基于土地利用變化的祁連山地區(qū)生境質(zhì)量時空演變分析

薛曉玉, 王曉云, 段含明,2, 楊 露, 頡耀文

(1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000; 2.西華師范大學(xué) 國土資源學(xué)院, 四川 南充 637002)

生境質(zhì)量(也叫相對生境適宜性)是指基于生存資源的可獲得性、生物繁殖與存在數(shù)量，生態(tài)系統(tǒng)提供適合于個體和種群的生存條件的能力[1]。其在一定程度上可以體現(xiàn)區(qū)域的生物多樣性[2]，與區(qū)域內(nèi)的LUCC有著緊密聯(lián)系[3]。由于自然變化和人類活動的影響，各種土地利用/覆被類型發(fā)生著相互轉(zhuǎn)換，對生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動產(chǎn)生重要影響，進而改變區(qū)域內(nèi)的生境質(zhì)量，最終會影響到區(qū)域內(nèi)的個體和種群的發(fā)展[4-5]。因此基于LUCC對生境質(zhì)量進行評價，可以發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)土地利用方式和利用強度的合理性，以及生態(tài)環(huán)境治理的效果，對促進區(qū)域生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4]。目前國內(nèi)外基于LUCC的生境質(zhì)量評估模型眾多。根據(jù)評估方法與尺度的不同，主要包括基于實地調(diào)查的小尺度生境質(zhì)量評估[6-8]和基于生態(tài)評估模型的多尺度生境質(zhì)量評估[9-10]，后者在評價生境質(zhì)量的現(xiàn)狀和預(yù)測未來生境分布方面優(yōu)勢明顯[11]，其常用的模型包括ARIES[12]，SolVES[13]和InVEST[14]。其中，InVEST模型最成熟，應(yīng)用最廣泛，多應(yīng)用于區(qū)域尺度的生態(tài)服務(wù)價值評估[15]和生物多樣性分析[16-17]。

祁連山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化對整個河西地區(qū)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定具有重要意義[18]。為此，本文基于長時間序列的土地利用數(shù)據(jù)，采用InVEST模型對祁連山地區(qū)的生境質(zhì)量進行評估，以期為該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護和發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

祁連山地區(qū)位于中國青海省東北部與甘肅省西部的交界地帶(35°46′—40°02′N，92°36′—103°58′E)，西與阿爾金山相接，東至蘭州—白銀—景泰一線，北靠河西走廊，南鄰柴達木盆地，地跨甘青兩省的13個州市，總面積為2.26×105km2。由于深居西北內(nèi)陸，遠離海洋，氣候特征表現(xiàn)為東部寒濕，西部干冷；年平均氣溫在4 ℃以下，全年降水量低于400 mm，集中分布在5—9月[19-20]。土壤類型主要包括寒鈣土、冷鈣土、草氈土、栗鈣土、黑氈土，局部地區(qū)有寒凍土和沼澤土[21]。祁連山地區(qū)屬于高山和極高山地貌，平均海拔約3 500 m，最高處為疏勒南山的團結(jié)峰，海拔5 808 m。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究主要涉及土地利用數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，均來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)，其中土地利用數(shù)據(jù)為劉紀遠團隊[22-25]制作的1∶10萬矢量數(shù)據(jù)，土地利用類型被區(qū)分為林地、水域、耕地、草地、城鄉(xiāng)工礦居民地和未利用土地等6個一級類和25個二級類。數(shù)據(jù)年份涉及1970s末、1980s末、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年共7期，其中1970s末、2000年和2015年的數(shù)據(jù)用于生境質(zhì)量模型計算。為滿足模型計算需要，對土地利用數(shù)據(jù)進行柵格化處理，輸出分辨率為90 m。從數(shù)據(jù)中心下載的DEM數(shù)據(jù)是按省份合并和裁剪的SRTM數(shù)據(jù)，分辨率為90 m。研究區(qū)涉及甘肅和青海兩省，分析之前將兩省數(shù)據(jù)進行拼接并按照祁連山地區(qū)邊界范圍進行裁剪。

2.2 研究方法

2.2.1 單一土地利用動態(tài)度 單一土地利用動態(tài)度[26]表示區(qū)域某一時段某種土地利用類型的數(shù)量變化速度，其計算公式為：

(1)

式中：D表示單一土地利用動態(tài)度；Si為給定時段初期某種地類的面積；Sj為給定時段末期某種地類的面積；t為給定時段的長度(a)。D值反映了給定時段特定土地利用類型的變化速率。

