基于土地利用变化贡献指数和MGWR的生境质量时空响应——以山东省海岸带为例

盛舒童，刘艳芳,2，刘耀林,2,3

（1.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079；2.武汉大学 地理信息系统教育部重点实验室，湖北 武汉 430079；3.武汉大学 地理空间信息技术协同创新中心，湖北 武汉 430079）

生态系统的生境质量是由水、土、气、生、人等各方因素相互作用的结果，在不同的区域各要素发挥作用不同[1]，从而不同时空的生态系统提供个体与种群可持续发展的能力是不同的[2]。土地利用变化是生境质量的重要影响因素[3]，通过能量流动循环的方式，对区域生境质量的格局和功能产生影响[4]。在城市化高速发展的背景下，人类活动加大了对土地利用方式的改变，生境质量随之变化。因此，秉持生态文明发展战略，量化并测度生境质量、研究土地利用变化与生境质量之间的关系，进而科学调控土地利用配置并提升人类幸福福祉是生态学、地理学、社会学等多个交叉学科共同关注热点。

国内外基于土地利用变化对生境质量的影响在研究视角上分为微观和宏观两个层面。微观层面上，由于直接调查土地利用变化及获取各类生境质量参数的困难性，多采用“生物多样性”指标反映生境质量[5-6]。已有研究发现土地利用变化会改变动物对栖息地的适宜性，同时影响植物群落的分配及分布，影响其生物多样性[7]。宏观层面上，研究多使用模型定量化评估土地利用变化对生境质量的影响[8]，建立土地利用变化与生境质量变化之间的关系。对生境质量的评估多采用InVEST模型[9]、GIS和RS等遥感技术[10]、主成分分析法[11]、IDRISI软件中生物多样性评价[12]、HIS生境适宜性模型[13]等。其中，众多学者采用InVEST模型定量化评估不同时空尺度下的生境质量，模型是根据区域内土地利用覆被对生境质量的威胁性来综合评估[14]。有学者从土地利用空间格局和景观格局出发，评估不同时空尺度下生境退化程度和质量变化情况，找出重点关注的敏感区域，揭示土地利用分布格局及其动态变化对生境质量的影响[15]。在研究尺度上，基于区域[16]、流域[17]、栅格[18]尺度进行生境质量的时空异质性分析，揭示在不同地形起伏、不同坡度、不同高程下的分布特征。有学者从各个地类转移的角度出发，利用模型之间的结合区分各个地类的转化对生境质量的影响[9]并找出影响力最大的转移类型。比如有研究发现河北省湿地、林地和闲置土地的向外转化对栖息地质量产生负面影响，居住用地、工业和采矿用地以及耕地的向外转化对栖息地质量产生正面影响[9]，草地的过度转化使得栖息地质量下降。在量化土地利用变化对生境质量的影响上多采用栖息地质量变化指数、贡献指数、最小二乘法、全局回归、局部回归等模型[19]。有学者进一步利用地理加权回归（GWR）[20]探索出了各地类对生境质量的影响具有显著的时空异质性，林地与生境质量变化呈显著正相关，耕地、建设用地与生境质量变化呈显著负相关，区域内主导地类的不同对生境质量的响应不同。而多尺度地理加权回归（MGWR）将生境质量对空间上的响应深入到不同地类作用的空间尺度上，有学者探索出社会经济要素对生境质量的影响呈显著负相关[21]。综上所述，已有研究表明InVEST模型可以较好地区分生境质量的高低，挖掘生境质量与土地利用、景观格局、人类活动之间的关系，MGWR模型等局部回归模型在生境质量的空间响应方面的研究仍较少。研究多聚焦于利用模型评估不同区域生境质量大小的空间分布，很少关注海岸带土地利用变化及其生境质量的空间响应，区分土地利用转移的数量和方向对生境质量的影响大小的研究更少。本文将InVEST模型与MGWR模型结合使用，首先定量化评估生境质量，再利用指数定性分析地类的转移，进而详细剖析出地类变化对生境质量的响应及不同地类响应的空间尺度性。

