基于InVEST模型的太原市土地利用变化对生境质量的影响研究

赵蓉 司奕坤

(太原师范学院地理科学学院，山西 晋中 030600)

生境质量可为个体和物种提供合适的环境条件[1],土地利用变化在一定程度上影响着区域生境分布格局和功能[2]。城镇化进程使得生境质量面临的压力日益增大,城市扩张对土地资源的需求量日益增大,不仅改变着城市的用地类型,也不可避免地影响着生态用地的规模,从而导致区域内的生境质量下降等一系列问题。因此,探究土地利用变化视角下的区域生境质量,可获得该区域土地利用方式和利用程度的变化情况,以及生态环境的变化趋势,对研究生物多样性及其保护具有重要价值,有利于维持生态系统的平衡发展,可为区域土地的可持续合理利用提供参考。

近年来,国内外许多学者在土地利用变化对生境质量影响方面开展研究。研究方法有CA-Markov、ARIES、InVEST模型等评价方法,由于InVEST模型对数据量需求量较低、易操作、可视化强,被广泛使用。一系列基于InVEST模型对生境质量的相关研究应运而生,如杨洁等[3]探讨了黄河流域的生境质量时空演变情况及其影响因素；梁晓瑶等[4]对黑龙江省的生境质量空间格局和影响因素进行分析；杜世勋等[5]研究了山西省生物多样性功能；陈妍等[6]对北京市的土地利用格局变化对生境质量的影响展开研究；包玉斌等[7]的研究区域为陕西省黄河湿地保护区。从以上研究可以看出,InVEST模型常被用于国家、流域、省域、城市、县域以及保护区等多个尺度。现有的研究大多集中在生境质量的时空演变和其他因素对生境质量的影响,其中以土地利用变化为主。研究区域多为沿海地区或一些热点城市。

太原作为能源城市,在工业建设和经济发展中起了重要的作用,但由于对生态环境保护的认识不够,过分强调经济发展而忽略了环境保护。尤其是近年来太原市城市化发展迅速,城市用地的不断扩张对生态用地产生了巨大的压力。本文通过分析土地利用的时空变化特征,从土地利用变化入手对太原市20a的生境质量变化进行研究,为调整优化太原市土地利用格局、保护区域生态环境等方面提供一些参考。

1 研究区概况

太原市(E111°30′～113°09′,N37°27′～38°25′),土地面积6909km2,行政范围包括6区2县1市。太原市地处山西省中北部,太原盆地内,西、北、东3面环山,汾河自北向南纵贯全境。气候属温带大陆性气候,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥。据七普统计,太原市总人口约为530万人,跟六普相比,增幅大约为26%,城市化进程明显加快。

图1 太原市区域概况

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源与方法

数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所[13],选取的是2000年、2010年、2020年1∶10万的土地利用数据,根据研究区实际,建立土地利用类型二级分类体系,见表1。

表1 土地利用分类体系

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用变化分析

计算太原市土地利用类型面积,图层叠加后得土地利用类型转移矩阵,可掌握研究区各阶段损失转移的方向和比例。

2.2.2 InVEST模型生境质量模块

InVEST模型是一种综合评价模型[8]。本研究运用“Habitat Quality”模块。通过计算获取该地的生境质量,进而评估太原市土地利用变化对生境质量的影响。

在运行生境质量模型前,需要先对图层数据进行预处理,模型需输入5类数据。参照陈妍等[6]、吴健生等[8]的研究并结合实地情况,本研究选取5类作为威胁源,并设置权重和最大影响距离,见表2。结合相关参考文献和手册,确定生境适宜度和敏感程度,见表3,k值设0.5。

表2 威胁源的最大影响范围及权重

表3 不同土地利用类型对各威胁源的敏感度

生境退化度由对威胁源的计算而得,生境质量的计算在生境退化度的基础上综合生境适宜性而得。生境对威胁因子越敏感,则该地的生境退化程度就越大。生境退化度(Dxj)公式:

式中,r为威胁因子；R为威胁因子总量；YR为威胁因子R图层中的栅格总和；Wr为威胁因子权重；ry用于确定栅格y是否为威胁因子r的来源地；irxy为生境与威胁因子之间的距离函数；Sjr表示土地覆被类型j对于威胁因子r的敏感性。则生境质量(Qxj)公式:

式中,Hj为土地利用j的生境属性；z为归一化指数,其参数为模型默认值。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化

