1990-2017年喀斯特自然保護區(qū)土地利用變化對生境質(zhì)量的影響

黃賢峰, 楊永菊, 武 藝, 高亞紅，顧羊羊, 袁忠民

(1.貴州省環(huán)境科學研究設計院, 貴州 貴陽 550081; 2.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院, 河南 焦作454003; 3.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司, 貴州 貴陽550081; 4.南京銥迅信息技術股份有限公司, 江蘇 南京 210000; 5.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所, 江蘇 南京 210042; 6.貴州省義龍新區(qū)農(nóng)林水務和移民局, 貴州 義龍 562409)

生境是指不同物種的生活環(huán)境，它不僅包含物種生存的必要因素，而且也涉及物種存活所相關的其它生態(tài)因子[1]。生境質(zhì)量能有效反映區(qū)域生物多樣性的高低，比如生境質(zhì)量的破碎、退化和喪失會直接導致生物多樣性的降低[2]，評估生境質(zhì)量變化過程是制定有效的生物多樣性保護措施的基礎。土地利用變化是人類活動強度的直接表征，被認為是影響區(qū)域生境質(zhì)量變化的主要驅(qū)動力。大型工程建設[3]、城市規(guī)模擴張[4-5]、耕地面積增加[6]等土地利用變化都會對生境質(zhì)量造成影響。相關研究表明自17世紀工業(yè)革命以來，全球39%的陸地生境被耕地和城市所侵占，另外有37%的生境受到退化和破碎化的威脅[7]。自然保護區(qū)作為現(xiàn)有自然資源最為豐富的地區(qū)之一，對于維持區(qū)域內(nèi)生物多樣性和連通性以保證各種物質(zhì)流、能流及信息流的傳遞具有重要作用。同時，研究自然保護區(qū)成立前后生境質(zhì)量變化及主要影響因素，可為保護區(qū)生態(tài)保護與管理決策的進一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。國內(nèi)外學者采用不同方法對區(qū)域生境質(zhì)量進行分析。Valero等[8]采用河岸帶植被指數(shù)(riparian forest quality index, QBR)和河流生境指數(shù)(fluvial habitat index, IHF)評估河流生境狀況。相關學者在蒲河流域基于層次分析法構(gòu)建河流生境質(zhì)量評價體系并分析與水質(zhì)的響應關系[9]。Tang等[10]采用綜合指標法評估鄱陽湖地區(qū)土地利用變化對水鳥遷徙生境適宜性的影響。近年來InVEST (integrated valuation of environmental services and tradeoffs)模型由于能夠有效分析物種空間分布狀況及其環(huán)境，并將威脅源的空間分布作為影響因子的生境適宜度模型，已經(jīng)成為新的研究熱點[2,11-12]，被廣泛運用在生境質(zhì)量評價[2]、水源供給[13]、土壤侵蝕[14]等生態(tài)系統(tǒng)服務領域。InVEST-Habitat Quality 評估模型可以將土地利用/覆被與脅迫源聯(lián)系起來，并根據(jù)不同生境對脅迫源的響應情況，評估不同土地利用/覆被的生境分布和退化。該方法數(shù)據(jù)容易獲取，無需野外詳細物種調(diào)查，能夠快速評估區(qū)域生境質(zhì)量。張大智等[2]運用InVEST模型研究南四湖流域土地利用變化對生境質(zhì)量影響；Terrado等[15]基于InVEST模型研究流域生境質(zhì)量格局變化并模擬未來不同情景對生境質(zhì)量的影響；陳妍等[11]計算北京主要威脅源對生境退化影響并評估生境質(zhì)量變化。InVEST-Habitat Quality模型能夠為生物多樣性保護和土地資源開發(fā)利用的權衡決策提供量化參考，是實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的有力決策工具。目前坡崗自然保護區(qū)研究內(nèi)容主要集中在保護區(qū)的物種調(diào)查[16]和鄉(xiāng)村旅游[17]，缺乏通過分析多期生境質(zhì)量變化評估保護區(qū)管理成效方面的研究。因此，本文以貴州省西南典型喀斯特石漠化區(qū)——興義市坡崗自然保護區(qū)為例，基于GIS和RS技術，結(jié)合Landsat影像數(shù)據(jù)，利用InVEST-Habitat Quality模型和土地利用轉(zhuǎn)型生境貢獻率，旨在研究1990—2017年保護區(qū)建立前后(保護區(qū)1997年批準成立)土地利用變化及其對生境質(zhì)量的影響，并評估保護區(qū)管理成效。模擬預測退耕還林還草政策情景下自然保護區(qū)生境質(zhì)量變化，為保護區(qū)的科學管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

