拉薩市城關(guān)區(qū)近50年城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的綜合影響

聶 宇,楊彥敏,王一航,劉志鋒,*,何春陽,陳 歆

1 北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室人與環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)研究中心,北京 100875

2 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部自然資源學(xué)院,北京 100875

3 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,北京 100871

4 西藏自治區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心, 拉薩 850000

城市擴展過程是指由于土地利用方式的改變,導(dǎo)致空間上城市規(guī)模的擴大,使得非城市土地轉(zhuǎn)化為城市土地的過程[1]。自然生境質(zhì)量是指森林、草地和濕地等自然生境能夠提供適合于物種與種群的資源與環(huán)境的能力,對于維持和提高區(qū)域生物多樣性至關(guān)重要[2]。伴隨著全球正在經(jīng)歷的快速城市化進程,城市擴展過程已經(jīng)成為影響自然生境質(zhì)量的重要因素[3—4]。一方面,城市擴展過程會通過改變當(dāng)?shù)氐耐恋乩?覆蓋情況直接導(dǎo)致自然生境的喪失和破碎化[5]。另一方面,城市擴展過程還會通過加劇環(huán)境污染與人類活動干擾、增加自然資源占用量和促進外來物種入侵間接造成自然生境質(zhì)量下降[6—7]。近年來,已有研究在全球、國家和局地尺度上評價了城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的影響[8]。這些研究均表明,雖然在全球和國家尺度上城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的影響還較小,但在部分快速城市化熱點地區(qū)和生物多樣性保護熱點地區(qū),城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的影響已不可忽視[3,5,9]。因此,深入理解這些熱點地區(qū)城市擴展過程對自然生境質(zhì)量影響的格局、過程和機制對于當(dāng)?shù)氐纳锒鄻有员Ｗo和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

拉薩市城關(guān)區(qū)不僅是青藏高原主要的城市化地區(qū),而且是至關(guān)重要的高寒濕地保護地[10—12]。作為西藏自治區(qū)行政中心,拉薩市城關(guān)區(qū)在西部大開發(fā)、新型城鎮(zhèn)化和“一帶一路”倡議的帶動下,正在經(jīng)歷快速的城市化進程[13—14]。城鎮(zhèn)人口從1980年的38.63萬增長到了2018年的55.44萬,增長了近50%；城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積也隨之快速增加[15]。該區(qū)域內(nèi)的拉魯濕地國家級自然保護區(qū)是青藏高原重要的高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)保護區(qū),蘊藏著大量珍貴的野生動植物資源[16]。隨著城鎮(zhèn)建設(shè)用地的不斷擴張,拉魯濕地面積不斷萎縮,已經(jīng)從歷史上超過1000 hm2下降到2005年設(shè)立國家級自然保護區(qū)時的核心面積660 hm2[17]。目前,區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地已經(jīng)緊鄰保護區(qū),致使該地區(qū)成為青藏高原城市擴展與生物多樣性保護之間矛盾最為突出的地區(qū)。量化該地區(qū)城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的綜合影響是優(yōu)化城市擴展格局和生物多樣性保護策略的基礎(chǔ),有助于實現(xiàn)當(dāng)?shù)啬酥琳麄€青藏高原生態(tài)文明建設(shè)。

目前,已有學(xué)者在拉薩市城關(guān)區(qū)開展了城市擴展過程對自然生境影響評估的相關(guān)研究工作。例如,張鐿鋰等[12]基于地形圖與多源遙感數(shù)據(jù)獲取了該地區(qū)1951—1999年土地利用信息,分析了城市擴展過程對自然生境的占用情況。次仁等[18]分析了距城市距離與拉魯濕地的鳥類生物多樣性之間的關(guān)系。稅燕萍等[19]評估了該地區(qū)1995—2015年城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加對自然生境質(zhì)量的影響。已有研究為認(rèn)識該地區(qū)城市擴展過程對自然生境的影響提供了良好的基礎(chǔ)。但是,現(xiàn)有研究在獲取長時間序列的城市擴展過程信息以及綜合評估城市擴展過程對自然生境的綜合影響等方面還有待進一步完善。

