刘胜兰　程鹏　吴楠

摘要 选取大别山腹地的六安市金寨县作为研究区，以1995，2005和2015年土地覆被数据为基础，设置相应生态参数，在ArcGIS软件和InVEST模型的支撑下，系统分析了金寨县1995—2015年生境质量对土地覆被变化的响应。结果表明：虽金寨整体生境质量仍处于优良水平，但其生境质量持续单边下降;1995—2005年土地覆被变化幅度较小，2005—2015年受城镇化快速推进影响，县域建设用地面积增长了1倍以上。20年间，县城及周边林地和水域等适宜度较高的生境类型以及农田向建设用地转化，直接导致了梅山镇及其周边生境质量下降。县域大部山区仅镇区扩张和工程毁林引发了零星的生境质量下降，其余地区生境质量变化不大。今后金寨县需重点关注县城和镇区生态空间的有效配置以及山区退化生态系統的保护修复。

关键词 土地覆被变化;生境质量;InVEST模型;金寨县

中图分类号 F301.2文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）21-0082-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.21.025

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The Effects of Land Cover Change on Habitat Quality Based on InVEST Model in Jinzhai County，Anhui Province

LIU Shenglan1，CHENG Peng2，WU Nan2

（1.Jinzhai Ecological Environment Monitoring Station，Luan，Anhui 237300; 2.Anhui Academy of Environmental Science，Hefei，Anhui 230071）

Abstract In this study，Jinzhai County，Luan City，the hinterland of the Dabie Mountains，was selected as the research area.Based on the land cover data in 1995，2005 and 2015，the corresponding ecological parameters were set.With the support of ArcGIS software and InVEST model，the response of the habitat quality to land cover change in Jinzhai County during the 20 years from 1995 to 2015 was systematically analyzed.The results showed that：Although the overall habitat quality of Jinzhai is still at a good level，its habitat quality has continued to decline unilaterally in the past 20 years; from 1995 to 2005，the change of land cover was relatively small;from 2005 to 2015，affected by the rapid urbanization，the area of county construction land has more than doubled.In the past 20 years，the habitat types with higher suitability such as forest land and water area around the county town and the transformation of farmland to construction land have directly led to the decline of habitat quality in Meishan Town and its surrounding areas.In most mountainous areas of the county，only town expansion and deforestation caused sporadic deterioration of habitat quality，while in other areas，the quality of habitat did not change much.In the future，Jinzhai County should focus on the effective allocation of ecological space in county and town areas and the protection and restoration of degraded ecosystems in mountain areas.

Key words Land cover change;Habitat quality;InVEST model;Jinzhai County

基金项目 2018年安徽省环境保护厅专项补助资金项目（ZXBZ2018-09）。

作者简介 刘胜兰（1969—），女，安徽六安人，工程师，从事生态环境质量监测研究。*通讯作者，高级工程师，博士，从事区域生态规划及生态评价研究。

收稿日期 2019-05-15

生境质量是指生态系统确保其中的个体和种群持续生存与发展的能力，是对人类生产生活与经济发展的适宜程度，是以人类的具体要求实现生态环境各性状的可度量性，对生态安全与可持续发展具有重要意义[1-2]，生境质量的高低直观反映生态环境状态的好坏，是衡量生态环境的重要指标，并在一定程度上与区域的物种多样性呈正相关[3]。土地覆被是影响生境质量最直接最重要的因素之一，土地覆被变化的原因包括了人类活动、自然灾害等，土地覆被变化直接改变生物生境和资源的时空分布，进而改变生态系统服务孕育、传递和表达的空间格局[4]。因此，深入研究区域土地覆被变化对生境质量的影响，对分析区域生态环境状态变化，合理规划国土空间用途管制格局等具有重要意义[5]。目前，国内基于土地覆被变化进行的生境质量评价主要是借鉴国外开发模型开展，其中由美国自然资本项目组开发的InVEST模型中的生境质量模块（Habitat Quality）应用较为广泛。该模型的优势在于借助定量的生态参数和土地覆被格局，能够快速评估不同土地覆被下的生境质量及变化情况，为生物多样性保护和土地资源开发之间的博弈关系权衡提供量化参考，为区域生态经济协调发展提供决策依据。

