基于InVEST模型的通城县生境质量及其影响因素评估

孙智杰罗莉威江越潇周佑平田巍

(1.资源与生态环境地质湖北省重点实验室，湖北 武汉 430034；2.湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034)

随着社会经济快速发展以及城镇化进程的日益推进，在人类工程活动的改造作用下，国土空间开发利用方式逐渐发生转变[1]，也对生态用地的结构和规模、生态系统的环境背景和生态过程产生了不可忽视的影响[2]，进而使得区域生境质量所面临的压力日益增大。区域生境质量特征及其影响因素的相关分析研究，在资源环境领域得到了广泛讨论。

生境质量是一项基础且重要的生态系统服务功能[3]，其反映了区域生态环境支撑物种持续生存与发展的能力，也是衡量人类生产生活适宜程度的重要依据。国内外众多学者在生境质量评估方面进行了大量研究。早期，主要依赖于野外调查与试验测试的成果，但其数据获取难度较大，容易受到时空尺度的限制，难以实现长时段、大尺度的生境质量动态评估。随着3S技术的发展，遥感生态指数法[5]、层次分析法[6]、主成分分析法[7]、人工神经网络法[8]等数学评估方法在生境质量评估中得到了推广应用[9]。其中，InVEST模型以土地利用为数据源，资料获取较为便捷，且在评估精度、空间表达性等方面独具优势，因此在生境质量评估中备受青睐，被广泛应用于不同尺度、不同区域的生境质量评估研究中。

通城县地处长江中游三省共同构建的“通平修”绿色发展先行区，同时也是鄂东南幕阜山生态屏障区的核心区域。如何妥善调和经济发展与生态环境保护的矛盾，推动社会经济高质量发展，是该地区面临的主要挑战。本次研究以通城县为对象，应用InVEST模型的生境质量(Habitat Quality)模块，基于3期土地利用数据，评估2000—2020年通城县生境质量变化特征，使用地理探测器解析生境质量变化的主要影响因素，以期为通城县国土空间开发利用与生态环境保护提供科学依据。

1 研究区概况

通城县位于E113°36′～114°04′，N29°02′～29°24′，地处长江中游湖北、湖南和江西3省交汇点，是连通咸宁、岳阳、九江3市的重要门户。县境东、南、西3面环山，中、北部丘陵起伏，呈南高北低的地势。主要出露震旦系、寒武系、奥陶系、志留系及第四系地层，岩性主要为碎屑岩、变质岩、碳酸盐岩等。气候温润，年均气温16.7℃，年均降水量1554.9mm。全县共有植物2000余种，森林覆盖率达54.14%，物种较丰富。全县土地面积1140.70km2，总人口52.17万人，地区生产总值199.58亿元[10]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

土地利用数据来自GlobeLand30，分辨率30m，本次选取了2000年、2010年及2020年共3期的数据；DEM数据来自ASTER GDEM V3，据此提取坡度、沟壑密度等数据；地层岩性数据来自湖北省地质局地质大数据平台(https：//geocloud.hubgs.com/)；降水、气温等气象数据来自通城县水利和湖泊局；NDVI由Landsat 8卫星数据通过遥感解译提取；人口、GDP数据，以及农村居民点、城镇居民点、工矿用地、道路等威胁源数据来自通城县自然资源和规划局提供的相关资料。

2.2 InVEST模型

基于模型评估各类威胁源对生境的影响程度，计算得出生境退化指数，再结合生境适宜度计算生境质量指数[11]。该指数反映了区域生境质量状况，一般数值越大即代表生境质量状况越好，生物多样性水平相应越高[12]。公式：

式中，Dxj为第j种地类中第x个栅格的生境退化指数；r为第r类威胁源；R为威胁源总数；y为第r类威胁源所在的栅格单元；Yr为第r类威胁源的栅格总量；Wr为第r类威胁源的权重；irxy为第r类威胁源的最大胁迫距离；βx为威胁源对第x个栅格的可达性；Sjr为第j种地类对第r类威胁源的敏感度；Qxj为生境质量指数；Hj为第j种地类的生境适宜度；k为半饱和常数；Z为模型转换系数[13]。

根据通城县实际情况，本次研究设置了耕地、道路、工矿用地、农村居民点和城镇居民点等5类威胁源。在参考通城县周边相关研究成果的基础上[14-17]，确定了各类威胁源及其最大影响距离、权重及空间衰减类型，以及不同土地利用类型的生境适宜度、相对敏感度，见表1、表2。

表1 威胁源一览表

表2 生境适宜度及其相对敏感度

2.3 地理探测器

地理探测器是王劲峰等[18]提出的一种探测空间分异性质的统计学方法，可用于分析不同因子对生境质量的影响程度[19]。本次研究以生境质量指数为因变量，选取自然环境(坡度、沟壑密度、地层岩性、年降水量、年均气温、NDVI)与社会环境(人口密度、GDP、土地利用)共9项因子作为自变量。参照以往研究[10]，将各自变量重分类为5类，经多次试验确定采样格网大小为200m×200m，共18091个采样点，据此探测影响通城县生境质量的主要因素。

3 结果与分析

3.1 生境质量指数变化

2000年、2010年和2020年通城县生境质量指数平均值分别为0.4296、0.4293和0.4246，呈轻度下降的变化趋势。

由表3可知，2000—2010年，全县14个乡镇中，有2个乡镇生境质量指数保持不变，7个乡镇生境质量指数呈上升趋势，而5个乡镇生境质量指数则有所下降。其中，隽水镇变动最大，下降幅度达1.73%，其他乡镇变动幅度均在0.5%以下。2010—2020年，全县14个乡镇生境质量指数均呈下降趋势，其中，隽水镇下降幅度最大(6.13%)。20年来，仅关刀镇生境质量指数有所上升，黄袍林场总体不变，其他12个乡镇则均呈下降趋势。其中，隽水镇、大坪乡、石南镇的生境质量指数下降趋势最为明显，整体下降幅度分别为7.75%、3.12%、1.28%。从平均值来看，岳姑林场、黄垉林场、四庄乡生境质量指数相对较高，而石南镇、隽水镇、沙堆镇生境质量指数相对较低。

