基于InVEST 模型的永定區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施生境質(zhì)量研究

余霽薇，朱深海

（吉首大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖南 張家界 427000）

城市，是以人類活動為中心的社會-經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)［1］，城鎮(zhèn)化是現(xiàn)代化建設(shè)的重要一環(huán)，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的不斷深化，人們生活水平得到提高，不斷變化的土地利用方式和快速無序的城鎮(zhèn)化建設(shè)為發(fā)展提供了機遇，同時也導(dǎo)致了生態(tài)資源的大量消耗，各種建設(shè)用地侵占了開敞豐富的綠色空間，自然景觀被人為阻斷和破壞，生物棲息地不斷喪失，多樣性遭到破壞，人地矛盾也進一步加?。?］。習(xí)近平總書記在十九大報告中提出“生態(tài)文明建設(shè)是實現(xiàn)中國夢的一個必不可少的條件”，同時還指出“人與自然是生命共同體，人類必須尊重自然，順應(yīng)自然，保護自然”。近年來，學(xué)者們對綠色基礎(chǔ)設(shè)施的研究較多，其中，對生境質(zhì)量以及生態(tài)退化評估成為了研究的熱點與難點。

綠色基礎(chǔ)設(shè)施作為20 世紀(jì)90 年代提出的一個以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)的理論，其組成不是單一的綠色空間，而是由綠道、河流、濕地、森林、公園、野生動物棲息地、自然保護區(qū)等開敞空間所組成的相互連接的網(wǎng)絡(luò)，綠色基礎(chǔ)設(shè)施在水源涵養(yǎng)、土壤保持、維護生態(tài)平衡、協(xié)調(diào)人與自然關(guān)系等方面具有重要作用。因此，對綠色基礎(chǔ)設(shè)施進行評估不僅可以評估人類活動對自然社會的影響，也可為城市建設(shè)及生態(tài)環(huán)境保護提供重要參考。InVEST 模型是基于ArcGIS 平臺，由自然資本項目支持，斯坦福大學(xué)與世界自然基金會（WWF）、大自然保護協(xié)會（TNC）聯(lián)合開發(fā)的，能結(jié)合傳統(tǒng)定量評估方法，對生態(tài)服務(wù)功能進行定量評估與空間表達(dá)，可模擬不同土地利用條件和覆被變化下生態(tài)服務(wù)功能的變化，并直觀地反映出生態(tài)服務(wù)功能在空間上的分布情況，是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)評估的有效手段［3，4］，同時，彌補了傳統(tǒng)評估方法在空間表達(dá)方面存在的不足。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

張家界市位于湖南省西北部，澧水中上游，是武陵山片區(qū)6 個中心城市之一，中國最重要的旅游城市之一，同時也是湘鄂渝黔革命根據(jù)地發(fā)源地和中心區(qū)域，具有優(yōu)越的旅游資源和悠久的紅色歷史。永定區(qū)位于張家界腹地，湘西山區(qū)東北部，澧水中上游，屬武陵山脈主脈，南、西、北三面環(huán)山，中部地勢低平，成為一半環(huán)形山丘性盆地（圖1）。山形豐富，水系蜿蜒，其綠色基礎(chǔ)設(shè)施具有獨特優(yōu)勢。山地城市地貌復(fù)雜，氣候水文多變，生態(tài)環(huán)境脆弱，適宜建設(shè)用地緊張，伴隨城市化的不斷深化及旅游產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，城市建設(shè)用地需求不斷增長。在此背景下，更需要對其綠色基礎(chǔ)設(shè)施的生境質(zhì)量以及生境退化情況進行評估，以進行科學(xué)有效的管理與保護，平衡開發(fā)利用強度和生態(tài)之間的矛盾。

圖1 永定區(qū)區(qū)位

1.2 研究方法

InVEST 模型中的生境質(zhì)量模塊（Habitat quality）是陸地生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)評估模型。該模型通過探究人類活動下生態(tài)脅迫因子對生態(tài)斑塊的影響程度，從而進一步評估研究區(qū)域生態(tài)質(zhì)量。一般而言，生境質(zhì)量的好壞與生境退化程度受人類活動、該區(qū)域土地利用情況、土地開發(fā)程度等因素的影響，生境退化及生態(tài)質(zhì)量計算公式［5］如下：