長時間序列遙感數(shù)據(jù)和生境模型的結(jié)合應(yīng)用,為全面評估該地區(qū)城市擴展過程對自然生境的影響提供了新途徑。鎖眼衛(wèi)星提供1960—1975年期間全色波段、空間分辨率為1.8 m至12.2 m的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù),能反映清晰的地物光譜信息、紋理特征和空間分布情況[20]。在1995年免費向公眾開放后,該套數(shù)據(jù)已經(jīng)在20世紀(jì)60年代濕地的空間恢復(fù)、土地利用/覆蓋信息提取等方面得到了較好的應(yīng)用[21—23]。20世紀(jì)70年代至今的Landsat系列遙感影像和近期具有米級空間分辨率的Google Earth遙感影像也可用于準(zhǔn)確識別城市與自然生境范圍[24—25]。此外,InVEST模型的生境質(zhì)量模塊也被廣泛用于城市擴展過程對自然生境質(zhì)量綜合影響的評價研究中[9,26]。因此結(jié)合鎖眼衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、Landsat系列遙感數(shù)據(jù)、Google Earth遙感數(shù)據(jù)與InVEST模型能實現(xiàn)近50年城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的綜合影響評估。

本研究目的是揭示拉薩市城關(guān)區(qū)近50年城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的綜合影響。擬回答以下3個科學(xué)問題:(1)該地區(qū)近50年城市擴展過程對自然生境質(zhì)量影響的時空動態(tài)是怎樣的？(2)不同自然生境受到的影響有何差異？(3)該地區(qū)城市擴展過程導(dǎo)致的自然生境質(zhì)量下降會對哪些物種的生存構(gòu)成威脅？為了回答上述問題,首先結(jié)合鎖眼衛(wèi)星、Landsat和Google Earth遙感影像量化區(qū)域土地利用/覆蓋變化情況。其次,基于InVEST模型中的生境質(zhì)量模塊模擬量化城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的直接和間接影響。最后,進一步分析了自然生境質(zhì)量下降對區(qū)域生物多樣性帶來的威脅。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)

本文研究區(qū)為拉薩市城關(guān)區(qū)(東經(jīng)91°06′至91°56′,北緯29°24′至29°36′),位于青藏高原腹地拉薩河下游,總面積520.51 km2。當(dāng)?shù)仄骄０?650 m,是世界上海拔最高的城市之一(圖1)。區(qū)域地勢北南高、中間低,南北為山地；中部為雅魯藏布江支流拉薩河中游河谷平原,地勢平坦。該地區(qū)為高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候,年平均氣溫7.8 ℃,年均降水量200—510 mm,全年日照時長3000小時以上,被稱為“日光城”[12]。拉魯濕地國家級自然保護區(qū)位于研究區(qū)西北部,總面積1220 hm2,核心面積660 hm2,是當(dāng)?shù)刂匾淖匀簧砙17]。1980—2018年,拉薩市城關(guān)區(qū)總?cè)丝趶?8.63萬增長到55.44萬,增長了43.52%[15],是青藏高原地區(qū)主要的人口聚集區(qū)。

圖1 研究區(qū)

1.2 數(shù)據(jù)

研究所用數(shù)據(jù)主要包括遙感影像數(shù)據(jù)、物種數(shù)據(jù)以及地理信息輔助數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)包括鎖眼衛(wèi)星數(shù)據(jù)、Landsat系列遙感數(shù)據(jù)、Google Earth遙感數(shù)據(jù)。其中,鎖眼衛(wèi)星數(shù)據(jù)來自北京攬宇方圓信息技術(shù)有限公司,空間分辨率為2.7 m,已進行幾何校正和正射校正,用于提取拉薩市城關(guān)區(qū)1968年土地利用信息。Landsat系列遙感數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn),空間分辨率為30 m,用于提取區(qū)域1984、1990、2000、2010年土地利用信息。Google Earth遙感數(shù)據(jù)來自于谷歌地球(https://www.google.com/earth/),空間分辨率為1.91 m,用于提取2019年土地利用信息。此外,物種分布數(shù)據(jù)來自國際自然保護聯(lián)盟瀕危物種紅色名錄(IUCN Redlist)(https://www.iucnredlist.org/)。研究區(qū)的行政邊界、行政中心等基礎(chǔ)地理信息輔助數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn/)。為了保證數(shù)據(jù)一致性,所有柵格數(shù)據(jù)采用Albers等積圓錐投影并重采樣至30 m分辨率。

