基于土地利用變化的黃土丘陵區(qū)生境質(zhì)量時(shí)空演變特征
——以榆中縣為例

劉春芳,王 川

1 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070 2 甘肅省土地利用與綜合整治工程研究中心, 蘭州 730070

工業(yè)化、城市化的快速增長(zhǎng)與資源配置流動(dòng)性的不斷增強(qiáng)對(duì)區(qū)域土地利用空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響,同時(shí)也對(duì)區(qū)域生境產(chǎn)生了較大沖擊。土地利用變化會(huì)改變區(qū)域生境的結(jié)構(gòu)與組成要素,隨之對(duì)生境斑塊之間的物質(zhì)流、能量流循環(huán)過程產(chǎn)生影響,進(jìn)而改變了區(qū)域生境的生產(chǎn)能力和服務(wù)功能[1]。生境質(zhì)量是指在一定的時(shí)間和空間中生態(tài)系統(tǒng)提供適宜個(gè)體與種群持續(xù)發(fā)展與生存條件的能力,是對(duì)人類生存繁衍、生產(chǎn)生活的適宜程度,是一切生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)的前提和基礎(chǔ),更是人類福祉提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2- 3]。評(píng)估、模擬和預(yù)測(cè)生境質(zhì)量的狀態(tài)、趨勢(shì)及其對(duì)人類福祉的影響,是當(dāng)前國(guó)際生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究領(lǐng)域的重要任務(wù),也是國(guó)際生態(tài)學(xué)與地理學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)議題[4-7]。

早期的研究側(cè)重于對(duì)野生動(dòng)物生境質(zhì)量的評(píng)價(jià),以及人類活動(dòng)對(duì)生境質(zhì)量的影響。如Goertz 等[8]通過草原棉鼠種群數(shù)量來評(píng)價(jià)生境質(zhì)量的高低,Thiel[9]探討了鄉(xiāng)村道路密度與狼的生境適宜性的關(guān)系,Engel等[10]研究了人類活動(dòng)對(duì)魚類生境結(jié)構(gòu)和功能的影響。隨著國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)、國(guó)際全球環(huán)境變化人文因素計(jì)劃(IHDP)、世界氣候研究計(jì)劃(WCRP)等國(guó)際項(xiàng)目將土地利用/覆被變化(LUCC)作為全球變化的核心研究問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始廣泛關(guān)注土地利用變化對(duì)區(qū)域生境質(zhì)量的影響。學(xué)者們探討了土地利用、氣候變化與生物多樣性之間關(guān)系,指出了土地轉(zhuǎn)化和氣候變化已經(jīng)對(duì)生物多樣性和相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生重大影響。農(nóng)用地面積的增長(zhǎng)會(huì)使區(qū)域生境受損,也會(huì)引起生境破碎化并增加對(duì)周圍自然或半自然生境的農(nóng)業(yè)化學(xué)品的投入[11]。許多研究也關(guān)注了土地利用變化對(duì)野生動(dòng)物生境的影響,如Jetz等[12]分析了在未來土地利用變化下鳥類可能遭受因氣候變化和土地轉(zhuǎn)換而帶來的危害。Otto等[13]的實(shí)證研究表明土地利用的變化降低了蜜蜂對(duì)生境的適應(yīng)性。Sieber等[14]則研究了蘇聯(lián)解體后全國(guó)土地利用變化對(duì)大型哺乳動(dòng)物的棲息地生境的影響。2000年以來,國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)土地利用變化產(chǎn)生的自然生境影響進(jìn)行了實(shí)證研究[15-16],近幾年開始關(guān)注區(qū)域、流域等尺度土地利用變化所帶來的生境質(zhì)量效應(yīng)[17-18]。目前對(duì)生境質(zhì)量的研究方法主要分兩類：一是基于模型的評(píng)價(jià)方法,如HIS模型[19],InVEST模型[20]、SolVES模型[21]等；二是基于指標(biāo)體系的方法[22-23]。總體來看,早期的生境質(zhì)量研究以單一時(shí)點(diǎn)的野外動(dòng)植被調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立包括生物豐度指數(shù)、植被覆蓋度等生境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)測(cè)算生境質(zhì)量指數(shù),對(duì)區(qū)域或群落生境質(zhì)量水平進(jìn)行靜態(tài)研究。由于數(shù)據(jù)積累及研究方法等的限制,對(duì)生境質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化及其空間集聚狀況關(guān)注較少。近些年來,數(shù)理模型方法以及3S技術(shù)的應(yīng)用,學(xué)者們開始關(guān)注生境質(zhì)量的時(shí)空差異,尤其是InVEST模型的使用,對(duì)國(guó)家、省、流域等較大尺度生境質(zhì)量的研究逐漸增多。

