基于InVEST模型的未利用地开发前后生境质量评价*——以唐县为例

陈雅倩，赵 丽，陶金源，张蓬涛

(河北农业大学国土资源学院 保定 071000)

生境质量指环境(自然环境)为个体和种群的持续生存与发展提供适宜条件的能力，生境质量的优劣决定人类与自然及其他种群的可持续发展与和谐发展[1]。目前，生境质量由于人类活动的影响而不断受到威胁，因此，评估生境质量现状及变化趋势对研究生物多样性及其保护工作尤其重要。王玉等[2]采用SolVES 模型对湿地森林公园的生态系统服务价值进行研究，从而评估出不同服务的社会价值重要性为美学＞历史＞生物多样性＞娱乐＞文化＞康体健身；孟庆林等[3]运用HSI 模型，对吉林省东部地区生境质量进行评价，并分析了变化原因，得出土地覆被变化是导致生境质量变化的主要原因；刘园等[4]基于InVEST 模型，研究长江中下游经济带生境质量时空分异特征及地形梯度效应，得出1995—2015年平均生境质量下降，且随地形梯度的上升，高等级生境质量面积增加。运用数字模型评价虽然存在一些局限性，如SolVES 模型中的问卷调查涉及不同受访者的理解程度[3]；HSI 模型通常需要假设物种与环境之间存在线性关系[5]；InVEST 模型在评估生境质量时，根据研究区域的不同，要设置不同的参数。但相对于通过野外数据测量的方法来说，运用模型评价优势明显，其操作简单快捷，不需要进行野外实地测量来获取数据，因此被广泛运用。目前最为常用的是InVEST 模型(Integrated Valuation of Environmental Services and Tradeoffs)，它由美国斯坦福大学、大自然保护协会和世界自然基金会联合开发，InVEST 模型对数据量的需求较低，并且其计算结果空间可视化较强、评估精度较高，能够反映出不同景观格局下的生境分布情况[6]。因此本文参考相关文献资料并对研究区进行充分调研基础上，设置合理参数，选用InVEST 模型对生境质量进行评价。

随着我国经济的快速发展，建设用地与耕地占补平衡的矛盾日益加剧，未利用地作为重要的土地后备资源，对其进行开发已经成为解决土地需求的一种重要途径。然而，土地开发改变土地利用方式，因此对生境斑块之间的物质流、能量流的循环过程产生影响，继而对生境质量和分布格局产生影响[7-8]。在未利用地开发过程中，人们的首要目的是增加可用土地面积，近期利益的吸引导致许多不合理的开发，从而引发许多生态问题，使得生境退化、生境质量下降。因此，探讨未利用地开发对生境质量的影响，对生物多样性保护及生态系统平衡具有重要意义。近年来，国内外学者针对未利用地开发适宜性评价、开发潜力、分区等进行了大量研究。如Fitzsimons等[9]、Afshari 等[10]、韦仕川等[11]对未利用地开发适宜性进行评价，分别得出各研究区域的开发模式，为土地优化和整治提供依据；曾庆敏等[12]通过构建指标体系，对新疆阜康市未利用地进行评价，得出5 级未利用地适宜开发潜力区的空间分布情况，从而为阜康市未利用地的开发利用提供参考；朱成立等[13]以江苏省未利用地中的其他草地和沿海滩涂为研究对象，分析开发限制因素，从不同的方向研究了土壤改良措施，从而对江苏省2 种主要宜农未利用地开垦提出了工程、农艺和生化措施来改良土壤；彭建等[14]、潘翔等[15]对低丘缓坡等未利用地建设开发生态风险进行评价，按照开发适宜性和风险程度，划分出了不同的开发级别。总体来看，现有文献多是对未利用地开发前的研究，几乎没有针对未利用地开发前后的生境质量变化研究。本文以河北省唐县为例，运用InVEST 模型，分析未利用地开发前后生境质量的时空演变，以期为未利用地开发工作中生物多样性的保护以及土地规划的制定提供科学依据，从而更好地实现土地的永续发展。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

