基于InVEST模型的三峡库区（重庆段）生境质量时空演变分析

2022-04-07何清清

三峡生态环境监测 2022年1期

何清清，何君

（1.重庆市生态环境工程评估中心，重庆 400074；2.重庆市地质矿产勘查开发局107地质队，重庆 401120）

生物多样性是地球生命的重要基础，是人类维持生命的“安全网”。但随着人类工业化进程的加快，“安全网”已趋近极限。2020年《地球生命力报告》指出，1970—2016年，全球野生动物种群数量下降了68%，地球生命力指数（living planet index，LPI）平均下降超过50%。高强度的人类活动已严重破坏了栖息地的质量，生物多样性下降速度前所未有。生物多样性的丧失对生态系统的健康和人类福祉造成不可逆转的损害。生境作为生物的基本载体，其质量体现了一定时间内区域生态环境为生物生存繁衍提供适宜条件的能力，是生态环境的本质属性，从根本上决定了区域内的生物多样性水平[1-4]。因此，研究区域生境质量，可以摸清其在区域内的空间分布及变化规律，为当地的生物多样性保护提供科学依据和参考。随着研究的深入，对生境质量的认识呈现多样化[5]。从研究视角看，由早期关注单一物种的生境条件扩展为对整个生态系统的生境质量研究。如孙元敏在应用环境科学、景观生态学、海洋生态学等相关理论的基础上，结合国家908专项调查等，对南亚热带海岛生境质量进行了评价[6]；从研究尺度看，由早期的单点、样地尺度逐渐扩展为省域、县域、流域等大中尺度，甚至全球尺度[7]，如梁晓瑶等[8]利用多尺度地理加权回归模型分析了黑龙江省生境质量的空间格局与影响因素，杨洁等[9]评估了黄河流域2000—2018年生境质量时空演变特征。从研究内容看，主要涉及土地利用变化[7]、城镇化[10]、退耕还林[11]对生境质量的影响，生态敏感区[12]、农牧交错带等自然过渡地带[3]的生境质量的研究及生境质量与生态安全格局的研究[13]等。从研究方法看，随着“3S”技术的发展，由层次分析法、综合指数法转向CA-Markov[14-16]、Max-Ent[17]、SolVES[18-19]、HIS[20-22]、InVEST[23-26]等模型数学法。其中，InVEST（integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs，生态系统服务评估与权衡）模型因其所需数据获取较易、可视性更强、精度更高、操作简单被国内外学者广泛应用于生境质量、水源涵养、碳储汇等生态系统服务评估中[27]。

三峡工程建成后在防洪、航运、抗旱、发电等方面发挥了巨大的效益，但随之而来的生态环境问题也日益凸显。三峡库区作为长江上游重要生态屏障，其生境质量水平的高低直接影响长江流域生物多样性水平，同时又是成渝地区双城经济圈的重要一核，其生态安全状况关系整个长江流域的生态安全及区域可持续发展状况[28-30]。因此，对三峡库区（重庆段）生境质量的研究更具现实意义。本研究以2000—2020年土地利用数据为基础，基于InVEST模型，揭示自三峡库区正式蓄水后重庆段的生境质量时空演变特征，以期为实现三峡库区生态环境保护和生态经济可持续发展提供科学理论依据。

1 研究区概况

三峡库区（重庆段）地处长江上游下段，西起江津，东至巫山，南起武隆，北至开州，地跨28°28′～31°44′N、105°49′～110°12′E，涉及渝北、巫山等22个区县，面积占比超过全市总面积的50%（图1）。境内以山地、丘陵为主，受构造、岩性和河流切割影响，地貌呈现坡陡沟深、地形破碎的特征，土壤土质贫瘠，土沙粒、粉粒含量较高，有机质低，土壤保水能力差。耕地质量差，坡度25°以上的耕地占比超过14%，超出全国平均水平，而当坡耕地坡度为25°时，年侵蚀量高达21 334 t/（km2·a）。气温垂直差异明显，降雨量大且时空分配不均。在地形及气候双重作用下，域内旱灾、洪灾、滑坡、泥石流等灾害频发，水土流失严重，是全国水土流失严重地区之一。境内生物多样性丰富，但随着人类活动加剧，特别是库区蓄水及移民活动导致人地矛盾尖锐突出，土壤污染问题凸显，原生土壤、植被遭受破坏，对野生动植物及其栖息地造成影响，生物多样性受到威胁，加重了库区生态环境负担。

