基于土地利用與植被覆蓋度的大通北川河源區自然保護區生境質量評估

陳永國, 劉維軍, 榮月靜, 傅利平, 馬立廣, 曹彥榮

(1.青海大通北川河源區國家級自然保護區管理局, 青海 大通 810100;2.北京山海礎石信息技術有限公司, 北京 100101; 3.中國科學院 生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085； 4.中國科學院大學 資源與環境學院， 北京 100049)

自然保護區作為最重要的生態安全防線，資源豐富、環境優美，是生態服務功能的集中產區。隨著人們環境意識的提高，自然保護區的建設和管理水平不斷提高[1-2]。然而，在整個生態環境惡化、生態系統退化的背景下，自然保護區的生境質量難以判斷。不同級別保護區、國家公園和風景名勝區的建立，目的是通過維持完整生態系統以實現保護物種多樣性、群落多樣性和生態系統多樣性，維持生態系統各項功能[3-6]。

土地利用/覆蓋變化影響生態系統的結構和過程，從而對生態系統格局、質量、功能產生影響[7-14]。相比土地利用類型變化對生態系統服務的顯性影響，生態質量對生態系統服務的影響是隱形的，不容易被人類察覺。近年來，學者們通過研究NDVI、植被覆蓋度等生態質量因子對不同區域生態系統服務的影響，發現除土地利用變化之外，生態質量的變化同樣是生態系統服務變化的重要驅動因子[15-17]。

北川河源區國家級自然保護區主要土地利用類型是森林和草地，土地利用類型變化與生態質量指數都是影響生境質量的因素，本研究在生態系統類型的基礎上，通過植被覆蓋度表征生態質量因子，通過對保護區生態格局、植被覆蓋度的研究，綜合修正生境質量評估模型參數，進而更加精確地評估保護區的生境質量空間分布狀況，為保護區進一步保護與修復方向提供指導建議。

1 研究區概況

青海大通北川河源區國家級自然保護區位于西寧市大通縣境內，地處大通縣北部的北川河源頭，地理坐標為東經100°52′—101°47′，北緯37°03′—37°28′。自然保護區地處黃土高原與青藏高原的過渡地帶，境內山巒起伏，溝壑縱橫，地形復雜。山區和丘陵地占總面積的94%，整個地勢西北高，東南低，由西北向東南傾斜，相對高差1 942 m。大通北川河源區自然保護區的植物垂直分布特征較明顯，自下而上，分為河川谷地落葉闊葉林植被帶(海拔2 680～2 900 m)、山地針闊葉林植被帶(海拔2 800 m)、山地常綠針葉林植被帶(2 700～3 200 m)、山地灌叢類草地帶(2 700～3 800 m)、亞高山灌木林植被帶(海拔3 200～3 600 m)、亞高山灌叢植被帶(海拔3 000～4 200 m)、高山草甸類草地帶(3 600～4 622 m)以及裸露巖石(海拔4 000 m以上)。自然保護區屬于半干旱、半濕潤溫涼性氣候，保護區內有寶庫河、黑林河、東峽河3條河流，并建有西寧市重要的水源調節水庫“黑泉水庫”。多年平均徑流深為217 mm，多年平均自產地表水資源量為68.6億m3。地下水資源量為31.3億m3。土壤分布具有明顯的垂直地帶性，從海拔和地域分布有沼澤土、潮濕土、墊淤土、栗鈣土、黑鈣土、山地棕褐土、高山草甸土、高山石質土等土壤類型。保護區主要保護對象是大陸性高原氣候森林生態系統，白肩雕(Aquilaheliaca)、馬麝(Moschuschrysogaster)、白唇鹿(Cervusalbirostris)、冰沼草(ScheuchzeriapalustrisL.)等珍稀瀕危野生動植物種群棲息地[18-19]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文所采用的數據包括土地利用數據、植被覆蓋度、保護區分布區域等。其中土地利用類型數據來源自中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)，數據生產制作是以各期Landsat TM/ETM遙感影像為主要數據源，通過人工目視解譯生成。土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個一級類型以及25個二級類型，土地利用數據分辨率30 m×30 m;植被覆蓋度數據來源于中國科學院遙感與數字地球研究所，分辨率為250 m×250 m；保護區分布圖來源于保護區資料收集。

2.2 研究方法

InVEST模型的Habitat Quality模塊是通過分析人為活動或自然災害等生態威脅因子對區域景觀水平下土地利用/覆蓋斑塊的影響程度，來評價研究區的生境質量。本研究運用Habitat Quality模塊對研究區的生境質量進行評估[20]。生境質量的主要輸入參數包含不同年份土地利用數據、威脅因子、土地利用對威脅因子的敏感度、Habitat因子等。具體模型方法如下：

(1)

(2)

irxy=1-dxy/drmax(線性)

(3)

irxy=exp[-(2.99/drmax)dxy] (指數)

(4)

H=min(Hj×VFC×2,1)

(5)

式中：H為修正的Hj因子；VFC是植被覆蓋度。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化分析

青海北川河源區國家級保護區土地利用類型主要為林地、草地、裸地、沼澤地以及旱地等(附圖13)。林地主要以灌木林為主，面積為328 km2，占到林地面積的92%左右；草地主要以高覆蓋草地為主，面積為232 km2，占草地面積的41%左右(表1,圖1)。