唐县隶属于河北省保定市，地处河北省中部，38°37′～39°09′N，114°27′～115°03′E，海拔在41～1 840 m，东与顺平县、望都县相邻，南靠定州市，西与曲阳县、阜平县相接，北与涞源县毗邻。唐县土地总面积为1 414.21 km2，地势西北高、东南低，属于典型的低山丘陵区，山地面积为1 159.65 km2，占唐县总面积的82%。唐县属暖温带大陆性季风气候，四季分明，气候宜人，年平均降水量和年均蒸发量分别为575 mm、1 521 mm。境内水系包括清水河、唐河等。截至2016年底，唐县下辖7 个镇、13 个乡、345个行政村，总人口60.26 万(图1)。

图1 唐县地理位置及高程图Fig.1 Position and elevation map of Tang County

唐县2000年未利用地面积为81 900.39 hm²，占全县面积的63.81%，是占比最大的土地利用类型。其中，未利用地包括荒草地、裸岩石砾地、田坎、沙地、沼泽地及其他未利用地，荒草地面积为60 453.45 hm2，占全县未利用地面积的73.81%，在全县大量分布，裸岩石砾地、田坎、沙地、沼泽地及其他未利用地分别占21.49%、4.42%、0.12%、0.02%和0.14%。

1.2 数据来源

本研究3 期(2000年、2007年、2016年)土地利用数据来源于地理空间数据云(http：//www.gscloud.cn/)中空间分辨率为30 m 的Landsat 系列数据产品，影像轨道编号为124/33。对不同用地类型进行监督分类，获取唐县未利用地开发前后的3 期土地利用图，具体划分为耕地、林地、草地、城镇和农村居民点用地、交通用地、水域和未利用地7 种地类，分类的精度采用Kappa 系数检测，各期该系数值均在0.80 以上，满足分类精度要求。本文以栅格作为基本单位进行生境质量的评价。

2 研究方法

2.1 土地利用变化分析

基于ArcGIS 10.2 软件平台提取唐县2000年未利用地矢量数据，并用其对2007年和2016年的现状图进行裁剪，从而得到研究区未利用地开发前后土地利用现状图。将唐县未利用地开发前(2000年)、开发后(2007年和2016年)分辨率为30 m 的3 期土地利用数据分别进行叠加，从而获得开发前后的土地利用转移矩阵，对未利用地开发后的土地利用类型构成与来源进行分析。

通常，景观中的斑块大小、连通性及景观多样性等对生物多样性及各种生态过程都有重要影响，基于Fragstats 3.3 软件，根据相关学者的研究[16-18]，选择常用的景观格局指数进行分析。类型水平和景观水平的指数[19-21]分别包括：斑块面积所占景观百分比(MPS)、最大斑块指数(LPI)、平均斑块面积(AREA_MN)和斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、均匀度指数(SHEI)、多样性指数(SHDI)，各指数含义见表1。这些指数能在一定程度上反映景观格局的数量、面积等空间构型特征以及景观的异质性、优势性和破碎化程度，从而进一步研究唐县未利用地开发前后的景观格局情况，更加深入探讨土地利用景观格局变化与生境质量变化之间的关系。

2.2 基于InVEST 3.7.0 模型的生境质量评价方法

InVEST 模型是从生物多样性的角度对生境质量进行量化评估[22-23]。其模型中生境质量可以通过评估某一地区各种生境类型或植被类型的范围和这些类型各自的退化程度来表达。模型使用威胁数据图层来评估不同土地利用类型的退化程度，其中，威胁数据图层包括：①每种威胁的相对影响；②生境栅格与威胁之间的距离、威胁所带来的影响；③栅格单元受到的法律保护程度；④每种生境类型对每种威胁的相对敏感性。基于以上4 个威胁数据图层，计算出生境类型j中栅格x的总威胁水平Dxj，采用半饱和函数将一个栅格单元退化分值解译成生境质量得分值，即Qxj。具体计算公式如下：

