基于土地覆蓋和NDVI變化的拉薩河流域生境質(zhì)量評估

稅燕萍,盧慧婷,王慧芳,嚴 巖,*,吳 鋼

1 西藏自治區(qū)環(huán)境保護廳,拉薩 850000 2 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 3 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049

以城市和農(nóng)田擴張為代表的土地利用/覆蓋方式的改變所造成的生境破碎、退化和喪失已被認為是生物多樣性喪失的最大驅(qū)動力[1-3]。近年來已有許多學(xué)者利用景觀格局指標、HSI模型[4-5]、IDRISI模型[6-7]、InVEST模型[8-11]等不同方法評估了土地利用/覆蓋變化對生物多樣性和生境質(zhì)量的影響。然而,已有研究中較少考慮植被狀況對生境質(zhì)量的影響。諸多研究表明,植被狀況與生境適宜性具有顯著相關(guān)關(guān)系,如朱冰潤[12]通過主成分分析表明白琵鷺種群繁殖生境選擇與植被高度、密度成正相關(guān)；張佰蓮等[13]通過Logistic回歸分析表明生境類型對白頭鶴活動分布的影響作用最大,其次是植被指數(shù)。目前,已有少數(shù)研究將NDVI作為評價生境質(zhì)量的指標之一[14-15],或?qū)DVI與生境質(zhì)量變化的關(guān)系進行研究[16]。

拉薩河流域位于雅魯藏布江中游,擁有豐富的高原動植物資源和典型的高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)。其中,流域內(nèi)擁有國家I級重點保護動物胡兀鷲、黑頸鶴、金鵰等7種,II級重點保護動物彩鸛、黑鳶、高山兀鷲、雪豹等共22種。流域內(nèi)擁有包括雅魯藏布江中游河谷黑頸鶴國家級自然保護區(qū)、麥地卡濕地國家級自然保護區(qū)、拉魯濕地國家級自然保護區(qū)等多個國家級和地方級自然保護區(qū)[17]。同時,拉薩河流域也是西藏自治區(qū)經(jīng)濟最發(fā)達、人口最密集的核心地區(qū)；拉薩河畔的拉薩市,是自治區(qū)的首府,也是自治區(qū)的政治、經(jīng)濟、文化及宗教中心。在青藏高原氣候變化的背景下[18-20],隨著拉薩河流域城鎮(zhèn)化和旅游業(yè)的快速發(fā)展,流域生物多樣性保護所面臨的壓力也逐漸加大。

本研究在分析拉薩河流域土地覆蓋和NDVI變化的基礎(chǔ)上,選擇生長季(6—10月)NDVI作為植被狀況的指示因子,對InVEST生境質(zhì)量模型中各植被類型的生境適宜度進行修正,評估了拉薩河流域1990—2015年生境質(zhì)量變化,并對生境質(zhì)量變化及其原因進行了分析和討論,以期為拉薩河流域的生物多樣性保護和生態(tài)規(guī)劃提供理論支持。

1 研究區(qū)概況

拉薩河發(fā)為雅魯藏布江的一級支流,流域范圍為29°20′—31°15′N,90°05′—93°20′E(圖1),面積約為3.26萬km2。拉薩河流域平均海拔高程約4500 m,年平均氣溫為-7.1—9.2℃,年均降水量為340—700 mm,且降水年內(nèi)分布極不均勻,約90%的降水集中在6—9月。流域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)類型以高山草甸和高寒草原為主[21]。

圖1 拉薩河流域高程圖Fig.1 Elevation map of Lhasa River Basin

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

1990年、2000年、2010年和2015年4期土地覆蓋數(shù)據(jù)(30 m)和NDVI月值數(shù)據(jù)(250 m)來自中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所。DEM數(shù)據(jù)(30 m)來自中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/)。結(jié)合拉薩河流域?qū)嶋H情況,建立土地覆蓋類型二級分類體系,包括10個一級類別和28個二級類別,如表1所示。

表1 土地覆蓋分類體系

2.2 生境質(zhì)量評估方法

InVEST模型中的生境質(zhì)量模塊(Habitat Quality Model)將土地覆蓋類型與脅迫因子建立聯(lián)系,根據(jù)不同生境對脅迫因子的敏感程度,通過計算生境質(zhì)量指數(shù)來評估不同情景下的生境質(zhì)量分布和退化情況[11]。Terrado等[22]將該模型中生境質(zhì)量模塊的計算結(jié)果與生物多樣性的觀測結(jié)果進行對比,表明二者之間呈顯著的相關(guān)關(guān)系,從而證明了該方法的可靠性。

InVEST模型中每個柵格的生境質(zhì)量由兩個因素決定：1)自身作為生境的適宜度,取值范圍介于0—1之間,1表示該生境具有最高適宜度,0代表非生境；2)生境退化度,其計算公式如下：

式中,r為生境的脅迫因子；y為脅迫因子?xùn)鸥?；wr為脅迫因子r的權(quán)重；ry為柵格y的脅迫強度；irxy為ry對生境柵格x的脅迫水平；βx為柵格x的可達性水平；Sjr為生境類型j對脅迫因子r的敏感度。irxy的計算公式如下：

