基于土地利用變化的右玉縣生境質(zhì)量時空演變分析

張憲哲，宋雅軒，張 波，黃永勝

（太原師范學院，山西 晉中 030619）

0 引言

基于土地利用變化的多尺度（縣域、流域、省域等）、多維度（生境退化度、生境稀缺性、群落生境等）的生境質(zhì)量時空變化［1］、生態(tài)效應定量評估是國內(nèi)外學者研究熱點。其中，評價方法與模型研究是核心內(nèi)容之一，生境質(zhì)量定量方法主要包括脆弱度計算、綜合指數(shù)計算、距離計算、生態(tài)足跡等［2］方法；評價模型多采用包括InVEST、MIMES 以及HIS 在內(nèi)的模型進行生境質(zhì)量定量表征。其中，InVEST 模型由于其強大的空間計算能力而廣泛用于土地利用現(xiàn)狀、生態(tài)修復等場景下的生境質(zhì)量評價。

右玉縣位于山西省西北邊陲，毛烏素沙地前緣，如圖1 所示，是京津風沙源治理生態(tài)功能區(qū)的重要組成部分?？h域內(nèi)以蒼頭河為首的五大流域具有重要的涵養(yǎng)水源、保持水土等生態(tài)功能，而兩側山地則有較高的生態(tài)脆弱性。為定量表征右玉縣生境質(zhì)量時空變化，本文基于2000—2020 年間5期土地利用數(shù)據(jù)，采用InVEST 模型以及空間統(tǒng)計方法，識別生境質(zhì)量改善與退化區(qū)域，以期為生物多樣性保護和生態(tài)修復提供科學數(shù)據(jù)支撐。

圖1 右玉縣地理位置

1 數(shù)據(jù)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本文采用中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）的2000、2005、2010、2015和2020 年5 個時間片段且分辨率為30 m 的右玉縣土地利用柵格數(shù)據(jù)，分析生境質(zhì)量時空演變特征，數(shù)據(jù)涉及用地類型分為耕地、林地、草地、水域、居民地以及未利用地6 個一級類以及17 個二級類。脅迫因子中的交通數(shù)據(jù)來源于開源數(shù)據(jù)OSM（http：//www.openstreetmap.org），經(jīng)過高分影像解譯修正得到各時間片段交通路網(wǎng)空間數(shù)據(jù)。

1.2 生境質(zhì)量評價

InVEST 模型以土地利用柵格像元為評價單元計算生境退化指數(shù)Dxj，并在此基礎上得到生境質(zhì)量計算式［3］如式（1）所示：

式中：Qxj為土地利用柵格數(shù)據(jù)的第j個用地類型中第x個柵格的生境質(zhì)量；Dxj為此柵格的生境退化程度；半飽和系數(shù)k默認0.5；Hj為第j個用地類型的生境適宜性，取值區(qū)間為0 到1 之間。

結合右玉縣自然資源稟賦，將耕地、農(nóng)村居民點、城鎮(zhèn)建設用地、交通用地、其他建設用地以及未利用土地等人類擾動區(qū)域作為威脅因子。通過文獻［4］，確定脅迫因子如表1 所示，以及各用地類型對其敏感度如表2 所示。

表1 脅迫因子影響范圍及權重

表2 各用地類型對脅迫因子敏感度

1.3 生境質(zhì)量變化趨勢

Sen 斜率估計法［5］是一種非參數(shù)簡單線性回歸趨勢檢驗法。其原理為將成點對連線的斜率中值擬合到采樣點以實現(xiàn)整體斜率估計，此方法抗噪性較強且廣泛用于氣候、植被、水資源等趨勢估計，如式（2）所示：

式中：β為斜率中值趨勢，大于零說明在研究期內(nèi)生境質(zhì)量改善趨勢，反之說明退化趨勢；Median（）為時間序列X=x1，x2，x3…，xn的中位數(shù)函數(shù)。

