基于InVEST模型的昆明市生境质量时空演变分析_曾欣怡.pdf

资源环境农业与技术2023，Vol.43，No.08基于 InVEST 模型的昆明市生境质量时空演变分析曾欣怡1宋钰红1，2(1.西南林业大学园林园艺学院，云南 昆明 650224;2.国家林业与草原局西南风景园林工程技术研究中心，云南 昆明 650224)摘要:城市化进程中全球范围内出现了前所未有的生境质量退化，生境质量评估对区域可持续发展有着重要意义。本研究基于 InVEST 模型对昆明市 2000 年、2010 年、2020 年生境质量进行评估并分析其时空演变特征。结果表明:昆明市整体生境质量处于中等级且呈下滑趋势，其中官渡区下滑最为严重，在空间上呈“北高南低，西高东低”的分布格局;中等级、较高等级和高等级区域的面积相对平稳，占研究区面积 60%，低等级区域面积呈增加趋势，较低等级生境质量面积呈降低趋势;20 年来，昆明市生境质量等级以不变为主，生境质量等级转移面积变化最大为较低等级转为低等级，主要由城市扩张造成。研究结果为协调昆明市城市发展与生态保护提供了理论参考。关键词:昆明市;生境质量;InVEST 模型;时空演变中图分类号:S181文献标识码:ADOI:10.19754/j.nyyjs.20230430012收稿日期:20221202基金项目:“云南省高层次人才培养支持计划”产业技术领军人才专项(项目编号:YNWCYJS202002);国家自然科学基金(项目编号:51968064)作者简介:曾欣怡(1998)，女，硕士在读。研究方向:风景园林规划设计与理论研究;通讯作者宋钰红(1970)，女，教授，博士生导师。研究方向:风景园林规划设计与理论、少数民族村落景观等研究。引言随着城市化进程的加快，全球正在经历前所未有的生境质量退化，导致生物多样性丧失严重1，生物多样性保护面临着巨大挑战。生境质量指生态系统为生物的生存与发展提供适宜条件的能力，在一定程度上可以反映区域生物多样性的情况，是生态系统服务功能的基础，更是影响人类福祉的关键因素2。人类活动与土地利用变化是导致生境质量下降的重要原因3，是生境质量的一个重要风险因素，基于土地利用对生境质量变化进行研究，对区域生物多样性保护与可持续发展有重要价值。目前，关于生境质量评估的研究主要集中在 2点。建立指标体系。如，杨建强等4 通过生境质量和生态响应 2 个方面构建指标来评价莱州湾的生境质量，此方法主要基于实地调研数据构建评价体系，结果准确但消耗人力物力较大、时间较长，不利于广泛应用于大尺度研究。构建模型模拟。如，刘汉仪等5 以土地利用为基础运用 InVEST 模型分析了粤港澳大湾区生境质量时空演变特征;王志强等6 通过 HSI 模型对扎龙国家级自然保护区丹顶鹤繁殖生境适宜性进行了定量评价;高浩翔等7 采用最大熵模型分析了野生马麝夏季生境适宜性。其中，InVEST 模型因其获取数据相对容易、结果可视化强，评估精度较高被国内外学者广泛应用于自然保护区8、流域9、省域10、市域11 等尺度。云南省生物多样性极其丰富12，昆明作为云南省省会，滇中城市群中心城市，其城市发展与生态环境保护面临较大冲突。因此，本研究以昆明市为研究区，使用 InVEST 模型中 Habitat Quality 模块，基于2000 年、2010 年、2020 年 3 期的土地利用数据分析20002020 年昆明市生境质量以及变化情况，以期为昆明市权衡区域生态环境保护与发展，打造高原湖滨生态宜居城市提供理论依据。1研究区概况昆明市位于我国西南地区，云贵高原中部(E1021010340，N24232622)，下辖 14 个区县，总面积 21060.5km2。地势整体呈北高南低的格局，以湖盆岩溶高原地貌形态为主，市中心海拔约 1891m。属742023，Vol.43，No.08农业与技术资源环境于亚热带高原季风气候，年平均气温 15，四季如春，有“春城”之称。生态本地优越，森林覆盖率达到 52.62%，生物多样性总体水平上物种较丰富，生态系统类型较多，局部地区生物多样性高度丰富。2021 年，昆明市常住人口 850.20 万人，地区生产总值 7222.5 亿元。2数据来源与研究方法2.1数据来源本研究选取 2000 年、2010 年和 2020 年共 3 期的昆明市土地利用数据，数据来源于 30m 全球地表覆盖数据 GlobeLand30(http:/ 和 N48_25 图幅号，其中，将昆明市土地利用分为耕地、林地、草地、灌木地、湿地、水体、建设用地 7 类。该数据总体精度 83%，是目前为止能公开获取到的分辨率较高、分类精度较好的全球土地覆被数据集13。