基于InVEST 模型的武夷山市生境质量时空分析

刘蓝月，张 鹏，吴文涛，王镜植*

（1. 延边大学地理与海洋科学学院，吉林 珲春 133300；2. 武夷山市自然资源局，福建 武夷山 354300）

0 引言

生境质量（Habitat Quality）是一种重要的生态系统服务，指生态系统能够为生物生存、繁衍等生命活动提供资源和载体等支持的能力，常被看作是生物多样性状况的指示，即生境质量高的区域生物多样性相对更丰富[1-2]。它能从整体上反映地区生产空间、生活空间和生态空间的适宜程度，并在保护生态环境等方面发挥重要作用。

利用生态系统服务和权衡的综合评估模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs,InVEST）进行区域生境质量评价方法[1]有实地调查法[3]、指标评价法[4-5]、模型评价法[6]。生境质量评价模块InVEST 模型发展相对成熟，具有空间分析表达能力更强、评估精度更高、应用成本更低等优势[7]。运用该模型对自然区、城市群、流域等特定区域的生境质量的评价研究及其时空格局的分析[8]已经见诸报道。但存在模型评估精度不高的问题，尹楠等[9]尝试建立符合区域生态系统服务功能特征的数据库，获取实证数据用于各模块相应参数的校验，使得模型参数具有适宜性和正确性，同时模型算法简化并减少应用的局限性，从而提高评估结果的精度和减少不确定性。

纯粹能动与社群行为倾向问卷是Wojciszke和Szlendak(2010)基于Helgeson(1994，2003)的理论编制，测量纯粹能动和纯粹社群行为倾向两个因子，各包含11个项目，从“特别不符合”到“特别符合”计1～7分。该工具原版具有满意的信效度。

武夷山作为国家公园和国家重点生态功能区之一，在生态保护战略中有着重要地位。本研究以武夷山市为研究区域，基于InVSET 模型生境质量模块，运用2010-2020 年土地利用数据，评估武夷山市10 年内生境质量的时空变化，为完善武夷山地区生态系统服务功能特征数据库和模型参数适宜性提供研究数据，并对该地区在权衡发展和保护之间寻求自然资源管理和经济发展模式提供理论决策依据。

1 研究区域概况

武夷山市位于福建省北部，地处闽、赣两省交界处，全境东西宽70 km，南北长72.5 km。位于117°37′22″～118°19′44″E、27°27′31″～28°04′49″N处，面积2 730 km2（图1）。武夷山境内拥有丰富的动植物资源，几乎涵盖了国内中亚热带所有的植被类型，也是珍稀、特有野生动物的基因库（武夷山市城市总体规划2017-2035 基础资料汇编，2018 年编）。生境质量与生物多样性有密切联系[10]，武夷山生境质量直接关系到这些动植物生存和繁衍等生命活动的支持能力。

图1 研究区示意图

式中，Qxj代表土地利用与土地覆盖j中栅格单元x的生境质量指数；Dxj代表土地利用与土地覆盖或生境类型j中的栅格x的生境胁迫水平；Hj代表为土地利用与土地覆盖j的生境适宜性；半饱和常数k值为15；归一化常数z值为2.5；其中Dxj值由公式（2）计算可得：

式中，dxy代表栅格x到栅格y之间的直线距离；drmax代表威胁因子r的最大影响距离（单位距离为km）。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

由于长江来水夹江、河口回流影响以及引河河口下游凸嘴促淤作用而造成的严重淤积，引进江水中的夹江沿内河河道逐渐沉淤，河床受水流的冲刷等，都对水流有影响。因此，要定期测流校验流量公式，确保引流量的准确无误。闸门开高频繁调节易造成启闭机刹车加速磨损，运值人员应加强巡查，确保启闭机安全运行。水位计能否准确测量水位关系自动控制系统能否安全可靠的运用，应定期检校水位计工作情况、数据传输情况，保证测量准确、传输可靠。

2.2 研究方法

使用InVEST 3.8.5 版本的“生境质量”模块[11-12]。主要使用的生物多样性指标来估计特定区域中栖息地和植被类型的范围及其退化状态[13-14]。使用不同的土地利用类型的威胁因子敏感度和外界威胁强度数据，并对其进行结合分析，从而建立对生境质量和其生态系统服务的模型。具体的生境指数计算方法如式（1）[15]：

