基于InVEST模型的吉林省生境质量评价

赵博轩，李淑杰，马 剑，高振君，张 钧，曹秀凤

(吉林大学地球科学学院，吉林 长春 130061)

生境(habitat)一词最早由美国学者Grinnell提出，其定义是生物出现的环境空间范围，而生境质量(habitat quality)是指其在有限的时间和空间中为个体和种群提供适宜生存条件的能力.目前，日益频繁的人类活动严重改变了区域土地利用强度及利用方式，进而影响物质流、能量流在生境斑块之间的循环过程，给区域生境质量及生态环境保护带来了巨大压力.因此，研究土地覆被与生境质量变化之间的关系对保护土地资源、提高区域生境质量来说有着重大意义.

至今，国内外学者针对生境质量开展了大量研究，研究结果随着3S技术的广泛应用而逐渐定量化、可视化和精细化，主要应用的研究模型有InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型、HSI生境适宜性模型[1]和MAXENT模型[2]等，其中InVEST模型应用最为广泛，在国外已经成功应用于美国、厄瓜多尔、科特迪瓦、加纳等多个国家区域生态系统价值评估过程中[3-5]；在国内，诸多学者也将其应用到黑龙江省[6]、甘肃省[7]、合肥市[8]、北京市通州区[9]、粤港澳大湾区[10]、嫩江流域[11]等区域，进行了诸如土地覆被变化、生境退化度、生境质量空间格局、时空演变分析等方面的研究.

吉林省地处中国东北部，是边疆近海省份，地处享誉世界的“黄金玉米带”和“黄金水稻带”，是我国重要的生态屏障[12].近年来，随着吉林省城市规模的不断扩大，城市化进程不断加剧，吉林省生境质量也受到了一定程度的影响.因此，摸清吉林省生境质量的具体情况，对吉林省生境质量进行系统分析，对加快建成生态强省，实现吉林省转型升级及高质量发展有着重要作用.

本文首先对2000—2020年间吉林省土地覆被利用数据进行了处理，构建土地覆被转移矩阵，从时间和空间两个角度分析了吉林省土地覆被变化情况；其次基于InVEST生境质量(Habitat Quality)模块，结合ArcGIS平台，对吉林省相关矢量、栅格数据进行叠加，设置相应生态参数，计算得到吉林省生境质量结果，分析了吉林省生境质量的空间分布特征及空间变化情况，总结了吉林省2000—2020年间土地覆被变化对生境质量所造成的影响，以为吉林省今后的生态修复规划编制及可持续发展政策制定提供参考.

1 研究区概况

吉林省地处东经121°38′～131°19′、北纬40°50′～46°19′之间，处于日本、俄罗斯、朝鲜、韩国、蒙古与我国东北部组成的东北亚几何中心地带(见图1).地貌形态差异显著，地势由东南向西北倾斜，呈现明显的“三大板块”特征，山地面积占总面积的36%，丘陵和台地占34%，平原占30%.境内大小河流众多，分属松花江、辽河、鸭绿江、图们江、绥芬河5大水系.湿地资源丰富，向海湿地、莫莫格湿地、通化哈尼湿地等均为国际重要湿地.近年来，吉林省不断扩大的城市规模对吉林省生态环境产生了一定的负面影响，生态保护与生态修复工作刻不容缓.

图1 2020年吉林省遥感影像及位置示意图

2 数据来源

本文采用了2000年、2010年和2020年吉林省土地利用覆被数据，数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http；∥www.resdc.cn)的中国土地利用遥感监测数据.该数据集(CNLUCC)是以美国陆地卫星Landsat遥感影像数据作为主信息源，通过人工目视解译获取的，空间分辨率为1 km，地理坐标系为GCS_WGS_1984，投影坐标系为Albers正轴等面积割圆锥投影.土地覆被类型包括耕地、林地、草地、水域、建设用地(城乡、工矿、居民用地)及未利用土地6个1级类型及25个2级类型(见表1).其中吉林省未涉及的地类包括：水域中永久性冰川雪地和滩涂及未利用土地中戈壁和其他未利用土地.吉林省遥感影像数据来源于2020年谷歌影像数据库.