海岸带是地球表层岩石圈、水圈、大气圈与生物圈相互作用、各种因素影响频繁、物质与能量交换活跃、变化极为敏感的地带，也是受人类活动影响极为突出的地区[22]。作为陆地与海洋生态系统的过渡与互动区域，生态系统相当脆弱[23]。随着“海上山东”以及山东黄河三角洲国家级自然保护区等系列海岸带规划推动，山东海岸带在全国海岸带的发展战略中处于至关重要的地位，如何平衡经济发展与生态保护成为研究热点。因此本文以山东海岸带为研究区域，基于1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2018年六期土地利用变化，将栖息地质量变化指数、土地利用贡献指数与多尺度地理加强回归结合，揭示生境质量的时空响应，为区域土地科学合理调控和高效配置做出决策依据和数据参考。

一 研究区概况与数据

（一）研究区概况

研究区为山东省海岸带，是沿山东省海岸线向内陆10 km缓冲区域（图1）。该区域临渤海、黄海，包括山东省七个滨海地级市（青岛、东营、烟台、潍坊、威海、日照、滨州），该区域面积约为12 698.28 km2。山东省海岸带狭长，良湾众多，大陆岸线长 3 345 km，占全国海岸带的 1/6[24]，岛岸线长737 km，是唯一拥有三个全国3亿吨大港（青岛、日照和烟台）的省份[25]。山东省海岸带是陆地和海域生态系统的综合体，土地利用变化显著，研究区内平均高程为28.03 m，多为带状平原，具有丰富的海洋、湿地、滩涂资源。

图1 研究区域高程示意

（二）数据来源与处理

使用的数据包括：1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2018年土地利用数据集，空间分辨率30 m，来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（https://www.resdc.cn/）。该数据集将土地利用覆盖分为耕地、林地、草地、水域、建设用地（城乡、工矿）、未利用地和围填造海共7个一级地类，24个二级地类。研究区行政区划数据（省、地级市）来源于中国科学院资源环境科学数据中心2018年地市行政边界数据，考虑到1995—2018年研究期内的行政区划有所调整，为保持数据的一致性和可比性，各时期均统一采用2018年地市行政边界作为行政分区。

二 研究方法

（一）生境质量模型

生境质量指生态系统为个体和种群提供适宜、可持续生存条件的能力，一定程度上能够表征区域生物多样性，生境质量的优劣决定了人类、其他种群与自然是否和谐共生[26]。利用InVEST模型中的Habitat Quality模块评估山东省海岸带生境质量，模型的各项参数参考说明[14]，参考前人对沿海地区及海岸带的研究[12,20,27]，根据研究区域的实际情况，确定其威胁因素（表1）、栖息地与威胁源因子的相对敏感性（表2）。

表1 山东省海岸带威胁因素属性表

表2 山东省海岸带栖息地与威胁源因子的相对敏感性

式中：Qxj为土地利用类型j中栅格x的生境质量；Hxj为土地利用类型j中栅格x的生境适应性；Dxj为土地利用类型j中栅格x的生境退化度；k为半饱和常数；R为生境威胁因子的个数；Yr为威胁层在地类图层上的栅格个数；ωr为威胁因子r的权重；ry为栅格y的威胁强度；irxy为ry对栅格x的威胁水平；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；dxy为栅格x与y之间的直线距离；drmax为威胁因子r的最大影响距离。生境质量值在0到1之间，值越高，栖息地质量就越高。生境退化程度在0至1之间变化，值越高，栖息地退化程度越高。

（二）栖息地质量变化指数

构建栖息地质量变化指数（HQC）表示单位面积土地利用变化引起的栖息地质量变化[28]。

式中：ΔQij为土地利用类型i转化为土地利用类型j时栖息地质量的变化量；ΔSij为土地利用i转化为土地利用j时的面积；HQC正、负值分别代表土地使用变化对生境质量的正、负影响。HQC绝对值越高，代表单位面积土地变化引起的栖息地质量变化越大，反之亦然。

（三）土地利用变化贡献指数

构建土地利用转化对栖息地质量变化的贡献程度指数（CD），分析栖息地质量变化的原因[19]。

式中：CD为无量纲贡献指数；Pij为在转化的总面积内，土地使用类型i转化为土地使用类型j的面积比例。CD为正、负向贡献影响，正向贡献会对生境质量产生积极影响，消极贡献则会降低生境质量。CD的绝对值越高，土地用途转化为栖息地质量的影响越大。

