基于土地利用的北方農牧交錯帶生境質量研究

劉孟竹, 張紅娟, 王彥芳, 裴宏偉

(1.河北建筑工程學院 市政與環境工程系， 河北 張家口 075000;2.河北省水質工程與水資源綜合利用重點實驗室， 河北 張家口 075000; 3.河北地質大學， 石家莊 050031)

生境質量作為一項關系到人類福祉的重要生態服務服務[1]，反映了生態系統可提供給系統內物種個體、群落及人類等生存和延續所需的自然資源的質量，同時也是生態系統是否適于人類生存的重要指標[2]。近代以來，由于人類社會追求經濟快速發展而展開對自然資源的過度掠奪，進而導致全球變暖、環境污染等一系列全球性問題日益凸顯，致使全世界超過60%的生態系統出現退化[3]。在此背景下，以生境質量為代表的的生態系統服務的研究已經成為當前國際生態領域相關研究的重要內容[4]。而對生境質量影響最大的主要因素為生態系統內的土地利用變化[5]，其余生態服務功能的改變也可歸因于此[6]。土地利用變化引發生態系統結構與格局的改變，進而影響著生境要素、生境區域之間的物質能量循環[7]。因此，基于土地利用變化視角研判區域內的生境質量演化規律已成為國內外相關學者關注的熱點研究領域。如包玉斌等探討了陜西省黃河濕地保護區內土地利用變化對生境質量的影響，結果認為該區生境退化與城鎮化擴張及濕地萎縮密不可分[8]；Leh等[9]以土地利用數據為源數據分析了非洲西部包括生境質量在內的各項生態系統服務；Mushet等[10]分析了美國中部平原地區各種土地利用類型的生境特征。綜上可見，土地利用對國內外學者開展生境質量相關研究的地位舉足輕重。

早期的研究側重于對地區、流域等小范圍區域內動植物的調查來獲得研究區內的生境質量參數，通過主成分分析、層次分析或專家打分等方法對各參數權衡比較進而構建該區生態質量的評價體系[11]。而如今隨著3S技術的興起，研究范式更傾向于借助生態模型對生境質量進行的定量化的時空變化特征分析[12]，如HSI模型、ARIES模型、InVEST模型等均是應用較為廣泛的生態模型。其中，InVEST模型以其理論發展成熟、輸入變量少且易獲取、能便捷評價區域生境質量等優點而受到廣泛應用[13]。

我國北方農牧交錯帶處于半干旱向半濕潤過渡區，生態環境極為脆弱[14]，易受到土地利用變化的影響[15]。自退耕還林(草)政策實施以來，該區長期奉行“重農輕牧”，“重生產輕生態”等理念[16]，產業結構嚴重失衡、超載放牧以及水資源無序超采等造成該區草場退化、土地沙化、水土流失等現象極為嚴重[17]，該區土地利用格局發生了顯著改變，包括生境質量在內的各種生態系統服務功能發生了明顯退化。北方農牧交錯帶實際蘊藏著可觀的生態開發能力[18]，同時也是中東部地區的生態屏障和京津冀地區重要的水源涵養地[19]，其生態意義和區位重要性不言而喻。目前，針對整個農牧交錯帶地區的生境質量等生態服務的研究鮮有報道。本文通過InVEST模型分析北方農牧交錯帶2000—2018年以來土地利用變化視角下生境質量的時空變化特征，定量探討退耕還林還草政策對該區生境質量轉變的具體影響，旨在為生態脆弱區生態系統服務評估的完善以及生態可持續性發展提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

我國學者對北方農牧交錯帶的范圍劃分一直標準各異。本文參考中國農業農村部于2017年發布的《農業部關于北方農牧交錯帶農業結構調整的指導意見》，該指導意見中詳細劃分的重要區域共涉及寧夏、甘肅、內蒙古、陜西、山西、河北、遼寧在內7省的146個縣市。本文中劃定的北方農牧交錯帶總面積約為4.7×105km2，海拔27～3 061 m。該區年均氣溫在2～8 ℃，近30 a來年均增溫0.32 ℃/10 a，明顯高于全國和全球增長率；年均降雨量在300～450 mm，降水極不穩定[20]。該區地貌單元主要以高原、丘陵結合為主，部分區域地貌為平原、沙地、山地[9]。該區多年來存在過度開墾、超載過牧現象，導致生態環境退化，動植物數量和種類不斷減少，甚至出現過嚴重的荒漠化現象[21]。目前研究區已施行的國家政策主要有“三北防護林”、“自然保護區建設”、“退耕還林(草)”。

