西北旱區典型流域土地利用與生境質量的時空演變特征

陳樂 ，衛偉 ,

1.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；2.中國科學院大學，北京 100049；3.陜西黃土高原地球關鍵帶國家野外科學觀測研究站，陜西 西安 710061

生境質量是區域位置、地理特征、氣候變化和人類活動共同作用的結果（Li et al.，2010；Mohan et al.，2015）。生境質量評估在一定程度上可反應生態系統穩定性及其優劣（李營等，2016）。在氣候相對穩定前提下，土地利用變化的強度和方向很大程度上決定了區域生境質量的方向和時空變化（陳樂等，2019）。隨著人口的快速增長，人類活動對下墊面自然環境的干擾強度和范圍快速增大，部分地區生物多樣性減少、生境惡化問題突出，極大破壞了人與自然和諧，威脅動植物的棲息繁衍（Newbold et al.，2015）。因此，定量研究土地利用變化下區域生境質量的時空演變規律及其驅動因素，對于合理布局下墊面，保護區域生物多樣性、維持生態系統穩定及促進生態系統健康具有重要意義。

當前，國內外學者對生境質量的評估主要集中在3個方面：一是借助GIS技術、實地調研、采樣，通過綜合評價環境因子的貢獻以量化動植物棲息地（羅寧等，2016；李杰等，2017）及河流（陳淼等，2019；李夢娣等，2020）的生境質量適宜性和動態變化。二是借助遙感技術通過計算RSEI（徐涵秋等，2017）、EVI（楊怡等，2019）等生態指數和TVDI（Sandholt et al.，2002）、LST-EVI（王秀君等，2014）等干旱監測指數研究區域生境質量變化。三是基于土地利用數據，借助InVEST（Tallis et al.，2011）、SoIVES（Sherrous et al.，2012）等模型，從生物多樣性保護及生態穩定性的角度研究土地利用變化下的生境質量變化。其中InVEST模型因其開發成熟，適用性廣而被廣泛應用于區域生境質量的動態變化研究（Bhagabati et al.，2014；Kim et al.，2015；Li et al.，2020），其研究結果可靠，能為區域發展提供理論及技術參考，且在干旱區生境質量評價中具有極大的優越性（李騫國等，2020；劉方田等，2020）。

瑪納斯河流域是干旱區重要的糧棉高產基地，其地形地貌、氣候特征、生態環境特點及流域開發水平在干旱區均具有代表性（Zhang et al.，2012；Bai et al.，2014；Ling et al.，2019）。近 40 年來，瑪納斯河流域土地利用變化及綠洲小城鎮建設速度較快，生態環境變化較大。故本文以瑪納斯河流域為例，基于1980—2020年的8期土地利用數據、41年的氣象站點溫度數據，借助InVEST模型、土地利用轉移矩陣及生境質量貢獻率等定量研究了干旱區流域生境質量的時空變化及其主要驅動因素，為干旱區生物多樣性保護和生態系統穩定性提供科學依據。

1 研究區概況

瑪納斯河流域（43°50′—45°58′N、84°42′—86°33′E）位于準噶爾盆地南緣，天山北麓中段。流域總面積約3.35×104km2，包括瑪納斯縣、沙灣縣、石河子市、呼圖壁縣、和靜縣以及布克賽爾蒙古自治縣、烏蘇市、奎屯市、克拉瑪依市的部分地區（圖1）。屬于典型的“山盆結構”，自南向北高山區—低山區—綠洲區—沙漠區依次過渡。高山區平均海拔3300 m，以裸巖石質地、冰川雪被為主；低山區平均海拔1100 m，以低覆蓋度草地為主；中游綠洲區平均海拔370 m，以旱地、草地、未利用地為主；沙漠區平均海拔304 m，以沙地、半固定風沙土為主。

圖1 研究區示意圖Figure 1 Sketch map of the study area

2 數據與方法

2.1 數據來源

1980—2020年的 8期土地利用數據（1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020 年）來源于中國科學院資源環境科學數據中心（https://www.resdc.cn/），空間分辨率30 m，包括一級土地利用類型6類，二級土地利用類型24類。該土地利用數據集解譯精度較高，在新疆土地利用變化及生境質量研究中適用性較好（劉方田等，2020；李鵬輝等，2022）。30 m DEM高程數據來源于地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/）。