（四）多尺度地理加权回归模型

多尺度地理加权回归（MGWR）模型允许每个变量不同的空间平滑水平，并利用每个自变量不同的带宽衡量每个因变量在地理空间作用的尺度，相较于地理加权回归模型（GWR）和多元线性回归模型（OLS）更符合地理过程空间异质性特征[29]。本文选择的因变量是生境质量的变化量，自变量是土地利用覆盖的变化量。

式中：yi为因变量；xij为第j个解释变量，表示样本i的第k个解释变量的局部参数估计；bwj为第j个变量回归系数使用的带宽，解释变量与因变量的关系允许在空间上发生变化；(ui,vi)为样本i的地理区位坐标；βbwj(ui,vi)为自变量的回归系数；εi为随机误差。

三 结果分析

（一）土地利用时空演变

山东省海岸带以耕地、建设用地和水域为主，总数变化甚微，但内部差异显著。在结构上，耕地、建设用地、水域面积占比总和达到70%以上，水域占比增加（图2）。1995—2018年，海岸带耕地占比保持35%左右，建设用地占比保持20%左右，其中2018年水域占比28.46%，占比增加116%。在数量上，海岸带土地利用面积减少，不同土地利用方式发生剧烈变化。2018年海岸带土地利用面积12 698.28 km2，较1995年下降58.42 km2，变化不显著。但内部差异显著，水域、建设用地增幅大，草地、未利用地减幅大。2018 年，水域面积 3 613.9 km2，较 1995 年增加了 1 934.31 km2，增幅达到115.17%，建设用地面积增幅为 14.68%；2018年草地面积 446.47 km2，较 1995年减少了 901.17 km2，降幅达到66.87%，未利用地降幅为66.05%。

图2 1995—2018年山东省海岸带土地利用分布

山东省海岸带土地利用演变在时空尺度上差异性显著，受宏观政策引导显著。土地利用演变总体特征为耕地面积缓慢减少，建设用地外延扩张明显，生态用地中水域面积显著增加，林地、草地仍向内陆地区缓慢减少。分阶段特征为前十年间未利用地及水域被开发，用于港口航道运输及水产养殖；后十余年间建设用地面积增加，沿海经济开发建设活动盛行；近三年间建设用地面积减少，水域面积增加，沿海生态得到重视（图3）。

图3 1995—2018年山东省海岸带土地利用转移

在耕地演变上，耕地转出面积 1 288.08 km2，转入面积 571.582 km2，共计减少 714.51 km2，多发生在南部日照、东部威海海岸带。这一现象在2000—2010年、2010—2015年尤为明显，转出面积分别为 1 011.50 km2、73.24 km2，超过 65% 的耕地都转为建设用地，莱州湾地区、烟台、威海海岸带相继出现的是由耕地转变而来的建设用地。原因是围绕胶州湾打造的海洋牧场、围绕烟台、威海海岸带搭建的高端海洋产业园区需要足够的建设用地，人类活动盛行。

在建设用地演变上，建设用地从现有城乡、居民、工矿用地的边缘逐渐向外扩展，海岸带东北部也有新增建设用地，共计增加400.05 km2，相反建设用地转出的面积只占了转移面积的17.57%。但建设用地在2015—2018年转出面积最大，为1 520.41 km2，超过60%的建设用地转为水域，多发生在青岛、日照海岸带。原因是近几年山东省在发展海岸带经济的同时也在保育生态海岸带，涵养黄河三角洲、莱州湾、胶州湾三大岸带生态绿心，加强生态修复和可持续管理。

在生态用地演变上，1995—2018 年水域转入面积达 2 310.24 km2，而转出面积仅为 233.23 km2，共计增加1 934.31 km2，多发生在黄河入海口地区。黄河入海口作为黄河生态带和黄河三角洲生态绿心的重要载体，其湿地和水资源发挥着不可或缺的水源涵养等生态系统服务功能。林地、草地等生态用地分别减少了58.44 km2、901.17 km2。草地向外转化比例高达73.99%，而仅有21.78%的土地向内转为草地。草地多由未利用地转化而来，占未利用地转出面积的21.69%，发生在垦利区和东营区黄河三角洲和莱州湾的交界处。这一现象在1995—2000年尤为突出，随着1992年黄河三角洲国家级自然保护区的建立，对于该区域的生态发展提出更高更精准的要求，管理者会更倾向于能发挥更高的生态系统供给、调节、支持、文化服务的水域及林地资源。因此2005—2010年，在黄河入海口，水域和林地取代草地作为重要的生态源地，继而草地向烟台北部海岸带转化为耕地。

