基于InVEST模型山西省土地利用变化的生物多样性功能研究

杜世勋荣月静

(山西省生态环境研究中心，山西 太原 030000)

引言

生物多样性服务功能的研究是目前国内外生态学研究的热点与重点，土地利用变化影响生物多样性受到了极大的关注。Carolina Rojas等［1］分析拉丁美洲2000年到2010年通过分析影响土地利用的地理要素，来分析城市化影响土地利用变化，人造林、森林采伐、农业废弃对生物多样性造成压力，结果对拉丁美洲战略环评和可持续管理提供参考;Alain Billionnet［2］运用数学优化方法研究针对土地利用景观破碎化，入侵物种影响以及遗传多样性的维护等方面进行研究生物多样性的多方面;A.Barbati［3］等通过对欧洲森林监测，得到2000－2010年欧洲森林土地利用面积显著增加，但是森林生境和森林类型损失严重来研究生物多样性功能;国内杨德伟等［4］研究区域土地利用的结构和功能，尤其是湿地和沼泽地土地利用结构变化，来达到保护生物多样性的作用。吴建国等［5］探讨了分别研究土地利用变化如何影响基因多样性、物种多样性和土地利用多样性三个方面，为土地利用变化影响生物多样性的研究提供了全面的基础;刘振生等s［6］运用MAXENT模型，采用土地利用利用、地形因子等驱动因子，对贺兰山岩羊生境适宜性进行研究，得出岩羊偏爱于山势陡峭地带，并建议减少矿区和道路等人为干扰因素，以此来提高岩羊的生境质量;李双成等［7］运用GARP生态位模型研究云南纵向岭谷入侵物种紫茎泽兰空间分布预测，得出紫茎泽兰主要分布在河流谷底一些海拔比较低的区域，在海拔比较高的局部高山没有分布，为云南纵向岭谷地区生物多样性管理提供一定的科学依据。

研究生物多样性服务功能中生境适宜性的研究对动植物的生境环境保护具有重要的意义，前人运用MAXENT模型和GARP模型研究生物生境适宜分布具有较好的效果，主要从物种分布和起驱动因子的角度研究，本文运用InVEST模型的Biodiversity模块，从土地利用分布，威胁因子图层，生态保护图层，土地利用对威胁因子的敏感性等方面研究生物的生境分布特征，这对于大尺度、中尺度和小尺度区域生物多样性功能的研究提供方便，准确的科学方法。

1 研究区概况

山西省位于太行三以西，黄河以东，地处华北平原的西北侧，属于黄河中游的河东区。地理坐标为东经110°14'42″～114°33'17″，北纬34°34'58″～40°44'30″。山西省，有山地、丘陵、高原、台地、盆地、河谷多种地形地貌。山西省主体为一个黄土覆盖，起伏较大的山地型高原，有山地、丘陵、高原、台地、盆地、河谷多种地形地貌。山西省生态系统主要以旱地为主，近十年土地利用变化为草丛向落叶阔叶灌木林和落叶阔叶林的转变，山西省植被恢复较好，生态环境逐步改善。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文研究需要的基础数据有：①基础地理数据，包括山西省各县市边界等，来自于国家测绘地理信息局;②土地利用类型数据，包括2000年和2010年两期土地利用类型，采用全国生态环境十年变化(2000－2010年)遥感调查与评估项目的解译结果;土地利用类型的分类根据研究目的，参照全国生态环境十年变化(2000－2010年)遥感调查与评估项目，土地类型分类，包括6大类共21种小类土地利用类型，包括森林(落叶阔叶林、常绿针叶林、落叶阔叶灌木林等)，草地(草甸、草丛、草本绿地等)，湿地(河流、湖泊、水库坑塘、运河水渠等);农田(旱地、水田等)，建设用地(居住地、厂矿、交通用地等)，未利用地(裸岩、裸土、稀疏林和稀疏草地等)。③山西道路数据，包括国道、省道、高速公路和铁路数据，来自于国家测绘地理信息局。④山西省高程数据，来自于美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量SRTM数据，分辨率为30m。

2.2 研究方法

InVEST模型［8］(the integrate valuation of ecosystem services and tradeoffs too1)是由美国斯坦福大学、世界自然基金会和大自然保护协会联合开发的土地利用服务功能评估工具。

