基于土地利用變化的曲靖麒麟?yún)^(qū)生境質(zhì)量時(shí)空演變

滕雙驕,區(qū) 智

(西南林業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院，云南 昆明 650224)

1 引言

當(dāng)前，隨著多項(xiàng)國際項(xiàng)目將土地利用/覆被變化(LUCC) 作為全球變化的核心研究問題后，關(guān)于土地利用與生境質(zhì)量相關(guān)方面的研究逐漸受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。通常認(rèn)為土地利用除具有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化和生產(chǎn)性功能外，還具有顯著的生態(tài)效應(yīng)[1]，如對(duì)氣候變化、全球陸海相互作用、生態(tài)系統(tǒng)地球物理化學(xué)循環(huán)過程等產(chǎn)生重要影響[2～4]。隨著人口增加、經(jīng)濟(jì)增長、社會(huì)發(fā)展，土地利用及其結(jié)構(gòu)不斷變化，而這一變化能夠深刻影響生境斑塊之間的物質(zhì)流、能量流循環(huán)過程，進(jìn)而改變區(qū)域生境分布格局和功能．因此，生境質(zhì)量高低依賴于其自身與人類土地利用之間的鄰接度及土地利用的強(qiáng)度，隨著周邊土地利用強(qiáng)度的增大，生境質(zhì)量也隨之衰退[5，6]。深入探討土地利用與生態(tài)過程的關(guān)系對(duì)分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境乃至全球環(huán)境的變化具有重要的意義[7]。InVEST模型因?yàn)閿?shù)據(jù)獲取容易，體系構(gòu)建相對(duì)完善、分析準(zhǔn)確、操作簡單[8～10]的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于生境質(zhì)量評(píng)估中。因此，本文結(jié)合InVEST模型對(duì)城市生境質(zhì)量時(shí)空演變進(jìn)行分析，為土地資源可持續(xù)利用和區(qū)域生態(tài)安全格局構(gòu)建提供建議。

國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于生境質(zhì)量的評(píng)估研究主要有兩種：①通過大量野外實(shí)地驗(yàn)證調(diào)查獲取相關(guān)參數(shù)，并構(gòu)建相應(yīng)的評(píng)價(jià)模型評(píng)估區(qū)域生境質(zhì)量[11]，該方法由于數(shù)據(jù)獲取困難，可操作性差而未被推廣，較適合小尺度區(qū)域；②借助各種生態(tài)模型對(duì)生境質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)估，如HIS模型[12]、InVEST[13]模型、GUMBO 模型、MAXENT模型、SolVES[14～17]模型、ARIES 模型[18]等。其中，從研究內(nèi)容來看，目前的研究主要有兩個(gè)方面：研究野生動(dòng)植物活動(dòng)區(qū)的生境質(zhì)量或人類活動(dòng)對(duì)其生境質(zhì)量的影響[19～21]，二是某區(qū)域的整體生境質(zhì)量評(píng)估[22]及其地形梯度效應(yīng)[23,24]、生境質(zhì)量時(shí)空演化及預(yù)測(cè)[25～27]等，基于土地利用時(shí)空變化對(duì)生境質(zhì)量分析較少。因此，本文基于GIS技術(shù)和InVEST模型將云南省麒麟?yún)^(qū)生境質(zhì)量變化進(jìn)行定量分析，并將結(jié)果可視化。

2 研究區(qū)概況

麒麟?yún)^(qū)位于云南省東部，滇東高原中部，南盤江上游，東經(jīng)103°29′～104°14′，北緯25°07′～26°06′之間。轄國土面積1552.84 km2。 地勢(shì)呈東西高，南北低，山地、河谷、丘陵，相互交錯(cuò)。城區(qū)海拔1875 m。麒麟?yún)^(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候。夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，干濕季節(jié)分明。年平均氣溫14.5 ℃，平均降雨量1008 mm，平均日照2096 h，平均風(fēng)速2.7 m/s。

3 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)來源包括：①遙感影像數(shù)據(jù)：分辨率為30 m的Landsat-TM遙感影像(2000年、2010年)、Landsat-OLI遙感影像(2020年)3期影像數(shù)據(jù)，來源于美國地質(zhì)勘查局網(wǎng)站(http://www.usgu.gov/);②土地利用數(shù)據(jù)：分辨率為30 m曲靖市麒麟?yún)^(qū)2000年、2010年、2020年土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。