坡崗州級喀斯特森林和野生動物自然保護區(qū)位于貴州省興義市城東15 km，1997年經(jīng)貴州省黔西南州州委批準成立。保護區(qū)位于東經(jīng)104°59′41″—105°05′41″，北緯24°55′42″—25°06′44″，面積211.74 km2。東與安龍縣萬峰湖鎮(zhèn)接壤，南同興義市巴結(jié)鎮(zhèn)毗鄰，西抵頂效鎮(zhèn)樓納辦事處，北與鄭屯鎮(zhèn)鄭屯村接壤。保護區(qū)海拔759～1 590 m，屬中亞熱帶季風性濕潤氣候，年均降雨量1 520.9 mm，夏季降雨量約占年降雨量的50%至55%。年均氣溫在16～20 ℃，土壤類型主要為紅壤與黃壤，2017年森林覆蓋率達88.62%。坡崗自然保護區(qū)是中國同緯度喀斯特地貌資源保存最為完整區(qū)域之一，主要保護對象為喀斯特森林植被和國家二級保護動物獼猴群落。保護區(qū)為典型喀斯特地貌，受地層相變、新構(gòu)造抬升及河流強烈切割的影響，地貌類型復雜，主要有峰叢峽谷、峰叢洼地、峰林洼地及石林4種類型。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

采用中高分辨率的Landsat系列遙感圖像，涉及TM，ETM+，OLI傳感器(遙感影像來源于http:∥glovis.usgs.gov)，研究坡崗自然保護區(qū)生境質(zhì)量動態(tài)變化。為獲取研究區(qū)1990—2017年土地利用覆被的動態(tài)變化，選取保護區(qū)建立前后的1990，2001，2009和2017年4個時期為代表年份，每個時期選擇2景并且云量覆蓋率低的影像(表1)。根據(jù)《基于碳收支的中國土地覆被分類系統(tǒng)》[18]的標準，將坡崗自然保護區(qū)土地利用/覆被類型分為：林地、草地、濕地、耕地、人工表面和其他類型，其中其他類型主要包括裸巖、裸土等地類。使用遙感圖像處理軟件ENVI 5.1對4個時期的遙感影像進行預處理，如波段合成、裁剪、重采樣等。根據(jù)實地采樣點和紋理信息，采用支持向量機分類方法對影像進行監(jiān)督分類，針對分類結(jié)果結(jié)合人—機交互方式，對錯分的類型進行目視判讀，修改得到研究區(qū)4期土地利用覆被類型的空間分布。

表1 Landsat系列衛(wèi)星影像信息

2.2 生境質(zhì)量模型

InVEST-Habitat Quality模型用于評估威脅來源對生境的負面影響，計算研究區(qū)生境的退化程度，并參考生境的適宜性和退化程度計算生境質(zhì)量[11]。將土地利用類型中相應類型定義為生境，根據(jù)研究區(qū)土地利用/覆被特點將生境類型歸為林地、草地、濕地、耕地、農(nóng)村居民點、交通用地和裸土/裸巖。生境退化度反映人類活動(即威脅源)對生境造成的影響，定義交通用地、耕地和農(nóng)村居民點為坡崗自然保護區(qū)生境的威脅源。生境退化度由5個因素決定：不同的威脅源權重(ωr)、威脅源強度(ry)，威脅源對生境每個柵格的影響(icxy)、生境抗干擾水平(βx)以及每種生境對不同威脅源的相對敏感度(Sjr)，5個影響因素的閾值范圍0～1[19]。假設威脅源的影響隨距離增加呈現(xiàn)線性衰減趨勢，通過公式(1)和公式(2)計算生境類型j中柵格x的退化度。

(1)

irxy=1-(dxy-drmax)

(2)

式中：r——生境的威脅源；y——威脅源r中的柵格；dxy——柵格x(生境)與柵格y(威脅源)的距離；dr max——威脅源r的影響范圍。

生境中每個柵格的生境質(zhì)量取決于2個因素： ①自身作為生境的適宜情況，即生境適宜度，閾值范圍0～1； ②公式(1)中計算的生境退化度。假設生境質(zhì)量好的區(qū)域生物多樣性豐富，生境質(zhì)量的空間分布代表生物多樣性的空間分布。基于土地利用/覆被類型，生境質(zhì)量計算公式如下：

