基于InVEST模型的浙江省海岸带土地利用变化及生境质量评价*

应 超 ，田 鹏 ，李昌达 ，陈宇昕

（1.宁波大学地理科学与旅游文化学院，浙江 宁波 315211；2.洞头区海洋与渔业发展研究中心，浙江 温州 325799）

近年来，生态环境问题越来越突出，威胁着人类社会的可持续发展，尤其是在经济活动密集和生态环境脆弱的海岸带[1]。在党的十八大之后，我国大力推进生态文明建设，注重对生态环境的保护。作为生态环境重要指标之一的生境质量指在一定时空范围内生态系统提供适宜个体及种群持续发展生存条件的能力，是生物生存与繁衍的有机保障和基本前提[2-3]，与区域内的土地利用变化关系紧密。土地利用变化除了可以驱动全球社会、经济变化发展[4]，还能够对生境斑块的物质流、能量流循环起到作用，从而影响区域生境分布格局和功能[5]。因此，研究土地利用变化特征及对其生境质量进行评价可以为分析区域生态环境质量变化、制定区域生态政策及土地资源的持续发展提供基础依据[6]。

目前，国内外评价生境质量的方法有两种：一是通过构建影响生境的指标体系来评估生境质量，如刘世梁等[7]通过构建海拔高度、植被类型和水源地距离生境因子等指标来评估漫湾库区生境质量。该方法对评价目标和研究问题的各方面进行了较全面的考虑，灵活地表现出单个指标对综合评价的反映[8]，但仅考虑了生境质量适宜度而忽略了威胁源且指标数量要求较多、数据获取难度较大。二是基于模型展开研究，如医院信息系统模型[9]、SolVES模型[10]、生态系统服务和权衡的综合评估 （Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs，In-VEST）模型等[11]。InVEST模型对数据需求量低、评估精度高，在生境质量评估中的应用最为成熟[12]。如Leh M D K等[13]基于InVEST模型和加纳及科特迪瓦的土地利用数据，分析并阐述了两个国家不同时期的生境质量总体概况和变化情况；吴健生等[6]通过InVEST模型对京津冀地区2000—2010年土地利用变化引起的生境质量时空演变进行了研究，解释了生境质量变化的原因。这表明InVEST模型可以较好地应用于区域生态环境质量评价。当前国内外对生境质量的评价主要集中在城市、流域等研究区，例如，谢余初等[14]结合地理信息系统技术和InVEST模型，对白龙江流域景观生物多样性时空变化特征进行了分析，而对高强度开发利用下的海岸带研究较少。

浙江省海岸带是海洋经济发达地区，更是海洋强国的重要战略地区，其经济的快速发展也引起了生态环境及其生境质量的变化。目前对浙江省生境质量的研究较少，且主要集中于人口较密集的城市以及城市群系统，缺少对具有高自然能量、生物生产力以及突出经济地位的海岸带地区的研究[15]。本文基于1990—2018年4期的土地利用数据，运用ArcGIS软件和InVEST模型分析了海岸带土地利用变化特征并进行生境质量评价。

1 研究区概况

浙江省海岸带位于浙江省东部，临近东海，海岸线漫长，总长约6 715 km，居全国首位，占全国海岸线总长的20.9%。全区地处亚热带季风气候区，水热充足，适宜水稻、杨梅等多种农作物生长。沿海渔业资源丰富，生产能力高，渔业产值占大农业比重的24%，位居全国第二。浙江省海岸带经济发展迅速，但随着工业化和城市化的快速推进，围填海等人类活动剧烈，土地利用强度不断增大，生态环境遭到不同程度的破坏。

考虑到数据的可获得性和行政区划的完整性，本研究所指海岸带范围包括温州市、台州市、宁波市、绍兴市、舟山市、杭州市和嘉兴市等的27个县区，为保护生态环境较脆弱的海岸带，浙江省印发 《浙江省生态海岸带建设方案》，依托现有大陆海岸线空间格局与资源基础，突出海岸带保护与利用，实现人与海岸带的和谐共生要求[16]。