黃土丘陵區(qū)作為我國(guó)典型的生態(tài)脆弱區(qū),集中了大量發(fā)展需求迫切的貧困人口,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間的矛盾非常突出[24],1990年以來,中國(guó)縣域經(jīng)濟(jì)開始得到較快發(fā)展,其生境質(zhì)量變化也最為顯著和典型,而已有研究對(duì)縣域尺度的關(guān)注較少?；诖?本文以榆中縣為例,通過對(duì)該縣1995—2015年生境質(zhì)量空間格局及演變特征進(jìn)行分析,探索了生境質(zhì)量的變化規(guī)律及其對(duì)黃土丘陵區(qū)土地利用變化的響應(yīng)。這一方面能豐富黃土丘陵區(qū)生境質(zhì)量變化的理論探索,拓展縣域尺度的生境質(zhì)量研究；另一方面也能為黃土丘陵區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建和空間優(yōu)化提供重要的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置及高程圖Fig.1 Location and elevation of study area

榆中縣地處黃土高原西部、甘肅省中部、蘭州市東郊(103°49′15″—104°34′40″E,35°34′20″—36°26′30″N),總面積3308.64km2,海拔1363—3670m,總?cè)丝?4.45萬(2015年)。該縣由地勢(shì)地貌迥異的3個(gè)區(qū)域組成(圖1)：南部為高寒石質(zhì)山區(qū),氣候濕潤(rùn),最高海拔3670m,位于西南部的興隆山自然保護(hù)區(qū)是國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),區(qū)內(nèi)植被茂密,是全縣的生態(tài)屏障；北部為干旱少雨、植被稀疏、溝壑縱橫的黃土丘陵區(qū),最高海拔2495m；中部是川塬河谷區(qū),地勢(shì)平坦、交通便利、光照充足、水源豐富,是縣內(nèi)主要農(nóng)業(yè)區(qū),縣城也位于該區(qū),海拔介于1363—2000m。該縣屬于典型的溫帶干旱、半干旱大陸性氣候,年均氣溫6.7℃,年均降雨量區(qū)域差異明顯,從南部的500mm左右向北逐漸減少到200mm左右,降雨量季節(jié)分配不均,70%集中在7—9月,蒸發(fā)量1350mm左右。

2 數(shù)據(jù)獲取與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

選擇1995、2005和2015年3個(gè)時(shí)段,對(duì)研究區(qū)的生境質(zhì)量空間格局及演變特征進(jìn)行分析。土地利用數(shù)據(jù)源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)對(duì)地觀測(cè)資源與科學(xué)中心提供的空間分辨率為30m、秋季無云覆蓋的Landsat TM遙感數(shù)據(jù)(行列號(hào)130/35)(http://glovis.usgs.gov/)。為提高解譯精度,基于2015年榆中縣土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù),首先解譯2015年數(shù)據(jù),再參照2015年解譯結(jié)果對(duì)1995和2005年影像進(jìn)行解譯,統(tǒng)一采用WGS_1984坐標(biāo)系,通過野外實(shí)地考察和谷歌地球高清影像驗(yàn)證,三期分類數(shù)據(jù)判讀精度優(yōu)于93%。參考土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010—2007)及研究區(qū)土地利用特點(diǎn)建立二級(jí)分類體系(表1)。數(shù)據(jù)處理和圖形生成通過ArcMap 10.2和GeoDa 1.10軟件共同實(shí)現(xiàn)。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用變化及景觀格局變化分析

首先基于ArcGIS平臺(tái)分析1995—2015年土地轉(zhuǎn)移變化,進(jìn)一步利用Fragstats軟件計(jì)算景觀指數(shù)研究榆中縣景觀格局特征和演變趨勢(shì)。通常,景觀中的斑塊大小、連通性及景觀多樣性等對(duì)生物多樣性及各種生態(tài)過程都有重要影響[25]。結(jié)合類似研究[17-18,20],考慮黃土丘陵區(qū)土地利用斑塊數(shù)量大、破碎度較高等特點(diǎn),本文選取斑塊數(shù)量、破碎度等七個(gè)相關(guān)指數(shù)來度量該區(qū)域的景觀變化(表2)。利用Fragstats 4.2軟件,可以計(jì)算出除破碎度以外的所有指標(biāo)。破碎度則是在已有斑塊數(shù)目的基礎(chǔ)上,利用公式(1)計(jì)算得到[25]：