1.2 數據來源

本研究所用的土地數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心，其均由Landsat衛星影像目視解譯制成，分辨率為30 m。時間選取了2000年、2010年、2018年共計3期。數據經過人工檢驗，數據精度在85%以上，能滿足本文研究需要。土地利用分類根據《土地利用現狀分類》標準并參考北方農牧交錯帶地區的實際情況將其分為6類：耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地。由于研究區過大，經測試現有的計算機在InVEST模型中運行柵格單元為30 m×30 m的數據較為困難，故選擇適合于離散數據重采樣的最鄰近法，在GIS軟件中通過Resample工具對InVEST模型所需的空間數據的柵格單元均重采樣至90×90 m。危險源中的城鎮、交通、村落等數據均從同期土地利用數據中進行重分類獲得對應地類的二值圖數據。

1.3 研究方法

1.3.1 單一土地動態度 土地利用動態度能定量反映出土地變化的速度，其中單一土地利用動態度側重研究期內某種土地利用類型數量的年變化率，綜合土地利用動態度則是對研究區內土地利用整體變化情況的刻畫。為深入細化分析多年來壩上地區土地利用的變化情況，本文選擇土地利用動態度這一指標，其公式參考文獻[22]如下：

(1)

式中:K表示研究時段內某一土地利用類型動態度;Ua,Ub分別為研究初期和研究末期某種土地利用類型的數量;T為研究時長。

1.3.2 不同生境質量等級的土地轉移矩陣 不同生境質量等級的土地轉移矩陣反映了研究區在研究初期和研究末期不同等級生境質量等級相應的區域互相轉化的動態信息，不僅可以定量地表明不同等級生境質量等級之間的土地轉化情況，還可以間接反映其轉移速率。轉移矩陣表達式參考文獻[23]如下：

(2)

式中:S為面積;n為轉移前后生境質量的等級數;i,j(i,j=1,2,3,…,n)分別表示轉移前后的生境質量的等級;Sij表示轉移前的i等級生境質量土地轉移成j等級生境質量土地的面積。

1.3.3 InVEST模型生境質量評估 本文選擇由美國斯坦福大學、世界自然基金會和大自然保護協會聯合開發的生態系統服務評估工具模型InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Model)模型生境模塊來計算生境質量以及生境退化度。生境退化指數反映單元柵格受脅迫程度的大小，值越高代表受脅迫程度最大，生境退化程度越高，其公式[24]如下：

(3)

(4)

(5)

式中:Dxj為土地利用類型j中x柵格的生境退化度;R為威脅源個數;Wr為危險源權重;Yr為威脅源的柵格數;ry為柵格y的脅迫指;irxy為柵格y的脅迫值ry對柵格x的脅迫水平;Bx為危險源對柵格x的可達性;Sjr為土地利用類型j對危險源r的敏感度;dxy為柵格x到柵格y的直線距離;drmax為危險源r的最大脅迫距離。

生境質量指數反映在脅迫條件下生境質量的優劣，其值在0～1。值越高代表區域生物多樣性越豐富，生境質量越好；反之則生境質量越差，易受破壞，計算公式參考文獻[25]如下：

(6)

式中:Qxj為土地利用類型j中x柵格的生境質量指數;Hj為土地利用類型j的生境適宜度;k為半飽和常數,取Dxj最大值的一半;z為歸一化常量,通常取2.5。

根據模型要求，并參考以往類似地區的研究以及研究區實際情況，自然環境對于外來脅迫敏感性程度大，人工環境受脅迫影響最弱，因此，本文將林、草地及水域定義為提供生境質量的地類，將耕地、村落、城鎮用地、交通用地設為威脅源[2,5]。各個威脅因子最大距離、權重、衰退類型參考本研究區內已有的研究[8]，各個地類生境適宜度、對威脅因子敏感度的設定，參考同地區研究[8,26]，以及專家的建議確定各項參數值，詳見表1，表2。

表1 研究區威脅源參數

表2 研究區土地利用類型生境適宜度及對威脅因子敏感系數

2 結果與分析

2.1 土地利用變化分析

三期土地利用圖經ArcMap軟件統計所得結果見圖1。可知，2000—2018年期間，北方農牧交錯帶土地利用類型以耕地，林地和草地為主，三者面積共計超過4.3×105km2，近占比超過91.83%。面積最大的是草地，2000年時面積最大，超過研究區的40.00%;面積最小的為水域，多年面積占比均在1.50%左右。從變化趨勢來看，近20 a來北方農牧交錯帶土地利用類型處于減少趨勢的為耕地、草地和未利用地，減少面積分別為5 852.58 km2，6 488.41 km2，557.59 km2；林地、水域和建設用地則處于增加態勢，增加面積分別為6 972.62 km2，173.45 km2，5 781.54 km2。

