马尾区、仓山区、长乐区、福清市的部分区域，共涉及30个乡镇街道，规划面积800 km2。新区属典型的亚热带海洋性季风气候，区内自然生态环境条件优越，景观独特，森林覆盖率高，土壤肥沃，湿地资源丰富，海域辽阔，海岸线绵长，拥有江阴、松下等深水良港以及广阔的潮间滩涂，具有综合开发潜力。福州新区地处长三角与珠三角之间，区位条件优越，不仅是福州大都市发展新的经济增长极，而且在深化对台交流合作方面具有重要的战略地位。福州新区近年来各项建设快速展开，城镇化发展很快，在人类活动强烈的干扰下，土地利用变化显著，对区内生态环境产生深刻影响。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究的土地利用数据来源于地理空间数据云2000年Landsat_ETM+和2015年Landat_OLI影像，分辨率为15 m×15 m。应用ENVI 5.0对两期影像进行几何校正，并在ecognition软件支持下对其进行监督分类。参照全国土地利用分类体系(GB/T21010-2017)并根据研究区域的景观特征，把研究区域的土地利用类型划分为耕地、林地、草地、建设用地、水域、海域、未利用地等7类。最后结合人工目视解译，对数据进行查错和修改，并利用Google Earth软件进行精度的检验，两期遥感影像解译精度均在83%以上，分类精度达到要求，结合研究区实际情况建立了土地利用二级分类体系(表1)。

表1 研究区土地利用分类体系

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用动态变化的空间分析模型传统的单一土地利用动态度模型和综合土地利用动态度模型都只考虑了一种土地利用类型转换为另一种土地利用类型的单向变化过程，并没有考虑到由其它土地类型转变为该类型的变化过程。因此本研究利用刘盛和等[16]提出的土地利用变化的空间分析模型，其计算公式为：

TRLi=(LA(i,t1)-ULAi)/LA(i,t1)/(t2-t1)×100%

(1)

IRLi=(LA(i,t2)-ULAi)/LA(i,t1)/(t2-t1)×100%

(2)

CCLi={(LA(i,t2)-ULAi)+(LA(i,t1)-ULAi)}/

LA(i,t1)/(t2-t1)×100%=TRLi+IRLi

(3)

式中：TRLi， IRLi， CCLi——第i种土地利用类型在t1至t2期间的转移速率、新增速率和变化速率； LA(i,t1)， LA(i,t2)——t1和t2时刻的第i种土地利用类型的面积； ULAi——研究期内第i种土地利用类型未变化部分的面积；t1，t2——研究初期和末期的时间。

根据各土地利用类型面积增加或减少将其划分为扩张型和衰减型，结合各土地利用类型转移速率与新增速率对比，进一步将其划分为高速型、中速型和低速型。综合考虑两种划分方式，对其进行排列组合共可产生6种类型，其计算公式与划分方式(表2)为：

M=│Ti-Ni│/max(Ti,Ni)

(4)

式中：M——土地利用类型的变化类型的定量表示；Ti——第i种土地利用类型的转移速率；Ni——第i种土地利用类型的新增速率。

表2 土地利用变化类型划分

2.2.2 CA-Markov模型

(1) CA模型主要由空间、元胞、邻域和转化规则4个要素组成。在传统的土地利用CA模型中，时间、空间和状态被认为是离散的[17]。每个栅格都代表着一个元胞，每个元胞都代表着各自特定的状态即土地利用类型，并且每一个元胞的状态都会随着邻域状态和转化规则的变化而变化，CA模型可表达为：

S(t+1)=f[S(t),N]

(5)

式中：S——元胞空间即元胞有限、离散状态的集合；f——元胞状态的转换规则函数；N——每个元胞的邻域；t+1，t——两个不同的时刻。

(2) 马尔科夫预测是一种具有“无后效应”的随机过程，即状态转移概率仅与转移时的状态、转移步数、转移后的状态有关，而与转移前的时刻无关。由于土地利用变化也具有类似马尔科夫过程的性质，因此被广泛应用于预测土地利用的动态变化[18]。其模拟土地利用变化的计算公式为：

