基于土地利用变化的山区城市生境质量时空演变分析

Spatio-Temporal Evolution Analysis of Habitat Quality in Mountain City Based on Land Use Change

摘要: 山区城市对于维护全球生态安全具有重要的作用，分析山区城市生境质量的时空演变特征，对于山区城市生态环境可持续发展具有重要价值和意义。以典型的山区城市中国休宁县为研究区，基于2000、2010和2020年休宁县土地利用数据，应用InVEST模型分析休宁县生境质量时空演变特征。结果表明：休宁县土地利用类型主要包括林地、耕地、建设用地、草地和水域，林地面积最大。2000~2020年内建设用地、林地和草地的面积增加，耕地和水域的面积减少。2000~2020年，休宁县低、较低和中等生境质量的面积均减少，较高和高生境质量面积均增加，休宁县生境质量在过去20年内得到了提高。最后，研究提出针对性的发展建议。研究结果可为休宁县及类似山区城市的生态环境保护与城市发展建设提供科学的决策依据。

Abstract: Mountain city play an important role in maintaining global ecological security. Analyzing the spatiotemporal evolution characteristics of habitat quality is of great value and significance for the sustainable development of ecological environment in mountain city. Taking Xiuning County, a typical mountain city in China, as the research area, the InVEST model is applied to analyze the spatiotemporal evolution characteristics of habitat quality based on the land use data of Xiuning County in 2000, 2010 and 2020. The results indicate that the land use types in Xiuning County mainly include forest land, cultivated land, construction land, grassland, and water area, with forest land having the largest area. The area of construction land, forest land, and grassland increased from 2000 to 2020, while the area of cultivated land and water decreased. From 2000 to 2020, the areas of low, relatively low, and medium habitat quality in Xiuning County decreased, while the areas of relatively high and high habitat quality increased. The habitat quality in Xiuning County has improved in the past 20 years. Finally, the study proposes targeted development suggestions. The research results can provide scientific decision-making basis for ecological environment protection and urban development construction in Xiuning County and other similar mountain cities.

1. 引言

生境质量(habitat quality, HQ)是评估生物多样性和生态系统健康状况的关键指标[1]，在保障城市与区域生态安全和可持续发展中起着关键作用[2]。生境质量下降是当今全球面临的一个主要环境问题[3]，探索如何提高生境质量已成为环境管理领域的研究热点[4]。生境质量评价方法主要有SoIVES模型[5]、InVSET模型[6]、MaxEnt模型[7]和HSI模型[8]等，其中，InVEST模型应用最广泛。作为全球生态环境安全的主要防线和战略资源储备地，山地城市与平地城市具有不同的城市形态和生境条件[9]，维护并提高山地城市的生境质量具有重大战略意义。当前，随着城镇化的快速推进，山地城市生态系统也面临日益加大的压力。因此，面对经济社会发展和生态环境保护的双重压力，研究山地城市生境质量发展演变格局对山地城市的土地利用和生态环境的可持续发展具有重要价值。目前，关于山地城市生态环境的研究主要有物种多样性[10]、城市热环境[11]、城市环境与生活质量[12]等，山地城市生境质量评价及其模拟预测的研究仍较少[13]。同时，已有研究主要针对大尺度空间[14]，尚缺乏针对县域尺度的山地城市生境质量研究。基于此，本文以典型的山地城市即中国安徽省皖南山地的休宁县为研究区，基于2000~2020年的3期土地利用数据，应用InVEST模型分析其生境质量变化趋势，以期为制定生态环境政策和合理利用土地资源提供科学的决策依据，同时也为类似城市相关研究和实践提供理论方法参考。