2.2.2 景觀格局指數(shù) 景觀格局指數(shù)不僅可以揭示景觀格局的空間配置以及結(jié)構(gòu)組成方面的差異，還可以對景觀空間結(jié)構(gòu)隨時間的變化情況進行檢測。本文選取了3個景觀指標(biāo)進行評價，其生態(tài)學(xué)的意義詳見表1。

表1 景觀格局指數(shù)及其生態(tài)學(xué)意義

2.2.3 InVEST生物多樣性模型 InVEST模型是美國斯坦福大學(xué)等于2007年開發(fā)的用于評估生態(tài)服務(wù)功能量及其經(jīng)濟價值、支持生態(tài)系統(tǒng)管理和決策的一套模型系統(tǒng)[17]。其中包括很多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的子模塊，本文采用其3.5.0版本中的生境質(zhì)量模塊(habitat quality)對祁連山地區(qū)的生境質(zhì)量進行評估。該模塊需要指定特定的土地利用類型作為破壞生境質(zhì)量的威脅因子，將各土地利用類型與威脅因子建立聯(lián)系，根據(jù)不同生境(即土地利用類型)對威脅因子的響應(yīng)，評價不同土地利用類型下的生境質(zhì)量分布和退化情況，通過生境質(zhì)量指數(shù)的變化可以看出土地利用格局變化對生境質(zhì)量的影響[1,14]。本研究綜合考慮InVEST模型的應(yīng)用實踐[9-11,14]，并結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)及實地考察結(jié)果。確定耕地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點和工礦用地4種土地利用類型為威脅因子，并參考模型推薦的數(shù)值[14]和實地情況對以上4類威脅因子的影響權(quán)重和最大影響范圍進行賦值(表2)。

每一種土地利用類型都是一類生境類型，其生境質(zhì)量與自身的生境適宜度及對威脅因子的敏感性有關(guān)[1,6,27-28]。生境類型的適宜度越高，其對應(yīng)的生境質(zhì)量表現(xiàn)得越優(yōu)；對威脅因子的敏感性越強，其抗干擾的能力越差，生境質(zhì)量指數(shù)越低[1]。結(jié)合參考模型的推薦值，同時綜合考慮相關(guān)研究[9-11,14]和實地情況，確定了生境類型的生境適宜度及其對威脅因子的敏感性(表3)。

表2 生境質(zhì)量破壞的威脅因子屬性賦值

表3 不同土地利用類型的生境適宜度及其對各威脅因子的敏感度

開展研究區(qū)的生境質(zhì)量評價，首先要計算出生境退化度Dxj，其計算公式為：

(2)

式中：Dxj為生境退化度；R為威脅因子的個數(shù)；y表示威脅因子r柵格圖層的柵格數(shù)；Yr表示威脅因子層在土地利用圖中的柵格個數(shù)；Wr為威脅因子的權(quán)重；ry為柵格y的威脅因子值(0或1)；irxy表示柵格y的威脅因子值ry對生境柵格x的脅迫水平；βx表示柵格x的可達性水平，取值0～1，1表示極容易到達；Sjr表示生境類型j對于威脅因子r的敏感性，取值0～1，該值越接近1表示越敏感。其中irxy通過公式(3)得到：

(3)

式中：dxy為柵格x與柵格y之間的直線距離；drmax為威脅因子r的最大影響距離。

在生境退化度的基礎(chǔ)上計算生境質(zhì)量指數(shù)Qxj，計算公式為[25]：

(4)

式中：Qxj為土地利用類型j中柵格單元x的生境質(zhì)量；Hj為土地利用類型j的生境適宜性；Dxj為生境退化度；z為歸一化常量，通常取值為2.5；k為半飽和系數(shù)，通常模型中設(shè)置為0.5。

2.2.4 InVEST模型計算結(jié)果分級 InVEST模型中，生境質(zhì)量的高低表現(xiàn)為生境質(zhì)量指數(shù)的變化，其取值范圍為[0,1]，0，1分別表示最低和最高的生境質(zhì)量。土地利用強度越低，生境質(zhì)量越高，越有助于生物多樣性的維持[29]。土地利用強度的加大會引起威脅源地的擴張，從而導(dǎo)致其周圍的生境質(zhì)量發(fā)生退化[1,28,29]。為了便于說明和對比祁連山地區(qū)土地利用變化對生境質(zhì)量的影響，借鑒相關(guān)文獻[1,8-11]對生境質(zhì)量進行等級劃分，區(qū)分為差、較差、中等、良好、優(yōu)等5個等級，其對應(yīng)的生境質(zhì)量指數(shù)范圍分別為0～0.1，0.1～0.3，0.3～0.5，0.5～0.7，0.7～1。為探測生境質(zhì)量指數(shù)的變化，將1970s末、2000年，2015年3個年份的生境質(zhì)量指數(shù)進行差值運算，得到3期的生境質(zhì)量變化情況。生境退化度指數(shù)的高低，表示威脅因子對區(qū)域生境所造成的潛在破壞情況及其生境質(zhì)量下降概率的大小[9,30]。為便于分析，在自然斷裂點的基礎(chǔ)上根據(jù)經(jīng)驗作適當(dāng)調(diào)整，對生境退化度進行分級，劃分為基本不變、微弱退化、輕度退化、中度退化和高度退化五類，其生境退化度指數(shù)的取值范圍分別對應(yīng)于0～0.006，0.006～0.02，0.02～0.04，0.04～0.06，0.06以上。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

