科尔沁沙地生境质量演变与预测

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00066

摘要/Abstract

摘要：

科尔沁沙地作为中国土地沙化严重的地区之一，其生境质量直接关系到区域生态环境和生态安全。运用集成价值评估工具模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs，InVEST）的生境质量模块对科尔沁沙地1990—2022年生境质量进行评估，并通过动态度模型、Theil-Sen Median趋势分析法、Mann-Kendall检验、Hurst指数和地理探测器等，探讨科尔沁沙地生境质量时空演变特征及其影响因素。同时，耦合灰色多目标决策（Grey Multi-Objective Programming，GMOP）与斑块生成土地利用变化（Patch-generating Land Use Simulation，PLUS）模型，开展生态、自然、经济和综合发展情景下科尔沁沙地生境质量预估研究。结果表明：1990—2022年科尔沁沙地生境质量总体呈改善态势，且具备可持续性特征。空间上呈西高东低的分布格局，其中14.73%区域生境质量显著改善。地理探测器结果表明，植被因子是影响科尔沁沙地生境质量变化的主要因素，与地形、气候及人类活动等因子的交互作用对生境质量的空间异质性表现出更强的解释力。预测2035年研究区生境质量继续上升，在4种模拟情景中，生态保护情景下生境质量提升最为显著，低生境质量区域面积逐渐减少，一般等级和高等级生境质量面积有所增长。

关键词: InVEST模型, 生境质量, GMOP模型, PLUS模型, 地理探测器, 科尔沁沙地

Abstract:

As one of the regions in China most severely impacted by land desertification， the habitat quality of the Horqin Sandy Land is closely tied to the regional ecological environment and ecological security. This study used the Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs （InVEST） model to assess habitat quality in the Horqin Sandy Land from 1990 to 2022. Methods such as the dynamic degree model， Theil-Sen median trend analysis， Mann-Kendall test， Hurst index， and geographic detector were employed to analyze the spatiotemporal changes in habitat quality and its influencing factors. Additionally， the study coupled the Grey Multi-Objective Programming （GMOP） model with the Patch-generating Land Use Simulation （PLUS） model to forecast habitat quality under four scenarios： ecological， natural， economic， and comprehensive development. The results show a general improvement in habitat quality from 1990 to 2022， with sustainable characteristics. Spatially， the habitat quality follows a west-high， east-low distribution pattern， with 14.73% of the area showing significant improvements. The geographic detector analysis reveals that vegetation factors are the primary drivers of habitat quality changes， with the interaction of terrain， climate， and human activities providing a strong explanation for spatial heterogeneity. Predictions indicate that by 2035， habitat quality will continue to improve， particularly under the ecological protection scenario， where the greatest enhancement is expected. Areas of low habitat quality will gradually decrease， while medium- and high-quality habitats will expand.

Key words: InVEST model, habitat quality, GMOP model, PLUS model, geographic detector, Horqin Sandy Land

中图分类号:

S288

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图/表 20

图1 研究区范围注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号为GS（2024）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.1 Study area boundary map

表1 驱动因子数据说明

Table 1 Description of driving factor data

驱动因子/单位	空间分辨率	时间（年份）	数据来源
海拔/m	30 m	2000	NASA官网(https://www.nasa.gov)
坡度/m	30 m	2000	NASA官网(https://www.nasa.gov)
归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)/（无量纲）	1 km	2000—2022	NASA地球观测数据(https://earthdata.nasa.gov)
净初级生产力(Net Primary Productivity，NPP)/（kg·m^-2·a^-1）	1 km		地理空间数据云(www.gis5g.com)
叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）/（m²·m^-2）	500 m		NASA官网(https://modaps.modaps.eos⁃dis.nasa.gov/)
潜在蒸散量/mm	0.042°	1990—2022	Terra Climate数据集(https://climate.northwestknowledge.net/)
地表径流/mm
土壤湿度/mm
风速/（m·s^-1）
降水/mm	1 km	1990—2022	国家青藏高原数据中心(https://data.tpdc.ac.cn/home)
气温/℃	1 km	1990—2022	国家青藏高原数据中心(https://data.tpdc.ac.cn/home)
牲畜数量/头	0.083°	2015	粮农组织牲畜系统(https://www.fao.org/livestock⁃systems/zh/)
GDP/万元	1 km	2000—2020	地理空间数据云(www.gis5g.com)
人口密度/（人·km^-2）	1 km	2000—2020	WorldPop官网(https://hub.worldpop.org)