此外，本文從國家氣象局、石河子氣象局以及國家氣象科學數據中心（http://www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjgx/）獲得了研究區及其附近地區27個氣象站點1980—2020年的逐日溫度數據，通過年平均統計及空間插值處理，插值成空間分辨率為250 m的柵格數據，作為輔助數據。

2.2 數據處理方法

2.2.1 土地利用重分類

根據研究需要，本文將獲得的土地利用數據重分類為一級類型6類，二級類型13類。其中將河流、湖泊、水庫坑塘、灘涂、灘地、永久性積雪冰川合并為濕地，將沙地、戈壁、鹽堿地、裸土、裸巖、沼澤地合并為未利用地。

2.2.2 生境質量模型

本研究借助由斯坦福大學、世界自然基金會和大自然保護協會共同研究開發的，通過對下墊面類型變化及脅迫因子進行歸類、分析的InVEST模型生境質量模塊來刻畫區域生境質量。該模塊通過對下墊面類型、特征脅迫因子、生態環境對脅迫因子的敏感程度等參數進行綜合評估來評價生物生存資源的可獲得性及生態系統維持穩定性的能力（Fu et al.，2018；Xu et al.，2019）。其中生境退化度計算公式如下：

線性衰減：

指數衰減：

式中：

Dxj——第j類土地利用中柵格x的生境退化程度；

R——脅迫因子的個數；

Wr——脅迫因子的權重值；

Yr——脅迫層圖層范圍上的柵格個數；

ry——圖層范圍內每個柵格的脅迫因子的個數；

Sjr——地類圖層上每個柵格的敏感度大小；

irxy——柵格y的脅迫值ry對柵格x的脅迫水平；

dxy——柵格x與柵格y的直線距離；

drmax——威脅源r的最大脅迫距離。

在此基礎上生境質量計算公式為：

式中：

Qxj——第j類土地利用類型中柵格x的生境質量；

Hj——生境適宜度，值域為[0—1]；

k——半飽和常數，取柵格單元大小尺度值的一半；

z——歸一化常量，通常設為2.5。

耕地和建設用地是干旱區人類活動最集中的體現，反映了人為活動對自然生態系統的威脅（康紫薇等，2020；劉方田等，2020）。研究區未利用地以荒漠、裸地和鹽堿地為主，生境脆弱，容易侵蝕周圍生態環境，是生境質量變化的重要威脅（鞏杰等，2018；韓艷莉等，2019）。故將耕地、城鎮用地、農村居民點、工礦用地及未利用地作為脅迫因子。此外，道路也被眾多學者定義為生境質量的威脅源因子（楊文仙等，2021；周亮等，2021）。但瑪納斯河流域道路分布相對較少，影響相對較小，且本文研究年限較長，難以獲得精確的歷史道路數據，故本研究在設置威脅源因子時暫不考慮道路因子。

通過參考InVEST模型用戶手冊（Tallis et al.，2011）、李騫國等（2020）、劉方田等（2020）的研究，咨詢新疆地區的學者專家并結合研究區的具體特點，設置威脅因子參數（表 1）和各地類的生境適宜度及其敏感值（表2）。

表1 威脅因子及其脅迫強度Table 1 Threat factors and their stress intensities

表2 生境類型對生態威脅因子敏感度Table 2 Sensitivity of habitat types to ecological threat factors

2.3 數據分析方法

本文借助土地利用轉移矩陣（張曉娟等，2017），分析土地利用類型之間的空間轉移關系。通過對計算的生境質量結果進行分區統計（陳淼等，2019）、等級劃分（以0.2為間隔劃分為低、較低、中等、較高和高5個等級）和空間轉移分析（劉方田等，2020）來剖析生境質量的空間分異特征和時空變化特征。

基于空間插值的溫度柵格數據，通過研究近41年來不同區域年平均溫度的變化趨勢，來探討氣候變暖對區域生境質量的影響。

此外，本文借鑒土地利用變化生態貢獻率計算方法（孔冬艷等，2021），基于不同區域生境質量的時空變化特征，選擇典型年份建立生境質量貢獻率指標，定量分析了不同區域下墊面變化對生境質量的影響。其中，生境質量貢獻率計算公式如下：

