基于Invest模型的天等县生境质量研究

王小萍

(广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004)

1 引言

生境质量是指在一个特定的时空环境中，生态系统对社会经济与人类生存发展的适宜性程度，是生态环境的本质属性，也是其地域特征的一种表现形式[1，2]。随着现代化城镇的快速发展，土地利用类型不断发生变化，由此带来生物多样性锐减、生境质量下降、生态景观破碎化等问题。因此，结合“既要金山银山，也要绿水青山”的大背景，加强生境质量的研究对生物多样性的保护、生态网络格局的构建及生态系统服务功能具有重要的意义[3]。

2 研究区概况与数据源

2.1 研究区概况

本文的研究范围为广西壮族自治区天等县。天等县位于广西的西南部，隶属崇左市，东接隆安县、平果县，南接大新县，西接靖西县，西北靠德保县、北接田东县，位于北纬22°51′～23°22′，东经106°45′～107°23′，全县均在北回归线以南，辖区总面积为2165.45 km2，东西横距64 km，南北纵距63 km。天等县是国家层面的重点生态功能区，全县主要以山地丘陵为主，占全县面积的77.98%，地势呈西南高东北低，森林覆盖率达到62.25%。全境气候属于亚热带季风性气候，阳光充足，雨量充沛。在社会经济方面，天等县下辖6个镇、7个乡，即天等镇、龙茗镇、进结镇、向都镇、福新镇、东平镇、都康乡、驮堪乡、进远乡、上映乡、把荷乡、宁干乡、小山乡，总人口为45.4万人，生产总值实现61.89亿元，主要以第一产业和第二产业为主导。全县的自然资源较为丰富，拥有旅游景点30多处。

2.2 数据获取与处理

天等县土地利用类型数据来源于地理空间数据云平台的Landsat系列遥感卫星。为了能够较为直观的反映天等县土地利用变化情况，本文采用的时间跨度为18年，选用2000年、2010年、2018年为研究时间点，采用的空间分辨率为30 m×30 m，并在ENVI软件中进行地理处理。首先，对遥感卫星片进行图像预处理，包括辐射定位、大气校正、图像融合、镶嵌、裁剪等过程；其次，对遥感卫星片进行监督分类，将其分为耕地、林地、灌木林地、草地、水域、建设用地、未利用地七大类；最后，对分类后的遥感卫星片进行后期处理，并在ArcGIS 10.5软件中统计得到分类后的土地利用变化情况。

3 研究方法

根据《Invest模型使用指南》可知，生境质量评估模型运行所必需的数据分别为：现状的土地利用覆盖图、威胁源数据集、威胁因子量化表、生境类型对威胁源的敏感性表。

(1)现状的土地利用覆盖图。本文选用的现状土地利用类型是遥感影像图被重分类后得到的耕地、林地、灌木林地、草地、水域、建设用地、未利用地七类用地，并进行栅格处理获得2000年、2010年、2018年三期的土地利用类型。

(2)威胁源数据集。威胁因子对生境质量的影响主要通过生境栅格与威胁因子间的距离来衡量，通常来说，威胁的程度是随着栅格与威胁源之间距离的增加而减小，因此距离威胁源最近的生境栅格单元受到的影响最大。一般用选择线性或指数距离衰减函数来表达，表达公式如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，irxy是威胁源r在栅格x的生境对栅格y的影响程度；dxy是栅格x和y之间的线性距离；drmax是威胁源r的最大影响距离。如果irxy>0，那么栅格x在退化的威胁源y的干扰区域内。

(3)生境类型对威胁源的敏感度。每一种生境类型对威胁源的敏感程度都有可能不同，因此每一种生境类型对威胁源的敏感性用于修正上一步计算的总影响。土地利用类型对威胁源越敏感，土地利用类型单元退化度就越大。因此，生境敏感性总威胁水平的表达式如下：

(3)

式(3)中，Dxy表示在生境类型j中栅格x的总威胁水平；y是指r威胁栅格图上的所有栅格，Yr是指r威胁栅格图上的一组栅格；Sjr表示生境类型j对威胁源r的敏感性，其值越接近1说明越敏感。

