基于土地利用變化的江蘇鹽城濕地自然保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量評估

李 瀟，楊加猛*，陳禹衡，毛嶺峰，葛之葳

(1.南京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037)

生物多樣性是人類社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的基石和保障，也是衡量一個地區(qū)環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)文明程度的重要標(biāo)志[1]。然而經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和全球氣候變化給生物多樣性帶來了日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2-3]。建立自然保護(hù)區(qū)是保護(hù)區(qū)域生境質(zhì)量和生物多樣性最直接、最有效的方式[4-5]。世界自然保護(hù)聯(lián)盟(International Union for Conservation of Nature, IUCN)將自然保護(hù)區(qū)定義為“通過法律及其他有效方式用以保護(hù)和維護(hù)生物多樣性、自然及文化資源的土地或海洋”[6]。截至2018年7月，全球各種類型、不同級別的自然保護(hù)區(qū)覆蓋了全球陸地面積的14.9%和海洋面積的16.8%[7]。但已有研究表明，在生物多樣性保護(hù)成效方面，自然保護(hù)區(qū)存在明顯不足，只有20%～50%的保護(hù)地得到了有效管理[8-9]。在世界各國自然保護(hù)區(qū)飛速發(fā)展的同時，如何評估自然保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量和生物多樣性保護(hù)成效逐漸引起人們的關(guān)注[10-12]。

土地利用變化是造成全球生境喪失、生物多樣性減少的直接原因之一[13-14]，目前有關(guān)區(qū)域生境質(zhì)量和生物多樣性保護(hù)成效評估的研究大多基于研究區(qū)域的土地利用變化情況展開。相關(guān)研究主要集中于兩方面：一是通過量化生物多樣性保護(hù)價值對生物多樣性保護(hù)成效進(jìn)行評估，研究成果基本涵蓋了不同類型的生態(tài)系統(tǒng)，如濕地生態(tài)系統(tǒng)[15]、熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)[16]、草地生態(tài)系統(tǒng)[17]、海洋生態(tài)系統(tǒng)[18]、海島生態(tài)系統(tǒng)等[19]；二是運(yùn)用InVEST模型生境質(zhì)量模塊對研究區(qū)域生物多樣性保護(hù)成效進(jìn)行評估，目前該模塊已被廣泛運(yùn)用于我國三江平原地區(qū)[20]、內(nèi)蒙古地區(qū)[21]、白洋淀流域[22]，以及印度尼西亞中部地區(qū)[23]和美國明尼蘇達(dá)州[24]等不同區(qū)域、不同尺度的生物多樣性保護(hù)成效研究中。

江蘇鹽城濕地珍禽國家級自然保護(hù)區(qū)(簡稱鹽城自然保護(hù)區(qū))是我國第一個濱海濕地類型的世界自然遺產(chǎn)，生物多樣性保護(hù)意義重大。為此，本研究基于鹽城自然保護(hù)區(qū)2000—2018年5期土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、InVEST模型等方法對鹽城自然保護(hù)區(qū)的生境質(zhì)量進(jìn)行評估，以期為提升保護(hù)區(qū)生物多樣性保護(hù)水平、改善區(qū)域生境質(zhì)量提供決策參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇鹽城自然保護(hù)區(qū)位于我國江蘇省鹽城市沿海區(qū)域(119°29′～121°16′E， 32°20′～34°37′N)，地跨響水、濱海、射陽、大豐、東臺5個縣(市)，海岸線長達(dá)528 km[25]。該保護(hù)區(qū)地處暖溫帶向亞熱帶過渡地區(qū)，受海洋性氣候、大陸性氣候雙重影響，保護(hù)區(qū)內(nèi)空氣濕潤、日照充足、雨熱同期。年均氣溫為13～14 ℃，全年風(fēng)速為4～5 m/s，全年無霜期216～225 d，全年平均降水量為900～1 100 mm，且降雨分配不均，5—9月雨量較為集中[26]。鹽城自然保護(hù)區(qū)包含核心區(qū)、緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)3個部分，經(jīng)過兩次功能區(qū)規(guī)劃調(diào)整，目前保護(hù)區(qū)總面積為247 260 hm2[27]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究使用的5期(2000年、2005年、2010年、2015年和2018年)江蘇省土地利用柵格數(shù)據(jù)(空間分辨率為30 m)、縣級行政區(qū)劃數(shù)據(jù)以及國家級自然保護(hù)區(qū)邊界數(shù)據(jù)，均來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)。根據(jù)土地資源及其利用屬性對鹽城自然保護(hù)區(qū)各土地利用類型進(jìn)行分類：一級(二級)分類包括耕地(水田、旱地)，林地(有林地)，草地(高覆蓋度草地)，水域(河渠、水庫坑塘、灘涂)，城鄉(xiāng)、工礦、居民用地(農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地)，未利用土地(裸地)6類。