（二）生境质量时空演变

1995—2018年，山东省海岸带的平均栖息地质量在0.34上下波动，在波动中上升。1995—2010年缓慢上升，上升0.014，2018年相较于2010年上升0.062，23年间平均生境质量上升0.075（表3）。根据前人的研究，利用自然断点法将生境质量分为四级[19,30]，(0，0.3]为低，(0.3,0.6]为中等，(0.6,0.9]为较高，(0.9,1]为高。从空间分布上看，山东省海岸带的生境质量从内陆到沿海地区逐渐提高（图4）。这一现象在2015—2018年尤为明显，生境质量较高及高的地区上升幅度为35.59%，且生境质量中等的地区上升幅度为18.81%。因为山东省加强对海岸带的生态治理和修复，对海洋空间的分类分区优化使得整体生境质量得到提升。生境质量较高及高的栖息地主要分布在沿海岸线的整个近海地区，栖息地质量值通常高于0.6。生境质量低值区主要分布在内陆附近地区，栖息地质量低于0.3。1995—2018年，山东省海岸带生境质量由内陆向沿海逐渐提升，黄河三角洲、莱州湾、胶州湾的生境质量逐渐提升。黄河三角洲及莱州湾的海岸带生境退化由沿海向内陆大幅减缓，生境质量由中等向较高及高逐渐转移。因为山东省对黄河三角洲及黄河流域提出了生态保护和高质量发展的要求，退耕还林、退耕还水等措施使得生态用地增多，加大了生态用地之间的集聚程度，提升了生境质量。

图4 1995—2018年山东省海岸带生境质量

表3 1995—2018年山东省海岸带生境质量分级面积及占比

（三）生境质量对土地利用演变的正负响应

土地利用方式的变化对生境质量有积极与消极影响，影响程度不一。耕地、建设用地转化为未利用地和林地将提升生境质量；林地、草地、水域向耕地、建设用地、未利用地转化将降低生境质量。未利用地向林地和草地的转化引发栖息地质量的大幅提升，HQC值为0.179 8、0.082 7。建设用地向林地和草地的转化也会引发栖息地质量的提升，HQC值为0.040 1、0.036 6。相反，林地、草地、水域及未利用地向外转化会对栖息地产生负面的影响。其中水域向耕地转化引发栖息地质量的大幅下降，HQC值为－0.048 4。林地向未利用地转化、水域向草地、水域向建设用地转化引发栖息地质量的下降，HQC值均小于－0.01（表4）。

表4 1995—2018年山东省海岸带土地利用转化的栖息地质量变化指数

1995—2018年，各个地类的转化对生境质量变化的贡献程度不一，地类转化产生的负影响远大于正影响，负影响中贡献程度最大是栖息地质量变化指数大，正影响中贡献程度最大是该地类转化面积大。在负面影响中，水域转为城乡、工矿建设用地贡献程度最大，CI值为－0.054；林地转为未利用地、水域转为耕地贡献程度其次，CI值为－0.053、－0.046 5。在23年间，虽然水域转为未利用的面积（156.72 km2）大于水域转为建设用地的面积（49.59 km2），但是单位面积水域转为建设用地带来了更大幅度生境质量的下降，因而水域转为建设用地是生境质量下降的主要原因。而在正面影响中，未利用地转为水域、未利用地转为草地的贡献程度最大，CI值为0.054 7、0.034 3。原因是未利用地转为水域的比重占转出面积的94.82%，而未利用转为草地的比重仅占转出面积的0.47%，因此未利用地转为水域是生境质量上升的主要原因（表5）。

