基于生態(tài)功能區(qū)劃的黃土高原生境質(zhì)量演變及模擬

王金鳳，劉小玲，王 盛，李 慶，胡世雄，李玲鳳

（1.山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030000；2.河北省科學(xué)院 地理科學(xué)研究所，河北 石家莊 050011；3河北省科學(xué)院 河北省地理信息開發(fā)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050011；4.賓夕法尼亞州立東斯特勞斯堡大學(xué) 地理系，東斯特勞斯堡 18301－2999）

在人類活動(dòng)長(zhǎng)期驅(qū)動(dòng)下生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)利用和巨大的人口壓力使生態(tài)系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)性破壞向功能性紊亂方向發(fā)展，引發(fā)水資源短缺、生物多樣性退化、水土流失等生態(tài)問題［1－2］。生境質(zhì)量是在某一特定區(qū)域內(nèi)自然環(huán)境持續(xù)為物種生存和發(fā)展提供適合條件的能力，生境質(zhì)量的高低是衡量生態(tài)環(huán)境好壞的重要指標(biāo)［3］。生境質(zhì)量與區(qū)域土地利用變化密切相關(guān)，基于土地利用變化（LUCC）對(duì)生境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以探究區(qū)域內(nèi)土地利用方式和利用強(qiáng)度的合理性，以及生態(tài)環(huán)境治理的效果［4－5］，對(duì)促進(jìn)區(qū)域生態(tài)保護(hù)，構(gòu)建山水林田湖草沙生命共同體具有重要意義。

提取不同尺度景觀格局與生態(tài)過程關(guān)系的關(guān)鍵因子，可以有效構(gòu)建多尺度、多因子景觀格局與生態(tài)過程耦合框架［6］。土地利用是景觀格局時(shí)空演變的直接驅(qū)動(dòng)力［7］，地形、土壤特性、植被等環(huán)境因子空間配置的變化可能導(dǎo)致生境質(zhì)量的改變［8－10］。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于生境質(zhì)量與景觀格局的研究多集中在區(qū)域生境質(zhì)量評(píng)價(jià)［11］及單因素景觀格局尺度效應(yīng)［12－13］方面，而基于生境質(zhì)量及地形、土壤、植被、LUCC等多因素景觀格局的研究較少。多因素景觀格局可以表征區(qū)域景觀向高豐富度、均勻度、破碎化方向發(fā)展的程度，并提升人們對(duì)景觀異質(zhì)性的關(guān)注度［14－15］，了解多因素景觀格局與生境質(zhì)量的耦合關(guān)系有助于揭示生境質(zhì)量的景觀生態(tài)過程效應(yīng)，維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定。

黃土高原是中國“兩屏三帶”生態(tài)安全戰(zhàn)略格局的重要組成部分。黃土高原位于我國干旱半干旱區(qū)過渡地帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴(yán)重，區(qū)域范圍內(nèi)河道淤積，旱澇災(zāi)害發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)大［16］。筆者根據(jù)《全國生態(tài)功能區(qū)劃》，采用InVEST和CA－Markov模型，對(duì)黃土高原不同生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量時(shí)空演變進(jìn)行定量分析，并采用Moran’s I指數(shù)對(duì)黃土高原生境質(zhì)量進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)性檢驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)2030年不同情景下生境質(zhì)量變化情況，探討自然因子、人類活動(dòng)及多因素景觀格局對(duì)生境質(zhì)量的影響，以期為黃土高原地區(qū)生態(tài)安全格局構(gòu)建和空間優(yōu)化提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃土高原位于黃河流域中上游，是黃河泥沙的主要來源［17］。黃土高原地處干旱半干旱氣候區(qū)，氣候特征具有明顯地帶性［18］，年均氣溫為3.6～4.3℃，年降水量為200～700 mm，汛期多暴雨，易引起嚴(yán)重的土壤侵蝕。基于《全國生態(tài)功能區(qū)劃》，結(jié)合黃土高原地貌、水熱組合、植被特征等自然條件將其分為8個(gè)生態(tài)區(qū)，即秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態(tài)區(qū)、太行山山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)、汾渭盆地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)、黃土高原農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)、海東高寒草甸草原生態(tài)區(qū)、鄂爾多斯高原東部典型草原生態(tài)區(qū)、鄂爾多斯高原西部－隴中荒漠草原生態(tài)區(qū)、青海祁連山森林與高寒草甸生態(tài)區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，選取1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年7期遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分辨率為1 km。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云SRTM。土壤類型、各年歸一化植被指數(shù)（NDVI）、GDP與人口空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)由中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心提供，分辨率為1 km。氣象數(shù)據(jù)包括年降水量和年均氣溫，黃土高原85個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心。生態(tài)區(qū)矢量數(shù)據(jù)來源于中國生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估與生態(tài)安全格局?jǐn)?shù)據(jù)庫。另外，主要公路、鐵路數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)。

