張 徐,呂春娟,白 冰,畢如田,夏 露,許彩彩,孫 波
(1.山西農業大學 資源環境學院,山西 太谷 030801;2.北京市科學技術研究院 資源環境研究所,北京 100089)
近年來,隨著人口增加,城市化進程推進和工農業生產的不斷擴大,人類活動對土地利用的方式、強度和格局負面影響不斷加劇,嚴重影響區域生態系統功能、結構和空間。土地利用方式的轉變是通過影響生境斑塊之間的物質流、能量流循環過程,進而威脅生物多樣性的維持[1-4]。生物多樣性的保護是由維持生物棲息地的適宜性程度的生境質量決定的,因此,評估生態系統為生物個體和種群提供生存繁衍所需條件能力的生境質量(Habitat quality)[5]是生物多樣性保護、生態環境保護和自然資源合理利用的基礎[6],對區域可持續發展具有重要的作用。
目前國內外學者基于土地利用變化對生境質量的研究,根據其研究方法和手段的不同,大致可以分為2種,一種是基于實地調研獲取基礎數據,構建評價指標體系然后采用層次分析法進行評估[2],該方法評估需要大量的人力物力財力,甚至存在一些數據不能獲取、獲取不準確等缺點;另一種是隨著3S技術等數理模型的發展,InVEST[7]、SolVES[8]等模型被用來評估生境質量,其中,In VEST模型具有空間化、動態化、可視化、數據易獲取和可預測等特點,因此在評估生境質量時被廣泛應用[9]。學者利用模型研究土地利用變化對生境質量的影響,集中于對生境質量的評估、模擬、預測,其中包玉斌等[10]評估生境質量特征,分析黃河濕地自然保護區生境質量的現狀與退化程度;褚琳等[11]模擬預測2020年生境質量的分布特征,分析不同時期景觀格局特征變化下生境質量的變化與分布;鐘莉娜等[12]探究改變土地利用狀況的建設活動對生境質量的影響,分析土地整治前中后生境質量的狀況以及變化特征;和娟等[13]對比分析人工干預、自然生長等不同土地利用狀況模式的生境質量差異性,設置自然發展、生態保護、耕地保護3種情景模式,探究不同模式下土地利用變化和生境質量演化。總之,大多學者基于土地變化探究不同時期自然發展狀態或者模擬人為干預等保護模式下的生境質量狀況;從研究區來看,主要關注自然保護區等生態功能重要區域,而對于水土流失、土地沙化、石漠化、鹽漬化等生態環境敏感脆弱區域的生態環境質量研究較少。
柳林縣位于黃河中游沿岸的黃土丘陵溝壑區,是黃河多沙粗沙國家級水土流失重點治理區,水土流失嚴重,生態環境脆弱,水資源緊缺,礦產資源豐富,長期依賴煤炭資源,礦產資源的開采、基礎設施的快速建設等使得原本脆弱的生態狀況進一步退化,嚴重影響黃河水沙關系,制約當地生態保護和發展。
本試驗以沿黃區典型的資源經濟型縣域柳林縣為研究對象,基于土地利用變化和景觀格局演變,將In VEST模型的生境質量評估能力與ArcGIS的空間分析能力相結合,科學評估生境質量的時空演變特征,旨在為柳林縣的國土空間規劃及黃河流域的生態保護和高質量發展提供科學依據。
柳林縣位于東經E110°39′45″~110°05′33″,北緯N37°08′53″~37°37′28″,地處山西省中西部,呂梁山西麓,黃河東岸,隔黃河與陜西省吳堡縣相望,是山西的西大門,轄八鎮七鄉,國土總面積為1 288 km2(圖1)。柳林縣屬于暖溫帶季風氣候,年均降雨量456.3 mm,蒸發量1 200 mm。柳林縣屬于呂梁山生態脆弱區,其海拔高度為607~1 522 m,隨基巖傾斜方向由東向西遞減,形成了山地、丘陵、臺地、平原等地貌類型。縣城夾于兩山之間,僅有三川河沿線的縣城地勢平坦,其他區域為山地、丘陵和臺地。山地主要地類為林地和其他用地,丘陵主要地類是耕地和草地,臺地主要地類是有林地和園地,平原主要地類是城鎮及工礦用地。

