摘要：研究土地利用變化對生境質(zhì)量演變的影響有利于城市建設(shè)和生態(tài)環(huán)境的平衡。以遼寧省沈陽市為例，基于2000年、2010年和2020年土地利用數(shù)據(jù)，利用CA-Markov和 MCE-CA-Markov模型分別預(yù)測了自然發(fā)展和生態(tài)保護(hù)情景下土地利用格局的變化，利用InVEST模型評價了沈陽市生境質(zhì)量的演變情況。結(jié)果表明：1）2000—2030年土地利用變化明顯，耕地占比明顯減少，建設(shè)用地面積增加；生態(tài)保護(hù)情景下，土地利用轉(zhuǎn)移速度減慢。2）研究期間，高等級生境退化程度景觀占比增加，生境質(zhì)量指數(shù)呈下降趨勢；生態(tài)保護(hù)情景下生境退化速度減慢，生境質(zhì)量更優(yōu)。3）城市化進(jìn)程加快、地形地貌、人類活動引起的建設(shè)用地擴(kuò)張是導(dǎo)致研究區(qū)生境質(zhì)量下降的主要原因。

關(guān) 鍵 詞：生境質(zhì)量； 土地利用變化； CA-Markov模型； InVEST模型； 沈陽市氧化鈷; 納米結(jié)構(gòu); 電容器; 電催化

中圖分類號：F301.2；X826

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-5862.2024.04.005

Evolution of habitat quality based on land use change

CUI Song^1，2， LYU Yan^1，2， CHEN Lanfeng^1，2LI Zhidong， DONG Xiangyu

（1. College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）（College of Life Science， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：Studying the impact of land use change on the evolution of habitat quality is helpful for balancing urban construction and ecological environment. Taking Shenyang City， Liaoning Province as an example， based on land use data from 2000， 2010， and 2020， the CA-Markov and MCE-CA-Markov models were used to predict the changes in land use patterns under natural development and ecological protection scenarios， respectively. The InVEST model was used to evaluate the evolution of habitat quality in Shenyang City. The results are as follows：1）From 2000 to 2030， there was a significant change in land use， with a significant decrease in the proportion of arable land and an increase in the area of construction land. In the context of ecological protection， the speed of land use transfer slowed down. 2）During the research period， the proportion of degraded landscapes in high-level habitats increased， and the habitat quality index showed a downward trend. Under ecological protection scenarios， the rate of habitat degradation slowed down and the quality of the habitat is better. 3）The rapid urbanization process， terrain and landforms， and the expansion of construction land caused by human activities were the main reasons for the decline of habitat quality in the study area.

Key words：habitat quality; land use change; CA-Markov model; InVEST model; Shenyang City

土地是一切活動的基礎(chǔ)，影響著環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展^［1］。大規(guī)模的城市建設(shè)使土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的下降^［2］。城市擴(kuò)張影響土地利用格局，若不加以保護(hù)，將破壞生境甚至引起生態(tài)失衡。生態(tài)環(huán)境具有多樣性和不可逆的特點，了解土地利用變化對生境質(zhì)量的影響有著十分重要的意義，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時，要兼顧保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

目前，土地利用模擬模型主要包括純數(shù)學(xué)模擬模型、描述空間尺度變化模型和耦合模型。其中，耦合模型^［3-4］能彌補(bǔ)單一模型只對數(shù)量或空間分布模擬的缺點，能捕捉更多復(fù)雜的土地利用變化特征，其在生境質(zhì)量研究初期更側(cè)重于生境的靜態(tài)分析。近年來，SolVES^［5］，InVEST^［6］等模型能從動態(tài)角度進(jìn)行研究區(qū)生境分析。其中，InVEST模型應(yīng)用更廣泛，它能夠量化生態(tài)服務(wù)，使評估結(jié)果更加可視化。

近年來，學(xué)者們對生境質(zhì)量做了大量的研究，但對自然資源不斷減少的工業(yè)型城市土地利用變化對生境質(zhì)量影響的研究較少。為促進(jìn)沈陽市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，本文基于多期土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合自然及社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，在IDRISI軟件和InVEST模型的支持下，預(yù)測了沈陽市土地利用變化并評價了其生境質(zhì)量，提出了有利于沈陽市生態(tài)平衡發(fā)展的幾點建議。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 概況

沈陽市位于遼寧省中部，地處北緯41°11′51″至43°2′13″、東經(jīng)122°25′9″至123°48′24″，行政面積12 860 km²。整體地形以平原為主，地勢平坦，平均海拔50 m。沈陽市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，全年溫差較大^［7-8］。沈陽市有河流、湖泊等各類濕地資源總面積約800 km²。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來自資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，分辨率為30×30 m；自然因子數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺、中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)、OpenStreetMap；社會因子數(shù)據(jù)來自沈陽市統(tǒng)計年鑒、美國國家海洋和大氣管理局網(wǎng)站。

