InVEST模型在城市綠地生態網絡構建中的應用研究

王鈺雯 趙兵

摘要：科學構建城市綠地生態網絡，對區域生態安全、城市可持續發展及生物多樣性保護具有重要意義。本文基于對現有綠地生態網絡規劃方法及其不足的梳理，引入InVEST模型的生境質量模塊，提出構建以綠地生態本底功能與結構空間相結合的綠地生態網絡整體優化的概念與方法框架，為城市生物多樣性的保護、生態系統服務功能的發揮以及城市綠地生態空間的合理規劃等提供科學依據。

關鍵詞：InVEST模型;城市綠地;生態網絡;電路理論;阻力面

中圖分類號：TU984.115 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）02-0-03

隨著城市發展的快速推進，城市綠地建設的工作重心向城鄉一體化的綠化建設轉變[1]。城市綠地具有強大的功能特征，是推進城市生態建設的核心，對于改善人與自然的關系具有重要意義[2-3]。城市綠地生態網絡的發展規劃亟須更科學性、合理化、整體性的指導。探討城市綠地生態網絡的構建，有利于促進城市生態規劃的可持續發展。

1 綠地生態網絡研究

綠地是構成城市生態空間規劃的重要組成部分。綠地生態網絡（Urban Green Space Ecological Network）是指將分散的生態斑塊如城市公園、森林公園、風景名勝區、街頭綠地、濕地綠地等通過生態廊道進行連接[4]，組成一個自然高效的、連續完整的、并具有一定自我調節能力的復合生態網絡。綠地生態網絡構建是一種生態保護和空間應用思想，從功能和空間兩個方面解決環境問題。其在功能上強調生態作用和社會作用，在空間布局上強調連續性和網絡化。

2 InVEST模型生境質量評估原理

InVEST模型（Integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs）即“生態系統服務功能與權衡交易綜合評價模型”[5]。

在城市綠地生態網絡的構建中，對城市生態系統的服務功能進行評價是選取重要生態空間的基礎。近年來，國內外有關生態系統服務的研究越來越多，隨之出現了很多相關的評價方法。目前主要有能值分析法、物質量評估法和價值量評估法三種評估方法[6-7]，但是這三種方法的計算結果是區域生態系統服務功能的大小，不能反映空間異質性[6];InVEST模型實現了生態系統服務功能的空間可視化表達，更為直觀地為研究數據的提取提供了科學依據。InVEST模型與其他模型相比，不僅具有情景預測功能，還能清晰顯現各生態系統服務功能之間的相關關系[8]。

本文借鑒InVEST模型在生境質量上的評估，主要研究InVEST模型在綠地生態網絡中的阻力面構建方面的應用。InVEST生境質量模型是結合土地利用數據和生物多樣性威脅因素等信息，通過衡量由各個威脅因子造成的生境斑塊退化程度來評估生境斑塊的質量。威脅影響隨距離變化的函數表達式為：

if linear

if exponential

在上面兩式中，dxy為柵格x和y之間的線性距離，dr max代表的是威脅因子r的最大作用距離。生境的退化程度通常使用具體的某一類型的生境在具體的柵格的總的威脅水平指數Dxj來表示，通過生境退化程度最后得出生境質量Qxj：

在上式中，Sjr為類型的生境對威脅r的敏感性，Hj代表的是類型的生境適宜程度，Z=2.5，k 表示半飽和常數。

3 城市綠地生態網絡構建方法研究

3.1 生態源地的識別及重要生態斑塊提取

生態源地是滿足區域社會經濟發展生態需求的最小面積生態用地，區域生態源地的選擇對城市生態系統的連接性和自我調節能力具有重大意義。生態源地的識別?；谏锒鄻有载S富度和生態系統服務重要性的考慮[9]，主要有關鍵生態資源選擇法、功能優先法和空間優先法這三種識別方法。