1.3 研究方法

（1）多因素景觀斑塊單元的構(gòu)建。對(duì)黃土高原的土地覆被、坡度、土壤類型及NDVI進(jìn)行分類，利用Fragstats軟件構(gòu)建多因素景觀格局。土地覆被類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6個(gè)一級(jí)地類，土壤類型以土綱為主分為14類，坡度分為1°～3°、4°～7°、8°～15°、16°～25°、大于26°共5類，NDVI分為6個(gè)等級(jí)。土地覆被類型、坡度、土壤類型、NDVI為同一分類時(shí)構(gòu)成一類景觀斑塊單元，景觀斑塊中若土地覆被類型、坡度、土壤類型相同但NDVI分類不同時(shí)則認(rèn)為屬于不同類型的斑塊，當(dāng)所有分類相同時(shí)視為同種景觀斑塊單元［19］?；诙嘁蛩鼐坝^斑塊單元，選取斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（AREA＿M(jìn)N）、景觀凝聚度（COHESION）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）等景觀格局指數(shù)，計(jì)算其與各區(qū)域生境質(zhì)量的相關(guān)性，分析景觀斑塊對(duì)生境質(zhì)量的影響。

（2）InVEST模型。采 用InVEST模 型Habitat Quality模塊進(jìn)行生境質(zhì)量評(píng)估。Habitat Quality模塊主要通過土地利用數(shù)據(jù)，結(jié)合生境適宜度、脅迫因子影響距離和權(quán)重、各生境類型對(duì)脅迫因子的敏感性進(jìn)行生境質(zhì)量評(píng)估［20］。

式中：Qxj為土地利用類型j中柵格單元x的生境質(zhì)量指數(shù)，其值為0～1；Hj為土地利用類型j的生境適宜度；z為尺度常數(shù)，一般取2.5；k為半飽和常數(shù)，一般為生境退化度最大值的1／2；Dxj為土地利用類型j中柵格單元x的生境退化度；R為脅迫因子數(shù)量；Yr為脅迫因子r的柵格單元總數(shù)；wr為脅迫因子r的權(quán)重；ry為柵格單元上的脅迫因子個(gè)數(shù)；βx為柵格x的可達(dá)性水平；Sjr為景觀j對(duì)脅迫因子r的敏感性，取值為0～1；irxy為脅迫因子r的影響距離，可按照線性和指數(shù)衰退來計(jì)算。