图1 研究区示意图Fig.1 The location of study area

2 数据及研究方法

2.1 土地利用变化

2000年、2010年、2020年土地利用数据来源于GlobeLand30①http://www.globallandcover.com，分类整理成耕地、林地、草地、水域、建设用地及未利用地六大类。数据精度满足研究需求。

人类活动强度的增加是导致生态质量退化的主要因素之一，而土地利用的变化情况是人类活动强度大小的重要表征。本研究用土地利用转移矩阵和土地利用变化动态度方法，定量分析2000—2020年间三峡库区（重庆段）土地利用变化情况。

1）土地利用转移矩阵，反映了各时期土地利用变化的结构特征与各类型之间的转化关系。本研究基于ArcGIS平台，构建2000—2010年、2010—2020年土地利用转移矩阵，对比分析不同时期三峡库区（重庆段）土地利用类型时空变化情况。

2）土地利用类型动态度，反映了某一时期某种土地利用类型的变化剧烈程度，其计算公式如下：

式中：K为研究时段内某土地利用类型动态度，值越大表明该时段内人类活动越强烈；Ua、Ub分别指某种土地利用类型研究时段内初期和期末的面积；T为研究时长。

2.2 生境质量模型

InVEST模型是用于评估生态系统服务功能量、支持环境决策的模型系统，涵盖淡水、海洋和陆地三大生态系统。InVEST模型中生境质量模块是将土地利用类型与生物多样性胁迫因子建立联系来计算相应栅格内的生境质量。其值的大小代表了生境质量的优劣。值越大，代表该区域生境质量越好，更适宜生物生存，生物多样性水平越高；值越低，则生境质量越差，生态系统可供生物生存繁衍的能力越低，越不利于维持区域生物多样性。

结合已有研究成果，参照InVEST模型（3.2.0版本）的使用手册，综合考虑研究区实际地理环境，本研究选取居民地、工矿、交通设施等建设用地以及水田、旱地等耕地2类威胁源，并结合实际情况设定不同胁迫因子影响生境质量的最远距离及权重，其中建设用地、耕地的最远距离分别为3 km、1 km，权重分别为0.8、0.6，每种土地利用地类型对不同胁迫因子的敏感程度，如表1所示。生境质量具体计算公式参考相关研究[18-21]。

表1 土地利用类型对胁迫因子敏感程度Table 1 Sensitivity of land use types to stress factors

3 结果分析

3.1 土地利用变化分析

研究时段内，三峡库区（重庆段）的优势地类为林地与耕地，两者面积超过库区总面积的86%，呈集中连片式分布（图2、表2）。其中林地主要分布在库区内缙云山、中梁山、明月山等山系，耕地集中于库区西部及东北部区县。

图2 2000年、2010年、2020年土地利用示意图Fig.2 Schematic diagram of land use in 2000,2010 and 2020

表2 2000—2020年三峡库区（重庆段）土地利用变化情况Table 2 Land use changes in the Three Gorges Reservoir area(Chongqing section)from 2000 to 2020

2000—2010年，林地、水域、建设用地面积增加，增加量为林地＞建设用地＞水域；耕地及草地面积减少（图3），减少量分别为34.04 km2、1 136.59 km2（表3）。该时段内耕地、草地动态度均为负值，这源于耕地、草地大量转为林地，转移面积分别高达1 534.02 km2、1 798.09 km2，虽然林地也向耕地、草地等地类转化，但转出面积低于转入面积。

图3 2000—2010年、2010—2020年、2000—2020年土地利用转移矩阵示意图Fig.3 Schematic diagram of land use transition matrix in 2000—2010,2010—2020 and 2000—2020