式中：

Rij——i地類轉化為j地類時的生境貢獻率；

Hi和Hj——研究時段內某地類在變化初期和變化末期的生境質量指數；

Si——該變化用地的面積；

St——區域總面積。

3 結果與分析

3.1 土地利用類型分布及面積變化特征

瑪納斯河流域土地利用類型以未利用地和草地為主（圖 2），分別占研究區面積的 41.49%和28.54%（2020年）。土地利用變化的基本特征是耕地、建設用地、未利用地面積呈增加趨勢，草地、林地、濕地面積呈減小趨勢。其中耕地面積在2020年達到8046.01 km2，占研究區總面積的24.02%，與1980年相比，新增耕地面積3708.52 km2。積雪冰川面積在 2005—2010年期間減少了 1324.19.km2，減少的部分占 2005年積雪冰川面積的68.43%。建設用地面積在2020年達到520.24 km2，增長的區域占1980年建設用地面積的90.14%。

圖2 1980—2020年瑪納斯河流域土地利用變化空間分布圖Figure 2 Spatial distribution of land use change in Manas River Basin from 1980 to 2020

耕地擴張是綠洲擴張的主要方式，瑪納斯河流域耕地的時空變化存在3個階段。1980—2005年期間緩慢增長，主要發生在綠洲區的東部。期間草地轉耕地 780.41 km2，占新增耕地面積的 85.16%。2005—2010年期間耕地面積快速增長，新增耕地面積2419.98 km2，其中草地轉耕地1596.80 km2，占新增耕地面積的58.65%。沙地、戈壁及鹽堿地共向耕地轉入823.36 km2，占新增耕地面積的30.24%，是新增耕地的第二來源。2010—2020年耕地面積增速減緩，主要向西和西北方向擴張。期間新增耕地面積870.44 km2，其中低覆蓋度草地向耕地轉入635 km2，是新增耕地的主要來源，沙地向耕地轉入108.78km2，是新增耕地的第二來源。

3.2 生境質量變化

3.2.1 生境質量的時空分布與區域特征

InVEST模型模擬的生境質量范圍0—1，越接近1，生境質量越好。如圖3所示，瑪納斯河流域生境質量自山區向沙漠逐漸減小存在明顯的梯度特征。生境質量呈先增大后持續減小的趨勢，且減小幅度大于增大幅度。其中 2005—2010年期間生境質量減幅最大，生境質量均值減小了0.0401，主要發生在高山積雪冰川區和中部綠洲。

圖3 1980—2020年瑪納斯河流域生境質量的空間分布Figure 3 Spatial distribution of habitat quality in Manas River Basin from 1980 to 2020

研究區各區域生境質量差異顯著（表 3）。荒漠區生境質量均值維持在0.3055，呈波動微弱增長趨勢。綠洲區生境質量均值變化與瑪納斯河流域生境質量均值變化同步，在 1980—1995年期間緩慢增大，1995—2020年期間持續減小。低山區生境質量均值大于 0.74，在 1980—2000年期間呈增加趨勢，在2000—2020年期間持續減小。高山區生境質量在1980—2005年期間維持在0.729左右，呈微弱增加趨勢。在2005—2020年期間快速減小，其中生境質量均值減少了0.1408。

表3 1980—2020年瑪納斯河流域及其各區域生境質量均值Table 3 Mean value of habitat quality in Manas River Basin and its regions from 1980 to 2020

3.2.2 生境質量等級分布及空間轉移特征

瑪納斯河流域生境質量等級以較低為主，主要分布在北部荒漠，占研究區總面積的 40.36%以上（表4），在1980—2020年期間呈持續增長趨勢。生境質量中等的區域主要分布在中游綠洲區，在1980—2020年期間增加了3592.74 km2，以2005—2010年期間增速最快，增長了2500.90 km2。生境質量較高和高的區域主要分布在低山區和高山區的積雪冰川區域，面積均呈減小趨勢。其中，2005—2010期間，生境質量高的區域面積減少了 2935 km2。生境質量低的區域占研究區總面積的 1.58%（2020年），主要分布在建設用地，在1980—2020年期間面積增長了248.19 km2。

表4 1980—2020瑪納斯河流域生境質量各等級面積比例Table 4 Area proportion of different grades of habitat quality in Manas River Basin from 1980 to 2020 %

