基于InVEST模型的貴陽市主要交通干線景觀帶生境質(zhì)量特征分析

林澤北 王志杰 顏 偉 柳書俊 吳際通

(1.貴陽市森林資源管理站 貴州貴陽 550003；2.貴州大學生命科學學院 貴陽 550025)

生境質(zhì)量是指生態(tài)環(huán)境為生物生存提供適宜條件的能力[1][2]，可用于表征區(qū)域地類景觀斑塊生態(tài)適宜性好壞，其數(shù)值大小能夠反映區(qū)域斑塊破碎程度和各景觀斑塊對生境退化的抗干擾性[3～7]。開展不同尺度生境質(zhì)量研究，是對自然生態(tài)系統(tǒng)健康識別、界定和保育的基礎，也是不同尺度生態(tài)環(huán)境評價與可持續(xù)發(fā)展管理的前提條件，對制定區(qū)域保育政策具有重要意義[6][7]。目前，生境質(zhì)量評價主要采用基于景觀格局的指標體系法和基于模型的方法，且后者在預測未來生境分布及保護區(qū)選址等方面作用尤為突出[8～12]。模型法最常用的模型是由美國斯坦福大學、大自然保護協(xié)會和世界自然基金共同開發(fā)的InVEST模型(Integrated Valuation of Environmental Services and Tradeoffs)中的Habitat Quality模塊，該模型具有數(shù)據(jù)量需求低、計算結(jié)果可視化強等特點，被廣泛應用于研究縣域[13]、自然保護區(qū)[14]、流域[7]等不同尺度生境質(zhì)量評估研究。但目前很少有研究關注公路景觀帶這一類人類劇烈活動區(qū)域生境質(zhì)量狀況。

貴陽市地處黔中腹地，是典型的喀斯特山地城市，地形地貌起伏較大、地塊破碎、山高坡陡[15]。伴隨經(jīng)濟的迅速發(fā)展，貴陽市內(nèi)交通干線也越來越多，交通網(wǎng)絡設施密度也在不斷增大，人類活動勢必對交通干線景觀帶動植物生存環(huán)境產(chǎn)生威脅；同時在退耕還林還草工程影響下，山區(qū)自然植被大量恢復又提高了其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[16][17]。然而交通干線景觀帶生境質(zhì)量狀況如何？這一科學問題依然沒有明確答案。

基于此，本研究以貴陽市主要交通干線景觀帶為研究對象，運用GIS技術和InVEST模型對其生境質(zhì)量進行分析，擬揭示貴陽市主要交通干線景觀帶生境質(zhì)量特征，旨在為交通干線景觀帶生物多樣性保護和生態(tài)系統(tǒng)保育提供理論依據(jù)和科學指導。

圖1 研究區(qū)示意圖

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴陽市(106°07′～107°17′E，26°11′～27°22′N)位于黔中腹地，東接龍里、甕安；南靠惠水、長順；西抵貴安新區(qū)、織金；北鄰黔西、金沙、遵義。轄六區(qū)一市三縣，四個國家級開發(fā)區(qū)，全市國土總面積8034km2[18][19]。地勢西南高、東北低，地貌類型復雜多樣，平均海拔1100m左右[20]，年均氣溫15.3℃左右，年降水量1197～1248mm[18]。森林覆蓋面積達43.2%。動植物資源種類繁多。境內(nèi)川黔、湘黔、黔貴、貴昆等鐵路，廈蓉、蘭海、滬昆等高速以及“三環(huán)十六射”的骨架路網(wǎng)格局等交通干線，奠定了貴陽市西南地區(qū)重要交通樞紐的地位。

1.2 數(shù)據(jù)來源與特征

土地利用矢量數(shù)據(jù)和路網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)來源于貴陽市森林資源管理站2016年《貴陽市主要交通干線專項調(diào)查報告(2006～2016年)》，其中包括貴陽市轄區(qū)內(nèi)10條城市快速干道、16條高速公路、11條鐵路和4條縣際快速通道共41條交通線路及其兩側(cè)景觀帶范圍(即兩側(cè)山地第一層山脊線以內(nèi)，或平地100米以內(nèi))可綠化土地(包括林地上的跡地、宜林地，耕地中的旱地，未利用地中的裸地和石質(zhì)土地，建設用地上的邊坡及空地)。其中小班最小區(qū)劃面積不小于667m2。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)。