吉林省边界等矢量数据来自于OSGEO数据集，各矢量数据空间参考与土地利用覆被数据保持一致.在ArcGIS平台中进行与数据相关的地理配准、裁剪、合并、消除、叠加、属性表赋值、分类以及分区统计处理；在InVEST生境质量(Habitat Quality)模块中进行运算，所需各类参数来源于国内外已有研究成果及相关领域专家打分.其他数据统计及计算等均在Excel工具中完成.

表1 土地覆被分类

3 研究方法

3.1 土地覆被变化

在ArcGIS平台中，将2000年和2020年吉林省土地利用覆被栅格数据进行矢量化处理，随后将这两期土地利用覆被数据进行融合叠加计算，得出相应土地利用覆被转移矩阵，利用该矩阵计算出各土地类型相互的转化方向和面积.为进一步了解土地覆被动态变化的强度，在此基础上，采用转移概率矩阵模型，计算公式如下：

(1)

式中：Sij为土地覆盖类型i转变为土地覆盖类型j的面积；Pij为土地覆盖类型i转变为土地覆盖类型j的概率；n为土地覆盖类型的数量.

3.2 InVEST生境质量模型

InVEST生境质量模块通过结合景观类型敏感性和外界威胁强度进行综合计算，在考虑胁迫因子的影响距离、空间权重及土地受法律保护程度等因素的前提下，将生境质量视为一个连续的变量，在进行评估时充分考虑了土地覆被方式和土地覆被格局变化对生境质量的影响.计算公式[13-15]如下：

(2)

式中：Dxj为生境类型j中x栅格的生境退化度；R为威胁源个数；Wr为威胁源r的权重；Yr为威胁元的栅格数；ry为栅格y的胁迫值；βx为威胁元对栅格x的可达性(根据其受法律保护程度确定βx的取值为0～1之间)；Sjr为生境类型j对威胁源r的敏感度；irxy为栅格y的胁迫值ry对栅格x的胁迫水平，分为线性衰减和指数衰减两种：

(3)

(4)

式中:dxy为栅格x与栅格y的直线距离；drmax为威胁源r的最大胁迫距离.

生境质量计算公式为

(5)

式中:Qxj为生境类型j中x栅格的生境质量指数；Hj为生境类型j的生境适宜度(0≤Hj≤1)；k为半饱和常数，取最大生境退化度的一半，一般设为0.5；z为归一化常量，一般取2.5.

本文应用InVEST 3.8.9版本进行生境质量模型运算，参考国内外相关文献[16-18]，并结合吉林省的实际情况，在ArcMap 10.5平台中对3期吉林省土地利用覆被数据进行矢量化、重分类、栅格计算、数据汇总等一系列处理，将选中的地类赋值为1，其余地类赋值为0，结合吉林省实际情况，提取出耕地、城镇用地、农村居民点、其他建设用地、盐碱地和裸土地这6种地类作为威胁源，确定相关最大胁迫距离、权重和衰减类型(见表2)，其余不同类型的生境适宜度和对胁迫因子的敏感度见表3.

表2 威胁源最大胁迫距离、权重及衰减类型

表3 土地利用类型对威胁因子的敏感程度

4 研究结果

4.1 吉林省土地覆被变化情况分析

由表4可见，吉林省各土地覆被类型中，面积占比最大的是林地，占总面积的44.05%；其次是耕地，占40.12%；草地、水域、建设用地及未利用地面积占比相对较小，突出了吉林省作为“生态屏障”和“粮仓”的特点.2000—2020年这20年间，吉林省土地覆被变化较为明显，其中耕地与建设用地面积占比逐年上升，林地、草地、水域、未利用地则呈现出逐年下降的趋势.其中增幅最大的是建设用地，面积占比由2000年的3.48%增长到2020年的4.19%，增幅高达20.44%；降幅最大的是草地，由2000年的4.11%减少到2020年的3.50%，降幅超过14%.耕地面积略有增加，由原来的39.55%增长到40.12%，证明这20年间吉林省的耕地保护相关工作，尤其是数量保护工作落实情况较好.未利用地由2000的年6.05%减少到2020年的5.93%.水域面积也有较大幅度的减少，降幅达到了12.54%.得益于吉林省天然林保护修复政策，林地面积基本维持原状.

