基于土地利用變化的江油市生境質(zhì)量時(shí)空變化分析

趙浩舟　王衛(wèi)紅　武鋒強(qiáng)　張　艷　陳　財(cái)　李世川

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院　四川綿陽　621000)

土地利用變化是全球變化中的組成部分，是人地關(guān)系的表現(xiàn)形式，作為人與自然相互作用最為密切的聯(lián)系紐帶，是揭示區(qū)域環(huán)境變化的重要途徑[1-2]。生境質(zhì)量是區(qū)域特征的一種主要表現(xiàn)，指在一定的時(shí)間和空間中生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類生存、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的適宜程度，在某種程度上代表生態(tài)環(huán)境的好壞[3-4]。人類活動(dòng)從各個(gè)尺度上影響著土地利用的演化，進(jìn)而影響到生境質(zhì)量，因此基于土地利用變化探討生境質(zhì)量變化成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)[5]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)生境質(zhì)量評(píng)估做出了諸多貢獻(xiàn)。進(jìn)行生境質(zhì)量評(píng)價(jià)的數(shù)字模型有InVEST[6](Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)，ARIES[7](Artificial Intelligence for Ecosystem Services)等。InVEST模型與其他模型相比具有成本低、評(píng)價(jià)精度高、空間分析功能強(qiáng)、結(jié)果可視化等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于夏威夷、坦桑尼亞等多個(gè)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估中。Terrado[8]等對(duì)比分析了InVest模型中生境質(zhì)量模塊的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果。孫傳諄等[9]基于InVEST模型分析了鄱陽湖濕地生物多樣性。

針對(duì)以往研究較少關(guān)注人類活動(dòng)及自然災(zāi)害共同影響下區(qū)域生境質(zhì)量評(píng)估的情況，筆者以遭受汶川地震比較嚴(yán)重且城市化進(jìn)程較快的江油市為研究區(qū)，基于土地利用變化，運(yùn)用InVEST模型建立生境質(zhì)量數(shù)據(jù)庫,評(píng)估生境質(zhì)量指數(shù)，為研究區(qū)的土地規(guī)劃、生態(tài)恢復(fù)、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展等方面提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

江油市位于東經(jīng)104°30′-105°19′北緯31°31′-32°21′范圍內(nèi)，地處龍門山脈北部，是汶川地震重災(zāi)區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候。高程在1 000～2 000 m 之間，坡度在30°以上，相對(duì)切割深度500～1 000 m；相對(duì)高差為50～200 m[10]。境內(nèi)地勢(shì)北高南低，北部為山地，南部為丘陵和平壩。江油市是四川省工業(yè)基地，是四川省商品糧、能源和建材基地之一，2016年研究區(qū)的國民生產(chǎn)總值達(dá)300億元。

2　數(shù)據(jù)收集與研究方法

2.1　數(shù)據(jù)來源與處理

本研究使用的數(shù)據(jù)包含空間數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)選擇地震前(2008年初)，震后(2008年末)，震后恢復(fù)(2016年)3個(gè)不同時(shí)期江油市的Landsat 7衛(wèi)星ETM+傳感器的遙感影像數(shù)據(jù)(分辨率30 m×30 m，軌道號(hào)：129/038)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自于統(tǒng)計(jì)年鑒(2008-2016)。

利用Arcgis將遙感影像數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)系，并進(jìn)行空間配準(zhǔn)，之后用ENVI對(duì)其進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、空間校正，根據(jù)江油市行政邊界進(jìn)行裁剪。由于2008年影像距今年代較長(zhǎng)，因此解譯采用倒推法[11]，即先解譯2016年的影像，再根據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒和相關(guān)報(bào)告解譯2008年年末影像，最后解譯2008年年初影像。參考《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 21010—2007)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，建立土地利用分類體系，共計(jì)9類，即水域、草地、城鎮(zhèn)、交通用地、其它建設(shè)用地、林地、裸地、耕地、其它用地。采用面向?qū)ο蠓诸惙椒ǖ玫饺谕恋乩妙愋蛨D。對(duì)解譯后的三期數(shù)據(jù)通過實(shí)地調(diào)查，并結(jié)合第二次全國土地調(diào)查數(shù)據(jù)檢驗(yàn)修改后，生成1∶5萬土地利用圖。

2.2　研究方法

2.2.1土地利用動(dòng)態(tài)度分析

土地利用動(dòng)態(tài)度反映了某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)土地利用類型的數(shù)量變化情況，其表達(dá)式為：

