基于InVEST模型的北京山区2015和2020年生境质量分析.pdf
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1、342023 年 6 月第 39 卷第 3 期基于InVEST模型的北京山区2015和2020年生境质量分析*郭潘李鑫冯丽马晓燕(北京农学院 园林学院,北京 102200)摘要 人类的生命活动依赖于生态系统所提供的各项服务,生物多样性的重要性已经得到了全球范围内的广泛共识。良好的生境条件可以为物种提供适宜的栖息、繁殖空间,丰富生物多样性程度。以北京山区为研究对象,利用 InVEST 模型的生境质量板块分析生境质量。首先,对北京山区整体生境进行分析,结果显示,北京山区整体以林地为主,生境质量评为优良的面积在 85%以上,生境质量良好。其次,分等级对比 2015 和 2020 年北京山区生境质量的
2、变化,同时结合土地利用转移矩阵,进一步分析地类变化和生境质量变化的联系。结果表明 5 年间北京山区部分耕地和草地被开发建设,生境质量有所下降,但整体平稳。因此提出重视山区草地及灌丛生境的保护、提升现有绿地生态效益、构建建设用地和绿地的制约平衡关系的提升策略。关键词 生境质量;InVEST;北京山区;土地利用中图分类号:S732文献标志码:A文章编号:2096-2053(2023)03-0034-09Habitat Quality Analysis Based on the InVEST Model for 2015 and 2020 Habitat Quality Analysis Based
3、 on the InVEST Model for 2015 and 2020 in Mountainous Areas of Beijingin Mountainous Areas of BeijingGUO PanLI XinFENG LiMA Xiaoyan(School of Landscape Architecture BUA,Beijing 102200)Abstract Human life activities depend on the services provided by ecosystems,and the importance of biodiversity has
4、been widely recognized globally.Good habitat conditions can provide suitable habitat and breeding space for species and enrich biodiversity.Habitat quality in the mountainous regions in Beijing was analyzed using the habitat quality panel of the InVEST model in this paper.Firstly,the analysis of the
5、 overall rating of habitat quality in Beijings mountainous areas showed that the whole area of Beijings mountainous areas was dominated by woodlands,and the area of habitat quality rated as excellent was larger than 85%with good habitat quality.Secondly,the changes in habitat quality in Beijing moun
6、tainous areas in 2015 and 2020 were compared by grade combined with the land use transfer matrix,it showed that some arable land and grassland in Beijing mountainous areas were developed and constructed during the five years,and the habitat quality decreased but was stable overall.The habitat degrad
7、ation index showed that habitat degradation in Beijings mountainous areas deepened in 2015 and 2020.Therefore,it puts forward the promotion strategy of attaching importance to the protection of grassland and shrub habitat in mountain areas,improving the ecological benefit of existing green space,and