式中：j为生境类型，x为不同的栅格，Qxj为j生境栅格x的生境质量，Hj为生境适宜性，为j生境栅格x的总威胁水平，k为半饱和参数。Dxj的计算公式如式(2)，z值一般默认取2.5[24]。生境质量得分最高为1，最低为0。

表1 景观指数及其生态学含义Table1 Landscape indexes and their ecological meaning

式中：r为威胁源，R为威胁源总个数，y为威胁源r栅格中的所有栅格数，Yr为威胁源r栅格图上的一组栅格，ωr为威胁源的权重，ry为栅格y的威胁因子值，irxy为栅格y的威胁源ry对生境栅格x的威胁水平，βx为栅格x的可达性水平(即法律保护程度)，Sjr为生境类型j对威胁源r 的敏感程度。其中，irxy的计算公式为：

式中：dmax为威胁源r的最大影响距离，dxy为栅格x到栅格y之间的直线距离。

有学者在《解放战争时期解放区的师范教育》中对解放战争时期师范教育进行了一定的研究。解放战争时期解放区的师范教育和其他各项教育事业一样，完成了由战时教育向正规教育的转变。抗日战争结束后，国共两党和平谈判期间，人们以为从此中国就走上了和平民主的新阶段，因而各解放区先后提出了实行教育正规化的问题。即要制定统一的、正规的教育制度，要努力提高教育质量，在重视政治思想教育的同时，加强文化课的教学。为此，各解放区对师范教育提出了新的要求，并把师范教育放在更加重要的位置上。

本研究参照吴建生等[25]、杨志鹏等[26]、巩杰等[27]的研究，考虑到建设用地是所有土地利用类型中人类活动较为集中的地类，而生境质量演变又主要受到人类活动的胁迫，人类改造地表的活动及建设用地的扩张会造成生态的污染及破坏，从而对生物多样性及生境质量带来较大的威胁，因此选取的威胁源为交通用地、城镇和农村居民点的矢量数据，并以该模型推荐的数值[24]及研究区实际情况作为依据，对这两类威胁源的影响权重和最大影响距离进行赋值(表2)。结合相关文献[17，28-29]，从而确定模型运行所需要的各土地利用类型的生境质量得分和其对威胁源的敏感性程度(表3)。

3 结果与分析

3.1 唐县未利用地开发前后土地利用变化

未利用地开发前后(2000—2016年)，研究区土地覆被发生了较为明显的变化，草地、林地和耕地是唐县未利用地开发后主要的土地类型。2000年未利用地面积为81 900.39 hm2。相较于2000年，2007年未利用地面积大量减少，主要是转为草地、林地和耕地，转化比率分别为 17.72%、14.01%和11.34%。2007—2016年间，草地、林地和水域面积不断增多，而未利用地面积呈现持续减少状态；具体来讲，未利用地有46.54%(19 805.30 hm2)保持稳定，28.22%(12 009.15 hm2)转为草地，13.96% (5 940.74 hm2)转为林地，7.08%(3 012.93 hm2)转为耕地，0.17%(72.34 hm2)转为水域；草地的转入来源主要是未利用地和耕地，水域的转入来源主要是交通用地、城镇和农村居民点用地，研究区域的土地利用转移矩阵如表4所示。总体来讲，2000—2016年，唐县未利用地开发后土地利用变化特点是未利用地逐渐减少，草地、林地和耕地等土地利用类型增加。

表2 威胁源的最大影响距离、权重和空间衰退类型Table2 Maximum distance of influence，weight and type of decay over space of threat factors

表3 不同土地利用类型生境适宜度及其对各威胁源的敏感度Table3 Habitat suitability and sensitivity to various threat sources of different land use types