1.3 研究方法

InVEST模型是通過結(jié)合土地利用類型敏感性和外界威脅強度計算生境質(zhì)量[21][22]，其生境質(zhì)量模塊將生境質(zhì)量視為一個變量，量化分析威脅源的強度及各土地利用類型對威脅源的脅迫因子敏感度，同時考慮脅迫因子等的影響范圍及空間權(quán)重等因素，繼而表征生物多樣性的豐富性[7][22][23][24]。該模塊反映了人類活動對環(huán)境造成的影響，即區(qū)域受到人類活動的干擾越低，其生境質(zhì)量越好，生物多樣性水平亦高，反之亦然[24][25]。其計算公式如下：

式中，Qxj為土地利用類型j中的柵格x的生境質(zhì)量；Hj為土地利用類型j的生境適合性，當僅從宏觀角度研究生境而不涉及物種時，常采用二分法定義Hj值；z為歸一化常數(shù)，一般取值2.5；Dxj為土地利用類型j中柵格x受脅迫水平；k為半飽和常數(shù)，通常取Dxj最大值的一半；z為常數(shù)；R為生境脅迫因子；y為生境脅迫因子r的所有柵格單元；Yr是生境脅迫因子所占柵格數(shù)，取值0～1；irxy為柵格y的脅迫因子r值ry對生境柵格x的脅迫水平；βx為柵格x的可達性水平，取值0～1，1表示極容易到達；Sjr為生境類型j對脅迫因子r的敏感性，取值為0～1，該值越接近1，表示越敏感；dxy為柵格單元x與柵格單元y之間的直線距離；drmax為脅迫因子r的最大影響距離。本研究在InVEST模型手冊[26]及相關研究基礎上[7][27][28]，結(jié)合研究區(qū)實際情況來確定相關參數(shù)數(shù)值，見表1和表2。

表1 威脅因子的最大影響距離及其權(quán)重

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用與生境質(zhì)量空間分布

由表2可知：研究區(qū)土地利用類型以建筑用地、耕地和喬木林地為主，三者面積分別為149.93km2、66.54km2和55.88km2，共占研究區(qū)總面積的81.87%；特殊灌木林地和交通用地面積分別為28.20km2和25.97km2，二者分別占研究區(qū)總面積的8.48%和7.81%；其它各土地利用類型總面積僅6.17km2，僅占研究區(qū)總面積的1.85%。

將研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)、威脅源數(shù)據(jù)、威脅因子的最大影響距離及其權(quán)重表和生境適宜度及其對不同威脅因子的敏感度表輸入InVEST模型的Habitat Quality模塊，計算得到貴陽市主要交通干線景觀帶生境質(zhì)量空間分布圖(圖2a)，利用ArcGIS10.5軟件Reclass工具采用等間距法將研究區(qū)生境質(zhì)量分為：0～0.2低等級、0.2～0.4較低等級、0.4～0.6中等等級、0.6～0.8較高等級、0.8～1.0高等級5個級別(圖2b)。統(tǒng)計分析研究區(qū)不同生境質(zhì)量等級面積及占比(表3)，結(jié)合圖2可知，貴陽市主要交通干線景觀帶生境質(zhì)量指數(shù)位于0～0.90之間，平均生境質(zhì)量指數(shù)為0.28，整體生境質(zhì)量較低。生境質(zhì)量高值區(qū)主要分布在研究區(qū)北部區(qū)域。不同生境質(zhì)量等級以低等級和較低等級為主，二者面積分別為180.66km2和20.59km2，分別占研究區(qū)總面積的54.30%和20.59%，這主要是因為研究區(qū)建筑用地、交通用地和耕地等生境適宜度較低的非自然生境面積較大。高等級和較高等級生境質(zhì)量面積分別為54.61 km2和28.59 km2，分別占研究區(qū)總面積的8.59%和16.42%，中等等級生境質(zhì)量面積最小，僅為0.33km2，僅占研究區(qū)總面積的0.10%。