FN=(NP-1)/NC

(1)

式中,FN為研究區(qū)景觀破碎度；NP為景觀中各類斑塊總數(shù)；NC為景觀總面積。

表1 土地利用分類體系

表2 景觀指數(shù)及其生態(tài)學(xué)含義

NP: Number of Patches; AREA_MN: Mean of Patch Area; SHAPE: Shape Index; COHESION: Cohesion Index; CONTAG: Contagion Index; SHDI: Shannon′ s Diversity Index; FN: Fragmentation Index

2.2.2 基于InVEST模型的生境質(zhì)量評(píng)估

InVEST模型中的生境是指被物種占有并可為其提供資源和生存及繁育的空間[26]。模型運(yùn)行需要設(shè)定威脅源和生境類型，在威脅源設(shè)定時(shí)考慮到建設(shè)用地是所有土地利用類型中人類活動(dòng)較為集中的地類,它會(huì)對(duì)區(qū)域生物多樣性造成威脅,因此將所有建設(shè)用地設(shè)為威脅源,而耕地作為半人工半自然且經(jīng)常受到人為干擾的地類,也被設(shè)定為威脅源,其余不同的地類代表了不同的生境類型。模型結(jié)合生境的敏感度和外界威脅強(qiáng)度來計(jì)算生境質(zhì)量。首先計(jì)算生境退化度：

(2)

(3)

(4)

式中,Dxj為生境類型j中x柵格的生境退化度；R為威脅源個(gè)數(shù)；Wr為威脅源r的權(quán)重；Yr為威脅源的柵格數(shù)；ry為柵格y的脅迫值；irxy為柵格y的脅迫值ry對(duì)柵格x的脅迫水平；βx為威脅源對(duì)柵格x的可達(dá)性(受法律保護(hù)的區(qū)域?yàn)?,其余區(qū)域?yàn)?)；Sjr為生境類型j對(duì)威脅源r的敏感度；dxy為柵格x與柵格y的直線距離；drmax為威脅源r的最大脅迫距離。

在此基礎(chǔ)上計(jì)算生境質(zhì)量：

(5)

式中,Qxj為生境類型j中x柵格的生境質(zhì)量指數(shù)；Hj為生境類型j的生境適宜度,值域?yàn)閇0,1]；k為半飽和常數(shù),取最大生境退化度(由模型運(yùn)算一次得到)的一半；z為歸一化常量,通常設(shè)為2.5[26]。

由于模型中相關(guān)參數(shù)需要根據(jù)研究區(qū)具體情況進(jìn)行調(diào)整,因此在考慮模型使用說明基礎(chǔ)之上,向熟悉該區(qū)域的中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所、蘭州大學(xué)、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)、榆中縣國(guó)土資源局、榆中縣環(huán)保局等單位的25位相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜野l(fā)放調(diào)查問卷,根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況對(duì)威脅源的脅迫距離和權(quán)重、各土地利用類型的生境適宜度以及對(duì)各類威脅源的敏感度進(jìn)行打分,采用德爾菲法(Delphi)綜合確定各項(xiàng)參數(shù)最終值(表3、表4)。

表3 威脅源及其最大威脅距離、權(quán)重及衰減類型

表4 生境適宜度及其對(duì)不同威脅源的相對(duì)敏感程度

2.2.3 生境質(zhì)量熱點(diǎn)分析及空間自相關(guān)分析

研究局部區(qū)域聚類分布特征的方法稱為熱點(diǎn)分析,可用來表示生境質(zhì)量在空間分布上是否存在統(tǒng)計(jì)上顯著的高值和低值?；贏rcGIS平臺(tái),本文使用Getis-Ord G*指數(shù)來刻畫榆中縣生境質(zhì)量冷熱點(diǎn)[27]。該統(tǒng)計(jì)量通過計(jì)算一個(gè)柵格的生境質(zhì)量值及其周圍柵格的生境質(zhì)量值的總和與所有柵格生境質(zhì)量值的總和進(jìn)行比較,用來分析生境質(zhì)量在局部空間上的集聚情況。當(dāng)G*值顯著為正時(shí),生境質(zhì)量呈高值集聚,為熱點(diǎn)區(qū)域,當(dāng)G*值顯著為負(fù)時(shí),生境質(zhì)量呈低值集聚,為冷點(diǎn)區(qū)域[28],其中99%置信水平上的G*值對(duì)應(yīng)的區(qū)域視為為熱點(diǎn)和冷點(diǎn),95%置信水平上的G*值對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)榇螣狳c(diǎn)和次冷點(diǎn)。計(jì)算公式為[27]：