近35 a來，祁連山地區(qū)各地類的變化情況不一(圖1)。草地和未利用土地是研究區(qū)最主要的土地利用類型，其次是林地、耕地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地。草地先減少后增加，1970s末至2015年期間凈增加2 889.58 km2，占研究區(qū)總面積的1.28%。未利用土地顯著減少，其凈減少面積和比例分別為2 390.40 km2，1.06%，減少的區(qū)域集中分布在祁連山西部。未利用土地的流失主要源于向草地的轉(zhuǎn)變，后者是比前者生態(tài)適宜性更高的土地類型，所以這種轉(zhuǎn)變有助于生態(tài)環(huán)境的修復(fù)。林地變化幅度較小，凈減少了0.04%。耕地面積變化微弱，凈增加了0.20%。水域總體呈減少趨勢，凈減少面積和比例分別為1 246.11 km2，0.55%，冰川和積雪是祁連山地區(qū)水域的主要組成部分，有研究指出受全球氣候變暖的影響,近年來研究區(qū)冰川消退、積雪消融[29,31-32]，水域減少可能與之有關(guān)。城鄉(xiāng)工礦居民用地持續(xù)增加，增加量占1970s末面積的52.10%，集中分布在祁連山東部環(huán)境較好的區(qū)域，導(dǎo)致對應(yīng)區(qū)域生態(tài)退化較嚴重。

圖1 祁連山地區(qū)1970s末至2015年各土地利用類型分布

土地利用類型的單一動態(tài)度的大小表示了土地利用變化速度的快慢。祁連山地區(qū)1970s末至2015年間單一土地利用動態(tài)度變化情況表明(圖2)，草地整體呈增加趨勢，但在1980s末至1995年動態(tài)度為負值(-1.40%)，這源于該時期草地向未利用土地的轉(zhuǎn)化。未利用土地單一動態(tài)度在多數(shù)時段上表現(xiàn)為負值，源于其向草地的轉(zhuǎn)變。耕地在1995—2000年上升速率較快，其他時段變化相對不大。水域面積總體減少，其中2000—2005年動態(tài)度為正，高達2.40%，但2005年之后，快速下降。城鄉(xiāng)工礦居民用地一直呈增加態(tài)勢，2010—2015年動態(tài)度高達3.85%，這與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展和開發(fā)建設(shè)快速推進有密切關(guān)系[33-34]。

圖2 祁連山地區(qū)1970s末至2015年間單一土地利用動態(tài)度變化

3.2 土地利用變化對生境的影響

利用3期土地利用數(shù)據(jù)，基于公式(2)—(4)計算其生境質(zhì)量指數(shù)和生境退化度；利用ArcGIS軟件對以上計算結(jié)果進行統(tǒng)計，并制成表5—6；并結(jié)合表4中的景觀格局指數(shù)，進行分析祁連山地區(qū)的生境變化對土地利用變化的響應(yīng)。

3.2.1 時間上土地利用變化對生境的影響 從時間變化來看，祁連山地區(qū)的生境質(zhì)量存在先惡化、再變好的過程。2015年祁連山地區(qū)的生境質(zhì)量最好，中等及以上的生境占到了62%，2000年的生境質(zhì)量最差(表5)。1970s末的生境質(zhì)量較好，優(yōu)等生境占34.49%，生境退化度較低，蔓延度指數(shù)和聚集度指數(shù)分別為54.75和88.50，空間聚集度相對比較完整；1970s末至2000年期間，生境質(zhì)量退化較為明顯，2000年的輕度退化及以上的區(qū)域占到了8.18%。蔓延度指數(shù)和聚集度指數(shù)分別下降0.30和0.06，說明這一時間段是一個生境破碎化的過程，作為威脅源的耕地和城鄉(xiāng)工礦居民用地的增加是生境退化的主要原因；2015年與2000年相比，生境質(zhì)量有明顯的改善，未利用土地向草地轉(zhuǎn)化，使得生境適宜度較高的草地明顯增多，蔓延度指數(shù)和聚集度指數(shù)分別提高1.85，0.39，分離度指數(shù)降低了0.001 2，說明這一階段的破碎化情況有所好轉(zhuǎn)，不同地類斑塊間的連通性變強，有利于生境改善(表4—6)。