1.3 生境質(zhì)量評估方法

采用InVEST模型[28-29]中評估區(qū)域生物多樣性狀況的Habitat Quality專業(yè)模塊，結(jié)合研究區(qū)域土地利用信息，提取對研究區(qū)域生物多樣性構(gòu)成威脅的各種生態(tài)威脅因子,并依據(jù)各生境對生態(tài)威脅因子的敏感度，以生境退化程度和生境質(zhì)量指數(shù)為主要指標(biāo)，對研究區(qū)域的生境退化程度和生境質(zhì)量進(jìn)行評價[30-31]。

生境退化度(Dxj)的計(jì)算公式為：

(1)

式中：R表示生態(tài)威脅因子的數(shù)量；r為生境的生態(tài)威脅因子；Yr表示生態(tài)威脅因子r圖層?xùn)鸥竦臄?shù)量；Wr表示生態(tài)威脅因子的權(quán)重；ry表示威脅因子對生境y的影響程度，取值為0～1；βx表示柵格x可接近的水平；Sjr表示土地利用類型j對生態(tài)威脅因子r的敏感程度；irxy表示生態(tài)威脅因子r在柵格x的生境對柵格y的影響。irxy=1-dxy/dr,max，其中，dxy表示柵格x與y之間的線性距離，dr,max表示生態(tài)威脅因子r的最大影響距離。

生境質(zhì)量Qxj的計(jì)算公式為：

(2)

式中：Qxj表示土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量；Hj表示土地利用類型j的生境適宜度；Dxj表示土地利用類型j中柵格x的生境退化度；z為歸一化指數(shù)，k為半飽和常數(shù)。參考相關(guān)文獻(xiàn)[32-33]及InVEST模型用戶手冊，z取值為2.5，k為默認(rèn)值0.5。

根據(jù)文獻(xiàn)[34-36]并結(jié)合鹽城自然保護(hù)區(qū)的土地利用實(shí)際情況，將水田、旱地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地4類土地利用類型作為生態(tài)威脅因子，4個生態(tài)威脅因子的最大影響距離依次為8、8、5和7 km，權(quán)重依次為0.7、0.7、0.6和1.0，水田、旱地的衰退關(guān)系為線性關(guān)系，農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地的衰退關(guān)系為指數(shù)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽城自然保護(hù)區(qū)土地利用變化時空格局

《鹽城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)“十三五”規(guī)劃》中明確要求“加強(qiáng)鹽城國家級自然保護(hù)區(qū)保護(hù)和建設(shè)，強(qiáng)化灘涂濕地修復(fù)治理”[37]。結(jié)合鹽城自然保護(hù)區(qū)2000—2018年的5期土地利用情況，發(fā)現(xiàn)鹽城自然保護(hù)區(qū)土地利用類型較為豐富，而且研究期間保護(hù)區(qū)內(nèi)土地利用格局發(fā)生了較為明顯的變化。其中，2005—2010年、2015—2018年兩個時期鹽城自然保護(hù)區(qū)的土地利用變化情況尤為明顯(表1)。

表1 鹽城自然保護(hù)區(qū)2000—2018年土地利用情況

2005—2010年，保護(hù)區(qū)的水庫坑塘和灘涂面積增加，其中水庫坑塘增加的面積最多，共計(jì)為162.36 km2，增加的水庫坑塘面積主要來自保護(hù)區(qū)北部和中部的部分其他建設(shè)用地和高覆蓋度草地；其他建設(shè)用地、旱地和高覆蓋度草地面積減少，其他建設(shè)用地面積減少最多，共減少了172.36 km2，下降幅度為51.01%；水田、有林地、河渠以及農(nóng)村居民點(diǎn)面積基本穩(wěn)定。2010—2018年，水庫坑塘成為保護(hù)區(qū)主要的土地利用類型，2018年占比達(dá)48.67%；原本分布在保護(hù)區(qū)北部和中部的部分其他建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樗畮炜犹?。旱地是保護(hù)區(qū)內(nèi)第二大土地利用類型，主要分布在保護(hù)區(qū)的中部和南部；其他建設(shè)用地面積則急劇下降，共減少了159.70 km2，下降幅度為96.48%。2000—2018年，高覆蓋度草地的面積持續(xù)減少，下降幅度為48.41%；雖然有林地面積占比小，但在整個研究期內(nèi)連年下降，到2018年保護(hù)區(qū)內(nèi)已無該利用類型。

