喀什地區(qū)土地利用變化對生境質(zhì)量的影響

師君銀,馬勇剛,許仲林

(1.新疆大學(xué)地理與遙感學(xué)院,烏魯木齊 830017;2.新疆大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,烏魯木齊 830017;3.綠洲生態(tài)教育部重點實驗室,烏魯木齊 830017;4.新疆精河溫帶荒漠生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測研究站,新疆 精河 833300)

【研究意義】生境質(zhì)量(Habitat quality)是指生態(tài)系統(tǒng)為物種提供適宜生存條件的能力,可在一定程度上反映生物多樣性和生態(tài)服務(wù)的水平[1-2],它的高低也能表征區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量健康程度[3]。研究表明,土地利用變化是新疆生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值變化的直接驅(qū)動因素[4],土地利用的強度和結(jié)構(gòu)變化會影響區(qū)域生境質(zhì)量的分布格局和功能,因此生境質(zhì)量的變化與土地利用變化密切相關(guān)[5]。歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index, NDVI)代表植被生長狀態(tài)的好壞,是植被動態(tài)變化監(jiān)測的常用指標(biāo)[6],也被用作生態(tài)環(huán)境監(jiān)測;葉面積指數(shù)(Leaf Area Index, LAI)是指示生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要參數(shù),常被用來評估區(qū)域內(nèi)的植被變化情況[7],一般來說,LAI下降能夠從側(cè)面體現(xiàn)植被的退化和生境的下降[8];植被凈初級生產(chǎn)力(Net primary production, NPP)能夠反映自然植被的生物量和生產(chǎn)能力[9],也是可以供生態(tài)系統(tǒng)中其他生物利用的能量[10]。InVEST模型可以依據(jù)土地利用數(shù)據(jù)對區(qū)域生境質(zhì)量進行評價,但在西北內(nèi)陸干旱區(qū)應(yīng)用研究的深度不足,直接采用此模型對研究區(qū)生境質(zhì)量進行模擬,缺少相應(yīng)的實測數(shù)據(jù)對其準(zhǔn)確性和合理性進行驗證?？κ驳貐^(qū)作為絲綢之路經(jīng)濟帶上的重要節(jié)點區(qū)域,是我國向西對外開放發(fā)展的橋頭堡,隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市擴張,土地利用的結(jié)構(gòu)和強度發(fā)生深度變化,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境逐步惡化,生境趨于破碎、退化甚至消失,嚴(yán)重威脅區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全,影響人類健康。作為“北方防沙帶”上的重要區(qū)域,喀什地區(qū)生境的好壞對國家戰(zhàn)略的實施和當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活會產(chǎn)生深刻影響?！厩叭搜芯窟M展】當(dāng)前,利用空間分析方法評估和模擬區(qū)域的生境質(zhì)量變化是景觀生態(tài)學(xué)的研究熱點之一。相關(guān)研究采用的策略主要有基于景觀指標(biāo)體系的評估和采用模型模擬評價2種,前者通過實地調(diào)查獲取研究區(qū)生境質(zhì)量相關(guān)參數(shù)并據(jù)此進行生境質(zhì)量評估[11-13],后者基于土地利用數(shù)據(jù)采用模型評估區(qū)域生境質(zhì)量[14-20]。這2種方案中,基于InVEST模型的策略操作更簡便,得到較廣泛的應(yīng)用,是當(dāng)前基于土地利用數(shù)據(jù)進行生境質(zhì)量評估的重要手段?！颈狙芯壳腥朦c】目前大都以單一的生態(tài)模型或者單一植被指數(shù)進行生境變化的研究,而將生態(tài)模型與植被指數(shù)相結(jié)合,探討模型的適用性鮮有報道。近年來,經(jīng)濟社會快速發(fā)展,同時新型城鎮(zhèn)化也持續(xù)推進,新疆部分區(qū)域的土地利用/覆被發(fā)生了較大變化[21-23],在南疆尤其明顯,這可能對區(qū)域生境質(zhì)量產(chǎn)生影響。然而,目前并無研究關(guān)注此區(qū)域土地利用變化導(dǎo)致的生境質(zhì)量變化。本研究采用長時間序列植被指數(shù)來評價喀什地區(qū)的生境變化情況,嘗試將植被指數(shù)與生態(tài)模型相結(jié)合,對比分析二者的一致性,探討InVEST模型的適用性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選取南疆喀什地區(qū),基于5期土地利用數(shù)據(jù),利用InVEST模型生境質(zhì)量模塊,結(jié)合植被指數(shù)數(shù)據(jù),對2000—2020年喀什地區(qū)的生境變化作出評價,以期準(zhǔn)確評估區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況,該研究不僅能為干旱區(qū)土地利用變化對生境的影響機制提供必要參考,也有助于制定環(huán)境脆弱區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和利用策略。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