表3 2000—2020年各乡镇生境质量指数

3.2 生境质量等级时间变化特征

根据生境质量指数计算情况，将通城县生境质量划分为5个等级：低[0，0.25)、较低[0.25，0.40)、中[0.40，0.55)、较高[0.55，0.75)和高[0.75，1]。表4数据显示，20年间，全县生境质量各等级面积占比总体波动不大，总体以较低、中等、较高等级的区域居多。其中，生境质量等级为低的区域面积最小，但持续呈扩张趋势，共增加了22.22km2，占比由3.70%上升至5.65%；生境质量等级为较低的区域持续呈缩减趋势，共减少了18.96km2，占比由33.86%下降至32.20%；生境质量等级为中等的区域面积最大，呈先增加后减少的趋势，但总体波动不大始终保持在37%左右浮动；生境质量等级为较高的区域先减少后增加，总体波动较小，共增加了1.21km2；生境质量等级为高的区域占比相对较少，也呈现出先增加后减少的趋势，总体波动微小，20年间仅减少了0.28km2。

表4 2000—2020年通城县各等级生境质量状态

3.3 生境质量等级空间分布特征

由图1可知，20年间全县生境质量等级空间分布格局差异不大。低等级区域主要分布于县境中西部隽水镇、石南镇、五里镇，东南部麦市镇等城镇密集地区，土地利用类型主要为建设用地；较低等级区域主要分布于县境中北部大坪、沙堆、四庄乡，东部塘湖镇，西南部马港镇等地区，土地利用类型主要为耕地；中等等级区域多呈带状分布于较低等级区域边缘，土地利用类型多为林地、草地及水体；较高等级区域呈块状分布于县内各处，土地利用类型主要为林地及湿地；高等级区域主要分布于岳姑林场及四庄乡东北部，土地利用类型以林地为主。低等级区域是扩张最为明显的区域，主要集中分布于隽水镇北部、大坪乡西部地区，建设用地扩张对林地与耕地的占用与破坏是造成这一现象的主要原因。此外，关刀镇、塘湖镇等地也存在零星点状的低等级区域增长，主要源于区内灰岩、花岗岩等矿产资源开发利用造成的生态环境影响。

图1 2000—2020年通城县生境质量空间分布

3.4 生境质量影响因素分析

根据地理探测器分析得出，决定力(q值)从大到小依次为土地利用>人口密度>地层岩性>坡度>NDVI>GDP>年降水量>年均气温>沟壑密度。其中，土地利用及人口密度的q值分别为0.5811和0.4226，是影响生境质量的最主要的2个因素，这表明城镇建设用地的扩张以及人口的转入对生境质量产生了较为显著的影响。此外，地层岩性、坡度、NDVI的决定力也相对较高，表明地质条件、地形地貌及植被因素也对生境质量产生了较大的影响。

由表5可知，土地利用∩地层岩性(0.7348)、土地利用∩人口密度(0.6900)、土地利用∩年降水量(0.6832)的交互作用对生境质量影响较大。其中，土地利用与地层岩性的交互作用最为显著，这说明岩土体类型、成土母质等地质环境条件对土地开发利用方式起到制约作用，并进一步影响生态系统类型的空间分布格局；人口密度与土地利用的交互起到次要作用，原因是人口增加的同时也伴随建设用地的扩张，这加剧了周边区域的生态压力[20]；降水量则影响了植被的生长发育与土壤侵蚀强度，也会影响土地利用格局，进而对生境质量产生影响。

表5 影响因子交互作用探测结果

因此，充分考虑通城县的区域地质环境和气象条件，如岩土体类型、成土母岩与成土母质、土壤类型、地下水环境、降水量与降雨侵蚀力等因素，合理布局城镇空间与农业空间，提高土地利用效率，减轻人类活动对生态环境的影响与破坏，可以更好地保护通城县生态环境，进一步改善区域生境质量。

4 结论

2000—2020年，通城县生境质量指数整体维持中等水平，并呈现出轻度下降的趋势，其中隽水镇、大坪乡、石南镇下降最为明显。岳姑林场、黄垉林场、四庄乡生境质量指数相对较高，石南镇、隽水镇、沙堆镇生境质量指数相对较低。

20年间，通城县各生境质量等级面积占比在整体上较为稳定。其中，生境质量等级为低的区域逐渐扩张；生境质量等级为较低的区域持续缩减；生境质量等级为中等、较高和高的区域则总体波动不大。

在空间分布上，通城县各生境质量等级在20年间未发生显著的变化。其中，低等级区域主要分布于县境中西部、东南部等城镇密集地区；较低等级区域主要分布于县境中北部、东南部、西南部地区；中等等级区域主要呈带状分布于较低等级区域周边；较高等级区域呈块状分布于县内各处；高等级区域主要分布于岳姑林场及四庄乡东北部。

土地利用、人口密度和地层岩性是影响通城县生境质量的主要因素，土地利用与地层岩性、人口密度、年降水量的交互作用对生境质量的影响较为显著。在未来的发展中，充分考虑区域地质环境和气象条件，并积极优化土地利用结构和人口空间布局，可进一步改善通城县生境质量。