基于InVEST模型宜昌市土地利用和生境质量变化研究

关键词：GIS；InVEST模型；主成分分析；土地利用转移；生境质量

前言

土地利用变化（LUCC）研究是当前全球变化的研究热点，LUCC的驱动力及其驱动机理是其关键。快速城镇化导致的土地利用变化，通过对生境斑块之间的物质、能量流循环过程施加影响，进而改变研究区生境分布格局和功能，加剧生境分化。因此，研究土地利用变化和生境质量对区域乃至全球环境变化研究具有重大意义。常用的评价模型有InVEST、SolVES、MAXENT等。其中In-VEST模型因其具有发展相对成熟、数据需求量小、评估精度和可视化程度高、空间分析表达能力强等优势，被广泛应用于流域、生态保护区、盆地、小城市等各种尺度范围。未来10～20年，是宜昌市建设现代化特大城市关键时期，也是生态环境保护与经济发展矛盾加剧、资源环境约束趋紧时期。目前极少有人对该方面进行研究。因此，文章利用GIS和InVEST模型分析宜昌市土地利用变化的驱动力因素以及生境质量时空演变特征，可为快速城镇化区域国土空间规划提供参考。

1研究区概况和数据来源

1.1研究区概况

宜昌市坐落于湖北省西南部、长江上游与中游的交接区域。属于亚热带季风性湿润气候，降雨丰富、阳光充足。地形呈现出“西高东低”的态势，西北部是高山植被区，东南部则分布着丘陵和平原。水系发达，有长江、清江等。水土流失较为严重，是湖北省典型的生态脆弱区，广受外界关注。

1.2数据来源

（1）湖北省省、市行政边界来源于中国科学院资源环境与数据中心https：//www. resdc.cn/。

（2）2005年、2010年、2015年、2020年四期宜昌市土地利用数据（30m）来源于武汉大学杨杰和黄昕团队提供https：//zenodo.org/record/8176941。

（3）社会经济统计数据、地区生产总值、人口、农业总产量、农业机械总动力、化肥施用量等农业相关数据来源于中国城市统计年鉴http：//www.tongJ1nianjian.com/。

2研究方法

2.1土地利用变化幅度

土地利用变化的幅度能体现特定研究时段内土地利用的绝对变化量。

式（1）中，X为土地利用变化幅度；Un、Ub为研究初始节点、末节点某类土地利用类型的面积。

2.2生境质量评价原理

此研究运用InVEST模型“Habitat Quality”模块。在运行生境质量模型前，需要先对图层数据进行预处理，此研究选取3类作为威胁源，并设置权重和最大影响距离。在LUCC类型j中的斑块中x的生境质量计算公式如式（2）：

3结果与分析

3.1宜昌市土地利用变化分析

3.1.1土地利用变化幅度

依据宜昌市的土地使用实际状况，文章按照国家一级土地利用分类标准对土地进行了重新划分为六个大类别：耕地、森林、草原、湖泊、建设用地和未利用地。

根据宜昌市15年间土地利用类型数据提取出宜昌市2005年、2010年、2015年、2020年各年各类土地的面积，如表1所示，宜昌市土地利用主要以林地和耕地为主，两者占总面积的95%，水域和建设用地占比较小，约占4.8%，未利用地不到1%。2005年-2020土地利用变化较为明显，森林面积先减少后有所回升，耕地面积先增后减，水域同耕地一样先增后减，由于经济的快速发展和城镇化，建设用地在不断扩张，未利用地也有所增加。

3.1.2土地利用转移变化分析

此研究借助Arcgis软件平台，实现土地利用转移矩阵的计算。通过计算得到宜昌市2005年-2020年土地利用转移矩阵，如表2所示，及每5年的土地利用转移弦图，见图1。

2005年-2010年，宜昌市林地转移面积最多，约为1.56x105公顷，主要转向了耕地和建设用地；其次是耕地，耕地净转向林地最多，约为1.23×103公顷；水域转移面积约为4.21×103公顷，主要转向了耕地、建设用地；草地和建设用地转移面积较少。2010年-2015年，林地转出面积依然最大，转移约1.52 x105公顷；水域转向耕地最多，约为200.08公顷；草地转移面积相对较少，约为169.34公顷。2015年-2020年，林地共转移了1.50×105公顷，主要转向了耕地（2734.02公顷），建设用地（29.034公顷）；建设用地主要转向水域（38.78公顷）；这五年宜昌市积极响应国家退耕还林、还草政策，大量耕地转向了林地和草地。各个时间段未利用地面积基本没变。