表5 1995—2018年山东省海岸带土地利用转化对栖息地质量变化的贡献指数

（四）生境质量对土地利用演变的空间响应

生境质量对土地利用方式演变的响应具有时空异质性。将研究区域划分为2 km×2 km的格网，共计4 551个格网，将其中1 766个土地利用向外转化的格网提取出来作为自变量，每个格网生境质量总值的变化量作为因变量。采样点p值小于0.1认为通过显著性检验，共计1 155个，占比为65.4%。结果表明，拟合结果达到较高水平，拟合优度R2为0.664。研究区内生境质量总值的变化与用地的变化呈现出正相关、负相关相互均衡的状态，产生正相关与负相关的区域占整个区域的面积均接近50%，且生境质量的变化量与用地的变化量的正负相关性在空间上具有异质性。研究区内未利用地、草地、水域的增多会带来生境质量的显著提升，产生正向影响的面积比例分别为56.76%、56.58%、53.98%，其中回归系数的均值分别为0.326、0.218、0.207，环渤海地区及海岸带北部的正响应最强。因为黄河三角洲国家级自然保护区的建立，耕地多转化为草地、建设用地多转化为未利用地及水域，大幅提升了黄河入海口及环渤海地区的生境质量，可持续生态管理政策效果显著。研究区内建设用地的增多会带来生境质量的显著下降，产生负向影响的面积比例为51.48%，回归系数的均值为－0.105，以青岛、日照、威海为主的海岸带东南部的负响应最强。因为海岸带东部海洋牧场的建设，海岸带南部高端海洋产业集聚地的搭建，海岸带东南部建设用地增多，生境质量有所下降（图5）。

图5 不同土地利用方式回归系数的空间分布

四 结论与讨论

（一）结论

以山东省海岸带为研究区域，利用InVEST模型测度生境质量，结合多尺度地理加权回归模型和土地利用变化贡献指数剖析山东省海岸带的生境质量对土地利用演变的响应。

（1）研究区内土地利用方式保持以耕地、建设用地和水域为主，占比高达70%。1995—2018年，土地利用数量减少58.42 km2，总体变化甚微，但是内部结构变化显著，耕地占比减少，水域及建设用地占比增多。1995—2018年土地利用方式变化剧烈，水域、建设用地增幅大，达到115.17%、14.68%；草地、未利用地减幅大，达到66.87%、66.05%。

（2）研究区内土地利用演变具有时空差异性，内外转化路径不一。1995—2018年，耕地向外转化比例为26.16%，耕地面积缓慢减少，耕地多向莱州湾、烟台、威海海岸带转变为建设用地。建设用地向外转化比例为57.67%，外向分散式扩张明显，近三年间多向青岛、日照海岸带转变为水域。生态用地的转化中草地向外转化比例最高为73.99%，水域和林地成为海岸带主要的两大生态源地，在黄河三角洲和环渤海地区生态用地显著增多。

（3）研究区内1995—2018年栖息地质量的均值为0.34，上升了0.075。2015—2018年生境质量较高及高的地区上升幅度最大，为35.59%，生境质量由中等和低向高转变。生境质量由内陆向沿海逐渐提升，黄河三角洲、莱州湾、胶州湾的生境质量明显得到改善。

（4）研究区内耕地、建设用地转为未利用地和林地会提升生境质量，相反生态用地转为耕地、建设用地、未利用地会降低生境质量。未利用地转为水域显著提升生境质量，因为超过90%的未利用转为水域；水域转为建设用地显著降低生境质量，因为水域转为建设用地贡献最大。

（5）生境质量对土地利用演变的响应具有显著的时空异质性，MGWR拟合优度为0.664。研究区内产生正向和负向响应的面积比接近1∶1，环渤海地区及海岸带北部的响应来源于生态用地和未利用的增加，正响应最强；青岛、日照、威海为主的海岸带东南部的响应来源于建设用地的增加和人类活动的干预，负响应最强。

（二）讨论

本研究的创新点是结合土地利用贡献指数与MGWR全面分析了生境质量对土地利用演变的响应。从定性角度分辨土地利用转移的数量、方向对生境质量高低的影响大小，并从定量角度揭示生境质量响应的空间异质性。长时间序列研究土地利用演变对生境质量的影响便于管理者优化土地利用配置，科学合理调控海岸带土地利用方式。但是受限于更高精度的遥感影像图，在一定程度上影响对土地利用类型更为精准的识别。在InVEST模型测度中，威胁因素的最大影响距离和权重以及威胁源因子的敏感程度的设定存在一定的主观性，也会影响着最终的结果。因此在未来研究中需要提高数据的精度和模型的客观度，对模型的参数做因地制宜的修正和深入研究。