基于鹽城自然保護(hù)區(qū)2000年、2018年兩期土地利用數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的疊加分析功能統(tǒng)計(jì)2000—2018年保護(hù)區(qū)內(nèi)各土地利用類型轉(zhuǎn)移的方向和面積，分析研究期間保護(hù)區(qū)各土地利用類型的轉(zhuǎn)移特征。2000—2018年保護(hù)區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移情況如表2所示。從土地轉(zhuǎn)入方面來看，轉(zhuǎn)入面積最高的是水庫坑塘，轉(zhuǎn)入面積為332.78 km2，其次是旱地，轉(zhuǎn)入面積為122.86 km2，高覆蓋度草地和其他建設(shè)用地是這兩類土地利用類型的主要轉(zhuǎn)入來源。從土地轉(zhuǎn)出方面來看，保護(hù)區(qū)轉(zhuǎn)出面積最大的土地利用類型是其他建設(shè)用地和高覆蓋度草地，轉(zhuǎn)出面積分別為330.98 km2和106.54 km2。其中其他建設(shè)用地及高覆蓋度草地的主要流向均為水庫坑塘和旱地?？傮w來看，2000—2018年鹽城自然保護(hù)區(qū)土地利用類型轉(zhuǎn)移最明顯的特征就是高覆蓋度草地和其他建設(shè)用地向水庫坑塘及旱地轉(zhuǎn)變。

表2 鹽城自然保護(hù)區(qū)2000—2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2.2 鹽城自然保護(hù)區(qū)生境退化程度時空格局

參考文獻(xiàn)[34-36]并結(jié)合鹽城自然保護(hù)區(qū)的土地利用實(shí)際情況，水田、旱地、農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地這4個生態(tài)威脅因子中，水田、旱地的衰退關(guān)系為線性，農(nóng)村居民點(diǎn)和其他建設(shè)用地的衰退關(guān)系為指數(shù)關(guān)系。各土地利用類型對不同生態(tài)威脅因子的敏感度見表3。

表3 鹽城自然保護(hù)區(qū)主要土地利用類型對不同生態(tài)威脅因子的敏感度

運(yùn)行InVEST模型的生境質(zhì)量模塊得到2000—2018年鹽城自然保護(hù)區(qū)生境退化程度空間分布圖(圖1A)。利用自然斷點(diǎn)法，對研究區(qū)域內(nèi)的生境退化程度進(jìn)行等級劃分，根據(jù)退化度(Dxj)具體劃分為4個等級：[0，0.006)為輕度退化，[0.006，0.02)為中度退化，[0.02，0.04)為高度退化，[0.04，0.08)為嚴(yán)重退化(圖1B)。

圖1 鹽城自然保護(hù)區(qū)2000—2018年生境退化程度和生境質(zhì)量空間分布格局Fig.1 Spatial distribution pattern of habitat degradation and quality in Yancheng Nature Reserve from 2000 to 2018

從空間格局看，2000—2018年鹽城自然保護(hù)區(qū)大部分地區(qū)的生境退化程度較低。保護(hù)區(qū)北部的生境退化程度一直比較低，結(jié)合保護(hù)區(qū)土地利用情況，2000—2018年該地區(qū)的其他建設(shè)用地逐漸轉(zhuǎn)換為水庫坑塘，該區(qū)域受人為活動干擾較小，生境退化程度不高。保護(hù)區(qū)中部和南部的生境退化程度變化較為明顯，主要是因?yàn)檫@些區(qū)域高覆蓋度草地面積減少、旱地面積增加，人類活動較為頻繁，生態(tài)環(huán)境受到較大影響。

從時間尺度看，結(jié)合鹽城自然保護(hù)區(qū)生境退化程度等級面積及比例表(表4)可以發(fā)現(xiàn)，2000—2018年保護(hù)區(qū)內(nèi)輕度退化的區(qū)域面積呈現(xiàn)波動下降的趨勢。2000—2010年輕度退化的區(qū)域面積先小幅度減少后再小幅度增加，在2010—2015年間該等級區(qū)域面積基本穩(wěn)定在388 km2左右，但在2015—2018年該等級區(qū)域面積大幅度減少至277.88 km2。鹽城自然保護(hù)區(qū)中度退化的區(qū)域面積在近20年間一直持續(xù)增加。高度退化和嚴(yán)重退化的區(qū)域面積總體上均呈增長趨勢，2000—2005年間區(qū)域面積都少量增加，2005—2015年間區(qū)域面積基本穩(wěn)定，但2015—2018年間高度退化的區(qū)域面積急劇增加，嚴(yán)重退化的區(qū)域面積少量增長。這表明2000—2018年鹽城自然保護(hù)區(qū)的生境退化程度在不斷加深，并且后3年的生境退化程度更為明顯。