2 浙江省海岸带土地利用变化研究方法

2.1 数据来源与处理

研究以中国科学院资源环境科学与数据中心（http://www.resdc.cn/）发布的 1990年、2000年、2010年、2018年4期浙江省海岸带土地利用数据为基础，数据精度达到了85%以上。通过ArcGIS软件对土地利用数据进行分类汇总，建立二级分类体系。在此基础上，将浙江省各地级市行政区划进行裁剪，得到浙江省海岸带土地利用数据，再利用ArcGIS软件对土地利用数据重分类，提取出耕地、农村居民点、工矿用地、城镇用地的分布栅格数据并将此作为运行InVEST模型生境质量的威胁源。

2.2 InVEST模型

InVEST模型将土地利用与威胁源建立联系，考虑到威胁源的影响距离、空间权重等因素，通过计算威胁源对生境的影响程度得到生境退化度，再配合生境的适宜情况计算出生境质量。生境质量可以反映该区域生物多样性的状况，从而分析土地利用变化对生境质量的影响。

进行生境退化程度计算的公式为

式中：Dxj为生境退化程度；R为生境中威胁源的个数；Yr为生境中威胁因子r的栅格个数；Wr为威胁因子r的权重；ry为对应土地利用类型上每个栅格中威胁因子的个数；irxy为威胁因子的最大影响距离；βx为栅格x的可达性水平；Sjr为土地利用类型j对威胁因子r的敏感度，取值范围为［0，1］。

在得到生境退化程度后，生境质量计算公式为

式中：Qxj为土地利用类型j中栅格x的生境质量指数；Hj为土地利用类型j的生境适宜度；Dxj为土地利用类型j中栅格x的生境退化程度；z为归一化常量，通常取值为2.5；k为半饱和常数，取最大生境退化度的一半，通常设为0.5。

根据浙江省海岸带相关资料及实地调查研究，将对生境质量产生较为直接影响的耕地、农村居民点、工矿用地、城镇用地4种土地利用类型作为威胁源，将林地、草地和水体作为生境。在参考《InVEST模型用户手册》中模型推荐值的基础上，综合陈妍、任涵等[17-18]相关研究，对4类威胁源的影响权重和最大影响距离进行赋值 （见表1）。

表1 威胁源的影响范围及其权重

生境类型受威胁敏感度是基于景观生态学生物多样性保护的一般原则而定的[19]，依据InVEST模型中的划分标准，结合各地类的生态重要程度和研究区域实际情况将地类划分为自然地类、半人工地类和人工地类；一般而言自然地类对威胁因子的影响最大，半人工地类次之，人工地类影响最小。设定威胁因子敏感度的取值范围为0～1，其中0表示不敏感，1表示具有高敏感性。参照吴季秋[20]、欧维新等[21]的相关研究，确定生境类型的生境适宜度和不同生境类型的敏感度 （见表2）。

表2 生境适宜度及其对不同威胁源的相对敏感程度

3 浙江省海岸带土地利用变化及生境质量评价结果与分析

3.1 浙江省海岸带土地利用变化

1）土地利用变化特征。浙江省海岸带以耕地、林地和建设用地3种类型为主，面积总和达到了海岸带总面积的90%以上 （见表3），1990年土地利用类型面积占比最高的为耕地；剩下3个时期土地利用类型面积占比最高的均为林地，4个时期占比最少的均是未利用地。1990—2018年面积增长最多的是建设用地，增长了3 363.83 km2；耕地面积减少最多，减少了2 807.76 km2；林地面积呈波动上升趋势但增加面积不多；草地和水域面积均呈现先减后增趋势，2018年草地面积减少了38.48%，而水域面积增加了11.42%。1990—2000年间耕地和草地面积减少较大，建设用地和林地面积增长较大；2000—2010年耕地面积减少剧烈，建设用地面积增长剧烈；2010—2018年耕地面积减少减缓，建设用地面积增长减缓，草地和水域面积从之前小幅减少转为较大幅度增长；其他土地利用类型面积变化不大。