表2 生境適宜度及其對不同威脅因子的敏感度和各土地利用類型面積及其占比

圖2 貴陽市主要交通干線景觀帶生境質(zhì)量空間分布圖

表3 貴陽市主要交通干線景觀帶不同等級生境質(zhì)量面積及占比

2.2 不同交通干線生境質(zhì)量空間分布

統(tǒng)計分析不同交通干線景觀帶不同生境質(zhì)量面積占比及平均生境質(zhì)量指數(shù)(表4)可知：在各鐵路干線中，中心鐵路、成貴鐵路和貴開鐵路景觀帶的生境質(zhì)量最高，其平均生境質(zhì)量指數(shù)均大于0.40，屬于中等等級，其較高等級和高等級之和均占各自類型總面積的35%以上；貴陽樞紐線、貴廣高鐵、滬昆鐵路和開陽磷礦專用鐵路景觀帶的平均生境質(zhì)量指數(shù)在0.17～0.18之間，屬于低等級，生境質(zhì)量最差。各高速公路干線中，以貴黔高速和貴翁高速景觀帶的生境質(zhì)量最高，其生境質(zhì)量指數(shù)均大于0.35，屬較低等級，其較高等級和高等級之和均占各自類型總面積的27%以上，其它7條高速公路干線景觀帶的平均生境質(zhì)量指數(shù)均小于0.20，屬于低等級；G210、貴安通道、都織高速和貴新高速景觀帶平均生境質(zhì)量指數(shù)在0.04～0.18之間，屬于低等級，生境質(zhì)量較差。各城際快速通道干線中，以機場路、北二環(huán)和西二環(huán)景觀帶的生境質(zhì)量最高，其生境質(zhì)量指數(shù)均大于0.23，屬較低等級，其較高等級和高等級之和均占各系類型總面積的22%以上；其它7條道路景觀帶平均生境質(zhì)量指數(shù)在0.07～0.17之間，屬低等級，其中花溪大道和甲秀南路景觀帶的生境質(zhì)量最差?？h際高速通道中，除貴龍大道景觀帶的平均生境質(zhì)量指數(shù)僅為0.12，屬低等級外；其它3條道路景觀帶的平均生境質(zhì)量指數(shù)均大于0.21，屬較低等級。

總體上，41條交通干線景觀帶平均生境質(zhì)量介于0.04～0.54之間，3條交通干線景觀帶平均生境質(zhì)量為中等等級，22條為較低等級，16條為低等級。其中，鐵路干線景觀帶受人為活動干擾相對較小，高速公路次之，縣際和城市快速通道較大，故鐵路干線景觀帶生境質(zhì)量最好，高速公路次之，縣級快速通道較差，城市快速通道最差。

表4 不同交通干線景觀帶不同生境質(zhì)量面積占比及平均生境質(zhì)量指數(shù)

(續(xù)表4)

2.3 不同交通干線景觀帶生境質(zhì)量在不同坡度、不同土地利用類型的特征

按照水利部頒布的巖溶地區(qū)水土流失治理技術標準(SL 461-2009)將坡度分為<5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°等6個等級。統(tǒng)計分析不同坡度不同生境質(zhì)量面積占比及平均生境質(zhì)量指數(shù)(表5)可知：坡度<5°和5°～8°生境質(zhì)量以低等級和較低等級為主，二者共占各自類型總面積的78%以上；坡度8°～15°生境質(zhì)量以低等級、較低等級和高等級為主，共占該類型總面積的88%以上；坡度15°～25°、25°～35°和>35°生境質(zhì)量以低等級、較高等級和高等級為主，三者共占各自類型總面積的82%以上。結(jié)合平均生境質(zhì)量指數(shù)來看，隨著坡度的增大，平均生境質(zhì)量指數(shù)呈持續(xù)升高趨勢，即坡度越大交通干線景觀帶的生境質(zhì)量越好。這反映了人類活動對交通干線景觀帶生態(tài)系統(tǒng)的干擾主要發(fā)生在坡度較平緩的區(qū)域。

表5 不同坡度不同生境質(zhì)量面積占比及平均生境質(zhì)量指數(shù)

表6 不同土地利用類型不同生境質(zhì)量等級面積占比(%)