2.2生境质量评估方法本研究采用生态系统服务评估和权衡(InVEST)模型中生境质量(Habitat Quality)模块对昆明市2000 年、2010 年和 2020 年生境质量进行评估。生境质量模块综合分析土地利用和威胁生物多样性的因素来得到生境质量地图14，其数值大小代表生境质量水平，数值越高表示该区域生境质量越好，物种生存条件更适宜，生物多样性水平就越高15。该模块通过威胁因子对生境的影响计算生境类型的退化程度，通过生境适宜度与生境退化度来计算生境质量11。其中，生境退化度计算公式:Dxj=r=1Yry=1wrr=1wrryirxySjr式中，Dxj代表土地利用类型 j 中栅格 x 受胁迫程度(生境退化度);代表威胁因子个数;r 代表单个威胁因子;Yr代表威胁因子 r 所占栅格数;y 代表威胁因子 r 所在的栅格;Wr代表威胁因子 r 的权重;ry代表威胁因子强度;irxy代表威胁因子对每个栅格产生的影响;Sjr代表土地利用类型对不同威胁因子的相对敏感程度。生境质量的计算公式:Qxj=Hj1 DzxjDzxj+kz()式中，Qxj代表土地利用类型 j 中栅格 x 的生境质量水平，范围为 01;Hj代表土地利用类型 j 的生境适宜度;k 为半饱和常数;z 采用模型默认参数16。结合前人研究与研究区实际情况15，17，本研究将土地利用中耕地与人造地表作为威胁因子。具体参数设置主要参考InVEST 模型手册以及相关案例研究 14，16，威胁因子最大影响距离、权重、衰减方式如表 1 所示，各用地类型的生境适宜度及其对威胁因子的相对敏感度如表 2 所示。表 1威胁源最大影响距离及权重威胁源最大影响距离权重空间衰减类型耕地40.7指数建设用地81指数表 2土地利用对各威胁源的敏感度土地利用类型生境适宜度敏感度耕地建设用地耕地0.50.30.5林地10.450.8草地0.70.50.6灌木地0.80.550.5湿地0.80.40.65水体0.90.60.8建设用地0003结果与分析3.1生境质量指数变化生境质量指数范围为 01，数值越大表示生境质量越高，采用分区统计方法得到昆明市生境质量指数，2000 年、2010 年、2020 年的生境质量指数平均值分别为 0.7、0.7、0.68，整体呈减少的变化趋势;20002010 年基本不变(增幅 1%)，20102020 年降幅 4%。如表 3 所示，20002010 年，昆明市 14 个区县中半数的区县生境质量指数不变，5 个区县生境质量指数增加，增幅均在 1.5%左右，生境质量指数呈降低趋势的区县为官渡区和禄劝彝族苗族自治县，降幅分别为 3.2%和 1.2%;20102020 年昆明市 14个区县中 12 个区县的生境质量指数呈降低趋势，降幅各异，其中降幅最大的为官渡区，达到 25%，呈贡区次之，降幅达 20.3%;富民县和禄劝彝族苗族自治县生境质量指数不变;20002020 年，14 个区县中仅富民县的生境质量指数不变，其余 13 个区县均呈降低趋势，其中官渡区降幅最大，达到 27.4%。3.2生境质量等级的面积变化结合研究区实际情况与相关案例，将生境质量结果分为低 0，0.4、较低 0.4，0.6、中 0.6，0.8、较高 0.8，0.9 和高 0.9，1.0 5 个等级，如表 4所示。84资源环境农业与技术2023，Vol.43，No.08表 320002020 年昆明市各区县生境质量指数生境质量指数2000 年2010 年2020 年安宁市0.750.750.71呈贡区0.630.640.51东川区0.690.690.68富民县0.700.700.70官渡区0.620.600.45晋宁区0.730.740.70禄劝彝族苗族自治县0.770.760.76盘龙区0.710.710.68石林彝族自治县0.640.640.63嵩明县0.640.650.61五华区0.640.640.60西山区0.760.760.71寻甸回族彝族自治县0.650.660.64宜良县0.680.690.672000 年、2010 年和 2020 年昆明市生境质量处于中等级、较高等级和高等级区域的面积相对平稳;低等级区域面积呈增加趋势，面积占比分别为 1.7%、2.1%和 6.1%;较低等级生境质量面积呈降低趋势，面积占比分别为 38.4%、36.7%和 33.9%。从时间尺度上看，20002010 年，低、中、高等级面积增加，增幅分别为 22.4%、4.5%和 1.1%;较低、较高等级面积减少，降幅分别为 4.5%、11.8%。20102020年，低、较高等级面积增加，增幅分别为 191.1%、7.3%;较低、中、高等级面积减少，降幅分别为7.4%、3.3%、1.6%。20002020 年，低、中等级面积增加，增幅分别为 256.5%和 1%;较低、较高、高等级面积减少，降幅分别为 11.5%、5.3%和 0.5%。