柳林是華北地區通往大西北的交通樞紐,是秦晉的交通要道;同時柳林礦產資源豐富,是煤炭儲存量占總面積的62%的煤儲大縣,焦煤產業是第一主導產業,也是山西煤電鋁材產業發展試點縣;黃河一級支流的三川河沿城穿過,河谷中廣泛分布著巖溶地下水——柳林泉,但采煤漏水破壞了水資源環境,三川河河流水質為劣五類,水生態形勢十分嚴峻,水資源管理任重道遠;生物資源主要為其他草地和其他林地,黃土裸露,植被覆蓋度低,生境質量差。黃河流域在我國生態安全和經濟社會發展中具有重要的全局性和戰略性地位[14],柳林縣地處黃河中游沿岸,因此,研究柳林的生境質量對黃河流域的生態保護和高質量發展具有重要的意義。
2008、2018年的土地利用現狀圖數據,來源于柳林縣2008、2018年土地利用變更數據庫,由于涉及到2008、2018年的土地利用現狀圖,為達到土地類型的統一,按照我國土地利用現狀分類標準[15],劃分為8個一級類,23個二級類(表1)。考慮研究區面積及景觀破碎度,研究采用30 m×30 m的柵格數據作為評價單元,地貌類型數據采用中國科學院資源環境數據中心的《中華人民共和國地貌圖集(1∶100萬)》數據。相關性分析、冷熱點分析和圖形生成通過Arc GIS 10.4.1完成。

表1 土地利用分類Tab.1 Land use classification
1.3.1 土地利用變化及景觀格局評估方法 首先基于Arc GIS平臺計算出2008—2018年土地利用的數量轉化,通過土地利用轉移矩陣分析研究區各地類與土地類型轉移的趨勢,并運用Fragstats 4.2評估景觀格局特征。
景觀格局指數反映景觀的形狀、比例、相關性等空間結構特征。基于景觀格局視角選擇面積指標最大拼塊所占景觀面積的比例(LPI),密度大小與差異指標斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、平均斑塊密度(AREA-MN),聚散性指標蔓延度(CONTAG),多樣性指標香農多樣性(SHDI)、均勻度指數(SHEI)等7個指標。景觀格局指數用Fragstats操作完成,指標的生態意義參考文獻[16-18]。
1.3.2 基于In VEST生境質量評估方法 In VEST是美國自然資本項目組開發的、用于評估生態系統服務功能及其經濟價值、支持生態系統管理和決策的一套模型系統,采用生產函數的方法來量化和評估生態系統服務[19]。In VEST模型Biodiversity模塊是建立威脅源與生境類型之間的關系,通過分析各種生境類型的范圍和這些類型各自的退化程度來表達生境質量,然后根據生境質量的優劣程度評估生物多樣性的狀況[20]。
本研究中,威脅源設定時充分考慮了柳林縣的實際情況,選擇以威脅生境的地類為威脅源。柳林是華北地區與大西北的交通樞紐,縱橫交錯的交通運輸用地阻斷了景觀流的聯通,威脅生物多樣性,因此作為威脅源;柳林縣廣泛分布著柳林特有的柳林泉,并且全縣被黃河支流三川河流域自東向西貫穿,其中建設的水利工程在一定程度上也對生物多樣性產生了影響,因此,將水工建設用地作為威脅源;柳林礦產資源豐富,煤礦是柳林多年的支柱性資源產業,礦產資源的開發利用直接造成生境的破壞,因此,將采礦用地作為生物多樣性的威脅源;設施農用地、建筑鎮、村莊、風景名勝特殊用地是人類較為聚集的地方,人為活動嚴重影響生物多樣性,所以將其設置為威脅源;而耕地是人工干預和人類從事農業生產的主要場所,裸地自然稟賦差,生物難以生存,均確定為威脅源;其他地類作為生境類型。基于分析共確定11類威脅源,12類生境類型。生態威脅因子對生境質量影響程度差異是通過空間距離變量來測算,因此在確定威脅源后,需進一步確定各威脅源最大威脅距離、權重及衰減類型等參數[21](表2),不同生境類型對威脅因子的敏感度也不同[22],敏感度范圍為0~1,0代表無敏感,1表示具有較高的敏感度,數值越高,敏感度也就越高(表3)。