表3 1990年、2000年、2010年和2018年浙江省海岸带土地利用结构变化

2）土地利用转换变化特征。为全面理解浙江省海岸带土地利用变化结构特征，构建了土地利用转移矩阵。1990—2018年浙江省海岸带土地利用转移矩阵见表4。

表4 1990—2018年浙江省海岸带土地利用转移矩阵 （km2）

1990—2000年，草地转化为林地面积高达719.98 km2，在所有转化面积中最多；耕地面积减少696.70 km2，主要转向建设用地和林地，分别占转出耕地面积的55.26%和33.84%。面积明显增加的地类为林地和建设用地，分别增加842.70 km2和465.48 km2，林地增加的面积主要来自于草地和耕地，分别占转入面积的71.22%和26.75%；建设用地增加的面积来自于耕地，达到了94.89%。水域面积和未利用地的面积变化不大。

2000—2010年，耕地面积减少1 376.63 km2，减幅增大，大部分仍转向建设用地，占转出面积的82.40%；林地面积从增加变为减少，主要转向耕地和建设用地，分别占转出面积的39.64%和37.11%；建设用地面积继续增加，增幅增大，大部分由耕地转化而来，达到了87.41%；草地面积继续减少，但幅度较小；水域和未利用地面积变化不大。

2010—2018年，耕地面积继续减少792.47 km2，增幅减少，主要转向建设用地，占转出面积的77.30%；水域面积大幅度减少，减少了193.14 km2，主要转向建设用地和耕地；建设用地增幅减少，增加了1 040.35 km2，主要来自于耕地，占转入的71.80%；林地、草地和未利用地面积变化不大。

总体来说，1990—2018年耕地面积显著下降，其中，耕地转化为建设用地面积在所有转化中面积最多。除此之外，耕地转化为水域是水域面积增加的主要原因；林地转化为建设用地和耕地是林地转出的主要土地利用类型；未利用地虽然基数较小，但是向其他地类转变特别剧烈，尤其是向林地转变，约有62.20%的未利用地转化为林地；草地转化为林地是草地转出的主要土地利用类型；水域主要转化为建设用地和耕地，但水域与耕地之间相互转化基本持平；建设用地是所有土地利用类型中扩张最为明显的，增加了超过2倍的面积。

3）土地利用空间分布特征。最主要的土地利用类型为林地，其次为耕地和建设用地。耕地广泛分布于海岸带内，其中在海岸带北部钱塘江、杭州湾两岸的分布面积最广，另有较大一部分分布于海岸带的中部偏东地区 （台州东部）和东南部地区（温州东部）；建设用地主要集中于耕地附近；林地主要分布于海岸带的西部和中部；耕地转化为建设用地的现象在整个浙江省海岸带范围内普遍存在，其中以海岸带北部钱塘江、杭州湾附近最为活跃；草地转为林地基本发生在1990—2000年海岸带的西北部 （绍兴西部）；水域转化为耕地主要分布于绍兴的北部 （上虞、柯桥区）；耕地转化为水域主要分布于杭州湾南岸，其他地方也有少量分布。

3.2 浙江省海岸带生境质量评价

InVEST模型一般采用生境质量指数来表示生境质量的高低，在模型中呈现的是在栅格图层上连续变化的0～1之间的值，值越靠近1表示生境质量越好，具有相对应的结构和功能，更加有利于维持生物多样性。通常，土地利用强度的增加会引起威胁源的增加和强度的增大，而使其附近的生境质量退化[22]。为了使各时期生境质量状况及变化情况表现得更为直观，利用ArcGIS软件对4期生境质量数据进行重分类并将其在0～1的范围内划分为极差、差、中、良和优5个级别的生境质量，另外还统计了各个等级生境质量所占比例 （见表5）。

