基于InVEST模型的西安市生境質(zhì)量時空演變研究

曹瑞超

(長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710000)

引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,中國城市化的進(jìn)程不斷加快,區(qū)域土地利用類型在不斷解構(gòu)與重構(gòu),產(chǎn)生了一系列環(huán)境問題,對生態(tài)環(huán)境形成巨大壓力[1]。生境質(zhì)量是指在有限的時間和空間中為個體和種群提供適宜生存條件的能力,生境質(zhì)量評估是流域土地利用和綜合管理政策制定的重要基礎(chǔ)[2-5]。本文以西安市為研究對象，利用區(qū)域土地利用類型的變化情況，基于InVEST模型生境質(zhì)量模塊對西安市生境質(zhì)量進(jìn)行評估，為西安市的土地開發(fā)利用和管理維護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

西安市位于黃河流域中部關(guān)中盆地，地勢北高南低，北瀕渭河，南依秦嶺，境內(nèi)河網(wǎng)密集，生物資源豐富。近年來，隨著城鎮(zhèn)化速度的不斷加快，城市用地快速擴(kuò)張，人口大規(guī)模聚集，從而使生態(tài)環(huán)境遭到破壞。因此，對其生境質(zhì)量進(jìn)行評價研究，對解決城市發(fā)展面臨的生態(tài)環(huán)境問題有較大的實踐意義。

2 研究方法

InVEST生境質(zhì)量模型通過結(jié)合景觀類型敏感性和外界威脅強(qiáng)度來計算生境質(zhì)量，計算公式[6]：

式中，R為脅迫因子；y為脅迫因子r柵格圖層的柵格數(shù)量；Yr為斜坡因子所占的柵格數(shù)量；wr為脅迫因子的權(quán)重；ry為柵格y的脅迫因子值；βx為柵格x的可達(dá)性水平；Sjr為生境類型j對脅迫因子r的敏感性；iryx為柵格y的脅迫因子值ry對生境柵格x的脅迫水平。

式中，Qxj為土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量；k為半飽和參數(shù)；Hj為土地利用類型j的生境適宜性；z為歸一化常量；Dxj為土地利用類型j中柵格x所受的脅迫水平。

根據(jù)研究區(qū)域的實際情況，選取耕地、建設(shè)用地和未利用地3種土地利用類型以及鐵路、高速公路和城市一級道路作為脅迫因子，根據(jù)現(xiàn)有研究并結(jié)合研究區(qū)域具體情況對威脅源的最大影響距離和權(quán)重以及各種生境類型的適宜度和敏感性進(jìn)行調(diào)節(jié)和賦值，見表1、表2。

表1 各生境類型適宜度及對威脅因子的敏感性

表2 威脅因子及其權(quán)重

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)果分析

2000—2010年西安市耕地面積和建設(shè)用地面積變化幅度較大，其它類型變化幅度較小。其中，耕地面積不斷減少，3個年份的面積分別為4275.68km2、3908.76km2、3724.80km2；而建設(shè)用地面積不斷增加，3個年份的面積分別為861.20km2、1221.05km2、1404.98km2；林地面積占總面積的比重呈現(xiàn)先漲后降的走向，從2000年的46.82%增長為2010年的46.89%，之后又降低為2020年的46.67%；草地面積變化則與林地相反，先降后漲，3個年份的面積分別為193.06km2、184.98km2、203.17km2；水域面積呈現(xiàn)小幅度增長的趨勢，面積分別為37.40km2、50.54km2、58.63km2；未利用面積占比最小且變化幅度不大。另外，從空間變化的角度看，2000—2020年期間，南部土地利用變化較穩(wěn)定，最主要的變化發(fā)生在東北部地區(qū)，其中主要表現(xiàn)為建設(shè)用地面積大幅增加，面積占比由8.52%增加到13.87%。