表2 威脅源及其最大威脅距離、權重及衰減類型Tab.2 Threat sources and their maximum threat distance,weight and attenuation type

表3 生境適宜度及其對不同威脅源的相對敏感程度Tab.3 Habitat suitability and its relative sensitivity to different threat sources
首先計算生境退化度(Habitat degradation)。


式中,Dxj為生境類型j中x柵格的生境退化度;R為威脅因子個數;Wr為威脅因子的權重;Yr為威脅層在地類圖層上的柵格個數;ry為威脅因子的強度;irxy為威脅因子對生境的威脅水平;βx為法律保護程度;Sjr為j類土地類型對威脅因子的敏感性大小;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的最大影響范圍。
在此基礎上計算生境質量(Habitat quality)。

式中,Qxj為生境類型j中x柵格的生境質量指數;k為半飽和常數,即退化度最大值的1/2;z為模型默認參數;Hj為生境適宜度;Dxj為柵格x的生境退化度。
模型的使用具有普適性,針對研究區特殊的地形地貌特征,需要調整InVEST模型相關參數。因此,模型在參考指導手冊的基礎上,參考國內外類似地區的研究[2,20],采用Delphi綜合確定各項參數的值(表2、3)。
1.3.3 生境質量空間自相關分析及冷熱點分析生境質量空間自相關是指生境質量在不同空間位置上的相關性或互相依賴程度,空間自相關分為全局自相關和局部自相關,生境質量的全局自相關可以描述整個研究區生境質量的相關性[23],采用值域為[-1,1]的Moran指數來評估,值越大表示相關性越大,值域為正表現為正相關,即生境質量較高或較低的區域在空間上呈集聚狀態;值域為負表現為負相關,即該區域的生境質量與鄰近的區域存在空間差異,0表示隨機分布。生境質量局部自相關可以幫助分析整個大區域范圍內局部小區域空間屬性的異質性特征,計算每個空間單元與鄰近空間單元生境質量的相關性程度[24]。通過采用空間關系局域指標LISA(“H-H”表示單元自身與相鄰單元生境質量較高;“L-H”表示單元自身生境質量低,相鄰單元生境質量較高;“H-L”表示單元自身生境質量高,相鄰單元生境質量較低;“L-L”表示單元自身與相鄰單元生境質量較低)來識別柳林縣每個柵格生境質量與鄰近柵格生境質量的差異性與相關性,揭示生境質量的局部相關性與離散性。
生境質量冷熱點分析指區域聚類分布特征,高密度簇的生境質量值為熱點,低密度簇的生境質量值為冷點[25]。通過采用Getis-Ord G*指數研究冷熱點[20],主要是計算某個柵格生境質量值及周圍柵格生境質量總和與所有柵格生境質量的總和進行對比,分析生境質量的局部集聚特征。G*為顯著正時,存在生境質量值的高密度簇,為熱點區域;G*為顯著負時,存在生境質量值的低密度簇,為冷點區域。
柳林縣2008、2018年土地利用類型分布表明耕地、林地和草地均是主要的地類,三者之和約占總面積的87%以上,構成了該研究區的景觀基質。柳林屬于丘陵溝壑區,溝壑內多為其他林地和其他草地,其他林地占到林地面積的80%以上,其他草地占草地面積的90%以上,因此,林地的優勢地類為其他林地,草地的優勢地類為其他草地,林地和草地的質量均不高。
構建土地利用轉移矩陣進一步分析10 a來土地利用變化情況(表4)。2008—2018年城鎮及工礦用地減少面積最大為67.17 hm2,減少了0.83%,主要轉化為耕地和草地;水域及水利設施用地減少28.67 hm2,減少了1.72%,主要轉化為草地和耕地;林地、耕地、草地均有不同程度的增加,其中,林地增加面積最大(67.09 hm2),增幅也最大,為0.27%,主要來自于耕地和草地的轉化。2008—2018年,柳林縣各地類均發生不同程度的變化,主要表現為城鎮及工礦用地、水域及水利設施用地轉向林地、耕地、草地。