3.2.2 空間上土地利用變化對生境的影響 從空間格局變化來看，生境質(zhì)量較好的區(qū)域主要分布在東部地區(qū)、沿湖區(qū)域和海拔在3 000～4 000 m左右的地段(見封3附圖6)，這些區(qū)域主要以草地為主，靠近湖泊，生物多樣性比較豐富；生境質(zhì)量中等的區(qū)域主要分布在東部3 000 m以下的區(qū)域；生境質(zhì)量較差的區(qū)域主要分布在西部地區(qū)以及中部海拔較高的區(qū)域，主要以未利用土地為主，生境適宜度較低，生態(tài)環(huán)境比較惡劣。1970s末至2000年，生境質(zhì)量變差的區(qū)域較多，分散分布在研究區(qū)中、東部地區(qū)，包括海西州的天峻縣、烏蘭縣、海北州海晏縣、剛察縣、張掖市山丹縣南部、西寧市的市區(qū)、湟源縣北部、海東市的平安縣等地(圖3)，這些地區(qū)耕地增多，林地和水域變少，農(nóng)村居民點分布集中，源自人類活動的干擾較多，致使當(dāng)?shù)氐纳迟|(zhì)量指數(shù)降低。2000—2015年，中部以及東部零星地區(qū)的生境得到改善，比如海西州的天峻縣、烏蘭縣、海北州海晏縣、剛察縣等地，這些地區(qū)很多未利用土地變?yōu)榈透采w度草地，生境適宜度提高。同期生境變差的區(qū)域仍主要分布在東部交通相對發(fā)達的地區(qū)，如海西州的門源縣、海東市的互助縣、海南州的貴德縣等地，其生境質(zhì)量指數(shù)明顯降低。

表4 祁連山地區(qū)1970s末至2015年景觀格局指數(shù)

注：0

表5 祁連山地區(qū)1970s末至2015年所占比例

圖3 祁連山地區(qū)生境質(zhì)量變化情況

由祁連山地區(qū)1970s末至2015年生境退化度的空間分布(圖4)可以看出，生境退化度存在東高西低的趨勢。導(dǎo)致東部地區(qū)退化度較高的原因，一方面源于人口密度大、城鎮(zhèn)化水平較高，城鎮(zhèn)居民用地和耕地比較集中，土地利用開發(fā)強度較大，來自人類活動的干擾較多；另一方面，伴隨著城鄉(xiāng)工礦居民用地的擴張，耕地的開墾，這一區(qū)域的生境退化度在不斷增強，空間上表現(xiàn)為退化區(qū)域的擴張。此外，2004年以來青海湖的面積逐漸增大[35]，周圍鹽堿地增多，旅游旺季的人類活動強度較大[36]，導(dǎo)致其附近的生境退化度相對較高。

圖4 祁連山地區(qū)1970s末至2015年生境退化度的空間分布

表6 祁連山地區(qū)1970s末至2015年各等級生境退化度所占比例 %

4 討論與結(jié)論

(1) 研究區(qū)主要土地利用類型為草地和未利用土地，其次是林地、耕地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地。其中草地和城鄉(xiāng)工礦居民用地的變化較劇烈，草地先減少后增加，增加比例高達1.28%；城鄉(xiāng)工礦居民用地面積不斷增加，其增加速度也不斷加快，增加的部分主要由周圍的草地和耕地轉(zhuǎn)化而來。

(2) 在時間變化上，35 a來，祁連山地區(qū)的生境質(zhì)量由惡化的態(tài)勢逐漸趨于改善。1970s末至2000年期間，生境質(zhì)量退化較為明顯，2000—2015年期間，大量生境適宜度較低的未利用土地向適宜度較高的草地轉(zhuǎn)變，同期表征地類斑塊破碎度的分離度指數(shù)有所下降，促進了生境改善，由此可以看出生境質(zhì)量的變化與土地利用間的相互轉(zhuǎn)換密切相關(guān)。

(3) 在空間分布上，祁連山地區(qū)的生境質(zhì)量和生境退化度均表現(xiàn)為東高西低。東部地區(qū)生境質(zhì)量較高主要源于其優(yōu)越的自然條件；而生境退化度較高則與東部地區(qū)人類活動強度較高有關(guān)。