基于土地利用變化的江油市生境質量時空變化分析

趙浩舟　王衛紅　武鋒強　張　艷　陳　財　李世川

(西南科技大學環境與資源學院　四川綿陽　621000)

土地利用變化是全球變化中的組成部分，是人地關系的表現形式，作為人與自然相互作用最為密切的聯系紐帶，是揭示區域環境變化的重要途徑[1-2]。生境質量是區域特征的一種主要表現，指在一定的時間和空間中生態系統對人類生存、經濟發展的適宜程度，在某種程度上代表生態環境的好壞[3-4]。人類活動從各個尺度上影響著土地利用的演化，進而影響到生境質量，因此基于土地利用變化探討生境質量變化成為當前研究的重點[5]。

國內外學者對生境質量評估做出了諸多貢獻。進行生境質量評價的數字模型有InVEST[6](Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)，ARIES[7](Artificial Intelligence for Ecosystem Services)等。InVEST模型與其他模型相比具有成本低、評價精度高、空間分析功能強、結果可視化等優點，已成功應用于夏威夷、坦桑尼亞等多個區域的生態系統評估中。Terrado[8]等對比分析了InVest模型中生境質量模塊的計算結果與實際觀測結果。孫傳諄等[9]基于InVEST模型分析了鄱陽湖濕地生物多樣性。

針對以往研究較少關注人類活動及自然災害共同影響下區域生境質量評估的情況，筆者以遭受汶川地震比較嚴重且城市化進程較快的江油市為研究區，基于土地利用變化，運用InVEST模型建立生境質量數據庫,評估生境質量指數，為研究區的土地規劃、生態恢復、區域可持續發展等方面提供依據。

1　研究區概況

江油市位于東經104°30′-105°19′北緯31°31′-32°21′范圍內，地處龍門山脈北部，是汶川地震重災區，屬亞熱帶季風濕潤氣候。高程在1 000～2 000 m 之間，坡度在30°以上，相對切割深度500～1 000 m；相對高差為50～200 m[10]。境內地勢北高南低，北部為山地，南部為丘陵和平壩。江油市是四川省工業基地，是四川省商品糧、能源和建材基地之一，2016年研究區的國民生產總值達300億元。

2　數據收集與研究方法

2.1　數據來源與處理

本研究使用的數據包含空間數據和統計數據。空間數據選擇地震前(2008年初)，震后(2008年末)，震后恢復(2016年)3個不同時期江油市的Landsat 7衛星ETM+傳感器的遙感影像數據(分辨率30 m×30 m，軌道號：129/038)。統計數據來自于統計年鑒(2008-2016)。

利用Arcgis將遙感影像數據統一坐標系，并進行空間配準，之后用ENVI對其進行輻射定標、大氣校正、空間校正，根據江油市行政邊界進行裁剪。由于2008年影像距今年代較長，因此解譯采用倒推法[11]，即先解譯2016年的影像，再根據統計年鑒和相關報告解譯2008年年末影像，最后解譯2008年年初影像。參考《土地利用現狀分類標準》(GB/T 21010—2007)結合當地實際情況，建立土地利用分類體系，共計9類，即水域、草地、城鎮、交通用地、其它建設用地、林地、裸地、耕地、其它用地。采用面向對象分類方法得到三期土地利用類型圖。對解譯后的三期數據通過實地調查，并結合第二次全國土地調查數據檢驗修改后，生成1∶5萬土地利用圖。

2.2　研究方法

2.2.1土地利用動態度分析

土地利用動態度反映了某個時間范圍內土地利用類型的數量變化情況，其表達式為：

(1)

式中：K為研究時段內某一土地利用類型動態度；Ua，Ub分別為研究期期初及研究期期末某一種土地利用類型的數量。

2.2.2土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣表現各種土地利用類型之間的轉換情況，它反映期初、期末的土地類型結構，刻畫區域土地變化方向以及研究期期末各土地利用類型的來源與構成。數學形式為：

(2)

式中：S為土地面積；n為土地利用的類型數；i，j分別為研究期期初與研究期期末的土地利用類型。

2.2.3InVEST模型數學模擬

InVEST模型原理是結合景觀類型敏感性和外界威脅強度得到生境質量的分布，然后評估生物多樣性的好壞。需要的數據有：當年的土地利用類型圖、生境威脅因子圖層、威脅源表、生境敏感性圖層。