表4 鹽城自然保護(hù)區(qū)2000—2018年各時期生境退化等級面積及比例

依據(jù)生態(tài)威脅因子的敏感度，利用ArcGIS區(qū)域統(tǒng)計(jì)工具得到2000—2018年鹽城自然保護(hù)區(qū)生境退化程度指數(shù)(圖2)。從保護(hù)區(qū)整體生境退化程度指數(shù)看，2000—2018年保護(hù)區(qū)內(nèi)的生境退化程度較低，呈現(xiàn)波動上升的趨勢。2000—2005年保護(hù)區(qū)生境退化程度指數(shù)平均值穩(wěn)定在0.012左右，2010年后逐年下降，2015年保護(hù)區(qū)生境退化程度指數(shù)達(dá)到最低，為0.01，但2015—2018年保護(hù)區(qū)生境退化程度急劇上升，2018年生境退化程度指數(shù)最高，為0.018。

圖2 鹽城自然保護(hù)區(qū)2000—2018年生境退化程度指數(shù)、生境質(zhì)量指數(shù)均值Fig.2 Average habitat degradation index and habitat quality index in Yancheng Nature Reserve from 2000 to 2018

2.3 鹽城自然保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量時空格局

利用ArcGIS中區(qū)域統(tǒng)計(jì)工具測算得到2000—2018年鹽城自然保護(hù)區(qū)平均生境質(zhì)量指數(shù)(圖2)。從時間尺度來看，2000—2018年保護(hù)區(qū)內(nèi)的生境質(zhì)量指數(shù)較高，呈現(xiàn)波動上升的趨勢，2000—2005年保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)均值小幅度下降，2005年后逐年上升；2010—2015年保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)均值維持在0.52左右；2015—2018年保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量均值上升顯著，2018年生境質(zhì)量均值達(dá)到最高值為0.698。值得注意的是，由于生境質(zhì)量和生境退化度的數(shù)值受土地利用類型變化的影響，2000—2015年期間有林地、高覆蓋度草地、河渠等生境適宜度較高的土地利用類型面積變化不大，導(dǎo)致2000—2015年間這兩個數(shù)值變化較小，但2018年時，有林地和高覆蓋度草地的面積發(fā)生較大變化，因此生境質(zhì)量和生境退化程度顯著加深。

運(yùn)用InVEST模型的生境質(zhì)量模塊得到2000—2018年鹽城自然保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量空間分布圖(圖1C)，利用ArcGIS中自然斷點(diǎn)法，對研究區(qū)域內(nèi)的生境質(zhì)量進(jìn)行等級劃分，具體劃分成5個等級：[0，0.177)為較低生境質(zhì)量，[0.177，0.399)為低生境質(zhì)量，[0.399，0.799)為中等生境質(zhì)量，[0.799，0.898)為高生境質(zhì)量，[0.898，1.000]為較高生境質(zhì)量(圖1D)。

從空間格局上看，2000—2018年鹽城自然保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量變化顯著。研究時期內(nèi)保護(hù)區(qū)的低生境質(zhì)量和較低生境質(zhì)量逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦呱迟|(zhì)量和較高生境質(zhì)量。生境質(zhì)量等級分布與土地利用類型分布有密切關(guān)系，2000—2015年低生境質(zhì)量主要分布在保護(hù)區(qū)北部和中部部分地區(qū)。這些區(qū)域的土地利用類型主要為其他建設(shè)用地，人類活動較多，生態(tài)環(huán)境較差。2015—2018年保護(hù)區(qū)北部和中部的其他建設(shè)用地逐漸轉(zhuǎn)換為水庫坑塘后，這些區(qū)域的生境質(zhì)量顯著提高。