表4 2008—2018年柳林縣土地利用轉移矩陣Tab.4 Land use transfer matrix of Liulin county from 2008 to 2018 hm2
類型水平上的景觀指數,是描述不同景觀指數類型的特征,通常用NP、PD、LPI等表示[21],2008—2018柳林縣類型水平上景觀指數變化如表5所示。其他草地和其他林地的NP、PD遠大于其他土地類型,主要以小面積的斑塊形式存在,破碎化程度加劇,且其他草地和其他林地LPI是最高的,說明其他草地和其他林地是柳林的優勢景觀。雖然林地面積大幅增加,但灌木林地和其他林地NP、PD逐年增加,導致AREA-MN下降,造成斑塊破碎化程度加劇,斑塊形態趨于復雜化,這是由于退耕還林和呂梁山生態脆弱區治理工程等實施造成斑塊變化的結果。

表5 2008—2018年柳林縣類型水平上景觀指數變化Tab.5 Type level landscape index changes of Liulin county from 2008 to 2018
景觀水平上的景觀指數,是描述整個景觀尺度上的特征,通常用AREA_MN、CONTAG、SHDI、SHEI和FN等表示[21]。從表6可以看出,蔓延度10 a間上升0.21%,表明這一時期柳林主要地類的連通性有所上升。SHDI和SHEI分別從2008年的1.662 6、0.530 3減小為2018年的1.652 6和0.527 1,10 a間SHDI減小幅度為0.6%,反映出各組分差異變大,景觀異質性降低,景觀組分趨于不平衡發展,10 a間SHEI減小幅度為0.6%,說明柳林縣多種優勢景觀在小幅降低,對景觀整體的控制作用在減弱。總之,柳林縣景觀破碎格局加劇,斑塊形態趨于復雜化,景觀多樣性和異質性降低。

表6 2008—2018年景觀格局指數變化Tab.6 Changes in landscape pattern index from 2008 to 2018
生境質量高低代表生物多樣性的狀況,為了更好地分析生境質量的變化,依據Natural Breaks將生境質量分為高、較高、中、較低和低5個等級(表7),可以看出柳林縣生境質量存在區域差異(圖2)。生境質量的空間分布特征基本與土地利用現狀吻合,城鎮及公路用地的土地類型生境質量較低,林地和草地的土地類型生境質量較高。

表7 2008、2018年柳林縣生境質量分級Tab.7 Habitat quality classification of Liulin county in 2008 and 2018

基于空間格局上來看,生境質量整體呈現為“各等級生境質量全域交互分布、局部集中”的空間分布格局,具體表現為東北部及東南部高等級生境質量局部集中,中部縣城低等級生境質量帶狀分布,其余空間高低等級相間分布。生境質量低等級主要分布在柳林縣北部和城中心區域,面積占比最大,為44%,對應的景觀類型主要為交通用地和城鎮用地,主要是由于人類活動頻繁,生物生存的生境嚴重破壞,針對該區域特征可以通過沿線公路進行綠化美化,城鎮區域可以建設公共休閑綠地的方式提高生境;較低等級所占面積最小,僅為0.2%,零散地分布于城市中心區域和西南角的柳林鎮和三交鎮;境內中等級生境質量面積占比2.9%,主要分布于西南部的薛村鎮、石西鄉和三交鎮,是因為該區域以草地和園地利用為主;生境質量為較高等級與低等級的區域,表現為相間分布特征,這是因為該區域溝坡存在一些原生林地以及人工護坡種植的防護林,生境質量為較高等級區,溝谷主要為荒草地,植被覆蓋度低,生境質量為低等級區;高等級的生境質量地區大部分集中在東部和東南部的柳林鎮、陳家灣鄉、莊上鎮和金家灣鄉,均是由于這里存在大量的林地斑塊,甚至出現連片的林地,使得這里樹木茂盛,郁閉度高,植被覆蓋度高,生境質量較好。生境質量指數在0.8以上的區域主要分布在國營林場龍王塔和元昌山一帶的九溝十八洼,自然環境優越,生物多樣性豐富,同時政府支持該區域的生態保護,因此一直保持著較高的生境質量。從地貌類型來看,柳林縣呈現出山地平均生境質量較高,臺地和丘陵生境質量次之,平原生境質量較差的趨勢,由于柳林縣位于丘陵溝壑區,溝壑較多,平原區域稀少,平原區域較多作為居民點,人類活動頻繁,破壞生境質量,因此生境質量較低;而山地由于海拔較高,林地多,斑塊面積大,蔓延度高,連通性好,人為干擾少,因此,山地生境質量較高(圖2、表8)。

