基于土地利用與植被覆蓋度的大通北川河源區(qū)自然保護區(qū)生境質量評估

陳永國, 劉維軍, 榮月靜, 傅利平, 馬立廣, 曹彥榮

(1.青海大通北川河源區(qū)國家級自然保護區(qū)管理局, 青海 大通 810100;2.北京山海礎石信息技術有限公司, 北京 100101; 3.中國科學院 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； 4.中國科學院大學 資源與環(huán)境學院， 北京 100049)

自然保護區(qū)作為最重要的生態(tài)安全防線，資源豐富、環(huán)境優(yōu)美，是生態(tài)服務功能的集中產區(qū)。隨著人們環(huán)境意識的提高，自然保護區(qū)的建設和管理水平不斷提高[1-2]。然而，在整個生態(tài)環(huán)境惡化、生態(tài)系統(tǒng)退化的背景下，自然保護區(qū)的生境質量難以判斷。不同級別保護區(qū)、國家公園和風景名勝區(qū)的建立，目的是通過維持完整生態(tài)系統(tǒng)以實現(xiàn)保護物種多樣性、群落多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性，維持生態(tài)系統(tǒng)各項功能[3-6]。

土地利用/覆蓋變化影響生態(tài)系統(tǒng)的結構和過程，從而對生態(tài)系統(tǒng)格局、質量、功能產生影響[7-14]。相比土地利用類型變化對生態(tài)系統(tǒng)服務的顯性影響，生態(tài)質量對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響是隱形的，不容易被人類察覺。近年來，學者們通過研究NDVI、植被覆蓋度等生態(tài)質量因子對不同區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務的影響，發(fā)現(xiàn)除土地利用變化之外，生態(tài)質量的變化同樣是生態(tài)系統(tǒng)服務變化的重要驅動因子[15-17]。

北川河源區(qū)國家級自然保護區(qū)主要土地利用類型是森林和草地，土地利用類型變化與生態(tài)質量指數(shù)都是影響生境質量的因素，本研究在生態(tài)系統(tǒng)類型的基礎上，通過植被覆蓋度表征生態(tài)質量因子，通過對保護區(qū)生態(tài)格局、植被覆蓋度的研究，綜合修正生境質量評估模型參數(shù)，進而更加精確地評估保護區(qū)的生境質量空間分布狀況，為保護區(qū)進一步保護與修復方向提供指導建議。

1 研究區(qū)概況

青海大通北川河源區(qū)國家級自然保護區(qū)位于西寧市大通縣境內，地處大通縣北部的北川河源頭，地理坐標為東經(jīng)100°52′—101°47′，北緯37°03′—37°28′。自然保護區(qū)地處黃土高原與青藏高原的過渡地帶，境內山巒起伏，溝壑縱橫，地形復雜。山區(qū)和丘陵地占總面積的94%，整個地勢西北高，東南低，由西北向東南傾斜，相對高差1 942 m。大通北川河源區(qū)自然保護區(qū)的植物垂直分布特征較明顯，自下而上，分為河川谷地落葉闊葉林植被帶(海拔2 680～2 900 m)、山地針闊葉林植被帶(海拔2 800 m)、山地常綠針葉林植被帶(2 700～3 200 m)、山地灌叢類草地帶(2 700～3 800 m)、亞高山灌木林植被帶(海拔3 200～3 600 m)、亞高山灌叢植被帶(海拔3 000～4 200 m)、高山草甸類草地帶(3 600～4 622 m)以及裸露巖石(海拔4 000 m以上)。自然保護區(qū)屬于半干旱、半濕潤溫涼性氣候，保護區(qū)內有寶庫河、黑林河、東峽河3條河流，并建有西寧市重要的水源調節(jié)水庫“黑泉水庫”。多年平均徑流深為217 mm，多年平均自產地表水資源量為68.6億m3。地下水資源量為31.3億m3。土壤分布具有明顯的垂直地帶性，從海拔和地域分布有沼澤土、潮濕土、墊淤土、栗鈣土、黑鈣土、山地棕褐土、高山草甸土、高山石質土等土壤類型。保護區(qū)主要保護對象是大陸性高原氣候森林生態(tài)系統(tǒng)，白肩雕(Aquilaheliaca)、馬麝(Moschuschrysogaster)、白唇鹿(Cervusalbirostris)、冰沼草(ScheuchzeriapalustrisL.)等珍稀瀕危野生動植物種群棲息地[18-19]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的數(shù)據(jù)包括土地利用數(shù)據(jù)、植被覆蓋度、保護區(qū)分布區(qū)域等。其中土地利用類型數(shù)據(jù)來源自中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)，數(shù)據(jù)生產制作是以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯生成。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型，土地利用數(shù)據(jù)分辨率30 m×30 m;植被覆蓋度數(shù)據(jù)來源于中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所，分辨率為250 m×250 m；保護區(qū)分布圖來源于保護區(qū)資料收集。