2 方法

2.1 量化區(qū)域自然生境質(zhì)量空間格局

首先,通過目視解譯,基于1968—2019年間的6期(1968、1984、1990、2000、2010、2019年)遙感數(shù)據(jù)獲取城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村建設(shè)用地、耕地、沼澤、林地、河漫灘、草地和水體8類土地利用/覆蓋信息(圖3)。解譯標(biāo)準(zhǔn)見圖2。

圖2 三類遙感數(shù)據(jù)的判讀標(biāo)準(zhǔn)

通過實地考察和混淆矩陣分析,對目視解譯提取的土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)進行精度驗證。首先于2020年夏季進行了實地考察,分別在城鎮(zhèn)建設(shè)用地、林地、濕地(包括沼澤、河漫灘和水體)和草地等土地利用類型中選取了118個、40個、60個、43個樣本點,獲取了真實的土地利用/覆蓋信息。其次,在實地考察的基礎(chǔ)上對分類結(jié)果進行精度驗證。結(jié)果表明,全區(qū)2019年的數(shù)據(jù)分類總體精度為92.80%,Kappa系數(shù)為0.90(圖3)。其中,城鎮(zhèn)建設(shè)用地生產(chǎn)者精度為93.22%,用戶精度為95.65%；林地的生產(chǎn)者精度為90.00%,用戶精度為76.60%；濕地生產(chǎn)者精度為97.67%,用戶精度為97.67%；草地生產(chǎn)者精度為90.48%,用戶精度為98.28%。由此可見,獲取的拉薩市城關(guān)區(qū)土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高。

圖3 流程圖

圖4 土地利用/覆蓋分類結(jié)果的精度驗證

然后,參考國際自然保護聯(lián)盟發(fā)布的生境分類標(biāo)準(zhǔn)[27],選取林地、草地、沼澤、河漫灘、水體作為自然生境,城鎮(zhèn)建設(shè)用地作為威脅源[9]。采用InVEST模型的生境質(zhì)量模塊量化1968—2019年區(qū)域自然生境質(zhì)量空間格局動態(tài)。自然生境質(zhì)量的計算公式為:

(1)

式中,Qxj為土地利用/覆蓋類型j中像元x上的生境質(zhì)量；Hj為土地利用/覆蓋類型j的生境適宜性；Dxj為土地利用/覆蓋類型j中像元x受到總的脅迫水平；k為半飽和常數(shù),通常取Dxj最大值的一半；z為歸一化常量。每個像元上生境受到總的脅迫水平計算公式為:

(2)

式中,R為威脅因子總數(shù),wr為受威脅影響的權(quán)重,Yr為柵格總數(shù),βx為可達性,Sjr為敏感性,irxy為像元y中威脅因子ry對像元x的威脅類型。城鎮(zhèn)的威脅類型為指數(shù)型,計算公式為:

(3)

式中,dxy為像元x與y的距離,drmax為威脅因子的最大影響距離。生境適宜性與威脅因子參數(shù)均參考相關(guān)研究[9,19,28]設(shè)置(表1)。

表1 InVEST模型生境質(zhì)量模塊的參數(shù)設(shè)置

最后,參考Song等[9]和Moreria等[29]的研究,將自然生境質(zhì)量進行分級評價。根據(jù)研究區(qū)實際情況,將自然生境質(zhì)量由低到高劃分為0—0.3、0.3—0.6、0.6—0.8和0.8—1等4個等級,分別表示自然生境質(zhì)量的低、中、較高和高水平。

2.2 評估區(qū)域城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的影響

通過量化城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的總影響、城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的直接與間接影響等三個方面,綜合評估拉薩市城關(guān)區(qū)城市擴展過程對區(qū)域自然生境質(zhì)量的影響。城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的總影響是指城市擴展過程導(dǎo)致的自然生境質(zhì)量變化率[30]。自然生境質(zhì)量變化率計算公式為:

(4)