耕地、林地和草地为太原市2000—2020年主要的地类,见表4。2000—2010年,林地和建设用地面积增加,建设用地增幅最大,为84.66%；林地增幅为4.90%。其他4类均有不同程度的减少,其中耕地和草地减幅分别为12.95%和7.38%。水域和未利用地减少了12.22km2和0.68km2,因基数较少,减幅为13.79%和24.73%。

表4 太原市各土地利用类型面积

2010—2020 年,草地、建设用地和水域面积增加,且增幅为0.60%、0.47%和0.41%,草地增幅最大。耕地、林地、未利用地面积减少面积约为22.93km2、2.19km2、0.99km2。其中未利用地基数较少,减幅面积最大,为47.83%。耕地和草地减幅为1.21%和0.09%。

20a间,太原市的建设用地和林地持续增加,且建设用地增量最大,增加了341.36km2。其他用地类型都有不同程度的减少,其中耕地资源减少明显,减少了305.87km2。总之,太原市这一时期土地利用变化的特点为建设用地增加和耕地资源逐渐减少。

为深入了解太原市土地利用在这一时期的转化情况,构建土地利用转移矩阵,见表5、表6。2000—2010年,耕地中有57.17%处于稳定,减少的耕地主要转为林地、草地和建设用地,所占比例分别为9.43%、19.38%和13.12%,从转化情况可反映出耕地受到退耕还林还草以及建设用地扩张的影响。林地保留了78.48%,其转出类型主要为耕地和草地,所占比例为6.95%和12.62%。草地中有54.22%保持稳定,主要转出21.53%的耕地和19.95%的林地,以及3.89%的建设用地。建设用地扩张明显,约80.17%处于稳定状态,但约15.17%转为耕地,这可能与废弃宅基地以及工矿废弃地的复垦有关。水域有48.57%处于稳定,主要转出为耕地和草地,所占比例为20.33%和17.36%。未利用地基数最小,但向建设用地转出了49.10%。

表5 2000—2010年太原市土地利用转移矩阵

表6 2010—2020年太原市土地利用转移矩阵

2010—2020年,耕地中有64.55%处于稳定,减少的耕地主要转为林地、草地和建设用地,分别占8.07%、19.80%和6.76%。林地保留了81.32%,主要转向耕地和草地,所占比例为6.88%和10.71%。草地中有62.26%保持稳定,主要转出20.45%的耕地和14.94%的林地,以及2.02%的建设用地。建设用地74.86%处于稳定,主要转出为耕地、林地和草地,所占比例分别为14.96%、4.39%和5.13%。水域有61.71%处于稳定,对其他地类有不同程度的转移(除未利用地)。未利用地仅31.14%处于稳定,转出的土地主要是耕地、林地和建设用地,分别占12.50%、3.35%和13.08%。

从地类转化总体来看,20a间转化中最稳定的是建设用地和林地,这也反映太原市城市扩张与林地生态保护并行。最明显的是未利用地和水域的转出,尤其是前10a,未利用地向建设用地的转化达到了49.10%,这反映出在建设用地的扩张上未利用地发挥了作用。水域在前10a 48.57%处于稳定,后10a增长为61.71%,这与太原市从2008年实施的千里汾河清水复流工程相关。总之,草地与耕地互为转移,水域和未利用地向其他地类的转化是太原市这个时期内土地利用转移变化的特点。

3.2 太原市生境质量时空变化

根据InVEST模型得到太原市的生境质量图,生境质量高低在模型中表现为0～1的值,数值越高,生境越好。为直观看出太原市的生境质量情况,将生境质量指数分为低、较低、一般、较高、高5个等级,数值分别为0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1,并作可视化处理。

从时间上看,见表7,整体上太原市的生境质量处于一般水平,较低、一般和高生境质量等级约占总面积的90%左右,低生境质量和较高生境质量所占比例较小。较高生境质量和高生境质量20a间变化比例不大,分别增加了0.82%和1.24%。一般生境质量和较低生境质量分别减少了2.72%和4.34%。低生境质量变化比例最大,增加了5.01%。综上,2000—2020年,太原市整体生境质量有所下降。