喀什地區(qū)地處西北干旱區(qū),是全國八大生態(tài)脆弱區(qū)之一,也是“絲綢之路”經(jīng)濟帶的重要節(jié)點。其東部為塔克拉瑪大沙漠,東、西、南部依次聳立著天山山脈、帕米爾高原、喀喇昆侖山脈,地勢由西南向東北傾斜,海拔高度差異較大;獨特的地形地貌造成喀什地區(qū)干旱少雨,年平均降雨量116.8 mm,年均溫10.98～12.99 ℃,沙塵頻發(fā),是典型的溫帶荒漠景觀;喀什地區(qū)河流基本發(fā)源于高山冰雪,水資源總量少,受溫度、降水影響時空分布不均勻;特殊的區(qū)位條件和復(fù)雜的自然條件決定了喀什地區(qū)生態(tài)安全的重要性。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的DEM數(shù)據(jù)(30 m柵格數(shù)據(jù))下載于中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http：//www.gscloud.cn);研究區(qū)土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)(2000年、2005年、2010年、2015年、2020年共5期)分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地以及未利用地6大類,下載于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http：//www.resdc.cn);歸一化植被指數(shù)NDVI數(shù)據(jù)來源于美國NASA網(wǎng)站：MODIS Web(https：//modis.gsfc.nasa.gov/data/)的MOD13Q1數(shù)據(jù),時間分辨率為16 d,空間分辨率為250 m,采用最大值合成法(Maximum value composite, MVC)合成數(shù)據(jù);葉面積指數(shù)LAI采用國家科技基礎(chǔ)條件平臺-國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//www.geodata.cn/)的GLASS產(chǎn)品,版本號為V60,時間分辨率為1 a,空間分辨率為500 m;凈初級生產(chǎn)量NPP來源于美國NASA網(wǎng)站[MODIS Web(https：//modis.gsfc.nasa.gov/data/)]的MOD17A3數(shù)據(jù),時間分辨率為1 a,空間分辨率為500 m;經(jīng)過批量拼接、轉(zhuǎn)換投影等預(yù)處理操作,對拼接后的影像進行批量裁剪得到喀什地區(qū)長時間序列植被指數(shù)數(shù)據(jù)。

1.3 土地利用變化分析

利用空間分析技術(shù),基于馬爾科夫模型[24]構(gòu)建喀什地區(qū)2000—2020年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,土地利用轉(zhuǎn)移矩陣采用ArcGIS軟件對每一期土地利用數(shù)據(jù)進行空間運算得到,用以量化不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移概率,其可具體反映土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征,表達各土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移方向。

(1)

式中,Sij為研究初期與研究末期的土地利用狀態(tài),n為土地利用的類型數(shù)。

1.4 生境質(zhì)量變化分析

在InVEST模型生境質(zhì)量模塊(Habitat quality model)中,被視為威脅源的土地利用類型變化可能會造成生境質(zhì)量的變化[25-27],輸入模型運行所需要的各項參數(shù),模型自動計算,實現(xiàn)對生境質(zhì)量的分析。

