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

關 鍵 詞：生境質量； 土地利用變化； CA-Markov模型； InVEST模型； 沈陽市氧化鈷; 納米結構; 電容器; 電催化

中圖分類號：F301.2；X826

文獻標志碼：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，影響著環(huán)境和經濟的發(fā)展^［1］。大規(guī)模的城市建設使土地利用結構發(fā)生變化，引起生態(tài)環(huán)境質量的下降^［2］。城市擴張影響土地利用格局，若不加以保護，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量的影響有著十分重要的意義，在發(fā)展經濟的同時，要兼顧保護生態(tài)環(huán)境。

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

近年來，學者們對生境質量做了大量的研究，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量影響的研究較少。為促進沈陽市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，本文基于多期土地利用數據，結合自然及社會經濟數據，在IDRISI軟件和InVEST模型的支持下，預測了沈陽市土地利用變化并評價了其生境質量，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)概況與數據來源

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 數據來源

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

2 研究方法

2.1 土地利用預測

多準則評價法（multi-criteria evaluation，MCE）是在一些不相關、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的諸多因素來輔助決策^［9］。

元胞自動機（cellular automata，CA）是一種在時間和空間上都處于離散狀態(tài)的動力學模型。其原理是離散狀態(tài)元胞根據轉換規(guī)則及鄰域元胞的狀態(tài)預測下一階段的狀態(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)隨機模型，研究序列狀態(tài)與轉移規(guī)律，預測未來發(fā)展狀況，具有“無后效性”和離散性的特征^［11］，表達式為

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

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

2.2 生境質量評價

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

式中：Q_xj是生境質量；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，通常取2.5；k為半飽和常數。

結合InVEST模型手冊及相關文獻^［13-15］，將建設用地和耕地作為威脅因子，參考區(qū)域實際情況，對生境適宜性及敏感性賦值，結果見表1和表2。

3 結果與分析

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、水域和建設用地6種土地利用類型，以耕地、建設用地和草地為主，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 多情景土地利用預測

自然發(fā)展情景不考慮經濟、政策等約束，使用CA-Markov模型模擬；生態(tài)保護情景將水域、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年數據為基礎模擬了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%，耕地流失較嚴重。除耕地外，其余地類面積占比都有不同程度的增加，建設用地增加最多。在生態(tài)保護情景下，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%，建設用地面積增加了2.92%。

3.3 不同情景下的生境質量評估

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，與生境質量呈負相關^［16］，生境退化值越高，表明研究區(qū)的生境質量越差。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年一直呈現遞增趨勢；在較弱退化程度等級范圍內，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，表明城市擴張使生態(tài)環(huán)境受到破壞，外界干擾強度高且難以恢復?？偟膩碚f，研究期內沈陽市的生境退化程度有所增加，生態(tài)保護情景有助于生境質量的提高。

3.3.2 生境質量指數分析

生境質量指數是評估生境質量的最重要指標，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。生境質量指數的取值范圍為0到1，與生境質量成正比，即生境質量指數越大，生境質量越好；反之，生境質量越差^［17］。

根據生境質量統(tǒng)計結果（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；中等生境質量面積呈遞減趨勢，且生態(tài)保護情景下減少得更少；高得分區(qū)間生境質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)保護情景為9.17 %，總體呈下降趨勢，生態(tài)保護情景下生境質量指數占比大于自然發(fā)展情景。

為了分析研究區(qū)內不同土地利用類型之間的生境質量指數差異，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量指數（表8）。

從表8可以看出，濕地、水域和林地的生境質量較差，水域的生境質量指數呈波動變化，草地的生境質量較高，耕地的生境質量較低，建設用地由于設置生境適宜性時劃分為非生境，建設用地的生境質量指數最低。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)保護情景下平均生境質量指數分別為0.393 5，0.390 9，0.373 1，0.335 8和0.361 2，由此可見，2000—2030年生境質量變差，生態(tài)保護情景下生境質量更好，有利于研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護。

4 結果與分析

4.1 生境質量變化的原因分析

2000年到2030年，生境質量呈下降趨勢，且生態(tài)保護情景下的生境質量優(yōu)于自然發(fā)展情景。沈陽市受城市建設、地形地貌、人類活動引起的建設用地擴張等影響，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大，平均生境質量指數逐年減少，生態(tài)保護情景下低生境質量指數等級面積比生態(tài)保護情景多增加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國家政策，大力發(fā)展工業(yè)并加快城市建設，造成沈陽市整體開發(fā)強度提高，導致生境質量呈下降趨勢。

從空間分布上看，市中心生境質量較差，周邊城市生境質量較優(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)生境質量較好；和平區(qū)、皇姑區(qū)等市中心區(qū)域經濟發(fā)展較快，基礎設施完善，人口密度高，人類活動強度大，生境質量差。康平縣和法庫縣分別有臥龍湖自然保護區(qū)和秀水湖濕地保護區(qū)，距市中心較遠，人口相對較少，供人類活動范圍較大，相應的人均對生境破壞的程度減輕，生態(tài)保護強度高，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張極為明顯，建設用地的持續(xù)擴張等導致研究區(qū)生境質量呈逐漸下降趨勢。在生態(tài)保護情景下，建設用地的擴張速度減慢，生境質量更高，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狀及模擬結果和生境質量評價結果看，處在經濟快速發(fā)展的大背景下，各地類之間轉移速度加快，生境退化程度逐漸增強，生境質量越來越差。當對耕地和水域用地類型進行制約時，建設用地增加速度減緩，生境質量下降速度減慢。因此，針對沈陽市的現狀，應做好相關政策的制定，做到優(yōu)化配置土地資源，協調好生態(tài)保護和經濟建設之間的關系。