(1)

式中：K為研究時(shí)段內(nèi)某一土地利用類型動(dòng)態(tài)度；Ua，Ub分別為研究期期初及研究期期末某一種土地利用類型的數(shù)量。

2.2.2土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表現(xiàn)各種土地利用類型之間的轉(zhuǎn)換情況，它反映期初、期末的土地類型結(jié)構(gòu)，刻畫區(qū)域土地變化方向以及研究期期末各土地利用類型的來源與構(gòu)成。數(shù)學(xué)形式為：

(2)

式中：S為土地面積；n為土地利用的類型數(shù)；i，j分別為研究期期初與研究期期末的土地利用類型。

2.2.3InVEST模型數(shù)學(xué)模擬

InVEST模型原理是結(jié)合景觀類型敏感性和外界威脅強(qiáng)度得到生境質(zhì)量的分布，然后評(píng)估生物多樣性的好壞。需要的數(shù)據(jù)有：當(dāng)年的土地利用類型圖、生境威脅因子圖層、威脅源表、生境敏感性圖層。

(1)構(gòu)建威脅因子圖層。將各土地利用類型視為生態(tài)系統(tǒng)類型，根據(jù)地類受人類干擾強(qiáng)度劃分為人為地類與自然地類。人為地類指影響生境質(zhì)量的威脅地類。在構(gòu)建威脅地類因子時(shí)參考國內(nèi)外專家學(xué)者研究和模型使用說明，認(rèn)為：在模型中裸地與耕地未定義為威脅圖層，但根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，裸地不是人為用地但威脅到生態(tài)環(huán)境；耕地存在面積大，由于地形的原因使耕地碎塊化，破壞了景觀連通性，加之農(nóng)用設(shè)施對(duì)環(huán)境的影響，因此把裸地和耕地列入生境威脅地類，并根據(jù)參考文獻(xiàn)意見給出敏感性與權(quán)重[4-5,12]。威脅源表中的其它因子為常規(guī)因子。威脅強(qiáng)度和威脅距離依據(jù)文獻(xiàn)資料構(gòu)建[4-5,9](表1)；敏感性圖層的敏感度采用了模型推薦數(shù)據(jù)。

表1　威脅因子權(quán)重、最大影響距離、衰退類型Table 1 Threat factor weight, maximum impact distance, recession type

(2)計(jì)算生境退化程度。土地利用類型j中柵格x的生境退化程度計(jì)算公式為

(3)

(4)

(5)

其中，Dxj為生境退化程度；R為脅迫因子個(gè)數(shù)；wr為脅迫因子r的權(quán)重；Yr為脅迫因子層在土地利用類型圖中的柵格數(shù)；ry為土地利用類型圖中每個(gè)柵格上脅迫因子的個(gè)數(shù)；Sjr為j類型土地覆被對(duì)脅迫因子r的敏感性；irxy為柵格y中的威脅因子r對(duì)柵格x的影響；dxy為柵格x(生境)與柵格y(威脅因子)的距離，drmax為威脅因子r的影響范圍。βx為法律保護(hù)程度，研究不考慮法律保護(hù)程度因子，將βx設(shè)為1。

(3)生境質(zhì)量計(jì)算公式?；谏惩嘶潭菵xj，生境質(zhì)量的計(jì)算公式為

(6)

其中，Qxj為土地利用類型圖j中柵格x的生境質(zhì)量；Hj為土地利用類型圖j的生境屬性。k是半飽和常數(shù)，k值一般設(shè)置為生境退化程度最大值的1/2。依據(jù)InVEST 3.3.3模型說明，z值為模型默認(rèn)參數(shù)，可設(shè)置為2.5。

3　結(jié)果與分析

3.1　江油市土地利用變化特征

對(duì)江油市2008年初、2008年末、2016年3個(gè)時(shí)期土地利用的分類結(jié)果(圖1)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到不同地類面積比重及動(dòng)態(tài)度(表2)。土地利用類型結(jié)果與羅娜等[13]研究相近，總結(jié)出2008-2016年江油市土地利用整體變化特征。