3.2 研究方法

3.2.1 土地利用特征

使用ArcGIS分析土地利用變化情況，利用土地利用變化圖和土地利用轉(zhuǎn)移矩陣分析2000～2020年曲靖市麒麟?yún)^(qū)不同的土地利用類型的時(shí)間空間變化和來源與構(gòu)成。其次利用Fragstats從空間構(gòu)型上進(jìn)一步分析土地利用的特征及演變，從斑塊的景觀水平和類型上選取斑塊密度、邊緣密度、聚集度、香農(nóng)多樣性、連通性指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。各指數(shù)計(jì)算方法和生態(tài)學(xué)意義可參閱文獻(xiàn)[28～30]。

3.2.2 生境質(zhì)量評(píng)估模型

生境質(zhì)量是指自然環(huán)境為個(gè)體或種群提供適宜生存條件的能力[31]，取決于生境對(duì)人類土地利用和土地利用強(qiáng)度的可接近性[32]。運(yùn)用InVEST3.11.0模型生境質(zhì)量模塊(Habitat Quality Model),In VEST模型是由斯坦福大學(xué)(Stanford University)開發(fā), 大自然保護(hù)協(xié)會(huì)(The Nature Conservancy)和世界自然基金會(huì)(World Wide Fund for Nature)聯(lián)合支持的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估模型, 能輔助自然資源管理決策.在其生境質(zhì)量子模塊中, 假定生境質(zhì)量受制于反映人類活動(dòng)強(qiáng)度的土地利用方式, 生境的范圍縮減或質(zhì)量下降可能帶來區(qū)域土地利用生態(tài)效應(yīng)的惡化。

(1)

式(1)中：Qxj為生境類型j中x柵格的生境質(zhì)量指數(shù)；Dxj為生境類型 中柵格x所受脅迫水平；k為半飽和系數(shù)，一般設(shè)置為生境退化程度最大值的 1/2，z為模型默認(rèn)參數(shù)，值為 2.5；Hj為生境類型j的生境適宜度，取值在0～1之間；生境質(zhì)量值在0～1之間，值越高生境質(zhì)量越好[33]。

生境退化度計(jì)算公式[34]：

(2)

建設(shè)用地，耕地是人為活動(dòng)較為頻繁的土地利用類型，其易對(duì)生境質(zhì)量造成的威脅，而裸地環(huán)境條件惡劣，對(duì)生境質(zhì)量也有一定程度的影響。因此本文將建設(shè)用地、耕地、裸地設(shè)為生態(tài)環(huán)境的脅迫因子，參考已有的相關(guān)研究以及區(qū)域的實(shí)際特征[35]，進(jìn)行威脅因子的敏感性、各個(gè)威脅因子的權(quán)重和最大影響距離的參數(shù)設(shè)置。耕地、建設(shè)用地和裸地的最大影響距離分別設(shè)置為5、12和3，設(shè)置權(quán)重分別為0.4、1和0.2，設(shè)置空間衰竭類型分別為線性類型、指數(shù)類型和指數(shù)類型；土地類型對(duì)威脅因子的敏感性具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。為了深入了解曲靖市麒麟?yún)^(qū)的生境質(zhì)量變化，將生境質(zhì)量按照低(0～0.3)、較低(0.3～0.5)、中等(0.5～0.7)、較高(0.7～0.9)和高(0.9～1)劃分為5 個(gè)等級(jí)。

表1 土地類型對(duì)威脅因子的敏感性

4 結(jié)果與分析

4.1 土地利用狀況分析

4.1.1 土地利用類型變化

根據(jù)麒麟?yún)^(qū)2000～2020年不同土地利用變化情況(表2)可以看出：耕地、林地為研究區(qū)的主要地類，構(gòu)成了景觀基質(zhì)；建設(shè)用地劇烈擴(kuò)張。2000～2020年研究區(qū)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的LUCC過程：林地面積減少18932 hm2,減幅最大，為12.28%；草地減少965 hm2,減幅為0.63%。耕地、建設(shè)用地、水體均有不同程度的增加；其中耕地劇烈擴(kuò)張，增加14759 hm2，增幅高達(dá)9.57%；建設(shè)用地也有較多的增長，轉(zhuǎn)入4786 hm2，增幅為3.10%，且在2010～2020年擴(kuò)張尤為明顯；水體轉(zhuǎn)入352 hm2，增幅達(dá)0.23%。因此，建設(shè)用地和耕地急劇擴(kuò)張，林地資源快速減少是該時(shí)期曲靖市麒麟?yún)^(qū)土地利用變化的一大特點(diǎn)。