式中,ΔQi-1968表示區(qū)域1968年到第i年城市擴展過程導(dǎo)致的自然生境質(zhì)量變化率,Q1968和Qi分別表示區(qū)域1968年和第i年的自然生境質(zhì)量。根據(jù)Seto等[4]和McDonald等[31]開展的相關(guān)研究,城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的直接影響是指新增城市土地直接占用導(dǎo)致的生境質(zhì)量變化情況；間接影響是指在城市最大影響范圍內(nèi)未被直接占用的自然生境質(zhì)量變化情況。

2.3 評估區(qū)域生境質(zhì)量變化對生物多樣性的影響

通過統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)建設(shè)用地最大影響范圍內(nèi)物種的分布情況評估拉薩市城關(guān)區(qū)生境質(zhì)量變化對生物多樣性的影響。物種分布數(shù)據(jù)來自國際自然保護聯(lián)盟瀕危物種紅色名錄,其給出了全球12萬余種物種的潛在空間分布范圍、適宜生境和瀕危程度等信息。參考He等[3]的研究,通過空間疊加的方式篩選出拉薩市城關(guān)區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地最大影響范圍內(nèi)可能存在的物種,統(tǒng)計了物種名稱、物種類型、受威脅情況、適宜的生境類型和是否為本地種等關(guān)鍵信息,進而量化了各物種潛在分布范圍內(nèi)自然生境質(zhì)量受城市擴展過程的影響情況。以上方法通過IDL語言編程、Python語言編程和ArcGIS 10.2軟件操作實現(xiàn)。

3 結(jié)果

3.1 區(qū)域1968年自然生境質(zhì)量空間格局

拉薩市城關(guān)區(qū)自然生境面積大,生境質(zhì)量整體水平中等。1968年,拉薩市城關(guān)區(qū)自然生境面積為476.58 km2,占區(qū)域總面積的91.57%；自然生境質(zhì)量為0.60,屬于中等水平(圖5)。其中,高質(zhì)量自然生境面積為20.12 km2,占全區(qū)自然生境總面積的4.22%,主要分布在區(qū)域城鎮(zhèn)建設(shè)用地的南北兩側(cè),多為河流、沼澤和林地。較高質(zhì)量的自然生境面積為305.31 km2,占全區(qū)自然生境總面積的64.10%,主要分布在遠離城市區(qū)域的南北兩側(cè)山地和拉薩河兩岸,多為草地與河漫灘。中等質(zhì)量的自然生境面積為151.18 km2,占全區(qū)自然生境總面積的31.71%,分布在靠近城市的城關(guān)區(qū)南北兩側(cè),以草地為主。

圖5 1968年自然生境質(zhì)量空間格局

3.2 區(qū)域1968—2019年城市擴展過程

拉薩市城關(guān)區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地呈指數(shù)型增長(圖6)。1968—2019年,全區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地總面積從9.78 km2增長到的67.67 km2,增長了6.92倍,年均增長1.14 km2(圖7)。在1968—1984年期間,城市擴展過程相對緩慢。全區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增加了10.58 km2,增長率為108.18%,年均增長0.66 km2。而在2010—2019年,該區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地迅速增加,增加了23.18 km2,增長率為52.10%,年均增長2.58 km2。相比1968—1984年,2010—2019年的城鎮(zhèn)建設(shè)用地增長速度增加了3.91倍。從空間上看,拉薩市城關(guān)區(qū)的城鎮(zhèn)建設(shè)用地主要在拉薩河北岸呈“倒L形”分布。1968—1984年城鎮(zhèn)建設(shè)用地主要向西、北方向擴展,1984—2000年城鎮(zhèn)建設(shè)用地轉(zhuǎn)為向西擴展,2000—2019年城鎮(zhèn)建設(shè)用地沿著拉薩河向東、北方向擴展。

圖6 1968—2019年土地利用/覆蓋變化過程

圖7 1968—2019年各地類面積的變化過程

3.3 區(qū)域1968—2019年城市擴展過程對自然生境的占用

拉薩市城關(guān)區(qū)城市擴展過程加速占用了區(qū)域自然生境。1968—2019年,城市擴展過程占用了39.57 km2的自然生境,占總自然生境面積的8.30%(表2)。在1968—1984年間由于城市擴展,城關(guān)區(qū)自然生境總面積減少了8.71 km2,年均下降0.55 km2。2010—2019年間的總面積減少了13.85 km2,年均下降1.54 km2,面積減少速度增加了1.8倍。從不同生境來看,草地、濕地與林地的總面積分別減少了29.69 km2、7.95 km2和1.93 km2(表2)。其中林地與草地的面積加速減少,分別從年均減少0.04 km2和0.39 km2增加到年均減少0.23 km2和1.37 km2。濕地的面積減速下降,從年均減少0.12 km2下降到年均減少0.03 km2(圖8、表2—7)。