（3）CA－Markov模型。以2015年土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用CA－Markov模型［20］預(yù)測(cè)2030年3種不同情景下土地利用格局變化。自然發(fā)展情景（情景1）：不考慮自然條件和人為因子的變化，把2000年、2005年、2010年、2015年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣導(dǎo)入模型后，基于Markov鏈自然演化過程得到2030年土地利用格局。城市發(fā)展情景（情景2）：以經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，突出城市擴(kuò)張作用，擴(kuò)大城鄉(xiāng)居民用地空間，限制現(xiàn)有建設(shè)用地和道路交通用地向其他土地利用類型轉(zhuǎn)移，部分耕地、林草地為可轉(zhuǎn)移地類，加大轉(zhuǎn)出比例，適當(dāng)增加未利用地轉(zhuǎn)移為城鄉(xiāng)居民用地的可能性。適宜因子選擇高程和坡度，高程低于1 300 m最適宜城市建設(shè)，1 300～2 000 m次適宜，2 000～4 985 m適宜性減弱。坡度1°最適宜，1°～7°次適宜，大于7°適宜性減弱。生態(tài)保護(hù)情景（情景3）：為加強(qiáng)黃土高原生態(tài)保護(hù)，將水域、林地、草地作為限制用地，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)出，減少其他地類對(duì)林地的占用。適宜因子選擇坡度和海拔，由于坡度較大處（坡度大于7°）、海拔較高處（海拔大于2 000 m）不適宜建設(shè)和開墾，因此坡度較大、海拔較高處的耕地和建設(shè)用地更宜轉(zhuǎn)化為林地和草地。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃土高原生境質(zhì)量時(shí)空變化特征

黃土高原生境質(zhì)量整體較好，生境質(zhì)量指數(shù)均值為0.605 1～0.611 7，見表1。1990年、1995年生境質(zhì)量下降，2000年、2005年、2010年生境質(zhì)量上升，原因是1999年起退耕還林還草工程等生態(tài)保護(hù)措施的實(shí)施，以及區(qū)域環(huán)境保護(hù)與管理的不斷加強(qiáng)，生態(tài)環(huán)境得到一定改善［21］。2010年以后隨著城市快速發(fā)展，建設(shè)用地增幅明顯，不斷侵占農(nóng)業(yè)和生態(tài)用地，黃土高原生境質(zhì)量指數(shù)均值下降，其中汾渭盆地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量下降，而海東高寒草甸草原生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量上升。近30 a海東高寒草甸草原生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)均值為0.73，青海祁連山森林與高寒草甸生態(tài)區(qū)、太行山山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)均值為0.69，秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態(tài)區(qū)、黃土高原農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)均值為0.64，汾渭盆地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)均值為0.46，區(qū)域差異較大。

表1 黃土高原各生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)變化情況

依據(jù)生境質(zhì)量指數(shù)，利用自然斷點(diǎn)法，將黃土高原生境質(zhì)量劃分為5個(gè)等級(jí)：高（0.88～1）、較高（0.78～0.88）、中等（0.45～0.78）、較低（0.20～0.45）、低（0～0.20），見圖1。生境質(zhì)量高與較高區(qū)分布在太行山山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)、秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態(tài)區(qū)、青海祁連山森林與高寒草甸生態(tài)區(qū)、海東高寒草甸草原生態(tài)區(qū)，占區(qū)域總面積的43.57%，這些區(qū)域主要為山區(qū)，土地利用類型以林草地為主，植被覆蓋度高，人類活動(dòng)較少。生境質(zhì)量低與較低區(qū)分布在鄂爾多斯高原東部典型草原生態(tài)區(qū)、鄂爾多斯高原西部－隴中荒漠草原生態(tài)區(qū)、黃土高原農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)西南部以及汾渭盆地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)，占區(qū)域總面積的40.59%，這些區(qū)域建設(shè)用地和耕地大面積侵占草地，伴隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，生境質(zhì)量逐漸下降和退化，生境質(zhì)量逐漸下降區(qū)域以城鎮(zhèn)區(qū)域?yàn)橹行南蛑苓厰U(kuò)散。生境質(zhì)量中等區(qū)零星散落分布在鄂爾多斯高原東部典型草原生態(tài)區(qū)中部、黃土高原農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)西南部，占區(qū)域總面積的15.84%。黃土高原生境質(zhì)量呈現(xiàn)兩極分化特征。