表2 胁迫因子权重设置

Table 2 Weight setting for stress factors

胁迫因子	最大影响距离	权重	衰退相关性
耕地	10	0.7	线性衰退
未利用地	5	0.6	指数衰退
建设用地	12	1	指数衰退

表3 生境敏感性设置

Table 3 Habitat sensitivity settings

土地利用类型	生境适宜性	耕地	未利用地	建设用地
耕地	0.7	0.5	0.1	1
林地	1	0.65	0.6	0.75
草地	1	0.5	0.4	0.6
水域	1	0.2	0.2	0.4
建设用地	0	0	0	0
未利用地	0	0	0	0

表4 Theil-Sen Median趋势变化类型判别标准

Table 4 Theil-Sen Median trend change type discrimination criteria

$β$	Z	趋势变化类型
≥0.0005	>1.96	显著提升
≥0.0005	-1.96 ~1.96	轻微提升
-0.0005~0.0005	-1.96~1.96	稳定不变
<-0.0005	-1.96~1.96	轻微退化
<-0.0005	<-1.96	显著退化

表4 Theil-Sen Median趋势变化类型判别标准

Table 4 Theil-Sen Median trend change type discrimination criteria

$β$	Z	趋势变化类型
≥0.0005	>1.96	显著提升
≥0.0005	-1.96 ~1.96	轻微提升
-0.0005~0.0005	-1.96~1.96	稳定不变
<-0.0005	-1.96~1.96	轻微退化
<-0.0005	<-1.96	显著退化

表5 地理探测器判断标准及交互类型

Table 5 Types of geographical detector interactions and their discrimination criteria

判别标准	交互类型
$q (X 1 ⋂ X 2) < M i n (q (X 1), q (X 2))$	非线性减弱
$M i n (q (X 1), q (X 2)) < q (X 1 ⋂ X 2) < M a x (q (X 1), q (X 2))$	单因子非线性减弱
$q (X 1 ⋂ X 2) > M a x (q (X 1), q (X 2))$	双因子增强
$q (X 1 ⋂ X 2) = q (X 1) + q (X 2)$	独立
$q (X 1 ⋂ X 2) > q (X 1) + q (X 2)$	非线性增强

表5 地理探测器判断标准及交互类型

Table 5 Types of geographical detector interactions and their discrimination criteria

判别标准	交互类型
$q (X 1 ⋂ X 2) < M i n (q (X 1), q (X 2))$	非线性减弱
$M i n (q (X 1), q (X 2)) < q (X 1 ⋂ X 2) < M a x (q (X 1), q (X 2))$	单因子非线性减弱
$q (X 1 ⋂ X 2) > M a x (q (X 1), q (X 2))$	双因子增强
$q (X 1 ⋂ X 2) = q (X 1) + q (X 2)$	独立
$q (X 1 ⋂ X 2) > q (X 1) + q (X 2)$	非线性增强

表6 情景设置与土地利用预测条件

Table 6 Outlines the scenario settings and conditions for land use predictions

情景设置	情景描述
自然发展情景	基于1990—2022年各土地利用类型的变化趋势，利用马尔科夫链预测科尔沁沙地2035年土地利用结构。该情景假设各土地利用类型不受外界因素的干扰，仅按照其历史演化轨迹线性发展，是一种理想状态下的土地利用发展场景
经济优先情景	随着城市建设和农牧业的快速发展，科尔沁沙地的经济也将实现更快增长，在此背景下，充分发挥经济产出潜力较高的土地利用效益，以经济效益优先作为优化目标，加大城市基础设施建设，加速城乡融合，促进城镇化率稳步提升
生态优先情景	以生态保护为核心，优先发展林地、湿地、水源等生态保护用地，限制城镇发展和建设用地、耕地面积。设置该情景有助于缓和土地利用冲突，加强自然资源综合整治力度，保障生态功能，保护环境质量，合理利用自然资源，对推进该区域生态红线划定具有重要参考价值
综合发展情景	综合发展模式将生态与社会经济进行有机结合，实现人与自然健康、持续和稳定的发展。该情景通过最大化经济效益和生态效益来构建和谐人地关系，统筹经济与生态效益，推进科尔沁沙地在保护中发展，促进国土资源高效开发利用