(4)生境质量。生境质量指数大小由生境适宜性、总威胁水平、生境退化度、半饱和参数通过归一化权重所得，表达公式如下：

(4)

式(4)中，Qxj表示生境类型j中的栅格x的生境质量指数；Hj是指生境类型j的生境适宜性；Dxj是指生境类型j中的栅格x的退化水平；K为半饱和常数，设置为0.5；z为模型默认参数，设置为2.5。

本文根据《InVEST模型使用指南》及相关的文献参考[4～6]，设定了各类相关参数，如表1、表2所示。

表1 生态威胁因子量

表2 各地类对各生态威胁因子的敏感度量

4 天等县生境质量变化分析

4.1 天等县土地利用面积变化

根据2017年11月1日国土资源部组织修订的国家标准《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017)将天等县现状土地利用分为耕地、林地、灌木林地、草地、水域、建设用地、未利用地七大类，如表3所示。

由表3可知：2000～2010年间，耕地、灌木林地、草地、水域的面积不断减少，分别减少了0.6606 km2、0.9873 km2、0.1503 km2、0.1287 km2。林地、未利用地的面积呈增加的趋势，但增加的幅度较少，分别增加了0.0540 km2、0.0054 km2。建设用地的面积也在不断增加，增加了1.8675 km2，说明城镇化进程较快，建设用地不断向外蔓延。2010～2018年间，耕地、林地、灌木林地、草地、水域的面积持续减少，减少量分别为2.5929 km2、0.2205 km2、0.4554 km2、0.3348 km2、0.0081 km2。而建设用地面积在不断增加，增加了3.5883 km2，未利用地面积也有少许增加，增加了0.0234 km2。在2010～2018年用地面积变化中，建设用地面积不断扩大，耕地面积大量减少。由此可见，建设用地面积的不断增加，耕地的贡献率最大。

表3 天等县2000～2018年土地利用类型面积 km2

4.2 天等县生境质量演变

将上文中已准备好的各类数据加载到Invest模型中运行，可以得到天等县2000年、2010年、2018年生境质量指数分布图，如图1、图2、图3所示。由图可知，2000年的生境质量指数是0.4989，2010年的生境质量指数是0.4988，2018年的生境质量指数是0.4962，2000～2018年天等县的生境质量指数呈下降的趋势，说明生态环境是随着时间的变化而不断恶化的，但是整体水平都比较高，且变化幅度较小，得益于天等县是国家重点生态功能区，特别是东部与南部地区的生境质量指数值相对比较高，有些地方的指数值趋近于1，西北部与中南部地区的指数值相对较低些，这与天等县自身的社会经济发展及人类的活动具有一定的关系。

图1 天等县2000年生境质量

图2 天等县2010年生境质量

图3 天等县2018年生境质量

为了能够较为鲜明的对比出天等县2000～2018年生境质量指数的变化情况，本文按照自然间断点分级法将生境质量指数分为0～0.44、0.44～0.62、0.62～0.80、0.80～1.00四个区间，并将其设定为较低、一般、较高、高四个等级，绘制相应的柱状统计图，如图4所示。从图中可以看出三个年份中处于一般等级生境质量的面积较多，分别为2000年的907 km2、2010年的908 km2、2018年的906 km2，分别占据研究区总面积的41.91%、41.96%、41.86%；其次是处于较高级别的区间面积，分别为2000年的536 km2、2010年的534 km2、2018年的532 km2，所占面积随着时间的增加而减少。就四个等级而言，2000～2018年高等生境质量面积有所增加，从2000年的366 km2增加到2010年的368 km2，再增加到2018年的383 km2，共增加了17 km2。其他三个生境质量等级的面积变化幅度较小，相对较为稳定[7～12]。

图4 天等县2000～2018年生境质量指数统计

5 结语

本文基于Invest模型对天等县2000～2018年生境质量演变进行分析，结果表明，这18年间天等县生境质量整体呈不断下降的趋势，但降幅不大，说明其生态系统处于较稳定的状态。但因文中的部分数据是参考Invest模型指南及相关的文献综述，使得运行结果可能存在一定的误差。在未来的研究中，应加强对研究区实地的勘察及考虑生境质量多方面的影响因素，评价验证模型的科学性。