表4 2000—2020年吉林省土地覆被变化情况

4.2 各土地覆被类型间相互转化情况分析

由2000—2020年吉林省土地覆被变化转移矩阵(见表5)及图2、图3可以看出，吉林省土地覆被最为主要的转化特征是草地、水域向其他覆被类型的转出，及其他覆被类型向建设用地的转入.20年间，前4种土地覆被类型均向未利用地发生了转化，其中水域向未利用地转入了922.3 km2，是水域面积发生明显变化的主要因素之一，这也证明在2000—2020年间吉林省水环境质量出现了退化.草地面积减小的主要原因是草地向耕地、林地及建设用地的转化，其中草地向耕地净转入756.13 km2，约占草地总面积的11.35%；草地向林地转入1 709.09 km2，同时林地向草地转出1 237.95 km2.而快速增长的建设用地面积则主要来自于大量占用耕地及未利用地，耕地向建设用地净转入1 135.8 km2，占建设用地增加面积的83.96%；林地向建设用地转入677.89 km2，未利用地向建设用地转入217.50 km2.其余几种覆被类型之间的相互转化面积大致相同.

表5 2000—2020年吉林省土地覆被变化转移矩阵

图2 2000—2020年吉林省土地覆被类型空间分布图

图3 吉林省耕地、林地、草地及水域转化情况

4.3 吉林省生境质量变化情况分析

将2000，2010，2020年吉林省土地利用覆被数据、威胁源数据、敏感度表格导入InVEST Habitat Quality(生境质量)模块运行模拟，得到3期吉林省生境质量分布图，并计算各时期生境质量平均值.为了更加直观地展示出各时期的生境质量情况并将其进行对比，本文对3期吉林省生境质量数据进行了分区统计，使用“自然断点法”将其分成“优秀”(1～0.8)、“良好”(0.8～0.6)、“中等”(0.6～0.4)、“较差”(0.4～0.2)、“差”(0.2～0)共5个等级，并统计了各时期各级的占比，结果见表6.

表6 2000—2020年间吉林省各等级生境质量占比变化情况

4.3.1 吉林省生境质量等级占比变化

总体来看，吉林省生境质量中“优秀”及“较差”等级生境的占比较大，分别占到吉林省总面积的47.05%和35.76%；最低等级“差”的生境占比相对较小，仅有4.62%.2020年吉林省平均生境质量为0.672 2，处于“良好”等级.平均生境质量2000年为0.674 9，2020年降低为0.672 2，证明这20年间吉林省生境质量出现了小幅度的退化.导致吉林省平均生境质量下降的主要原因在于“良好”及“中等”等级占比的减少.其中“良好”等级生境下降最多，从最初的4.39%减少为3.23%，降幅达到26%；“中等”等级占比亦减少了0.63%，这两个等级的减少部分几乎全部转化为了“较差”及“差”的等级，20年间“较差”等级占比增长了1.11%，“差”等级的占比增幅达到了16.9%，可以看出，导致吉林省生境质量发生退化的主要原因并非“优秀”等级不断恶化，而是大量的“良好”及“中等”等级地块的生境质量持续下降.此外，2000—2010这10年间，“较差”及“差”等级不断向“中等”及“优秀”等级转化，吉林省平均生境质量也由0.674 9增加到0.677 4，这10年间吉林省生境质量是逐步提升的，证明吉林省生境质量退化现象主要发生在2010—2020年间.

4.3.2 吉林省生境质量空间分布情况

由图4可见，吉林省生境质量主要呈现出东南高、西北低的空间特征，以吉林省中部大黑山脉为分界线，生境质量等级由东南向西北递减.“优秀”等级地块主要集中于吉林市中北部(永吉县、蛟河市、舒兰市)，通化市南部(通化县、集安市)，白山市全境，延边朝鲜族自治州东部(珲春市、和龙市、汪清县、安图县).这些区域均位于吉林省东部长白山地，平均海拔500～900 m，境内河湖水系广泛分布，且森林覆盖度较高，因此生境质量较高.“良好”等级地块集中出现在松原市附近(前郭县、长岭县)，该区域湿地资源丰富，包括查干湖、哈达山省级湿地公园在内的泡沼众多，是该区域生态环境较好的主要原因.“中等”等级地块则主要出现在白城市中部(镇赉县、大安市)，长春市东北部(德惠市、九台市)，四平市西部(双辽市)，这些区域均存在较大面积的未利用土地，因此生境质量等级普遍不高.“较差”等级分布较为广泛，主要出现在长春市中南部(农安县、德惠市、公主岭市)及四平市中部(梨树县、伊通满族自治县)，这些区域地处吉林省中部高平原，土地利用类型以耕地为主，且自20世纪60年代以来，土地沙化、土地盐碱化程度不断加剧，这些原因直接导致了该区域较低的生境质量.“差”等级地块则出现在各地级市的行政中心及白城市中北部(镇赉县、通榆县)，大面积集中连片的建设用地及较为频繁的人类活动是导致这些区域生境质量低下的重要原因.