圖1 黃土高原生境質(zhì)量空間分布

2.2 生境質(zhì)量空間關(guān)聯(lián)性

黃土高原生境質(zhì)量空間關(guān)聯(lián)性顯著性檢驗(yàn)表明在99%置信度下生境質(zhì)量存在空間相關(guān)性。1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年Moran’s I指數(shù)分別為0.209 8、0.212 9、0.218 1、0.184 2、0.213 1、0.216 9、0.224 3，黃土高原生境質(zhì)量呈現(xiàn)高高聚集、低低聚集的特征，見圖2。高高聚集區(qū)分布與生境質(zhì)量高、較高區(qū)域分布基本吻合，低低聚集區(qū)集中分布在黃河流經(jīng)的河谷平原區(qū)。2000—2020年高高聚集區(qū)與低低聚集區(qū)不斷增加，高高聚集區(qū)與低低聚集區(qū)面積占比分別提高0.14%、1.51%，逐漸向高高聚集、低低聚集兩極化方向發(fā)展。

圖2 黃土高原生境質(zhì)量聚集情況

2.3 黃土高原未來情景模擬與分析

在自然發(fā)展情景（情景1）下，與2020年相比，2030年黃土高原建設(shè)用地、水域、未利用地、林地面積分別增加78.86%、59.90%、16.98%、2.87%，耕地、草地面積分別減少7.81%、8.04%，城鎮(zhèn)化水平提高，而林地面積變化較小，草地退化導(dǎo)致未利用地面積增加，見圖3（a）。情景1條件下，2030年生境質(zhì)量指數(shù)均值相較2020年下降0.023 1，太行山山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)、秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)均值相較2020年的上升0.001 7、0.008 3，其余各生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)均值均呈下降趨勢(shì)，見圖3（d）、表2。

在城市發(fā)展情景（情景2）下，與2020年相比，2030年建設(shè)用地面積增加157.90%，草地、耕地面積分別減少12.30%、10.70%，與情景1相比，建設(shè)用地面積增加44.19%、林草地面積減少7.77%，建設(shè)用地大幅增加，城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，按照此情景發(fā)展下去，未來黃土高原生態(tài)用地以較快速度減少，威脅當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，見圖3（b）。情景2相較于情景1生境質(zhì)量指數(shù)均值下降0.026，相較于2020年的下降0.049 1，生境質(zhì)量明顯退化，見圖3（e）、表2。

在生態(tài)保護(hù)情景（情景3）下，與情景1、情景2相比，林草地面積增加9.40%、17.77%，水域面積增加0.82%、0.69%，建設(shè)用地面積減少0.64%、31.09%，生態(tài)環(huán)境得到保護(hù)，見圖3（c）。情景3生境質(zhì)量指數(shù)均值比情景1、情景2的上升0.007、0.033，但相較于2020年的下降0.016 1，見表2。與2020年相比，黃土高原農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)、太行山山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)、秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量趨好，生態(tài)環(huán)境得到一定改善，見圖3（f）、表2。

圖3 不同情景下2030年土地利用、生境質(zhì)量分布格局

表2 不同情景下各生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)均值

3 討 論

3.1 生境質(zhì)量空間分異驅(qū)動(dòng)因子探究

黃土高原生境質(zhì)量存在空間異質(zhì)性，見表3（其中??表示空間異質(zhì)性達(dá)到0.01的顯著性水平）。黃土高原農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)2015年生境質(zhì)量指數(shù)與NDVI回歸系數(shù)為0.282，表明植被是促進(jìn)該生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量上升的主要驅(qū)動(dòng)因子；與降水量回歸系數(shù)為－0.192，表明降水為限制生境質(zhì)量上升的不可抗拒因素。太行山山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)高程與坡度回歸系數(shù)分別為0.369、0.243，海拔高的地區(qū)人類活動(dòng)少，生境質(zhì)量好，地形是影響該生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量的重要驅(qū)動(dòng)因子；人口密度回歸系數(shù)為－0.417，是該生態(tài)區(qū)生境退化的主要驅(qū)動(dòng)因子之一。秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態(tài)區(qū)人口密度與NDVI回歸系數(shù)分別為－0.392、0.383，該生態(tài)區(qū)以山地丘陵為主，植被覆蓋度高，為生境質(zhì)量高的區(qū)域，但人類活動(dòng)在很大程度上阻礙了生境質(zhì)量的提高。海東高寒草甸草原生態(tài)區(qū)是生態(tài)敏感區(qū)，NDVI回歸系數(shù)最大，為0.322，植被是影響該生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量的主要因子，其中草地是決定該地區(qū)以畜牧業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)性自然資源［22］，占其總面積的63.05%。汾渭盆地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)高程回歸系數(shù)為0.370，說明高程是影響該地區(qū)生境質(zhì)量的主要驅(qū)動(dòng)因子，該區(qū)坡度小、海拔低，為人口密集的城鎮(zhèn)區(qū)，人類活動(dòng)劇烈，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)較快，關(guān)中地區(qū)、省會(huì)城市（西安、太原）土地利用強(qiáng)度高，生境脅迫尤為強(qiáng)烈。鄂爾多斯高原西部－隴中荒漠草原生態(tài)區(qū)、鄂爾多斯高原東部典型草原生態(tài)區(qū)、青海祁連山森林與高寒草甸生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量受自然因素影響較大。