(1)江油市地理面積為2 719.8 km2，2008年初各類型按面積依次是：其它<裸地<城鎮(zhèn)<水域<交通用地<其它建設(shè)用地<草地<林地<耕地；2008年末按面積依次為：城鎮(zhèn)<其它<裸地<水域<其它建設(shè)用地<草地<交通用地<耕地<林地；2016年土地利用類型按面積依次為：其它類用地<城鎮(zhèn)<水域<裸地<交通用地<其它建設(shè)用地<草地<耕地<林地。(2)耕地面積變化大。2008年地震嚴(yán)重?fù)p毀耕地資源，2008年末耕地面積縮減348.35 km2，隨后雖采取復(fù)墾等措施但到2016年耕地總量仍減少79.65 km2。耕地依舊是主要土地利用類型。(3)交通用地是研究區(qū)土地利用變化的主要特征。大部分的道路損毀、占用耕地的現(xiàn)象及救災(zāi)臨時(shí)安置區(qū)的出現(xiàn)使交通用地面積增加，2008年末較年初交通用地增加179.37 km2；2008年后大型工礦整合，公路搶險(xiǎn)的完工使交通用地面積出現(xiàn)減少現(xiàn)象。(4)裸地增加，2008年末增加27.94 km2，2016年增加5.29 km2。從空間看，裸地多出現(xiàn)在東北部山區(qū)，南部耕作區(qū)。(5)草地2008年末年減少165.78 km2，到2016年恢復(fù)了117.46 km2，恢復(fù)部分在北部林區(qū)與坡度較陡的山區(qū)、城鎮(zhèn)周邊。(6)林地在震后增加明顯是研究區(qū)變化特征之一，2008年初-2008年末年增加368.95 km2，動(dòng)態(tài)度為40.38%，2008年末-2016年林地增加135.48 km2，動(dòng)態(tài)度為1.51%。(7)2008年初-2008年末年其它類用地動(dòng)態(tài)度最大為5 222.5%，是增長(zhǎng)率最高的土地類型，城鎮(zhèn)為-67.46%，是減少率最高的類型，水域變化度為-19.36%，是最穩(wěn)定的土地類型；2008年末至2016年草地的土地動(dòng)態(tài)度為21.12%，為增長(zhǎng)率最高的土地類型，其它類用地土地動(dòng)態(tài)度為14.11 %，為減少率最高的類型，裸地為-1.98%，是最穩(wěn)定的土地類型。

圖1　2008-2016年江油市土地類型分布及變化Fig.1　Land use distribution and changes of the Jiangyou city in 2008-2016

項(xiàng)目　　2008年初　　　　2008年末　　　　2016年　　面積/km2比例/%面積/km2比例/%面積/km2比例/%2008年初-2008年末動(dòng)態(tài)度/%2008年末-2016年動(dòng)態(tài)度/%城鎮(zhèn)24．710．918．040．3018．680．69-67．4618．91裸地6．010．2233．951．2539．241．43464．89-1．98水域45．861．6936．981．3627．121．00-19．36-3．81草地380．5614．00214．787．90332．2412．23-43．5621．12其它0．310．0116．500．610．200．015222．58-14．11林地913．6333．611282．5847．201418．0652．1840．381．51耕地1095．0440．28746．6927．48667．0424．55-31．81-5．35交通用地125．234．61304．6011．2178．612．89143．23-10．60其它建設(shè)用地126．944．6773．052．69146．265．38-42．4514．32

3.2　江油市土地利用類型轉(zhuǎn)移變化分析

為更加清晰分析2008-2016年江油市各土地利用類型的變化方向，求出江油市土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣(表3)。由表3(列為期初，行為期末)，2008年初-2008年末年江油市土地變化總量為1 445.92 km2，其中林地變化量最大369.2 km2，其次是耕地348.19 km2，變化量最小的是水域?yàn)?.8 km2。2008年末-2016年江油市土地變化總量為1 328.61 km2，耕地變化量最多，為516.33 km2；其次是交通用地為265.82 km2，城鎮(zhèn)變化最小。

表3　江油市2008-2016年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣面積統(tǒng)計(jì)(單位：km2)Table 3 Land use transfer matrix in Jiangyou city during 2008-2016 (unit: km2)(to be continued)

續(xù)表3　江油市2008-2016年土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣面積統(tǒng)計(jì)(單位：km2)Table 3 Land use transfer matrix in Jiangyou city during 2008-2016 (unit: km2)(continued)

3.3　江油市生境質(zhì)量的時(shí)空變化分析

生境質(zhì)量在柵格圖層上是0～1之間連續(xù)變化的值，值越靠近1，生境質(zhì)量越好，越有利于生物多樣性的維持。為直觀說明生境質(zhì)量分布情況，將3期生境質(zhì)量指數(shù)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行重分類，通過自然間斷法劃分低、中、良好和優(yōu)等4個(gè)級(jí)別(圖2)，并統(tǒng)計(jì)各等級(jí)生境所占柵格個(gè)數(shù)及百分比(表4)。