图4 2000—2020年吉林省生境质量空间变化情况

4.3.3 吉林省生境质量空间变化情况

将2000年、2020年两期生境质量空间分布数据运用Raster Calculator工具进行叠加相减计算，得到20年间吉林省生境质量变化情况.计算结果取值-1～1，值越接近-1，证明该地区生境质量退化情况越严重，反之则表明其生境质量有所改善，为0则证明该区域生境质量未发生较大变化.

由图4可见，吉林省绝大多数区域生境质量并未发生明显改变；长白山风景区、白山市长白朝鲜族自治县西南部、吉林市永吉县中部、长春市九台区东南部等地生境质量有明显提高，变化的主要原因包括：

(1)长白山风景区作为吉林省最为重要的风景名胜及自然保护区之一，省委省政府历来十分重视长白山区域生态环境治理情况.省自然资源厅开展了长白山区山水林田湖草生态保护修复试点工程，实行最严格的天然林保护措施，并严肃查处毁林种参、非法盗伐等严重破坏长白山区生态环境的行为，投入大量人力、物力、财力，区域生境质量有所提高.

(2)白山市长白朝鲜族自治县是吉林省最主要的木材产地及矿山聚居地之一，20世纪60年代以来，对矿产资源的粗放开发导致了区域生态环境的严重恶化，近年来，吉林省针对采矿业进行了新一轮整治，遵循“谁开发、谁保护、谁破坏、谁恢复”的原则，大力推进绿色矿山建设，并制定了矿产资源保护性开发政策[12]，因此相关区域生态环境得以改善，生境质量有所提高.

(3)吉林市永吉县、长春市九台区针对区域内生态环境恶化问题，自2018年起开展了蓝天保卫战、绿水保卫战等多个生态修复重大项目，针对松花江水体污染问题、畜禽养殖污染问题等出台多项政策法规，积极治理的成果在生境质量改善方面得到了体现.

(4)自2016年起，中央生态环境保护督查组多次进驻吉林省，处理群众举报案件6 000余件，以辽河流域水污染防治问题、建筑违法建造问题为重点，全力以赴推进问题整改，并针对整改情况开展“回头看”行动.在督导组的大力推进下，辽河流域水质恶化问题得到初步遏制，群众生态环境保护意识逐渐增强，对辽河流域生境质量提升有着巨大贡献.

与此同时，吉林省部分区域生境质量也有着不同程度的下降，主要集中在包括长春市在内的各城镇行政中心、延边州安图县中部及白城市镇赉县等.生境质量下降的主要原因有以下几点：

(1)长春市及其他城镇行政中心出现生境质量退化的主要原因是2010—2020年间吉林省经济发展势头较为迅猛，建设用地急剧扩张.例如，长春市以“长春经济圈为引领”“一主六双”产业布局为战略导向，成立了“中韩国际合作示范区”“长春空港经济开发区”等诸多新开发区，侵占了城市周边的耕地以及原本生境质量较高的林地、草地及水域；大量的工业工厂聚集也对周边地区生态环境产生了很大影响，因此这些区域的生境质量出现了较大幅度的退化.

(2)由图2可知，延边州安图县及白城市镇赉县在2000—2020年间出现了较大面积的土地覆被变化.其中，安图县主要的转化为林地、草地向耕地转化，镇赉县则主要是草地向耕地转化，大面积的林、草地被开垦成为耕地对区域生态系统产生了极大影响，也因此导致了这些区域生境质量的下降.

(3)白城市镇赉县东部月亮泡附近区域生境质量退化幅度最大，主要原因是频繁的人类活动直接引起了较大面积的湿地退化为未利用地，对当地气候、水文、生物多样性等均产生了严重影响，直接导致了月亮泡附近地区生境质量的急速恶化.