圖1 研究區2000-2018年各地類面積占比

從變化速度來看，圖2中建設用地無論是整個研究期還是分階段來看，其相對變化程度都非常劇烈，動態度均高達0.02以上，其次是林地，在2000—2010年期間，動態度值為0.83×10-2，上升趨勢較為急劇，但在2010—2018年期間則變化極為緩和。耕地和草地的變化趨勢較為相似，兩者動態度在各階段均較為相近。總體來看，水域、建設用地和未利用地在前一時期變化程度均不如后一時期劇烈，尤其表現在耕地、林地、草地的變化顯著發生于2000—2010年時期，三者作為研究區主要的土地利用類型，對該區的土地利用整體的變化特征的解釋最具代表性。可以認為，自退耕還林(草)政策實施以來，北方農牧交錯帶地區取得了一定成效，最大成效期發生在2000—2010年，主要表現在“還林”部分，而“還草”的效果并未達到預期。經分析，北方農牧交錯帶區域多年來因氣候條件惡劣及人為因素干擾，該區草地退化嚴重并被建設用地大面積占用，導致草地多年來萎縮明顯，“還草”起到的更多是對草地減少的抑制效果。

圖2 研究區2000-2018年單一土地動態度

2.2 生境質量變化分析

經InVEST模型運行所得2000—2018年北方農牧交錯帶生境質量指數HQI(Habitat Quality Index)見圖3，相應的面積統計見表3。在ArcMap軟件中根據平均間隔進行分區，得到生境質量低級區(0≤HQI<0.2)，較低級區(0.2≤HQI<0.4)，中級區(0.4≤HQI<0.6)，較高級區(0.6≤HQI<0.8)，高級區(0.8≤HQI<1.0)。

表3 研究區各生境質量等級面積及比例

圖3 研究區2000-2018年生境質量變化

由表3可知，2000—2018年北方農牧交錯帶地區生境質量水平以較低等級和較高等級生境質量為主，總面積超過307 066.51 km2，多年來占比均在32%～35%，呈現兩級分化狀態。生境質量較低及以下等級區域占比超過40%，生境質量較高及以下等級區域占據研究區近一半，超過48%。中等級質量區域最高為48 464.39 km2，最低時占比為9.68%。研究區低等級生境質量區域面積最少，生境質量數值區間主要集中在0.2～1.0。從整個研究區變化情況來看，2000—2010年生境質量變化最為顯著，主要變現為低等級、高等級生境質量區的擴張，相應面積分別為4 899.66 km2，8 068.61 km2；同時較低、中等、較高等級生境質量區不同程度下降，分別減少了0.97，0.64，1.15個百分點。

研究區在2010—2018年生境質量變化不夠明顯，生境質量較低以下等級區域基本沒有發生變化，中等及以上等級區變化程度非常微小。該現象經分析，原因有二，其一為基于土地利用視角的生境質量變化中，當土地利用變化不明顯時，生境質量變化亦然；其二乃生境質量等級的分區區間偏大造成未分區前生境質量具體數值的變化值也集中在生境質量等級未發生變化的區間中。由圖3可知，研究期間生境質量較高區域主要在陜西南部、山西南部、河北東南部及遼寧西南部地區，較低區主要在陜西北部、內蒙古中部及河北西北部。整體來看，2000—2018年北方農牧交錯帶整體生境質量處于“南高北低”的分布狀態，

2.3 生境質量數量轉移分析

通過ENVI軟件對北方農牧交錯帶2000年和2018年生境質量圖譜進行變化檢測后所得統計數據見表4。可知，2000—2018年期間，研究區生境質量區域變化較大的主要發生在較低級到較高級、高級到較高級、較高級到較低級生境質量區域的轉移，轉入面積均在6 800～7 200 km2。其次為高級和低級到較低等級的土地轉入，相應面積均接近4 000～4 800 km2。較高層級到較低層級生境質量的土地互相轉入的程度大抵相等，約在6 900 km2左右；研究區轉入較低等級生境質量的土地面積最大，總額近14 000 km2，而轉入高等級質量生境的面積也高達13 000 km2，兩者比較下,生境的退化影響略高于進化。

研究期間，中等級別生境質量區域退化程度大于進化程度，其向低級及較低等級轉入面積共計3 376 km2，而轉入較高及以上區域面積僅為1 723 km2，差值約為1 652 km2。較低及以下等級生境質量區域轉為較高及以上等級區域為11 219.90 km2，略微低于對應的逆向轉化的總面積12 931.44 km2，盡管生境質量進化區域低于退化區域1 171.54 km2，但結合表4中較高及高等級生境質量區域退化成較低及低等級生境的面積來看，其遠低于較低及以下層級向較高以上層級生境區域的轉化，退化程度低于進化程度。可以認為，北方農牧交錯帶區域在2000—2018年期間生境質量在整體上趨于更優。