式中，Dxj表示土地利用類型j 中柵格單元x 的總退化程度；y 表示威脅因子r 柵格圖所有柵格單元；Yr表示威脅因子r 柵格圖的柵格單元總數(shù)；Wr表示威脅因子r 的權(quán)重；ry表示每柵格單元上威脅因子個數(shù)；irxy表示威脅因子的脅迫程度；βx表示受法律保護程度；Sjr表示敏感程度［5，6］。

式中，Qxj表示生境質(zhì)量；Hj表示土地利用類型j的生境適宜性；k 表示半飽和常數(shù)；z 表示歸一化常數(shù)，取值為2.5。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

選取《2017 年張家界市統(tǒng)計年鑒》以及2017 年張家界市土地利用數(shù)據(jù)，將其進行空間配準(zhǔn)，通過ArcGIS 軟件進行計算，獲取2017 年永定區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施與人造地表數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 2017 年永定區(qū)土地利用情況

利用ArcGIS 空間分析工具，得到永定區(qū)總面積為2 174.01 km2，其中，人造地表用地92.03 km2，占比為4.23%；綠色基礎(chǔ)設(shè)施用地2 081.97 km2，占比為95.77%（表1）。

考慮到綠色基礎(chǔ)設(shè)施和研究區(qū)土地覆被類型的實際情況，通過實地調(diào)研和相關(guān)學(xué)者研究案例，將農(nóng)田與人造地表（居民點、交通用地等）作為研究區(qū)生境質(zhì)量和生境退化的威脅源［7］，運用ArcGIS 空間分析工具Con 分別提取研究區(qū)農(nóng)田類威脅因子（Cropland 圖層）和人造地表威脅因子（Impervious 圖層），結(jié)果分別如圖3、圖4 所示。將目標(biāo)因子?xùn)鸥駡D層賦值為1，而對非目標(biāo)因子?xùn)鸥駡D層賦值為0。

表1 2017 年永定區(qū)用地構(gòu)成及占比

圖3 農(nóng)田威脅因子?xùn)鸥?/p>

圖4 人造地表威脅因子?xùn)鸥?/p>

在該模型中，區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)威脅因子，無論是呈指數(shù)相關(guān)（Exponential）還是線性相關(guān)（Linear），都表明了威脅因子與各地類斑塊間的空間耦合關(guān)系，即每個威脅因子影響生境質(zhì)量的最大距離與衰退線性相關(guān)；而每一種地類斑塊都有著不同的生境適應(yīng)性，并對生態(tài)威脅的敏感程度也有明顯差異。在模型中，每個土地覆被類型對威脅因子敏感度的取值范圍在0～1，取值越高，對于威脅因子的敏感度就越高，參考InVEST 模型使用指南《In-VEST 模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備手冊》中的得分標(biāo)準(zhǔn)，參考國內(nèi)外學(xué)者研究成果［8］，同時結(jié)合研究區(qū)實際情況，將威脅因子及威脅因子敏感度賦值，計算得到研究區(qū)域威脅因子（表2）與威脅因子敏感度數(shù)據(jù)（表3）。

表2 生態(tài)威脅因子

表3 威脅因子敏感度

3 結(jié)果與分析

生境質(zhì)量指數(shù)是對研究區(qū)域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施生境斑塊的生態(tài)適宜性以及退化程度進行評價的一個綜合性指標(biāo)。生境質(zhì)量分值的高低可以反映該研究區(qū)域內(nèi)生境斑塊的破碎化程度，同時也可以體現(xiàn)除各斑塊受人為因素影響外斑塊抗干擾能力的高低［9］。