圖8 1968—2019年自然生境年均面積損失情況

表2 1968—2019年土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表3 1968—1984年土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表4 1984—1990年土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表5 1990—2000年土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表6 2000—2010年土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣/km2

表7 2010—2019年土地利用/覆蓋轉(zhuǎn)移矩陣/km2

3.4 區(qū)域1968—2019年城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的影響

拉薩市城關(guān)區(qū)城市擴展過程導(dǎo)致區(qū)域自然生境質(zhì)量加速下降。1968—2019年,城市擴展過程導(dǎo)致區(qū)域自然生境質(zhì)量從0.57下降到0.50,下降了12.69%。在1968—1984年,自然生境質(zhì)量下降了2.87%,而2010—2019年自然生境質(zhì)量下降了4.22%,自然生境質(zhì)量下降速度增加了1.5倍(圖9)。從空間上看,城鎮(zhèn)建設(shè)用地周邊地區(qū)自然生境質(zhì)量下降明顯,自然生境質(zhì)量變化率高達80%以上(圖10)。在不同自然生境類型中,林地和濕地受到城市擴展過程的影響較大。其中,林地生境質(zhì)量從1968年的0.80下降到2019年的0.03,下降了96.59%。濕地的自然生境質(zhì)量從0.88下降到0.45,下降了49.21%。(圖11、表8)。

圖9 1968—2019年自然生境質(zhì)量變化趨勢

圖10 1968—2019年自然生境質(zhì)量變化的空間格局

圖11 1968—2019年主要自然生境類型質(zhì)量的變化趨勢

城市擴展過程對不同自然生境類型的直接和間接影響存在差異。1968—2019年,拉薩市城關(guān)區(qū)城市擴展過程直接導(dǎo)致全區(qū)自然生境質(zhì)量下降7.06%,間接導(dǎo)致自然生境質(zhì)量下降5.63%(圖12)。在不同自然生境類型中,林地、草地主要受到城市擴展過程的直接影響,濕地主要受到城市擴展過程的間接影響。其中,林地受到城市擴展過程的直接影響導(dǎo)致其生境質(zhì)量下降80.73%,間接影響為15.86%,直接影響是間接影響的4.8倍；草地受到的直接影響使其生境質(zhì)量下降6.64%,間接影響為1.27%,直接影響是間接影響的5.2倍(圖13,14,表8)。而城市擴展過程對濕地的直接影響導(dǎo)致其生境質(zhì)量下降22.70%,間接影響使其生境質(zhì)量下降26.51%,間接影響是直接影響的1.2倍(圖15,表8)。

表8 城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的影響/%

圖12 城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的直接影響與間接影響

圖13 城市擴展過程對林地生境質(zhì)量的直接影響與間接影響

圖14 城市擴展過程對草地生境質(zhì)量的直接影響與間接影響

圖15 城市擴展過程對濕地生境質(zhì)量的直接影響與間接影響

3.5 區(qū)域1968—2019年自然生境質(zhì)量下降對生物多樣性的影響

拉薩市城關(guān)區(qū)物種豐富。根據(jù)IUCN Redlist數(shù)據(jù)對區(qū)域物種分布進行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn),區(qū)域內(nèi)共包括鳥類、哺乳類和兩棲類等12類、161種物種(圖16),其中有鳥類生物48種,哺乳類生物28種,分別占總物種量的29.8%和16.8%。161種物種中有藏羚羊(Procaprapicticaudata)、馬麝(Moschuschrysogaster)、小黃黝魚(Micropercopsswinhonis)等7種本地種,以及青頭潛鴨(Aythyabaeri)、雪豹(Pantherauncia)、獵隼(Falcocherrug)等16種瀕危物種(表9)。拉薩市城關(guān)區(qū)自然生境質(zhì)量下降對161種物種均有影響。值得注意的是,全區(qū)16種瀕危物種的適宜生境均為生境質(zhì)量快速下降的林地、濕地或草地,且其中瀕危程度為易危及以上的物種有6種,占瀕危物種總量的37.50%(表9)。