表8 2008—2018年柳林縣不同地貌特征的平均生境質量變化Tab.8 Changes in the average habitat quality of different landforms of Liulin county from 2008 to 2018
基于時間尺度上來看,柳林縣的生境質量指數從2008年的0.376減少為2018年的0.375,基本上沒有明顯的降低(表7),但是生境質量不同等級面積占比卻呈現出一定的變化,2008—2018年,低級、較低級、中級和較高級的生境質量地的面積所占比例出現不同程度的增加,分別增長了0.078%、0.010%、0.045%和0.133%;而高級生境質量下降了0.258%。這一時期主要是部分生境好的林地、草地轉化為耕地,而土地整治、退耕還林等工程增加的林草地生境質量尚在恢復期,達不到高等級質量,導致生境質量有一定的降低。從地形地貌特征來看,其中,平原地區生境質量值減少幅度最大,從2008年的0.318減少到2018年的0.315,變化率為0.980%。其次是丘陵區,從2008年的0.328減少到2018年的0.326,變化率為0.558%。臺地和山地平均生境質量減少幅度小,平原區平均生境質量減少幅度大,可能是因為平原區多為人類居住的城鎮,城鎮的發展,人類活動豐富,導致平原區生境質量比其他地貌區退化嚴重,臺地和山地人類活動少且存在一些生境類型的地類導致生境質量退化度低。
柳林縣的全局自相關分析可知,柳林縣2008—2018年生境質量的Moran指數由0.094增加為0.121,表明該縣生境質量在空間分布上正相關,且生境質量的空間集聚性有所增強(圖3)。

由圖3可知,柳林縣生境質量大部分區域局部空間不相關,“H-H”集聚區主要分布東南部的其他林地,主要位于柳林鎮的山地,表明該區域生境質量良好,生物多樣性高。2008—2018年“H-H”集聚區分布面積小幅增加,表明該區域高等級生境質量呈現擴展的趨勢,有利于水源涵養,減少入黃河泥沙。“L-H”集聚區域主要位于北部和西南部,為孟門鎮、成家莊鎮和高家溝鄉;“H-L”集聚區主要分布于柳林縣的東南部,主要位于陳家灣鄉和金家莊鄉,2個區域均屬于低等級和較高等級生境質量的區域,集聚效果差。“L-L”區域未出現明顯的集聚,表明該區域生境質量處于較低水平。
柳林縣生境質量空間冷熱點分布呈現出“北熱南冷”的格局(圖4)。熱點區域主要分布于西北部和東北部,這一區域主要包括孟門鎮、成家莊鎮、柳林鎮和李家灣鄉,這一區域植被覆蓋度高,主要地類為林地,生境質量普遍較高;冷點區域主要分布于南部和東南部,以陳家灣鄉、金家莊鄉和留譽鎮為主,植被稀疏,植被覆蓋度低,主要地類為其他草地和旱地,生境質量普遍較低;柳林縣中部存在大量的不顯著,這些區域主要分布著大量的柳林縣居民點、三川河及其相應的水利設施和道路等,由于該區主要為威脅因子,造成該區生境質量較低。