InVEST模型的生物多样性模型用生境质量好坏代表生物多样性的持续性、恢复能力，InVEST模型中的生物多样性评价模型需要输入基准土地覆盖图(Baseline Land CoverMap)、当前土地覆盖图(Current Land Cover Map)、威胁因子(Threats Data)、威胁因子图层(Threat Layers)、地类对于威胁因子的敏感度(Sensitivity of Land Cover Types to Each Threat)以及保护程度(Accessibility to Sources of Degradation)。Biodiversity模型得到生境质量指数和生境退化指数结果。评价模块运算以栅格数据作为评价单元，本文所有栅格大小为30m。Biodiversity模型得到生境质量指数和生境退化指数结果，其原理为：

(1)生物生境质量指数

生物生境质量主要是从区域生境质量、生境稀缺性两个方面评价区域生物多样性维持功能，采用生境质量指数评价生境质量计算方法：

式中：Qxj是土地利用与土地覆盖j中栅格x的生境质量;Dxj是土地利用与土地覆盖或生境类型j栅格x的生境胁迫水平：

栅格y中胁迫因子r(ry)对栅格x中生境的胁迫作用为irxy：

dxy为栅格x与栅格y之间的直线距离，drmax是胁迫因子r的最大影响距离;Wr为胁迫因子的权重，表明某一胁迫因子对所有生境的相对破坏力;βx为栅格x的可达性水平，1表示极容易达到;S为土地利用与土地覆盖(或生境类型)j对胁迫因子r的敏感性，该值越接近1表示越敏感;K是为半饱和常数，当1－(/+kz)=0.5时，k值等于D值;Hj为土地利用与土地覆盖j的生境适合性。

(2)生境退化指数

生境退化度与生境中各地类距离生态威胁因子的远近空间位置关系、地类对于威胁因子的敏感程度以及威胁因子的数量等因素紧密相关。这主要是基于InVEST模型中这样的假设，即认为在一个土地利用中地类对于威胁因子的敏感性程度越高，则该威胁因子对地类退化程度的影响也就越大。生境退化程度的计算公式如下：

生境退化度=∑1n(敏感性分布图层×威胁强度分布图层×权重值)

3 研究结果与分析

3.1 土地利用变化与转移

3.1.1 土地利用结构

2000年到2010年期间，各土地利用类型均发生着变化，主要表现为，山西省土地利用结构中，主要以旱地为主，2000年和2010年分别占山西省域面积的37.61%和37.23%，2000年到2010年旱地面积减少597.28km2，旱地的分布受地形影响很大，主要分布在地势比较平坦的区域，如运城西北部和南部地区，临汾南部地区，晋城的东北部;其次是草地土地利用的草丛，草丛减少8600.39km2，2000年和2010年分别占山西省域面积的34.46%和28.97%，比例下降15.92%;然后是森林土地利用，2000年和2010年分别占山西省域面积的22.97%和28.47%，其中，2000年落叶阔叶灌木林占12.60%，落叶阔叶林占8.05%，常绿针叶林占2.29%，2010年落叶阔叶林占14.22%，落叶阔叶灌木林占11.22%，常绿针叶林占2.97%，十年间落叶阔叶林和常绿针叶林面积有所增长，增长面积分别为9685.34km2和1071.04km2，落叶阔叶灌木林减少面积为2155.68km2;然后是建设用地土地利用，2000年和2010年分别占山西省域面积的3.77%和4.09%，居住地、工业用地和交通用地面积增加，采矿点面积减少。

表1 2000－2010年山西省各土地利用类型面积和比例变化

3.1.2 土地利用转化

山西省2000年到2010年土地利用转换过程中，草丛逐渐地演替为落叶阔叶灌木林的面积最大为10163.50km2，主要分布在忻州的五台县、岢岚县，晋中的左权县、和顺县和昔阳县，临汾的安泽县，长治的沁源县和平顺县，大同的灵丘县，临汾的安泽县，朔州的右玉县和平鲁区，阳泉的盂县等地区，这些地区植被在不断恢复，说明山西省的植被恢复较好，生态环境逐渐被改善;其次是落叶阔叶灌木林转变为落叶阔叶林，面积为6981.90km2，主要分布在晋中的和顺县和左权县，太原的阳曲县，忻州的五台县和宁武县，阳泉的盂县，长治的沁源县，晋城的沁水县等地区，说明植被经过十年的自然生长，森林植被覆盖度也在不断增长;然后是落叶阔叶灌木林转变为草丛，面积为4827.80km2，主要分布在晋中市的寿阳县和榆次区东部地区，说明这些地区由于人类频繁的活动，经过反复砍伐，大量的植被遭到破坏所致。草丛转变为落叶阔叶林面积为2895.77 km2，分布在忻州的五台县、岢岚县、吕梁的吕梁山一带地区、运城的中条山一带和晋中市东部地区;落叶阔叶灌木林转化为常绿针叶林面积为975.95 km2，主要分布于长治市的沁源县、平顺县和壶关县，晋城市的沁水县和陵川县地区等。

