基于InVEST模型的北京市土地利用变化对生境质量的影响研究

王培东，马文杰，文 丰，马召威，张 平

(1.陕西众智土地工程技术有限公司，陕西 西安 710100；2.西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710600)

1 引言

土地是人类赖以生存的根基，是地球上各类复杂地物和系统的主要载体。作为人与自然交互联系最为密切的纽带，土地利用是反映人与自然关系的重要窗口，是揭示区域环境变化的正确途径[1]。20世纪90年代以来，土地利用变化研究受到广泛关注，并逐渐成为全球变化研究的前沿[2]。生境质量是区域特征的一种反映，指在一定的时间和空间中，生态系统对人类生存繁衍、经济发展的适宜程度，它的评估对生物多样性研究以及保护有重要意义，一定程度上代表了生态环境的好坏[3]。土地利用类型和覆被对生境质量有很大的影响[4]，因此研究土地利用变化对生境质量的影响对于生态系统保护和土地可持续利用具有重要意义[5]。

近年来，许多学者采用ARIES[6](Artificial Intelligence for Eco-system Services)、SolVES[7](Social Values for Ecosystem Services)和InVEST[8](Inte-grated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型进行生境质量评价，其中InVEST模型与其他模型相比具有方便、高精度、空间分析、可视化等优点，是目前较为成熟且应用最多的生境质量评价模型。基于InVEST模型探讨生境质量对土地利用变化的响应，国内外已有大量相关研究[9,10]。本文在国内外学者研究的基础上，基于生态系统服务评估与权衡InVEST模型，通过分析土地利用动态变化，对区域生境质量进行定量评估，探索生境质量空间差异，揭示土地利用动态变化对生境质量的影响及其规律，为区域土地可持续利用和生态环境保护提供重要参考依据。

2 研究区概况

北京市地处华北平原西北部，属温湿大陆性季风性气候，四季分明，春季和秋季较短，冬季和夏季较长；年平均降水量约650 mm，降水分配不均匀，全年降水80%集中在每年的6～8月份。西北地势高耸，东南地势平缓[16]，自然资源丰富。北京市行政边界和高程如图1所示。

图1 研究区位置及高程示意

3 研究方法和研究数据

3.1 研究方法

3.1.1 生境的退化程度

采用InVEST模型生境质量模块，将生境质量与土地利用即威胁源建立联系，通过计算威胁源对生境的负面影响，得到生境的退化程度，计算公式为：

(1)

(2)

式(1)、(2)中，Dxj为生境退化程度；R为胁迫因子个数；Wr为胁迫因子的权重；Yr为胁迫因子层在土地利用类型图中的栅格个数；ry为土地利用类型图中每个栅格上胁迫因子的个数；Sjr为j类型土地覆被对胁迫因子r的敏感性；irxy为栅格y中的威胁因子r对栅格x的影响；为dxy栅格x(生境)与栅格y(威胁因子)的距离；drmax为威胁因子r的影响范围；βx为栅格x的可达性水平。

3.1.2 生境质量

生境质量基于生境退化程度Dxj计算，计算公式为：

(3)

式(3)中，Qxj为土地利用类型图j中栅格x的生境质量；Hj为土地利用类型图j的生境属性；k是半饱和常数，k值一般设置为生境退化程度最大值的1/2；z值为模型默认参数；生境质量得分值域为0～1。

3.2 研究数据

本研究使用的2000、2010和2015年土地利用数据来源于中科院资源环境科学与数据中心，空间分辨率30米，重分类为耕地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地。行政边界数据来自资源与环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)。

4 结果与分析

4.1 土地利用变化特征分析

北京市2000～2015 年间土地利用类型的分布及其变化如图2所示。北京市耕地面积急剧缩减，主要转变为建设用地和林地，建设用地剧烈扩张，水域面积总体下降。变化面积排序依次为：耕地>建设用地>林地>草地>水域>未利用地。

图2 研究区土地利用类型分布及其变化示意

结合表1中2000～2015 年北京市土地利用面积统计数据，耕地面积从2000年的5067.34 km2缩减为2015年的3515.63 km2，减少面积1551.70 km2，缩减幅度30.62%。建设用地面积从2000 年的2189.02 km2扩张至2015年的2995.69 km2，增加面积806.67 km2，增长幅度36.85%。林地面积由2000 年的7873.92 km2增长至2015年的8345.05 km2，增长面积471.13 km2，增长幅度5.98%。草地面积由2000年的771.54 km2变化为2015年的1183.80 km2，增加412.25 km2，增长幅度53.43%。水域面积有一定程度的减少，2010 年后有所恢复，但总体仍然减少了143.96 km2，缩减幅度31.59%。未利用地面积2000～2015年间增长5.61 km2，增长幅度17.59%，但由于面积较小，变化并不显著。总体来说，建设用地急剧扩张、耕地资源逐渐减少是北京市土地利用变化的主要趋势。