(1)構建威脅因子圖層。將各土地利用類型視為生態系統類型，根據地類受人類干擾強度劃分為人為地類與自然地類。人為地類指影響生境質量的威脅地類。在構建威脅地類因子時參考國內外專家學者研究和模型使用說明，認為：在模型中裸地與耕地未定義為威脅圖層，但根據研究區的實際情況，裸地不是人為用地但威脅到生態環境；耕地存在面積大，由于地形的原因使耕地碎塊化，破壞了景觀連通性，加之農用設施對環境的影響，因此把裸地和耕地列入生境威脅地類，并根據參考文獻意見給出敏感性與權重[4-5,12]。威脅源表中的其它因子為常規因子。威脅強度和威脅距離依據文獻資料構建[4-5,9](表1)；敏感性圖層的敏感度采用了模型推薦數據。

表1　威脅因子權重、最大影響距離、衰退類型Table 1 Threat factor weight, maximum impact distance, recession type

(2)計算生境退化程度。土地利用類型j中柵格x的生境退化程度計算公式為

(3)

(4)

(5)

其中，Dxj為生境退化程度；R為脅迫因子個數；wr為脅迫因子r的權重；Yr為脅迫因子層在土地利用類型圖中的柵格數；ry為土地利用類型圖中每個柵格上脅迫因子的個數；Sjr為j類型土地覆被對脅迫因子r的敏感性；irxy為柵格y中的威脅因子r對柵格x的影響；dxy為柵格x(生境)與柵格y(威脅因子)的距離，drmax為威脅因子r的影響范圍。βx為法律保護程度，研究不考慮法律保護程度因子，將βx設為1。

(3)生境質量計算公式。基于生境退化程度Dxj，生境質量的計算公式為

(6)

其中，Qxj為土地利用類型圖j中柵格x的生境質量；Hj為土地利用類型圖j的生境屬性。k是半飽和常數，k值一般設置為生境退化程度最大值的1/2。依據InVEST 3.3.3模型說明，z值為模型默認參數，可設置為2.5。

3　結果與分析

3.1　江油市土地利用變化特征

對江油市2008年初、2008年末、2016年3個時期土地利用的分類結果(圖1)進行統計，得到不同地類面積比重及動態度(表2)。土地利用類型結果與羅娜等[13]研究相近，總結出2008-2016年江油市土地利用整體變化特征。

(1)江油市地理面積為2 719.8 km2，2008年初各類型按面積依次是：其它<裸地<城鎮<水域<交通用地<其它建設用地<草地<林地<耕地；2008年末按面積依次為：城鎮<其它<裸地<水域<其它建設用地<草地<交通用地<耕地<林地；2016年土地利用類型按面積依次為：其它類用地<城鎮<水域<裸地<交通用地<其它建設用地<草地<耕地<林地。(2)耕地面積變化大。2008年地震嚴重損毀耕地資源，2008年末耕地面積縮減348.35 km2，隨后雖采取復墾等措施但到2016年耕地總量仍減少79.65 km2。耕地依舊是主要土地利用類型。(3)交通用地是研究區土地利用變化的主要特征。大部分的道路損毀、占用耕地的現象及救災臨時安置區的出現使交通用地面積增加，2008年末較年初交通用地增加179.37 km2；2008年后大型工礦整合，公路搶險的完工使交通用地面積出現減少現象。(4)裸地增加，2008年末增加27.94 km2，2016年增加5.29 km2。從空間看，裸地多出現在東北部山區，南部耕作區。(5)草地2008年末年減少165.78 km2，到2016年恢復了117.46 km2，恢復部分在北部林區與坡度較陡的山區、城鎮周邊。(6)林地在震后增加明顯是研究區變化特征之一，2008年初-2008年末年增加368.95 km2，動態度為40.38%，2008年末-2016年林地增加135.48 km2，動態度為1.51%。(7)2008年初-2008年末年其它類用地動態度最大為5 222.5%，是增長率最高的土地類型，城鎮為-67.46%，是減少率最高的類型，水域變化度為-19.36%，是最穩定的土地類型；2008年末至2016年草地的土地動態度為21.12%，為增長率最高的土地類型，其它類用地土地動態度為14.11 %，為減少率最高的類型，裸地為-1.98%，是最穩定的土地類型。

圖1　2008-2016年江油市土地類型分布及變化Fig.1　Land use distribution and changes of the Jiangyou city in 2008-2016

項目　　2008年初　　　　2008年末　　　　2016年　　面積/km2比例/%面積/km2比例/%面積/km2比例/%2008年初-2008年末動態度/%2008年末-2016年動態度/%城鎮24．710．918．040．3018．680．69-67．4618．91裸地6．010．2233．951．2539．241．43464．89-1．98水域45．861．6936．981．3627．121．00-19．36-3．81草地380．5614．00214．787．90332．2412．23-43．5621．12其它0．310．0116．500．610．200．015222．58-14．11林地913．6333．611282．5847．201418．0652．1840．381．51耕地1095．0440．28746．6927．48667．0424．55-31．81-5．35交通用地125．234．61304．6011．2178．612．89143．23-10．60其它建設用地126．944．6773．052．69146．265．38-42．4514．32