(3)

式中：Qxj——土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量；Dxj——土地利用類型j中柵格x的生境退化度；Hj——土地利用類型j的生境適合度；k——半飽和常數(shù)，取Dxj最大值的1/2；z——模型默認參數(shù)。

生境模型主要參數(shù)有威脅源的最大影響范圍及權重、生境適宜度、不同威脅源的敏感性等。根據(jù)InVEST模型指導手冊(InVEST VERSION 3.3.2 User’s Guide)的模型參考值及相關文獻[2,11,19]，參數(shù)值分別列于表2—3。自然保護區(qū)作為重要物種棲息地和自然生態(tài)系統(tǒng)保留地，將林地、河流濕地的生境適宜度閾值定為1。越接近自然系統(tǒng)的生境適宜度越大，越接近純?nèi)斯きh(huán)境生境適宜性越小。因此，將草地定為0.75，耕地定為0.40，其余用地類型為0。

表2 威脅源的屬性

表3 不同生境類型對威脅因子的敏感性

2.3 土地利用轉(zhuǎn)型生境貢獻率

土地利用轉(zhuǎn)型生境貢獻率是指某一種土地利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)型從而導致區(qū)域生境質(zhì)量發(fā)生改變的比率，該方法可為深入分析土地利用轉(zhuǎn)型對區(qū)域生境質(zhì)量的影響奠定基礎，有利于探討區(qū)域生境質(zhì)量變化的主導因素[20]。其表達式為：

CLHQ=(HQt+1-HQt)/Sc/S

(4)

式中：CLHQ——土地利用轉(zhuǎn)型生境貢獻率； HQt+1，HQt——某種土地利用轉(zhuǎn)型所反映的轉(zhuǎn)型初期和轉(zhuǎn)型土地利用類型所具有生境質(zhì)量指數(shù)；Sc——該變化類型的面積；S——保護區(qū)總面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 保護區(qū)土地利用及轉(zhuǎn)型變化

3.1.1 保護區(qū)土地利用變化 由圖1可知，保護區(qū)4期土地覆被類型中林地、草地和耕地分布最為廣泛。

其中，2017年坡崗自然保護區(qū)林地、草地和耕地面積分別為153.29，33.41和20.06 km2，3種類型面積占整個保護區(qū)面積的97.65%，其他類型用地面積為0.56 km2，占保護區(qū)面積比例僅為0.26%。人工表面和濕地面積分別為3.55和0.87 km2，分別占保護區(qū)面積的1.68%和0.41%(表4)。

圖1 1990-2017年坡崗自然保護區(qū)各地類面積變化

km2

1990—2001年，保護區(qū)林地面積增加最大為19.07 km2，濕地和人工表面面積分別增加了0.59和0.53 km2，其他類別、草地和耕地面積分別減少了13.55，3.35，3.28 km2。2001—2009年，保護區(qū)草地面積增加最多為16.80 km2，其次是林地和人工表面，面積分別為6.83，0.36 km2。耕地面積減少最多為15.20 km2，其次是其他類型與濕地，面積分別為8.45，0.31 km2。2009—2017年，保護區(qū)耕地面積增加最多為4.61 km2，其次是人工表面、草地和濕地，面積分別為2.32，2.09，0.07 km2。總體來看，1990—2017年保護區(qū)林地、草地、濕地和人工表面呈現(xiàn)增加趨勢，耕地和其他類型呈現(xiàn)減少趨勢。具體來說，林地、草地、人工表面和濕地分別增加18.55，15.53，3.21和0.34 km2，其他類型和耕地面積分別減少23.74和13.88 km2，其中其他類型面積減少量最大，與1990年相比減少了97.70%。