2000—2016年期间未利用地变化较大的原因，一方面，经济发展与耕地保护的矛盾加快对未利用地的开发；另一方面，随着国家对生态环境保护的重视程度逐渐增加，未利用地主要开发为林地和草地。随着2008年国家“大规模实施土地整治”政策的提出，唐县白合镇、齐家佐乡、黄石口乡等乡镇实施了一系列土地开发整理项目，重点关注补充耕地数量、质量与生态三者的统一。受地形、土壤等自然条件影响，唐县未利用地开发的类型差异明显，南部主要为平原，地形较为平坦，未利用地主要开发为耕地、城镇与农村居民点用地，北部、中部为山地丘陵区，未利用地主要开发为林地和草地。

表4 唐县未利用地开发前(2000年)、开发后(2007年和2016年)土地利用转移矩阵Table4 Transfer matrix of land use before (2000) and after (2007 and 2016) exploitation of unused land in Tang County %

3.2 唐县未利用地开发前后土地利用景观格局变化

从景观格局的视角对未利用地开发前后的变化做进一步的探讨。从类型水平景观格局分析(表5)，未利用地开发前(2000年)，研究区最大斑块指数和平均斑块面积都较大，分别为95.94%和94.73 hm2。开发后(2007年、2016年)，未利用地的最大斑块指数、斑块所占景观面积比以及平均斑块面积都明显减小，表明对未利用地的开发较大，随着经济建设的发展，对土地的需求加大。林地最大斑块指数和斑块所占景观面积比增加，最大斑块指数由4.25%增加到4.97%，斑块所占景观面积比由14.00%增加到21.27%；草地的斑块所占景观面积比由17.72%增加到27.45%，说明研究区的优势景观发生改变。与2007年相比，2016年未利用地的斑块所占景观面积比显著减小 35.15%，林地和草地的斑块所占景观面积比增加值较多，分别增加 51.93%和54.91%，说明2007—2016年优势景观面积(林地、草地)持续增加，这主要是因为政府对生态环境保护的日益重视。林地、城镇和农村居民点、交通用地和未利用地这几种地类的平均斑块面积减小，表明这几种景观存在一定的破碎化及分散式开发利用的情况；平均斑块面积增加的土地利用类型是耕地、草地和水域。总的来看，威胁源及生境适宜性较差的地类破碎化程度加大，而生境适宜性较好的地类呈现出聚集效应。

表5 唐县未利用地开发前(2000年)、开发后(2007年和2016年)类型水平景观指数变化Table5 Landscape indexes changes at type level before (2000) and after (2007 and 2016) exploitation of unused land in Tang County

从景观水平景观格局角度进行分析(表6)，未利用地在开发前，均匀度指数和多样性指数均为0，未利用地开发后，均匀度指数和多样性指数增加，2007年分别为0.70 和1.35，2016年分别为0.78 和 1.52，说明各景观组分所占面积比例差异减小，由开发前单一地类(未利用地)开发为多种地类，并且未利用地面积持续减少，均匀度指数的增加说明景观生态系统稳定性提高。未利用地开发后，虽然斑块数量和斑块密度增加，其主要原因是完整的未利用地被开发为林地、草地等多种地类，从而呈现出一定的破碎化趋势。

表6 唐县未利用地开发前(2000年)、开发后(2007年和2016年)景观水平景观指数变化Table6 Landscape indexes changes at landscape level before (2000) and after (2007 and 2016) exploitation of unused land in Tang County

3.3 唐县未利用地开发前后生境质量时空演变

基于InVEST 模型的生境质量模块得到唐县未利用地开发前(2000年)、未利用地开发后(2007年、2016年)的生境质量空间分布。在ArcGIS 10.2 平台上运用自然间断分级法对生境质量进行分类，划分为5 个等级，分别是0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8 和0.8～1.0，分别对应低等、较低等、中等、较高等、高等生境质量，各等级生境比例及生境平均值见表7。

