浙江省生境質量時空演變與生態紅線評估

岳文澤,夏皓軒,吳 桐,熊錦惠,鐘鵬宇,陳 陽

1 浙江大學土地管理系, 杭州 310058 2 寧波大學法學院, 寧波 315211

21世紀以來,人類活動對自然生境的脅迫日益增加,改變了生態系統物質循環的總量或效率,致使生境破碎化嚴重,生物多樣性的降幅相較以往更大,并對人類福祉產生不利影響[1- 3]。自聯合國于2015年提出了可持續發展目標后[4],生態環境評估在可持續發展領域受到了更多關注。步入新時代,我國正處于邁向高質量發展的轉型期[5],提升空間治理能力、解決國土空間開發與保護之間的結構性矛盾是當前亟需研究的重點。生境質量作為衡量生態環境的重要指標,是指生態系統所能提供適宜個體或種群生存條件的能力[6],一定程度上反映了區域生物多樣性狀況以及生態系統服務功能[7]。對于生物多樣性維護[8]、生態系統服務權衡與協同[9]、生態安全格局構建[10]等研究具有重要意義。

國內外生境質量評估研究主要可以分為生態學視角與地理學視角的兩個方面。早期研究重點關注野生動植物的生境質量以及人類活動對生境質量造成的影響[11],研究方法與內容更偏向于生態學范疇,主要以單一物種的生境條件入手,分析影響其生存的自然或人為因素,通常采用野外調查方法獲取生境質量的相關參數,并構建指標體系進行綜合評價[12—14]。此類評估方法多適用于微觀地理單元,囿于時間與人力成本,往往較難獲取大尺度、動態性的數據進行分析[15]。隨著土地利用/覆被(LULC)變化成為全球變化研究的焦點,不少學者重點關注LULC對生境質量的影響[16],利用遙感、GIS等技術的定量化、可視化、精細化評估生境質量的模型被廣泛應用于實踐[17],基于地理學視角的研究范式逐漸形成?，F有研究對生境質量評估主要集中于流域[18]、自然保護區[19]、都市區[20]、城市群[16]、省域[21]等尺度,而在省域層面的研究大多圍繞生境質量的時空演變特征[22—24],對于其影響因素的分析相對較少,且未能結合新時代空間治理的新需求。

十八大提出加快生態文明建設的戰略性目標,2017年全國開始劃定生態保護紅線并制定配套的生態保護政策,以生態保護紅線為抓手的生態空間管控機制備受重視。浙江省作為首批劃定的生態保護紅線的省區,于2018年完成劃定方案并獲批?！渡鷳B保護紅線劃定指南》的重點是識別生態功能重要性與生態脆弱性地區,高生境質量區域在邏輯上應該優先劃入生態紅線,因此生境質量可作為評估生態紅線政策效度的重要指標。因此,本研究首先基于2000、2005、2010、2015 年四期土地利用數據,應用InVEST模型對全省生境質量開展定量評估,通過熱點分析和地理探測器模型探究生境質量的時空分異與驅動因素,在此基礎上,對生態紅線區域的生境質量進行評估,以期識別紅線布局優化的區域,為國土空間生態管理提供科學支撐。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

浙江省位于中國東南沿海,長江三角洲南翼,下轄11個地級市、90個縣級區劃,陸域面積10.55萬km2,僅占全國的1.1%(圖1)。地勢呈現西南高東北低的特征,地形復雜,由平原、山地、丘陵、盆地、島嶼構成。地處亞熱帶中部,屬季風性濕潤氣候[25]。浙江是“兩山理論”的發源地與實踐地,不僅擁有“百湖千峰四灣千島”等豐富的自然生境,并且在生態環境治理與保護方面處于國際先進水平,目前已成為全國首個生態省,對全國生態文明建設具有重要借鑒意義。與此同時,由于“七山一水二分田”的資源稟賦約束,浙江省形成了資源、環境、人口、經濟的空間結構失衡,導致生境質量變化,對生態空間的管控提出了全新挑戰。