表3 三峡库区（重庆段）土地利用转移矩阵Table 3 Land use transfer matrix in the Three Gorges Reservoir area(Chongqing section)单位：km2

2010—2020年，草地、建设用地、水域、未利用地增加，建设用地增幅最大；林地、耕地面积减少，耕地面积减少高达1 382.54 km2（表3）。该时段内耕地及林地动态度均为负值，分别为-0.66%、-0.05%，这源于耕地大量转为了林地和建设用地，林地则主要转化为耕地和草地。

总体来看，近20年来，库区林地、水域、建设用地、未利用地面积增加，其中建设用地呈爆发式增长，增幅高达349.31%；耕地、草地面积减少，降幅分别为6.77%、24.07%。耕地、草地动态度整体表现为负值，源于耕地大量转为林地和草地，转移量分别为1 331.97 km2、477.86 km2，与“退耕还林还草”政策的实施关系密切；水域、建设用地一直呈增加趋势，动态度分别为1.82%、17.47%，水域增加区沿江扩展，这与三峡库区蓄水密切相关。由于三峡库区开发建设活动带来的城市的快速扩张，耕地空间被大量侵占，其中耕地转为建设用地的量高达1 284.12 km2，尤其是西部城市区域，建设用地扩张趋势极其显著。

3.2 生境质量时空变化分析

3.2.1 生境质量指数变化

生境质量指数为0～1，值越接近于1则区域生境质量越好。2000年、2010年、2020年三峡库区（重庆段）生境质量指数均值分别为0.902 0、0.882 9、0.803 1，呈显著降低趋势，20年间降幅达11%。由于库区内生境质量高值区集中于中部、北部山区，低值区主要位于库区西部渝中、江北等主城区（表4）。2000—2010年，三峡库区（重庆段）内22个区县中半数区县的生境质量指数呈增加趋势，生境质量提高区域分布于库区北部山地，其中增幅最大的区县为长寿，云阳次之；而生境质量呈降低趋势的区县位于库区西部地区，降幅最大的区县为渝中，降幅达28.32%，大渡口次之。2010—2020年，三峡库区（重庆段）内22个区县生境质量指数均降低，降幅各异，降幅最大的区县为江北，降低近40%；降幅最小的为巫山，仅降0.30%。2000—2020年，仅云阳、巫山、奉节、巫溪4个县的生境质量指数呈略微增加态势，但增幅均不足1%；其余18个区县均呈降低趋势，以渝中为中心的区域生境质量指数降低尤为明显（见表4）。

表4 2000—2020年三峡库区（重庆段）各区县生境质量指数平均值Table 4 Average value of habitat quality index of each district and county in the Three Gorges Reservoir area(Chongqing section)from 2000 to 2020

3.2.2 生境质量等级的面积变化

基于InVEST模型得到的三峡库区（重庆段）2000年、2010年、2020年三期生境质量结果，利用ArcGIS平台中的自然断点法将其分为差、较差、中等、较优、优5个等级（图4、表5）。

图4 2000年、2010年、2020年生境质量的等级示意图Fig.4 Schematic diagram of the grades of habitat quality in 2000,2010,and 2020

表5 2000—2020年各等级生境质量面积统计Table 5 Areas of various levels of habitats from 2000 to 2020单位：km2

从时间尺度看，2000—2010年，差、较优、优等级面积呈增加趋势，而较差和中等等级面积减少，出现了低质量向优质量转化的态势，库区生境质量呈向好趋势发展。2010—2020年，等级为中等、较差、差的呈增加趋势，增幅分别为4.22%、18.94%、206.99%，较优、优等级减少，出现优等级向差的转化，三峡工程开发建设活动及库区移民的活动使得境内二、三产业快速发展，建设用地大量侵占耕地、林地空间，建设用地激增1 237.51 km2，增幅高达2倍，城市的快速扩张导致库区生境质量骤减。