從時間尺度，結(jié)合保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量等級面積及其比例可以發(fā)現(xiàn)，2000—2018年保護(hù)區(qū)內(nèi)低生境質(zhì)量的區(qū)域面積總體上呈現(xiàn)下降的趨勢(表5)。2000—2005年低生境質(zhì)量的區(qū)域面積基本穩(wěn)定，2005年后低生境質(zhì)量的區(qū)域面積持續(xù)減少。較低生境質(zhì)量的區(qū)域面積在近20年間一直保持上升的趨勢；2000—2015年中等生境質(zhì)量的區(qū)域面積一直保持小幅度減少的趨勢，但2015—2018年中等生境質(zhì)量的區(qū)域面積少量增加；較高生境質(zhì)量和高生境質(zhì)量的區(qū)域面積總體上呈增長趨勢，較高生境質(zhì)量的區(qū)域面積在2000—2010年增加較快，高生境質(zhì)量的區(qū)域面積則是在2005—2010年、2015—2018年大幅度增長。

表5 鹽城自然保護(hù)區(qū)2000—2018年各時期生境質(zhì)量等級面積及比例

3 結(jié) 論

1)2000—2018年鹽城自然保護(hù)區(qū)土地利用格局變化顯著，保護(hù)區(qū)內(nèi)最主要的土地利用類型逐漸從其他建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)樗畮炜犹粒?018年水庫坑塘和旱地成為鹽城自然保護(hù)區(qū)主要土地利用類型，這兩類土地利用類型占比合計(jì)達(dá)79.98%。

2)2000—2018年鹽城自然保護(hù)區(qū)較低生境質(zhì)量的區(qū)域面積總體上呈下降趨勢，較高生境質(zhì)量和高生境質(zhì)量的區(qū)域面積總體上呈增長趨勢，表明鹽城自然保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量和生物多樣性狀態(tài)穩(wěn)步提升，生物多樣性保護(hù)成效較為顯著。

3)2000—2018年鹽城自然保護(hù)區(qū)整體生境退化程度指數(shù)和生境質(zhì)量指數(shù)總體上呈現(xiàn)上升的趨勢，且生境退化程度指數(shù)和生境質(zhì)量指數(shù)的空間分布格局較為一致，生境退化程度高、生境質(zhì)量低的地區(qū)主要分布在保護(hù)區(qū)中部地區(qū)。

4)研究期間鹽城自然保護(hù)區(qū)生境中度退化的區(qū)域面積持續(xù)增加，高度退化和嚴(yán)重退化的區(qū)域面積總體上均呈增長趨勢，2000—2018年鹽城自然保護(hù)區(qū)的生境退化程度在不斷加深，這與鹽城自然保護(hù)區(qū)各土地利用類型轉(zhuǎn)變較為頻繁且劇烈有關(guān)。

根據(jù)上述對鹽城自然保護(hù)區(qū)土地利用格局與生境質(zhì)量的研究結(jié)果可以看出，區(qū)域土地利用格局的變化會顯著影響區(qū)域生物多樣性狀態(tài)。因此針對保護(hù)區(qū)內(nèi)土地利用類型轉(zhuǎn)變頻繁的現(xiàn)象，建議從優(yōu)化鹽城自然保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃和保持土地利用類型相對穩(wěn)定等方面著手，提升鹽城自然保護(hù)區(qū)的生境質(zhì)量。

鹽城自然保護(hù)區(qū)經(jīng)過兩次保護(hù)區(qū)功能規(guī)劃調(diào)整后，主要分為實(shí)驗(yàn)區(qū)、緩沖區(qū)和核心區(qū)三大功能區(qū)。目前除核心區(qū)禁止開發(fā)，未受到任何人為干擾外，實(shí)驗(yàn)區(qū)和緩沖區(qū)均有不少面積的濕地被侵占。根據(jù)國家自然保護(hù)地管理指導(dǎo)意見[37]，可以將鹽城自然保護(hù)區(qū)劃分為一般控制區(qū)和核心保護(hù)區(qū)兩部分。具體而言，將原本鹽城自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)升級成為核心保護(hù)區(qū)，保護(hù)未被圍墾的灘涂濕地，禁止人類活動；將緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)合并成為一般控制區(qū)，并根據(jù)相應(yīng)的資源條件、現(xiàn)實(shí)需求和目標(biāo)定位，劃分出科學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)、生態(tài)旅游觀光區(qū)、人工繁育區(qū)等不同區(qū)劃。此外，調(diào)整后各區(qū)劃中的土地利用類型，應(yīng)以保護(hù)區(qū)生物多樣性保護(hù)成效最大化為目標(biāo)，遏制生境質(zhì)量高度退化和嚴(yán)重退化的區(qū)域面積，避免各土地利用類型的頻繁變動，以促進(jìn)鹽城自然保護(hù)區(qū)生境質(zhì)量和生物多樣性狀態(tài)的穩(wěn)步提升。