圖1 研究區概況Fig.1 Location of study area

1.2 數據來源與處理

本研究采用2000、2005、2010、2015年共4期浙江省土地利用數據,來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn),空間分辨率為30m,通過ArcGIS10.2將其重新分為耕地、有林地、灌木林地、疏林地、其它林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、水域、城鎮用地、農村居民點、其它建設用地、未利用地共13類。另外,歸一化植被指數(NDVI)、國內生產總值(GDP)數據也來源于中國科學院資源環境科學與數據中心。浙江省行政邊界矢量數據與2017年生態保護紅線數據來自浙江省自然資源廳。降水量、氣溫數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn),通過投影和克里金插值得到年降水量和平均氣溫的柵格數據。數字高程模型(DEM)數據來源于地理空間數據云(www.gscloud.cn/)。植被凈初級生產力(NPP)和人口密度數據分別采用MODIS的MOD17A3數據產品和WorldPOP人口網格數據集。最終將多源柵格數據精度統一至100m。

1.3 研究方法

1.3.1基于InVEST模型的生境質量評估

InVEST模型是由美國斯坦福大學、大自然保護協會(TNC)和世界自然基金會(WWF)聯合開發的用于評估生態系統服務功能量及其經濟價值、支持生態系統管理與決策的模型系統[26]。生境質量模塊是通過結合不同土地利用類型對威脅源的敏感程度和外界威脅強度來計算生境退化度,進一步計算生境質量,根據生境質量高低評估生物多樣性服務功能[27—29],計算公式[30]如下：

(1)

(2)

式中,Dxj為生境類型j中x柵格的生境退化度；r為威脅源個數；y為威脅源r中的柵格；ωr為不同威脅源的權重；ry為柵格y的脅迫值；βx為生境抗干擾水平；Sjr為不同生境對不同威脅因子的相對敏感程度；irxy為柵格y中的威脅源r對柵格x的影響；dxy為柵格x與柵格y之間的距離；drmax為威脅因子的最大影響距離。

在此基礎上計算生境質量,公式如下：

(3)

式中,Qxj為生境類型j中柵格x的生境質量；Hj為生境類型j的生境適宜度；z為歸一化常量,通常取2.5；k為半飽和系數,一般為最大生境退化度的一半[31]。

本研究中InVEST模型生境質量模塊的主要參數包括土地利用類型柵格圖、威脅源數據圖、威脅源因子權重和最大影響距離、土地利用類型對威脅源的敏感度參數等數據,重點參考InVEST模型手冊[30]和相關研究[15,21,32—33],結合研究區實際情況確定相關參數,如表1和表2所示。

表1 研究區威脅因子權重與影響距離

表2 研究區不同土地利用類型生境適宜度及對威脅因子的敏感性

1.3.2熱點分析

為探究浙江省生境質量與生境退化度的空間聚類分布特征,本研究采用熱點分析方法,識別生境質量和生境退化度在空間分布上是否存在統計上顯著的高值區(熱點)與低值區(冷點)[34]。通過ArcGIS10.2的空間統計工具,采用Getis-Ord Gi指數進行計算,在鄉鎮尺度上統計生境質量與生境退化度的均值,分析其空間集聚特征。

1.3.3地理探測器

地理探測器是探測空間分層異質性,揭示其背后驅動因子的一種統計學方法,主要包括分異及因子探測、交互作用探測、風險區探測和生態探測四個工具,主要用于分析各種現象的驅動因子以及多因子的交互作用[35]。本研究主要采用分異及因子探測和交互作用探測,通過ArcGIS10.2按5km×5km對研究區進行網格化采樣,避免根據鄉鎮尺度采樣導致的樣點分布不均勻,共采集評價單元4813個,采用自然斷點法將高程、坡度、年降水量、年平均氣溫、NDVI、NPP、GDP、人口密度等自變量的原始數據分為5類,探究驅動因子對生境質量(因變量)結果變化的解釋程度,并通過交互作用探測識別各因子相互疊加對生境質量的影響[36—37]。計算公式如下：

(4)

交互作用探測主要是判斷不同驅動因子之間的交互作用,評估兩個因子共同作用時是否會增加或減弱對生境質量的解釋程度,或因子之間不存在相互影響[35],具體如下(表3)：

表3 兩個驅動因子對生境質量交互作用的類型

2 結果分析

2.1 生境質量與生境退化度的時空演變

結果表明,浙江省生境質量空間格局呈現明顯的分異特征(圖2),浙西北、浙西南以及浙中東生境質量較高,浙東北、浙中地區的生境質量較低。從時間變化上看,浙江省2000、2005、2010、2015年生境質量均值分別為0.7915、0.7803、0.7727、0.7655,總體呈下降趨勢,但是下降率逐漸放緩,2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年的生境質量下降率為1.41%、0.97%和0.93%。從空間上來看,生境質量下降的區域主要集中在浙北平原、金衢盆地以及東南沿海平原,這些區域人類活動相對頻繁,城鎮化程度較高,而浙西中山丘陵、浙南山地和浙東丘陵主要以林地為主,生境質量較好且相對穩定。