表5 1990—2018年浙江省海岸带生境质量变化统计

1）生境质量时空变化特征。从时间尺度上看，1990年浙江省海岸带整体生境质量较高，均值达到0.733 9，中等级及以上占比较大，达到88.50%；极差和差等级占比较小；2000年生境质量基本不变，但中、良和优3个等级均有较大幅度的变化，中和良两等级分别减少了2.06%和2%，减少的中和良两等级大部分向优等级转化，使得优等级增加了3.14%；极差和差两等级也有小幅度的变化；2010年生境质量大幅降低，其均值为0.690 6，减少了0.044 9，差、良和优三等级变化较小，中等级大幅度降低，减少了8.32%，而减少的中等级大部分并未向良、优两等级转化，而是向极差等级转化，这也导致极差等级占比增加了8.94%，和2000年相比增加近一倍；2018年生境质量持续下降，但下降幅度减缓，生境质量均值为0.679 9，减少了0.010 7，极差和差两等级均有不同幅度的下降，中等级有较大程度的增加，增加了3.06%，良和优两等级变化不大。总体来说，1990—2018年浙江省海岸带生境质量均值下降0.054 0，变化幅度较大，呈现出先略微增加后大幅下降再逐渐变缓的趋势；在等级变化方面，4期中差等级变化较小，仅减少0.88%；良和优两等级变化较大，分别减少2.12%和增加1.99%；极差和中两等级变化剧烈，分别增加8.28%和减少7.29%。

1990—2000年生境质量小幅度上升，这是因为较大面积的草地转化为林地，而林地的生境适宜度高于草地。2000—2010年生境质量大幅度下降，这是因为城镇用地等建设用地快速扩张，大面积的耕地转化为建设用地，而耕地的生境适宜度虽较低但仍高于建设用地，这也是该时期中等级生境质量占比大幅降低的原因，除此之外，还因小部分高生境适宜度的林地和水域转化为建设用地；2010—2018年生境质量下降变缓是因为人们和政府对生态保护的意识增加，耕地、水域、林地转化为建设用地的速度变慢，因此幅度变缓。

浙江省海岸带总体生境质量处于较高水平，中等级以上水平占大部分面积。1990—2018年生境质量表现为西部高、东部低，南部高、北部低，由西部向东部沿海地区递减。由于生境质量与生境适宜度密切相关，而林地、草地的生境适宜度高于耕地、建设用地，因此生境质量分布于海岸带的土地利用类型具有较高的一致性。优和良两等级主要分布在海岸带的西部、中部和南部，主要土地类型为林地，植被覆盖率较高，且人为开发建设用地较少，生境质量较高；生境质量中及以下的等级主要分布与海岸带北部的钱塘江、杭州湾南北两岸，小部分集中于宁波市、台州市东部和温州市东部，以耕地和建设用地为主，人类活动频繁，造成生态破坏，生境质量低。

2）生境质量评价转移变化特征。在ArcGIS软件中将4个时期的生境质量图层叠加后进行分析，得到了 1990—2000年、2000—2010年、2010—2018年和1990—2018年4个时期的生境质量变化情况。除此之外，对1990—2018年生境质量各个等级之间的转移进行统计，得到了各等级生境质量转移矩阵 （见表6）。

表6 1990—2018年各等级生境质量转移矩阵（km2）

通过叠加分析发现生境质量变差的区域多于变好的区域，在1990—2018年3期变化中，1990—2000年生境质量变化区域最少，仅海岸带北部（杭州市西部）有少量的生境质量变差和绍兴市西北部的生境质量变好；2000—2010年生境质量变差的区域主要集中于海岸带北部的钱塘江、杭州湾南北两岸，而生境质量变好的区域仅零星分布于研究区中，可能是这些地区经济快速发展，大量土地用于城市建设、工业发展和居住，生境适宜度较高的林地、耕地被大面积侵占；2010—2018年，生境质量变差的区域继续增多但增速减缓，说明建设用地继续扩张，但扩张速度得到了较为有效的管控，这说明政府和人们对生态保护的意识逐渐增强，“退耕还林、退耕还湖”政策得到有效的实施。