關鍵生態資源也稱生態環境敏感區，是指對城市區域具有重要生態意義的綠地或其他自然要素，包括主要河流及重要水體、森林公園、風景名勝區、山地丘陵、大型濕地、自然保護區、基本農田保護區等。該方法較為簡單，而且由于區域內自然生態系統組成結構、不同類型的生態功能以及時空變化特征等易受到自然與人為因素的影響，所以單一依靠關鍵生態資源識別生態源地存在信息更新不及時、考慮因素過于單一且內部差異性容易被忽略等問題。

功能優先法以識別功能優先空間為核心，其選取常從空間適宜性評價、生態重要性評價、生態系統服務價值三個角度來確定?？臻g適宜性評價包含棲息地適宜性分析評價、生態環境敏感性分析、生態連通性指數分析;生態重要性評價常以生物多樣性保護、土壤保持、碳儲量、水源涵養等指標進行確定;生態系統服務價值的研究內容包括能值分析、價值評估、供給服務、指標測度、等效因子法等。功能優先法的選取雖然較為全面地考慮了生態空間本身的價值及其對周邊環境的生態服務功能與價值，但缺乏明確的空間評價指標，在生態空間結構上缺少權衡，使通過功能優先法選擇出的生態空間不能落實到具體的城市用地空間上。

空間優先法是基于特定目的識別將有效且高效的生態空間作為修復生態斑塊破碎化嚴重與強化城市生態空間的重要生態斑塊，多關注城市綠地生態網絡的空間分布與格局，主要采用景觀異質性評價、景觀格局指數[10]、景觀中心度評價、形態學空間格局分析等方法進行綠地空間結構分析，從而選取生態源地及重要生態節點。該方法重視區域生態空間結構的相互關系，但是缺少對生態功能的考慮，使規劃的網絡缺乏針對性，無法促進城市建設空間與綠地生態空間形成積極互動。

在應用研究中，單一的識別方法無法保證源地識別的完整性和科學性，而且存在忽略內部差異性等問題，無法更科學合理地進行識別與構建。因此研究通常綜合多個方法識別生態源地，如Zetterberg A等從城鎮綠地生態系統評估、區域景觀格局分析和城鎮公園空間分析三種尺度，對研究區域綠地生態網絡進行了優化分析[11]。部分學者基于MCR模型和景觀功能結構理論，結合生態系統服務價值、綠地類型、景觀格局指數等方法分析了該地區綠地生態功能的空間差異[12]。結合研究，本文提出基于InVEST模型的生境質量高值區評估，結合形態學空間格局分析（MSPA）和生態連接度，并以當地政府頒布的生態紅線區域保護規劃作為參考，選取綠地生態網絡構建的生態源地及重要生態節點，可以從區域生態功能和綠地空間結構兩個方面保證生態源地識別的科學性及完整性。

3.2 基于InVEST模型的阻力面的構建

阻力面的構建是識別及提取生態廊道的核心。阻力面反映了不同物種在穿過各類型空間時需要克服的景觀阻力，阻力面的賦值常結合研究區域基礎地形、土地覆蓋類型、植被類型及覆蓋程度、人類行為活動以及距離進行確定。不同的景觀阻力賦值對生態廊道的識別具有不同的影響[13]。

目前阻力面的構建常根據不同的土地利用類型結合相關文獻進行經驗分配，但單一地利用土地覆被類型進行賦值，無法考慮到同一用地類型的內部差異性，忽視了城市生態與人類社會經濟之間的相互作用，無法準確表現社會行為活動影響下的復雜生態本底特征。因此，學者們相繼在土地覆被類型阻力值的基礎上，結合自然因素[14]、自然災害因素以及人文因素構建景觀阻力因子指標評價體系[15]。生境質量評估反映了研究區域的環境適宜性，基于InVEST模型的生境質量模塊確定空間生境質量分布情況，用其倒數表示物種流動的阻力，并結合基礎地形分析以及植被覆蓋度作為指標構建生態過程流通的阻力面，實現潛在生態廊道的提取和篩選，可以為后續生態廊道的識別提供更為科學合理的景觀阻力面。