5 结论与讨论

本文首先基于遥感影像及土地覆被类型转移矩阵，从数量变化和空间变化两个角度对2000—2020年间吉林省土地覆被动态变化进行了综合分析；其次应用InVEST模型生境质量模块，确定了6类威胁源，分别计算了2000年、2010年、2020年吉林省生境质量，系统阐述了吉林省生境质量的空间分布特征及20年间吉林省生境质量的变化情况；最后结合土地覆被类型变化，探究了吉林省生境质量发生变化的根本原因.研究结果对未来吉林省相关规划编制、重塑吉林省生态环境具有重要意义.研究结论如下：

(1)2000—2020年间，吉林省土地覆被类型发生了较大程度的变化，主要是草地、水域面积减少及建设用地面积的大幅度增加.20年间，草地面积占比由最初的4.11%减少到3.50%，其中草地向耕地转入2 270.56 km2，向建设用地转入138.67 km2，这是导致草地面积减少的两个最主要原因；水域面积降幅则达到12.54%，主要原因是有922.3 km2的水域转化为了未利用地，大面积的湿地、湖泊发生了环境退化；建设用地面积增加了1 352.67 km2，其中耕地向建设用地净转入1 135.8 km2，占建设用地增加面积的83.96%，这主要是由于随着长春市“一主六双”高质量发展战略的全面铺开，吉林省正处于全面、全方位振兴的关键阶段，自2010年以来，制造业、高新技术产业等二、三产业占区域生产总值比重快速上升，大量耕地及其他利用类型的土地被用于建造工业聚集区、居民区以及商业聚集区，在很大程度上造成了吉林省生境质量的下降；耕地面积略微增加，证明20年间吉林省耕地保护工作落实情况较好，但毁林毁草开荒的现象仍然存在；林地、未利用地面积微量减少，稳定性较好.

(2)吉林省生境质量呈现东南高、西北低的空间特征，不同土地覆被类型与生境质量等级的空间分布之间有着一定关系，吉林省东南部有大面积的林地及自然保护区，“优秀”等级生境广泛出现；“良好”等级生境出现在河湖湿地面积广阔的松原市；“中等”等级生境主要出现在未利用土地的聚集区；以耕地平原为主的地貌类型及自20世纪60年代以来日益严重的“三化”问题，导致“较差”等级生境主要出现在中部；“差”等级生境则集中出现在各城市的行政中心及建设用地集中连片的区域.

(3)2000，2010，2020年吉林省平均生境质量分别为0.674 9，0.677 4，0.672 2，均处于“良好”等级，生境质量状况相对较好，且呈现出先上升后下降的趋势.其中2000—2010年间“差”“较差”等级生境不断向“优秀”“良好”及“中等”等级转化，使得吉林省平均生境质量有所上升，证明这10年间吉林省生态保护、生态修复工作落实情况较好.而从2010—2020年，“优秀”等级生境占比较2000年未发生较大波动，导致吉林省平均生境质量下降的原因主要是“中等”“良好”等级退化为了“较差”“差”等级.因此在下一步的规划及政策制定过程中，应更加重视对湿地、草地及未利用土地等用地类型的保护.

(4)2000—2020年间，生境质量得到改善的区域主要集中在吉林市、白山市，省委省政府的高度重视、全面推进吉林省绿色矿山建设以及中央环保督查组的多次进驻，使得这些区域的生境质量得到了较大改善.生境质量恶化的区域则出现在各城镇行政中心、白城市及延边州，引起生境质量退化的最主要原因仍是土地覆被类型的变化.湿地退化、毁林毁草开垦及建设用地的急剧扩张进一步导致了这些区域生境质量的下降.

虽然InVEST模型存在一定的局限性，但其为大尺度区域研究提供了相对较好的平台，为地区规划编制提供了一定的科学依据.本文在应用InVEST模型的过程中，相关模型运行参数的设置和选择均参考InVEST用户使用手册及相关文献，并根据吉林省实际情况进行了一定的调整，由于吉林省内部不同地区情况各异，统一的参数设置可能导致模型不能够精准反映区域生境质量特点的问题；此外，目前针对小尺度区域的研究仍有待进一步讨论.