基于土地利用變化的洞庭湖生境質(zhì)量空間演變及其影響因素研究

王曉華，寧啟蒙，王心怡，曾志偉

（湖南城市學(xué)院 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，湖南 益陽 413000）

人類活動導(dǎo)致物種流失，生境趨于破碎化，而棲息地的喪失和退化是生物多樣性下降的關(guān)鍵原因。[1-3]快速城鎮(zhèn)化導(dǎo)致中國失去了許多珍貴的物種和物種棲息地，政府需要獲取生境質(zhì)量信息并識別影響其變化的因素。[4-5]因此，有效地評估和監(jiān)測生境質(zhì)量變化并確定其影響因素，對于以人類為主導(dǎo)地區(qū)的生態(tài)管理具有重要意義。

早期研究側(cè)重于野生動物棲息地質(zhì)量評價(jià)，主要通過對生物多樣性和棲息地的實(shí)地調(diào)查獲取數(shù)據(jù)，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，通常只適用于小面積或特定的自然保護(hù)區(qū)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)和GPS、GIS、RS技術(shù)的進(jìn)步，學(xué)術(shù)界構(gòu)建了許多模型來評價(jià)生境質(zhì)量。目前生境質(zhì)量評價(jià)主要有實(shí)地調(diào)查、[6-7]生境指標(biāo)[8-9]和生境模型[10-11]等方法。其中實(shí)地調(diào)查既昂貴又費(fèi)時(shí)，因此常用于小范圍的物種多樣性評價(jià)，且生境實(shí)地調(diào)查往往缺乏長期連續(xù)的數(shù)據(jù)，無法評估生境質(zhì)量的時(shí)空動態(tài)；[2]生境指標(biāo)評估是用綜合遙感指數(shù)來評估生境質(zhì)量，許多研究結(jié)合生境指標(biāo)和實(shí)地?cái)?shù)據(jù)來預(yù)測生境質(zhì)量的格局；[12-13]生境模型是利用多時(shí)相衛(wèi)星圖像、物種分布和空間模型來估算生境質(zhì)量的有效方法，具體包括生態(tài)位模型、[14]生境適宜性指數(shù)模型、[15]最大熵模型（MxEnt）、[16]環(huán)境服務(wù)與權(quán)衡綜合評價(jià)模型（InVEST）[11]等。InVEST模型評估生境質(zhì)量時(shí)，可考慮其動態(tài)過程，特別是在生境質(zhì)量現(xiàn)有數(shù)據(jù)有限的地區(qū)。[17]同時(shí)InVEST模型可以基于土地利用情景分析框架快速評估生境質(zhì)量狀況和變化，該模型已被證明對生境質(zhì)量評估是有效的，對土地利用和生境質(zhì)量保護(hù)的管理具有重要意義。[18-19]生境質(zhì)量影響因素方面，土地利用變化是主要驅(qū)動因素。[20]因此，了解土地利用政策和生境質(zhì)量保護(hù)策略對土地利用規(guī)劃和生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)具有重要意義。此外，除土地利用方式所反映的社會經(jīng)濟(jì)因素外，生境質(zhì)量的分布還受到地形、地貌、植被覆蓋和人口密度等自然因素和人為因素的影響。[5]許多研究集中于探索生境質(zhì)量和土地利用變化之間的動態(tài)關(guān)系，[21-23]研究方法包括線性回歸和非線性回歸，回歸分析可以量化自變量與因變量之間的作用關(guān)系，但無法反映局部空間變化。總體而言，現(xiàn)有關(guān)于生境質(zhì)量的長期時(shí)空動態(tài)及其影響因素的研究很少。此外生境質(zhì)量與自然和社會經(jīng)濟(jì)影響因素間的關(guān)系尚待進(jìn)一步研究。