通過計算威脅源對生境的負(fù)面影響,可以得到生境退化度,綜合計算得到生境質(zhì)量。生境對威脅因子越敏感,該因子對生境退化的影響越大,假定柵格x處土地利用方式為y,則該柵格處的生境退化度Dxy可表示為：

(2)

式中,r表示威脅源;Yr為威脅源r的柵格數(shù);wr為各威脅源權(quán)重;ry表示威脅源r是否來源于柵格y;βx是威脅源x柵格的可達性;Sjr表示j類生境對于威脅源r的敏感性;irxy為生境與威脅源之間的距離函數(shù),分線性(Linear,L)和指數(shù)(Exponential,E)函數(shù)表達式分別為：

(3)

(4)

根據(jù)上述公式,則某地x處土地覆被類型j的生境質(zhì)量(Qxj)為：

(5)

式中,Hj為j類土地利用類型的生境適宜度;Dxj為j類生境在柵格x處受到的威脅程度;z是常數(shù),默認(rèn)值為2.5;k是半飽和系數(shù),默認(rèn)為0.5。

棲息地質(zhì)量由棲息地質(zhì)量指數(shù)衡量,該指數(shù)介于0～1,該值越高,棲息地質(zhì)量越好。

在參考InVEST模型指南[28]、相關(guān)研究[2, 29-30]及相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医ㄗh的基礎(chǔ)上,綜合考慮喀什地區(qū)實際,將人類活動集中且劇烈或本底質(zhì)量較差的土地利用類型設(shè)為威脅源因子,因此將區(qū)域內(nèi)所有建筑用地(城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點、其他建設(shè)用地)、耕地及未利用地作為威脅源因子,按照影響程度不同確定參數(shù),設(shè)計生境質(zhì)量模塊參數(shù)(表1～2)。

表1 威脅因子量

表2 生境適宜度及敏感性參數(shù)

1.5 一元線性回歸分析及顯著性檢驗

一元線性回歸分析可以模擬每個柵格的變化趨勢,是研究植被變化趨勢的常用方法[31]。本研究視年份為自變量,NDVI、LAI、NPP為因變量,利用最小二乘法,綜合分析區(qū)域內(nèi)植被指數(shù)的時空演變趨勢,公式為：

(6)

式中,當(dāng)Slope大于0時,表示植被指數(shù)值增加,反之則為減少,同時Slope值的大小也決定了植被變化的速率;t表示研究年份數(shù);Mn表示某柵格第n年的植被指數(shù)值。

為進一步判斷變化程度是否顯著,采用P值檢驗法[31]對趨勢結(jié)果進行顯著性分析,當(dāng)P>0.05時無顯著意義;當(dāng)P<0.05為有顯著統(tǒng)計學(xué)差異,P<0.01為極顯著統(tǒng)計學(xué)差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 喀什地區(qū)土地利用變化

基于喀什地區(qū)5期土地利用數(shù)據(jù),得到2000—2020年各土地利用類型面積變化由大到小排序為：耕地>草地>未利用地>水域>林地>建設(shè)用地(圖2)。其中耕地面積增加0.41×104km2;建設(shè)用地面積增加0.04×104km2;未利用地面積減少0.14×104km2;草地面積在2010年后明顯減少(減少0.18×104km2);水域面積自2000年以來共減少0.07×104km2;林地面積在2010年前呈減少趨勢(減少0.06×104km2),2010年后保持穩(wěn)定,與已有的研究結(jié)果相同[4, 32]。喀什地區(qū)土地利用方式主要以未利用地、草地、耕地為主,除耕地與建設(shè)用地之外,其他各類用地面積均有不同程度的減少,主要原因是研究期內(nèi)人口增長和城市擴張導(dǎo)致耕地和建設(shè)用地需求增加,有利經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展;同時,社會經(jīng)濟的發(fā)展帶來人口集聚效應(yīng),這種集聚又進而刺激耕地和建設(shè)用地需求的增長,二者之間的耦合關(guān)系主導(dǎo)了喀什地區(qū)土地利用的動態(tài)變化。