从时间角度来看，唐县未利用地开发前后，研究区生境质量总体水平较低。由表7可知未利用地开发前后(2000年、2007年、2016年)，生境质量得分分别为0.09、0.28 和0.39，整体生境质量呈上升的趋势，即未利用地开发后，生境质量较开发前有所上升。未利用地开发前(2000年)，生境质量得分均在0～0.2，处于低等级。未利用地开发后(2007年、2016年)，生境质量整体呈现上升趋势；2007年和2016年生境质量得分处于0～0.2 的土地面积比例明 显减少，分别减少为66.16%和49.07%，生境质量在0.2～0.4 和0.6～0.8 的土地面积比例较少，2007年分别为9.62%和0.38%，2016年分别为8.86%和0.42%，生境质量得分在0.4～0.6 和0.8～1.0 的土地面积比例增加，并且面积比例较大，2007年分别增加为12.79%和11.05%，2016年分别增加为24.04%和17.61%，说明唐县未利用地开发后生境质量上升。

表7 唐县未利用地开发前(2000年)、开发后(2007年和2016年)各等级生境比例及生境平均值Table7 Percentage of each habitat level and average value of habitat quality before (2000) and after (2007 and 2016) unused land exploitation in Tang County

从空间角度来看唐县中部和西北部的生境质量水平较高，黄石口乡南部、羊角乡北部和齐家佐乡生境质量较好，主要分值在0.8 以上，川里镇、军城镇和罗庄乡生境质量较低，主要分值在0.2 以下，还有一些生境质量得分较低值，零星分布于研究区，研究区域的其他地方生境处于一般水平。与未利用地开发前(2000年)相比，2007年和2016年的生境质量分值在0～0.2 的低质量生境斑块呈减少趋势(图2)。

图2 唐县未利用地开发前后生境质量空间分布图Fig.2 Spatial distribution of habitat quality before and after unused land exploitation in Tang County

3.4 唐县未利用地开发前后生境质量变化原因分析

从景观格局角度来看，未利用地斑块所占景观面积比逐年减少，平均斑块面积由开发前的94.73 hm2减少到开发后的6.15 hm2，林地、水域和草地所占景观面积比例增多，优势景观发生改变。2007—2016年，作为胁迫因子的交通用地的最大斑块指数由0.11 减少为0.03，城镇和农村居民点用地的最大斑块指数由0.59 减少为0.29，交通用地、城镇和农村居民点用地的面积虽然有所扩张，但是由于斑块数量的逐年增加，出现破碎化趋势，使得平均斑块面积也呈减少趋势，从而减弱了对生境的胁迫作用。未利用地开发后均匀度指数和多样性指数都呈增加趋势，表明景观类型逐渐呈现均衡化分布，生态系统稳定性提高。生境适宜性高的土地类型面积逐渐增加，生境适宜性差的未利用地面积急剧减少，从而形成开发后生境质量提升的现象。

生境质量高值区主要位于研究区中部和西北部的齐家佐乡、黄石口乡南部和羊角乡北部，齐家佐乡境内有著名的青虚山、西胜沟等自然景观，另外，黄石口乡是唐县的重点开发区域，根据宜农则农、宜林则林、综合开发的方向进行开发，政府对齐家佐乡和黄石口乡南部都进行过具体的开发项目分析，并因地制宜地实施土层加厚、水利设施建设等工程，填埋涵水功能好的壤土，实施过土地整治工程，从而改善区域生产条件、土壤质量、水土保持以及水源涵养的功能，植被覆盖率不断提高，生境质量处于较高水平。川里镇、军城镇和罗庄乡及南部区域生境质量较低，这些乡镇有多条省道通过，处于交通网连接处，南部有京昆高速过境，受到的威胁程度较大，生境质量较低。

