夾金山脈大熊貓棲息地土地利用變化對生境質量的影響1)

陳玉美 馬月偉 潘健峰 陳艷

(西南林業(yè)大學，昆明，650224)

土地利用是人與自然相互作用的成果，能揭示區(qū)域空間格局分異，透視人地關系現(xiàn)狀，掌握人類活動發(fā)展軌跡[1-2]。生境質量是衡量生態(tài)環(huán)境在一定范圍內能否給物種提供適宜生存繁衍條件的能力[3]。隨著人類活動加劇，自然景觀變?yōu)楦?、建設用地，造成景觀格局破碎化，致使生境質量下降，因此，土地利用變化成為影響生境質量重要因素。土地利用變化對生境質量的影響是目前研究的熱點，常用最大熵模型(MAXEnt模型)、生態(tài)系統(tǒng)服務和權衡的綜合評估模型(InVEST)等對生境質量及潛在生境進行定量化、空間化評價、生境質量評估預測等[4-6]。

夾金山脈大熊貓棲息地是我國大熊貓國家公園建設、自然保護區(qū)管理等生態(tài)項目推進的重點區(qū)域，對大熊貓保護及維持區(qū)域生物多樣性具有重要意義。雖然大熊貓保護度和關注度不斷上升，但由于大熊貓和人類存在資源(土地、竹類等)利用共性，大熊貓棲息地依然面臨棲息地破碎化、適宜生境減縮和生境質量下降等[7]。目前對大熊貓棲息地生境研究主要有：生境適宜性評價及模擬[8-9]、生境選擇[10-12]、景觀格局變化[13-16]、生境質量[17]等，而且研究的重點集中在秦嶺片區(qū)、王郎和唐家河自然保護區(qū)。對夾金山脈大熊貓棲息地現(xiàn)有研究集中于景觀格局與風險評估[18]、遺產保護管理與價值[19]、旅游開發(fā)[20]等，而對大熊貓棲息地生境質量和土地利用變化的相關性研究較少，因此，對長時間序列土地利用時空格局變化及對生境質量影響有待深入研究。以夾金山脈大熊貓棲息地2001—2021年4景影像為數(shù)據(jù)源，利用土地利用變化軌跡分析4個時期地類時空變化軌跡，利用InVEST模型分析生境質量變化，探索土地利用變化對生境質量的影響，為珍稀物種保護、合理規(guī)劃利用土地資源提供技術支持。

1 研究區(qū)概況

夾金山脈大熊貓棲息地是我國大熊貓種群最大、范圍最廣和最完整的棲息地[21]。位于青藏高原東緣向四川盆地的過渡地帶，以中起伏高中山為主體，屬亞熱帶季風氣候為基帶的山地氣候，降水集中于5—9月，年降水量800～1 500 mm。夾金山脈也是生物多樣性與稀瀕物種富集區(qū)，動植物資源豐富，有極高生物多樣性保護價值，維管植物約3 000種，野生脊椎動物429種，大熊貓等國家一級保護動物14種，小熊貓等國家二級保護動物53種，現(xiàn)有野生大熊貓約240只，占全國總數(shù)的25%。

圖1 研究區(qū)

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取夾金山脈大熊貓棲息地2001年、2009年、2016年、2021年4期跨度為20 a的衛(wèi)星影像(見表1)。影像和DEM數(shù)據(jù)通過美國地質調查局(USGS)網(wǎng)站(https://earthexplorer.usgs.gov/)和地理空間數(shù)據(jù)云(https://www.gscloud.cn/)獲取[22]，云量小于5%，解譯精度超過85%。利用ENVI5.3進行輻射定標、大氣校正等預處理，采用監(jiān)督分類和人工目視解譯，劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6類[23]，借助ArcGIS10.8得到土地利用現(xiàn)狀圖(見圖2)。文中數(shù)據(jù)均采用WGS_1984_UTM_Zone_48N投影坐標系。