通过InVEST模型对土地覆被变化的研究以及其对生境质量所带来的影响成为当下研究的热点，国内外许多学者通过InVEST模型对区域生境质量进行了评价，如谷双喜等[6]基于土地利用对皖江流域生境质量时空变化特征进行分析，从时空格局和景观格局等方面阐述了土地利用变化对皖江流域生境质量变化所带来的影响，为皖江流域各城市就平衡经济发展与生态环境之间的关系提供决策依据;张大智等[7]研究南四湖流域土地覆被变化及其对生境质量的影响，定量评估湖区退耕还湿还林和丘陵地区退耕还林两种政策情景对区域生境质量改善的效果;冯舒等[8]基于土地覆被格局变化对北京市生境质量时空演变进行研究，分析了区域生境质量变化的原因，为今后进一步城市景观格局的构建和优化提供依据和参考;刘春芳等[9]基于土地覆被变化来研究黄土丘陵区生境质量时空演变特征，以典型黄土丘陵区为对象进行特定地形生境质量研究，完善了对该区域生境质量时空特异性的研究，对于典型黄土丘陵地区的生态构建与格局优化具有重要的导向意义。

金寨县位于大别山腹地，生态区位特殊、敏感而重要，具有全局性、战略性意义，金寨县生态保护红线[10]占比高达55.96%，在安徽省区县中排名第2，是安徽省第1批国家重点生态功能区县，是淮河最重要的水源涵养地和水资源调蓄池，境内的梅山、响洪甸等库区对中下游两岸的防洪、灌溉、城市供水、水质改善起着无可替代的作用。近年来，县域内城镇扩张、修路采矿、毁林开垦等典型土地覆被变化对其原始生境造成了较大的胁迫和压力，该研究基于InVEST模型进行金寨县生境质量对土地覆被变化的响应研究，从时间和空间两方面分析金寨县土地覆被变化与生境质量之间的关系和变化趋势，以期为金寨县生态保护和土地覆被开发政策提供科学依据，同时为大别山区其他县域的资源利用和土地规划提供参考。

1 研究区概况

金寨县（115°22′19″～116°11′52″E、31°06′41″～31°48′51″N）隶属于安徽省六安市，地处大别山区腹地，安徽省西部，大别山主脉北坡，与鄂、豫2省相邻，东连六安市裕安区、霍山县，南接英山县、罗田县，西邻麻城市、商城县，北界固始县、叶集区。总面积3 921 km2。金寨县的大地构造形成了中山、低山、丘陵、盆地和河谷平原的地貌结构。褶皱带与断裂带的走向，使金寨县整体地势呈NW—SE走向或NE—SW走向，地形上呈现山脉、丘陵与盆地、河谷相间分布的特点。地势自西南向东北倾斜，最高处为南部边境的天堂寨（国家AAAAA级旅游景区、国家级自然保护区、国家森林公园、国家地质公园），海拔1 729.13 m，最低处是位于东北部白塔畈乡的灌集村，海拔60 m，其相对高差1 669.13 m。金寨县平均海拔500 m，平均坡降21%。金寨县属北亚热带湿润季风气候。金寨县境内有史河、西淠河（属淠河西源）两大水系，另有东北部的泉河、白塔畈河属汲水水系，其下游均汇入淮河。

截至2017年末，金寨县常住人口53.1万，实现地区生产总值107.935 6亿元，其中，第一产业完成增加值19.640 4亿元，第二产业完成增加值43.883 7亿元，第三产业完成增加值44.411 6万亿元，三次产业结构比为18.2∶40.7∶41.1，按常住人口计算，全县人均地区生产总值20 327元。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

该研究采用1995、2005和2015年土地覆被数据，数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）的中国土地覆被现状遥感监测数据库，该数据以美国陆地卫星Landsat TM/ETM+遥感影像数据作为主信息源，通过人工目视解译获取，空间分辨率为30 m，地理坐标系为GCS_Krasovsky_1940，投影坐标系采用Albers 正轴等面积割圆锥投影。土地覆被类型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型（表1）;金寨县境内未涉及的地类包括：水域中的湖泊、滩涂、永久性冰川雪地以及未利用地中除裸土地之外的其他未利用地类型。数字高程模型DEM数据来源于地理空间数据云的GDEM 30 m分辨率数字高程数据，地理坐标系为GCS_WGS_84，投影坐标系采用UTM等角横轴割圆柱投影。

金寨县各类禁止开发区涉及省级及以上级别，共包括4大类[11]。禁止开发区边界的矢量数据来源于各省直管理部门。自然保护区和森林公园边界来源于林业部门，风景名胜区边界来源于住建部门，水产种质资源保护区来源于金寨县畜牧水产局。各矢量数据空间参考与土地覆被数据保持一致。