表2 2000～2020年麒麟?yún)^(qū)土地利用變化 hm2

為全面了解麒麟?yún)^(qū)土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征與各地類變化方向[35]，構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3)。2000～2020年，研究區(qū)耕地中有83.47%較為穩(wěn)定，未發(fā)生地類的轉(zhuǎn)換，減少的耕地主要轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地和林地，分別占比5.81%和7.65%，并有2.78%和0.30%轉(zhuǎn)為草地和水體。林地也保留較多(75.12%)，減少的林地主要轉(zhuǎn)出為耕地，所占比例為20.84%，并有2.14%、1.57%和0.33%分別轉(zhuǎn)出為草地和建設(shè)用地和水體，說明耕地的侵占為林地減少的主要原因。草地中有12.34%保持穩(wěn)定，有51.61%和24.67%轉(zhuǎn)出為耕地和林地，并有6.94%轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，4.44%成為新增水體的主要來源，表明該地進(jìn)行生態(tài)建設(shè)時(shí)存在著可能導(dǎo)致生境質(zhì)量退化的毀草開荒行為。水體主要轉(zhuǎn)出類型為耕地，占比36.15%，此外有17.68%和13.36%分別轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地和林地。建設(shè)用地呈現(xiàn)明顯擴(kuò)張的趨勢(shì)，但仍有4.97%轉(zhuǎn)出為耕地。因此，林地、草地、水體轉(zhuǎn)為耕地、耕地轉(zhuǎn)出為建設(shè)用地是2000～2020年曲靖市麒麟?yún)^(qū)主要的土地利用變化類型。

表3 2000～2020年曲靖市麒麟?yún)^(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 %

4.1.2 景觀和空間構(gòu)型

由2000～2020年麒麟?yún)^(qū)景觀水平指數(shù)(表4)分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)2000～2020年景觀斑塊整體上趨于整體化。斑塊密度總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；景觀形狀指數(shù)逐漸降低，景觀形狀趨于簡單化；連通度指數(shù)降低，各景觀之間的連通性減小，斑塊空間分布趨于零散；香農(nóng)多樣性指數(shù)增大，各景觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性減弱，有均衡化的趨勢(shì)。2000年，林地在各景觀組分中所占比例最大，約為62.82%，構(gòu)成景觀基質(zhì)。耕地面積占比32.60%，也是重要的景觀組成部分。2020年，建設(shè)用地的擴(kuò)張加之林地的減少和耕地的增加，各景觀組分所占面積差異變小，是多樣性指數(shù)的逐年增加的主要原因。

表4 2000～2020年曲靖市麒麟?yún)^(qū)景觀水平指數(shù)

由2000～2020年麒麟?yún)^(qū)類型水平景觀指數(shù)(表5)發(fā)現(xiàn)，耕地在2000～2020年斑塊密度增加，邊緣密度先增后減，整體上減少，邊界形狀簡單化，斑塊聚集度整體上增加，呈空間整體化發(fā)展；草地斑塊密度減少，邊緣密度先增后減，整體上呈減少，邊界形狀簡單化，斑塊聚集度增加，呈現(xiàn)空間整體化趨勢(shì)；林地斑塊密度整體上增加，邊緣密度減少，邊界形狀簡單化，斑塊聚集度整體上減少，呈空間破碎化趨勢(shì)；水體斑塊密度減少，邊緣密度整體上減少，邊界形狀簡單化，斑塊聚集度增加，呈現(xiàn)空間整體化趨勢(shì)；建設(shè)用地斑塊數(shù)目增多，邊緣密度增加，邊界形狀復(fù)雜化，斑塊聚集度先增后減，整體上減小，斑塊破碎化程度高。

表5 2000～2020年曲靖市麒麟?yún)^(qū)類型水平景觀指數(shù)

4.2 生境質(zhì)量變化

4.2.1 生境質(zhì)量時(shí)空變化

生境質(zhì)量值越接近于1，說明區(qū)域生態(tài)環(huán)境受威脅因子的影響越小，生境質(zhì)量越好。由2000～2020年曲靖市麒麟?yún)^(qū)生境質(zhì)量變化(表6)可看出，曲靖市麒麟?yún)^(qū)生境質(zhì)量水平總體較低。研究區(qū)生境質(zhì)量低等級(jí)和較低等級(jí)占比最大，中等和較高等級(jí)占比較小，高等級(jí)占比最小。2000～2020年研究區(qū)生境質(zhì)量整體上降低：高、較高和中等等級(jí)區(qū)域面積呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)，低等級(jí)區(qū)域面積呈明顯增長，研究區(qū)整體生境質(zhì)量呈降低趨勢(shì)。生境質(zhì)量隨著建設(shè)用地和耕地的擴(kuò)張降低的較為明顯趨勢(shì)，生境質(zhì)量的降低受人類活動(dòng)的影響較大。