表1 2000～2015年北京市土地利用类型面积和变化 km2

4.2 土地利用转移分析

为进一步分析各土地利用类型内部的转化方式，构建2000～2015年北京市土地利用转移矩阵(表2)。由表2可知，耕地面积由2000年的5067.34 km2减少到2015年的3515.63 km2，主要转出地类为建设用地，转出面积为958.83 km2，转出幅度为18.92%，也是新增建设用地面积的主要来源。耕地转为林地的面积为540.15 km2，转为草地的面积为379.32 km2，转为水域的面积为61.24 km2，转为未利用地的面积为14.52 km2。林地面积由2000年的7873.92 km2增加到2015 年的8345.05 km2，主要转出地类为草地，转出面积为172.40 km2，转出幅度为2.19%。林地转为耕地的面积为100.31 km2，转为建设用地的面积为78.47 km2，转为水域的面积为12.19 km2，转为未利用地的面积为5.11 km2。建设用地面积由2000年的2189.02 km2增加到2015 年的2995.69 km2，主要转出地类为耕地，转出面积为140.06 km2，转出幅度为6.40%。建设用地转为林地的面积为70.09 km2，转为草地的面积为99.87 km2，转为水域的面积为15.37 km2，转为未利用地的面积为3.75 km2。草地主要转入自耕地，转出为林地，林地主要转入自耕地，转出为草地，水域主要转出地类为耕地，未利用地主要转出地类为耕地和建设用地。总体来说，2000～2015年北京市耕地主要转变成建设用地，导致耕地面积不断减少。建设用地急剧扩张。6 种地类之间互相转化，其中耕地的大量转出使得林地、草地和未利用地面积稳步增长；水域面积在2000～2010年间下降，主要转出为耕地，2015 年转为增长，主要由耕地转入，反映了这一时期退耕还林还草政策的落实有效以及城市化进程的快速推进。

表2 2000～2015年北京土地利用转移矩阵 km2

4.3 生境质量空间格局

采用InVEST模型，通过输入模型建模所需的土地利用栅格数据、威胁因子数据、威胁源数据，生境类型及生境类型对威胁的敏感性数据，计算得到北京市2000～2015 年生境质量空间分布，生境质量在栅格图层上是0～1之间连续变化的值，值越接近1，生境质量越好，越有利于维持生物多样性。为了直观说明生境质量分布情况，将生境质量计算结果划分为0～0.30(低)、0.30～0.60(中)、0.60～0.90(良好)和0.90～1(优等)4个级别(图3)。

图3 研究区生境质量空间分布示意

从北京市生境质量空间格局变化可以得出，北京市生境质量总体有一定程度的改善。2000～2015年低生境质量面积持续扩张，增幅36.57%，生境质量良好和优等的地区面积分别增长39.52%和2.18%，中生境质量缩减30.68%。生境质量与土地利用分布有密切联系，中、低等级生境质量主要分布在顺义区、通州区、海淀区、丰台区和大兴区，这些地区的主要土地利用类型为耕地和建设用地，人类活动强度较高，生境质量较为退化；生境质量良好和优等的区域与研究区内水域、林地、草地的分布一致。较高等级的生境质量主要集中在北京市西南部、西北部和东北部的山区，包括怀柔区、延庆区、门头沟区和密云区，这些地区的土地利用类型主要为林地和草地，人类活动相对较少，生物多样性丰富，生境质量高。从时间尺度上看，生境质量升高的区域，与研究时段内林地、草地和水域面积增加有关，降低的主要为原来的中等级生境区域，与2000 年以来耕地向建设用地的转变一致。

采用分区统计评价北京市各区生境质量差异(表3)。门头沟区、怀柔区、延庆区、密云区和房山区生境质量最好，生境质量指数大于0.7，而东城区、西城区生境质量指数最低，均小于0.1。土地利用与生境质量密切相关，林地、水域和草地对生境质量的贡献较大；耕地对生境质量影响明显。2000～2015 年北京市生境质量得到一定程度的改善，其中贡献度最大的是林地和草地，林地面积和草地面积分别增长了5.98%和53.43%。

表3 北京市各区生境质量分区统计

5 结论与讨论

本文采用InVEST模型评估了2000～2015 年北京市生境质量对土地利用变化的响应，结果显示：

(1)北京市林地的面积最多，草地、水域和未利用地所占面积较小；耕地面积急剧缩减，转变为建设用地和林地；建设用地急剧扩张，水域面积总体下降。

(2)2000～2015年耕地主要向建设用地转化，面积由2000 年的5067.34 km2减少至2015年的3515.63 km2，转出面积1551.70 km2；建设用地则不断扩张，2015 年的建设用地面积为2995.69 km2，其中32.01%由耕地转入；林地和草地面积稳步增长，北京市生境质量总体呈现中等偏高的水平，但中南部地区建设用地扩张导致该区域生境质量下降。

(3)北京市生境质量总体呈不断改善的趋势，门头沟区、怀柔区、延庆区、密云区和房山区生境质量最高，而东城区、西城区生境质量指数最低。生境质量高值区主要为林地、草地和水域，人类活动相对较少，生境保护质量较高。生境质量低值区的土地利用类型主要为建设用地和耕地，人类活动强度较高，导致生态环境恶化。未来北京市土地利用规划中，土地规划和生态保护工作需要优化林地、草地、耕地和建设用地的分布格局，在保持经济增长的基础上配备必要的生态用地。协调生境质量改善和经济发展之间的关系，促使北京市经济发展与生态保护协调、科学发展。

本文的威胁源主要从文献中获取，未来可以结合生境质量监测实验，获取更能反映实际威胁源的参数。生态系统服务还包括水源涵养、土壤保持、碳储量等，今后还应综合多个生态系统服务指标分析城市生态系统服务动态和权衡。此外，将土地利用模型和InVEST模型结合，探索未来城市发展多情景下的生态系统服务响应是一个重要的研究方向。