洞庭湖地區(qū)既是長江經(jīng)濟(jì)帶開放開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域，也是湖南省“一帶一部”戰(zhàn)略定位的樞紐地帶。近年來，隨著城鎮(zhèn)化的加快，洞庭湖周邊工農(nóng)業(yè)活動日益頻繁，土地利用強(qiáng)度逐漸增大，原有水域面積縮減加快，水域也在遭受污染，生態(tài)系統(tǒng)面臨著日漸增強(qiáng)的人類活動干擾，生境質(zhì)量正呈現(xiàn)衰退趨勢。因此，加強(qiáng)洞庭湖地區(qū)生境質(zhì)量研究，對于該地區(qū)國土空間高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義?；诖?，本文選取洞庭湖地區(qū)作為研究對象，運(yùn)用InVEST模型和雙變量空間自相關(guān)方法，對2000—2018年生境質(zhì)量的時(shí)空變化、空間關(guān)系以及影響因素進(jìn)行分析，旨在解決以下問題：第一，分析該地區(qū)生境質(zhì)量的時(shí)空特征；第二，了解人類行為和自然地理等要素如何影響生境質(zhì)量。

一、研究區(qū)及研究方法

（一）研究區(qū)概況

洞庭湖地區(qū)是以洞庭湖水域?yàn)橹行模蛑車来芜^渡為濕地、平原、丘陵山地的具有多樣性地貌的生態(tài)區(qū)，是長江中下游重要的調(diào)蓄性湖泊生態(tài)區(qū)，也是典型的水陸生態(tài)交錯脆弱帶，處于湘、資、沅、澧四水交匯處，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，降水豐富，雨熱同期，水、氣、土、生物資源要素豐富，生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多樣，包括濕地生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)等多種生態(tài)功能類型。[24-26]為了有效改善洞庭湖流域生境質(zhì)量，湖南省人民政府實(shí)施了《洞庭湖生態(tài)環(huán)境專項(xiàng)整治三年行動計(jì)劃（2018—2020）年》，包括農(nóng)業(yè)面源污染治理與綜合治理、退耕還林還濕地、洞庭湖自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)入侵楊樹清除、濕地修復(fù)等。通過這些措施的實(shí)施，洞庭湖流域生境質(zhì)量得到明顯改善，但生境質(zhì)量威脅依然嚴(yán)重。因此，對洞庭湖地區(qū)生境質(zhì)量開展研究具有典型性和代表性。本文參照相關(guān)規(guī)劃和研究結(jié)果，[27]選取洞庭湖地區(qū)中岳陽、益陽和常德3個地級市的部分縣（市、區(qū)）作為研究區(qū)（見圖1），總面積約2.58萬km2，約占湖南省面積的12.18 %，截至2020年底，常住人口約1 070.58萬，占全省的16.11 %，生產(chǎn)總值約 7 104.4 億元，約占全省的 17 %。

（二）研究方法

1.土地利用強(qiáng)度指數(shù)

土地利用強(qiáng)度指數(shù)通常用來測算人類對土地施加的作用或干擾程度。參考前人研究，[28]可以將土地利用分為四種強(qiáng)度類型，分別是其他用地（未利用地）、林草水用地（林地、草地和水域）、農(nóng)業(yè)用地（耕地）和建設(shè)用地，其強(qiáng)度等級從前至后依次為1、2、3、4。土地利用強(qiáng)度指數(shù)的計(jì)算公式是

式中：L表示區(qū)域土地利用綜合強(qiáng)度；Aj代表區(qū)域內(nèi)第j級土地利用強(qiáng)度分級指數(shù)；S為區(qū)域土地總面積，Sj代表區(qū)域內(nèi)第j級土地面積；n則是土地利用強(qiáng)度分級數(shù)。

2.生境質(zhì)量模型

生境質(zhì)量的具體數(shù)值可以通過InVEST模型Habitat Quality模塊進(jìn)行計(jì)算。[17]首先要結(jié)合土地覆被數(shù)據(jù)和生物多樣性威脅因素；其次需選取脅迫因子，并根據(jù)專家知識，確定脅迫因子的權(quán)重，其權(quán)重的大小可以反映脅迫因子對生境類型的干擾程度；再次，脅迫因子對生境類型產(chǎn)生的干擾會由于距離增加而相應(yīng)減弱，所以需要設(shè)置脅迫因子的最大干擾距離；此外不同的生境類型可能會對相應(yīng)的脅迫因子作出不同的反應(yīng)。[29-30]生境質(zhì)量的計(jì)算公式為

