基于InVEST模型的土地整治对生境质量的影响研究
焦云腾，程文仕*
（甘肃农业大学管理学院，兰州730070）
摘要： 准确掌握土地整治对生境质量的影响，是有效开展生态国土建设，助推乡村振兴，更好地实施土地整治的前提和基础。本文以白银市靖远县兴隆乡小川村土地整治项目为例，在ArcGIS中采用InVEST模型评估土地整治对生境质量的影响，对土地整治规划方案进行论证。结果表明：土地整治后生境质量有所提高，其综合分值由0.103提高到0.189，并依据分值将生境质量划分为4个等级，整治后处于较低等级的土地明显减少，处于低等级的土地生境质量由整治前的4.47%提高到76.50%，大幅度提高，中高等级的生境质量由整治前的1.67%提高到4.91%，项目区生境质量得到了明显的改善，这一研究结果符合项目区实际情况，规划方案可行。研究表明采用InVEST模型对土地整治生境质量进行评价是一种切实可行的、较好的方法，可以采用该方法对土地整治规划方案进行可行性论证。
关键词： 土地整治；生境质量；InVEST模型；靖远县
引言
土地整治在增加耕地面积、提高耕地质量、改善农村生产生活条件，促进经济社会持续健康发展以及保障粮食安全等方面发挥着重要作用[1-3]。实施土地整治对区域水资源、土壤、植被、生物等生态环境要素可能造成有利或不利的影响，也可能使区域生态环境系统发生逆向演替[4]，影响人类的生存环境，因此开展土地整治对生态环境质量的影响评价，是有效开展生态国土建设，助推乡村振兴和生态文明建设，更好地实施土地整治的前提和基础。
在国外，土地整治更注重生态保护与景观建设，强调土地整治的社会、经济、环境和景观等多效益的统一[5，6]。在中国，土地整治逐渐成为学者研究的焦点和热点，不少学者从经济效应、社会效应、生态效应等角度对土地整治效益进行了评价[7-9]，取得了丰富的研究成果，但开展土地整治对生境质量的影响研究较少[10]。
数字模型在评价生境质量和时空分布方面有着独特的优势[11]。国内外进行生境质量评价研究的方法有ARIES （Artificial Intelligence for Ecosystem Services）[12]、MIMES Multiscale Integrated Models ofEcosystem Services[13]、HIS[14] 和 InVEST Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs[15]等，这些方法各有优点。由美国斯坦福大学开发，世界自然基金会和大自然保护协会支持的InVEST模型，旨在平衡发展和保护之间的关系，以达到最佳的资源管理和经济发展模式，更适合于土地资源利用对生境质量的影响研究。诸琳等用InVEST模型评价了辽宁省海岸带景观分布对生境产生的不同影响并分析了变化的原因[16]，王宏杰用InVEST模型对三江源保护区的生境质量进行研究[17]，这些研究拓宽了InVEST模型的应用领域，在土地利用领域仅有陈妍等应用InVEST模型计算北京主要威胁源对生境退化的贡献评估生境质量变化[11]、钟莉娜等采用InVEST模型分析了大安市土地整治重大项目实施对生境质量的影响[10]，对于该模型在不同区域的普适性及其注意的问题有待进一步研究。本文以白银市靖远县兴隆乡小川村土地整治项目为例，采用InVEST模型对项目区土地整治前后生境质量的变化进行评估，以期探索西部土地整治对生境质量影响评价的方法，为土地整治工作中生态环境保护和生态安全体系的建立提供科学的依据。
豪宅里只有四个下人：保安、花匠、厨子、女佣。四个人站成一排，眼睛瞅着脚尖，向艾莉弯腰致敬，艾莉霎时成为女皇。男人冲他们说，给艾小姐准备洗澡水，四个人立即一起奔向浴室。似乎他们不是要为艾莉准备一缸温水，而是要为她宰杀一头大象。少顷四个人一起返回，说，秦先生，洗澡水备好了。
1 研究区概况