整体上看，昆明市低等级生境质量面积呈增加趋势，但速率不快，而且整体占比不高;较低等级生境质量面积呈减少趋势，但整体占比最高;中、较高和高等级生境质量面积大致维持稳定，整体占研究区面积约60%，表明研究区生态本底优越，这也得益于昆明市近年来生态保护策略。表 420002020 年昆明市各等级生境质量面积年份/年低/km2较低/km2中/km2较高/km2高/km22000361.448082.055954.84472.376189.832010442.587720.016222.03416.826259.0820201288.437149.696016.66447.296158.463.3生境质量等级空间分布特征从生境质量等级空间分布来看，如图 1a、1b、1c所示，2000 年、2010 年和 2020 年昆明市生境质量整体呈现“北高南低，西高东低”的格局。3 期生境质量等级中，高等级区域主要分布于研究区西部，包括禄劝彝族苗族自治县中西部、西山区大部分、安宁市西部、晋宁区南部，其他区县零散分布，用地类型以林地为主;较高等级区域呈片式分布，集中分布于滇池、阳宗海、松华坝水库、上游水库、清水海、云龙水库等水域;中等级区域主要分布于东川区以及寻甸回族彝族自治县东部，其他区县零散分布，富民县北部区域中等级面积显著增多;较低等级区域主要分布于嵩明县中部、石林彝族自治县西北部，在寻甸回族彝族自治县和宜良县大面积分布，其他区县零散分布;低等级区域分布变化最为明显，随着社会发展与人类活动影响，向周围扩张，分布范围具体来讲，自五华区东南部向西北部扩张，自盘龙区西南部向东北部扩张，自西山区东北向西南扩张，自官渡区西部向南部扩张，并向东北延伸至长水机场方向、向西南延伸至呈贡区，自安宁市中部向西部扩张，晋宁区环滇池向南扩张，其他各区县分布较为分散，在各自低等级分布区域周围缓慢扩张，主要用地类型为建设用地。3.4生境质量等级转移分析整体上看，如图 1d 所示，研究区生境质量等级转移面积变化最大为较低等级转为低等级，其面积为734km2。研究区生境质量等级转为高等级的区域以中等级转高等级为主，面积为 503.9km2。生境质量等级转为中等级区域以较低等级转中等级为主，面积为569km2。生境质量等级转为较低等级区域以中等级转较低等级为主，面积为 381.6km2。研究区生境质量等级不变面积 17660km2，占研究区总面积 83.9%。生境质量 等 级 降 低 面 积 2068.8km2，占 研 究 区 总 面 积9.8%，生境质量等级升高面积 1331.7km2，占研究区总面积 6.3%。如表 5 所示，2000 年高等级生境质量区域中有0.7%和 2.5%的面积分别转化为低和较低等级生境质量，有 8.5%和 0.1%的面积分别转化为中和较高等级，88.2%的面积仍然保持高等级。由高等级转化为低和较低等级的区域零散分布于主城 5 区、其他区县也有少量分布，其主要原因是用地类型由林地转为建设用地。较高等级生境质量区域中有 2.1%和 5.3%的面积分别转化为低和较低等级生境质量，有 6%和 3.2%的面积分别转化为中和高等级，83.3%的面积仍然保持较高等级。由较高等级转化为低和较低等级的区域主要零散分布于西山区东部、官渡区西部、嵩明县中部，其主要原因是用地类型由水体转为耕地和建设用地。942023，Vol.43，No.08农业与技术资源环境注:a、b、c 为生境质量空间分布;d 为等级转移格局。图 120002020 年昆明市生境质量空间分布及等级转移格局中等级生境质量区域有 2.6%和 6.4%的面积分别转化为低和较低等级生境质量，有 0.3%和 8.5%的面积分别转化为较高和高等级，82.1%的面积仍然保持中等级。由中等级转化为低和较低等级的区域主要分布于东川区东部、官渡区中部，其他区县少量分布，其主要原因是用地类型由草地转为建设用地和耕地。中等级转化为高等级区域整体分散，少部分集中分布于富民县昂大本山，其主要原因是用地类型由草地转为林地较低等级生境质量区域中有 9.1%的面积转化为低等级生境质量，有 7%、0.3%和 2.2%的面积分别转化为中、较高和高等级，81.3%的面积仍然保持较低等级。由较低等级转化为低等级的区域主要分布于滇池东北部、东南部和西南部、盘龙区和五华区城郊、官渡区东北部以及其他区县建成区域，其主要原因是这类区域用地类型由耕地转化为建设用地。较低等级转化为中等级区域主要分布于富民县东北部、寻甸回族彝族自治县中部，其他区县零散分布，其主要原因是用地类型由耕地转为草地。低等级生境质量区域中有 3.7%的面积转化为较低等级生境质量，有 1%、0.1%和 0.4%的面积分别转化为中、较高和高等级生境质量，94.8%的面积仍然保持低等级。