2 研究方法

2.1 土地利用預(yù)測

多準(zhǔn)則評價法（multi-criteria evaluation，MCE）是在一些不相關(guān)、不一致的規(guī)則中找出最優(yōu)的決策方案的方法，其核心思想是綜合量化各種自然因素和社會因素，統(tǒng)籌適宜性因子和約束條件2種決策規(guī)則，通過綜合分析影響目標(biāo)的諸多因素來輔助決策^［9］。

元胞自動機(jī)（cellular automata，CA）是一種在時間和空間上都處于離散狀態(tài)的動力學(xué)模型。其原理是離散狀態(tài)元胞根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則及鄰域元胞的狀態(tài)預(yù)測下一階段的狀態(tài)^［10］，該模型的公式為

S_（t+1）=f［S_（t），N］（1）

式中：S為元胞在某一時刻的狀態(tài)；f為轉(zhuǎn)化規(guī)則；N為鄰域的元胞在t時刻的狀態(tài)。

馬爾科夫模型（Markov）是一種基于概率論的動態(tài)隨機(jī)模型，研究序列狀態(tài)與轉(zhuǎn)移規(guī)律，預(yù)測未來發(fā)展?fàn)顩r，具有“無后效性”和離散性的特征^［11］，表達(dá)式為

式中：P表示一種地類轉(zhuǎn)換為另一種地類的概率；n為研究區(qū)內(nèi)各土地利用類型。

MCE-CA-Markov耦合模型可將上述模型的優(yōu)勢結(jié)合在一起，實現(xiàn)空間演變模擬與數(shù)量變化預(yù)測的統(tǒng)一。

2.2 生境質(zhì)量評價

生境質(zhì)量模塊將土地利用與生境威脅和對威脅敏感性相結(jié)合，評估區(qū)域各生境類型的退化程度^［12］，可反映研究區(qū)的生境質(zhì)量，確定最需要進(jìn)行保護(hù)的區(qū)域，計算公式為

式中：Q_xj是生境質(zhì)量；H_j是指地類j的生境適宜度；D_xj是生境退化程度；z是歸一化常數(shù)，通常取2.5；k為半飽和常數(shù)。

結(jié)合InVEST模型手冊及相關(guān)文獻(xiàn)^［13-15］，將建設(shè)用地和耕地作為威脅因子，參考區(qū)域?qū)嶋H情況，對生境適宜性及敏感性賦值，結(jié)果見表1和表2。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用動態(tài)變化

目前，沈陽市存在耕地、林地、草地、濕地、水域和建設(shè)用地6種土地利用類型，以耕地、建設(shè)用地和草地為主，其中，耕地占整個研究區(qū)面積比例最大，約占70%。2000年到2020年，土地利用類型發(fā)生明顯的變化（表3），耕地和草地面積呈減少趨勢，林地和濕地幾乎沒有太大變化，水域面積有少量增加，建設(shè)用地面積持續(xù)增加，占比增加了2.81%。

3.2 多情景土地利用預(yù)測

自然發(fā)展情景不考慮經(jīng)濟(jì)、政策等約束，使用CA-Markov模型模擬；生態(tài)保護(hù)情景將水域、濕地及耕地作為約束條件，將高程、坡度、坡向、溫度、降水、植被覆蓋度、距公路的距離、距鐵路的距離、人口密度、人均GDP、行政中心和夜間燈光作為影響因子，使用MCE-CA-Markov模型模擬。自然發(fā)展和生態(tài)保護(hù)情景精度檢驗Kappa值分別為0.82和0.88（＞0.75），精度較高。

以2020年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)模擬了2030年不同情景下的土地利用格局。由表4可以看出，在自然發(fā)展情況下，與2020年相比，耕地減少了8.59%，耕地流失較嚴(yán)重。除耕地外，其余地類面積占比都有不同程度的增加，建設(shè)用地增加最多。在生態(tài)保護(hù)情景下，林地、草地、濕地和水域的面積均有小幅增加，耕地面積減少了4.47%，建設(shè)用地面積增加了2.92%。

3.3 不同情景下的生境質(zhì)量評估

3.3.1 生境退化程度分析

生境退化程度反映研究區(qū)各地類受威脅因子影響后呈現(xiàn)的生境優(yōu)劣程度，表示研究區(qū)生境的相對退化水平，與生境質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)^［16］，生境退化值越高，表明研究區(qū)的生境質(zhì)量越差。為了更直觀地研究沈陽市2000—2030年生境退化的分布情況，通過自然斷點法對生境退化程度進(jìn)行分類并統(tǒng)計各等級面積及占比情況（表5），同時對沈陽市生境退化程度進(jìn)行了分區(qū)統(tǒng)計（表6）。