8、 establishing the restriction and balance relationship between construction land and green space.*基金项目:北京农学院揭榜挂帅项目(5076016178)。第一作者:郭潘(1997),女,在读硕士,研究方向为风景园林规划设计,E-mail:。通信作者:冯丽(1978),女,副教授,主要从事风景园林专业教育、科研工作,E-mail:。35郭潘等:基于 InVEST 模型的北京山区 2015 和 2020 年生境质量分析Keywords habitat quality;InVEST;Beijing m
9、ountain area;LUCC生境质量是指在一定的时间和空间中生态系统提供适宜个体与种群持续发展生存条件的能力,是对人类生存繁衍、生产生活的适宜程度,是一切生态系统功能和服务的前提和基础。生境质量被视为区域生物多样性和生态服务水平的重要表征和反映,也是区域生态安全保障和人类福祉提升的关键环节1。北京市国土空间生态修复规划(2021 年2035 年)提出:“充分发挥山区整体生态屏障作用,加强生态保育和生态修复,提高生态资源的数量和质量,严格控制浅山区开发规模和强度,充分发挥山区水源涵养、水土保持、生物多样性保护等重要生态服务功能”。在2021 年,北京市还发布了北京陆生野生动物名录(2021
10、 年),表明了对生物多样性保护的极大重视。以生境质量及其变化情况为切入点,有助于深入研究生物多样性和生态系统价值服务功能。选取 2015、2020 年两个时间节点的北京山区土地覆被图及土地利用数据,通过 InVEST 模型,分析5 年间北京山区生境质量、土地利用类型时空演化及生境退化情况,得出北京山区生境变化趋势,能够为精准实施生物多样性保护战略、进一步提升北京山区生态环境质量、发挥北京山区生态屏障功能提供参考。“压 力 状 态 响 应”(Pressure-State-Re-sponse)模型是生境质量模型分析法的基石,该模型对区域生境质量及可持续发展程度进行指标评价,表明了人类活动造成的土地
11、覆被类型的改变是生境质量变化的内驱因素。我国对生境质量的研究由针对农业生态系统评价指标的研究逐渐发展为区域生境质量评价以及全国生境质量评价的研究2。目前国内对于生境研究主要分为两类,一类是对单一种群及生境进行研究,另一种是大尺度下的区域生境质量研究,其中 3S 技术被广泛应用于区域生境质量的研究中3-24。利用 InVEST 模型进行定量评估是应用范围最广的生境质量评价方法。InVEST 模型自发布以来,被广泛应用于陆地、海洋和淡水领域的生态系统服务功能的定量研究14-16。借助 InVEST 模型,国内学者也开始利用生境质量(Habitat Quali-ty)版块开展生境质量评估研究17-2
12、0,并将 InVEST模型与其他模型结合,探究景观格局变化与人类活动之间的关系11,预测土地利用与生境质量时空变化22-24。1研究区域与研究方法1.1研究区域概况北京山区是指环绕在北京市西、北和东北部的山地区域,总面积 10 400 km2,约占全市的62%,是全市森林植被主要分布的地带25,涵盖了北京郊区的大部分空间,是北京重要的生态屏障(图 1)。图 1北京山区范围Figure1MountainousareaofBeijing1.2数据来源选取了精度较高、距离目前时间最近的 2020年和 2015 年的土地覆被图作为近期山区生境质量变化的研究依据,来源于中国科学院空天信息创新研究院研究员
13、刘良云团队发布的全球 30 m 地表覆盖精细分类产品(GLC_FCS30-2020)。2015 和2020 年的土地利用数据作为辅助参考,来源于中国科学院地理科学与资源环境所的北京 1 km 数据。道路数据来源于 OpenStreetMap 网站。北京dem 数据来源于地理空间数据云 90 m。研究使用的土地覆被图原分类为 29 个地表类型,经过数据的裁切,将剩余在研究区范围内林 业 与 环 境 科 学2023 年6 月第 39 卷第 3 期36的所有地类进行分类整合简化:旱作农田(10,Rainfed cropland)、灌溉农田(20,Irrigated crop-land)、草被(11,
14、Herbaceous cover)被命名为耕地;落叶阔叶林(fc 0.15)(6162,deciduous broadleaved forest)、常 绿 针 叶 林(fc 0.15)(7172、evergreen needle-leaved forest)、阔叶针叶林(fc 0.15)(8182,deciduous needle-leaved forest)、稀 疏 的 植 被(fc 0.15)(150,Sparse vegetation)被命名为林地;草原(130,Grass-land)被命名为草地;灌木地(120,Shrubland)被归类为灌木地;湿地(180,Wetlands)被归类
15、于湿地;水体(210,Water body)被归类于水体;不透水表面(190,Impervious surfaces)被命名于人造地表;裸露地区(200,Bare areas)被命名为裸地。共 8 类土地覆被类型(图 2)。1.3研究方法利用 InVEST 模型的生境质量(Habitat Qual-ity)板块,通过分析土地利用(LUCC)和土地覆盖图(LULC)以及对物种多样性的威胁,生成生境质量地图。Habitat Quality 版块认为,如果将生境变化视为遗传、物种或生态系统变化的结果,则具有高质量生境的地区生物多样性的程度也高,并且随着时间的推移,生境范围和质量的减少意味着生物多样性