為充分了解喀什地區(qū)各類型土地之間的空間結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移方向的變化,利用ArcGIS構(gòu)建了2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年、2000—2020年5個時段的土地利用轉(zhuǎn)移弦圖(圖3)。2000—2020年耕地轉(zhuǎn)入的主要組成為草地和未利用地,而轉(zhuǎn)出的部分主要變?yōu)椴莸睾徒ㄔO(shè)用地;2000—2005年,除小部分林地、草地、未利用地向耕地轉(zhuǎn)化外,其余各類用地變化均不明顯;2005—2010年,耕地向其他5個種類的用地都有轉(zhuǎn)出;林地主要向耕地、草地及未利用地轉(zhuǎn)化;草地主要向耕地與未利用地轉(zhuǎn)化;水域主要向未利用地轉(zhuǎn)出,小部分轉(zhuǎn)化為耕地和草地;建設(shè)用地增加面積主要由耕地轉(zhuǎn)入而來;未利用地主要轉(zhuǎn)化為草地,小部分轉(zhuǎn)化為耕地、林地及水域;2010—2015年,草地和未利用地向耕地轉(zhuǎn)入,其余各類型土地之間轉(zhuǎn)化不明顯;2015—2020年,草地和未利用地向耕地轉(zhuǎn)入;水域與草地間有相互轉(zhuǎn)化,同時水域也向未利用地轉(zhuǎn)出;小部分耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。

圖2 2000—2020年喀什地區(qū)土地利用類型Fig.2 Land use types of Kashgar from 2000 to 2020

表3 2000—2020年喀什地區(qū)生境質(zhì)量等級分類

2.2 喀什地區(qū)的生境質(zhì)量

將喀什地區(qū)生境質(zhì)量運用自然斷點法劃分為差(0～0.297)、較差(0.297～0.696)、一般(0.696～0.797)、較好(0.797～0.895)、好(0.895～1)5個等級(圖4),并統(tǒng)計各區(qū)間的柵格數(shù)計算各等級面積占比(表3)。對比得到生境質(zhì)量與LUCC分布基本一致,生境質(zhì)量差的區(qū)域呈點狀,零星分布在喀什地區(qū)內(nèi),中心城區(qū)生境質(zhì)量最低,總體呈從中心城區(qū)向外圍蔓延趨勢,與喀什地區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地向外擴張占用其他土地的空間趨勢基本一致;生境質(zhì)量較差的區(qū)域占比最高,以塔里木盆地西緣與葉爾羌河流域等地最明顯,這些區(qū)域以未利用地和耕地分布最廣;生境質(zhì)量一般區(qū)域與草地分布區(qū)在空間上具有一致性;生境質(zhì)量較好和好的區(qū)域主要集中在西南部山區(qū)與葉爾羌河河谷地帶,土地利用類型主要是林地、水域以及草地。

2000—2020年,喀什地區(qū)生境質(zhì)量均值都低于0.5,生境質(zhì)量整體較差,并呈下降趨勢(圖5)。

圖4 2000—2020年喀什地區(qū)生境質(zhì)量Fig.4 Habitat quality in the Kashgar from 2000 to 2020

圖5 2000—2020年喀什地區(qū)生境質(zhì)量面積占比Fig.5 Proportion of habitat quality in Kashgar from 2000 to 2020

2000—2020年,喀什地區(qū)生境質(zhì)量低等級區(qū)域面積增加,高等級區(qū)域面積減少。生境質(zhì)量差的區(qū)域面積持續(xù)增加,占比增加0.39%;較差的區(qū)域在5個等級中占比最高,2000—2020年均超過64%,且面積占比增加2.19%,增幅最高;生境質(zhì)量一般區(qū)域的面積占比波動上升,較好的面積占比下降1.24%,好的面積占比下降2.11%。