S(t+1)=Pij×S(t)

(6)

式中：S(t+1)，S(t)——t+1时刻和t时刻的土地利用系统的状态；Pij——状态转移概率矩阵。

(3) CA-Markov模型可以有机结合Markov模型长时间序列模拟预测的优势和CA模型在模拟空间变化的优势，可以较好地在数量和空间上对土地利用变化的时空格局进行模拟和预测[19]。在IDRISI软件的支持下，利用转移概率矩阵和转换适宜性图集实现模型的运算，并构建5×5的滤波器。CA滤波器通过确定元胞的邻域创建具有显著空间意义的权重因子，使其作用于元胞从而确定其状态的改变。以2000年为基期年，迭代次数设为15次，得到2015年模拟的土地利用格局，并对其进行Kappa系数检验。最后再以2015年为基期年，迭代次数设为15次，最终得到2030年模拟的土地利用格局。

2.2.3 InVEST生境质量模型 InVEST生境质量模型中定义生境为“通过给定的有机体为生命体提供资源和生存及繁育条件的空间[20]”。该模型是通过建立威胁源与生境质量之间的联系，综合考虑威胁的相对影响(权重)、生境栅格与威胁之间的距离、栅格受法律保护的程度以及每一种生境类型对每一种威胁的相对敏感性等因素，计算威胁源对生境质量的负面影响，得到研究区域的生境退化程度与生境质量。具体计算过程为：

(7)

式中：R——威胁因子；y——威胁因子r栅格图层的栅格数；Yr——威胁因子所占栅格数；ωr——威胁因子权重；ry——栅格y的威胁因子值(0或1)；irxy——栅格y的威胁因子值ry对生境栅格x的威胁水平；βx——栅格x的可达性水平取值0～1； 1表示极易达到，Sjr——生境类型j对威胁因子r的敏感程度；irxy通过下式得到:

(8)

(9)

式中：dxy——栅格x与栅格y之间的直线距离；drmax——威胁因子r的最大影响距离。

(10)

式中：Hj——地类j的生境适宜度；Dxj——地类j中栅格x的生境退化度；k——半饱和常数，即退化度最大值的1/2；z——模型默认参数。

运行生境质量模型需要的主要参数包括威胁因子影响的距离及其权重、生境对各威胁因子的适宜度和敏感性。根据模型推荐的参考值和研究区实际情况，将对自然环境影响程度较大的人工用地(建设用地)和半人工用地(耕地)作为威胁因子，其影响范围和权重按照人类活动对自然环境影响程度，即人工用地>半人工用地进行赋值(表3)。参考InVEST模型的实例并结合Foresman[21]、肖明[22]、巩杰[23]、吴季秋[24]等学者的研究，对各生境类型对威胁因子的适宜度与敏感性进行赋值(表4)。

表3 威胁因子的最大影响距离及其权重

表4 不同生境类型对不同威胁因子的敏感度

3 结果与分析

3.1 土地利用动态演变

根据土地利用变化空间分析模型对福州新区2000—2015年的土地利用变化程度的测算和变化类型划分的结果(表5—6)可以看出： ①15 a间福州新区耕地的转移面积最大，达7 047.27 hm2，占区域总体转移面积的37.49%，是其他土地利用类型新增部分的主要来源。转移速度明显快于其他土地利用类型，接近其新增速度的3倍，且耕地的转移速率远大于其新增速率，属于中速衰减型。但是由于耕地的基期面积在所有类型中最大，导致其变化速率以及转移速率并不高。 ②建设用地的新增速度和速率在所有土地利用类型中都是最快的，其新增面积同样也是最大的，且新增速率远大于转移速率，属于高速扩张型。在研究期内，建设用地的新增面积占区域总体新增面积的61.52%，可见福州新区在15 a内经历了较为剧烈的建设用地扩张。 ③未利用地是福州新区内变化最为剧烈的地类，其变化比例高达49.23%，远高于其他土地利用类型。在研究期内，未利用地的转移速率最快且新增速率仅次于建设用地，从而导致其转移面积与新增面积相当，说明新区内对未利用地的使用和闲置程度都较高。 ④除林地和水域属于中速衰减型外，草地和海域分别均属于低速衰减型，其转移速度和速率一般大于其同期的新增速度与速率，净地面积在减少。其中林地和水域的衰减趋势较为明显，在转移速率为1.34%和1.86%的同时新增速率只有0.37%和0.64%。