3.1.2 土地利用轉(zhuǎn)型分析 基于4期土地利用/覆被類型數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的空間分析功能對不同時期的土地利用類型進行疊加分析，得到研究區(qū)4個時期土地轉(zhuǎn)移矩陣(表5)。從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣來看，主要表現(xiàn)為：1990—2001年，土地利用類型轉(zhuǎn)移主要存在耕地轉(zhuǎn)林地、草地轉(zhuǎn)林地、其他類型轉(zhuǎn)林地以及其他類型轉(zhuǎn)耕地，共有32.1 km2的用地轉(zhuǎn)為林地，以及11.75 km2的其他類型轉(zhuǎn)為耕地。2001—2009年，分別具有10.54 km2的草地轉(zhuǎn)為林地、7.88 km2的耕地轉(zhuǎn)為林地以及14.30 km2的耕地轉(zhuǎn)為草地，同時有8.85 km2的林地轉(zhuǎn)為草地。2009—2017年，土地利用轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在林地轉(zhuǎn)草地、林地轉(zhuǎn)耕地和草地轉(zhuǎn)耕地，分別轉(zhuǎn)移13.15，5.81，6.50 km2。總體上，1990—2017年，保護區(qū)土地轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在草地轉(zhuǎn)林地、耕地轉(zhuǎn)林地、其他類型轉(zhuǎn)草地和其他類型轉(zhuǎn)林地，分別轉(zhuǎn)移9.69，13，12.77，6 km2。

表5 1990-2017年坡崗自然保護區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.2 保護區(qū)生境質(zhì)量變化分析

坡崗自然保護區(qū)平均生境質(zhì)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。保護區(qū)平均生境質(zhì)量從1990年的0.76增加到2009年的0.90，然后降低到2017年的0.88，優(yōu)于保護區(qū)設立前的生境質(zhì)量，28 a平均生境質(zhì)量提高15.71%(表6)，生境質(zhì)量整體上呈現(xiàn)改善趨勢。其中試驗區(qū)平均生境質(zhì)量提高最大，從1990年0.74增加到2017年的0.86，28 a間增加了17.34%。其次是核心區(qū)，從1990年0.78增加到2017年的0.90，28 a間增加了15.15%。

緩沖區(qū)平均生境質(zhì)量提高較慢，從1990年0.79增加到2017年的0.89，28 a間增加了13.57%。總體來看，1990年緩沖區(qū)平均生境質(zhì)量最好，其次是核心區(qū)與試驗區(qū)；2001年以后核心區(qū)平均生境質(zhì)量最好，其次是緩沖區(qū)，最后是試驗區(qū)。坡崗自然保護區(qū)生境質(zhì)量空間分布如圖2所示。

表6 1990-2017年坡崗自然保護區(qū)平均生境質(zhì)量變化

3.3 土地利用轉(zhuǎn)型對生境質(zhì)量的影響

根據(jù)土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣并結(jié)合公式(4)計算出各土地利用轉(zhuǎn)移對區(qū)域生境質(zhì)量影響的貢獻度(表7)。由表7可知，提高坡崗自然保護區(qū)生境質(zhì)量的土地利用轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在耕地轉(zhuǎn)林地、其他類型轉(zhuǎn)林地和其他類型轉(zhuǎn)草地，轉(zhuǎn)化面積分別為13.00，6.00和12.77 km2，而其他類型向草地轉(zhuǎn)化的貢獻率最高達到4.28%；其中還包括草地轉(zhuǎn)林地和耕地轉(zhuǎn)草地。降低坡崗自然保護區(qū)生境質(zhì)量的土地利用轉(zhuǎn)型主要存在林地轉(zhuǎn)草地和林地轉(zhuǎn)耕地，轉(zhuǎn)化面積分別為6.76，2.41 km2；其中還包括草地轉(zhuǎn)耕地以及耕地轉(zhuǎn)人工表面。

生境質(zhì)量提高生境質(zhì)量降低土地利用類型變化變化面積/km2貢獻率/%土地利用類型變化變化面積/km2貢獻率/%草地轉(zhuǎn)林地9.691.03林地轉(zhuǎn)草地 6.76-0.75耕地轉(zhuǎn)林地13.003.58林地轉(zhuǎn)耕地 2.41-0.59耕地轉(zhuǎn)草地7.151.23草地轉(zhuǎn)耕地 1.14-0.19其他轉(zhuǎn)林地6.002.60耕地轉(zhuǎn)人工表面1.72-0.31其他轉(zhuǎn)草地12.774.28合 計48.6112.72合 計12.03-1.84

1997年興義市坡崗自然保護區(qū)成立以后，石漠化治理成果顯著，28 a間共減少97.70%的裸巖裸土等其他類型用地。2002年貴州省全面實行退耕還林還草工程，截止2017年保護區(qū)林地、草地面積分別增加了18.55和15.53 km2，耕地面積減少了13.88 km2，2017年森林覆蓋率達到88.62%，生境質(zhì)量呈現(xiàn)提高趨勢。隨著保護區(qū)人類活動逐漸增加，28 a間人工表面面積共增加了3.21 km2，該區(qū)域生境質(zhì)量也呈現(xiàn)降低趨勢。總體而言，坡崗自然保護區(qū)同時存在生境質(zhì)量提高與生境質(zhì)量降低兩種趨勢，生境質(zhì)量提高的趨勢遠大于生境質(zhì)量降低的趨勢，保護區(qū)生境質(zhì)量增加顯著。