表1 影像數(shù)據(jù)信息

2.2 土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度指某類土地變化速率，表達式為：

式中：K表示單一土地利用動態(tài)度，Ua、Ub分別表示地類在研究初期、末期的面積，T為研究的時間跨度。

2.3 土地利用變化軌跡

借助ArcGIS將2001—2021年四期土地利用圖進行融合、相交分析，得到地類變化軌跡[24-27]。相交面積超過1 km2的樣本共93個，從中選取面積排名前30的軌跡，劃分為穩(wěn)定型(研究期內地類未發(fā)生轉移，穩(wěn)定性強)和變化型，變化型分為單一型(研究期內地類發(fā)生一次轉移，穩(wěn)定性處中等水平)和波動型(研究期內地類發(fā)生兩次轉移，地類間轉換速率快，穩(wěn)定性差)。將耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用土地分別用代碼a、b、c、d、e、f表示，不同時期地類變化軌跡可用四個字母組合的代碼表示，例如：cbbb的軌跡代表草地(2001)→林地(2009)→林地(2016)→林地(2021)。

2.4 生態(tài)系統(tǒng)服務和權衡的綜合評估模型

生態(tài)系統(tǒng)服務和權衡的綜合評估模型(InVEST)是計算生態(tài)環(huán)境在一定范圍內能否給物種提供適宜生存繁衍條件的能力，模型中生境質量模塊，根據(jù)威脅源權重、最大威脅距離及不同地類對威脅因子的敏感度，計算生境質量指數(shù)。根據(jù)模型參考值及相關文獻[28-29]設置參數(shù)(見表2、表3)。具體運算公式如下：

式中：r為威脅源；為y威脅源r中的柵格；dxy生境與威脅源之間的距離；drmax威脅源r的影響范圍；Qxj為j類土地類型中柵格x的生境質量；Dxj為j類土地類型中柵格x的退化度；Hj為j類土地類型的生境適宜度；k半飽和常數(shù)Dxj最大值的一半；z默認參數(shù)。

圖2 夾金山脈大熊貓棲息地2001—2021年土地利用現(xiàn)狀

表2 威脅源屬性

表3 土地利用類型的生境適宜性及對不同威脅源的敏感度

2.5 土地利用轉型生境貢獻率

生境貢獻率指某種地類發(fā)生轉移從而導致區(qū)域生境質量發(fā)生改變的比率[30]。表達式為：

Q=(Qt+1-Qt)×Sc/S。

式中：Q為土地利用轉型生境貢獻率，Qt+1、Qt分別為土地變化末期和初期某地類的生境質量指數(shù)，Sc為該變化地類的面積，S為土地總面積。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化總體特征

表4可知，夾金山脈大熊貓棲息地地類以林地、草地為主，約占棲息地總面積90%。從動態(tài)度看，耕地、草地、未利用地變化率均為負值，表明該三個地類面積逐年減少，而建設用地、林地、水域均為正值，表明該三個地類面積逐年增加。其中建設用地變化最為顯著，動態(tài)度為18.93%；其次為耕地和未利用地，動態(tài)度在波動中增加；再次為草地，在1%上下波動；林地動態(tài)度最小，水域自2009年后動態(tài)度變小。

表4 2001—2021年各類土地利用面積及動態(tài)度

3.2 土地利用變化軌跡

由表5、圖3可知，地類變化穩(wěn)定型。穩(wěn)定地類占總面積77.99%，遠高于波動地類，表明整個夾金山脈大熊貓棲息地地類整體波動小。林地作為夾金山大熊貓棲息地優(yōu)勢景觀，不變面積達3 054.4 km2，穩(wěn)定性最強。草地穩(wěn)定性僅次于林地，不變面積為912.93 km2，一方面是在大熊貓棲息地內管控放牧行為使得草地得到良好的養(yǎng)護，另一方面是草地主要分布在高海拔地區(qū)，轉換難度大。耕地面積為57.12 km2，表明耕地變化較為頻繁，和退耕還林還草、建設用地占用有密切聯(lián)系。建設用地面積和占比最低，僅為9.26 km2，轉換速率快，穩(wěn)定性差。未利用土地和水域面積及比例均小于1%，期間雖有波動但整體變化小。從空間分布來看穩(wěn)定型地類主要分布于山地和遠離鄉(xiāng)鎮(zhèn)的區(qū)域，受城鎮(zhèn)化影響相對較小，此外相關的林草管護政策，使林草資源得到良好的養(yǎng)護，整體變化較小。