本研究中2010-2020 年土地利用数据，来源于30 m 全球地表覆盖数据、分类系统GlobeLand 30。选用2010、2015、2020 年三期的土地利用栅格数据，空间分辨率为30 m×30 m。

武夷山市是世界自然与文化双重遗产之地。武夷山国家公园是2021 年10 月中国第一批五个国家公园之一，国家公园涵盖了武夷山市域三分之一的面积。同时武夷山市是国家重点生态功能区，承担水源涵养、水土保持和生物多样性维护等重要生态功能，域内生境质量关系到闽江流域的生态安全。

武夷山森林面积缓慢上升，耕地、草地、水体总体都在变小，并且草地的分布位置也产生了较大改变，由城市周边为主变成森林内夹杂为主，人造地表主要以城镇为中心逐步扩展。武夷山生境质量空间差异性不是非常明显，全域范围内均以森林为主，其次是耕地与草地。森林生态系统由于结构复杂而具有较强的抗干扰性和稳定性，对人类的干扰活动具有较强的自我修复能力[17]。区域内森林面积10 年内增加了3.80%，为保持较为稳定的高级生境质量提供了保障。但耕地与草地的稳定性就比较弱，随着需求的改变（如毁林种茶）以及政策的限制（强制退耕还林等），耕地和草地的面积都在下降。人造地表的扩张中心以城镇为主，这是生境质量呈现低级和较低级的主要区域，而中等质量区域呈现方式也是以这些地区为中心逐渐扩散的。

其中irxy的值由公式（3）和公式（4）计算可得：

后现代主义教学观认为，教学即生命的形成。教学过程是富有生命意义的，它是生命的发生、创造、凝聚、发展的过程。教师在课堂要体现人文关怀，为学生创设有助其生命成长的环境，使学习过程成为学生享受生命情感、完成生命发展的过程。

结合武夷山降水量大、洪涝灾害多发、生境相对脆弱的实际情况和相关文献[16]，以及InVEST 模型使用手册，确定威胁因子为耕地、人造地表和水体。相关参数设置见表1。同时设置生境威胁因子敏感度，取值范围为0～1，对威胁因子的敏感度越高取值也越高。

从足球来看，它是当时在中国发展得最好的西方近代体育项目。最能说明问题的如1923年澳洲橄榄球总会代表亨利·美勒，已“发现华人的足球程度可以与澳大利亚人抗衡，遂改变计划，决定邀请中国的足球队访问澳大利亚。”[12]又如1923年“被称为世界海禁最严的澳洲，凡是外国人入境均需要护照。”但是澳洲足球总会早在中国足球队到达之前就已沟通好，准免查验[13]。所以，以李惠堂为代表的乐华足球队，成了1928年中国出访东南亚的首选。

表1 威胁因子的最大影响距离及其权重

根据武夷山实际情况和GlobeLand 30 的地表分类系统，设置威胁因子敏感度如表2。

表2 威胁因子敏感度

3 结果与分析

3.1 土地利用变化

2010-2020 年以林地为主要用地类型的武夷山土地利用结构总体稳定，局部略有变化。林地面积呈上升趋势，同时耕地、草地和水体的面积有下降趋势，而人造地表面积快速上升（表3、图2、图3）。研究区中林区面积占比高达80%以上，为景观基质，并有上升趋势。水体面积减少30%，部分转换为森林与草地，同时也有部分流经市区的水体周边进行了公园绿化改造。

表3 研究区土地利用转移矩阵（hm2）

图2 武夷山市土地利用分布变化图

图3 2010-2020 年武夷山市土地利用变化图

耕地面积变化较大，占比由13.4%下降到9.7%，下降了10 190 hm2，其中耕地大部分转变为森林。武夷山有三分之一的人口从事与茶有关的行业。茶产业不断壮大，2008 年以前茶产业的发展造成毁林种茶现象频发，2008 年后违法违规开垦的茶山被整治，种上阔叶树，恢复植被。耕地面积近10 年之中2015 年左右最低，到了2020 年有所恢复，与《武夷山市2016 年农业支持保护补贴实施方案》有较大关系。