表7 2000—2020年太原市各等级生境比例

从空间上看,见图2,太原市整体生境质量呈现西部和东北部高、中部和南部低的趋势。太原市的娄烦县、古交市和阳曲县生境质量整体较高,主要分值在0.6以上。清徐县和小店区的生境质量较低,主要分值处于0～0.4。中部5城区的生境两级分化严重,山地边缘的生境质量较高,分值在0.6以上；中部平原在0～0.2,生境质量最低。汾河流经地区,生境质量较高。但距离城镇较近以及位于主要交通网连接处的区域,生境质量等级较低,且零星分布于研究区。

图2 太原市生境质量图

为了直观看出太原市生境质量20a间的变化,运用软件得3个时间段的生境质量变化情况,将不同时间段的生境质量图进行栅格运算,将生境质量变化情况分为变差、不变及变好3类。

从图3可以看出,2000—2010年,生境质量变化剧烈,且出现集中连片区,中部的集中连片区主要为太原市城区迅速扩张的区域,主要向南部的小店区、晋源区和清徐县扩张。变好区域主要集中在东中部的杏花岭区和迎泽区,以及西北部的汾河水库。这反映了汾河水库的治理显著,以及实施的东山生态恢复治理工程,曾经作为垃圾填埋场的杏花岭区和迎泽区生境质量明显变好。2010—2020年,生境质量空间变化不明显,变好面积与变差面积基本持平,无明显的集中区,但空间分布上,西部和中西部的变化较为剧烈,北部和南部的变化区域零星分布。综上所述,前10a生境质量变差的面积较大,且区域较多,变化更为剧烈,后10a变化情况不显著。

图3 太原市生境质量变化图

3.3 生境质量变化原因分析

从变化中可以表明,2000—2020年太原市生境质量发生退化,从土地利用角度看,2000—2020年建设用地的扩大伴随着耕地资源的大量减少,也减少了一定数量的草地、水域和未利用土地面积。尤其是建设用地面积的持续增加,严重威胁着太原市的生境质量,是导致生境质量退化的主要原因。

太原市西部和东北部生境质量较高,古交市、娄烦县和阳曲县多山地,受地形影响对土地利用产生了良好的生态效应。另外,古交市和娄烦县属汾河上游,是黄土高原生态脆弱区。在政府的重视下,汾河综合治理已经大规模地组织实施了4次,因此汾河周边的生境质量较高。太原市中部和南部生境质量较低。中部区域处于太原市城市发展中心地带,经济发展迅速,交通网密集,建用地占比大,人类活动剧烈,因此该区域生境质量差。南部的清徐县和小店区,建设用地迅速扩张,耕地面积大量减少,2016年随着综改示范区太原起步区的规划和建设,生境质量较差。

4 结论与讨论

利用InVEST模型,结合2000年、2010年、2020年的土地利用数据,通过ArcGIS软件分析2个不同时间段的土地利用转移情况,选取耕地、城镇建设用地、农村居民点、其他建设用地和未利用地作为威胁源,通过模型计算获得太原市的生境质量情况进行分析,结论如下。

2000—2020 年太原市建设用地和林地面积不断增加,建设用地增加面积最大,增加了341.36km2。其他用地类型都有不同程度的减少,其中耕地资源减少明显,减少了305.87km2。在土地利用转移中最稳定的是建设用地和林地,草地与耕地互为转移,水域和未利用地大量向其他地类转化。

太原市生境质量空间上看,西部和东北部高、中部和南部低。娄烦县、古交市和阳曲县生境质量整体较高,清徐县和小店区的生境质量较低。零星分布在交通网连接的区域,其生境质量较低。中部城区的生境质量最低。

太原市生境质量整体处于一般水平,且前10a的生境质量变化较为剧烈。较低、一般和高生境质量等级约占总面积的90%左右。较高生境质量和高生境质量20a间变化比例不大,分别增加了0.82%和1.24%。一般生境质量和较低生境质量分别减少了2.72%和4.34%。低生境质量变化比例最大,增加了5.01%。

山西省从2000年开始退耕还林试点,20a间从林地面积的增加可反映出太原市的退耕还林工程取得了一定进展。但建设用地持续扩张大大影响了生物多样性。从生境质量来看,主城区的生境质量退化程度明显,应合理规划城市格局。党的十八大以来,太原市不断加强生态环境保护,从东山、西山进行生态治理和修复,到汾河流域的生态修复。但在未来的规划和治理中,应更加注意保护草地和水域,对建设用地和耕地的扩张实施更加合理的控制措施,优化景观格局,更加努力平衡生态环境建设和城市发展,在注重经济效益的同时更加注重生态效益。