从空间分布看，库区三期生境质量整体呈现为“东高西低、南高北低”的格局。三期生境质量优等级主要分布于库区北部山区及区内各山系，如南部七曜山、方斗山及西部的铜锣山、缙云山等，这些区域主要以林地为主，且周围水系遍布，生物多样性丰富；较优等级呈连片式分布，集中于库区以北区域，主要地类为耕地；中等级分布由满天星式分布向集中式转变，集中分布于涪陵及丰都以南、武隆以北地区，其中北部以云阳为中心的周围几个区县中等级逐渐演变为较优及优等级，生境质量提高，得益于退耕还林还草政策的实施；较差及差等级主要分布于库区西部城区及各区县城区，是三峡工程建设及城镇扩张导致建设用地增加的主要区域，且随着三峡工程的持续建设及经济的发展，人类活动逐渐由地势平坦的渝西地区向地势较高的北部山区蔓延，生境质量较差、差等级呈扩张式发展，两者面积占比由1.64%增至4.77%。

总体来看，生境质量与土地利用类型关系密切，不同地类的生境质量有着较大的差异，研究时段内三峡库区（重庆段）生境仍以等级较优、优为主，面积占比近90%，长期处于稳定状态，库区生境质量整体水平较高，空间上主要分布于库区山地区域，这些区域主要以林地为主。生境质量整体表现为衰退趋势，较差及差等级扩张趋势明显，集中于人类活动剧烈、经济发达地区，这些区域主要以建设用地为主。

3.3 生境质量等级转移分析

利用转移矩阵方法构建生境质量等级转移矩阵，并与土地利用转移矩阵进行叠加，识别出各年间生境质量等级的变化与土地用地类型转移的情况。

3.3.1 生境质量等级不变情况

2000—2010年，等级不变的面积为39 968.37km2，占库区总面积的86.43%。其中，差等级面积为312.07 km2，分布于长江沿线各区县城区建设用地上；较差、中等面积分别为77.58 km2、1 811.50 km2，主要集中于草地，前者呈零星式分布于库区，后者多集中分布于南、北部山区；较优等级面积为11 738.51 km2，呈集中连片式分布于库区中西部耕地（11 403.93 km2）、林地（157.44 km2）上，较优等级内地类转变情况较多，如耕地转为林地、水域转为耕地等；优等级面积为26 028.71 km2，以林地（16 949.11 km2）为主，耕地（5 951.47 km2）次之，前者集中于库区大巴山、明月山、七曜山等山系，后者遍布库区。

2010—2020年，等级不变的面积为38 972.60 km2，较上一时期减少近1 000 km2，除差等级外，其余等级空间格局与上期相比整体变化不大，差等级仍集中于长江沿线各区县城区建设用地，但西部以渝中为中心呈现扩张态势。其中，差等级面积较上期增加249.24 km2；较差、中等仍集中于草地，但面积分别较上期减少了7.69 km2、305.64 km2；较优等级面积为10 837.33 km2，较上期增加了6 298.82 km2，以耕地（10 454.67 km2）为主；优等级面积为25 998.19 km2，占等级不变总面积的66.71%，以林地（17 149.43 km2）、耕地（5 197.57 km2）为主。

3.3.2 生境质量等级降低情况

从时空角度看，2000—2010年，生境质量等级降低的面积仅2 841.71 km2，占比不足总面积的7%。其中，变为差等级的面积仅285.78 km2，主要分布于西部大渡口、九龙坡、渝北地区以及北部万州；变为较差等级的面积为231.64 km2，包含了中等、较优及优3个等级向较差等级的转变，转移总面积149.25 km2，而优转较差面积达134.46 km2；变为中等级的面积为1 285.45 km2，由较优转中等级及优转中等级组成，以优转中等级（1 230.45 km2）为主；优转为较优等级的面积为1 038.84 km2。2010—2020年，生境质量等级降低的面积为4 620.25 km2，较上期增加1 778.54 km2，增幅超过60%。其中，变为差等级的面积约为上期的4.5倍，以较优转差为主，退化面积达987.20 km2，集中分布于西部城郊地区；变为较差的等级包括中等、较优及优3个等级，呈零星式分布，转移面积分别为 45.81 km2、102.80 km2、149.20 km2；转为中等级的面积为1 726.29 km2，以优等级转中等级（1 543.88 km2）为主；优转为较优等级1 322.10 km2，较上期增加283.26 km2。