式中：Qxj為生境類型j中柵格x的生境質(zhì)量；Dxj為生境類型j中柵格x所受到的干擾程度；k為半飽和常數(shù)，通常取Qxj試運(yùn)行一次后得到的最大值的一半，Hj為生境類型j的生境適宜性。其中，Dxj具體計(jì)算公式為

式中：r為脅迫因子；R為脅迫因子的數(shù)量，y為脅迫因子r圖層的柵格數(shù)；Yr為r脅迫因子所占的柵格總數(shù)；ωr為脅迫因子r的權(quán)重，取值[0, 1]；ry為柵格y的脅迫因子值( 0或 1)；irxy為柵格y的脅迫因子r對生境柵格x的干擾程度；βx為柵格x的可達(dá)性水平，取值[0,1]，1表示極容易到達(dá)；Sjr為生境類型j對脅迫因子r的敏感性，irxy通過以下公式得到：

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

3.影響因素選取

生境質(zhì)量受到人類活動和自然地理因素的影響。其中GDP、人口密度和土地利用是人類活動對生境質(zhì)量的典型影響因素。地形和植被覆蓋是典型的自然地理影響因子。因此，本文選擇GDP、人口密度、土地利用強(qiáng)度、歸一化植被指數(shù)（NDVI）、高程和坡度作為生境質(zhì)量的影響因素。

（三）數(shù)據(jù)來源及處理

研究區(qū)2000年、2010年、2018年三期土地利用覆蓋數(shù)據(jù)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），并參照全國土地利用標(biāo)準(zhǔn)分類和劉紀(jì)遠(yuǎn)等的研究，[31]將土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地。生境質(zhì)量數(shù)據(jù)中水田、旱地、建設(shè)用地、裸地是人類活動頻繁或自然環(huán)境較為惡劣的地類，因此在本文中將該四類用地作為威脅源。各地類的生境適宜性、脅迫因子權(quán)重以及最大脅迫距離、生境類型對脅迫因子的敏感性等參數(shù)設(shè)置來自相關(guān)文獻(xiàn)。[32]GDP和人口的空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)集、NDVI和DEM數(shù)據(jù)也來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心，分辨率為1 km。土地利用強(qiáng)度是根據(jù)公式（1）計(jì)算所得。高程和坡度利用DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS中計(jì)算得到。

二、結(jié)果與分析

（一）洞庭湖地區(qū)生態(tài)質(zhì)量時(shí)空變化

1.時(shí)間變化

先利用ArcGIS 10.2構(gòu)建5km×5km的網(wǎng)格，研究區(qū)共1188個網(wǎng)格。提取2000—2018年洞庭湖地區(qū)生境質(zhì)量，再運(yùn)用自然斷裂點(diǎn)方法將其劃分成五個等級，低（0～0.45）、中低（0.45～0.55）、中（0.55～0.65）、中高（0.65～0.85）、高（0.85～1.00）。其中，由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的問題，計(jì)算的結(jié)果部分網(wǎng)格是空值，2000年和2010年空值網(wǎng)格數(shù)分別為40個和30個。研究期間，低和中低等級的生態(tài)質(zhì)量網(wǎng)格數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢；中等級的生態(tài)質(zhì)量網(wǎng)格數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢；而中高和高等級的生態(tài)質(zhì)量網(wǎng)格數(shù)也是呈現(xiàn)增加趨勢（見表 1）。表明洞庭湖地區(qū)生境質(zhì)量整體呈現(xiàn)改善趨勢。