2.2 研究方法

InVEST模型的Habitat Quality模塊是通過分析人為活動或自然災害等生態(tài)威脅因子對區(qū)域景觀水平下土地利用/覆蓋斑塊的影響程度，來評價研究區(qū)的生境質量。本研究運用Habitat Quality模塊對研究區(qū)的生境質量進行評估[20]。生境質量的主要輸入?yún)?shù)包含不同年份土地利用數(shù)據(jù)、威脅因子、土地利用對威脅因子的敏感度、Habitat因子等。具體模型方法如下：

(1)

(2)

irxy=1-dxy/drmax(線性)

(3)

irxy=exp[-(2.99/drmax)dxy] (指數(shù))

(4)

H=min(Hj×VFC×2,1)

(5)

式中：H為修正的Hj因子；VFC是植被覆蓋度。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

青海北川河源區(qū)國家級保護區(qū)土地利用類型主要為林地、草地、裸地、沼澤地以及旱地等(附圖13)。林地主要以灌木林為主，面積為328 km2，占到林地面積的92%左右；草地主要以高覆蓋草地為主，面積為232 km2，占草地面積的41%左右(表1,圖1)。

表1 保護區(qū)2005-2015年生態(tài)系統(tǒng)類型分布面積 km2

從保護區(qū)2005—2010年土地利用轉移變化(表2)可以看出，保護區(qū)整體土地利用類型變化不大。從2005—2010年，變化最大的是裸巖石質地轉換為其他類型，面積為9.66 km2,其次是其他類型轉換為低覆蓋草地，面積為8.17 km2。2010—2015年，變化最大的是裸巖石質地轉換為低覆蓋草地，面積為3.40 km2。

3.2 植被覆蓋度分析

通過對保護區(qū)2005年、2010年、2015年年均植被覆蓋度的統(tǒng)計(表3，圖2)，2005年的植被覆蓋度范圍在0.44%～58.58%，2010年的植被覆蓋度范圍為0.67%～59.75%，2015年的植被覆蓋度范圍為4.33%～79.83%，可以看出保護區(qū)植被覆蓋度在整體提升。將植被覆蓋度按照0%～10%，10%～30%，30%～50%，50%～70%，70%以上進行分級統(tǒng)計面積與比例(圖3)可以看出，2005年與2010年保護區(qū)植被覆蓋度主要分布在中等級，2005年占64.94%,2010年占68.23%；2015年植被覆蓋度顯著提升，主要分布在中、較高等級，總共占到85.44%；其中，中等級占48.47%，較高等級占到36.97%，從圖2—3可以看出，顯著提升的主要是位于保護區(qū)北部與南部地區(qū)的灌木林。