(6)

空間自相關(guān)是指地理事物的某一屬性在不同空間位置上的相關(guān)程度,分為全局自相關(guān)和局部自相關(guān)。生境質(zhì)量在空間分布上會(huì)表現(xiàn)出一定的規(guī)律性,全局自相關(guān)可用于描述生境質(zhì)量在整個(gè)區(qū)域上有無集聚效應(yīng),本文采用全局Moran′ sI指數(shù)來估計(jì),其值域?yàn)閇-1,1],>0為正相關(guān)且越接近1集聚程度越高,<0為負(fù)相關(guān),等于0表示隨機(jī)分布[29]。局部空間自相關(guān)分析可以用來衡量觀測(cè)單元生境質(zhì)量與周邊單元生境質(zhì)量的差異程度及其顯著性。本文采用Anselin[30]提出的空間關(guān)系局域指標(biāo)LISA(Local indicators of spatial associations)來識(shí)別榆中縣每個(gè)柵格的生境質(zhì)量與其周圍柵格生境質(zhì)量的局部關(guān)聯(lián)和差異,揭示生境質(zhì)量在空間上的集聚和離散特征,進(jìn)而為土地利用優(yōu)化與生境質(zhì)量提升提供決策依據(jù)。通過LISA集聚分析可知道生境質(zhì)量空間集聚或離散的具體位置,它將生境質(zhì)量的空間格局分為5種類型,即H-H(高高集聚,表示一個(gè)生境質(zhì)量高值被高值包圍)、H-L(高低離散,生境質(zhì)量高值被低值包圍)、L-H(低高離散,生境質(zhì)量低值被高值包圍)、L-L(低低集聚,生境質(zhì)量低值被低值包圍)和NS(不顯著,不存在顯著的空間集聚現(xiàn)象),其中,H-H和L-L為正相關(guān)類型,H-L和L-H為負(fù)相關(guān)類型,詳細(xì)計(jì)算原理請(qǐng)參見文獻(xiàn)[30]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

1995—2015年間,草地、耕地和林地一直是榆中縣的主要地類,合計(jì)占土地總面積的80%以上,是該縣景觀基質(zhì)的重要構(gòu)成。20年來,變化較大的地類是耕地、林地和建設(shè)用地。1995—2005年,耕地減少4356hm2,減幅為3.32%；林地增加4041hm2,增幅為13.02%；建設(shè)用地增加1361hm2,增幅為9.98%。2005—2015年,耕地減少1169hm2,建設(shè)用地增加1694hm2,林地增加466hm2?？傮w來看,20年間耕地和草地分別減少5525、1872hm2,減幅為4.47%和1.37%；建設(shè)用地和林地分別增加3055、4507hm2,增幅為29.74%和14.5%；園地減少201hm2,裸地和水域變化不大?？梢?建設(shè)用地急劇擴(kuò)張,林地逐漸增加和耕地持續(xù)減少是榆中縣土地利用變化的主要特點(diǎn)。

構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以進(jìn)一步解釋20年來榆中縣土地利用轉(zhuǎn)移情況(表5)。1995—2015年,耕地向建設(shè)用地和林地分別轉(zhuǎn)移了3150hm2和3948hm2。這說明耕地是榆中縣建設(shè)用地增加的重要來源,且“退耕還林”工程也取得了較好的效果。研究期內(nèi)有約87%的林地較為穩(wěn)定,僅與耕地、建設(shè)用地和草地發(fā)生了較少數(shù)量的轉(zhuǎn)移。草地與其他地類轉(zhuǎn)換較為頻繁,其中主要向耕地轉(zhuǎn)移了1004hm2,向林地轉(zhuǎn)移了705hm2,是因?yàn)?005年以來,榆中縣實(shí)施了一系列的土地開發(fā)項(xiàng)目以及“生態(tài)北山”項(xiàng)目。水域和裸地的變動(dòng)均較小。總體來看,1995—2015年榆中縣各類土地均發(fā)生一定程度的變化,主要表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)向林地和建設(shè)用地,以及草地轉(zhuǎn)向耕地和林地。