表7 2035年科尔沁沙地土地利用类型生态价值与经济价值系数

Table 7 Coefficients of ecological and economic values of land use types in the Horqin Sandy Land by 2035

土地利用类型	耕地	林地	草地	水域	建设用地	未利用地
经济价值系数/（万元·km^-2）	1.63	0.056	3.58	1.24	151.43	0
生态价值系数/（万元·km^-2）	0.98	4.90	3.00	31.26	0	4.42

表8 科尔沁沙地土地预测约束条件

Table 8 Forecast constraints on land use in the Horqin Sandy Land

约束类型	约束因素	约束表达式	约束条件解译
总量	土地面积	$∑ i = 1 6 X i = 125307.9022$	各情景下土地利用总面积等于研究区面积
耕地红线	耕地面积	45538.38≤ $X 1$ ≤48542.94	由于科尔沁沙地耕地面积不断减少，以马尔科夫链预测的2035年耕地面积作为下限，以2022年耕地保有量作为上限
林地	林地面积	8285.49≤ $X 2$ ≤8647.2	根据《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划（2021—2035年）》，将全面加强科尔沁退化草原和已垦草原治理。因此，科尔沁沙地的林地会有所增加，将林地面积的下限设置为2022年林地面积，上限为马尔科夫链预测的2035年林地面积
草地	草地面积	61152.03≤ $X 3$ ≤62405.73	随着科尔沁沙地实施了一系列生态保护和恢复政策，草原退化的趋势有所减缓。以马尔科夫链预测的2035年草原面积为上限，下限为2022年草地面积
水域	水域面积	211.32≤ $X 4$ ≤361.98	基于《内蒙古自治区“十四五”生态环境保护规划》，以西辽河流域为重点，逐步恢复水域生态功能。因此，以马尔科夫链预测的2035年水域面积作为上限，以2022年的水域面积作为下限
建设用地	建设用地面积	3613.32≤ $X 5$ ≤4491.27	根据1990—2022年土地利用用地面积统计结果，科尔沁沙地建设用地面积不断增长。所以，以2022年建设用地面积为下限，以马尔科夫链预测的2035年建设用地面积为上限
未利用地	未利用地面积	3357.63≤ $X 6$ ≤4017.06	科尔沁沙地1990—2022年未利用土地面积不断减少，因此上限为2022年未利用地面积，以马尔科夫链预测的2035的未利用地作为下限
农用地	耕、林、草地面积	$X 1$ + $X 2$ + $X 3$ ≤117980.46	农业用地面积保持动态均衡，且不低于现状面积
生态多样性	林、草、水域面积	$X 2$ + $X 3$ + $X 4$ ≤69799.5	各优化情景下生态多样性总面积不低于现状面积

表8 科尔沁沙地土地预测约束条件

Table 8 Forecast constraints on land use in the Horqin Sandy Land

约束类型	约束因素	约束表达式	约束条件解译
总量	土地面积	$∑ i = 1 6 X i = 125307.9022$	各情景下土地利用总面积等于研究区面积
耕地红线	耕地面积	45538.38≤ $X 1$ ≤48542.94	由于科尔沁沙地耕地面积不断减少，以马尔科夫链预测的2035年耕地面积作为下限，以2022年耕地保有量作为上限
林地	林地面积	8285.49≤ $X 2$ ≤8647.2	根据《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划（2021—2035年）》，将全面加强科尔沁退化草原和已垦草原治理。因此，科尔沁沙地的林地会有所增加，将林地面积的下限设置为2022年林地面积，上限为马尔科夫链预测的2035年林地面积
草地	草地面积	61152.03≤ $X 3$ ≤62405.73	随着科尔沁沙地实施了一系列生态保护和恢复政策，草原退化的趋势有所减缓。以马尔科夫链预测的2035年草原面积为上限，下限为2022年草地面积
水域	水域面积	211.32≤ $X 4$ ≤361.98	基于《内蒙古自治区“十四五”生态环境保护规划》，以西辽河流域为重点，逐步恢复水域生态功能。因此，以马尔科夫链预测的2035年水域面积作为上限，以2022年的水域面积作为下限
建设用地	建设用地面积	3613.32≤ $X 5$ ≤4491.27	根据1990—2022年土地利用用地面积统计结果，科尔沁沙地建设用地面积不断增长。所以，以2022年建设用地面积为下限，以马尔科夫链预测的2035年建设用地面积为上限
未利用地	未利用地面积	3357.63≤ $X 6$ ≤4017.06	科尔沁沙地1990—2022年未利用土地面积不断减少，因此上限为2022年未利用地面积，以马尔科夫链预测的2035的未利用地作为下限
农用地	耕、林、草地面积	$X 1$ + $X 2$ + $X 3$ ≤117980.46	农业用地面积保持动态均衡，且不低于现状面积
生态多样性	林、草、水域面积	$X 2$ + $X 3$ + $X 4$ ≤69799.5	各优化情景下生态多样性总面积不低于现状面积