生境退化度反映生境質(zhì)量下降程度,通過自然斷點法劃分為輕度退化(0～0.009)、中度退化(0.009～0.027)、較高度退化(0.027～0.048)、高度退化(0.048～0.072)、嚴(yán)重退化(0.072～1.000)5個等級(圖6)?？κ驳貐^(qū)生境退化度值較低,生境處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。對比生境退化度與LUCC可知,生境退化度高的區(qū)域主要是建設(shè)用地、耕地、水域、草地等。喀什地區(qū)西北部喀什噶爾河流域、中部葉爾羌河流域生境退化相對嚴(yán)重,流域邊緣區(qū)域生態(tài)退化也較明顯;喀什地區(qū)東部塔里木盆地邊緣、西南部山區(qū)地帶生境退化程度較輕。

圖6 2000—2020年喀什地區(qū)生境退化度Fig.6 Habitat degradation degree in Kashgar from 2000 to 2020

圖7 2000—2020年喀什地區(qū)植被指數(shù)均值及空間變化趨勢Fig.7 Mean value and spatial trend of LAI in the Kashgar from 2000 to 2020

2.3 喀什地區(qū)的植被指數(shù)特征

首先對植被指數(shù)多年均值進行計算,分析其在空間上的分布特征,為進一步分析植被指數(shù)在時間空間上的變化趨勢,采用一元線性回歸對喀什地區(qū)2000—2020年植被指數(shù)的空間變化進行分析,喀什地區(qū)整體植被指數(shù)值較低且在空間分布上具有明顯差異性,NDVI多年均值(圖7-a)最高僅為0.83,LAI多年均值(圖7-b)僅為2.92,NPP多年均值(圖7-c)最高為492.17 g·C/m2,植被蓋度較低;植被指數(shù)的高值區(qū)主要分布在葉爾羌河流域和喀什噶爾河流域及南部山前地帶,以上區(qū)域也是研究區(qū)林地草地及耕地等植被較為集中的區(qū)域;低值區(qū)分布最廣、占比大,主要分布于喀什地區(qū)的廣大沙漠及南部山區(qū)冰雪覆蓋的區(qū)域,這部分區(qū)域主要分布著喀什地區(qū)大面積的未利用地。

根據(jù)趨勢分析及P值檢驗對空間變化趨勢進行分類,并對各類柵格進行統(tǒng)計(表4)。喀什地區(qū)植被嚴(yán)重退化面積占比較少,均低于1%,且植被退化區(qū)域空間分布較一致,主要分布在喀什市城鎮(zhèn)周邊及葉爾羌河流域沿岸部分地區(qū);NDVI與LAI發(fā)生輕微退化的區(qū)域分布大致相同且占比較小,分別為0.55%和1.20%,而NPP發(fā)生輕微退化的區(qū)域占比高于前兩者,為10.90%,主要位于喀什地區(qū)南部山區(qū)山前地帶及流域周邊地區(qū);植被指數(shù)無變化的區(qū)域面積占比最大,主要分布在喀什地區(qū)的大片未利用地及南部山區(qū)地帶;植被指數(shù)明顯改善的區(qū)域面積占比由大到小依次為NDVI(10.86%)、LAI(9.53%)、NPP(1.04%),且NDVI與LAI明顯提高的區(qū)域空間分布較一致,主要位于葉爾羌河與喀什噶爾河流域,NPP明顯升高的區(qū)域占比較小且分布于南部山區(qū)。