圖2　2008-2016年江油市生境質(zhì)量空間分布圖Fig.2　Spatial distribution of habitat quality in Jianyou city

等級(jí)范圍　　　2008年初　　　　　　2008年末　　　　　　2016年　　　計(jì)數(shù)百分比/%計(jì)數(shù)百分比/%計(jì)數(shù)百分比/%10～0．381581327．02197365665．3655338518．320．3～0．683709027．72245920．8166631622．0630．6～0．9102190433．8498032532．4678607726．0340．9～134479511．42410291．35101382433．57

從空間格局變化看，江油市優(yōu)質(zhì)和良好等級(jí)的生境占大部分。每期好壞程度均由北部向南部地區(qū)遞減。北部地區(qū)生境脆弱受地震影響明顯，南部受影響小，但在地震后北部的生境依然好于南部。從時(shí)間格局看，2008年初低等級(jí)、中等級(jí)生境分別占27%左右，地震對(duì)生境質(zhì)量影響明顯，2008年末中等和高等級(jí)生境驟然減少，中等占0.81%，高等占1.35%，低等級(jí)占65%，主要原因是為服務(wù)救災(zāi)交通用地猛增，破壞了生態(tài)環(huán)境。2016年后，生境質(zhì)量得到大幅度恢復(fù)，低等級(jí)占18.3 %，高等級(jí)占33.57 %，是2008年初的2.9倍。

4　結(jié)論

本研究利用ArcGIS，ENVI等軟件平臺(tái)對(duì)江油市土地利用與生境質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明：(1)研究區(qū)第一個(gè)階段內(nèi)耕地?cái)?shù)量劇烈變化，結(jié)合江油統(tǒng)計(jì)資料，2008年地震使得城鎮(zhèn)和耕地受損嚴(yán)重，重建后大部分臨時(shí)安置點(diǎn)轉(zhuǎn)為交通用地，使交通用地面積大幅增加，耕地恢復(fù)較慢。耕地集中于南部地區(qū)，且耕地?cái)?shù)量不斷減少，但依然是江油市的主要土地類型。(2)從土地動(dòng)態(tài)度看人工環(huán)境中其它建設(shè)用地受地震影響最大，半人工環(huán)境的草地影響次之，自然環(huán)境受影響最?。幻娣e大的類型相對(duì)穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)度較小，反之面積動(dòng)態(tài)度變化較大，如其它用地。(4)生境質(zhì)量高低與自然災(zāi)害發(fā)生的強(qiáng)度有關(guān)，汶川地震后生境質(zhì)量普遍降低。最明顯的是優(yōu)和良好的生境質(zhì)量地塊。生境質(zhì)量越高，敏感性越強(qiáng)，易損性越大。(5)北部為山地，林地資源豐富，連片分布于區(qū)域山地丘陵區(qū)，此處相對(duì)海拔較高，地形較復(fù)雜，生境質(zhì)量比較完好。耕地主要分布于研究區(qū)南部，中部地勢(shì)較為平坦，生境質(zhì)量多為中等。其它建設(shè)用地主體分布在涪江上游，沿河而建，生境質(zhì)量較差。江油市的生境質(zhì)量總體上處于中等偏高的水平，但南部地區(qū)其它建設(shè)用地的擴(kuò)張以及不合理耕作導(dǎo)致生境質(zhì)量下降。所以未來如何維持生境質(zhì)量不會(huì)退化甚至恢復(fù)南部地區(qū)的生境質(zhì)量是一個(gè)關(guān)鍵問題。未來南部地區(qū)的土地利用規(guī)劃中，土地規(guī)劃和生態(tài)保護(hù)工作中需優(yōu)化林地、耕地、其它建設(shè)用地等景觀格局，在保持經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)基礎(chǔ)上配置必要的生態(tài)用地。在保證生境質(zhì)量維持在較高水平的前提下，開發(fā)北部地區(qū)的自然資源優(yōu)勢(shì)，協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生境質(zhì)量之間的關(guān)系，促進(jìn)江油市整體經(jīng)濟(jì)與生態(tài)保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。本研究存在一定的不足，只考慮了基于土地利用變化的生境質(zhì)量響應(yīng)，下一步需結(jié)合模型的其它模塊，綜合評(píng)定土地利用變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化，如：碳儲(chǔ)量、水土保持等。

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