由表5可知，弱、較弱和中等退化程度面積占比較大，較高和高退化程度面積占比較小。其中，弱退化程度從2010年至2030年一直呈現(xiàn)遞增趨勢；在較弱退化程度等級范圍內(nèi)，呈先增后減趨勢；2000年中等退化程度面積較2020年增加了27.96 km²，生態(tài)保護(hù)情景下該等級面積高于自然發(fā)展情景；較高和高退化程度等級面積變化情況相一致，均呈逐年增長變化趨勢。

2000年到2030年自然發(fā)展和生態(tài)保護(hù)情景生境退化程度的最大值分別為0.479 4，0.503 6，0.529 8，0.528 3和0.522 3，呈增長趨勢，且生態(tài)保護(hù)情景的最大值小于自然發(fā)展情景。大東區(qū)、皇姑區(qū)等市中心區(qū)域的退化程度較弱，新民市、遼中區(qū)的平均生境退化程度較高，主要分布在市中心的邊緣。市中心周圍生境退化程度較高，表明城市擴(kuò)張使生態(tài)環(huán)境受到破壞，外界干擾強(qiáng)度高且難以恢復(fù)。總的來說，研究期內(nèi)沈陽市的生境退化程度有所增加，生態(tài)保護(hù)情景有助于生境質(zhì)量的提高。

3.3.2 生境質(zhì)量指數(shù)分析

生境質(zhì)量指數(shù)是評估生境質(zhì)量的最重要指標(biāo)，評價研究區(qū)的生境破碎化程度和生境的抗干擾能力可反映整體生態(tài)環(huán)境對生物可持續(xù)發(fā)展的支撐能力。生境質(zhì)量指數(shù)的取值范圍為0到1，與生境質(zhì)量成正比，即生境質(zhì)量指數(shù)越大，生境質(zhì)量越好；反之，生境質(zhì)量越差^［17］。

根據(jù)生境質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果（表7）可知，與2000年相比，2030年自然發(fā)展情景和生態(tài)保護(hù)情景下低得分區(qū)間面積分別增加3 690 km²和1 953.18 km²；中等生境質(zhì)量面積呈遞減趨勢，且生態(tài)保護(hù)情景下減少得更少；高得分區(qū)間生境質(zhì)量占比在研究期間有所浮動，2000年占比為9.95 %，2030年自然情景占比為8.62 %，生態(tài)保護(hù)情景為9.17 %，總體呈下降趨勢，生態(tài)保護(hù)情景下生境質(zhì)量指數(shù)占比大于自然發(fā)展情景。

為了分析研究區(qū)內(nèi)不同土地利用類型之間的生境質(zhì)量指數(shù)差異，提取了各期土地利用柵格圖，利用柵格計算器和分區(qū)統(tǒng)計工具計算了不同土地利用類型平均生境質(zhì)量指數(shù)（表8）。

從表8可以看出，濕地、水域和林地的生境質(zhì)量較差，水域的生境質(zhì)量指數(shù)呈波動變化，草地的生境質(zhì)量較高，耕地的生境質(zhì)量較低，建設(shè)用地由于設(shè)置生境適宜性時劃分為非生境，建設(shè)用地的生境質(zhì)量指數(shù)最低。通過ArcGIS統(tǒng)計工具計算沈陽市2000年、2010年、2020年和2030年自然發(fā)展和生態(tài)保護(hù)情景下平均生境質(zhì)量指數(shù)分別為0.393 5，0.390 9，0.373 1，0.335 8和0.361 2，由此可見，2000—2030年生境質(zhì)量變差，生態(tài)保護(hù)情景下生境質(zhì)量更好，有利于研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 生境質(zhì)量變化的原因分析

2000年到2030年，生境質(zhì)量呈下降趨勢，且生態(tài)保護(hù)情景下的生境質(zhì)量優(yōu)于自然發(fā)展情景。沈陽市受城市建設(shè)、地形地貌、人類活動引起的建設(shè)用地擴(kuò)張等影響，人地矛盾不斷加大^［14］，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到破壞。

從時間變化來看，2000年到2030年，生境退化程度范圍擴(kuò)大，平均生境質(zhì)量指數(shù)逐年減少，生態(tài)保護(hù)情景下低生境質(zhì)量指數(shù)等級面積比生態(tài)保護(hù)情景多增加1 736.82 km²。2000年起正值東北振興時期，作為遼寧省省會的沈陽市在此期間積極響應(yīng)國家政策，大力發(fā)展工業(yè)并加快城市建設(shè)，造成沈陽市整體開發(fā)強(qiáng)度提高，導(dǎo)致生境質(zhì)量呈下降趨勢。