式中,dxy為柵格x與柵格y之間的直線距離；dr max為脅迫因子r的最大影響距離。

模型中涉及的主要參數(shù)包括土地覆蓋、脅迫因子圖層、各脅迫因子的最大影響距離和距離衰減函數(shù)、各脅迫因子的權(quán)重、不同土地覆蓋類型的生境適宜度及其對脅迫因子的敏感度。其中,各脅迫因子的最大影響距離、距離衰減函數(shù)和權(quán)重,以及各生境類型對脅迫因子的敏感度參考相關(guān)文獻[9-11]并根據(jù)拉薩河流域?qū)嶋H情況以及專家的建議進行賦值,如表2、表3所示。

表2 脅迫因子屬性表

各土地覆蓋類型的生境適宜度在參考相關(guān)文獻[9-11]的基礎(chǔ)上,利用生長季NDVI數(shù)據(jù)進行修正,得到各個年份的生境適宜度(表3),公式如下：

Hi=min(HABITATi×NDVIi×2, 1)

式中,Hi為第i種土地覆蓋類型修正后的生境適宜度,HABITATi為第i種土地覆蓋類型的初始生境適宜度,NDVIi為第i種土地覆蓋類型當(dāng)年的生長季NDVI均值。

表3 不同土地覆蓋類型的生境適宜度及其對脅迫因子的敏感度

3 結(jié)果與分析

3.1 土地覆蓋變化

圖2 1990—2015年拉薩河流域土地覆蓋分布及其變化Fig.2 Land cover distribution and changes of Lhasa River Basin from 1990 to 2015

1990—2015年拉薩河流域土地覆蓋的主要變化是人工表面和濕地面積的快速擴張(圖2),其增幅分別為82.65%和32.40%。此外,草甸和草原面積分別增加了120.09 km2和88.43 km2,占流域總面積的0.36%和0.27%；稀疏草地和冰川/積雪面積分別減少了249.63 km2和86.31 km2,占流域總面積的0.75%和0.26%；其他土地覆蓋類型變化較小。

根據(jù)土地覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣(表4),1990—2015年拉薩河流域土地覆蓋的轉(zhuǎn)移方向主要為稀疏草地轉(zhuǎn)化為草原和草甸、耕地轉(zhuǎn)化為人工表面以及冰川/積雪轉(zhuǎn)化為荒地。其中約140 km2的稀疏草地轉(zhuǎn)化為草原,約326 km2的稀疏草地轉(zhuǎn)化為草甸,約36 km2的耕地轉(zhuǎn)化為人工表面,約76 km2的冰川/積雪轉(zhuǎn)化為荒地。此外,草甸和草原、灌木和草甸之間的轉(zhuǎn)化基本相互抵消。

表4 1990—2015年拉薩河流域土地覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣/km2

3.2 NDVI變化

研究表明,受氣候變化影響,青藏高原總體上更加暖濕,有利于植被生長,但不同地區(qū)空間差異性也較大[23-25]。1990—2015年拉薩河流域植被生長季(6—10月)NDVI變化如圖3所示。1990—2000年,除流域中上游的裸巖、裸土地區(qū)和念青唐古拉山地區(qū)外,拉薩河流域生境質(zhì)量整體有較大提升；2000年以后整體略有下降,尤其是拉薩河的源頭——麥地卡濕地及其周邊地區(qū)的NDVI顯著下降。

根據(jù)各植被類型生長季(6—10月)NDVI均值統(tǒng)計,1990—2000年間,拉薩河流域林地、灌木、草甸和草原等植被類型的NDVI顯著上升,增幅分別為40.20%、17.47%、22.12%、22.75%；2000—2010年間,林地、灌木和草甸NDVI分別減少10.97%、3.92%、3.52%,而稀疏草地增加了5.67%；2010—2015年間,林地NDVI增加了7.10%,而稀疏草地、草原和草甸分別減少了6.66%、5.16%和4.11%。總的來看,1990—2000年各植被生長季NDVI顯著增長,平均增幅達24.69%,而2000年后草甸和草原的生長季NDVI逐漸降低,呈退化趨勢。

3.3 生境質(zhì)量變化

InVEST模型采用生境質(zhì)量指數(shù)來表征生境質(zhì)量狀況,其范圍為0—1,值越大表明生境質(zhì)量越高。通常,土地利用強度的增加會引起脅迫源地的增加和強度的增強,從而使其脅迫范圍內(nèi)的生境質(zhì)量退化[10]。根據(jù)模型計算結(jié)果(圖4),流域下游和念青唐古拉山南側(cè)河谷地區(qū)以及拉薩河源頭地區(qū)生境質(zhì)量較高,以灌木、草甸和草原等土地覆蓋類型為主；拉薩市市轄區(qū)和林周縣縣城周邊,以及流域中上游的荒地等地區(qū)生境質(zhì)量較低；1990—2015年間生境質(zhì)量空間格局基本未發(fā)生變化。從時間變化來看,NDVI對生境質(zhì)量變化影響較為顯著。其中,1990—2000年,由于NDVI的上升,拉薩河流域生境質(zhì)量也顯著提高,整體生境質(zhì)量指數(shù)從0.51上升到0.57；2010年和2015年整體生境質(zhì)量指數(shù)分別為0.56和0.55,較2000年略有下降。