表5 1995—2015年榆中縣土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣/hm2

3.2 景觀格局變化分析

在類型水平上分析表明：研究期內(nèi)草地和耕地的NP、AREA_MN和COHESION均較大,說明草地和耕地是榆中縣的優(yōu)勢(shì)景觀。草地的NP和SHAPE逐漸增加而AREA_MN減小,表明破碎化程度增加；林地的NP、AREA_MN和SHAPE增加而COHESION減小,表明林地面積增加但形狀趨于復(fù)雜化,集聚程度有所下降,這是由于2000年以來各鄉(xiāng)鎮(zhèn)陸續(xù)實(shí)施“退耕還林”工程的結(jié)果。建設(shè)用地的NP、AREA_MN和COHESION均逐漸增大,反映了20年來建設(shè)用地呈集聚性擴(kuò)張趨勢(shì)。水域和園地的NP、AREA_MN和COHESION均較小,說明榆中縣水域和園地?cái)?shù)量較少且分散。3個(gè)時(shí)期草地、耕地和林地的COHESION均較高,說明這3種地類分布較為集中。

景觀水平上分析結(jié)果(表6)表明：1995—2015年,榆中縣NP持續(xù)增加,AREA_MN持續(xù)下降,表明景觀趨于破碎化,FN指數(shù)的增加也進(jìn)一步驗(yàn)證了這一特征；CONTAG在研究期內(nèi)的降低表明景觀中斑塊數(shù)目增加、集聚度下降,同時(shí)也說明這一時(shí)期榆中縣主要地類的連通度有所下降,這與NP增加和AREA_MN減小是一致的；1995—2015年,SHDI從1.27增加到1.31,表明景觀中各組分面積差異減小,景觀異質(zhì)性增強(qiáng),這主要是由于耕地、草地面積減少的同時(shí)林地和建設(shè)用地面積增加,從而使得這些主要地類之間的面積差異減小導(dǎo)致的。

表6 景觀水平上景觀格局指數(shù)

3.3 生境質(zhì)量時(shí)空格局分析

3.3.1 生境質(zhì)量時(shí)空格局變化分析

運(yùn)行InVEST模型,得到榆中縣1995—2015年生境質(zhì)量空間分布,為便于比較生境質(zhì)量的變化情況,在ArcGIS中使用自然斷點(diǎn)法將其分類為高(I)、較高(II)、中(III)、較低(IV)和低(V)5個(gè)等級(jí)(圖2),統(tǒng)計(jì)3個(gè)時(shí)期各等級(jí)的柵格比例及生境質(zhì)量平均值(表7),并結(jié)合土地利用變化及景觀指數(shù)變化來分析生境質(zhì)量對(duì)LUCC的響應(yīng)。

圖2 1995—2015年榆中縣生境質(zhì)量空間分布Fig.2 Spatial distribution of habitat quality of Yuzhong County from 1995 to 2015

等級(jí)Level分值區(qū)間Value interval1995年2005年2015年比例Proportion/%生境質(zhì)量平均值A(chǔ)verage valueof habitat quality比例Proportion/%生境質(zhì)量平均值A(chǔ)verage valueof habitat quality比例Proportion/%生境質(zhì)量平均值A(chǔ)verage valueof habitat qualityI0.8—14.634.614.56II0.5—0.88.9510.1710.32III0.3—0.538.570.352338.260.355537.810.3530IV0.1—0.339.8338.638.04V0—0.18.028.369.28

從空間格局來看(圖2),全縣生境質(zhì)量整體表現(xiàn)為南部高、中部居中、北部低的態(tài)勢(shì)。生境質(zhì)量分布與土地利用類型分布大體一致,林地和天然草地分布區(qū)域的生境質(zhì)量較高,裸地和旱地生境質(zhì)量較低。全縣以III等級(jí)和IV等級(jí)生境為主,其中III等級(jí)分布在中部和北部,IV等級(jí)主要分布在中部,土地類型以耕地和荒草地為主。I等級(jí)和II等級(jí)生境主要分布在南部山區(qū),該區(qū)域有大量的林地和天然草地,并且是興隆山自然保護(hù)區(qū)所在地,受到人為干擾較小,生境質(zhì)量普遍較高。V等級(jí)生境在北部有較大面積的分布,主要土地類型是裸地和農(nóng)村居民點(diǎn)；在中部也有分布,主要的土地類型為居住地及工礦用地。