圖16 拉薩市城關(guān)區(qū)生物多樣性狀況

表9 拉薩市城關(guān)區(qū)受威脅物種

4 討論

4.1 長時間序列遙感數(shù)據(jù)與InVEST模型為評估城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的綜合影響提供了可靠途徑

現(xiàn)有用于評估城市擴展過程對自然生境質(zhì)量影響的數(shù)據(jù)主要為實地調(diào)查數(shù)據(jù)與短時間序列遙感數(shù)據(jù)[32—34]。其中,實地調(diào)查數(shù)據(jù)需要依賴可靠的數(shù)據(jù)獲取方式和獲取地點。因此,實地調(diào)查數(shù)據(jù)具有高花費、短時間、小范圍等缺陷。更重要的是,青藏高原地區(qū)缺乏大量的實地調(diào)查數(shù)據(jù)。短時間序列遙感數(shù)據(jù)只能反映近期的城市擴展過程,無法獲得長時間序列城市擴展信息與自然生境本底情況[8]。

結(jié)合鎖眼衛(wèi)星數(shù)據(jù)、Landsat遙感數(shù)據(jù)和Google Earth遙感數(shù)據(jù)能夠彌補上述數(shù)據(jù)的不足。具有2.7 m空間分辨率的鎖眼衛(wèi)星高分遙感影像可以清晰展現(xiàn)地物的光譜、紋理特征和空間分布情況,因此可以使用該數(shù)據(jù)準(zhǔn)確識別區(qū)域的自然生境和城市建成區(qū)范圍[20,35]。例如,Brinkmann等[21]使用鎖眼衛(wèi)星數(shù)據(jù)恢復(fù)了1960年西非四個城市地區(qū)的土地利用情況。Hepcan等[36]通過鎖眼衛(wèi)星數(shù)據(jù)與航片恢復(fù)了1963年土耳其伊茲密爾地區(qū)的土地利用情況。劉志鋒等[23]基于鎖眼衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取了1964年圖們江下游地區(qū)濕地分布情況。Landsat系列遙感影像和具有米級空間分辨率的Google Earth遙感影像也可用于準(zhǔn)確識別城市與自然生境范圍。例如,牛振國等[25]基于Landsat系列遙感影像和Google Earth遙感影像提取了2000年中國濕地的分布范圍。Gong等[24]基于Landsat系列遙感影像和Google Earth遙感影像提取出了中國1978—2017年城市不透水面分布范圍。結(jié)合以上三類遙感數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確量化長時間序列城市擴展過程和揭示歷史自然生境質(zhì)量本底信息。

此外, InVEST模型生境質(zhì)量模塊可以同時量化城市擴展過程對生境質(zhì)量的直接影響和間接影響。模型通過結(jié)合土地覆被和生物多樣性威脅因素的信息生成生境質(zhì)量地圖,土地利用/覆被變化會導(dǎo)致自然生境的減少和鄰近生境的退化[37],其中,自然生境減少為直接影響,鄰近生境退化的邊緣效應(yīng)即為間接影響。因此,InVEST模型生境質(zhì)量模塊可以通過評估生境適宜性變化和生境受威脅程度變化同時量化直接和間接影響[37]。例如,韓艷莉等[28]基于InVEST模型模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)2005—2015年青海湖流域內(nèi)的建成區(qū)和交通用地面積增加直接占用了自然生境,最終導(dǎo)致自然生境質(zhì)量不斷下降。稅燕萍等[19]以拉薩河流域為例,使用InVEST模型量化了城市擴展過程對自然生境的間接影響,研究發(fā)現(xiàn),1995—2015年間拉薩河流域內(nèi)社會經(jīng)濟發(fā)展間接影響導(dǎo)致當(dāng)?shù)刈匀簧迟|(zhì)量下降。

綜上所述,本文基于鎖眼衛(wèi)星影像、Landsat系列遙感影像和Google Earth遙感影像長時間序列遙感數(shù)據(jù),結(jié)合InVEST模型的生境質(zhì)量模塊同時量化直接影響和間接影響,能夠全面地揭示拉薩市城關(guān)區(qū)長時間尺度的城市擴展過程對區(qū)域自然生境質(zhì)量的影響。