2005年-2020年这15年总体来看，宜昌市大量林地转出，达到1.56 x108公顷，转向耕地和建设用地最多分别达8.65×105、1.88×105公顷；水域面积也最多由林地转化而来，水域转向耕地达2.84×105公顷。15年来，该地为发展经济，加快城市化建设，人类活动程度加剧，大量林地和草地退化，转向建设用地和耕地；该地水系发达，水域面积较广，为人类生产和生活提供先天条件，故城镇居民和产业用地多聚集于此，导致大面积水域面积减少，转向耕地和建设用地。

3.1.3土地利用变化驱动因素分析

土地利用类型的变化是多种驱动力因子共同作用的成果。在实际考虑宜昌市特定的自然条件和经济条件下，基于数据可获取性和可计量性，从经济、人口、农业现代化水平中选取14个指标，通过SPSS25进行相关性分析后，排除掉相关性不高的指标，最终选取九个指标经过标准化处理后进行主成分分析，结果表明KMO=0.652，显著性为0.00，满足分析要求。主成分分析中特征值大于1的共计2项，表明筛选出两个主成分。第一主成分与第二主成分的贡献比率总计为86.437%，这足以涵盖了我们选择的九种因素的大部分数据。

由旋转后因子载荷矩阵（如表3所示），可看出第一主成分和城市人口密度、GDP、农业机械总动力有极强的正向关性，相关系数分别为0.828、0.902、0.963，与人口总数、第一产业比重有极强的负相关性，相关系数为-0.863、-0.670．第二主成分与城市人口、第二产业比重、化肥施用量有极强的正向关性，相关系数为0.604、0.937、0.956，与第三产业比重有极强负相关性，系数为-0.935。

2005年-2020年期间，宜昌市城市人口密度由1466km2变为1875人/km2，市区面积由4231km2变为4234.26km2，城市人口的不断增多，促使人们对土地提出新的要求，建设用地不断扩大占用大量林地和草地面积，人地关系发生冲突。GDP由原来的608.06亿元增为4261.4亿元，第三产业由173.05亿元增长到2215.93亿元，宜昌市经济的快速发展，导致土地利用结构发生转变，形成以各辖区经济中心为核心，向四周扩张的模式。宜昌市属于山区，经济的发展和快速的城镇化，城市扩张大量占用林地和草地面积，导致森林和草地大面积减少，人类活动和经济因素是导致宜昌市土地利用转移的主要因素。

3.2宜昌市生境质量变化分析

生境质量指数是一个连续的变量，其值在0到1之间，数值越接近1，意味着环境质量越优良。结合宜昌市生境质量实际情况，利用Arcgis自然断点法，将宜昌市生境质量划分五个等级：低等生境质量（0～0.3），中等生境质量（0.3～0.6），较高生境质量（0.6～0.9），高等生境质量（0.9～0.95），极高生境质量（0.95～1）。具体面积及占比如表4所示，生境质量等级空间分布情况见图2。

由图2、表4可知，2005年-2020年宜昌市生境质量普遍很高，约80%的面积都处于高等生境质量之中，这与宜昌市的气候、地理位置、地形地貌以及宜昌市的绿色发展理念密切相关。低等生境质量面积占比先增后减，较高等生境质量面积持续增加，高等生境质量面积先增后减再增加，极高等生境质量面积从2005年-2015年一直减少，从2005年开始有所回升。低等生境质量面积由515396公顷增长到564943公顷，比重增加了2.23%，较高等生境质量面积由2713公顷增加到8421公顷，比重增加0.27%，高等生境质量面积由34503公顷增加到37371公顷，比重增加0.13%，极高等生境质量由1559759公顷减少到1510690公顷，比重下降2.63%。总体来说宜昌市生境质量有所退化。

从空间分布来看，低生境质量主要分布在宜昌市城区以及宜都市、枝江市、当阳市。这些地方地理位置和区位条件优越，且拥有适合人类生活发展的地形地貌条件，经济较为发达，建设用地和耕地数量多，生物栖息地容易受到人类活动的破坏，生境质量低。宜昌市绝大多数地方都适宜生物生存，生境质量普遍高等，其中极高等生境质量分布广泛，主要分布在五峰、长阳、兴山等地，这些地方属于山区，人类活动程度低，土地利用类型以林地为主，建设用地和耕地很少，能够为生物生存和繁衍提供良好的现实条件。

4结论

2005年-2020年，宜昌市的森林与草地覆盖率下降，同时耕地、建设用地、水域及未利用地的数量有所上升。其中，新增的建设用地和耕地主要源于林地和草地的转变，增多的水域则大部分来自于耕地的变化。大量的森林转化为草地，但其变动幅度相对较低。该地区的人口数量和经济迅速进步是推动土地用途转变的重要原因。研究区生境质量呈下降趋势，土地利用变化直接影响生境质量。因此，从长远的角度看，执行土地的可持续利用策略，同时重视国土资源的开发和保护，在推动经济发展的同时合理控制人口增长，特别是非农业人口的增长，以减缓城市化的步伐，显得尤为关键。