2.4 喀什地區(qū)植被指數(shù)與生境質(zhì)量變化一致性

對比植被指數(shù)與生境質(zhì)量及生境退化度的空間分布特征及空間變化趨勢,NDVI與LAI的空間變化趨勢(圖7-d、7-e)與模型運行結(jié)果(圖4、圖6)在空間分布上具有較高的一致性。NDVI與LAI值低且植被蓋度未發(fā)生明顯改變的區(qū)域,生境質(zhì)量等級也較差,且生境退化度也較低;在流域及人口較集中的城市附近,是植被發(fā)生嚴(yán)重退化的主要區(qū)域,生境退化度也較高,生境質(zhì)量值低。由此可鑒,在環(huán)境較好的流域附近及人口密度大的部分區(qū)域存在大量破壞生態(tài)的行為,在這些區(qū)域開展植被恢復(fù)和生態(tài)重建,對干旱綠洲地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。而NPP的變化趨勢(圖7-f)與生境模型運行結(jié)果(圖4、圖6)在空間分布上具有差異。植被發(fā)生嚴(yán)重退化的區(qū)域除城市周邊與葉爾羌河流域外,NPP結(jié)果顯示南部山前地帶也發(fā)生明顯退化,這一區(qū)域在模型運行的生境質(zhì)量結(jié)果中顯示為好與較好2個等級;NPP結(jié)果顯示植被發(fā)生輕微退化的區(qū)域大部分為生境質(zhì)量等級較好與一般兩類,且發(fā)生退化的面積明顯高于模型運行產(chǎn)生的生境質(zhì)量退化結(jié)果。同時NDVI與LAI 2種植被指數(shù)在空間變化趨勢上基本一致,而NPP的空間變化趨勢與前兩者存在差異,這是因為NDVI和LAI數(shù)據(jù)都由最大值合成而來,可能在趨勢分析中更具有敏感性,而NPP是年產(chǎn)品[33,3種數(shù)據(jù)來源的不同及產(chǎn)品數(shù)據(jù)的精度也會對結(jié)果產(chǎn)生一定影響[34];研究表明,新疆NPP與蒸發(fā)量之間有明顯的負(fù)相關(guān)[35],而喀什地區(qū)氣候干燥、蒸發(fā)量大,致使NPP值與其他植被指數(shù)存在差異可能有一定關(guān)系。

表4 2000—2020年喀什地區(qū)植被變化趨勢占比

相比不同之處,植被指數(shù)空間變化趨勢發(fā)生改善的區(qū)域包含喀什地區(qū)內(nèi)的耕地,一方面,耕地中的植被由于受人工影響較大,種植密度較高,彌補了其季節(jié)性的劣勢[36],使耕地的相關(guān)指數(shù)值較高;另一方面,種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整也會導(dǎo)致植被指數(shù)值上升。在模型參數(shù)的設(shè)定中,耕地常年受人類活動影響較劇烈,通常會將其視為威脅因子,因此在模型運行的結(jié)果中,耕地生境水平較低。2種方法在研究原理上存在區(qū)別,植被指數(shù)變化趨勢僅代表植被的長勢變化,忽略了人類活動對生境變化的負(fù)面影響。InVEST模型僅以土地利用方式為評價基礎(chǔ),在各類型用地內(nèi)部動態(tài)變化的捕捉上還存在缺陷,即時性較弱。

3 討 論

3.1 喀什地區(qū)土地利用變化的影響因素

2000—2020年,喀什地區(qū)土地利用方式主要以未利用地、草地、耕地為主,除耕地與建設(shè)用地外,其他各類用地面積均有不同程度減少,與已有的研究結(jié)果相同[4, 30]。2000—2020年,喀什地區(qū)人口增長和城市擴張導(dǎo)致耕地和建設(shè)用地需求增加,有利于經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展;同時,社會經(jīng)濟發(fā)展帶來人口集聚效應(yīng),這種集聚又進而會刺激耕地和建設(shè)用地需求增長,二者之間的耦合關(guān)系主導(dǎo)了喀什地區(qū)土地利用的動態(tài)變化。