由表6可知，1990—2018年85.61%的海岸带生境质量等级保持不变，其中优等级面积占未变化面积中最大，达到50.32%，其次为中等级生境质量，占未变化面积的36.72%，良等级生境质量面积占未变化面积中最少，为1.73%。发生变化的生境质量等级的面积占研究区面积的14.39%，其中中等级转换为极差等级面积最多，占变化面积的42.32%，其次是良等级转换为优等级和中等级转换为优等级，分别占变化面积的17.79%和10.46%；剩下的生境质量等级转换面积较少，这也符合1990—2018年生境质量总体呈现下降的趋势。

4 结论与建议

本文以浙江省海岸带为研究区域，选取1990年、2000年、2010年和2018年的土地利用数据，利用ArcGIS软件进行处理分析，得到了1990—2018年4期的土地利用变化情况，同时选取耕地、农村居民点、工矿用地、城镇用地作为威胁源，用InVEST模型得出1990年、2000年、2010年和2018年4年的生境质量及其分布变化情况，进行深入分析得出以下结论。

1）1990—2018年浙江省海岸带土地利用变化主要是耕地和建设用地的变化；耕地面积呈持续减少的趋势，除了小部分因 “退耕还林、退耕还湖”政策的实施而导致耕地面积减少，还有相当大一部分耕地面积减少是由于建设用地的侵占；建设用地在28年间呈不断增加的态势，尤其是2000—2010年增加的建设用地超过28年间增加的建设用地面积的50%。由于 “退耕还林”等生态保护政策的实施，林地面积增加了一小部分。

2）1990—2018年浙江省海岸带的生境质量呈现西部高、东部低，南部高、北部低的分布格局，平均生境质量均在0.679 9及以上，位于生境质量的良等级水平。生境质量总体变化呈现先略微上升后大幅下降再逐渐变缓的趋势；生境质量略微上升的重要原因是绍兴西北部大面积的草地被生境适宜性更高的林地所替代；之后大幅下降是因为随着经济发展，城镇用地面积快速增加和生境适宜性较高的草地、水域面积减少，使得生境严重破碎化；而随着对海岸带的管理及一系列政策的实施，海岸带的建设用地增幅降低，林地和草地均有不同程度的增加，使得生境质量下降减缓。

3）浙江省海岸带生境质量与土地利用类型变化的相关性较为显著，在28年间，由于经济和生产力的发展，建设用地增加，耕地、水域和草地减少，生境出现不同程度的退化，但是随着生态保护措施的实施，其生境质量的退化速度逐渐减缓。

4）InVEST模型的引入为生境的评估提供了可行的办法，并且使评估结果可以更为直观地得到展示，但由于模型本身还具有一些缺陷，比如仅考虑了研究区内部各个威胁源对生境的影响，缺少研究区边界以外其他威胁因子的影响，使得结果存在一定的误差；模型的参数设置没有标准的计算方法，只能通过借鉴使用手册的推荐数值和专家打分获得，使结果具有一定的主观性，但对生境质量的整体分布和变化情况影响不大。

通过对浙江省海岸带土地利用变化及其生境质量的研究，可以对浙江省海岸带生态文明建设、绿色浙江建设作进一步的探讨。浙江省海岸带部分地区生境质量不断下降，在以后的土地利用规划中需要平衡林地、耕地、建设用地等不同生境适宜性的土地类型，在保持合理的经济增长基础上配置必要的生态用地[23]；政府应加大生态保护力度和政策实施力度，如建立 “林长制” “河长制”，将林地、水域、草地等高生境质量区域进行分区管理，从而进一步完善生态保护责任体系。

本文仅考虑了生境质量对土地利用类型变化单一要素的响应，深入研究可以结合水源涵养、水土保持、碳储量等其他模块定量评估土地利用变化对于多种生态系统服务的变化，更加全面综合地评估土地利用类型变化对区域生态系统所带来的影响。