表5 福州新区2000-2015年土地利用动态变化率

表6 福州新区2000-2015年各类用地变化类型

注：M为土地利用类型的变化类型的定量表示。

3.2 CA-Markov预测结果

为提高CA-Markov模型的预测精度，本研究采用土地利用分类中的二级地类进行模拟预测，运用IDRISI模型中的Crosstab模块对模拟结果与实际结果进行Kappa系数检验。其计算公式为：

Kappa=(Po-Pc)/(Pp-Pc)

(11)

式中：Po——正确模拟的比例；Pp——理想分类情况下的正确模拟比例；Pc——随机情况下期望的正确模拟比例。通常，当Kappa≥0.75时，则说明模拟精度较高；当0.4≤Kappa≤0.75时，模拟精度一般；当Kappa≤0.4时，则精度较差。将2000年土地利用现状图与模拟结果进行对比，得到模拟结果对比数据(表7)。由模拟结果可知，968 637个栅格得到正确模拟，占总栅格数量的92.51%。2015年模拟值与实际值的总体Kappa系数达到0.957 2，远大于0.75，并且各土地利用类型的Kappa系数均大于0.75。表明两者一致性较高，变化相对较小，模拟结果可信。据此，本研究进一步模拟研究区2030年土地利用情况。

表7 福州新区2015年部分土地利用类型模拟Kappa系数

3.3 生境质量的时空演变特征

基于CA-Markov和InVEST模型得到研究区2000，2015和2030年的生境质量时空分布。生境质量指数在栅格图层中是以0～1之间连续变化的值来体现，其值越接近1，则生境质量越好，越有利于生物多样性的维持。为更好地比较研究区土地利用变化对生境质量的影响，将3期生境质量指数运算结果等距划分为低(0～0.2)、较低(0.2～0.4)、中等(0.4～0.6)、较高(0.6～0.8)和高(0.8～1)5个级别，分别统计3期各等级生境质量栅格数及其所占百分比(图1，表8)。结果表明： ①在时间上，研究区2000—2030年生境质量明显下降。其中，2000年生境质量最好，中等及以上生境占62.33%，且低等级生境仅占17.50%。至2015年，中等及以上生境占比降至56.07%，虽然较低等级生境占比有所上升，但低等级生境占比显著上升至29.48%。至2030年，生境质量进一步下降，低等级生境占比上升至41.23，而较低等级生境骤降为0，主要向低等级和中等级生境转移。虽然2030年中等及以上生境占比达58.57%，较2015年有所上升，但不可忽视的是低等级生境占比增加了11.94%和高等级生境占比减少了6.45%。以上变化表明，2000—2030年研究区生境质量明显退化，从土地利用及其转移变化来看，其主要原因为2000—2030年建设用地和未利用地等生境适宜度较低的地类面积大大增加，而研究区内面积最大的耕地和生境适宜度较高的林地以及水体面积大量减少。 ②在空间上，研究区生境质量整体体现出由西北向东南逐渐递增的趋势。其中，北部地区生境退化较为严重，主要分布在马尾镇和城门镇地区，上述地区与福州市中心紧密相连，主要受福州市中心建设用地向外扩张的影响；其次为琅岐开发区，其位于闽江入海口处，2000—2015年生境退化并不显著，至2030年，琅岐开发区建设用地环岛扩张趋势明显，同时影响闽江入海口处生境质量。中部地区以长乐机场向外扩散生境质量逐年降低，以低等和中等为主。虽然文武砂水库保持着高等级的生境质量，但由于福州滨海新城东湖VR小镇的建设导致其周边生境质量已达到低等级。南部变化较为缓和，主要以江阴国际集装箱码头为中心向外扩张以及侵占沿海滩涂和浅海水域导致生境质量逐年下降；江镜镇人工环境侵占相对较少仍然保持着高等级的生境质量；而高山镇和东瀚镇内分布着众多丘陵，低生境分布较为零星，且根据预测结果，该地区中部分草地及耕地转换为林地，生境质量有所上升。