从土地利用角度看，生境退化区域中变为差等级的区域土地利用类型变化主要表现为耕地转为建设用地；变为较差等级的区域主要源于耕地转为草地；变为中等级的主要是耕地、林地转为草地，且林地转草地占据主导地位；优转为较优的区域主要在耕地上。总体来说，研究时段正处于三峡工程建设中后期，库区蓄水淹没大量耕地，输变电、枢纽等工程的建设侵占了大量林地、耕地，耕地、林地减少，在自然地形及人类活动的双重干预下，致使库区生境质量呈现退化趋势，退化区域与土地利用变化情况高度吻合。

3.3.3 生境质量等级变好情况

从时空角度看，2000—2010年，生境质量等级变好的面积为3 431.15 km2，约占总面积的7.42%。其中，由差转为较差仅2.02 km2；转为中等的面积28.88 km2；转为较优等级的面积为213.23 km2，以较差转较优（105.94 km2）为主；转为优等级面积高达3 187.02 km2，以中等转优（2 257.35 km2）为主，分布于库区山地区域，北部山区尤为突出。2010—2020年，生境质量等级变好的面积为2 648.40 km2，较上期减少22.81%。其中由差转为较差仅2.49 km2，较上期有所增加；转为中等级面积25.66 km2，较上期减少3.22 km2；转为优等级面积达2 464.83 km2，超过该时段变好总面积的93%，但较上期减少722.19 km2，分布于长江以南山系及中北部山区，由差、较差、中等、较优转为优等级面积分别为16.62 km2、113.13 km2、1 454.24 km2、880.84 km2。

从土地利用角度看，生境质量呈变好趋势的区域中由差转为较差的土地利用类型变化主要表现为建设用地向林草地的转变；由差、较差转为中等级的区域主要位于草地上；转为较优等级的主要源于草地向林地、耕地的转变；转为优等级的主要地类体现为草地向林地的转变。整体来看，生境质量变好的区域主要分布于远离城市的山区，这是由于库区长期开展的退耕还林还草工程、调整产业结构及扶贫搬迁等工作，实施生态修复工程，改善生态环境，提高了生境质量。

图5 2000—2010年、2010—2020年生境质量等级转移矩阵示意图Fig.5 Schematic diagram of habitat quality grade transition matrix from 2000 to 2010 and from 2010 to 2020

4 讨论

生境质量是提升区域人类福祉的关键，对维护区域生态安全、维系区域生物多样性水平、实现区域可持续发展至关重要。近20年来，长江沿线的社会经济高速发展，建设用地呈爆发式增长，城市区域生境质量衰退趋势显著，特别是2010年后，生境质量指数急剧下降。据统计，2020年重庆市常住人口较2010年增长超11%，建设用地增加近3倍，生境质量指数下降近10%，可见经济社会发展过程中城市扩张导致的人地矛盾是影响库区生境质量的重要因素之一。三峡库区（重庆段）作为全国重要的淡水资源储备库和生态功能区，生态安全问题不容忽视。生境质量的下降警示我们在发展经济的同时一定要统筹好城市发展与生态保护两者的关系，绝不能以影响未来发展为代价谋取当前利益，绝不能以破坏人与自然关系为代价获得表面繁荣。在进行生态保护、生态修复工程时应重点关注生境质量退化区域，特别是库区西部城区，同时减少对林地等自然景观的破坏，维护好高质量地区生态环境，以生态优先、绿色发展的新路子筑牢长江上游重要生态屏障。本文虽从多角度分析了研究区生境质量时空变化情况，但也存在不足之处：就InVEST模型而言，本研究选取的威胁源较少，且其影响范围、权重存在主观上的差距，因此，研究结果精确性还有待探讨。同时，本文仅从土地利用变化角度分析了生境质量指数变化情况，未能定量分析其影响因子，未来应结合库区特殊的地形条件从定量角度深入剖析生境质量退化的内在机制，为区域生态保护、生态修复提供明确方向。