生境質量模塊中需輸入的參數主要有當前土地利用規劃數據、區域主要生境脅迫因子及其影響范圍和權重、景觀類型對威脅源的敏感性程度參數以及生境適宜度參數等數據。本研究基于InVEST模型使用指南《生態系統服務評估與權衡（InVEST）模型（3.2.0 版本）》中的得分標準，結合相關學者的研究基礎，設計Habitat Quality模塊輸入參數表（表1和表2）。

3.3 生態廊道辨識及重要生態廊道選擇

生態廊道是一種聯系生態源地、重要生態節點以及結構性控制區的線狀斑塊區域，包括河流、山體林地、交通等廊道類型。篩選生態廊道可以維持和增加生境的連接，保持生態功能的完整性以及保護生物的多樣性。其識別方法主要分為關鍵生態資源選擇法和模型模擬法。

關鍵生態資源選擇法主要是選取對城市區域具有重要意義的具有線性特征的生態要素和生態實體，如城市綠化帶、主要河流及重要水體防風林帶等。

模型模擬法主要有最小累積阻力模型法（Minimal cumulative resistance， MCR）、電路理論法（Circuit Theory）[16]、生物流情景模擬分析、網絡分析法模型（Analytic Network Process，ANP）、空間句法分析（Space Syntax）[17]。通過建立景觀阻力面，模擬各類生物體通過不同生態空間的運動阻力來識別潛在生態廊道。對生態廊道進行初步提取之后，還需要采取廊道相對重要性分析，運用定量分析廊道的相對重要性，明確生態廊道的先后保護順序。

基于InVEST模型的生境質量評估建立景觀阻力面，再基于重力模型識別景觀面中多條具有一定寬度的路徑，并可通過生態節點之間電流的強弱，確定生態廊道的相對重要性，最后構建綠地生態網絡的方法更具有穩定性和科學性。

3.4 生態節點的提取及其研究方法

生態節點是穩定區域綠地生態網絡結構的景觀節點，分散布置在生態空間中，建立在各個生態廊道敏感區域，鞏固和強化了各個生態源地之間的聯系。

目前識別方法主要為基于各類阻力模型進行的空間結構分析，對通過各個生態廊道的電流強弱進行分析，識別電流值最高的區域為生態節點[18]。累計電流值越大的節點，對生態網絡結構的穩定性及完整性就越重要。關鍵綠地節點的增加，可以提高綠地間的連通性，維持區域內各生物的生存環境，進而保護生物多樣性[19]，形成更為完整、布局良好的綠地生態網絡。

4 結語

探索構建綠地生態網絡的新途徑，具有重大的學術和社會價值。城市綠地生態網絡將區域各類型綠地作為城市空間規劃的一部分，探討生態功能效力和網絡空間結構的相互作用，引導城市用地合理化布局。

近些年，綠地生態網絡的研究主要是基于空間優先級的思想，選取生態源生態廊道及生態節點等景觀網絡基本構成要素，相比較技術方法，利用生態威脅因子對空間適宜性評價、生態重要性評價、生態系統服務價值的研究較少，過于關注綠地空間結構的構建，而忽視了與生態功能的有效結合。因此，本文在總結學習上述學者研究方法的基礎上，提出引入InVEST模型的生境質量模塊，以形態學格局分析和當地紅線保護區域作為生態源地的提取依據，并以生境質量、植物覆蓋度以及基礎地形分析作為指標構建生態過程流通的阻力面，最后通過電路理論識別并優化生態廊道及生態節點。這種方法科學評價了區域用地的生態服務功能，從生態本底功能和綠地空間結構兩個方面保證了綠地生態網絡構建的合理性和完整性，為相關綠地生態網絡的規劃實踐提供了指導與參考。

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作者簡介：王鈺雯（1995—），女，山東棗莊人，碩士在讀，研究方向：風景園林規劃與設計。

趙兵（1968—），男，浙江杭州人，博士，教授，系本文通訊作者，研究方向：城市綠地系統規劃、風景園林工程新技術、城市綠地與健康。