表4 研究區2000-2018年不同生境質量等級區土地轉移矩陣 km2

2.4 生境質量空間轉移分析

通過柵格計算器對2018年和2000年生境質量圖柵格圖進行相減得到圖4。可以發現北方農牧交錯帶2000—2018年生境質量顯著變化區域主要在陜西、遼寧兩省全境，其中陜西省是最早實施退耕還林政策的試點區之一，上述區能較明顯分辨出生境質量進化區域多于退化區，兩區整體生境呈現更優趨勢。同時可知，土地利用變化的程度一定程度上決定了生境質量變化的水平，山西、遼寧兩省在研究期間土地更迭程度較顯著，遼寧省土地利用變化最劇烈。從局部來看，在河北中西部及東北部、陜西北部、內蒙古西部及東部部分區域生境質量也發生了較為顯著的變化。其中內蒙古東、西部生境退化程度尤為明顯，山西及河北涉及地區生境質量變化區域趨于兩極化。甘肅、寧夏地區生境質量變化不夠明顯，除寧夏東北部有一定程度變化，兩省其余區域均“偏灰”。可以發現，生境質量變化區域集中在北方農牧交錯帶中心核心地帶，即B，C，D，E樣區，所涉地區處于耕地與林草地交錯的典型地段，且城鎮化水平相比其余區域明顯較高，該區局部生境質量變化與城鎮化水平、農區牧區交錯程度密不可分。同時從整體上看，近20 a來研究區生境質量變化趨向“偏白”，生境向更優態勢轉變。

圖4 研究區2000-2018年生境質量變化

2.5 退耕還林還草對生境質量的影響

通過提取了北方農牧交錯帶2000—2018年土地轉移圖中耕地轉為林、草地的圖層，設置該圖層耕地轉林、草區域的柵格值為1，其余部分全為0，得到了研究區退耕還林還草二值圖。通過柵格計算器，將該二值圖單元柵格值與2000—2018年研究區生境變化圖單元柵格值進行相乘處理，得到結果為研究區退耕還林區域生境質量的變化情況，具體見圖5。整體上看，可明顯分辨研究區整體“偏黑”，退耕還林還草下生境質量變好的柵格數明顯高于變差的柵格數，經生境指數柵格數統計，2000—2018年退耕還林還草區域生境質量進化區域面積7 279.37 km2，占比86%；退耕還林還草區域退化區域達到1 181.60 km2，占比14%。研究區耕地轉林(草)區域生境質量顯著地提高。同時對比圖5可知，內蒙古東北部、河北東部耕地轉林草地的跡象不夠明顯，而遼寧、陜西、河北中東部、山西北部、內蒙古西南部退耕還林還草效果較為顯著，與圖4中生境質量變化區域基本吻合，說明該區內退耕還林還草政策已經取得了一定成效，生境質量有所提升。結合以上分析可以認為，退耕還林還草政策是驅動北方農牧交錯帶生境質量變化主要原因之一，同時可以認定，在土地利用變化中，耕地轉林、草地在一定程度上會提高該變化區域的生境質量水平。

圖5 研究區2000-2018年耕地轉林(草)地生境質量變化

3 結 論

(1) 2000—2018年北方農牧交錯帶土地利用類型以草地，耕地，林地為主，三者面積之和占比超過91.83%。此外，近20 a來變動幅度較大的為耕地，草地，林地，建設用地，其中耕地和草地分別減少5 852.58 km2，6 488.41 km2，林地和建設用地增加了6 972.62 km2，5 781.54 km2。變化最劇烈的為建設用地，其動態度超過0.02。退耕還林(草)政策上在研究區取得了一定成效，其主要發生于2000—2010年階段，具體表現在耕地大幅度的下降以及林地顯著的增加，但草地在研究期間下降趨勢較為明顯，經分析研究區處于脆弱生態區，多年來該區草地發生了一定程度的退化并被建設用地大肆占用，導致近20 a來草地面積不升反降，“還草”愿景未能如期實現。

(2) 近20 a來北方農牧交錯帶整體生境質量偏好，較高(0.6≤HQ<0.8)及高(0.8≤HQ<1.0)等級生境質量區域占據研究區近一半。較低(0.4≤HQ<0.6)等級和較高等級生境質量占比相近，多年來均保持在32%～35%，生境質量數值呈現兩極化狀態，分布格局趨于“南高北低”，陜西、山西、河北、遼寧南部地區生境質量普遍較高。

(3) 退耕還林還草政策是主導研究區生境質量變化的主要原因之一，尤其在遼寧、陜西中部、河北中東部、山西北部變化程度明顯。退耕還林還草政策促使生境質量進化、退化的面積占比分別為86%和14%，可以認為退耕還林還草對北方農牧交錯帶地區生境質量變好起促進作用。