為進一步了解生境質量的變化,參考已有研究[15,29,32]將其劃分為低、較低、中等、較高和高共五個等級(表4)。浙江省超50%的區域位于高生境質量區域,但總體上呈減少趨勢,占比從2000年的55.54%下降到2015年的53.89%。而低生境質量區域的面積顯著增加,從2000年的3534.37km2增加到2015年的7859.49km2。相較于2000年,2015年浙江省生境質量空間分異特征進一步凸顯,產生變化的主要原因是杭州、寧波、溫州三大都市區的擴張使低生境質量區域呈現蔓延式發展,同時,耕地、林地、草地分別有3583.38km2、495.73km2、36.49km2被占用為建設用地,威脅因子的變化影響了生境質量的空間格局。

表4 2000—2015年浙江省生境質量各等級面積與占比變化

生境退化度反映了生境類型受威脅因子的影響程度,根據自然斷點法對浙江省生境退化度劃分為弱退化、較弱退化、中等退化、較強退化和強退化5個等級,浙江省生境退化度分布格局呈現了時空尺度上的異質性特征(圖3)。浙江省生境退化度的等級呈現明顯的圈層輻射結構,主要以杭州市、寧波市、溫州市、金華市為“輻射中心”,對周邊的生境產生一定影響,并且這種結構隨著時間推移有逐漸擴大的趨勢,尤其以2000—2005年最為明顯,城鎮用地快速擴張,增加了威脅因子分布,導致生境退化加劇。

圖3 2000—2015年浙江省生境退化度時空演變Fig.3 Spatial-temporal evolution of habitat degradation in Zhejiang Province from 2000 to 2015

2.2 生境質量與生境退化度熱點分析

在時間序列上,2000—2015年生境質量與生境退化度熱點的空間格局總體相似。以2015年為例(圖4),研究發現生境質量與生境退化度在鄉鎮尺度上的空間分布表現出明顯的集聚特征。生境質量的熱點分析中,熱點區域包括浙西北中山丘陵、浙南山地與浙東丘陵,包括601個鄉鎮(街道),面積占全省面積的44.93%,該區域受人類干擾程度較小,植被覆蓋度高；冷點區域主要位于浙北平原、金衢盆地以及溫臺平原,包括522個鄉鎮(街道),面積占全省面積的22.12%,這些區域地勢平坦,分布有大量城鎮、農村居民點與其他建設用地,形成低值集聚區。生境退化度的熱點分析中,冷點與熱點區域的空間分布與生境質量呈現有相反的趨勢,熱點區域大部分集聚在浙北平原,另外在金華、臺州和溫州也有形成小型集聚,包括547個鄉鎮(街道),中部區域不顯著,而冷點區域則集中于浙西北與浙南地區,包括468個鄉鎮(街道)。

圖4 浙江省生境質量與生境退化度熱點分析(2015年)Fig.4 Study on hot spots of habitat quality and habitat degradation in Zhejiang Province (2015)

2.3 生境質量差異的影響因素分析

生境質量演化存在明顯的時空分異特征,利用地理探測器模型進一步探究浙江省生境質量變化的驅動因子及演化機制。因子探測的結果顯示,不同年份各驅動因子的p值均通過0.01水平的顯著性檢驗,并且不同驅動因子對浙江省生境質量的解釋程度q值存在一定差異(圖5)。就各因子的q均值來看,解釋程度從大到小依次為坡度>高程>NDVI>單位面積GDP>人口密度>NPP>年降雨量>平均氣溫。綜合而言,地形因素(坡度、高程)顯著影響了研究區生境質量空間分布格局,相較于植被(NDVI、NPP)、社會經濟(單位面積GDP、人口密度)、氣象(年降雨量、平均氣溫)等因素對生境質量空間分布的解釋程度更大。在時間維度上,高程、坡度、年降雨量、平均氣溫、單位面積GDP與人口密度等6個因子的q值相對穩定,而NDVI與NPP的q值呈波動上升的趨勢。由此可見,研究區的地形因素是影響生境質量空間分異特征的主導方面,同時社會經濟因素對生境質量空間格局有重要影響,植被因素對于生境質量的提升起到一定作用。

圖5 2000—2015年浙江省生境質量因子探測結果 Fig.5 Detection results of driving factors of habitat quality in Zhejiang Province from 2000 to 2015