圖4 1990—2015年拉薩河流域生境質(zhì)量空間分布及其變化Fig.4 Spatial distribution of habitat quality in Lhasa River Basin from 1990 to 2015

根據(jù)生境質(zhì)量評估結(jié)果,將拉薩河流域生境質(zhì)量劃分為高、較高、中等、較低和低共5個級別,對每個級別的面積和占流域總面積的百分比進行統(tǒng)計,如表5所示。1990—2015年高生境質(zhì)量的比例明顯增多,從20.59%增加到45.14%,面積增加了8003.30 km2；中等生境質(zhì)量的比例顯著減少,從23.47%減少到0.34%,面積減少了7540.38 km2；其他等級的生境面積變化相對較小。

4 討論與結(jié)論

盡管以建設(shè)用地為主的人工表面和濕地等土地覆蓋類型的面積變化速度較快,但是整體而言1990—2015年拉薩河流域土地覆蓋景觀格局變化相對較小,建設(shè)用地、工礦用地、交通用地等生境脅迫因子對生境質(zhì)量的影響也未發(fā)生較大變化,主要集中分布在拉薩市市轄區(qū)、林周縣縣城及周邊地區(qū)(圖4)。相比于土地覆蓋變化,在氣候變化和人類活動的共同驅(qū)動下,研究期間內(nèi)拉薩河流域的植被變化更為顯著。由于本研究將NDVI作為修正因子對不同植被類型不同時期的生境適宜度進行了修正以期反應(yīng)植被狀況對生境質(zhì)量的影響,因此研究區(qū)不同植被類型生境適宜度的變化是其生境質(zhì)量變化的主要原因。以生境適宜度變化較為顯著的林地和草甸為例,1990—2000年林地和草甸的生境適宜度分別從0.68和0.79增加到了0.95和0.96,2000—2015年略有下降,分別下降至0.90和0.89,表明在未受到脅迫因子干擾的情況下,1990—2000年林地和草甸的生境質(zhì)量有較大提升,而2000年以后略有降低。

表5 拉薩河流域不同年份各等級生境質(zhì)量比例

本研究根據(jù)土地覆蓋變化,并選擇NDVI數(shù)據(jù)作為植被狀況的指示因子,通過對不同植被類型各年份的生境適宜度進行修正,評估了1990—2015年拉薩河流域生境質(zhì)量的時空變化,主要結(jié)論如下：研究期間內(nèi)拉薩河流域土地覆蓋變化相對較小,而代表植被狀況的NDVI變化較顯著；從生境質(zhì)量的空間分布來看,高質(zhì)量生境主要分布在流域下游、念青唐古拉山南側(cè)河谷地區(qū)以及拉薩河源頭等地區(qū),以灌木、草甸和草原等土地覆蓋類型為主；低質(zhì)量生境主要分布在拉薩市市轄區(qū)、林周縣縣城及周邊,以及流域中上游的荒地等地區(qū)；1990—2015年間生境質(zhì)量空間格局基本未發(fā)生變化；從時間變化上來看,NDVI對生境質(zhì)量變化影響較為顯著。1990—2000年,由于NDVI的顯著上升,各植被類型的生境適宜度相應(yīng)增加,拉薩河流域生境質(zhì)量也有較大提高,整體生境質(zhì)量指數(shù)從0.51上升到0.57；2010年和2015年整體生境質(zhì)量指數(shù)分別為0.56和0.55,相比2000年略有下降。

位于青藏高原雅魯藏布江中游的拉薩河流域具有重要的生物多樣性保護意義,然而隨著氣候變化和城鎮(zhèn)擴張、旅游業(yè)和礦產(chǎn)資源開發(fā)等人類活動的加劇,流域生境質(zhì)量面臨的脅迫和壓力還將繼續(xù)增大。根據(jù)本研究結(jié)果并結(jié)合拉薩河流域的實際情況,針對流域的生態(tài)規(guī)劃和生物多樣性保護提出以下建議：關(guān)注流域氣候和植被變化,加強對生態(tài)系統(tǒng)的遙感和定位監(jiān)測以及野外調(diào)查；合理規(guī)劃布局城鎮(zhèn)建設(shè)用地、道路、農(nóng)田等,并加強對自然保護區(qū)的規(guī)劃和管理,最大限度減少社會經(jīng)濟發(fā)展對生境的脅迫；加強對植被的保護與管理,對植被退化嚴重的地區(qū)開展退化機制和原因的研究,采取針對性措施進行保護和恢復(fù)；對流域內(nèi)的礦產(chǎn)資源開發(fā)活動實施嚴格的開采許可和監(jiān)督管理制度,并對廢棄礦地進行生態(tài)修復(fù)。