表1 2000—2018年不同等級生境質(zhì)量網(wǎng)格數(shù)量 個

2.空間變化

2000—2018年研究區(qū)生境質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的空間分異（圖 2）。高生境質(zhì)量多出現(xiàn)在洞庭湖水域及沿岸河流、湖泊、東部與南部山地丘陵區(qū)，而在地形平坦、人口經(jīng)濟(jì)活動較密集的城鎮(zhèn)地區(qū)則生境質(zhì)量較低，由于這些地區(qū)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度快，林地、水域與草地等生態(tài)用地面積較小且破碎，對維持局部生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定及生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生了較大阻礙。2000—2010年，臨澧縣、常德市區(qū)、漢壽縣、益陽市區(qū)、岳陽縣、汨羅市及湘陰縣的生境質(zhì)量有了較小幅度的提升，說明該時(shí)段內(nèi)這些地區(qū)的生態(tài)環(huán)境有所改善，這主要得益于環(huán)保意識的增強(qiáng)、耕種技術(shù)的改進(jìn)與有效環(huán)保舉措的實(shí)施。2010—2018年臨澧縣南部、汨羅市的生境質(zhì)量有所提升，而其余地區(qū)生境質(zhì)量保持相對穩(wěn)定，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境總體有了小幅改善。

圖2 2000—2018年研究區(qū)生境質(zhì)量空間分布

（二）土地利用強(qiáng)度對生境質(zhì)量的影響

土地利用強(qiáng)度越大，反映人類活動對生境質(zhì)量的影響程度越深，最終將導(dǎo)致生境質(zhì)量的衰退。分析土地利用強(qiáng)度與生境質(zhì)量的時(shí)空關(guān)系，對于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。從局部二元空間自相關(guān)分析結(jié)果可以看出（見圖3），2000—2018年研究區(qū)土地利用強(qiáng)度（LUI）與生境質(zhì)量（HQ）間存在顯著的空間自相關(guān)，且形成了四種典型的集聚類型：即高—高集聚、高—低集聚、低—高集聚、低—低集聚，但空間集聚也具有一定的動態(tài)變化。從 LUI—HQ的局部空間自相關(guān)分布圖看，2000—2010年，四種集聚類型的面積變化較大，而2010—2018年基本穩(wěn)定。其中，高—高集聚的面積小，分布零散且年際變化小。低—低集聚主要分布在臨澧縣南部、常德市區(qū)北部與南部、岳陽縣中東部、汨羅市中部、漢壽縣南部與益陽市區(qū)東部，2000—2010年，其在汨羅市、臨澧縣的面積有所縮小。低—高集聚面積大且集中，主要分布在洞庭湖水域、大通湖、臨湘市東南、岳陽縣東南、常德市區(qū)南部與漢壽縣東部，2000—2010年，常德市區(qū)南部、益陽市區(qū)南部的低—高集聚面積減少。高—低集聚主要分布在臨澧縣、常德市區(qū)中南部、漢壽縣中南部、益陽市西北—東南部、汨羅市中部、湘陰縣東部，2000—2010年，其在常德市區(qū)、益陽市區(qū)、汨羅市的面積大幅增加。

圖3 2000—2018年研究區(qū)土地利用強(qiáng)度與生境質(zhì)量的局部空間自相關(guān)分布

（三）洞庭湖地區(qū)生態(tài)質(zhì)量的影響因素

生境質(zhì)量受自然地理因素和社會經(jīng)濟(jì)活動的影響?；赟PSS 20.0運(yùn)用Pearson相關(guān)系數(shù)對生態(tài)質(zhì)量的影響因素進(jìn)行分析。所有統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)認(rèn)為p＜ 0.05 具有顯著性（見表 2）。

表2 生境質(zhì)量與影響因子的相關(guān)系數(shù)

生境質(zhì)量與高程、坡度、NDVI等自然地理因子存在顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.56、0.47和0.42。高程和坡度代表該地區(qū)的地形地貌，反映了人類活動的可達(dá)性。高海拔或陡坡的景觀可達(dá)性相對較低，人類干擾的可達(dá)性有限，因此，高程越高、坡度越陡，生境質(zhì)量水平越高。NDVI是反映植被覆蓋度的重要參數(shù)，植被結(jié)構(gòu)影響了生境質(zhì)量的空間分布。因此，生境質(zhì)量與 NDVI顯著相關(guān)，表明植被覆蓋度較高區(qū)域的生境質(zhì)量也高。生境質(zhì)量與社會經(jīng)濟(jì)因素包括土地利用強(qiáng)度、人口密度存在顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.88和-0.42。生境質(zhì)量與人口密度、土地利用強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值，表明人口密集的社會經(jīng)濟(jì)活動威脅生境質(zhì)量，導(dǎo)致生境喪失和退化，其中，土地利用強(qiáng)度是生境質(zhì)量降低的主要影響因素，表明人類干擾的可達(dá)性較高，因此導(dǎo)致生境質(zhì)量下降。