進一步研究不同因子間的交互作用對浙江省生境質量的影響,結果表明(圖6),四個年份各因子之間對生境質量變化均呈現協同增強的特征,即任意兩個驅動因子的交互作用均大于單因子的影響,交互關系表現為雙因子增強型和非線性增強型?？傮w來看,地形因素(高程、坡度)與其他因子的交互作用相對較大,氣象因素(年降雨量、平均氣溫)與其他因子的交互作用相對較小。時間維度上,2000年、2005年、2010年交互作用對生境質量空間分異影響最強的是坡度∩單位面積GDP,q值分別為0.444、0.459、0.447；2015年交互作用影響程度最高的為坡度∩NDVI,q值為0.482；植被因素(NPP和NDVI)的交互作用及其與社會經濟(單位面積GDP、人口密度)的交互作用逐漸增強。由此可見,地形因素、植被因素與社會經濟因素的交互作用增強了對生境質量變化的解釋程度,主要是由于浙江省“七山一水兩分田”的自然地理格局,山區的地勢起伏大、植被覆蓋程度高,為動植物提供適宜生存的環境,形成了生境質量高、物種豐富的生態空間。與此同時,社會經濟活動造成耕地和建設用地侵占了部分生態空間,影響了城鎮周邊地區的生境質量,使因子間交互作用更為凸顯。

圖6 2000—2015年浙江省生境質量交互探測結果Fig.6 Interactive detection results of driving factors of habitat quality in Zhejiang Province from 2000 to 2015X1: 高程；X2: 坡度；X3: 年降水量；X4: 平均氣溫；X5: NPP；X6: NDVI；X7: 單位面積GDP；X8: 人口密度

2.4 生態紅線區生境質量空間分布

為探究浙江省生態紅線區生境質量時空分布特征,首先統計分析2000—2015年不同類型生態紅線的生境質量變化情況(表5),結果表明：15年來,浙江省生態紅線整體生境質量均值大于0.9,并且處于一個相對穩定的范圍內。從不同類型的生態紅線來看,地質公園的生境質量均值最高,其次是自然保護區,二者在時間序列上均穩定在0.96以上,而濕地公園的生境質量均值相較于其他類型生態紅線明顯偏低,主要原因是紅線中不同的生境類型影響到生境質量大小。此外,風景名勝區和飲用水源保護地的生境質量均值也小于整體生境質量均值,主要是因為此類區域中人為擾動相對密切,對生境質量產生一定影響。

表5 2000—2015年浙江省不同類型生態紅線生境質量均值

結合前述的生境質量影響因素對生態紅線中不同等級區域進行分析,從北至南識別出四個典型區域(圖7)。嘉興市的典型區域中,紅線中存在較多生境質量等級中等和低的區域,主要原因是典型區地處杭嘉湖平原,區內中間斑塊的紅線類型為風景名勝區,上下兩個斑塊為濕地公園,周邊存在大量建設用地與耕地,人類活動相對頻繁；杭州市的典型區域中,紅線中局部存在生境質量等級中等和低的區域,主要原因是該區域位于富春江與浦陽江交匯處的丘陵地帶,紅線類型為飲用水源保護地,但同時存在鄉鎮與農田生境類型,故生境質量等級較高和高的區域呈環繞狀的分布；臺州市的典型區域中,紅線中局部存在中等級區,主要原因是在華頂國家森林公園東部存在部分農田生境類型,這種具有浙江特色的梯田兼具農業功能和生態功能,從而影響生境質量評估結果；麗水市的典型區域中,紅線中有零星的生境質量低等級區和分散狀的中等級區,主要原因是該區域屬于自然保護區,總體生境質量較高,然而其中分布有少量村莊和農田。

圖7 浙江省生態紅線的生境質量等級分布及典型區概況 Fig.7 Distribution of habitat quality grades of ecological red line in Zhejiang Province and overview of typical areas