白银市靖远县兴隆乡小川村土地整治项目位于靖远县北端，地处 104°29′12″-104°30′30″E，37°04′45″-37°06′38″N，是陇西黄土高原的北部边缘，祁连山的东延地段，海拔1655m-1881m，相对落差226m，地形坡度1℃-15℃，为地形起伏的丘陵以及丘陵间的洪积平原区。项目区属于典型的温带大陆性气候，气候干燥，降水量少，蒸发量大，多风沙，温差大，无霜期短，日照时间长，多年平均气温为8.8℃，极端最低气温-23℃，多年平均降水量为239.8mm，多年平均蒸发量为1657.1mm。项目区总面积为189.06hm2，因地形条件等的制约，项目区以旱地为主，排灌设施配套不足，靠天吃饭，有效土层厚薄不一，严重制约农业产业发展。根据项目区实际情况对项目区其他草地、裸地进行开发，对项目区内部分耕地的生产条件进行改善，共涉及动工面积149.7hm2。
通过对南方集体林区的发展现状分析，明确该林区林下经济发展时呈现出不同的形态。如图2所示为林下经济效益的组织形态影响，根据图中相关信息可以了解到，三者共同经营是该林区林下经济效益最高的经营方式，农户和公司分别经营是该区林下经济效益最低的经营方式。由此可以看出，三者共同经营方式是优势最多的一种经营形态，可以减少农户和公司分别经营时的交易成本，加快市场交易进程并提高市场交易的便利性。但在南方集体林区林下经济发展中却是占比最少的，因此林下经济效益不可避免的受到影响。
2 材料与方法
2.1 数据来源
项目实施前的土地利用现状来源于2016年靖远县国土资源局的更新调查数据库，整治后的土地利用数据来源于靖远县兴隆乡小川村土地整治项目规划设计图。生境质量评价单元以及模型需要的相关原始数据是通过ArcGIS10.2软件平台进行栅格转换提取而来。
3.2 土地整治对生境的影响分析
2.2 研究方法
2.2.1 基于InVEST3.2.0模型的生境质量评估方法
计算生境质量得分值先要计算生境的退化程度。生境退化程度计算公式为[18]：
InVEST模型把生境质量设定为一个连续的变量，在进行评估时充分考虑了土地利用方式和土地利用格局变化对生境质量的影响。
防汛抗旱与防台风工作成效突出。2013年，我国水旱灾害频发。松花江、黑龙江发生流域性大洪水，9个热带气旋登陆，一些地区发生了较为严重的暴雨洪水和山洪地质灾害，南方大范围发生了严重高温干旱。面对灾害，党中央、国务院高度重视，国家防总、水利部科学应对，各级党委、政府积极协调，水利部门及有关各方共同努力，最大程度保障了人民群众生命安全和供水安全，减轻了水旱灾害损失。
店长还就合同的（4）（5）两项专门向我做了解释：“为了激励大家积极踊跃参与，为了庆贺解忧杂货店开张大吉，奖励的力度大了点，还请您多多理解支持！”
式中：Dxj为土地利用类型j中栅格x的生境退化程度；R为该类型中威胁因子的数量；Yr为威胁层图层范围在土地利用类型图中所占栅格的个数；Wr是威胁因子的权重值；βx为该区域法律保护程度，由于研究区在一个村，范围小，不考虑法律保护程度因子将βx设置为1。ry为土地利用类型图中某一栅格上威胁因子的数量；Sjr是生境类型中土地利用类型j对威胁因子r的敏感度大小，取值为0-1，越接近1表示越敏感；irxy为栅格y的威胁因子r对土地利用类型生境栅格x的影响水平，irxy计算公式为：
式中：dxy为生境栅格x和栅格y威胁因子之间的最近距离，drmax为威胁因子r的影响区域。
生境质量的计算公式[18]为：
凯美瑞混合动力车电控变速器习惯称为混合动力传动桥，2018款凯美瑞混合动力传动桥由小电机MG1、大电机MG2、复合齿轮装置、传动桥阻尼器、中间轴齿轮、减速齿轮、差速器齿轮机构和油泵组成。该传动桥为3轴结构，复合齿轮装置、传动桥阻尼器、油泵、MG1和MG2连接至输入轴。中间轴从动齿轮和减速主动齿轮连接至第二轴。减速从动齿轮和差速器齿轮机构连接至第三轴(图1)。
InVEST模型中将各种地类划分为天然和人工环境，设定生态威胁因子的取值范围在0-1之间。在威胁因子属性（表1）的基础上，根据生物多样性保护的一般性原则和相关研究成果[11，18]，结合研究区的实际情况，确定生境威胁因子敏感程度值（表2），格式为.csv格式。
对栅格得分平均值进行统计，得出项目区土地整治前后生境质量得分分别为0.103和0.189，说明土地整治使得区域总体生境质量有所上升，生态环境得到有效的改善。
参照相关研究成果[19-21]，根据项目区实际情况，将生境类型划分为城镇建设用地、裸地、旱地（三种威胁因子）。根据相关研究成果[11，18，19]，结合项目区实际情况，征求熟悉区域情况10位专家的意见，最终确定威胁因子的最大胁迫影响距离、相对权重以及空间衰退类型（表1），InVEST模型中威胁因子属性表格式为.csv，表格中相关数据和图层保持一致。