由圖2、圖3可知,2000—2010年，變化最大的地類是耕地，面積為594.86km2，主要分流為建設(shè)用地以及少量的林地、草地和水域；林地主要分流為草地和耕地；草地主要分流為林地和耕地；建設(shè)用地則主要轉(zhuǎn)化為了耕地；2010—2020年，土地利用類型變化最大的仍是耕地，其中79.43%分流為建設(shè)用地，還有少量變?yōu)榱值睾筒莸?，林地和草地分流變化情況與前一年份區(qū)間相同，但變化面積增多；對比2個年份區(qū)間可以得出，耕地的流出面積減少，林草地、建設(shè)用地的流出面積增加，建設(shè)用地的流入面積減少，耕地、林地、草地的流入面積增加。

3.2 生境質(zhì)量評價結(jié)果分析

利用InVEST模型生境質(zhì)量模塊對西安市2000年、2010年和2020年的生境質(zhì)量進(jìn)行評價，數(shù)值越接近1，說明生境質(zhì)量越高，區(qū)域生境越完整，并具有相對應(yīng)的功能和結(jié)構(gòu)，對于生物多樣性的維持越有利。選擇自然斷點法將結(jié)果劃分為優(yōu)(0.95～1)、良好(0.80～0.95)、一般(0.63～0.80)、較差(0.28～0.63)和差(0～0.28)5個等級，生境質(zhì)量各等級分布情況以及面積如圖4所示。

從時間變化來看，2000—2020年西安市生境質(zhì)量等級為差和一般的面積分別增加了56.48%和11.93%，而等級為優(yōu)、良好和較差的面積分別減少了0.41%、2.00%、13.01%，生境質(zhì)量整體趨于下降，但由生境質(zhì)量平均得分能夠得出，生境質(zhì)量降低的幅度減小，說明生境退化得到了遏制，生態(tài)恢復(fù)得到一定成效。

從空間分布來看，西安市生境質(zhì)量表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，大體可以分為秦嶺褶皺帶和華北地臺為2大區(qū)域單元，指數(shù)高的區(qū)域集中分布于南部秦嶺地區(qū)，區(qū)域內(nèi)大面積的林草地為生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力提供了支撐，并且道路線性威脅源占比較少，所以南部生態(tài)系統(tǒng)具備較強(qiáng)的修復(fù)能力，因此多年間可以保持著較高的生境質(zhì)量。南部也有零星的生境質(zhì)量低的區(qū)域，其主要原因為小面積耕地分布于此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動一定程度上威脅著生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。生境質(zhì)量低的區(qū)域分布于北部城市中心區(qū)域并且隨著時間大面積地向四周擴(kuò)散，其原因主要為經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化水平不斷提高，建設(shè)用地的擴(kuò)張導(dǎo)致了區(qū)域威脅源比重不斷增大，人類活動對其干擾程度不斷加強(qiáng)，對生態(tài)系統(tǒng)形成較大的破環(huán)性。

由圖5可知，西安市整體生境質(zhì)量變化較穩(wěn)定，2個年份區(qū)間的極值變化都主要集中于西安市城區(qū)周邊范圍，低值位置變化更大，該地域空間范圍是人地關(guān)系矛盾最激烈的區(qū)域；2010—2020年的極值區(qū)域比2000—2010年大幅度減少，表明生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到不斷增強(qiáng)；南部地區(qū)在2010—2020年出現(xiàn)了低值，說明雖然南部生境質(zhì)量較高、生態(tài)系統(tǒng)較穩(wěn)定，但仍不能忽視生態(tài)的保護(hù)。

4 結(jié)論

2000—2020年，西安市生境質(zhì)量平均指數(shù)呈現(xiàn)小幅下降的趨勢，20a間下降了0.0114。在空間上則表現(xiàn)為南高北低的分布特征。區(qū)域生境質(zhì)量上升的主要原因為生態(tài)保護(hù)工程措施將地類變更為可提高生境適宜性的土地覆蓋類型，下降原因則主要是建設(shè)用地的擴(kuò)張和變動。西安市以“推進(jìn)綠色發(fā)展，建設(shè)生態(tài)西安”為主線，開展了秦嶺生態(tài)修復(fù)、“八水繞長安”工程等工作，取得了一定成效，生境質(zhì)量呈現(xiàn)向好的態(tài)勢。但仍需進(jìn)一步落實和鞏固各項措施，生態(tài)修復(fù)再提速，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。