從時間變化來看,2008—2018年,西北部的熱點的聚集性降低,熱點區域全部轉變為次熱點區;東北部的熱點范圍有所下降,存在部分冷點轉為次冷點的區域;中部地區冷點轉為不顯著,南部大部分冷點區域轉變為不顯著,小部分區域轉變為冷點和熱點。
土地利用方式的轉變將是環境影響的最大因素之一[26],同時也成為生物多樣性、生境質量降低的主要原因[27-28]。研究發現,2008—2018年柳林各土地利用變化幅度均低于10%,研究區平均生境質量基本上沒有明顯的降低,但低等級的生境質量提高,高等級的生境質量存在下降趨勢。低等級的生境質量提高,主要是由于柳林部分區域土地復墾、生態修復項目的實施,使得部分工礦建設用地復墾為耕地,生境質量有所提高;而高等級生境區域是因為人類的開發利用導致林地轉化為草地,草地轉化為耕地,使生境類型等級降低或轉化為威脅因子,生境質量降低。雖然土地利用變化幅度不大,但變化時引起斑塊數量增加,平均斑塊密度降低,導致斑塊破碎化程度加劇和斑塊形態趨于復雜化的情況可能分離生境斑塊,通過降低景觀的結構連接度,從而降低生境質量。由此看來,柳林雖然平均生境質量無明顯變化,但柳林生境質量存在降低的風險。因此,為了維持和提高生境質量,柳林需要堅持對工礦用地進行生態修復,為了避免高等級生境質量的降低,未來需要對生境質量優越的區域設置保護,重視空間配置,從而保護生態服務價值。
不同分類標準的劃分會形成特定環境的區域,區域環境不同對應的生境質量也存在空間差異[29]。楊潔等研究表明[30],黃河流域不同地貌類型的生境質量存在差異,高等級生境質量分布在人類活動不頻繁的秦嶺、太行山區等山地區域,較低等級主要分布在人類活動干擾程度高的關中盆地、渭河谷地以及黃河下游平原區,低等級分布于區域建設用地;黃河流域的生境質量具有不同程度的變化,高等級和較低等級生境質量提高,較低等級生境質量降低。本試驗以研究區獨特的地貌特征進行分類,探究生境空間差異,結果表明,柳林不同地貌特征的生境質量均下降,平原區生境質量下降較明顯,山地區生境質量下降較小,反映出不同區域為生物提供生存的能力不同。究其原因,山地有大面積的林地覆蓋,人類干擾強度小,生境適宜度高,生境質量下降較小。平原區分布著大量的人居生活設施,耕地面積減少,生境適宜性弱,導致生境質量比其他地貌區下降明顯。平原多為城鎮和村莊,只能通過增加道路沿線綠化和公共休閑綠地提高生境質量,提高能力有限;而丘陵和臺地的地類多為其他草地和其他林地,可以通過補植退化林,人工栽植防護林提高生境質量,提升空間較大,因此,丘陵和臺地區域是未來生態保護需要關注的地貌特征。由于不同區域存在生境質量差異,未來的保護措施需要關注局部區域的功能和特點,有針對性的保護,實現生態功能的優化。總之,決策者如何恢復生境質量、提高臺地和丘陵區的生境、保護高等級生境不會退化是未來的關鍵。
本研究結果表明,2008—2018年柳林縣土地利用變化主要表現為城鎮及工礦用地減少,發揮著重要生態服務功能的林地、耕地和草地增加,呈現城鎮及工礦用地、水域及水利設施用地轉向林地、耕地、草地態勢。
2008—2018年景觀斑塊數量增加,景觀破碎化升高;蔓延度指數處于上升趨勢,景觀整體優勢斑塊形成良好的連接,連通性有所上升;香農多樣性指數也存在減少的趨勢,表明各景觀類型在景觀分布中均衡化程度較低,景觀異質性減弱;香農均勻度指數減少,說明區域內景觀優勢度在減少。柳林縣景觀破碎格局加劇,斑塊形態趨于復雜化,景觀多樣性和異質性降低。
2008—2018年10 a間研究區平均生境質量從0.376減少為0.375,基本上沒有明顯的降低,但是各地貌類型的平均生境質量下降幅度不同,呈現平原地區生境質量減少幅度大,丘陵生境質量次之,山地和臺地生境質量減少幅度小的趨勢。柳林縣生境質量的空間分布格局整體為“各等級生境質量全域交互分布、局部集中”,具體表現為東北部及東南部高等級生境質量局部集中,中部縣城低等級生境質量帶狀分布,其余空間高低等級相間分布。
柳林縣生境質量全局空間分布上具有正相關,柳林縣生境質量局部空間關聯類型特征為:大部分區域為不相關,“H-H”集聚區主要分布于東南部的其他林地,“L-L”零散的分布于柳林縣境。柳林縣生境質量空間冷熱點分布呈現出“北熱南冷”的格局。
未來柳林資源經濟轉型的發展勢必會造成呂梁山生態脆弱區和當地生態系統的破壞,因此,在未來發展中追求經濟發展的同時也要重視生態問題,尤其是需要針對不同地域特征和生境質量差異性調整與優化策略。