1990-2017年喀斯特自然保護區(qū)土地利用變化對生境質(zhì)量的影響

黃賢峰, 楊永菊, 武 藝, 高亞紅，顧羊羊, 袁忠民

(1.貴州省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計院, 貴州 貴陽 550081; 2.河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院, 河南 焦作454003; 3.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司, 貴州 貴陽550081; 4.南京銥迅信息技術(shù)股份有限公司, 江蘇 南京 210000; 5.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學(xué)研究所, 江蘇 南京 210042; 6.貴州省義龍新區(qū)農(nóng)林水務(wù)和移民局, 貴州 義龍 562409)

生境是指不同物種的生活環(huán)境，它不僅包含物種生存的必要因素，而且也涉及物種存活所相關(guān)的其它生態(tài)因子[1]。生境質(zhì)量能有效反映區(qū)域生物多樣性的高低，比如生境質(zhì)量的破碎、退化和喪失會直接導(dǎo)致生物多樣性的降低[2]，評估生境質(zhì)量變化過程是制定有效的生物多樣性保護措施的基礎(chǔ)。土地利用變化是人類活動強度的直接表征，被認為是影響區(qū)域生境質(zhì)量變化的主要驅(qū)動力。大型工程建設(shè)[3]、城市規(guī)模擴張[4-5]、耕地面積增加[6]等土地利用變化都會對生境質(zhì)量造成影響。相關(guān)研究表明自17世紀工業(yè)革命以來，全球39%的陸地生境被耕地和城市所侵占，另外有37%的生境受到退化和破碎化的威脅[7]。自然保護區(qū)作為現(xiàn)有自然資源最為豐富的地區(qū)之一，對于維持區(qū)域內(nèi)生物多樣性和連通性以保證各種物質(zhì)流、能流及信息流的傳遞具有重要作用。同時，研究自然保護區(qū)成立前后生境質(zhì)量變化及主要影響因素，可為保護區(qū)生態(tài)保護與管理決策的進一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。國內(nèi)外學(xué)者采用不同方法對區(qū)域生境質(zhì)量進行分析。Valero等[8]采用河岸帶植被指數(shù)(riparian forest quality index, QBR)和河流生境指數(shù)(fluvial habitat index, IHF)評估河流生境狀況。相關(guān)學(xué)者在蒲河流域基于層次分析法構(gòu)建河流生境質(zhì)量評價體系并分析與水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系[9]。Tang等[10]采用綜合指標(biāo)法評估鄱陽湖地區(qū)土地利用變化對水鳥遷徙生境適宜性的影響。近年來InVEST (integrated valuation of environmental services and tradeoffs)模型由于能夠有效分析物種空間分布狀況及其環(huán)境，并將威脅源的空間分布作為影響因子的生境適宜度模型，已經(jīng)成為新的研究熱點[2,11-12]，被廣泛運用在生境質(zhì)量評價[2]、水源供給[13]、土壤侵蝕[14]等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)領(lǐng)域。InVEST-Habitat Quality 評估模型可以將土地利用/覆被與脅迫源聯(lián)系起來，并根據(jù)不同生境對脅迫源的響應(yīng)情況，評估不同土地利用/覆被的生境分布和退化。該方法數(shù)據(jù)容易獲取，無需野外詳細物種調(diào)查，能夠快速評估區(qū)域生境質(zhì)量。張大智等[2]運用InVEST模型研究南四湖流域土地利用變化對生境質(zhì)量影響；Terrado等[15]基于InVEST模型研究流域生境質(zhì)量格局變化并模擬未來不同情景對生境質(zhì)量的影響；陳妍等[11]計算北京主要威脅源對生境退化影響并評估生境質(zhì)量變化。InVEST-Habitat Quality模型能夠為生物多樣性保護和土地資源開發(fā)利用的權(quán)衡決策提供量化參考，是實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的有力決策工具。目前坡崗自然保護區(qū)研究內(nèi)容主要集中在保護區(qū)的物種調(diào)查[16]和鄉(xiāng)村旅游[17]，缺乏通過分析多期生境質(zhì)量變化評估保護區(qū)管理成效方面的研究。因此，本文以貴州省西南典型喀斯特石漠化區(qū)——興義市坡崗自然保護區(qū)為例，基于GIS和RS技術(shù)，結(jié)合Landsat影像數(shù)據(jù)，利用InVEST-Habitat Quality模型和土地利用轉(zhuǎn)型生境貢獻率，旨在研究1990—2017年保護區(qū)建立前后(保護區(qū)1997年批準成立)土地利用變化及其對生境質(zhì)量的影響，并評估保護區(qū)管理成效。模擬預(yù)測退耕還林還草政策情景下自然保護區(qū)生境質(zhì)量變化，為保護區(qū)的科學(xué)管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