2 生境質(zhì)量時空變化特征分析

將單個土地利用現(xiàn)狀柵格像元作為評價單元，基于InVEST 模型的生境質(zhì)量模塊，計算得到右玉縣2000、2005、2010、2015、2020 年5 個時間片段的生境質(zhì)量，并按照自然斷點法按照優(yōu)、良、一般、較差、差共5 個等別進行研究區(qū)重采樣。

從整體來看，2000—2020 年，右玉縣生態(tài)環(huán)境整體質(zhì)量較好，如圖2 所示，右玉縣中部區(qū)域的蒼頭河上、中游流域的生境質(zhì)量最高，中下游區(qū)域受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟活動與公路網(wǎng)建設影響，導致生境質(zhì)量下降。尤其是在縣城所在地，隨著商貿(mào)、服務業(yè)發(fā)展，城市擴張導致生境破碎度增大、生態(tài)功能降低，生境質(zhì)量退化。其次，縣城駐地新城鎮(zhèn)以南、以東區(qū)域生境質(zhì)量較高，區(qū)域分布有多個森林公園、生態(tài)旅游區(qū)，林地和草地是該區(qū)域主要用地類型，屬于高生境質(zhì)量區(qū)域。最后，中部區(qū)域逐漸呈現(xiàn)生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢區(qū)連片分布特征，得益于南河灣生態(tài)系統(tǒng)提質(zhì)工程、蒼頭河人工河柳護岸工程等一系列生態(tài)工程穩(wěn)步推進，生態(tài)環(huán)境得到了全面提升。

圖2 右玉縣2000—2020 年生境質(zhì)量等別劃分

從鄉(xiāng)鎮(zhèn)來看，生境質(zhì)量優(yōu)等區(qū)域主要集中于丁家窯鄉(xiāng)、白頭里鄉(xiāng)、威遠鎮(zhèn)與楊千河鄉(xiāng)，其中，威遠鎮(zhèn)、白頭里鄉(xiāng)生境質(zhì)量高，丁家窯鄉(xiāng)與楊千河鄉(xiāng)則同屬蒼頭河流域，上述區(qū)域地表覆蓋多為林地與草地，覆蓋率高，人類擾動程度低；生境質(zhì)量良等區(qū)域主要分布在牛心堡、右衛(wèi)鎮(zhèn)與高家堡鄉(xiāng)，地表覆蓋多為草地；生境質(zhì)量較差的區(qū)域主要集中于5 大河流河谷區(qū)域，耕地數(shù)量多，人類擾動較多，同時區(qū)域有國、省道交通干道通過；生境質(zhì)量差等區(qū)域主要集中在新城鎮(zhèn)和白頭里鄉(xiāng)北部，大多為城鎮(zhèn)建設用地或城鄉(xiāng)接合部的農(nóng)村居民點，人類活動頻繁。

從各等別占比與均值來看，如表3 所示，右玉縣2000—2020 年生境質(zhì)量均值分別為0.613、0.615、0.661、0.656、0.635，生境質(zhì)量均值穩(wěn)定在0.6以上，5 個時間片段始終為優(yōu)大于差的結構，時間序列上呈現(xiàn)先上升后下降但總體改善的格局。優(yōu)等生境質(zhì)量占比由25.7% 提高至31.5%，較差等生境質(zhì)量占比由47.1% 降至38.1%，反映出右玉縣生態(tài)環(huán)境整體質(zhì)量穩(wěn)步提升。