地類變化單一型。單一型占總面積15.79%，林地以轉入為主，共轉入503.94 km2。耕地和草地轉入面積和比例較高，共轉入461.6 km2，占整個地類變化單一型50%以上。未利用地轉入面積為34.41 km2，這是退耕還林還草、實施天保工程、種植人工林等多因素合力作用的結果。耕地轉變?yōu)榱值?80.41 km2，反映了在一定時期內居民存在毀林開荒現(xiàn)象，導致大熊貓生境喪失和破碎化。2009年以后有0.09%林地轉為未利用地，表明存在少量疏林地退化為未利用地的現(xiàn)象。草地主要在林地和未利用地間轉移，總轉移面積為115.5 km2。建設用地的擴張主要表現(xiàn)為侵占耕地和林地，共轉入131.27 km2，林地1.35%、耕地1.14%分別被建設用地侵占。未利用土地以轉出為主，共轉出77.97 km2，未利用土地1.49%向林地和草地轉移，這主要得益于上世紀80年代，大熊貓棲息地內實施綠化荒山等行動，使得未利用地逐漸轉變?yōu)椴莸睾土值?。從空間分布來看，各個地類之間的相互轉換軌跡分布較為分散，且散布均勻。

地類變化波動型。波動型占比較小，僅占總面積的4.81%。林地在整個波動型中轉入最多，由耕地、草地共轉入84.56 km2，首先在2001—2009年或2001—2016年由草地轉為耕地、耕地轉為草地或未利用地轉為草地，而2009年或2016年后由草地或耕地轉為林地，表明初期存在少量開墾草地耕種現(xiàn)象，在退耕還林還草及相關的保護政策的實施下，耕地逐漸轉變?yōu)椴莸鼗蛄值兀蠢玫匾仓饾u變?yōu)椴莸?，再變成林地，表明相關的生態(tài)保護措施頗具成效。建設用地轉入面積為67.01 km2，主要表現(xiàn)為在2001—2009年或2001—2016年由林地轉為耕地、草地轉為耕地或耕地轉為草地，而2009年或2016年后建設用地擴張占用耕地或草地，表明在初期居民存在毀林開荒及撂荒現(xiàn)象現(xiàn)象，后期建設用地擴張占用耕地及草地。其它土地類型轉為草地的面積為51.2 km2，占比為0.97%，主要表現(xiàn)為2001—2009年或2001—2016年草地退化為未利用地或草地向疏林地過渡，而2009年或2016年后未利用地向草地轉化、疏林地逐漸退化為草地?？臻g分布變化較為劇烈的地塊主要集中在低海拔受人類活動影響較大的城鎮(zhèn)分布區(qū)，地類之間轉換速率快，波動大。

3.3 生境質量

由圖4、表6可知，從時間尺度來看，2021年較2001年生境質量指數(shù)平均值變化率為3%，整體變化較小，生境等級有所提高。2001—2009年高等級生境增加約4%，中等級生境比例減少約3%，其他等級呈小幅減縮，整體生境質量變化較小。2009—2016年生境質量平均值下降約0.01，高等級生境質量比例減少近6%，較高等級生境質量增加約6%，靠近人類活動區(qū)高等級生境比例減少，高等級生境退化為較高等級。2016—2021年生境質量平均值增加了0.02，高等級生境增加了約6.2%，其余生境等級比例均小幅下降，整體生境質量上升，這和長期堅持實施退耕還林還草、天然林保護工程有較強相關性。

表5 土地利用變化型軌跡統(tǒng)計

編碼土地利用變化單一型土地利用變化軌跡面積/km2比例/%cbbb草地→林地112.992.15ccbb草地→林地90.211.71aabb耕地→林地87.721.67cccb草地→林地72.741.38abbb耕地→林地50.780.96bbba林地→耕地43.170.82bbee林地→建設用地36.640.70aaab耕地→林地36.460.69bbcc林地→草地34.650.66aaee耕地→建設用地34.360.65bbaa林地→耕地32.830.62bbbe林地→建設用地25.960.49ffcc未利用地→草地25.020.48bbbc林地→草地19.980.38fbbb未利用地→林地19.530.37aaae耕地→建設用地17.530.33bbcc林地→草地17.310.33fffc未利用地→草地11.360.22beee林地→建設用地8.400.16aeee耕地→建設用地8.380.16ebbb建設用地→林地7.930.15ffbb未利用地→林地7.830.15ffcc未利用地→草地7.180.14fffb未利用地→林地7.050.13abbb耕地→林地5.450.10cccb草地→林地5.250.10bfff林地→未利用地4.910.09總計831.6415.79