式中：Qxj为栅格x在土地利用类型图j中的生境质量；Hj为土地利用类型图j的生境适宜性；z为归一化常量是模型默认的系统参数（设置为2.5），k为半饱和常数，k值一般取生境退化程度最大值的1/2[18]。生境质量得分位于0-1，越接近1生境质量越高。生境质量反映了某种环境下物种持续发展的能力，土地利用变化越激烈，对环境破坏越大，生境质量越差，反之，则生境质量越好。
在ArcGIS中对土地整治前后的土地利用类型图进行定义投影，并转换成InVEST模型可以识别和应用的GRID格式的栅格数据，栅格大小为30*30m。并在Spacial Analyst下的Caculater里通过自行编写本文需要的条件函数对威胁因子进行提取，提取的目标赋值为1，其余都赋值为0，最终生成供模型读取的威胁因子图层，图层命名与威胁因子表和敏感程度表中各因子命名相匹配（图1）。
表1 威胁因子属性表
表2 生境类型对威胁因子的敏感程度
图1 威胁因子空间分布图
3 结果与分析
3.1 土地整治前后土地利用变化分析
结合项目区实际情况和生境质量得分，参考模型使用要求和相关研究成果[10，17，20]，高等级生境质量往往较少，在栅格中重分类会出现空值区域，中高等级生境质量得分范围区间比低区间要大，为了便于比较和说明土地整治对生境质量的影响，根据研究区栅格分布将土地整治前后的生境质量运算结果划分为0-0.1、0.1-0.2、0.2-0.5、0.5-1 共四个区间，相应把生境质量划分为低、较低、中、高四个级别，得出各级别面积占总面积的百分比（表3）。从表3可以看出：土地整治前项目区生境质量总体处于低水平，93.86%的土地生境质量得分为低，生境质量处于较低以上（得分超过0.1）的比重仅为6.14%，中高等级生境质量仅为1.67%；整治后总体生境质量等级明显提高，处于低和较低等级生境质量的比重分别为18.60%和76.50%，整治后处于低等级的土地明显减少（由整治前的93.86%减少至18.60%），较低等级的生境质量大幅度增加（由整治前的4.47%增加到76.50%），中高等级的生境质量有做增加（由整治前的1.67%增加到4.91%），生境质量明显提高。
b)当C(px,y)==C(px-1,y)且C(px,y)==C(px,y-1)时，如果Label[x,y-1]≠Label[x-1,y]则表示产生了标号冲突，此时需要更新元素Label_common[Label_index-1]，记录等价标号关系；否则不需要更新数组元素。
一进多功能会议厅，高潮就看到空空荡荡的主席台上，只坐着一位长相俊美气质不凡的中年女人，高潮想，她应该是美之厦房地产公司的公关部经理齐眉吧？再看嘉宾席，已有二三十人坐在那里，或看文稿，或打手机，或喝茶，或把玩铅笔，高潮想，这些人应该是各路媒体的英豪们。见高潮和田卓走进来，台上的那女人立马走下台来，笑吟吟地迎过来，老远就招呼道，欢迎大驾光临，我是美之厦公司的齐眉，请问你们是——
在ArcGIS10.2软件平台上，利用InVEST模型的Habitat quality模块进行Reclassify输出，得到白银市靖远县兴隆乡小川村土地整治项目区整治前后的生境质量空间分布图（图3），从图3可以看出整治后生境质量处于较低水平的区域明显减少，大部分区域生境质量有所提高，个别区域属于不动工区域生境质量未发生变化。
土地整治前后，耕地为项目区主要土地利用类型（图 2），整治前，旱地（123.85hm2）和水浇地（14.56 hm2）的总面积为138.41hm2，占项目区总面积的73.21%。经过整治，耕地面积增加了5.66%，并且97.61%的旱地变为水浇地，5.0hm2的其他草地变为水浇地，水浇地共增加了128.72hm2，整治后水浇地成为主要地类，土地整治效果明显。
2.2.2 模型数据采集
图2 整治前后土地利用类型图
图3 土地整治前后生境质量空间分布图
表3 不同等级生境质量土地面积及其比例
3.3 研究结果的符合性分析