3.4 生態(tài)保護情景下生境質(zhì)量變化

通過近28 a土地利用轉(zhuǎn)移生境質(zhì)量影響貢獻度研究表明，坡崗自然保護區(qū)以裸巖裸土為主的其他類型用地顯著減少，保護區(qū)采取的封山育林措施、減少柴薪砍伐以及退耕還林還草工程取得積極成效。同時保護區(qū)內(nèi)道路改擴建、村莊搬遷和耕地面積的增加威脅著保護區(qū)的生境質(zhì)量。因此，有針對性地采取退耕還林還草以及控制人類活動規(guī)模可以增加生境質(zhì)量、維護生物多樣性。退耕還林還草情景假設區(qū)域人類活動規(guī)模不擴大，將自然保護區(qū)內(nèi)的坡度大于25°以上的耕地全部轉(zhuǎn)為林地，其他耕地轉(zhuǎn)為草地。運用InVEST模型模擬生態(tài)保護政策情景下對自然保護區(qū)生境質(zhì)量的提升效果，在退耕還林還草工程實施情景下，坡崗自然保護區(qū)平均生境質(zhì)量指數(shù)從當前情景的0.88提高到保護情景下的0.92，平均生境質(zhì)量指數(shù)提高4.54%，生境質(zhì)量改善。

4 討論與結(jié)論

4.1 結(jié) 論

(1) 1990—2017年坡崗自然保護區(qū)林地、草地、濕地和人工表面面積呈現(xiàn)增加趨勢，耕地和其他類型面積呈現(xiàn)減少趨勢。其中以裸巖、裸土為主的其他類型面積減少量最大，與1990年相比減少97.70%。保護區(qū)土地轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在草地轉(zhuǎn)林地、耕地轉(zhuǎn)林地、其他類型轉(zhuǎn)草地和其他類型轉(zhuǎn)林地。

(2) 1990—2017年坡崗自然保護區(qū)平均生境質(zhì)量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，28 a保護區(qū)平均生境質(zhì)量提高15.71%。1990年保護區(qū)建立前緩沖區(qū)平均生境質(zhì)量最高，其次是核心區(qū)與試驗區(qū)，2001年保護區(qū)建立后核心區(qū)平均生境質(zhì)量最高，其次是緩沖區(qū)，最后是試驗區(qū)。

(3) 坡崗自然保護區(qū)同時存在生境質(zhì)量提高和生境質(zhì)量降低兩種趨勢，但生境質(zhì)量提高趨勢遠大于生境質(zhì)量降低的趨勢。坡崗自然保護區(qū)的建立、退耕還林還草工程的實施以及保護區(qū)人類活動的增加是導致保護區(qū)生境質(zhì)量改變的主要原因。在生態(tài)保護實施情景下，坡崗自然保護區(qū)平均生境質(zhì)量指數(shù)從當前情景的0.88提高到0.92，生境質(zhì)量改善。

4.2 討 論

生境質(zhì)量變化與土地利用/覆被變化有著密切聯(lián)系，其中人類活動干擾和退耕還林還草工程影響較大。保護區(qū)內(nèi)道路改擴建以及耕地面積的增加等人類活動導致威脅地類對生境適宜性的負面影響加強。同時受封山育林和退耕還草還林工程實施影響，坡崗自然保護區(qū)大量的其他類型、耕地轉(zhuǎn)為草地和林地，提高自然植被覆蓋率，使得生境質(zhì)量不斷提高。坡崗自然保護區(qū)同時存在生境質(zhì)量提高與生境質(zhì)量降低兩種趨勢，由于其他類型和耕地轉(zhuǎn)草地和林地的面積大于生境退化面積，故保護區(qū)生境質(zhì)量呈現(xiàn)增加趨勢。本文采用InVEST模型對自然保護區(qū)進行研究，模型的參數(shù)設置參考其他專家學者的相關研究成果，若能在喀斯特坡崗自然保護區(qū)進行指標實地采集與驗證，評估結(jié)果將更加可靠。