表3 右玉縣2000—2020 年生境質(zhì)量面積占比與均值

綜上，右玉縣城鎮(zhèn)建設用地與鄰近的農(nóng)村居民用地對生境質(zhì)量的破壞程度最高，隨著右玉縣城鎮(zhèn)化發(fā)展，生境質(zhì)量低值區(qū)以城市為中心，向四周擴散且不斷向外擴張，尤其在新城鎮(zhèn)生境質(zhì)量持續(xù)降低且向周邊擴張，呈集中連片分布，且大多城鄉(xiāng)交錯；其次，道路對其周邊地區(qū)產(chǎn)生巨大影響，生境質(zhì)量較差區(qū)域大多沿道路分布；最后，2000 年及2005 年右玉縣生態(tài)景觀破碎度較高，2005 年后在政策的指引下，退耕還林還草，具有較好生態(tài)效應的林地、草地發(fā)揮保持水土、涵養(yǎng)水源以及調(diào)節(jié)氣候的作用。

3 生境質(zhì)量變化趨勢分析

根據(jù)2000—2020 年生境質(zhì)量時間序列得到Sen 趨勢分析結果，如圖3 所示，右玉縣生境質(zhì)量變化趨勢呈帶狀分布，自西向東依次分布為穩(wěn)定區(qū)、改善穩(wěn)定混合區(qū)、退化穩(wěn)定混合區(qū)、改善區(qū)?？傮w上，環(huán)右玉縣山地用地類型以草地為主，近年來并未發(fā)生大規(guī)模變化，山地圈層內(nèi)部丘陵區(qū)域經(jīng)過一系列生態(tài)建設以及退耕還林工程實施，目前主要以林地為主，生境質(zhì)量良好，生境質(zhì)量退化的區(qū)域主要分布在五大河流河谷區(qū)域，土地利用方式由林地、草地向耕地轉化。

圖3 右玉縣生境質(zhì)量變化趨勢

依據(jù)Sen 斜率計算得到的生境質(zhì)量變化趨勢，2000—2020 年間，標準差從0.252 增加至0.283，各個柵格像元空間差異在擴大。生境退化程度空間統(tǒng)計顯示，5 個時間片段的生境質(zhì)量變化趨勢平均值分別為0.034、0.034、0.029、0.029 和0.031，生境退化程度最大值分別為0.098、0.096、0.099、0.099和0.106，其中，967 110 個像元的生境質(zhì)量產(chǎn)生了變化，退化與改善的像元分別占變化像元的36%和64%，表明生境退化范圍在收縮過程中，但其強度反而在增加。

4 結語

本文基于InVEST 模型定量估算右玉縣2000—2020 年的生境質(zhì)量，在此基礎上結合Sen 趨勢分析法，揭示右玉縣生境質(zhì)量變化趨勢。研究結論如下：

1）右玉縣2000—2020 年生境質(zhì)量均值分別為0.613、0.615、0.661、0.656、0.635，時間序列上呈現(xiàn)先上升后下降但總體改善的格局。生境質(zhì)量優(yōu)等區(qū)域主要集中于丁家窯鄉(xiāng)、白頭里鄉(xiāng)、威遠鎮(zhèn)與楊千河鄉(xiāng)；生境質(zhì)量良等區(qū)域主要分布在丁家堡鄉(xiāng)、右衛(wèi)鎮(zhèn)和高家堡鄉(xiāng)西部山區(qū)；生境質(zhì)量較差的區(qū)域主要集中于五大河流河谷區(qū)域；生境質(zhì)量差等區(qū)域主要集中在新城鎮(zhèn)中和白頭里鄉(xiāng)北部。

2）右玉縣生境退化與改善像元占比分別為36%和64%，可見整體生境質(zhì)量趨于改善。生境質(zhì)量變化趨勢呈帶狀分布，自西向東依次分布為穩(wěn)定區(qū)、改善穩(wěn)定混合區(qū)、退化穩(wěn)定混合區(qū)、改善區(qū)。

3）右玉縣生境質(zhì)量變化趨勢標準差由0.252 增加至0.283，生境質(zhì)量變化趨勢平均值分別為0.034、0.034、0.029、0.029 和0.031，生境退化程度最大值分別為0.098、0.096、0.099、0.099 和0.106，表明右玉縣生境退化范圍在收縮過程中，但其強度反而在增加。