編碼土地利用變化波動型土地利用變化軌跡面積/km2比例/%bbae林地→耕地→建設用地29.710.56cbcc草地→林地→草地24.830.47fcbb未利用地→草地→林地23.380.44babb林地→耕地→林地18.820.36baab林地→耕地→林地15.490.29cfcc草地→未利用地→草地14.450.27aacb耕地→草地→林地12.490.24cbbc草地→林地→草地11.920.23baae林地→耕地→建設用地10.680.20baee林地→耕地→建設用地7.150.14caae草地→耕地→建設用地6.250.12acbb耕地→草地→林地5.970.11caee草地→耕地→建設用地5.310.10accb耕地→草地→林地5.010.10ccae草地→耕地→建設用地3.970.08aace耕地→草地→建設用地3.940.07fccb未利用地→草地→林地3.400.06總計202.773.84

圖3 夾金山脈大熊貓棲息地2001-2021年土地利用轉移空間分布

從空間尺度上看，生境質量異質性明顯，整體空間分布呈現(xiàn)中間低，四周高，外圍低的環(huán)狀分布，低、較低、中等級生境質量分布區(qū)影響范圍減縮，高級和較高級生境質量分布區(qū)范圍擴大。生境質量空間分布與地類具有較強空間相關性，高、較高級生境質量等級占58%，主要分布于中部海拔相對較高的林地集中區(qū)。中等生境質量等級占21%以上，以草地集中區(qū)為主。低級和較低級生境質量等級占13.5%，主要集中于低海拔耕地、建設用地分布區(qū)，城鎮(zhèn)分布較為集中且經(jīng)濟相對發(fā)達、人口多、產業(yè)密集，人類活動對生境干擾強度大，部分集中于未利用地分布區(qū)，自然本底弱，生境質量低。

圖4 生境質量空間分布

表6 各時期生境質量等級占比及生境質量指數(shù)平均值

3.4 土地利用變化對生境質量的影響

3.4.1 土地利用類型及變化對生境質量影響

由圖5、表7可知，整個生境質量變化區(qū)域主要集中于耕地、建設用地分布區(qū)以及靠近人類活動區(qū)域。2001—2009年生境質量變化整體退化比例(6.77%)低于提高比例(10.92%)，生境退化區(qū)主要集中于靠近耕地、建設用地分布區(qū)，受人類活動影響生境退化；生境提高區(qū)集中于小河鄉(xiāng)、老廠鄉(xiāng)、大溪鄉(xiāng)、寶盛鄉(xiāng)等低海拔地帶，因耕地轉為林地，生境質量提高。2009—2016年間生境退化比例(13.76%)超過生境提高比例(9.37%)，生境退化區(qū)相較于上個時期范圍擴大；生境質量提高區(qū)集中未利用土地分布區(qū)，至2016年未利用土地轉為草地，部分集中于蘆山縣內，耕地和草地向林地轉移，生境質量提高。2016—2021年間生境提高比例(15.91%)遠高于生境退化比例(5.63%)，生境退化區(qū)域明顯減少，零星散落于研究區(qū)。

由表8可知，生境質量較高有林地、草地、水域，生境質量指數(shù)平均值分別為0.80、0.51、0.54，而作為威脅因子的耕地、建設用地、未利用土地的生境質量指數(shù)平均值較低，分別為0.07、0.16、0.06。2001—2009年威脅因子中耕地、草地、未利用土地面積減少，土地利用動態(tài)度分別為-0.34%、-1.56%、-1.17%，而林地、建設用地面積增加且動態(tài)度達0.86%、12.06%，該階段耕地、林地、草地、未利用土地生境質量有所提高，但建設用地生境質量指數(shù)降低0.17。2009—2016年林地增幅放緩，建設用地成倍增加，各個地類生境質量平均值均有不同程度下降，總體生境質量指數(shù)平均值降低0.01。2016—2021年威脅因子中耕地和未利用地動態(tài)度分別為-3.99%、-4.90%，建設用地動態(tài)度相較于前兩個時期減少近一半，林地和水域動態(tài)度小幅增加，致使各個地類生境質量指數(shù)平均值均有不同程度提高，總體生境質量指數(shù)提高0.02。