進一步將生態紅線與生境質量高等級區進行疊加分析,并在鄉鎮尺度上統計二者錯位區域面積(即屬于生境質量高等級區但是暫未劃入生態紅線的面積),根據分位數法將錯位區域占鄉鎮面積的比例劃分為五個等級(圖8),以期在鄉鎮尺度上探討生態紅線的調整。從錯位面積的空間格局來看,主要分布在浙西北和浙西南山區,而在杭嘉湖平原、金衢盆地以及浙東沿海平原的分布較為匱乏。在鄉鎮尺度上形成錯位面積占比的分級,可以在一定程度上反映生態紅線調整的潛力區域,其空間分異特征與錯位面積的空間格局相似。值得注意的是,淳安縣下轄鄉鎮的調整潛力較低,主要原因是區域內已分布有大量紅線,故錯位面積相對較少；浙南區域存在大量的人工商品林以及國家級、省級公益林,導致該區域具有較大調整潛力,后續可結合實地情況與管控要求進行重點鄉鎮的再評估。

圖8 浙江省生境質量高等級區與生態紅線的空間關系分析Fig.8 Analysis of the spatial relationship between the high-grade habitat quality areas and the ecological red line in Zhejiang Province

3 結論與討論3.1 結論

本研究運用InVEST模型評估2000—2015年浙江省生境質量時空格局,并通過空間冷熱點分析和地理探測器模型對其演變特征與驅動因素進行分析,并結合生態紅線探討二者的關系,得到以下結論：

(1)15年來,浙江省生境質量均值總體呈減速下降趨勢,并且形成了浙西北、浙西南、浙中東高與浙東北、浙中低的生境質量空間分異特征。生境退化度空間格局呈現明顯的以都市區為中心向周圍蔓延的圈層輻射結構,并且該結構有逐漸擴大的趨勢。

(2)生境質量與生境退化度在鄉鎮尺度上表現出集聚明顯、趨勢相反的特征。整體上,生境質量熱點區域(高—高集聚區)主要位于浙西北中山丘陵、浙南山地與浙東丘陵,冷點區域(低—低集聚區)主要位于浙北平原、金衢盆地以及溫臺平原。

(3)基于地理探測器模型的因子探測和交互作用探測分析表明,地形(高程、坡度)是影響浙江省生境質量的主要因素,氣象因素(年降水量、平均氣溫)對其影響程度相對較低,從時間尺度來看,植被因素(NPP、NDVI)的貢獻度在逐漸擴大。浙江省生境質量空間分異是自然因子與社會經濟因子協同增強共同作用的結果。

(4)浙江省生態紅線內生境質量均值整體較高,且相對穩定；不同紅線類型中,地質公園整體生境質量最高,濕地公園相對較低；紅線內或周邊存在的鄉鎮、農田會導致生境質量的下降；高生境質量區域與生態紅線的錯位面積呈現明顯的空間分異特征,浙江省西南、西北部山區較多,而北部、中部以及東部較少,應結合實地情況采取差異化紅線調整策略。

3.2 討論

生境質量不僅是生物多樣性維護與生態系統穩定的基礎前提,更是影響區域可持續發展與維系人類福祉的重要因素[11,31]。傳統的綜合生態指標方法適配于小范圍內的生境質量評估,本研究在全域、全要素統籌的價值取向下,采用大尺度、動態性、空間化的評估范式,為生態環境評估與決策提供全局性視角。根據研究結論,未來浙江省生態紅線管控應當重點把握以下三點：首先,建立差異化的生態紅線管制制度,尤其是對于杭州、寧波等中心城市,生態紅線內開發建設活動管理應嚴格審批。其次,堅持以自然修復為主、人工干預為輔的生態保護修復,持續提升植被覆蓋度和凈初級生產能力,降低人類活動對自然格局的改造。最后,強化自然保護地體系建設,維護生物多樣性網絡與生態安全格局。此外,研究的不足與未來可改進的方向主要包括三個方面：其一,盡管InVEST模型的應用已相對廣泛[17],但是其中關鍵參數的確定大多基于前人研究,后續應結合實地調研的數據來優化脅迫因子的參數設置,提高區域生境質量評估的精確性；其二,生態保護成效評估是當前國際生態學領域的前沿問題,生態紅線的劃定管控、成效評估與可持續性因而受到國內外的廣泛關注,因此,構建多維生態紅線政策評估框架是優化紅線布局的有力抓手[38],本研究對生態紅線的生境質量時空演變與典型區域展開分析,后期可結合其他生態系統服務開展更為系統性的研究；其三,目前生態紅線管控遵循“自上而下”的治理邏輯,而布局優化實踐中采用“自下而上”的調整策略,下一步研究可以從尺度理論的視角切入[39],從功能空間、實體空間、管理空間三個維度厘清生境質量優化生態紅線布局的治理模式[40],并且可以從更為宏觀的尺度如城市群尺度[41]考慮跨區域生態紅線布局優化的路徑。