4.2 拉薩市城關(guān)區(qū)城市擴展過程導(dǎo)致的自然生境質(zhì)量下降已對生物多樣性造成威脅

拉薩市城關(guān)區(qū)的自然生境對于生物多樣性保護、當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的維持等具有重要作用。緊鄰拉薩城鎮(zhèn)建設(shè)用地的拉魯濕地國家級自然保護區(qū)是青藏高原十分重要的高寒濕地保護區(qū)。作為雅魯藏布江最大的支流,拉薩河有25 km長的河道在研究區(qū)內(nèi)橫穿而過。研究表明,拉魯濕地內(nèi)有針尾鴨(Anasacuta)、斑嘴鴨(Anaszonorhyncha)、斑頭雁(Anserindicus)等鳥類62種,拉薩河內(nèi)有包括拉薩裂腹魚(Racomawaltoni)、尖裸鯉(Oxygymnocyprisstewarti)、雙須葉須魚(Ptychobarbusdipogon)等魚類24種[16,38]。

城市擴展過程導(dǎo)致的自然生境質(zhì)量下降已經(jīng)對當(dāng)?shù)匚锓N生存造成了威脅。區(qū)域內(nèi)鳥類和哺乳類生物主要的棲息地為濕地,而城市擴展過程對區(qū)域濕地造成了嚴(yán)重的影響。本文發(fā)現(xiàn),1968—2019年,拉魯濕地生境質(zhì)量從0.90下降到0.40,下降了55.42%。已有學(xué)者在拉魯濕地開展了相關(guān)研究,也得到了類似的發(fā)現(xiàn)。例如,劉曉曼等[17]研究表明發(fā)現(xiàn),由于人類活動加劇等的影響,拉魯濕地面積在1989—2009年期間從942.45 hm2下降到685.33 hm2,減少了27.30%。范麗卿等[39]相關(guān)研究表明濕地內(nèi)分布有5種土著魚類和7種外來魚類,隨著拉薩城市化過程與人類活動加劇,拉魯濕地內(nèi)的土著魚類數(shù)量幾近滅絕,外來魚類成為優(yōu)勢種。田瀚鑫等[40]對拉魯濕地水質(zhì)開展的研究發(fā)現(xiàn),區(qū)內(nèi)枯水期水質(zhì)主要為V類,豐水期水質(zhì)主要為I和III類,水質(zhì)污染區(qū)位于區(qū)內(nèi)東北部和中南部,靠近城市道路,受到人類活動影響極大。周生靈等[41]研究發(fā)現(xiàn)拉魯濕地猛禽的觀察量減少,主要原因在于城市擴展過程導(dǎo)致的濕地周邊適宜猛禽營巢的生境持續(xù)減少。本研究與相關(guān)研究結(jié)果均表明拉魯濕地生境質(zhì)量的下降對拉魯濕地內(nèi)生物多樣性造成了嚴(yán)重的威脅。

4.3 政策啟示

拉薩市城關(guān)區(qū)的城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的影響具有三個特征:快速的城市擴展過程導(dǎo)致區(qū)域自然生境質(zhì)量加速下降；在不同自然生境類型中,林地和濕地的生境質(zhì)量下降幅度大；城市擴展過程對不同自然生境類型的直接和間接影響存在差異,林地主要受到直接影響,濕地主要受到間接影響。

本研究在拉薩市城關(guān)區(qū)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象普遍存在于青藏高原地區(qū)。青藏高原自然生境本底相對脆弱,對城市擴展過程等人類活動具有高度敏感性[42—46]。Pan等[44]的研究發(fā)現(xiàn),青藏高原地區(qū)的城市正在經(jīng)歷加速的城市擴展過程。Wang等[10]研究結(jié)果表明,西寧、拉薩、香格里拉和格爾木等地是青藏高原地區(qū)快速城市擴展過程的熱點地區(qū),這些地區(qū)大多分布于青藏高原上的河谷或綠洲地區(qū)。同時,這些地區(qū)也是濕地和森林廣泛分布、生物多樣性較為豐富的區(qū)域。因此,青藏高原上的城鎮(zhèn)發(fā)展勢必會對濕地和森林生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅(圖16)。