从项目区实际情况来看，土地整治前后的旱地面积占总面积的比例从65.51%降低至1.57%，相反水浇地面积占总面积的比例却从7.70%提高到75.79%，这是整治前后生境质量提高的最主要原因；其他草地和林地是生境适宜性较高的土地（表2），变为耕地会使生境质量降低，但整治前后其他草地和林地的面积占总面积的比例分别从4.73%降低到2.06%、0.15%降低为0，面积小且分布零散，对生境质量的总体影响不大；其他园地、坑塘水面、果园、裸地和城镇村建设用地均属于不动工区域，他们的存在破坏了生境质量在等级分布上的连续性，产生的边际效应也会导致相邻区域的生境质量有所降低，但面积小且分布零散，整治前后对生境质量的影响不大。总体而言，该区域土地整治项目的实施，因耕地总面积的增加、尤其是水浇地面积的大幅度增加，相应的作为威胁源的旱地面积的大量减少，使得整治后区域总体的生境质量有所提高，这一研究结果符合研究区实际情况，说明应用InVEST模型对土地整治前后生境质量的影响进行研究切实可行。
4 讨论与结论
4.1 讨论
2014年，中国科学研究院甘薯研究所的专家们对不同肉色的甘薯块根主要营养品质进行了对比评价，咱们一起来看看吧！
4.1.1 土地整治通过改变土地利用类型和结构来影响项目区的生境质量。不同的土地利用类型所提供的生存和发展的条件有明显差异，其生境质量等级也就会有所不同，并且在土地整治项目实施的过程中，对相邻的土地利用类型的影响也会对整体生境质量产生较大的影响。开展土地整治对生境质量的影响评价和研究，有利于管控土地整治的生态风险，有利于生态脆弱区的生态环境修复与重建[22]，对乡村振兴、生态国土建设、供给侧结构性改革等重大战略决策部署的实施具有基础性作用。
4.1.2 由于InVEST模型本身还不十分完善，在栅格生境质量评估中还存在一定的局限性。在进行生境质量评估时，只考虑了各个威胁因子对生境质量影响的累加，并不能反映各个威胁因子对生境质量的综合影响；InVEST模型对项目区边缘地区生境质量的评估存在一定的不足，位于边缘地区的生境质量不仅受到本区域内部各个威胁因子的影响，也会受到边缘以外相邻其他威胁因子的影响。InVEST模型在实际应用过程中需要进一步完善。
4.1.3 采用InVEST模型，开展土地整治对生境质量的影响评价，方法科学合理，结果切合实际，但研究中选择的生境质量影响的威胁因子为城镇建设用地、裸地和旱地3种，未能从地形地貌、整治地块的情况、整治对周边环境的影响等自然风险源[22]方面的威胁因子角度进行研究，需在后续研究中进一步完善。
我们的劳动人民身上有很多值得每一个中国人学习的品质，比如勤劳朴实，吃苦耐劳，生存能力强等，这些品质不仅让他们活得有尊严，同时也在感染和激励着他们的子女去拼搏、去奋斗，比如我就从我的父母身上学习和继承了很多东西。
4.2 结论
本文以白银市靖远县兴隆乡小川村土地整治项目为例，引入InVEST模型研究土地整治对生境质量的影响，从空间表达、生物量的评价以及动态研究方面弥补了传统的生态服务价值评估体系和方法上的不足，为生境质量的量化提供了有效可行的方法，与其他模型相比具有评估结果符合实际、应用成本低、数据获取相对容易、空间分析功能强等优点，方法科学合理。
参考文献：
[1]Cheng W S,Du Z Q,Cao C,et al.Assessing rural land consolidation based on ecosystem service：a case study of Qingyang in Western China[J].Remote Sensingand Smart City,2015,(64)：423-439.
[2]胡振琪，余洋，付艳华.2014年土地科学研究重点进展评述及 2015 年展望 [J].中国土地科学，2015，29（03）：13-21.
[3]程文仕，乔蕻强，刘学录，等.基于AHP-DEA模型的土地整治项目规划方案比选[J].自然资源学报，2017，23（9）：1615-1626.
[4]高淑梅.乡域土地整治的生态环境影响研究[D].内蒙古师范大学，2014.
[5]乔庆伟，许庆福，王增如.国外土地整治管理的经验与借鉴[J].山东国土资源，2012，28（10）：68-72.
[6]高淑梅，郝润梅.国外土地整理的理论与实践对我国土地整治的启示[J].西部资源，2013，（6）：169-170+175.
[7]程文仕，乔蕻强，刘志，等.基于RAGA-PPC模型的土地整治综合效益评价[J].水土保持通报，2016，36（4）：257-261.