土地利用保護方面應提高耕地保護意識，加強用途管制，做到占補平衡；統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展，嚴格執(zhí)行土地利用規(guī)劃，優(yōu)化城鄉(xiāng)建設結構和布局；堅持生態(tài)文明發(fā)展，維護生態(tài)空間安全，推動綠色發(fā)展，建設美麗沈陽，創(chuàng)造良好的生態(tài)環(huán)境。

在生境質量提高和未來可持續(xù)發(fā)展方面，相關主管部門應定期開展評估，全方位加強生境變化的動態(tài)監(jiān)管；盡可能充分利用現有建設用地，控制城市擴張，科學管控；合理規(guī)劃生態(tài)格局，分級管理生態(tài)空間，確保生境質量整體穩(wěn)定向好；堅持保護優(yōu)先，找到經濟發(fā)展與提高生境質量的平衡點^［18］，構建完整穩(wěn)定的生態(tài)格局。

5 結論與展望

1）2000年到2020年，沈陽市耕地和草地面積呈減少趨勢，建設用地和水域面積增加，其中，耕地向建設用地轉移面積最大，耕地、建設用地和草地的轉變較劇烈；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，建設用地面積增加。生態(tài)保護情景與自然發(fā)展情景相比較，耕地轉出面積減少，建設用地增加速度減慢。

2）2000年到2030年，沈陽市生境退化程度加重，生境質量下降。市中心的生境質量偏低，有自然保護區(qū)的康平縣和法庫縣生境質量較高。生態(tài)保護情景下的生境質量比自然發(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行逐年預測和迭代分析，結果會更加精確，模擬效果會更加理想。對于生境質量評估，加強對研究區(qū)邊界和更多威脅因子的研究，能更準確地評估研究區(qū)生境質量，并為相關部門在平衡城市化和環(huán)境保護方面提供科學的參考。

參考文獻：

［1］張杰，李清泉，吳祥茵，等.基于土地利用的粵港澳大灣區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務價值及承載力演變分析［J］.生態(tài)學報，2021，41（21）：8375-8386.

［2］劉春芳，王川，劉立程.三大自然區(qū)過渡帶生境質量時空差異及形成機制［J］.地理研究，2018，37（2）：419-432.

［3］張波，潘佩佩，王新云，等.基于GMOP-PLUS耦合模型的京津冀土地利用變化多情景模擬及功能關系分析［J］.地理與地理信息科學，2023，39（5）：8-16.

［4］高星，楊劉婉青，李晨曦，等.模擬多情景下白洋淀流域土地利用變化及生態(tài)系統(tǒng)服務價值的空間響應［J］.生態(tài)學報，2021，41（20）：7974-7988.

［5］趙宏宇，李雁冰，車越.基于SolVES的傳統(tǒng)村落生態(tài)系統(tǒng)服務社會價值評估［J］.中國園林，2022，38（12）：76-81.

［6］TERRADO M，SABATER S，CHAPLIN-KRAMER B，et al.Model development for the assessment of terrestrial and aquatic habitat quality in conservation planning［J］.Sci Total Environ，2016，540：63-70.

［7］荊鑫.沈陽市水資源承載力分析［J］.黑龍江水利科技，2019，47（10）：16-22.

［8］曾祥玲.沈陽市生態(tài)系統(tǒng)格局及其變化分析［J］.農業(yè)與技術，2021，41（1）：128-130.

［9］史名杰，武紅旗，賈宏濤，等.基于MCE-CA-Markov和InVEST模型的伊犁谷地碳儲量時空演變及預測［J］.農業(yè)資源與環(huán)境學報，2021，38（6）：1010-1019.

［10］ZHONG C，BEI Y M，GU H L，et al.Spatiotemporal evolution of ecosystem services in the Wanhe Watershed based on cellular automata（CA）-Markov and InVEST models［J］.Sustainability，2022，14（20）：13302-13302.

［11］許珊珊，張亞麗，黎樹式，等.廣西北部灣入海流域土地利用的變化及模擬［J］.北部灣大學學報，2023，38（6）：1-9.

［12］呂利娜，崔慧珍，葉欣.基于MCE-CA-Markov的土地利用預測及生境質量評價［J］.黑龍江科技大學學報，2021，31（6）：697-703.

［13］LUAN Y F，HUANG G H，ZHENG G H.Spatiotemporal evolution and prediction of habitat quality in Hohhot City of China based on the InVEST and CA-Markov models［J］.J Arid Land，2023，15：20-33.

［14］李亞楠，多玲花，張明.基于CA-Markov和InVEST模型的土地利用格局與生境質量時空演變及預測［J］.水土保持研究，2022，29（2）：345-354.

［15］唐嬌嬌，余成，張委偉，等.基于CLUE-S和InVEST模型的蘇州市生境質量評估及預測［J］.環(huán)境工程技術學報，2023，13（1）：377-385.

［16］胡露，馮彬，白文科，等.四川大熊貓保護地生境質量時空演變特征［J］.生態(tài)學雜志，2023，42（9）：2204-2211.

［17］XIANG Q，KAN A，YU X X，et al.Assessment of topographic effect on habitat quality in mountainous area using InVEST model［J］.Land，2023，12（1）：186-186.

［18］李小龍，高敏華，包茹.基于CA-MARKOV模型的土地利用變化預測研究［J］.中國農學通報，2014，30（14）：315-320.

【責任編輯：王瑞丹】