統(tǒng)計分析不同土地利用類型不同生境質(zhì)量面積占比(表6)可知：從一級分類來看，林地土地利用類型生境質(zhì)量等級以高等級和較高等級為主，二者共占林地總面積的96.16%，非林地土地利用類型生境質(zhì)量等級以低等級和較低等級為主，二者分別占非林地總面積的72.93%和27.07%。從二級分類來看，苗圃地、跡地、未利用地和建設用地生境質(zhì)量均為低等級；竹林地、未成林造林地、其它宜林地和耕地生境質(zhì)量均為較低等級；疏林地和造林失敗地生境質(zhì)量均為中等等級；灌木林生境質(zhì)量均為較高等級；喬木林地生境質(zhì)量為高等級；宜林地生境質(zhì)量以中等及以下等級為主。從三級分類來看，喬木林地生境質(zhì)量為高等級；特殊灌木林地和一般灌木林地生境質(zhì)量均為較高等級；疏林地和造林失敗地生境質(zhì)量均為中等等級；竹林地、未成林造林地、其他宜林地和耕地生境質(zhì)量均為較低等級；其它各土地利用類型生境質(zhì)量均為低等級?？梢园l(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度越高的地區(qū)，其生境質(zhì)量也就相對較好。

3 結(jié)論與討論

生境質(zhì)量被視為區(qū)域生物多樣性和生態(tài)服務水平的重要表征和反映，也是區(qū)域生態(tài)安全保障和人類福祉提升的關鍵環(huán)節(jié)，生境質(zhì)量研究長久以來就具有重要的現(xiàn)實意義[28]。國內(nèi)外生境質(zhì)量研究方法主要有生態(tài)指標法、AHP法和綜合評價法等，但結(jié)果的準確性、時效性、空間化、精細化等有待提高[7]，不同評價方法的結(jié)果差異較大[22]。隨著SoLVES、HSI、ARIES、MIMES、InVEST等定量模型的出現(xiàn)[7][22][24]，模型評價法以其準確性、時效性、空間化、精細化等特點被大量學者所應用。本研究基于InVEST模型對貴陽市主要交通干線景觀帶生境質(zhì)量進行了評估，并結(jié)合ArcGIS軟件疊加分析了不同交通干線景觀帶生境質(zhì)量在不同坡度、不同土地利用類型的特征，較好的探明了研究區(qū)生境質(zhì)量的特征現(xiàn)狀。

(1)貴陽市交通干線景觀帶土地利用以建筑用地、耕地和喬木林地為主，三者面積分別為149.93km2、66.54km2和55.88km2，共占研究區(qū)總面積的81.87%。貴陽市交通干線景觀帶生境質(zhì)量指數(shù)位于0～0.90之間，平均生境質(zhì)量指數(shù)為0.28，生境質(zhì)量以低等級和較低等級為主，二者共占研究區(qū)總面積的74.89%，這主要是因為研究區(qū)建筑用地、交通用地和耕地等生境適宜度較低的非自然生境面積較大。

(2)由于研究區(qū)不同交通干線景觀帶的自然條件和土地利用方式不同，生境質(zhì)量特征也存在差異。從不同交通干線景觀帶一級分類來看，中心鐵路、成貴鐵路和貴開鐵路的生境質(zhì)量最高，其平均生境質(zhì)量指數(shù)分別為0.54、0.43和0.41；貴新高速、都織高速和花溪大道的生境質(zhì)量最低，其平均生境質(zhì)量指數(shù)分別為0.04、0.06和0.07。從一級分類來看，鐵路干線景觀帶生境質(zhì)量最好，高速公路次之，縣級快速通道較差，城市快速通道最差，這主要是因為鐵路干線景觀帶受人為活動干擾相對較小，高速公路次之，縣際和城市快速通道則受人為活動干擾較大。

(3)不同交通干線景觀帶生境質(zhì)量高值區(qū)主要分布在喬木林地、灌木林地等植被覆蓋度高、坡度大，生態(tài)系統(tǒng)干擾因素較小、人為活動較弱的生境適宜度較高的區(qū)域。反之，生境質(zhì)量低值區(qū)主要集中在建設用地、未利用地和跡地等植被覆蓋度低、坡度小、生態(tài)系統(tǒng)干擾因素較大、人為活動較強的生境適宜度較低的區(qū)域。