4 讨论与结论

4.1 讨论

本文运用InVEST 模型研究了唐县未利用地开发前后(2000—2016年)生境质量变化情况，并结合土地利用变化和景观格局进行分析，揭示了未利用地开发对生境质量的影响。研究结果显示未利用地开发后生境质量较开发前有所提升，生境质量提高的原因主要是具有重要生态服务功能的林地面积的增加和低生境适宜性土地面积的减少，这与刘春芳等[17]、王燕等[30]、谢怡凡等[31]研究中关于生境质量提升的原因一致。但在巩杰等[27]对甘肃白龙江流域生境质量的研究中显示，1997—2002年，未利用地面积减少，但生境质量下降，这与本文研究结果不相符，其原因是建设用地增加的比例远大于未利用地减少的比例，而建设用地的快速扩张加剧了对研究区的胁迫作用，从而导致生境质量下降；本研究中未利用地面积减少，主要转化为林地和草地，故生境质量提高。分析未利用地开发前后的生境质量变化情况，可以为未来未利用地的开发提供参考，促进区域生境质量的提升。

2000年的未利用地生境质量与2007年、2016年的生境质量差距较大，其原因在于2000年的研究区域只有未利用地，未利用地本身的生境适宜性很低，另一方面是受到威胁源的胁迫作用，从而导致开发前生境质量较低，经开发后土地类型多样化，由于国家对生态环境保护的重视程度不断增加，发挥着重要生态服务功能的林地和草地面积明显增多，研究区优势景观发生改变，均匀度指数和多样性指数增加，生态系统稳定性提高，故2007年和2016年的生境质量显著提升。2007—2016年，随着2008年国家“大规模实施土地整治”政策的提出，唐县实施了一系列土地开发整理项目，未利用地面积持续减少，林地、草地及耕地面积增加，建设用地面积虽也有增加，但是其平均斑块面积减小，从而减弱了威胁作用，研究区生境质量不断提升。本文未利用地开发后生境质量虽然有所提升，但总体上处于中等偏低水平，其主要原因可能是开发前未利用地斑块较大且完整，经过开发后，斑块变小并呈现出一定的破碎化趋势。在今后进行土地规划或制定相关政策时，应该考虑到各土地利用类型的合理配置，并且尽量避免零散式开发，从而减少土地的破碎化程度，使生境质量得到优化。

本文仅从未利用地开发对土地利用方式的改变和景观格局变化的角度探讨了未利用地开发对生境质量的影响，没有考虑未利用地开发后对研究区造成的长期影响，下一步研究可以通过野外实际调研等方法，综合考虑研究区地势、土壤条件等，分析未利用地开发对研究区生境质量的长期影响。另外，还可以结合InVEST 模型中的其他模块(如碳储量等)，更加全面地评价未利用地开发所带来的影响。

4.2 结论

本研究通过分析唐县未利用地开发前后(2000—2016年)土地利用类型的时空变化特征、景观格局变化以及生境质量变化情况，从而揭示了唐县未利用地开发对生境质量的影响，得到以下几个结论：

1)经过土地开发，大量的未利用地得到转化，2000—2016年，未利用地面积从100%(以2000年未利用地面积为基数)下降到33.70%，开发方向主要是以林地、草地和耕地为主；耕地面积从 0 增加10.46%，发挥着重要生态服务功能的草地和林地面积从0 分别增加到27.43%和21.30%。

2)2000—2016年，唐县未利用地斑块所占景观面积比逐年减少，平均斑块面积由开发前的94.73 hm2减少到开发后的6.15 hm2，林地、水域和草地所占景观面积比例增多。未利用地开发前后均匀度指数和多样性指数都呈现增加趋势，各景观组分所占面积比例差异减小，生态系统稳定性提高。

3)唐县未利用地开发前后，3 期的生境质量得分分别为0.09、0.28 和0.39，生境质量呈现上升趋势。开发后的生境质量明显高于开发前的生境质量，其主要原因是生境适宜性较差的未利用地大量开发为其他生境适宜性较高的土地利用类型，比如林地、草地、耕地等，作为威胁源的交通用地和居民点用地面积虽然也有所增多，但增加比例相对较少，并且其平均斑块面积减小，减弱了对生境的胁迫作用，从而使研究区生境质量得到优化。