图2 1990年与2022年科尔沁沙地生境质量等级比例

Fig.2 Habitat quality classification in Horqin Sandy Land， 1990 and 2022

表9 1990—2022年各等级生境质量面积变化及动态度

Table 9 Changes in habitat quality area and dynamics by grade from 1990 to 2022

生境质量等级	1990—2000年		2001—2011年		2012—2022年		1990—2022年
生境质量等级	面积变化/km²	动态度/%	面积变化/km²	动态度/%	面积变化/km²	动态度/%	面积变化/km²	动态度/%
低	71.44	0.09	-251.62	-0.33	-105.06	-0.15	-904.79	-1.29
较低	-5 554.58	-6.44	184.54	0.22	4 161.76	3.04	-962.47	-0.70
一般	684.49	0.18	-941.83	-0.26	-1 652.36	-0.48	-3 566.45	-1.04
较高	963.76	0.73	-714.8	-0.57	69.31	0.06	360.37	0.29
高	3 833.71	0.56	1 725.02	0.24	-2 578.91	-0.37	4 969.5	0.71

图3 科尔沁沙地1990—2022年生境质量时空演变特征注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号为GS（2024）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.3 Spatiotemporal evolution of habitat quality in the Horqin Sandy Land from 1990 to 2022

图4 科尔沁沙地1990—2022年Hurst指数空间分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号为GS（2024）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.4 Spatial Distribution of the Hurst Index in the Horqin Sandy Land from 1990 to 2022

图5 地理探测器结果

Fig.5 Results of Geographic Detector

图6 科尔沁沙地2035年不同情景下土地利用类型空间分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号为GS（2024）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.6 Land use distribution scenarios in Horqin Sandy Land， 2035

表10 科尔沁沙地不同情景下土地利用面积

Table 10 Land use area of Horqin Sandy Land under different scenarios

土地利用类型	2022年/km²	2035年/km²
土地利用类型	2022年/km²	自然发展情景	生态优先情景	经济优先情景	综合发展情景
耕地	48 542.94	49 426.29	46 261.91	46 556.50	46 191.57
林地	8 285.49	8 921.07	8 647.25	8 285.48	8 604.75
草地	61 152.03	59 123.7	62 405.78	62 405.72	61 739.07
水域	361.98	173.16	362.04	211.31	361.79
建设用地未利用地	3 613.32 3 357.63	4 347.18 3 319.56	3 613.38 4 017.52	4 491.26 3 357.62	4 455.25 3 954.70

图7 科尔沁沙地2035年不同情景下生境质量预测空间分布注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号为GS（2024）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.7 Spatial Distribution of Habitat Predictions in the Horqin Sandy Land Under Different Scenarios for 2035

表11 科尔沁沙地不同情景下生境质量面积

Table 11 Habitat quality area under different scenarios in the Horqin Sandy Land

生境质量等级	2022年/km²	2035年/km²
生境质量等级	2022年/km²	自然发展情景	生态优先情景	经济优先情景	综合发展情景
低	7 525.71	6 237.27	4 997.97	7 045.56	7 039.35
较低	39 831.3	38 109.33	39 229.02	42 789.87	44 056.71
一般	8 530.65	9 477.63	9 779.04	8 418.42	8 401.59
较高	7 078.32	6 864.48	6 654.51	6 894.81	7 075.89
高	62 344.98	64 622.25	64 650.42	58 918.5	59 981.22

图8 科尔沁沙地1990—2017年土地利用转移变化（单位：km2）

Fig.8 Shows the changes in land use transfer in the Horqin Sandy Land from 1990 to 2017（unit：km2）

图9 科尔沁1990—2022年土地利用转移空间特征注：基于自然资源部标准地图服务网站标准地图（审图号为GS（2024）0650号）制作，底图边界无修改

Fig.9 Spatial changes in land use transition characteristics in Horqin （1990-2022）

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