表1 保護區2005-2015年生態系統類型分布面積 km2

從保護區2005—2010年土地利用轉移變化(表2)可以看出，保護區整體土地利用類型變化不大。從2005—2010年，變化最大的是裸巖石質地轉換為其他類型，面積為9.66 km2,其次是其他類型轉換為低覆蓋草地，面積為8.17 km2。2010—2015年，變化最大的是裸巖石質地轉換為低覆蓋草地，面積為3.40 km2。

3.2 植被覆蓋度分析

通過對保護區2005年、2010年、2015年年均植被覆蓋度的統計(表3，圖2)，2005年的植被覆蓋度范圍在0.44%～58.58%，2010年的植被覆蓋度范圍為0.67%～59.75%，2015年的植被覆蓋度范圍為4.33%～79.83%，可以看出保護區植被覆蓋度在整體提升。將植被覆蓋度按照0%～10%，10%～30%，30%～50%，50%～70%，70%以上進行分級統計面積與比例(圖3)可以看出，2005年與2010年保護區植被覆蓋度主要分布在中等級，2005年占64.94%,2010年占68.23%；2015年植被覆蓋度顯著提升，主要分布在中、較高等級，總共占到85.44%；其中，中等級占48.47%，較高等級占到36.97%，從圖2—3可以看出，顯著提升的主要是位于保護區北部與南部地區的灌木林。

圖1 保護區2005年、2010年、2015年土地利用統計

3.3 生境質量特征分析

通過Habitat Quality模塊進行生境質量的評估，其中，H為結合InVEST模型與相關研究成果，依據土地利用類型設置的H值原始值，本文基于不同年份不同土地利用類型的植被覆蓋度平均值對H因子進行修正，分別得出2005年、2010年、2015年H修正結果(表4)；保護區威脅因子主要來自于耕地，通過距離耕地的距離來確定威脅因子的影響范圍，距離越近，威脅越大；L_crp是不同土地利用類型對耕地的敏感性(0，1)通過文獻獲得(表5)。綜上得出計算得出保護區生境質量特征評估結果。

從保護區2005年、2010年、2015年生境質量分布圖(圖4)直觀地看出保護區北部與南部灌木林生境質量顯著提升。依據自然斷裂法，將生境質量結果分為高、較高、中、較低、低5類，統計各類生境的面積及比例(圖5，表6)。其中，保護區2005年和2010年生境質量主要處于較高、中、較低3個級別，2005年占比分別為30.42%，24.84%，29.09%，2010年占比分別為30.43%，24.83%，29.72%；2015年生境質量顯著提升，主要處于較高和高水平，分別占到24.74%，32.30%。

表2 保護區2005-2010年、2010-2015年土地利用轉移矩陣 km2

表3 保護區年均植被覆蓋度各等級面積及比例

圖2 保護區2005年、2010年、2015年植被覆蓋度分布

圖3 保護區2005年、2010年、2015年植被覆蓋度分級

表4 基于不同年份植被覆蓋度修正的H因子

4 討論與結論

4.1 討 論

從2005—2015年大通北川河源區自然保護區土地利用類型轉換發現保護區整體土地利用類型變化不大，保護區植被覆蓋度變化顯著，尤其是保護區北部與南部地區的灌木林植被覆蓋度。同樣地，保護區生境質量整體提升，北部與南部灌木林生境質量尤為顯著。可以得出近10年大通北川河源區自然保護區生境質量的變化，與土地利用類型變化基本沒有關系，主要的影響因素是保護區植被覆蓋度變化，這與大通北川河源區自然保護區從2013年正式成為國家級自然保護區后實行封山育林育草，防止人為干擾的政策有關。

表5 不同土地利用類型對威脅因子的敏感性

圖4 保護區2005年、2010年、2015年生境質量分布

圖5 保護區2005年、2010年、2015年生境質量分級

表6 保護區生境質量分級特征

保護區生境質量的變化不僅受到森林、灌叢等土地利用類型的影響，同樣受到植被覆蓋度等生態質量的影響，本研究通過對InVEST模型-Habitat Quality模塊的H因子的修正，能夠更加精準地評估保護區生境質量水平。

4.2 結 論

本研究基于土地利用和植被覆蓋度，對保護區生境質量進行評估，能夠從空間上反映保護區生態系統保護的好壞程度，對保護區管理和宏觀決策提供空間上的參考。本研究得出在土地利用變化不明顯的區域植被覆蓋度等生態質量因子可能是生物多樣性等生態系統服務變化的重要驅動因子，區域可以通過增加林草植被蓋度，進而提高保護區的生境質量與生態系統功能，是保護區生態保護的重要方向。

保護區內生境質量提升即代表動植物棲息地、食物等條件提升，是保護區整體生物多樣性水平提升的基本條件。但是本研究僅僅討論保護區生態系統方面的變化，尚未討論保護區動植物物種層面多樣性變化，通過生境質量與物種多樣性結合，能夠更加有效地評估保護區在生物多樣性保護與環境管理的成效，是下一步需要研究的方向。