近10 年研究区草地面积变化较大，2010 年草地主要集中在武夷山市市区附近，之后逐渐转变为水体和人造地表。2015 年后境内西北部一些森林内部出现草地，基本是由耕地演变过来的，这与茶山整治不够彻底有直接关系，即茶山退耕还林的过程中，部分茶山铲除后没有及时种植阔叶树，而是荒芜变成草地。

人造地表面积大幅度增加，面积从2 521 hm2增加到4 452 hm2，以武夷山市市区为中心，增长77%，其中耕地、森林和草地转换为人造地表的面积最多。武夷山市人口增长、城市化进度加快导致城镇建设加快，武夷山市常住人口25.9 万人（第七次人口普查数据），10 年内增加了2.6 万余人，增加了10%的人口是导致人造地表的面积增加的主要原因。此外武夷山南部兴田镇作为比邻建阳区协同快速发展的外延区域，人造地表面积近10 年内处于持续快速扩张状态。

3.2.2 生境质量空间演变

3.2 生境质量的时空变化特征

3.2.1 生境质量时间演变

武夷山近10 年来生境质量整体处于高级状态，但生境质量总体有弱下降的趋势。运用ArcGIS 软件中的自然断点法（Natural Breaks）将生境分为5 个等级。将生境质量划分为0～1，每0.2 为一个度量，0～0.2 区间的生境质量设置为低级，0.2～0.4 为较低级，0.4～0.6 为中等，0.6～0.8 为较高级，0.8～1 为高级，结果如图4 所示。对研究区生境质量占比及其面积进行统计，2010年，生境质量为高级的地区占总面积的95.43%，2015年则为91.56%，2020 年，武夷山市境内生境质量为高级的面积则占总面积的88.92%。同时，中等生境质量所占的面积在不断扩大，而且中等生境质量面积扩张的速度最快。中等生境质量所占的面积在2010、2015、2020 年分别为3.67%、7.89%、9.54%。低级生境质量所占面积在2010、2015 和2020 年分别为0.91%、0.55%和1.54%，呈现先下降后较快上升的形式。由此区域内中等质量生境的生态退化是导致整体生境质量下降的主要体现。

图4 武夷山市生境质量指数评估等级

我宛如掉进冰窟窿一样，灰心丧气，浑身冷得发抖。突然，门开了，白丽筠走了进来，高跟鞋笃笃笃地敲击地面。我热情地向她表示欢迎，不料从白丽筠的身后闪出一个戴黑面罩的男子，露出两只恐怖的眼睛，一下子闪到我的身后。他的胳膊与我的胳膊扭绞在一起，我动弹不得，他却腾出双手搬着我的脑袋，猛地一拧，我的头颅就掉了下来，好像瓜蒂熟透的西瓜那样……

式中，r代表威胁因子；y代表威胁因子r栅格图上的一组栅格单元；Yr表示威胁因子r栅格图上的栅格单元总数；R代表威胁因子的类型总和；ωr表示威胁因子r的权重，其取值范围为0～1；ry表示每y栅格单元上威胁因子值，其取值范围为0～1；irxy表示栅格单元y中的威胁因子r对生境栅格单元x的胁迫水平；βr表示合法可达性，在本研究中不考虑受法律保护程度因子；Sjr表示土地利用与土地覆盖或生境类型j对r敏感程度，其取值范围为0～1。

3.2.3 生境质量退化评估

武夷山的生境质量退化较小，退化范围总体以城镇为中心，向外生境退化逐渐减弱。生境退化指数平均分为五个等级，使用自然断点法进行分类，将结果由低到高分别设置为弱退化、较弱退化、中等、较强退化、强退化，如图5 所示。从2010-2015 年，武夷山市全境生境质量总体较好，退化区域较为集中，主要分布在武夷山市区武夷街道、崇安街道所属地区的一条带状线上，这是武夷山人口主要分布区域。2015-2020 年期间，武夷山市生境质量退化区域除上个5 年段的中心带状区域外，增加了多个退化中心，主要以武夷山的乡镇为中心向四周扩散，如五夫镇、兴田镇、星村镇和岚谷乡、吴屯乡及周边地区，最南面兴田镇的中等退化尤其明显。土地利用变化可直接影响生境质量变化[18]，人口增长和城市化进程导致城镇扩张建设是造成生境质量下降的必然趋势，人造地表面积增加77%是生境质量弱退化的主要原因。