3.2　江油市土地利用類型轉移變化分析

為更加清晰分析2008-2016年江油市各土地利用類型的變化方向，求出江油市土地利用變化轉移矩陣(表3)。由表3(列為期初，行為期末)，2008年初-2008年末年江油市土地變化總量為1 445.92 km2，其中林地變化量最大369.2 km2，其次是耕地348.19 km2，變化量最小的是水域為8.8 km2。2008年末-2016年江油市土地變化總量為1 328.61 km2，耕地變化量最多，為516.33 km2；其次是交通用地為265.82 km2，城鎮變化最小。

表3　江油市2008-2016年土地利用類型轉移矩陣面積統計(單位：km2)Table 3 Land use transfer matrix in Jiangyou city during 2008-2016 (unit: km2)(to be continued)

續表3　江油市2008-2016年土地利用類型轉移矩陣面積統計(單位：km2)Table 3 Land use transfer matrix in Jiangyou city during 2008-2016 (unit: km2)(continued)

3.3　江油市生境質量的時空變化分析

生境質量在柵格圖層上是0～1之間連續變化的值，值越靠近1，生境質量越好，越有利于生物多樣性的維持。為直觀說明生境質量分布情況，將3期生境質量指數運算結果進行重分類，通過自然間斷法劃分低、中、良好和優等4個級別(圖2)，并統計各等級生境所占柵格個數及百分比(表4)。

圖2　2008-2016年江油市生境質量空間分布圖Fig.2　Spatial distribution of habitat quality in Jianyou city

等級范圍　　　2008年初　　　　　　2008年末　　　　　　2016年　　　計數百分比/%計數百分比/%計數百分比/%10～0．381581327．02197365665．3655338518．320．3～0．683709027．72245920．8166631622．0630．6～0．9102190433．8498032532．4678607726．0340．9～134479511．42410291．35101382433．57

從空間格局變化看，江油市優質和良好等級的生境占大部分。每期好壞程度均由北部向南部地區遞減。北部地區生境脆弱受地震影響明顯，南部受影響小，但在地震后北部的生境依然好于南部。從時間格局看，2008年初低等級、中等級生境分別占27%左右，地震對生境質量影響明顯，2008年末中等和高等級生境驟然減少，中等占0.81%，高等占1.35%，低等級占65%，主要原因是為服務救災交通用地猛增，破壞了生態環境。2016年后，生境質量得到大幅度恢復，低等級占18.3 %，高等級占33.57 %，是2008年初的2.9倍。

4　結論

本研究利用ArcGIS，ENVI等軟件平臺對江油市土地利用與生境質量動態變化進行分析，結果表明：(1)研究區第一個階段內耕地數量劇烈變化，結合江油統計資料，2008年地震使得城鎮和耕地受損嚴重，重建后大部分臨時安置點轉為交通用地，使交通用地面積大幅增加，耕地恢復較慢。耕地集中于南部地區，且耕地數量不斷減少，但依然是江油市的主要土地類型。(2)從土地動態度看人工環境中其它建設用地受地震影響最大，半人工環境的草地影響次之，自然環境受影響最小；面積大的類型相對穩定，動態度較小，反之面積動態度變化較大，如其它用地。(4)生境質量高低與自然災害發生的強度有關，汶川地震后生境質量普遍降低。最明顯的是優和良好的生境質量地塊。生境質量越高，敏感性越強，易損性越大。(5)北部為山地，林地資源豐富，連片分布于區域山地丘陵區，此處相對海拔較高，地形較復雜，生境質量比較完好。耕地主要分布于研究區南部，中部地勢較為平坦，生境質量多為中等。其它建設用地主體分布在涪江上游，沿河而建，生境質量較差。江油市的生境質量總體上處于中等偏高的水平，但南部地區其它建設用地的擴張以及不合理耕作導致生境質量下降。所以未來如何維持生境質量不會退化甚至恢復南部地區的生境質量是一個關鍵問題。未來南部地區的土地利用規劃中，土地規劃和生態保護工作中需優化林地、耕地、其它建設用地等景觀格局，在保持經濟增長基礎上配置必要的生態用地。在保證生境質量維持在較高水平的前提下，開發北部地區的自然資源優勢，協調經濟發展與生境質量之間的關系，促進江油市整體經濟與生態保護的協調發展。本研究存在一定的不足，只考慮了基于土地利用變化的生境質量響應，下一步需結合模型的其它模塊，綜合評定土地利用變化對生態系統服務的變化，如：碳儲量、水土保持等。

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