表7 生境質量變化統(tǒng)計

圖5 生境質量變化圖

表8 各時期地類生境質量指數(shù)

3.4.2 土地利用轉型生境貢獻率

由表9可知，草地和耕地向林地的轉化面積最高，分別為281.19、207.82 km2，其中耕地向林地轉化對生境質量提高貢獻率最高，貢獻率為3.07%，此外耕地轉林地、未利用地轉草地和林地，也對保護區(qū)生境質量提高有積極作用。在降低生境質量變化中，以林地轉為建設用地和林地轉為草地為主，轉移面積分別為118.54、71.94 km2，主要表現(xiàn)為林地的退化，建設用地擴張對草地和林地的侵占，其中建設用地占用林地對降低生境質量貢獻率為1.62%，建設用地占用草地和耕地較低，此外林地退化為草地也削弱了生境質量。

2006年夾金山脈大熊貓棲息地被評為世界遺產地后，至2021年保護區(qū)林地面積共增加了309.53 km2；1999年四川省實施“退耕還林(草)工程”以來，截至2021耕地面積減少了198.05 km2，森林覆蓋率達70.04%，生境質量水平提高。

表9 主要土地利用轉移類型及貢獻率

4 結論與討論

(1)2001—2021年，研究區(qū)地類以林地、草地為主，變化軌跡中穩(wěn)定型的比例為77.99%地類整體波動較?。粏我恍偷谋壤秊?5.79%，主要是草地、耕地、未利用地、林地之間的相互轉移，建設用地擴張對林地和耕地的侵占；波動型的比例為4.81%，主要表現(xiàn)為耕地、林地、草地、建設用地交替變化，以及部分草地、未利用地、林地等地類間相互轉移。

(2)2001—2021年，整個研究區(qū)生境質量等級以高等級生境為主，中級以上生境的比例為85%，生境質量指數(shù)平均變化率為3%，生境質量水平較為穩(wěn)定?？臻g異質性明顯，呈現(xiàn)中間低，四周高，外圍低的環(huán)狀分布，低、較低、中等生境質量分布區(qū)影響范圍減縮，高級和較高級生境范圍擴大。

(3)生境質量和土地利用變化有較強的相關性，耕地、未利用地、草地減少、林地增加生境質量提高，建設用地增加生境退化。在退耕還林還草工程及天然林保護、世界遺地建立等生態(tài)保護政策合力作用下生境質量提高趨勢超過生境退化趨勢。

夾金山脈大熊貓棲息地占整個區(qū)域90%，受退耕還林還草、封山育林、綠化荒山等政策影響，林地面積逐年增加，耕地、草地、未利用地減少，表明政策因素是制約土地利用變化的主導因素。生境質量等級及比例雖有波動但整體擾動小，且生境質量空間分布與地類有較強空間相關性。大熊貓棲息地內天然林禁伐、封山育林、退耕還林還草對棲息地林業(yè)資源保護和恢復起著決定性作用[13，31]；政策實施后林業(yè)資源得到合理保護，林地斑塊增加，農用地面積減少[32]，生態(tài)環(huán)境狀況向適宜大熊貓生存方向發(fā)展[33]。雖然夾金山脈寶興河流域鍋巴巖礦山區(qū)域整體生境質量有所下降，但變化不明顯，表明生境質量變化與土地利用格局之間具有相關性[34]。

考慮到大熊貓棲息地的典型性和獨特性，因此在未來研究中，應將景觀格局驅動因素納入評價體系。因為除政策因素外，人類活動可能導致特定物種數(shù)量減少和生態(tài)系統(tǒng)結構的累進變化[16]，應多因素融合，定量識別干擾因子；生境質量參數(shù)設置相對較為局限，未來在生境質量中可將人口密度、夜間燈光數(shù)據(jù)、城鎮(zhèn)化率等社會經(jīng)濟因子納入威脅因子的范疇，引入水源涵養(yǎng)、土壤保持等其他模塊，綜合分析土地利用變化對大熊貓生境的影響，并采用情景模擬等方法對未來土地利用及生境質量變化進行預測模擬；生境質量時空格局演化深受土地利用變化影響，人類活動空間與大熊貓生存空間的相互關系是亟需解決的問題，也是棲息地保護的關鍵。因此，揭示人類活動空間與大熊貓生存空間的影響機理和耦合機制，未來是未來研究的重要課題。