表3 不同生態(tài)區(qū)2015年生境質(zhì)量指數(shù)與影響因素回歸系數(shù)

3.2 多因素景觀斑塊單元對(duì)生境質(zhì)量的影響

多因素景觀格局指數(shù)能夠全面表示區(qū)域景觀格局向高豐富度、均勻度及破碎化方向發(fā)展以及景觀異質(zhì)性變化的特征。對(duì)黃土高原各生態(tài)區(qū)多因素景觀格局指數(shù)與生境質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)見表4（其中??表示在0.01水平顯著相關(guān)，?表示在0.05水平顯著相關(guān)）。秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量與NP、PD、LSI顯著負(fù)相關(guān)，與AREA＿M(jìn)N、COHESION顯著正相關(guān)，該生態(tài)區(qū)以山地丘陵為主，林草地為主要景觀基質(zhì)，容易受人類活動(dòng)影響，景觀類型易損度較高，對(duì)景觀破碎化與景觀凝聚相對(duì)敏感，景觀格局脆弱度相對(duì)較高。汾渭盆地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量與NP、PD、LSI、SHDI顯著負(fù)相關(guān)，與CONTAG極顯著正相關(guān)，該生態(tài)區(qū)城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)，且地勢(shì)坡度較小，土地開發(fā)利用程度不斷提高，建設(shè)用地分布集中且逐漸形成完整、大的斑塊，景觀破碎化加重，但1999年以來退耕還林還草政策的實(shí)施，林地、草地、農(nóng)田等主要景觀格局發(fā)生了較大變化，生態(tài)治理措施的實(shí)施取得一定成效。

表4 各生態(tài)區(qū)多因素景觀格局指數(shù)與生境質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié) 論

基于InVEST和CA－Markov模型，分析了1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年黃土高原各生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量變化特征，預(yù)測(cè)了2030年3種不同情景下生境質(zhì)量變化趨勢(shì)，探究自然要素、人類活動(dòng)、多因素景觀格局對(duì)生境質(zhì)量的影響。黃土高原生境質(zhì)量整體較好，生境質(zhì)量指數(shù)均值為0.605 1～0.611 7，空間聚類呈高高聚集、低低聚集兩極分布特征。近30 a海東高寒草甸草原生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)均值最大，為0.73，汾渭盆地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)均值最小，為0.46。生態(tài)保護(hù)情景下生境質(zhì)量明顯上升，而城市發(fā)展情景下生境質(zhì)量退化嚴(yán)重，按生態(tài)保護(hù)情景發(fā)展，黃土高原農(nóng)業(yè)與草原生態(tài)區(qū)、太行山山地落葉闊葉林生態(tài)區(qū)、秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量提升。人口密度是各生態(tài)區(qū)生境破碎化的主導(dǎo)因子。秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量與AREA＿M(jìn)N、COHESION顯著正相關(guān)，汾渭盆地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)生境質(zhì)量與CONTAG極顯著正相關(guān)。