坡崗州級喀斯特森林和野生動物自然保護區(qū)位于貴州省興義市城東15 km，1997年經(jīng)貴州省黔西南州州委批準成立。保護區(qū)位于東經(jīng)104°59′41″—105°05′41″，北緯24°55′42″—25°06′44″，面積211.74 km2。東與安龍縣萬峰湖鎮(zhèn)接壤，南同興義市巴結(jié)鎮(zhèn)毗鄰，西抵頂效鎮(zhèn)樓納辦事處，北與鄭屯鎮(zhèn)鄭屯村接壤。保護區(qū)海拔759～1 590 m，屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均降雨量1 520.9 mm，夏季降雨量約占年降雨量的50%至55%。年均氣溫在16～20 ℃，土壤類型主要為紅壤與黃壤，2017年森林覆蓋率達88.62%。坡崗自然保護區(qū)是中國同緯度喀斯特地貌資源保存最為完整區(qū)域之一，主要保護對象為喀斯特森林植被和國家二級保護動物獼猴群落。保護區(qū)為典型喀斯特地貌，受地層相變、新構(gòu)造抬升及河流強烈切割的影響，地貌類型復(fù)雜，主要有峰叢峽谷、峰叢洼地、峰林洼地及石林4種類型。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

采用中高分辨率的Landsat系列遙感圖像，涉及TM，ETM+，OLI傳感器(遙感影像來源于http:∥glovis.usgs.gov)，研究坡崗自然保護區(qū)生境質(zhì)量動態(tài)變化。為獲取研究區(qū)1990—2017年土地利用覆被的動態(tài)變化，選取保護區(qū)建立前后的1990，2001，2009和2017年4個時期為代表年份，每個時期選擇2景并且云量覆蓋率低的影像(表1)。根據(jù)《基于碳收支的中國土地覆被分類系統(tǒng)》[18]的標(biāo)準，將坡崗自然保護區(qū)土地利用/覆被類型分為：林地、草地、濕地、耕地、人工表面和其他類型，其中其他類型主要包括裸巖、裸土等地類。使用遙感圖像處理軟件ENVI 5.1對4個時期的遙感影像進行預(yù)處理，如波段合成、裁剪、重采樣等。根據(jù)實地采樣點和紋理信息，采用支持向量機分類方法對影像進行監(jiān)督分類，針對分類結(jié)果結(jié)合人—機交互方式，對錯分的類型進行目視判讀，修改得到研究區(qū)4期土地利用覆被類型的空間分布。

表1 Landsat系列衛(wèi)星影像信息

2.2 生境質(zhì)量模型

InVEST-Habitat Quality模型用于評估威脅來源對生境的負面影響，計算研究區(qū)生境的退化程度，并參考生境的適宜性和退化程度計算生境質(zhì)量[11]。將土地利用類型中相應(yīng)類型定義為生境，根據(jù)研究區(qū)土地利用/覆被特點將生境類型歸為林地、草地、濕地、耕地、農(nóng)村居民點、交通用地和裸土/裸巖。生境退化度反映人類活動(即威脅源)對生境造成的影響，定義交通用地、耕地和農(nóng)村居民點為坡崗自然保護區(qū)生境的威脅源。生境退化度由5個因素決定：不同的威脅源權(quán)重(ωr)、威脅源強度(ry)，威脅源對生境每個柵格的影響(icxy)、生境抗干擾水平(βx)以及每種生境對不同威脅源的相對敏感度(Sjr)，5個影響因素的閾值范圍0～1[19]。假設(shè)威脅源的影響隨距離增加呈現(xiàn)線性衰減趨勢，通過公式(1)和公式(2)計算生境類型j中柵格x的退化度。

(1)

irxy=1-(dxy-drmax)

(2)

式中：r——生境的威脅源；y——威脅源r中的柵格；dxy——柵格x(生境)與柵格y(威脅源)的距離；dr max——威脅源r的影響范圍。

生境中每個柵格的生境質(zhì)量取決于2個因素： ①自身作為生境的適宜情況，即生境適宜度，閾值范圍0～1； ②公式(1)中計算的生境退化度。假設(shè)生境質(zhì)量好的區(qū)域生物多樣性豐富，生境質(zhì)量的空間分布代表生物多樣性的空間分布?；谕恋乩?覆被類型，生境質(zhì)量計算公式如下：