基于ArcGIS 10.X对空间数据进行相关的预处理、叠置分析、属性字段赋值、归类以及分区统计处理;在InVEST中進行模型运行，所需参数来源于国内外已有研究成果和相关领域专家打分;其他数据统计及计算等均在Excel中完成。

安徽农业科学 2019年

2.2 研究方法

2.2.1 土地覆被变化。

在ArcGIS软件中，首先将3期土地覆被数据分别进行各地物类型面积统计，将各地物类型面积两两作差，计算出各地物类型的面积变化情况;其次，将2期土地覆被数据进行合并叠加计算，得出2期土地覆被转移矩阵，利用土地覆被转移矩阵计算出各土地类型相互的转化方向和面积。为了对土地覆被状态转移过程有更深入的了解，基于覆被类型变化数据，采用转移概率矩阵模型进行模拟[12]，计算公式如下：

Pij=Sijnj=1Sij（1）

2.2.2 InVEST 生境质量模型。

InVEST模型-生态系统服务及权衡综合评估模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）是一套用于模拟不同条件下生态系统总质量及其经济价值量变化的系统，包括淡水、海洋和陆地三大模块的生态系统评估模型[13-14]。目前，自然资本项目组开发的InVEST模型已在20多个国家和地区的空间规划、生态补偿、风险管理、适应气候变化等环境管理决策中得到广泛应用。

InVEST生境质量模块是通过将生境质量视为一个变量，量化分析威胁源的强度以及各土地覆被类型对威胁源的逆境因子敏感度，同时考虑到逆境因子的空间权重、影响范围等软因素， 在进行评估时充分考虑了土地覆被方式和土地覆被格局变化对生境质量的影响，即生境质量好的区域，其生物多样性水平亦高，生境质量差的区域，其生物多样性水平则低。具体计算过程如下：

Dxj=Rr=1Yrr=1（wr/Rr=1wr）ryirxyβxSjr（2）

式中，Dxj为生境类型j中x栅格的生境退化度;R为威胁源个数;Wr为威胁源r的权重;Yr为威胁源的栅格数;ry为栅格y的胁迫值;βx为威胁源对栅格x的可达性（受法律保护的区域内，该值大于0小于1，保护越严，值越小;其余区域为1）;Sjr为生境类型j对威胁源r的敏感度;irxy为栅格y的胁迫值ry对栅格x的胁迫水平，分为线性和指数2种作用：

线性：irxy=1-（ dxydrmax）（3）

指数：irxy=exp（-2.99dxydrmax） （4）

式中，dxy为栅格x与栅格y的直线距离;drmax为威胁源r的最大胁迫距离。

在此基础上计算生境质量：

Qxj=Hj[1-DzxjDzxj+k2）] （5）

式中，Qxj为生境类型j中x栅格的生境质量指数;Hj为生境类型j的生境适宜度，值域为[0，1];k 为半饱和常数，取最大生境退化度（由模型运算一次得到）的一半，通常设为0.5;z为归一化常量，通常设为2.5[15]。

该研究利用InVEST 3.6.0版本中的生境质量模型对1995—2015年金寨县由于土地覆被变化带来的生境质量影响进行研究，参照相关领域高校和科研院所专家的建议以及郑宇等[16]、杨志鹏等[17]、余新晓等[18]、巩杰等[19]的研究，将4类禁止开发区叠加后取并集，综合赋可达性参数βx值为0.2。

进一步对3期土地覆被数据进行重分类、栅格转矢量、矢量转栅格、栅格计算、属性表赋值等操作，提取目标值为1，其他都赋值0，提取出耕地、城镇用地、工矿用地、农村居民点作为InVEST模型影响生境质量的威胁源并确定各威胁源的最大胁迫距离、权重和衰减类型（表2）及不同生境类型的适宜度积对胁迫因子敏感度（表3）。

3 结果与分析

3.1 土地覆被变化

3.1.1 各地物类型面积变化。

1995—2015年，金寨县土地覆被类型一直以林地为主（3个时期分别占比52.05%、52.04%、51.8%）;其次为草地（1995和2005年占比相同均为30.59%，2015年占比30.61%）和耕地（3个时期分别占比15.13%、15.12%、14.93%），合计占金寨县土地总面积97%以上;水域面积1995和2005年占比均为1.91%，2015年占比1.85%;建设用地和未利用地占比较低，1995年建设用地占比0.33%，2005年建设用地占比0.34%，1995—2005年建设用地占比仅增加了0.01百分点，而2015年占比0.77%，较2005和1995翻了一番还多，1995和2005年未利用地占比均为0，2015年占比也仅为0.04%。表4为各时期各地物类型占比情况。图2为各时期各地物类型分布情况。由表4和图2可看出：1995—2005年地物分布情况大致相同，各地物类型的分布以及变化率甚小，而2005—2015年的地物分布情况中，建设用地变化较大，这也从一定程度上反映出金寨县城镇化的加速进程。