從時(shí)間尺度上看(表7),1995—2005年,I等級(jí)變化較小,II等級(jí)斑塊數(shù)量有明顯的上升,其比例從8.95%上升到10.17%。主要原因是榆中縣自2000年以來大力推進(jìn)“退耕還林”政策,尤其是“生態(tài)北山”等工程項(xiàng)目的具體實(shí)施,促使耕地、荒草地等較低等級(jí)生境向林地這一高等級(jí)生境轉(zhuǎn)化。III等級(jí)和IV等級(jí)斑塊比例則分別下降0.31%和1.23%,V等級(jí)的斑塊增加0.34%,究其原因：一方面可從土地利用變化來解釋,1995—2005年建設(shè)用地增加1361hm2,其來源主要是耕地和園地。建設(shè)用地占用耕地、園地不僅會(huì)導(dǎo)致生境受損還會(huì)脅迫周圍的生境,此外,有少部分荒草地退化為裸地也導(dǎo)致了生境質(zhì)量下降；另一方面,從景觀指數(shù)來看,這一時(shí)期草地和耕地斑塊數(shù)目分別增加8個(gè)和32個(gè),平均斑塊面積分別減小2.6hm2和1.2hm2,景觀蔓延度指數(shù)下降1.21%,生境斑塊之間分離度增大。同時(shí),建設(shè)用地的斑塊數(shù)目增加在一定程度上也加劇了威脅源對(duì)生境的脅迫水平,從而導(dǎo)致低等級(jí)生境斑塊增加。2005—2015年,生境變化與上一階段相似,表現(xiàn)為II、V等級(jí)的斑塊增加,III、IV等級(jí)生境減少,其中II等級(jí)增加0.15%,增幅較上一階段有所下降。這主要是因?yàn)樵摃r(shí)期林地面積增幅下降且平均斑塊面積有輕微下降,V等級(jí)斑塊增加0.92%。這一時(shí)期建設(shè)用地的增幅較上一時(shí)期更大,從而對(duì)生境的脅迫作用也更加強(qiáng)烈。

總體來看,全縣1995、2005和2015年平均生境質(zhì)量分別為0.3523、0.3555和0.3530,表明該縣生境質(zhì)量狀況略有提升且呈先升后降的變化特征,由于組成該縣景觀基質(zhì)的草地和耕地的比例較為穩(wěn)定,全縣整體生境變化較小。1995—2005年,在“退耕還林”的推動(dòng)下林地面積大幅增加,而2005—2015年建設(shè)用地增加18.01%,增幅較大,且斑塊數(shù)和平均斑塊面積分別增加23個(gè)和3.3hm2,而林地面積增幅較小,僅為1.33%。1995—2015年,榆中縣I等級(jí)斑塊比例變化較小,“退耕還林”、“生態(tài)北山”等工程的實(shí)施促使林地平均斑塊面積增大、集聚度增加,進(jìn)而使得II等級(jí)生境斑塊增加1.37%。III、IV等級(jí)生境分別減少0.76%和1.79%,V等級(jí)生境增加1.26%,究其原因,該時(shí)期內(nèi)有3150hm2耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,建設(shè)用地斑塊數(shù)的增加,勢(shì)必對(duì)生境斑塊造成脅迫并使生境趨于破碎化。

為更加深入了解生境質(zhì)量變化的時(shí)空特征,使用ArcGIS得到生境質(zhì)量變化圖(圖3)。從圖3可看出,1995—2005年,榆中縣生境質(zhì)量上升區(qū)域主要位于北部,其中又以貢井和園子岔分布最為廣泛,而生境質(zhì)量下降的區(qū)域位于中部,以和平、夏官營(yíng)和城關(guān)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)為主。2005—2015年,生境質(zhì)量呈現(xiàn)普遍小幅下降,尤其是中部的和平、定遠(yuǎn)和金崖有較大面積的下降區(qū)域出現(xiàn),而上升區(qū)域僅在北部和南部有少量分布?？傮w來看,1995—2015年,大部分地區(qū)生境質(zhì)量無明顯變化,生境質(zhì)量上升區(qū)域主要分布于北部,主要原因是“退耕還林”以及“生態(tài)北山”等工程的實(shí)施。生境質(zhì)量下降區(qū)域主要位于中部,特別是定遠(yuǎn)、和平、連塔這幾個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布較多,原因在于蘭州市近年來實(shí)施城市東擴(kuò),居住地、工礦用地以及交通運(yùn)輸用地等建設(shè)用地快速增加,進(jìn)而脅迫周圍生境,并導(dǎo)致生境破碎度加劇、連通性變差,最終使得這些區(qū)域的生境質(zhì)量下降。