圖17 青藏高原主要城市的城市擴展過程與自然生境的空間關(guān)系

因此,亟待采取有效措施減少城市土地對自然生境的直接占用和間接影響。首先,加強土地管控,控制城市蔓延。其次,對拉魯濕地、拉薩河等高質(zhì)量的自然生境地區(qū)劃定嚴(yán)格的保護紅線,嚴(yán)守生態(tài)保護紅線,減少城市土地對自然生境的直接占用[47—48]。最后,在保護區(qū)等重要自然生境周圍建立緩沖區(qū),緩沖區(qū)內(nèi)執(zhí)行有效的管控措施,如禁止鳴笛,控制道路上的車流量與人流量,夜間減暗或關(guān)閉道路路燈等,以盡量減少城市對于自然生境的間接影響,從而緩解由于城市擴展過程導(dǎo)致的自然生境質(zhì)量下降。

4.4 未來展望

拉薩市城關(guān)區(qū)位于青藏高原腹地,生態(tài)環(huán)境本底脆弱,快速的城市擴展過程對當(dāng)?shù)刈匀簧硯韲?yán)重威脅。本文結(jié)合長時間序列遙感數(shù)據(jù)與生境質(zhì)量模型,全面評估了拉薩市城關(guān)區(qū)近50年的城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的綜合影響,對保護區(qū)域生物多樣性、促進城市景觀可持續(xù)、緩解人地矛盾具有參考價值。

研究仍存在不足。一方面,在生境質(zhì)量模型參數(shù)設(shè)置方面,生境質(zhì)量賦值與威脅因子權(quán)重等均參考現(xiàn)有研究確定,模型參數(shù)本地化還需要結(jié)合實地考察數(shù)據(jù)進一步完善。另一方面,沒有考慮自然生境斑塊破碎化等進一步導(dǎo)致的連通性下降等問題,導(dǎo)致評價結(jié)果可能存在低估。另外,在拉薩市城市擴展過程中,當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門采取了植樹造林和濕地恢復(fù)等一系列措施來提高自然生境質(zhì)量,在文中還未體現(xiàn)。

未來研究將通過多尺度融合與多技術(shù)結(jié)合,進一步聚焦青藏高原城市擴展過程對自然生境的綜合影響評估。通過實地調(diào)查、遙感技術(shù)、空間統(tǒng)計和模型模擬等多方法結(jié)合,結(jié)合青藏高原區(qū)域特征進行模型本地化處理,預(yù)估未來城市擴展過程以及城市周邊生態(tài)保護與恢復(fù)措施對區(qū)域自然生境的可能影響,為青藏高原城市景觀可持續(xù)與生態(tài)安全屏障建設(shè)提供科學(xué)建議。

5 結(jié)論

本文結(jié)合鎖眼衛(wèi)星、Landsat和Google Earth在內(nèi)的長時間序列遙感數(shù)據(jù),應(yīng)用InVEST模型生境質(zhì)量模塊,有效地評估了拉薩市城關(guān)區(qū)近50年城市擴展過程對自然生境質(zhì)量的綜合影響。研究區(qū)1968—2019年城市擴展過程導(dǎo)致區(qū)域自然生境質(zhì)量加速下降,共下降了12.69%。自然生境質(zhì)量同時受到城市擴展過程的直接影響和間接影響。在不同自然生境類型中,林地和濕地受到城市擴展過程影響明顯,生境質(zhì)量分別下降了96.59%和49.21%。其中,林地主要被城鎮(zhèn)建設(shè)用地直接占用,濕地則主要受城市擴展過程的間接影響。該地區(qū)城市擴展過程導(dǎo)致的自然生境質(zhì)量下降已經(jīng)對16種瀕危物種構(gòu)成了威脅。

因此,在青藏高原的城市擴展過程中,需同時關(guān)注新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地對林地和濕地的直接占用和間接影響。建議在自然保護區(qū)等重要自然生境周邊建立緩沖區(qū),在控制緩沖區(qū)內(nèi)城市擴張和人類活動強度的同時積極推行生態(tài)恢復(fù)措施,協(xié)調(diào)城市建設(shè)與生物多樣性保護,以促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。