图1 福州新区生境质量空间分布(2000-2030年)

表8 福州新区2000-2030年不同等级生境质量比例

等级生境质量2000年栅格数/104所占比例/%2015年栅格数/104所占比例/%2030年栅格数/104所占比例/%低等0～0.218.327 317.5030.869 829.4843.375 441.43较低等0.2～0.422.046 721.0617.760 416.9600中等0.4～0.625.847 024.6924.710 523.6036.833 935.18较高等0.6～0.80.768 60.730.653 60.620.538 30.51高等0.8～137.713 536.0230.708 829.3323.955 522.88

3.4 生境质量变化原因分析

从上述分析可以看出，研究区2000—2030年生境质量呈明显地下降趋势。从土地利用的角度来看，研究区内主要的变化特征为建设用地的高速扩张以及生境质量较高的林地和水域的大量减少，草地和滩涂等中等生境适宜度的地类也有一定程度的减少。作为研究区生境质量威胁源的建设用地在研究期间急剧增长，特别是以长乐机场周边扩张最为剧烈，不断侵占生境适宜度较高的林地、水域、滩涂和草地，从而导致威胁源的面积不断增加，其影响范围也不断扩张，导致研究区生境质量不断下降。从地形的角度来看，福州新区背山面海，地形较为平坦，最高海拔仅为384 m，研究区内仅有北部的罗星街道和亭江镇交界处、琅岐开发区，中部的松下镇以及南部的东瀚镇内有少量丘陵地区。就地形而言其建设用地开发难度较小，不加以限制易造成无序扩张的状态，而丘陵地区由于人类活动对其影响较小，因此一直保持着较高的生境质量。从生境质量的空间分布来看，生境质量指数在0.6以上的区域主要分布在北部的闽江河口，中部的文武砂水库，南部的江镜镇沿海地区以及东瀚镇的丘陵地区，闽江河口和文武砂水库为福州市重要的湿地区域，特别是闽江口国家湿地公园，自然环境优越，是我国候鸟迁徙重要越冬地，生物多样性丰富，同时政府十分重视对上述区域的生态保护，因此具有较高的生境质量。

4 讨论

本文将福州新区未来土地利用变化模拟预测结果与《福州新区总体规划(2015—2030年)》的远景用地布局规划(以下简称“2030年用地规划”)进行对比(图2)，分析模拟预测结果与规划之间的差异。结果表明，预测的2030年建设用地在空间分布上与2030年用地规划基本相同，但在面积上存在一定的差距。2030年用地规划显示规划建设用地面积将达41 398.31 hm2，占研究区总面积高达43.93%，而本研究预测的建设用地面积为31 169.21 hm2，二者相差11.83%，相当于2015年新区内所有林地的面积。按此规划，2015—2030年建设用地增长速度将高达1 162.52 hm/a，远远大于2000—2015年的建设用地增长速度。同时，研究区北部拥有长乐海蚌省级自然保护区和文武砂水库，生态价值重要，按照2030年用地规划将对其生境造成严重影响。其次，新区内由于各类建设用地的扩张，将导致生境质量明显下降，除河流海域等地类以外，2030年大部分区域生境质量均在中等级以下范围。因此，为对新区的生态环境进行保育，避免生境质量向更严重的情况退化，建议将2030年用地规划中的建设用地边界作为限制建设区边界，将预测结果作为允许建设区边界，提高建设用地的集约利用程度，以期达到经济、社会和生态效益的综合提高，建设生态型新城区。