圖3 榆中縣生境質(zhì)量變化空間分布Fig.3 Habitat quality change map of Yuzhong County

3.3.2 生境質(zhì)量空間熱點(diǎn)分析

從圖4看出,榆中縣生境質(zhì)量空間冷熱點(diǎn)分布呈現(xiàn)出“南熱北冷”的格局。熱點(diǎn)區(qū)域主要位于南部,包括馬坡、新營(yíng)和小康營(yíng)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),這一區(qū)域雨水充沛,植被覆蓋度高,且是興隆山保護(hù)區(qū)所在地,生境質(zhì)量普遍較高(平均生境質(zhì)量0.6以上)；冷點(diǎn)主要分布于北部黃土丘陵區(qū),以園子岔、上花岔等鄉(xiāng)鎮(zhèn)為主,這一區(qū)域常年干旱少雨,植被稀疏,地形破碎,主要土地類型為荒草地和旱地,因而生境質(zhì)量普遍較低(平均生境質(zhì)量0.25左右)；中部有次冷點(diǎn)分布,這些區(qū)域主要分布有大量的居民點(diǎn)、道路等建設(shè)用地,由于脅迫效應(yīng)導(dǎo)致區(qū)內(nèi)生境質(zhì)量較低。從時(shí)間變化來看,1995—2005年,中部次冷點(diǎn)范圍有所下降,而北部次冷點(diǎn)范圍增加,熱點(diǎn)區(qū)域變化不大；2005—2015年,中部和北部部分次冷點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙@著,南部山區(qū)與平原區(qū)交界處有次冷點(diǎn)出現(xiàn),西南部有小部分熱點(diǎn)轉(zhuǎn)為次熱點(diǎn)。

圖4 榆中縣生境質(zhì)量熱點(diǎn)分布Fig.4 Hotspots distribution of habitat quality of Yuzhong County

圖5 榆中縣生境質(zhì)量LISA集聚圖Fig.5 LISA clustering map of habitat quality of Yuzhong County

3.3.3 生境質(zhì)量空間自相關(guān)分析

由全局空間自相關(guān)分析可知,榆中縣1995、2005和2015年生境質(zhì)量的全局Moran′ sI值分別為0.160、0.156和0.172(P<0.01),表明該縣生境質(zhì)量分布具有一定空間正相關(guān)性,在空間上存在集聚現(xiàn)象,且2015年Moran′ sI的增大表明生境質(zhì)量的空間集聚性有所增強(qiáng)。

根據(jù)生境質(zhì)量LISA集聚分析得到圖5,從中可看出在95%的置信水平上,榆中縣生境質(zhì)量局部空間關(guān)聯(lián)類型特征為：大部分區(qū)域表現(xiàn)為NS(不顯著),“H-H”集聚區(qū)域主要分布于南部的興隆山和馬啣山,表明該區(qū)域總體生境質(zhì)量較好,可定義為生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)。1995—2015年,“H-H”集聚區(qū)增加0.68%,并向西擴(kuò)展,體現(xiàn)了近年來生態(tài)保護(hù)的效果?！癏-L”和“L-H”離散區(qū)未出現(xiàn)明顯的集中分布,主要位于中部川區(qū)靠近興隆山周邊的區(qū)域,且在1995—2015年間呈逐漸增加趨勢(shì)。這一方面體現(xiàn)了城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)生境的威脅,另一方面也說明未來需要對(duì)此類區(qū)域采取更為嚴(yán)格的生態(tài)治理與保護(hù)?！癓-L”集聚區(qū)主要位于北部園子岔、上花岔和哈峴等鄉(xiāng)鎮(zhèn),1995—2015年間上升了0.67%,表明這一區(qū)域生境質(zhì)量有所下降,未來應(yīng)加強(qiáng)這一區(qū)域的退耕還林還草及生態(tài)保育。