3.1.2 各地物类型相互转化。

表5为1995—2015年土地覆

被类型的转移矩阵，图3为土地覆被类型的转移变化情况。

从时间角度分析，1995—2015年，金寨县耕地减少7.86 km2，林地减少9.58 km2，草地增加0.87 km2，水域减少2.24 km2，建设用地增加17.43 km2，未利用地增加1.38 km2;主要的土地

类型转化是：其他地物类型向建设用转化，其中：耕地有8.24 km2、林地有7.23 km2、水域有1.98 km2、草地有0.01 km2转化为建设用地，分别占到了1995年相应土地覆被类型的的1.39%、0.35%、2.65%，草地转化较小，占比极低，可忽略。20年间，建设用地持续增加，其中，1995—2005年仅增加0.25 km2，增幅仅1.93%，而2005—2015年增加了17.18 km2，增幅达到了130%。未利用地方面：耕地有0.09  km2、林地有1.11  km2、水域有0.18  km2轉为未利用地，其他地物类型转化值均为0。

从转化的空间分布上来看，土地覆被变化主要集中在梅山镇，该镇发生的土地覆被变化占到了整个县域的50%以上。主要土地覆被类型变化包括林地转建设用地、耕地转建设用地、水域转建设用地以及林地转未利用地，表现为生境适宜度较高的覆被类型转为适宜度较低的类型，造成这一变化的主要原因可能是：一方面，梅山镇是金寨县县城所在地，经济发展位列金寨县第一，近年来城镇化进程加快，需要大量的土地资源用于建设开发，而县城周边生态空间分布较多，城镇的扩张势必侵占林地、水域和草地等生境适宜性较高的地类;另一方面，城镇生态环境保护与建设开发之间的关系处理不当，规划执行较为混乱，导致城镇周边山林遭到砍伐后未及时开发建设，进而不少已经退化成为未利用地。另一个土地覆被变化较大的乡镇是麻埠镇，土地覆被变化也是由林地、耕地等转化为建设用地，其原因可能是，该镇是名茶——六安瓜片原产地核心区，且矿产资源丰富，境内茶厂、工矿企业、木材加工企业等建设工程分布较多且呈扩张趋势。其他乡镇的土地覆被变化零星分布，位于南部的天堂寨镇、长岭乡、吴家店镇和位于西部的南溪镇、沙河镇、关庙乡、汤家汇镇、双河镇、桃岭乡、铁冲乡、全军乡无明显土地覆被类型转化。

3.2 生境质量变化

3.2.1 生境质量时空变化。

通过InVEST模型模拟，得到金寨县1995、2005、2015年3个时期的生境质量分布，为直观展示出各个时期的生境质量状况，在ArcGIS中将3个时期生境质量分布结果栅格数据进行重分类处理并用自然断点法将其分类为优（>0.75～1）、良（>0.5～0.75）、中（>0.25～0.5）、差（0～0.25）4个等级，统计各个时期各等级的占比，计算各时期生境质量平均值。图4为各时期生境质量分布情况，其中，图4d为1995—2015年生境质量变化情况，值越接近于0说明变化越小，值越接近于-1说明恶化情况越严重，越接近于1说明改善情况越好。表6为各时期各生境质量等级占比。1995、2005、2015年金寨縣各等级生境质量指数平均值分别为0.780 1、0.779 9、0.776 7。

从空间分布来看，金寨县生境质量南部最高，中部次之，北部最低，呈现由南往北以此递减的趋势;而在南部地区中，东部要优于西部;中部地区中，东西部生境质量分布相对均匀;北部地区中，西部明显优于东部。具体到各个乡镇的情况看，南部的天堂寨镇、燕子河镇、花石乡、长岭乡，北部的全军乡、铁冲乡，西部的沙河乡、关庙乡、斑竹园镇，东部的油坊店乡、麻埠镇、张冲乡、青山镇生境质量整体较高，平均生境质量指数分值在0.5以上;南部的吴家店镇、果子园乡，西部的汤家汇镇、双河镇，北部的白塔畈镇、梅山镇，中部的南溪镇、槐树湾乡、双河镇、古碑镇生境质量整体一般，主要分值在0.25～0.5;生境质量分值低于0.25的主要集中在梅山镇。