[8]冯广京，林坚，胡振琪，等.2013年土地科学研究重点进展评述及 2014 年展望[J].中国土地科学，2014，28（1）：3-19.
[9]程文仕，黄鑫，刘洋，等.基于土地整治绩效空间差异和潜力分级的投入优先序研究[J].水土保持通报，2018，38（1）：192-197.
[10]钟莉娜，王军.基于InVEST模型评估土地整治对生境质量的影响[J].农业工程学报，2017，33（1）：250-255.
[11]陈妍，乔飞，江磊.基于InVEST模型的土地利用格局变化对区域尺度生境质量的评估研究[J].北京大学学报：自然科学版，2016，52（3）：553-562.
[12]Bagstad K J,Villa F,Johnson G W,et al.ARIES-Artificial Intelligence for Ecosystem Services：A guide to models and data,version 1.0[M/OL].2011.
[13]Boumans R,Costanza R.The multiscale integrated Earth Systems model(MIMES)：The dynamics,modeling and valuation of ecosystem services[J].Issues in Global Water System Research,2007(2)：10-11.
[14]王志强，傅建春，全斌，等.扎龙湿地丹顶鹤繁殖生境质量变化[J].应用生态学报，2010，21（11）：2871-2875.
[15]Kareiva P,Tallis H,Ricketts T H,et al.Natural Capital：Theory and Practice of Mapping Ecosystem Services[M].Oxford：Oxford University Press,2011.
[16]褚琳，黄
，刘庆生，等.2000-2010年辽宁省海岸带景观格局与生境质量变化研究[J].资源科学，2015，37（10）：1962-1972.
[17]王宏杰.基于InVEST的三江源生境质量评价 [J].价值工程，2016，35（12）：66-70.
[18]Richard Sharp,Rebecca Chaplin Kramer,Spencer Wood,et al.InVEST 3.3.0 User's Guide[M/OL].2015.
[19]Beth Stys,Catherine Ricketts.Mapping Threats to Florida Freshwater Habitats [M].Florida：Conserve Wildlife Tag Grant Program Final Report,2008.
[20]吴季秋.基于CA-Markov和InVEST模型的海南八门湾海湾生态综合评价[D].海南大学，2012.
[21]肖明.GIS在流域生态环境质量评价中的应用[D].海南：海南大学，2011.
[22]程文仕，姚尧，黄鑫，等.基于生态风险空间差异的土地整治投入优先序研究[J].资源科学，2018，40（10）：2073-2084.
The effect of land consolidation on habitat quality based on InVEST model
JIAO Yun-teng et al
(College of management,Gansu Agriculture University,Lanzhou 730070,China)
Abstract: Accurately grasping the impact of land consolidation on habitat quality is the premise and basis for effectively carrying out ecological land construction,boosting rural revitalization,and better implementing land consolidation.Thispapertakes the land consolidation project of Xiaochuan village,Xinglong township,Jingyuan county,Baiyin city as an example.Using InVEST model to evaluate the impact of land consolidation on Habitat quality in ArcGIS and conducted feasibility demonstration of land consolidation planning.The results show that:the quality of habitat improved after land consolidation.The comprehensive score of habitat quality improved from 0.103 to 0.189 after land consolidation.The habitat quality was divided into four grades according to the quality score of habitat.Land at a lower level was significantly reduced.The quality of low-grade habitats has increased substantially and it increased to 76.50%from 4.47%before land consolidation.The quality of habitat in middle and higher grades increased to 4.91%from 1.67%before the land consolidation.The habitat quality of the study area has been improved obviously.The results are in line with the actual situation of the project area and the planning scheme is feasible.Researches show that,it is a feasible and a better method to evaluate the habitat quality of land consolidation by InVEST model and this method can be used to demonstrate the feasibility of land consolidation planning.
Key words: Land consolidation;Habitat quality;InVEST model;Jingyuan county
中图分类号： F301.24
文献标识码： A
文章编号： 1003-7853（2019）02-0039-04
基金项目： 甘肃农业大学科技创新基金（GAU-QDFC-2018-15，GAU-XKJS-2018-090）；国家社科基金西部项目（10XJY031）
作者简介： 焦云腾（1995-），男，汉族，河北石家庄人，硕士研究生。
通信作者： 程文仕（1976-），男，汉族，陕西南郑人，副教授，主要从事土地调查与评价、土地利用与规划、土地整治工程方面的教学和研究工作。
（2018-12-18收稿 袁海峰编辑）
标签：土地整治论文; 生境质量论文; InVEST模型论文; 靖远县论文; 甘肃农业大学管理学院论文;