從空間分布上看，市中心生境質(zhì)量較差，周邊城市生境質(zhì)量較優(yōu)，主要是由于沈陽市東北部為丘陵地貌，地勢向西南逐漸開闊平展，地形由東北向西南、兩側(cè)向中部傾斜，丘陵區(qū)域人類的干擾較少，開發(fā)程度低，該地區(qū)生境質(zhì)量較好；和平區(qū)、皇姑區(qū)等市中心區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，基礎(chǔ)設(shè)施完善，人口密度高，人類活動強(qiáng)度大，生境質(zhì)量差?？灯娇h和法庫縣分別有臥龍湖自然保護(hù)區(qū)和秀水湖濕地保護(hù)區(qū)，距市中心較遠(yuǎn)，人口相對較少，供人類活動范圍較大，相應(yīng)的人均對生境破壞的程度減輕，生態(tài)保護(hù)強(qiáng)度高，生物多樣性更豐富，生境相對完整。

基于土地利用類型分析，沈陽市市中心向周邊的擴(kuò)張極為明顯，建設(shè)用地的持續(xù)擴(kuò)張等導(dǎo)致研究區(qū)生境質(zhì)量呈逐漸下降趨勢。在生態(tài)保護(hù)情景下，建設(shè)用地的擴(kuò)張速度減慢，生境質(zhì)量更高，更有利于社會的可持續(xù)發(fā)展。

4.2 對策與建議

從沈陽市土地利用現(xiàn)狀及模擬結(jié)果和生境質(zhì)量評價結(jié)果看，處在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大背景下，各地類之間轉(zhuǎn)移速度加快，生境退化程度逐漸增強(qiáng)，生境質(zhì)量越來越差。當(dāng)對耕地和水域用地類型進(jìn)行制約時，建設(shè)用地增加速度減緩，生境質(zhì)量下降速度減慢。因此，針對沈陽市的現(xiàn)狀，應(yīng)做好相關(guān)政策的制定，做到優(yōu)化配置土地資源，協(xié)調(diào)好生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)之間的關(guān)系。

土地利用保護(hù)方面應(yīng)提高耕地保護(hù)意識，加強(qiáng)用途管制，做到占補(bǔ)平衡；統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展，嚴(yán)格執(zhí)行土地利用規(guī)劃，優(yōu)化城鄉(xiāng)建設(shè)結(jié)構(gòu)和布局；堅持生態(tài)文明發(fā)展，維護(hù)生態(tài)空間安全，推動綠色發(fā)展，建設(shè)美麗沈陽，創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境。

在生境質(zhì)量提高和未來可持續(xù)發(fā)展方面，相關(guān)主管部門應(yīng)定期開展評估，全方位加強(qiáng)生境變化的動態(tài)監(jiān)管；盡可能充分利用現(xiàn)有建設(shè)用地，控制城市擴(kuò)張，科學(xué)管控；合理規(guī)劃生態(tài)格局，分級管理生態(tài)空間，確保生境質(zhì)量整體穩(wěn)定向好；堅持保護(hù)優(yōu)先，找到經(jīng)濟(jì)發(fā)展與提高生境質(zhì)量的平衡點^［18］，構(gòu)建完整穩(wěn)定的生態(tài)格局。

5 結(jié)論與展望

1）2000年到2020年，沈陽市耕地和草地面積呈減少趨勢，建設(shè)用地和水域面積增加，其中，耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移面積最大，耕地、建設(shè)用地和草地的轉(zhuǎn)變較劇烈；2020年到2030年土地利用變化趨勢與2000年到2020年基本一致，耕地和草地面積減少，建設(shè)用地面積增加。生態(tài)保護(hù)情景與自然發(fā)展情景相比較，耕地轉(zhuǎn)出面積減少，建設(shè)用地增加速度減慢。

2）2000年到2030年，沈陽市生境退化程度加重，生境質(zhì)量下降。市中心的生境質(zhì)量偏低，有自然保護(hù)區(qū)的康平縣和法庫縣生境質(zhì)量較高。生態(tài)保護(hù)情景下的生境質(zhì)量比自然發(fā)展情景高，生物多樣性水平優(yōu)于自然發(fā)展情景有利于研究區(qū)生境質(zhì)量的提高。

量化更多土地利用變化過程中的影響因子是未來的研究方向。土地利用的變化過程是動態(tài)的，若對2020年到2030年土地利用格局圖進(jìn)行逐年預(yù)測和迭代分析，結(jié)果會更加精確，模擬效果會更加理想。對于生境質(zhì)量評估，加強(qiáng)對研究區(qū)邊界和更多威脅因子的研究，能更準(zhǔn)確地評估研究區(qū)生境質(zhì)量，并為相關(guān)部門在平衡城市化和環(huán)境保護(hù)方面提供科學(xué)的參考。

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【責(zé)任編輯：王瑞丹】