喀什地區(qū)耕地主要由草地和未利用地轉(zhuǎn)化而來,這與當(dāng)?shù)厝丝谠黾訋淼母匦枨罅吭黾用芮邢嚓P(guān)[37];喀什地區(qū)轉(zhuǎn)出的耕地主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?、建設(shè)用地、林地以及未利用地,其中,轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積達0.5×103km2,反映出在當(dāng)?shù)乜焖俪擎?zhèn)化建設(shè)過程中,新增建設(shè)用地的強烈需求,以及對現(xiàn)有建設(shè)用地周圍、空間緊致分布且具良好城鎮(zhèn)建設(shè)潛力的耕地轉(zhuǎn)換意愿,并且這種意愿在南疆欠發(fā)達地區(qū)廣泛存在[38-39]。目前,中國加強了對耕地的保護,從而保障國家糧食安全,但對南疆生態(tài)相對脆弱的區(qū)域來說,在保證糧食安全的前提下,控制耕地占用林地草地,權(quán)衡建設(shè)用地需求與耕地保護的問題上[40],提高土地利用效率,挖掘建設(shè)用地存量,在國土空間規(guī)劃雙評價等一系列科學(xué)評價的基礎(chǔ)上,確立合理的發(fā)展規(guī)模和路徑是解決這一問題的核心所在。同時,在水資源約束框架下,發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的同時,要兼顧統(tǒng)籌考慮生態(tài)的可持續(xù)性[41]。喀什地區(qū)耕地轉(zhuǎn)化為林地、草地以及部分未利用地轉(zhuǎn)化為草地顯示出以“退耕還林”“退耕還草”等為代表的生態(tài)保護策略的初步效果,而國內(nèi)的相關(guān)研究證明這種策略將明顯提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[42]。林草類型與耕地類型之間的轉(zhuǎn)換強度較大,從空間上看,這些區(qū)域主要分布在綠洲外圍和自然水系附近,反映出與環(huán)境本底質(zhì)量和人類活動密切相關(guān)。在這些區(qū)域,如水資源、土壤肥力等難以長期保障的土地,存在開墾后撂荒、邊耕邊棄的現(xiàn)象[22],造成了一些次生鹽漬化、土地沙化等問題,因此,研究區(qū)的土地利用政策,應(yīng)重點關(guān)注土地資源粗放利用的嚴(yán)格管控、土地資源的可持續(xù)利用規(guī)劃。

3.2 喀什地區(qū)生境質(zhì)量與植被指數(shù)空間變化影響因素

利用InVEST模型測算2000—2020年喀什地區(qū)生境質(zhì)量均值為0.47～0.49,屬于生境質(zhì)量分級中較差一類,且逐年降低,與前人研究結(jié)論一致[43]。李釗等[44]通過研究喀什地區(qū)LULC與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值二者的關(guān)系,得到喀什地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值逐年減少,本研究利用InVEST模型進行相應(yīng)考察,也得到相似結(jié)果。本研究發(fā)現(xiàn),干旱區(qū)生境質(zhì)量變化與土地利用變化息息相關(guān),植被長勢良好、水資源豐富的林地、草地、水域等區(qū)域地區(qū)生境質(zhì)量高,反之生境斑塊破碎、自然環(huán)境惡劣的土地利用類型生境質(zhì)量低,這也在其他區(qū)域得到了驗證[17, 45-46]。植被退化的區(qū)域主要分布在城市周邊及水域附近,這2個流域內(nèi)集中了喀什地區(qū)大量的人口及工業(yè)活動,周邊建設(shè)用地、耕地擴張導(dǎo)致自然植被退化是造成生境質(zhì)量退化的主要原因[23, 43],且隨著時間變化,退化度高的區(qū)域在空間上也呈現(xiàn)增加趨勢,這也表明生境容易受到人類活動的影響,因此,在這些重點區(qū)域,要重點協(xié)調(diào)好經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)建設(shè)的關(guān)系[47]。