2. 研究区与数据

2.1. 研究区概况

休宁县位于安徽省最南部(图1)，紧邻安徽省黄山市和江西省景德镇市，是长三角一体化发展、长江经济带、中部崛起等国家重大战略实施区。休宁县总面积约212,610公顷，地形地貌以山地为主，面积约占全县总面积的76.70%。整体地势南北高、中间低，起伏较大，垂直高差明显。高山区域主要分布于县境南部和西部，低山和丘陵主要分布于县域中部、北部，是典型的山区城市。近年来，休宁县经济社会迅速发展，但生态环境也受到巨大压力。当前，中国有很多山区城市与休宁一样面临经济社会发展与生态环境保护相互矛盾和冲突的问题。因此，以休宁县为研究区具有典型性和代表性，研究结果不仅对于休宁县生态环境保护具有重要意义，也能为类似山区城市的生态环境研究提供参考和借鉴。

Figure 1. Location map of the study area

图1. 研究区位置示意图

2.2. 数据来源

研究数据包括行政区划数据和土地利用数据，数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心。土地利用数据选取休宁县2000、2010和2020年3期数据，地类包括耕地、林地、草地、水域和建设用地等5大类。所有数据在ArcGIS中进行处理，统一为栅格数据，分辨率均为30 m × 30 m，同时确保数据具有相同的行列数和坐标系。

3. 研究方法

InVEST模型中的生境质量模块通过土地利用类型及其受到的威胁信息来计算生境质量，具有广泛的适用性，可以计算各种地形地貌地区的生境质量。本文应用InVEST模型计算休宁县的生境质量，具体计算公式为：

$Q_{xj}=H_j\left(1-\frac{D_{xj}^z}{D_{xj}^z+k^z}\right)$ (1)

式中，$D_{xj}$ 为j种生境类型的生境退化程度，$Q_{xj}$ 为j种生境类型的生境质量，$H_j$ 为生境类型j的适宜度，k为半饱和系数，z为归一化常量；生境质量指数取值区间为0~1，值越大越趋近于1，则说明该区域的生境质量越好，反之则相反。$D_{xj}$ 的计算公式为：

$D_{xj}={\displaystyle \sum _{r=1}^R{\displaystyle \sum _{y=1}^{Y_r}(\frac{W_r}{{\sum }_{r=1}^R{W}_r})}}{r}_y{i}_{rxy}{\beta }_x{S}_{jr}$ (2)

式中，r为威胁因子，R为威胁因子数量，y为威胁因子r的一组栅格单元，$Y_r$ 为威胁源r的栅格总数，$W_r$ 为威胁源的权重，$r_y$ 为栅格y的胁迫值，$i_{rxy}$ 为威胁源r的栅格y对栅格x的影响，${\beta }_x$ 为威胁因子对栅格x的可达性，$S_{jr}$ 为j中土地利用类型对威胁因子r的敏感程度。结合休宁县实际发展情况，选取受人为干扰程度较大的耕地、建设用地作为威胁因子，参考已有研究设置各种参数[15]。生境适宜性的值越高，表明生境趋向自然化，反之则趋向人工化。生境对威胁因子敏感度的值越高，则敏感性越高，生境越容易受到威胁而趋向脆弱，反之敏感性则越低，生境越趋向稳定。

4. 结果分析

4.1. 土地利用变化分析

休宁县2000~2020年土地利用现状及变化如图2和表1所示。图2表明林地为休宁县分布最广泛的用地类型，以林地为本底，在其间镶嵌着带状、团状的耕地、草地、建设用地和水域等用地斑块。20年间，休宁县建设用地在空间分布上持续扩张，形成了若干个明显的建设用地集中区。耕地主要分布在县域的北部、中部和东部，形成了若干明显的带状区域。草地以小斑块为主，分布在各土地利用类型之间。水域主要分布在县域北部的河流地区，面积在20年间总体上趋于稳定，基本保持不变。根据表1可知，2000~2020年，以林地为主的休宁县土地利用格局总体保持稳定，但局部存在变化，主要表现为建设用地面积快速增加和耕地面积快速减少，同时，林地面积增加也较明显，草地面积略有增加，水域面积则轻微下降。其中，耕地面积由2000年的31865.57公顷减少到2020年的29812.73公顷，共减少了