(3)

式中：Qxj——土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量；Dxj——土地利用類型j中柵格x的生境退化度；Hj——土地利用類型j的生境適合度；k——半飽和常數(shù)，取Dxj最大值的1/2；z——模型默認參數(shù)。

生境模型主要參數(shù)有威脅源的最大影響范圍及權(quán)重、生境適宜度、不同威脅源的敏感性等。根據(jù)InVEST模型指導(dǎo)手冊(InVEST VERSION 3.3.2 User’s Guide)的模型參考值及相關(guān)文獻[2,11,19]，參數(shù)值分別列于表2—3。自然保護區(qū)作為重要物種棲息地和自然生態(tài)系統(tǒng)保留地，將林地、河流濕地的生境適宜度閾值定為1。越接近自然系統(tǒng)的生境適宜度越大，越接近純?nèi)斯きh(huán)境生境適宜性越小。因此，將草地定為0.75，耕地定為0.40，其余用地類型為0。

表2 威脅源的屬性

表3 不同生境類型對威脅因子的敏感性

2.3 土地利用轉(zhuǎn)型生境貢獻率

土地利用轉(zhuǎn)型生境貢獻率是指某一種土地利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)型從而導(dǎo)致區(qū)域生境質(zhì)量發(fā)生改變的比率，該方法可為深入分析土地利用轉(zhuǎn)型對區(qū)域生境質(zhì)量的影響奠定基礎(chǔ)，有利于探討區(qū)域生境質(zhì)量變化的主導(dǎo)因素[20]。其表達式為：

CLHQ=(HQt+1-HQt)/Sc/S

(4)

式中：CLHQ——土地利用轉(zhuǎn)型生境貢獻率； HQt+1，HQt——某種土地利用轉(zhuǎn)型所反映的轉(zhuǎn)型初期和轉(zhuǎn)型土地利用類型所具有生境質(zhì)量指數(shù)；Sc——該變化類型的面積；S——保護區(qū)總面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 保護區(qū)土地利用及轉(zhuǎn)型變化

3.1.1 保護區(qū)土地利用變化 由圖1可知，保護區(qū)4期土地覆被類型中林地、草地和耕地分布最為廣泛。

其中，2017年坡崗自然保護區(qū)林地、草地和耕地面積分別為153.29，33.41和20.06 km2，3種類型面積占整個保護區(qū)面積的97.65%，其他類型用地面積為0.56 km2，占保護區(qū)面積比例僅為0.26%。人工表面和濕地面積分別為3.55和0.87 km2，分別占保護區(qū)面積的1.68%和0.41%(表4)。

圖1 1990-2017年坡崗自然保護區(qū)各地類面積變化

km2

1990—2001年，保護區(qū)林地面積增加最大為19.07 km2，濕地和人工表面面積分別增加了0.59和0.53 km2，其他類別、草地和耕地面積分別減少了13.55，3.35，3.28 km2。2001—2009年，保護區(qū)草地面積增加最多為16.80 km2，其次是林地和人工表面，面積分別為6.83，0.36 km2。耕地面積減少最多為15.20 km2，其次是其他類型與濕地，面積分別為8.45，0.31 km2。2009—2017年，保護區(qū)耕地面積增加最多為4.61 km2，其次是人工表面、草地和濕地，面積分別為2.32，2.09，0.07 km2。總體來看，1990—2017年保護區(qū)林地、草地、濕地和人工表面呈現(xiàn)增加趨勢，耕地和其他類型呈現(xiàn)減少趨勢。具體來說，林地、草地、人工表面和濕地分別增加18.55，15.53，3.21和0.34 km2，其他類型和耕地面積分別減少23.74和13.88 km2，其中其他類型面積減少量最大，與1990年相比減少了97.70%。