植被指數(shù)值的高低主要取決于地表覆被類型及植被生長狀況[8],喀什地區(qū)植被指數(shù)的高值區(qū)主要分布在葉爾羌河流域和喀什噶爾河流域,這2個區(qū)域水資源較充足,為植被的生長提供良好的生長環(huán)境,而南部山區(qū)海拔高,常年冰雪覆蓋,區(qū)域大部分未利用地,受限于惡劣的自然環(huán)境,植被較稀疏甚至全部為沙漠或礫石,因此植被值低。在喀什地區(qū)的沙漠及南部山區(qū)地帶,由于自然環(huán)境較惡劣,人類活動較小,在這些區(qū)域內(nèi)人口密度較低,人類活動較少,因此基本沒有發(fā)生植被退化;植被改善區(qū)域主要分布在葉爾羌河、喀什噶爾河附近,西南部山前地帶也有明顯改善,在經(jīng)濟發(fā)展過程中,各級政府逐漸認(rèn)識到保護生態(tài)環(huán)境的重要性,意識到破壞環(huán)境的嚴(yán)重后果,各級政府充分發(fā)揮并保障實施“三北防護林”體系建設(shè)、“退耕還林還草”等生態(tài)工程,持續(xù)推進“河湖長制”“林長制”等政策落地,有利于改善當(dāng)?shù)刂脖桓采w狀況。在這些區(qū)域,存在著一定的耕地擴張情況,這也在一定程度上增加了當(dāng)?shù)氐闹脖桓采w度。

3.3 模型性能表現(xiàn)

本研究運用InVEST模型生境質(zhì)量模塊結(jié)合植被指數(shù)數(shù)據(jù),分析喀什地區(qū)生境的變化,該模型運行結(jié)果與NDVI、LAI的變化趨勢在空間分布上具有較強的一致性,與NPP一致性較弱,這與數(shù)據(jù)類型、來源及模型參數(shù)設(shè)置有一定關(guān)系,詳細原因還有待進一步研究。同時,表明該模型能夠?qū)ρ芯繀^(qū)的生境變化做出較準(zhǔn)確的評價,是缺資料區(qū)開展生境質(zhì)量評估的有效模型。但在實際應(yīng)用過程中,也有諸多局限性,模型運行僅以土地利用變化數(shù)據(jù)作為參考依據(jù),且部分參數(shù)數(shù)據(jù)來源于文獻或者模型指導(dǎo)手冊,指標(biāo)選取的不全面性和模型結(jié)構(gòu)的不確定性,可能導(dǎo)致分析結(jié)果存在一定偏差,參數(shù)選取在未來的研究過程中還需進行驗證。本研究將生態(tài)模型與植被指數(shù)相結(jié)合的想法在中國西北內(nèi)陸干旱區(qū)進行了驗證,從區(qū)域尺度上研究生境變化。

4 結(jié) 論

(1)時間上,喀什地區(qū)生境質(zhì)量整體呈下降趨勢。2000—2020年喀什地區(qū)生境質(zhì)量均值為0.47～0.49,整體較差;就分類而言,較差和一般2個等級生境質(zhì)量占比最大,總體面積呈上升趨勢;好與較好2個等級面積占比小,且逐年下降。

(2)空間上,喀什地區(qū)生境質(zhì)量等級與土地利用類型分布基本一致。西南部山區(qū)及葉爾羌河流域林地和草地類型較多、水域面積大,生境質(zhì)量等級較高;耕地、建設(shè)用地、未利用地聚集的中部地帶生境質(zhì)量等級低;生態(tài)良好的林地、草地、水域面積都有不同程度減少,是區(qū)域生境質(zhì)量總體下降的主要原因。

(3)生境退化度與人類活動密切相關(guān),生境退化度高的區(qū)域集中在生態(tài)脆弱帶,如城市邊緣和河流附近,呈現(xiàn)出以城市、河流為中心向周圍蔓延的空間狀態(tài)。生境質(zhì)量等級分布與土地利用/覆被分布基本一致,土地利用變化極大地影響了研究區(qū)的生境變化。