Figure 2. Distribution map of land use type in Xiuning from 2000 to 2020

图2. 2000~2020年休宁县土地利用类型分布图

Table 1. Area changes of each land use type in Xiuning County from 2000 to 2020 (hectare)

表1. 2000~2020年休宁县土地利用类型面积变化(公顷)

土地类型	2000年	2010年	2020年	2000~2010年 面积变化	2010~2020年 面积变化	2000~2020年 面积变化
耕地	31865.57	30202.18	29812.73	−1663.39	−389.45	−2052.84
林地	168126.26	168807.41	168718.38	681.15	−89.03	592.12
草地	10672.30	10684.07	10705.50	11.77	21.43	33.20
水域	415.36	413.81	413.81	−1.55	0.00	−1.55
建设用地	1530.52	2502.54	2959.59	972.02	457.05	1429.07

2052.84公顷，在所有地类中面积减少最多。建设用地、林地和草地的面积分别增加了1429.07公顷、592.12公顷和33.20公顷，建设用地增加最明显。

4.2. 生境质量等级变化分析

基于休宁县3期土地利用数据，应用InVEST模型计算2000~2020年休宁县生境质量。应用自然断裂点法将休宁县生境质量划分为5个等级：低、较低、中等、较高和高，同时计算各等级面积占比情况，结果如表2所示。2000~2020年，低生境质量面积持续减少，2020年面积减少到21815.54公顷，累计减少了3579.45公顷，面积占比相较于2000年减少了1.68%。较低、中等生境质量面积先减少再增加，但2020年相较于2000年仍分别减少了624.10公顷和281.66公顷。较高、高等级生境质量面积先增加再减少，但2020年相较于2000年仍分别增加了2254.59公顷和2230.62公顷。总体上，20年内，休宁县低、较低和中等生境质量的面积在减少，而较高和高生境质量面积在增加，由此说明休宁县的生态环境质量在持续提高。

4.3. 生境质量等级空间分布

图3表明，休宁县生境质量空间分布差异明显，生境质量高值区(较高、高)空间分布最广，主要集中于县域西部、北部和东南部的林地和草地；生境质量低值区(低、较低)主要集中于县域东部的建设用地，而中等生境质量区则集中在高值区和低值区的过渡区域。2000~2010年，西南部、北部、东南部生境高值

Table 2. Habitat quality area and proportion of different classes in Xiuning from 2000 to 2020

表2. 2000~2020年休宁县各等级生境质量面积及占比

生境质量等级	2000年		2010年		2020年
	面积/公顷	占比/%	面积/公顷	占比/%	面积/公顷	占比/%
低	25394.99	11.94	22690.28	10.67	21815.54	10.26
较低	13425.02	6.31	12041.8	5.66	12800.92	6.02
中等	50714.31	23.85	49884.97	23.46	50432.65	23.72
较高	59516.77	27.99	62000.14	29.16	61771.36	29.05
高	63558.91	29.91	65992.81	31.05	65789.53	30.95

Figure 3. Habitat quality distribution in Xiuning from 2000 to 2020

图3. 2000~2020年休宁县生境质量分布

区局部增加，中部、东部生境低值区局部减少，中值生境区域也局部减少。2010~2020年，高值生境区域基本稳定，而低和中值生境区域局部扩张，但整体仍沿着建设用地分布并基本保持稳定。高值生境区域均远离城镇发展建设区，呈现集中的面状分布特点，而低值生境区域以建设用地和耕地为主，呈现放射状、条带状的空间特点，并表现出向四周扩展延伸的趋势，中等生境质量区域则呈零散分布。总体上，休宁县生境质量空间分布呈现“周边高中间低”的显著特征。此外，还有一个明显特点即以西部山林与中心城区为代表的高和低生境质量区域作为两大集聚核心，形成了休宁县独特的“山-城”双核空间结构，此点与休宁县作为特色鲜明的山区城市具有内在一致性。西部山林是休宁县最大最重要的生态保护源地，中心城区则是全县最大的建设用地集聚区，生态环境要保护，而城市要发展建设，开发保护之间的冲突和矛盾凸显了休宁基于“山城共生”的生态环境系统面临的机遇和挑战。