將永定區(qū)土地利用柵格、威脅因子?xùn)鸥竦葦?shù)據(jù)導(dǎo)入InVEST 模型生境質(zhì)量評估模塊中，運行模型，可以得出當(dāng)前研究區(qū)域的生境質(zhì)量（圖5）與生境退化（圖6）。利用ArcGIS 軟件重分類功能，將生境質(zhì)量分為低（0～0.2）、較低（0.2～0.4）、中（0.4～0.6）、較高（0.6～0.8）、高（0.8～1.0）5 個等級。將生境退化指數(shù)分為基本無退化（0～0.02）、低退化（0.02～0.04）、中等退化（0.04～0.05）、嚴(yán)重退化（0.05～0.08）、劇烈退化（—0.08）5 個等級［10，11］。

由圖5、圖6 可以看出，永定區(qū)總體生境情況較好。生境質(zhì)量指數(shù)高值區(qū)與較高值區(qū)域主要分布在大型山體和水體等自然資源豐富、人類活動較少地區(qū)。生境質(zhì)量高值區(qū)占比最大，主要分布在森林資源與水體資源豐富地區(qū)；其次是生境質(zhì)量較低地區(qū)，主要分布在永定區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)周邊；永定區(qū)城區(qū)及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)等人類活動頻繁地區(qū)生境質(zhì)量最差，由于城區(qū)發(fā)展較快，生產(chǎn)生活的開發(fā)建設(shè)逐漸向周邊擴散，侵占原有土地，吞噬了周邊生境質(zhì)量較好區(qū)域。

圖5 永定區(qū)生境質(zhì)量空間布局

圖6 永定區(qū)生境退化空間布局

同時，由于山地是永定區(qū)主要地形，林地所占比重較大，因此，無退化區(qū)域占比較大，整體情況相對穩(wěn)定。此外，2017 年永定區(qū)生境嚴(yán)重退化和劇烈退化地區(qū)呈現(xiàn)出由中心向四周輻射的趨勢。永定城區(qū)作為區(qū)域發(fā)展中心、區(qū)域經(jīng)濟增長高地，因此該區(qū)域的生態(tài)退化程度也高于其他地區(qū)。永定區(qū)山地較多，地形起伏大，給交通建設(shè)造成一定的阻礙，為了節(jié)約建設(shè)成本，交通用地大多分布在山地間相對平坦區(qū)域，這些區(qū)域受人類頻繁活動的影響，生態(tài)退化程度也相對較高。

綜上可知，即使永定區(qū)城區(qū)內(nèi)澧水河穿城而過，天門山風(fēng)景區(qū)屹立其中，但由于城鎮(zhèn)化不斷深化，建設(shè)用地需求擴張、城鎮(zhèn)建設(shè)速度加快、城區(qū)建筑施工、旅游資源的大量開發(fā)等導(dǎo)致裸露地面較多，水體受到了污染，綠色基礎(chǔ)設(shè)施生境質(zhì)量迅速下降、生態(tài)退化程度加劇，生境也因為人類活動變得破碎化。同時，城市生態(tài)功能體系建設(shè)相對滯后，缺乏對綠色基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和保護，使得城區(qū)生態(tài)文明建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展要求之間仍存在一定差距。

4 小結(jié)

InVEST 模型評估結(jié)合了RS 與GIS，在生態(tài)評估空間分析與表現(xiàn)上具有明顯優(yōu)勢，是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)評估的有效手段，為合理利用自然資源、協(xié)調(diào)人類與自然關(guān)系和可持續(xù)發(fā)展提供了信息技術(shù)支撐，是政府、組織等進行決策和規(guī)劃的有效工具。

通過InVEST 模型對永定區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施生境質(zhì)量進行評估，并分析空間分布規(guī)律，可以得知研究區(qū)域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)質(zhì)量整體上較好，而人類活動是生境退化的主要驅(qū)動因子。為更好地發(fā)揮永定區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)優(yōu)勢，應(yīng)加強對永定區(qū)城區(qū)及其鄉(xiāng)鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)強度的控制，加強監(jiān)督與管理，維護生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定，防止綠色基礎(chǔ)設(shè)施的生態(tài)遭到破壞。