3.2 生物多样性功能评价

3.2.1 威胁因子敏感度

土地利用中每一个土地利用类型受威胁的敏感度不同，敏感度的大小主要是依据生态学和景观生态学的基本理论及保护生物多样性的基本原则来确定的。查阅相关文献［9－11］，依据InVEST 2.6.5 Beta User's Guide中生态威胁因子划分标准，结合山西省的生态环境实际情况，在生物多样性模型中为各土地利用类型对于威胁因子敏感度赋值，取值范围为0～1，并且依照生态学和景观生态学中生物多样性保护的一般性要求，森林、草地和湿地等天然土地利用类型敏感度较高，耕地、建设用地等人工土地利用类型敏感度较低，裸土裸岩等未利用地敏感度最低。对于各土地利用类型自然属性(Habitat)一列的赋值是依据而确定的，将天然地类和人工地类分别赋值为1、0，其认为人为管理因素能增强环境的自我修复能力，从而降低生境地类对生态威胁因子影响的敏感度，具体如表2所示。

3.2.2 威胁因子图层

对生物多样性造成威胁的图层包括耕地、城镇、工业用地、铁路、高速公路、国道和省道等因子，查阅相关文献的研究分析［12，13］，考虑山西省城镇交通工具限制和经济发展水平，并参照InVEST 2.6.5 Beta User's Guide中研究成果，定义威胁因子的最大影响距离、权重及衰退线性相关性指数具体如表3所示。

表2 境类型对生态威胁因子敏感度

表3 生态威胁因子属性

3.2.3 保护程度图层

在我国，土地政策实行社会主义土地公有制，土地所有权归国家和农民集体所有。故在本文中所提的法律准入度表示的是在当前的各项政策、法律、法规、条例及其实施办法下，对于该地类的生态环境保护程度，模型对受国家最高法律保护的地雷，赋值为1。

图1 山西省保护程度分布图

本文参照InVEST模型的设置办法来设置保护程度等级分值，本文基于生态价值及环境保护的角度出发，将研究区域内的自然保护区、自然与人文风景名胜区域、地质公园等保护程度要高，如阳城莽河猕猴自然保护区、历山自然保护区、芦芽山自然保护区、五鹿山自然保护区、庞泉沟自然保护区、黑茶山自然保护区等国家级自然保护区、湿地公园和重要湿地等设为1，主要包括落叶阔叶林、落叶阔叶灌木林和常绿针叶林等土地利用;省级湿地公园和重要湿地等设为0.8，主要包括河流、湖泊、大型水库等土地利用;剩余的小片森林和草丛的地类，属于既无人保护也无人管理的地类，设为0.2。本文以2000年土地利用类型矢量为基准，在其属性表对应地类中设置保护性程度等级分值，再导出矢量层，得到保护程度因子层。

3.2.4 评价结果

(1)生境质量指数

按照arcgis分类的quantile(分位法)自动分类，将生境质量指数分为极重要生境(0.996～1)、高度生境(0.984～0.996)、中度生境(0.475～0.984)、一般生境(0～0.475)，非生境(0)五类。

由表4可以看出，山西省2000－2010年非生境的面积最大，占到整个省域面积的42%以上，其次是极重要的生境，占省域面积的19%以上，然后依次为一般生境、中度生境和高度生境。其中，极重要生境和高度生境面积共减小0.19万km2，比例减小1.21%，非生境面积减小0.01万km2，比例减小0.06%，中度生境和一般生境面积共增加0.2万km2，比例增加1.27%。

(2)生境退化指数

按照arcgis分类的quantile(分位法)自动分类，将生境退化指数分为极严重退化(70.020～995.848)、高度退化(31.120～70.020)、中度退化(3.890～31.120)、轻度退化(0～3.980)和无退化五类(0)。