16、持久性、复原力、广度和深度的图 22015 年和 2020 年北京山区土地覆被Figure2LandcoverinBeijingmountainousareain2015and2020下降,以人为干扰因素为主要胁迫因子的运算原理作为条件,最终可以反推出北京山区生物多样性的提升策略。Habitat Quality 计算原理如下26:(1)(2)其中 表示栅格 y 对生境类型 x 的胁迫水平,是网格单元之间的线性距离,并且是威胁跨越空间的最大有效距离。具有 LULC 或栖息地类型的网格单元中的总威胁水平的运算公式如下:(3)公式(3)中,y 为威胁因子;R 为威胁因子个数;r 是指所有的 LULC
17、 栅格单元;Yr表示威胁因子层在 LULC 层上的栅格个数;Wr为威胁因子r 的权重,即威胁因子 r 对所有生境类型斑块产生的相对破坏程度;表示 LULC 层中每个栅格上威胁因子的栅格个数;x表示法律保护程度(本研究将其设为完全可入,赋值为 1);Sjr表示生境类型 j 对于威胁因子 r 的敏感度。取值介于 01 之37郭潘等:基于 InVEST 模型的北京山区 2015 和 2020 年生境质量分析间,越接近 1 表示其对威胁源越敏感。模型需输入研究区的土地覆被栅格数据、威胁因子量子表、威胁因子空间分布栅格数据集、生境类型对威胁因子的敏感度、土地受到法律保护的程度共 5 项数据。研究模型假设
18、对土地的法律保护是有效的,并且对景观的所有威胁都是累加的,对于威胁可达性的输入默认为全部可达。参照 InVest 生境质量板块模型手册,对威胁因子以及生境类型参数进行设定。在生境类型的选择中,耕地作为最不确定的生境因素出现。耕地是人为作用下的土地类型,包含了人类活动的干扰,但同时,耕地也为食谷鸟儿、两栖动物等野生动物提供了生境,在文献的查阅中吴健生等27-33也将耕地作为生境因子列入模型框架。因此,本次研究设定了耕地、林地、草地、灌木地、湿地和水体这 6 种为最终的生境因子,并通过国内外学者的文献参考27-33等方式最终确定了生境对各胁迫因子的敏感性及其自身的生境适应性(表 1)。根据模型推荐
19、参考值以及山区实际情况选定了道路、城市及乡村居民点、工业点和裸地等要素作为生境模型的威胁源,并确定威胁源影响范围及权重(表 2)。通过确定生境因子、威胁因子,利用 InVEST模型运算得到北京山区 2015 年与 2020 年的生境质量水平图像,生境质量评分由 01 构成,为便于分析计算,分为优 0.75-1、良 0.5-0.75、中 0.25-0.5、差 0-0.254 个等级,分析北京山区生境质量的分布特点;对比不同年份的数据,得到 5 年间北京山区生境质量变化趋势;运用 Arc-GIS 软件进一步对北京山区土地利用类型图的数据提取和处理,得到 2015 和 2020 年土地利用转移矩阵,
20、分析得出北京山区生境质量的分布特点及其变化原因。表 1生境对各胁迫因子的敏感性Table1Sensitivityofhabitatstostressfactors地类代码Land type code地类Land type生境适应性Habitat adaptation铁路Railway高速国道Motorway主要道路Primary次要道路Secondary城镇Urban居民点Residential工业点Industry裸地Gray10耕地 Plowland0.450.20.150.10.100.500.400.80.4020林地 Forest1.000.80.700.50.400.950.850
21、.90.5530草地 Grassland0.750.40.200.20.150.600.400.90.3040灌木 Shrubland0.900.50.400.40.300.650.550.90.4550湿地 Wetlands1.000.60.550.50.450.900.800.90.5060水体 Waters0.950.60.500.40.400.900.750.90.50表 2胁迫因子及其最大影响距离和权重Table2Treatsandtheirmaximumdistanceofinfluenceandweight胁迫因子Threats最大影响距离Maximum distance of
22、influence权重Weight铁路 Railway70.7高速公路与国道 Motorway and national highway80.6主要道路 Primary road100.5次要道路 Secondary road50.3城镇 Urban80.4居民点 Residence area60.3工业点 Industrial area121.0裸地 Bare land50.2林 业 与 环 境 科 学2023 年6 月第 39 卷第 3 期382结果与分析2.1生境质量总体评分通过模型运算得到 2015 年和 2020 年生境质量水平图(图 3)。通过计算各个评价字段的面积值,得到 201
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