4.4. 生境质量等级转移变化分析

表3显示，2000~2010年，休宁县中等生境质量的转出量最高，共计转出5853.23公顷，高等级生境

Table 3. Habitat quality grade transfer matrix in Xiuning from 2010 to 2020 (hectare)

表3. 2000~2020年休宁县生境质量等级转移矩阵(公顷)

生境质量等级		2010年
		低	较低	中等	较高	高	转出合计
2000年	低	-	2838.36	413.78	136.03	6.48	3394.65
	较低	208.83	-	3320.46	245.42	837.00	4611.71
	中等	459.02	145.28	-	5180.95	67.98	5853.23
	较高	21.97	215.00	1144.55	-	2710.52	4092.04
	高	-	29.65	147.03	1012.96	-	1189.64
	转入合计	689.82	3228.29	5025.82	6575.36	3621.98	-
生境质量等级		2020年
		低	较低	中等	较高	高	转出合计
2010年	低	-	957.97	335.13	0.47	-	1293.57
	较低	93.01	-	260.97	185.50	20.99	560.47
	中等	325.09	136.76	-	174.26	120.95	757.06
	较高	0.59	203.03	560.46	-	107.29	871.37
	高	-	21.81	148.50	282.13	-	452.44
	转入合计	418.69	1319.57	1305.06	642.36	249.23	-
生境质量等级		2020年
		低	较低	中等	较高	高	转出合计
2000年	低	-	3684.74	543.07	136.96	6.43	4371.20
	较低	196.46	-	3461.95	305.79	863.99	4828.19
	中等	569.07	195.32	-	4995.71	88.00	5848.10
	较高	25.79	286.83	1348.99	-	2639.81	4301.42
	高	-	37.42	214.43	1117.32	-	1369.17
	转入合计	791.32	4204.31	5568.44	6555.78	3598.23	-

质量的转出量最低，共计转出1189.64公顷；较高生境质量的转入量最高，共计转入6575.36公顷，低生境质量的转入量最低，共计转入689.82公顷。2010~2020年，休宁县低生境质量的转出量最高，共计转出1293.57公顷，高等级生境质量的转出量最低，共计转出452.44公顷；较低生境质量的转入量最高，共计转入1319.57公顷，高生境质量的转入量最低，共计转入249.23公顷。图4显示2010~2020年发生生境质量等级转移的土地总面积(3934.91公顷)明显小于上一个十年(19141.27公顷)，表明该时期生境质量转移的剧烈程度明显降低。

Figure 4. A Sankey graphic illustrating the habitat quality transfer in Xiuning from 2000 to 2020

图4. 2000~2020年休宁县生境质量转移图

进一步，根据表3可知，2000~2020年，休宁县中等生境质量的转出量最高，共计转出5848.10公顷，高等级生境质量的转出量最低，共计转出1369.17公顷；较高生境质量的转入量最高，共计转入6555.78公顷，低生境质量的转入量最低，共计转入791.32公顷。总体上，20年内，休宁县生境质量改善类型以低→较低、较低→中等、中等→较高、较高→高为主，分别转移了3684.74、3461.95、4995.71和2639.81公顷，合计转移改善了14782.21公顷，占休宁县总面积的6.95%。生境质量退化类型以中等→低、较高→中等、高→较高为主，分别转移了569.07、1348.99和1117.32公顷，合计转移退化了3035.38公顷，占县域总面积的1.43%。对比可知，生境质量改善的区域面积远大于生境质量退化的区域面积，这也再次表明休宁县生境质量在总体上得到了提高。