表6 2000～2020年曲靖市麒麟?yún)^(qū)生境質(zhì)量變化

4.2.2 生境退化度時(shí)空變化

生境退化指數(shù)越高表示威脅因子對(duì)生境質(zhì)量的潛在破壞程度越高，發(fā)生生境質(zhì)量降低的概率越大。2000、2010和2020年研究區(qū)平均生境退化指數(shù)分別

為0.07、0.13和0.15。由表7可知，2000～2020年曲靖市麒麟?yún)^(qū)生境退化指數(shù)逐年升高，生境質(zhì)量下降的概率有所增加：生境退化指數(shù)在0～0.07,0.07～0.09范圍內(nèi)的區(qū)域面積逐年減小，在0.09～0.15范圍內(nèi)的區(qū)域面積逐年增加。并且，曲靖市麒麟?yún)^(qū)生境退化度總體表現(xiàn)為由中部向四周“低—高—低”的空間分布，中部地區(qū)生境退化的概率越來越高，且逐漸向四周發(fā)展，究其原因主要有以下2個(gè)方面：①中部地區(qū)耕地分布集中，來自人類活動(dòng)的干擾較多，隨著建設(shè)用地和耕地向中部地區(qū)的擴(kuò)張，生境質(zhì)量下降概率較大，也反映出生境質(zhì)量易收到人類工業(yè)和農(nóng)業(yè)的影響，人類聚集區(qū)和工業(yè)活動(dòng)頻繁的地區(qū)對(duì)動(dòng)植物棲息地質(zhì)量有一定的影響；②生境退化度指數(shù)隨著城市建設(shè)用地和農(nóng)村耕地?cái)U(kuò)張不斷增大，中部生境退化區(qū)域在空間上呈現(xiàn)擴(kuò)張趨勢(shì)，表明生境退化度受土地利用類型變化的影響明顯。

表7 2000～2020年曲靖市麒麟?yún)^(qū)生境退化指數(shù)變化

5 結(jié)論與討論

(1)2000～2020年期間，麒麟?yún)^(qū)土地利用變化較為顯著。時(shí)間變化特征表現(xiàn)為建設(shè)用地的擴(kuò)張，耕地面積的增加，林地、草地面積的減少；各地類的轉(zhuǎn)換以草地轉(zhuǎn)為耕地最為突出，其次為林地轉(zhuǎn)為草地；耕地侵占林地草地實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張的情況也較為明顯?？臻g構(gòu)型變化上呈現(xiàn)景觀結(jié)構(gòu)異質(zhì)性減弱的趨勢(shì)，且除建設(shè)用地外，各地類空間分布趨于整體化。

(2)2000～2020年麒麟?yún)^(qū)生境質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，自然生境面積不斷減少。研究區(qū)生境質(zhì)量以低和較低等級(jí)為主；高等級(jí)多位于林地、草地，低和較低等級(jí)主要位于建設(shè)用地和耕地；且生境質(zhì)量高、較高以及中等等級(jí)地區(qū)面積不段減少，低和較低等級(jí)面積不斷增加。

(3)2000～2020年間麒麟?yún)^(qū)發(fā)生生境退化的概率不斷增大。2000～2020年期間，研究區(qū)的生境退化指數(shù)不斷增大，生境退化概率逐年增加且與人類高強(qiáng)度活動(dòng)區(qū)域重疊。生境退化指數(shù)在0～0.07,0.07～0.09范圍內(nèi)的區(qū)域面積逐年減小，在0.09～0.15范圍內(nèi)的區(qū)域面積逐年增加。

總體上，麒麟?yún)^(qū)的生境質(zhì)量受土地利用變化的影響顯著，建設(shè)用地與耕地侵占自然生境是導(dǎo)致研究區(qū)生境質(zhì)量下降和生境退化度提高的主要原因，不合理的人類活動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致生境退化成為現(xiàn)實(shí)。合理約束建設(shè)用地的擴(kuò)張以及“退耕還林還草”都是改善生境質(zhì)量的有效手段。