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)型分析 基于4期土地利用/覆被類型數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的空間分析功能對不同時期的土地利用類型進行疊加分析，得到研究區(qū)4個時期土地轉(zhuǎn)移矩陣(表5)。從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來看，主要表現(xiàn)為：1990—2001年，土地利用類型轉(zhuǎn)移主要存在耕地轉(zhuǎn)林地、草地轉(zhuǎn)林地、其他類型轉(zhuǎn)林地以及其他類型轉(zhuǎn)耕地，共有32.1 km2的用地轉(zhuǎn)為林地，以及11.75 km2的其他類型轉(zhuǎn)為耕地。2001—2009年，分別具有10.54 km2的草地轉(zhuǎn)為林地、7.88 km2的耕地轉(zhuǎn)為林地以及14.30 km2的耕地轉(zhuǎn)為草地，同時有8.85 km2的林地轉(zhuǎn)為草地。2009—2017年，土地利用轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在林地轉(zhuǎn)草地、林地轉(zhuǎn)耕地和草地轉(zhuǎn)耕地，分別轉(zhuǎn)移13.15，5.81，6.50 km2?？傮w上，1990—2017年，保護區(qū)土地轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在草地轉(zhuǎn)林地、耕地轉(zhuǎn)林地、其他類型轉(zhuǎn)草地和其他類型轉(zhuǎn)林地，分別轉(zhuǎn)移9.69，13，12.77，6 km2。

表5 1990-2017年坡崗自然保護區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.2 保護區(qū)生境質(zhì)量變化分析

坡崗自然保護區(qū)平均生境質(zhì)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。保護區(qū)平均生境質(zhì)量從1990年的0.76增加到2009年的0.90，然后降低到2017年的0.88，優(yōu)于保護區(qū)設(shè)立前的生境質(zhì)量，28 a平均生境質(zhì)量提高15.71%(表6)，生境質(zhì)量整體上呈現(xiàn)改善趨勢。其中試驗區(qū)平均生境質(zhì)量提高最大，從1990年0.74增加到2017年的0.86，28 a間增加了17.34%。其次是核心區(qū)，從1990年0.78增加到2017年的0.90，28 a間增加了15.15%。

緩沖區(qū)平均生境質(zhì)量提高較慢，從1990年0.79增加到2017年的0.89，28 a間增加了13.57%。總體來看，1990年緩沖區(qū)平均生境質(zhì)量最好，其次是核心區(qū)與試驗區(qū)；2001年以后核心區(qū)平均生境質(zhì)量最好，其次是緩沖區(qū)，最后是試驗區(qū)。坡崗自然保護區(qū)生境質(zhì)量空間分布如圖2所示。

表6 1990-2017年坡崗自然保護區(qū)平均生境質(zhì)量變化

3.3 土地利用轉(zhuǎn)型對生境質(zhì)量的影響

根據(jù)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣并結(jié)合公式(4)計算出各土地利用轉(zhuǎn)移對區(qū)域生境質(zhì)量影響的貢獻度(表7)。由表7可知，提高坡崗自然保護區(qū)生境質(zhì)量的土地利用轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在耕地轉(zhuǎn)林地、其他類型轉(zhuǎn)林地和其他類型轉(zhuǎn)草地，轉(zhuǎn)化面積分別為13.00，6.00和12.77 km2，而其他類型向草地轉(zhuǎn)化的貢獻率最高達到4.28%；其中還包括草地轉(zhuǎn)林地和耕地轉(zhuǎn)草地。降低坡崗自然保護區(qū)生境質(zhì)量的土地利用轉(zhuǎn)型主要存在林地轉(zhuǎn)草地和林地轉(zhuǎn)耕地，轉(zhuǎn)化面積分別為6.76，2.41 km2；其中還包括草地轉(zhuǎn)耕地以及耕地轉(zhuǎn)人工表面。

生境質(zhì)量提高生境質(zhì)量降低土地利用類型變化變化面積/km2貢獻率/%土地利用類型變化變化面積/km2貢獻率/%草地轉(zhuǎn)林地9.691.03林地轉(zhuǎn)草地 6.76-0.75耕地轉(zhuǎn)林地13.003.58林地轉(zhuǎn)耕地 2.41-0.59耕地轉(zhuǎn)草地7.151.23草地轉(zhuǎn)耕地 1.14-0.19其他轉(zhuǎn)林地6.002.60耕地轉(zhuǎn)人工表面1.72-0.31其他轉(zhuǎn)草地12.774.28合 計48.6112.72合 計12.03-1.84

1997年興義市坡崗自然保護區(qū)成立以后，石漠化治理成果顯著，28 a間共減少97.70%的裸巖裸土等其他類型用地。2002年貴州省全面實行退耕還林還草工程，截止2017年保護區(qū)林地、草地面積分別增加了18.55和15.53 km2，耕地面積減少了13.88 km2，2017年森林覆蓋率達到88.62%，生境質(zhì)量呈現(xiàn)提高趨勢。隨著保護區(qū)人類活動逐漸增加，28 a間人工表面面積共增加了3.21 km2，該區(qū)域生境質(zhì)量也呈現(xiàn)降低趨勢?？傮w而言，坡崗自然保護區(qū)同時存在生境質(zhì)量提高與生境質(zhì)量降低兩種趨勢，生境質(zhì)量提高的趨勢遠大于生境質(zhì)量降低的趨勢，保護區(qū)生境質(zhì)量增加顯著。