4.5. 生境质量等级转移空间分布

图5显示，2000~2010年生境质量动态变化空间分布中，海阳、渭桥、板桥、源芳、榆村等镇有多个由高等级转向更低等级的斑块，形成了若干个明显的集聚区。2010~2020年生境质量动态变化空间分布中，生境质量转移斑块呈现“中间集中，四周分散”的状态，高等级转向更低等级的斑块主要集中在月潭湖、渭桥两镇。2000~2020年生境质量动态变化空间分布中，海阳、渭桥、板桥、源芳、白际和榆村等镇有多个由高等级转向更低等级的斑块，形成了若干个明显的集聚区，其他镇则分布较多的由中等级分别转向更高或更低等级的斑块。在休宁县生境质量的时空转移中，总体上呈现一种“局部较多，整体平均”的趋势。2000~2010年，生境质量转移的局部变化相对突出，表明局部土地利用变化较剧烈，而整体上的生境质量转移平均水平相对较平稳。然而，2010~2020年，生境质量转移的变化趋势发生了一定变化，相比于前10年，该时期内的生境质量转移呈现更加均质的状态，整体差异较小，局部变化不明显，这表明在这10年间，休宁县的生境质量趋于稳定，土地利用类型变化相对较少，生境质量相对保持稳定。这种趋势可能受到了政府政策的影响，也可能受到了当地社会经济发展水平的影响。总体而言，这种“局部较多，整体平均”的生境质量动态转移趋势也反映了休宁县在生态环境管理和保护方面所面临的挑战。

Figure 5. Spatial distribution of dynamic transfer of habitat quality in Xiuning from 2000 to 2020

图5. 2000~2020年休宁县生境质量动态转移空间分布

4.6. 生境质量发展建议

综上，根据休宁县生境质量演变特征，提出以下发展建议。首先，休宁县要依据国家主体功能区定位和重点生态功能区定位，按照生境质量等级的空间分布特点，重点改善和提高低、较低生境质量地区的生态环境品质，从而进一步改善全县生境质量。其次，休宁县要调控好城镇化发展速度和节奏，约束开发建设活动，提高土地利用效率，严控建设用地盲目扩张，从而为进一步提高生境质量奠定基础。最后，休宁县要重点保护好各级各类自然保护地，主要包括横江国家级湿地自然公园、齐云山风景名胜区、六股尖自然保护区、岭南自然保护区和黄山大鲵自然保护区；同时，从生物多样性、水土保持和水源涵养三大方面积极谋划一批重大生态环境保护和修复建设项目，建议包括水环境综合治理与保护修复、森林山体生态保护与修复和矿山生态修复三大类，由此为进一步提高全县生境质量夯实基础。

5. 结论

本研究利用InVEST模型分析了休宁县土地利用和生境质量的时空演变特征，研究结果可为休宁县以及类似山区城市的生态保护和发展建设提供理论参考和科学依据。研究的主要结论包括：2000~2020年，休宁县耕地面积共减少了2052.84公顷，在所有地类中减少最多；建设用地增加了1429.07公顷，在所有地类中增加最明显，其他地类面积也有不同程度的变化。InVEST模型分析表明，2000~2020年，休宁县生境质量低值区减少而高值区增加，同时，生境质量改善的区域面积远大于生境质量退化的区域面积，表明休宁县生境质量在过去的20年内得到了改善和提高。最后，从重点领域、开发约束、生态保护等方面提出了针对性的发展建议。

研究在诸多方面仍需探讨，如土地利用变化存在较大不确定性，并受到经济社会和自然环境多个因素的影响，又如，InVEST模型中的部分参数设置依赖专业经验，并具有一定主观性，如何进一步优化模型参数也是未来研究的一个重要方向。山区城市是一个复杂的“山城”生态系统，其生境质量的演变研究具有重要价值和意义。本文以典型山区城市休宁为例展开研究，希望能对山区城市生境质量研究提供一定参考，由此为山区城市实现可持续发展发挥更科学的指导作用。

NOTES

^*通讯作者。