图5 武夷山市生境退化评估等级

由表4 数据可得，强退化范围明显变小，生境强退化的速度明显减弱。其中强退化在2010 年较为严重，在地区分布上可以发现，2010 年生境退化最严重的区域在吴屯乡附近，呈强退化形式。武夷山西部的山体多由坚硬的凝灰熔岩和流纹岩等构成，受洪灾影响较小，而东部山体由浸水后易发生软化和膨胀、抗滑稳定性极差红色砂页岩构成，受雨水浸泡、洪灾等影响较为明显，容易造成山体滑坡等灾害现象。武夷山在六月期间经常出现强降雨天气，山体滑坡现象频发，2010 年6 月连降二十余天大雨[16]，位于东北部的吴屯乡以红色砂页岩为主的山体多处滑坡，呈现强退化现象。

表4 退化区域随时间变化所占面积比

2020 年强退化区域减少至0.02%，武夷山裸露、沙化等面积快速减少。较强退化所占面积比在2010-2015年由0.11%增长到0.66%，之后则呈下降趋势，在2020年下降到0.29%。中等退化则所占面积比持续增长。较弱退化原本所占面积比较大，增长的速度也更快。武夷山市2010-2020 年的生境退化总体规律是退化区域面积增大，退化强度有所减弱，退化区域由原来的集中分布模式转变为多中心的较为分散的模式。退化区域总体集中在城镇建设区以及周边，及人造地表集中的区域。

Comprehensive judgment of economic growth stage in Huaihai Economic Zone

沙盘实训课程虽然类似于竞争性游戏，但经营规则比较复杂，知识性较强。以企业经营管理沙盘为例，各经营团队需要规划好企业的广告方案、生产计划、原材料采购计划，需要控制好企业的现金流，掌握企业财务报表的填制并核算企业利润等。各团队要经营好模拟企业，既需要有理论知识的积累，也需要根据经营规则制定合理的经营策略，并具备根据市场竞争环境进行灵活调整策略的能力。做好这些，既需要团队成员加强相关专业知识的学习，也需要花费大量时间、精力去探索经营思路与竞争对策。因此，对于同学们勇于克服困难、保持持续学习的动力需要进行激励。

InVEST 模型引入国内后，在多个领域取得了不错的效果，但模型本身仍有不准确的地方。特别是土地利用类型、胁迫因子及胁迫强度对于胁迫因子的敏感性等参数设定没有统一标准，主观误差不可避免存在[10]。模型在应用过程中依靠实际调研和野外验证，加强参数修正与本地化应用。生境质量好的区域其生物多样性也高[19]，如果将土地类型分类成天然生境和人工生境[20]，武夷山广泛分布的森林天然生境整体稳定性是武夷山物种多样化的保障，因而生境质量水平整体较高，而人工生境面积的扩张则起到相反作用，在人类活动频繁的地区，生境质量普遍较低。

4 结论

基于InVEST 模型的生境质量模块，使用不同土地利用类型的威胁因子敏感度和外界威胁强度数据，分析了武夷山市土地利用变化情况以及生境质量，并结合了武夷山发展现状。2010-2020 年生境质量为高级的地区由95.43%下降到88.92%，中等生境质量所占的面积由3.67%升到9.54%，低级生境质量所占面积由0.91%先下降到0.55%，后又升到1.54%。生境质量基本稳定，略带下降，这主要与武夷山地区全域范围内均以森林为主、森林保护状况良好有直接关系。同时体现了研究区内近年来生态保护措施成效显著。区域内中等质量生境的生态退化是导致整体生境质量下降的主要体现。这与武夷山人口快速增长、城镇高度扩建有关。以国家公园、国家重点生态区、世界自然与文化双重遗产为背景的城市如何均衡环境保护和城市发展需要计算人口临界值以及提高临界值的环境保护措施，利用生境质量优良临界值估算人口临界值是本研究继续深入的方向。