3.4 生態(tài)保護情景下生境質(zhì)量變化

通過近28 a土地利用轉(zhuǎn)移生境質(zhì)量影響貢獻度研究表明，坡崗自然保護區(qū)以裸巖裸土為主的其他類型用地顯著減少，保護區(qū)采取的封山育林措施、減少柴薪砍伐以及退耕還林還草工程取得積極成效。同時保護區(qū)內(nèi)道路改擴建、村莊搬遷和耕地面積的增加威脅著保護區(qū)的生境質(zhì)量。因此，有針對性地采取退耕還林還草以及控制人類活動規(guī)?？梢栽黾由迟|(zhì)量、維護生物多樣性。退耕還林還草情景假設(shè)區(qū)域人類活動規(guī)模不擴大，將自然保護區(qū)內(nèi)的坡度大于25°以上的耕地全部轉(zhuǎn)為林地，其他耕地轉(zhuǎn)為草地。運用InVEST模型模擬生態(tài)保護政策情景下對自然保護區(qū)生境質(zhì)量的提升效果，在退耕還林還草工程實施情景下，坡崗自然保護區(qū)平均生境質(zhì)量指數(shù)從當(dāng)前情景的0.88提高到保護情景下的0.92，平均生境質(zhì)量指數(shù)提高4.54%，生境質(zhì)量改善。

4 討論與結(jié)論

4.1 結(jié) 論

(1) 1990—2017年坡崗自然保護區(qū)林地、草地、濕地和人工表面面積呈現(xiàn)增加趨勢，耕地和其他類型面積呈現(xiàn)減少趨勢。其中以裸巖、裸土為主的其他類型面積減少量最大，與1990年相比減少97.70%。保護區(qū)土地轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在草地轉(zhuǎn)林地、耕地轉(zhuǎn)林地、其他類型轉(zhuǎn)草地和其他類型轉(zhuǎn)林地。

(2) 1990—2017年坡崗自然保護區(qū)平均生境質(zhì)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，28 a保護區(qū)平均生境質(zhì)量提高15.71%。1990年保護區(qū)建立前緩沖區(qū)平均生境質(zhì)量最高，其次是核心區(qū)與試驗區(qū)，2001年保護區(qū)建立后核心區(qū)平均生境質(zhì)量最高，其次是緩沖區(qū)，最后是試驗區(qū)。

(3) 坡崗自然保護區(qū)同時存在生境質(zhì)量提高和生境質(zhì)量降低兩種趨勢，但生境質(zhì)量提高趨勢遠大于生境質(zhì)量降低的趨勢。坡崗自然保護區(qū)的建立、退耕還林還草工程的實施以及保護區(qū)人類活動的增加是導(dǎo)致保護區(qū)生境質(zhì)量改變的主要原因。在生態(tài)保護實施情景下，坡崗自然保護區(qū)平均生境質(zhì)量指數(shù)從當(dāng)前情景的0.88提高到0.92，生境質(zhì)量改善。

4.2 討 論

生境質(zhì)量變化與土地利用/覆被變化有著密切聯(lián)系，其中人類活動干擾和退耕還林還草工程影響較大。保護區(qū)內(nèi)道路改擴建以及耕地面積的增加等人類活動導(dǎo)致威脅地類對生境適宜性的負面影響加強。同時受封山育林和退耕還草還林工程實施影響，坡崗自然保護區(qū)大量的其他類型、耕地轉(zhuǎn)為草地和林地，提高自然植被覆蓋率，使得生境質(zhì)量不斷提高。坡崗自然保護區(qū)同時存在生境質(zhì)量提高與生境質(zhì)量降低兩種趨勢，由于其他類型和耕地轉(zhuǎn)草地和林地的面積大于生境退化面積，故保護區(qū)生境質(zhì)量呈現(xiàn)增加趨勢。本文采用InVEST模型對自然保護區(qū)進行研究，模型的參數(shù)設(shè)置參考其他專家學(xué)者的相關(guān)研究成果，若能在喀斯特坡崗自然保護區(qū)進行指標(biāo)實地采集與驗證，評估結(jié)果將更加可靠。