圖1 保護區(qū)2005年、2010年、2015年土地利用統(tǒng)計

3.3 生境質量特征分析

通過Habitat Quality模塊進行生境質量的評估，其中，H為結合InVEST模型與相關研究成果，依據(jù)土地利用類型設置的H值原始值，本文基于不同年份不同土地利用類型的植被覆蓋度平均值對H因子進行修正，分別得出2005年、2010年、2015年H修正結果(表4)；保護區(qū)威脅因子主要來自于耕地，通過距離耕地的距離來確定威脅因子的影響范圍，距離越近，威脅越大；L_crp是不同土地利用類型對耕地的敏感性(0，1)通過文獻獲得(表5)。綜上得出計算得出保護區(qū)生境質量特征評估結果。

從保護區(qū)2005年、2010年、2015年生境質量分布圖(圖4)直觀地看出保護區(qū)北部與南部灌木林生境質量顯著提升。依據(jù)自然斷裂法，將生境質量結果分為高、較高、中、較低、低5類，統(tǒng)計各類生境的面積及比例(圖5，表6)。其中，保護區(qū)2005年和2010年生境質量主要處于較高、中、較低3個級別，2005年占比分別為30.42%，24.84%，29.09%，2010年占比分別為30.43%，24.83%，29.72%；2015年生境質量顯著提升，主要處于較高和高水平，分別占到24.74%，32.30%。

表2 保護區(qū)2005-2010年、2010-2015年土地利用轉移矩陣 km2

表3 保護區(qū)年均植被覆蓋度各等級面積及比例

圖2 保護區(qū)2005年、2010年、2015年植被覆蓋度分布

圖3 保護區(qū)2005年、2010年、2015年植被覆蓋度分級

表4 基于不同年份植被覆蓋度修正的H因子

4 討論與結論

4.1 討 論

從2005—2015年大通北川河源區(qū)自然保護區(qū)土地利用類型轉換發(fā)現(xiàn)保護區(qū)整體土地利用類型變化不大，保護區(qū)植被覆蓋度變化顯著，尤其是保護區(qū)北部與南部地區(qū)的灌木林植被覆蓋度。同樣地，保護區(qū)生境質量整體提升，北部與南部灌木林生境質量尤為顯著?？梢缘贸鼋?0年大通北川河源區(qū)自然保護區(qū)生境質量的變化，與土地利用類型變化基本沒有關系，主要的影響因素是保護區(qū)植被覆蓋度變化，這與大通北川河源區(qū)自然保護區(qū)從2013年正式成為國家級自然保護區(qū)后實行封山育林育草，防止人為干擾的政策有關。

表5 不同土地利用類型對威脅因子的敏感性

圖4 保護區(qū)2005年、2010年、2015年生境質量分布

圖5 保護區(qū)2005年、2010年、2015年生境質量分級

表6 保護區(qū)生境質量分級特征

保護區(qū)生境質量的變化不僅受到森林、灌叢等土地利用類型的影響，同樣受到植被覆蓋度等生態(tài)質量的影響，本研究通過對InVEST模型-Habitat Quality模塊的H因子的修正，能夠更加精準地評估保護區(qū)生境質量水平。

4.2 結 論

本研究基于土地利用和植被覆蓋度，對保護區(qū)生境質量進行評估，能夠從空間上反映保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護的好壞程度，對保護區(qū)管理和宏觀決策提供空間上的參考。本研究得出在土地利用變化不明顯的區(qū)域植被覆蓋度等生態(tài)質量因子可能是生物多樣性等生態(tài)系統(tǒng)服務變化的重要驅動因子，區(qū)域可以通過增加林草植被蓋度，進而提高保護區(qū)的生境質量與生態(tài)系統(tǒng)功能，是保護區(qū)生態(tài)保護的重要方向。

保護區(qū)內生境質量提升即代表動植物棲息地、食物等條件提升，是保護區(qū)整體生物多樣性水平提升的基本條件。但是本研究僅僅討論保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)方面的變化，尚未討論保護區(qū)動植物物種層面多樣性變化，通過生境質量與物種多樣性結合，能夠更加有效地評估保護區(qū)在生物多樣性保護與環(huán)境管理的成效，是下一步需要研究的方向。