从时间角度看，金寨县3个时期的整体生境质量得分均处于优水平，优中略有下降;3个时期中，均是处于优等级的生境质量占比最大，良次之，中第三，差最少;1995—2015年，分值在0～0.25的“差”等占比持续增长，增长了0.43%，是所有等级分值中唯一增长的，其他几类分值均呈现逐年下降的态势，其中，分值在>0.25～0.5占比减少了0.21%，分值在>0.5～0.75占比减少了0.04%，分值在>0.75～1占比减少0.24%，分值在>0～0.25占比变化最大，分值在0.5～0.75占比变化最小;从各生境质量等级占比变化可看出，优等级占比减小最大，中等级占比减小次之，然后是良等级占比。优、良、中等级占比均下降，差等级增幅较大。

从变化角度看，生境质量变化最大的区域集中在梅山镇，结合土地覆被变化情况分析，梅山镇生境质量变化区与土地覆被变化区相匹配，梅山镇1995—2015年生境质量持续下降，下降比例为4.8%，远超0.44%的金寨县整体生境质量下降比例，是所有乡镇中下降比例最大，这主要与其剧烈的城镇化过程有关。

3.2.2 生境质量变化原因分析。上述变化表明，1995—2015

年金寨县生境质量持续退化，其中1995—2005年土地覆被变化不大，各类地物占比基本一致，生境质量分值等级占比也基本保持一致;从2005—2015年变化较为明显，主要特点是建设用地迅速增加，作为研究区优势地类的林地和耕地减少较多，作为生境威胁源的建设用地迅速扩张并不断侵占生境适宜性较高的林地、水域，这一过程直接导致县域生境质量在后一个研究时段内剧烈退化。草地是在生境适宜度较高的用地类型中唯一未降反升的，从转移矩阵可以看出，草地增长的唯一来源是林地，主要变化的区域集中在古碑镇与燕子河镇交界处，通过查阅相关资料发现，该区域原属于金寨县水竹坪乡，该乡以竹炭产业为主，而竹炭产业需要消耗大量竹林，因此可能导致该区域林地被砍伐，裸露的土地经过自然演替而形成了草地。土地覆被转移变化较为明显的区域集中在梅山镇，究其原因，是因为梅山镇是金寨县县政府驻地，是金寨县经济、政治和文化中心，经济发展迅速，商业发展繁荣，建设用地迅速扩张，林地、水域等生境质量适宜度较高的用地被占用，导致该区域生境质量等级下降明显;结合金寨县高程图分析，以天堂寨镇为核心的南部山区，地形复杂险要，加之天马自然保护区、天堂寨风景名胜区、天堂寨森林公园等禁止开发区的管制，开发难度较大，因此保存了较为完整的天然生态系统，研究时段内土地覆被变化较少，生境质量等级优良;金寨县中部地区由于地势平坦，主要用地类型为耕地，耕地属半自然半人工系统，虽然生境质量适宜度较高，但同时也是影响生境质量的威胁源，因此中部平原地区生境质量良好而未能达到优等。

4 结论与讨论

对1995—2015年金寨县土地覆被及生境质量时空变化的耦合情况进行分析，得到如下结论：

（1）1995—2005年县域土地覆被变化幅度较小，2005—2015年受城镇化快速推进影响，县域建设用地面积增长了1倍以上，同时新增了占县域面积0.04%的未利用地。

（2）金寨县生境质量总体上处于优良水平，即使是处于中心城区的梅山镇，其生境质量也可达到中等水平;金寨县生境质量由南向北、由西向东、地势由高到低递减，呈现出“南高北低、西高东低”的空间格局。

（3）1995—2015年金寨县生境质量持续单边下降，县城及周边林地和水域等适宜度较高的生境类型以及农田向建设用地剧烈转化，直接导致了梅山镇及其周边生境质量下降。县域大部山区仅镇区扩张和工程毁林引发了零星的生境质量下降，其余地区威胁源较小且变化不大，整体生境质量变化不明显。

鉴于金寨县特殊重要且敏感的生态区位和当下脱贫攻坚的政策形势，下一步，要着重平衡好县域经济发展和生态保护之间的辩证关系。在县城和镇区合理有序发展的同时，协调“三生”（生产、生活和生态）空间，配置必要的生态用地，盘活建设用地存量，维持重点建设区的生境质量状态，保障生态安全。山区要注重防范和减缓基础设施建设和矿产资源开采引起的生态破坏，对于已经造成的生态源地和生态廊道的破坏，优先开展生态保护修复，进一步提升生境质量和生态系统生产总值（GEP）[20]，以提供本地和下游更多的生态系统服务惠益。

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