三、結(jié)論與討論

（一）結(jié)論

選取洞庭湖地區(qū)作為研究對象，基于 2000年、2010年和2018年的遙感影像，運(yùn)用InVEST模型和雙變量空間自相關(guān)方法，分析2000—2018年研究區(qū)生境質(zhì)量的時(shí)空演變及影響因素，主要結(jié)論如下：

1.2000—2018年，研究區(qū)生境質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的空間分異。研究期內(nèi)生境質(zhì)量的空間分布基本穩(wěn)定，但具有空間異質(zhì)性。高生境質(zhì)量多出現(xiàn)在洞庭湖水域及沿岸河流、湖泊、東部與南部山地丘陵區(qū)，而地形平坦、人口經(jīng)濟(jì)活動較密集的城鎮(zhèn)地區(qū)則生境質(zhì)量較低。

2.根據(jù)局部二元空間自相關(guān)分析結(jié)果可看出，2000—2018年研究區(qū)土地利用強(qiáng)度（LUI）與生境質(zhì)量（HQ）之間存在顯著的空間自相關(guān)，但空間集聚也具有一定的動態(tài)變化。LUI—HQ的高—高集聚的面積小，分布零散且年際變化小。低—低集聚主要分布在臨澧縣南部、常德市區(qū)北部與南部、岳陽縣中東部、汨羅市中部、漢壽縣南部與益陽市區(qū)東部。

3.生境質(zhì)量受自然地理因素和社會經(jīng)濟(jì)活動的影響。社會經(jīng)濟(jì)活動對生境質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)向影響，其中，土地利用強(qiáng)度是降低生境質(zhì)量的主要影響因素。自然地理因素對生境質(zhì)量產(chǎn)生正向影響?？傮w來看，生境質(zhì)量與人類干擾直接相關(guān)，自然地理優(yōu)越的地方，人類干擾少；社會經(jīng)濟(jì)活動強(qiáng)的地方，人類干擾多，以上原因?qū)е铝松迟|(zhì)量降低。

（二）討論

從以上研究結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，洞庭湖地區(qū)土地利用強(qiáng)度和生境質(zhì)量之間的空間關(guān)系存在4種自相關(guān)類型。其中，高—高集聚區(qū)土地利用強(qiáng)度和生境質(zhì)量都很高，此類型區(qū)可以視為“生態(tài)功能區(qū)”，其重點(diǎn)任務(wù)是增加生態(tài)建設(shè)投入，完善環(huán)?；A(chǔ)設(shè)施，提高土地利用效率，全力實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)化與生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)；低—低集聚區(qū)內(nèi)土地利用強(qiáng)度和生境質(zhì)量都很低，通常表現(xiàn)為“未利用地”，其重點(diǎn)任務(wù)是加強(qiáng)土地復(fù)墾與生態(tài)修復(fù)建設(shè)，在注重環(huán)境保護(hù)的前提下，加大土地整治力度，促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展；低—高集聚區(qū)土地利用強(qiáng)度較低，但是生境質(zhì)量較高，此類型區(qū)可以劃為“生態(tài)保護(hù)區(qū)”，其重點(diǎn)任務(wù)是嚴(yán)格貫徹落實(shí)生態(tài)保護(hù)法律法規(guī)和政策，推動高品質(zhì)規(guī)劃的制定和實(shí)施，嚴(yán)格限制城鄉(xiāng)建設(shè)用地的擴(kuò)張，大力發(fā)展新興綠色產(chǎn)業(yè)；高—低集聚區(qū)土地利用強(qiáng)度較高且生境質(zhì)量較低，通常為“建設(shè)用地集中區(qū)”，其重點(diǎn)任務(wù)是加強(qiáng)對建設(shè)用地規(guī)模的管控力度，合理集約推動建設(shè)用地利用，積極營造現(xiàn)代化生態(tài)綠色空間，實(shí)現(xiàn)人地關(guān)系的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。