由低等级转化为较低等级及以上的区域面积占比低、零散分布于各区县。表 520002020 年昆明市生境质量等级面积占比变化转移矩阵2000 年2020 年低/%较低/%中/%较高/%高/%低/%94.83.71.00.10.4较低/%9.181.37.00.32.2中/%2.66.482.10.38.5较高/%2.15.36.083.33.2高/%0.72.58.50.188.24讨论生境质量是生态文明建设的重要方面，对维持区域生物多样性起着关键作用。近年来，昆明经济建设05资源环境农业与技术2023，Vol.43，No.08的推进使得其社会经济高速发展，城镇化水平不断提高，建设用地、耕地增加明显，使得昆明市域生境质量显著下滑。根据统计，2000 年昆明市常住人口 481万人，GDP636.13 亿元，到 2020 年昆明市常住人口达到 846 万人，GDP 达到 6733.79 亿元，可见经济与人口增长带来的城市扩张是影响昆明市生境质量的重要因素，造成中心城区，即五华区、盘龙区、西山区、官渡区、呈贡区生境质量下降尤其明显。最近几年随着生态文明建设的推进，昆明部分区域开展的退耕还林、换草、还湖活动使得部分区域的生境质量有所提高。昆明市作为滇中最大城市，其生态安全问题不容小视。在发展经济的同时也应注重生态环境的保持，协调人与自然的关系，统筹发展与保护之间的关系。因此在城市建设时应减少对林地、草地等自然环境的破坏，加强城市建设的集约化发展。并针对需要优先保护的区域划定生态保护区，确定好发展与保护的界限，实现绿色发展。5结论研究基于土地利用数据，采用 InVEST 模型对昆明市 20 年来生境质量时空演变进行了分析，研究结果表明，昆明市整体生境质量处于中等级且呈下滑趋势，其中官渡区下滑最为严重;整体上昆明市各生境质量等级面积由高到低为较低、高、中、低、较低，处于中等级、较高等级和高等级区域的面积相对平稳，占研究区面积 60%，低等级区域面积呈增加趋势，较低等级生境质量面积呈降低趋势;昆明市生境质量呈“北高南低，西高东低”的分布格局，最高点位于西部山区，最低点位于滇池东岸的城区以及各县的县政府所在地;20 年来，昆明市生境质量等级以不变为主，生境质量等级转移面积变化最大为较低等级转为低等级。生境质量降低主要为城镇区域，是城市扩张的结果，生境质量增加主要为远离城镇的偏远山区。本文研究结果为协调昆明市城市发展与生态保护，以及生境保护视角下的城市规划提供了理论参考。参考文献 1Qinglong Ding，Yang Chen，Lingtong Bu，et al Multiscenario a-nalysis of habitat quality in the Yellow iver delta by coupling FLUSwith InVEST model J International Journal of Environmental e-search and Public Health，2021，18(5):2389 2 刘春芳，王川 基于土地利用变化的黄土丘陵区生境质量时空演变特征 以榆中县为例 J 生态学报，2018，38(20):73007311 3 张学儒，周杰，李梦梅 基于土地利用格局重建的区域生境质量时空变化分析 J 地理学报，2020，75(01):160178 4 杨建强，朱永贵，宋文鹏，等 基于生境质量和生态响应的莱州湾生态环境质量评价 J 生态学报，2014，34(01):105114 5 刘汉仪，林媚珍，周汝波，等 基于 InVEST 模型的粤港澳大湾区生境质量时空演变分析 J 生态科学，2021，40(03):8291 6 王志强，陈志超，郝成元 基于 HSI 模型的扎龙国家级自然保护区丹顶鹤繁殖生境适宜性评价 J 湿地科学，2009，7(03):197201 7 高浩翔，申立泉，刘瑞，等 基于 MAXENT 模型的野生马麝夏季生境适宜性研究 J 生态学报，2023(01):18 8 包玉斌，刘康，李婷，等 基于 InVEST 模型的土地利用变化对生境的影响 以陕西省黄河湿地自然保护区为例 J 干旱区研究，2015，32(03):622629 9 巩杰，马学成，张玲玲，等 基于 InVEST 模型的甘肃白龙江流域生境质量时空分异 J 水土保持研究，2018，25(03):191196 10 黄鑫，程文仕，李晓丹，等 甘肃省生境质量变化的图谱特征 J 应用生态学报，2020，31(09):31313140 11 陈妍，乔飞，江磊 基于 In 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