4 結(jié)論與討論

本文以典型黃土丘陵區(qū)——甘肅省榆中縣為例,采用InVEST模型分析了該縣生境質(zhì)量的時(shí)空分異特征,并探討了生境質(zhì)量對(duì)土地利用變化及景觀格局變化的響應(yīng)。論文將生境質(zhì)量的研究拓展到了縣域尺度,豐富了黃土丘陵區(qū)生境質(zhì)量時(shí)空變化的研究,對(duì)該區(qū)域生態(tài)安全構(gòu)建與格局優(yōu)化也有著積極的政策價(jià)值。

分析表明：1995—2015年,榆中縣土地利用變化呈現(xiàn)出建設(shè)用地急劇增加,耕地快速減少,林地逐漸增加的特點(diǎn)。主要的土地轉(zhuǎn)變類型是耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和林地,草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾土值?。上述土地利用變化?dǎo)致景觀斑塊數(shù)量增大,平均斑塊面積降低,景觀破碎度上升?？傮w來看,全縣生境質(zhì)量穩(wěn)中略有提升,但縣域內(nèi)部生境質(zhì)量由南向北逐漸遞減,呈現(xiàn)出“南熱北冷”的空間格局。研究期內(nèi),生境質(zhì)量升高區(qū)域主要位于北部,原因是近年來實(shí)施的“退耕還林”工程和“生態(tài)北山”工程；生境質(zhì)量下降區(qū)域主要位于中部,原因是城鎮(zhèn)化的推進(jìn)導(dǎo)致區(qū)內(nèi)耕地、園地及水域面積的下降。20年來,全縣生境質(zhì)量的空間集聚性有所增強(qiáng),表現(xiàn)為南部 “H-H”集聚區(qū)有所增加,北部 “L-L”集聚區(qū)有所增加,而隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn),中部“L-H”離散區(qū)有所增加。論文對(duì)縣域尺度生境質(zhì)量變化的時(shí)空特征進(jìn)行了分析,但對(duì)生境威脅源之間的相互作用關(guān)系以及它們對(duì)生境脅迫的內(nèi)在機(jī)制方面還有待進(jìn)一步的研究。

區(qū)域生境質(zhì)量直接影響居民的生計(jì)與福祉。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng),人地矛盾不斷增大,人為干擾對(duì)生境的影響越來越大。盡管部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)由于 “退耕還林”和“生態(tài)北山”等工程的實(shí)施,區(qū)內(nèi)生境質(zhì)量有明顯改善。但快速城鎮(zhèn)化使得該區(qū)域大量耕地被建設(shè)用地占用,導(dǎo)致生境的喪失和破碎化,進(jìn)而使得該區(qū)域低生境質(zhì)量區(qū)域有所增加,并且與2005年相比,2015年山區(qū)與平原交界處生境存在降低的風(fēng)險(xiǎn)。因此,需要針對(duì)區(qū)域內(nèi)部不同地域的生境特征與差異性制定相應(yīng)的調(diào)整與優(yōu)化策略。

區(qū)域生態(tài)建設(shè)要加強(qiáng)對(duì)山區(qū)的連片植樹造林及已有林地的保育,同時(shí)還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注山區(qū)和平原交界地區(qū),可通過限制淺山區(qū)開發(fā)及建立生態(tài)緩沖區(qū)來保護(hù)這一區(qū)域的生境。 就榆中縣生態(tài)建設(shè)與保護(hù)而言，未來要加強(qiáng)對(duì)北部地區(qū)的生態(tài)整治,南部興隆山可劃定生態(tài)保護(hù)紅線,以減小城鎮(zhèn)擴(kuò)張對(duì)該區(qū)域生境質(zhì)量的威脅。由于不同土地類型提供物種持續(xù)發(fā)展的能力有差異,土地的空間布局也會(huì)影響區(qū)域生境質(zhì)量,今后的土地規(guī)劃和生態(tài)保護(hù)工作要統(tǒng)籌安排與合理布局各類土地,重點(diǎn)保護(hù)森林、草地等生態(tài)源地,積極推進(jìn)退耕還林還草,降低建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)生態(tài)源地和生態(tài)廊道的破壞,提高生境的斑塊面積及斑塊間的連通度,進(jìn)而提高黃土丘陵區(qū)區(qū)域整體生境質(zhì)量。