表4 山西省2000－2010年生境质量分布面积和比例

表5 山西省2000和2010年生境退化分布面积(万km2)和比例(%)

由表5可以看出，山西省2000－2010年处于中度退化的面积最大，占到整个省域面积的35%以上，其次是高度退化，占省域面积的20.45%，其次为极重要退化、无退化和轻度退化。其中，山西省极严重退化比例变化最大，从2000年的17.48%增加到2010年的17.61%，增加比例为0.13%，主要分布在国道、省道和高速公路以及城镇中心周围，这主要说明这些区域由于交通用地和城市用地的增加，生态用地转化为了非生态用地，生境适宜度急剧下降，导致极严重退化区域增加;高度退化生境减少比例为0.05%，主要分布在极严重退化区域周边，这主要是由于道路和城镇逐渐向城市外围扩张所致;中度退化生境减少比例为0.08%，轻度退化生境减少比例为0.32%，无退化生境比例增加0.31%，主要分布在山西省生态环境较好的区域，如五台山、太行山、吕梁山、中条山等内部与周边。

4 结论分析

(1)山西省土地利用类型主要以旱地为主，占山西省国土面积的37%以上，旱地的分布受地形影响很大，主要分布在地势比较平坦的区域，如运城西北部和南部地区，临汾南部地区，晋城的东北部;其次是草丛土地利用，占山西省域面积的30%左右;然后是森林土地利用，覆盖率达到22%以上，包括落叶阔叶灌木林、落叶阔叶林和常绿针叶林。然后是建设用地土地利用，约占山西省国土面积的4%左右。2000年到2010年，草丛面积大量减少，落叶阔叶林和常绿针叶林面积有所增长，落叶阔叶灌木林面积有所减少，旱地面积也有所减少，居住地、工业用地和交通用地面积增加，采矿点面积减少。

(2)山西省2000年到2010年土地利用变化主要为草丛转换落叶阔叶灌木林，落叶阔叶灌木林转换为落叶阔叶林，以及落叶阔叶灌木林转换为草丛等，这说明了山西省进行草地与森林的相互转化，使得山西省部分地区由于草丛逐渐转为落叶阔叶林和落叶阔叶灌木林使得生态环境恢复较好，如忻州的五台县、岢岚县，晋中的左权县、和顺县和昔阳县，临汾的安泽县等;而部分地区由于人类频繁的活动，经过反复砍伐，大量的植被遭到破坏所致;生态环境质量趋于下降，如晋中市的寿阳县和榆次区东部地区。

(3)山西省2000年到2010年生境质量的分布和变化情况为：非生境的面积最大，占到整个省域面积的42%以上，其次是极重要的生境，占省域面积的19%以上，然后依次为一般生境、中度生境和高度生境。其中，极重要生境和高度生境面积共减小0.19万km2，比例减小1.21%，非生境面积减小0.01万km2，比例减小0.06%，中度生境和一般生境面积共增加0.2万km2，比例增加1.27%，山西省极重要的生境和高度生境逐渐转变为中度生境和一般生境，表明山西省虽然近十年大量草丛转换为落叶阔叶灌木林，但由于道路、城镇和工业用地等威胁因子的阻隔，生境环境质量有退化趋势，非生境转化为中度生境和一般生境，是由于山西省近十年植被的修复对生态环境质量的提升起到一定的作用。

(4)山西省2000年到2010年生境退化的分布和变化情况为：中度退化的面积最大，占到整个省域面积的35%以上，其他其次是高度退化，占省域面积的20.45%，其次为极重要退化、无退化和轻度退化。其中，极严重退化面积增加，主要分布在国道、省道和高速公路以及城镇中心周围，无退化生境面积增加，主要分布在山西省生态环境较好的区域，如五台山、太行山、吕梁山、中条山、汾河、沁河等周围，高度退化、中度退化和轻度退化生境面积减少，主要分布在极严重退化区域周边;综上，山西省十年来生境退化的趋势为极严重退化和无退化面积增加，高度退化、中度退化和轻度退化面积减小，说明山西省在道路和大型工程的建设周边，生境退化严重，在生态环境较好的山脉和河流周边，生境退化较缓慢甚至逐渐有改善趋势。

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