1980—1990年，研究區生境質量呈微弱增長，主要是生境質量中等的區域向生境質量較高和高的區域分別轉入了 11.61 km2和 15.51 km2所致。1990—1995年期間，生境質量增幅漸長。其中，生境質量較低的區域向生境質量高的區域轉入了19.55 km2，生境質量較高的區域向生境質量高的區域轉入了10.13 km2。1995—2000年和2000—2005年期間，綠洲擴張使得綠洲西部生態質量較高的區域向生境質量中等的區域分別轉入了408.59 km2和284.23 km2，使得綠洲區生境質量持續降低。與此同時，高山區積雪冰川消融使得生境質量高的區域大面積轉入其他生境質量低的區域。

2005—2020年期間各生境質量等級區轉換速度頻繁、轉換幅度加大。其中2005—2010年期間，生境質量較高和高的區域向生境質量中等的區域分別轉入1334.59 km2和478 km2，使得中部綠洲區生境質量大幅度降低。與此同時，生境質量高的區域向生境質量較低和較高的區域分別轉入了1807.11 km2和 1380.6 km2，使得高山區生境質量大幅度降低。2010—2015年和2015—2020年期間，生境質量較高的區域向生境質量中等的區域分別轉入了163.59 km2和459.88 km2，是綠洲區生境質量持續減小的主要原因，是耕地擴展侵占草地尤其是低覆蓋度草地所致。此外綠洲小城鎮的快速建設，使得其他各等級區均向生境質量低的區域有大面積轉入，導致綠洲局部地區生境質量極差。

3.3 土地利用變化對生境質量的影響

從整體上看，1980—1995年，瑪納斯河流域生境質量增加的主要原因是未利用地向高覆蓋度草地和疏林地的轉化、有林地向濕地的轉化以及部分耕地向中覆蓋度草地的轉化所致，共占生境質量改善貢獻率的63.69%（表5）。而中覆蓋度草地轉為低覆蓋度草地以及部分疏林地轉為未利用地則是導致生態環境質量下降的主要因素，分別占生境質量負效應的29.43%和15.68%。1995—2005年，瑪納斯河流域生境質量的改善主要依賴于未利用地向耕地的轉化，占19.4%。而草地向耕地及未利用地的多向轉化則是該時段區域生境質量持續減小的根本原因，其中低覆蓋度草地向未利用地和耕地的轉化是生境質量減小的主導因素，共占生境惡化貢獻率的 48.21%。2005年之后，瑪納斯河流域生境質量改善主要依賴于未利用地向低覆蓋度草地、耕地、高覆蓋度草地及濕地的轉化，共占生境改善貢獻率的69.53%。而積雪冰川融化大面積轉為裸地以及草地向耕地和未利用地的轉化是該時段研究區生境質量持續且快速減小的主導原因。

表5 主要土地利用類型轉化對區域生境質量變化的貢獻率Table 5 Contribution rates of major land use types conversions to regional habitat quality

從區域上看，1995年之前，綠洲區生境質量改善主要依賴于耕地向濕地的轉化以及未利用地向疏林地的轉化。二者共占生境改善貢獻率43.88%。綠洲生境質量惡化主要取決于疏林地和低覆蓋度草地向未利用地的轉化以及農村居民點的修建，共占生境惡化貢獻率的 64.59%。1995年之后，綠洲生境質量改善主要依賴于耕地擴展侵占荒漠以及未利用地向低覆蓋度草地的轉化，二者分別占生境改善貢獻率的37.93%和28.17%。而綠洲生境質量持續減小的主導原因是耕地擴張持續侵占草地，占生境惡化貢獻率的54.07%。

相對于綠洲區，荒漠區、低山區和高山區土地利用導致生境質量變化的原因較為簡單。其中荒漠區生境質量的改善主要依賴于未利用地向耕地、低覆蓋度草地及濕地的轉化，共占生境改善貢獻率的85.77%。中、低覆蓋度草地退化是荒漠區生境質量惡化的主要原因，占45.56%。低山區生境質量變化主要依賴于中、低覆蓋度草地之間的相互轉化，占生境質量變化貢獻率的59.65%以上。積雪冰川融化是高山區生境質量惡化的根本原因，占54.04%。此外，高山區大面積草地退化不斷演變為未利用地也是該區域生境質量惡化的重要原因，占33.89%以上。

4 討論

瑪納斯河流域是干旱區典型的內陸河流域，其生境質量變化的時空特點和影響因素在干旱區具有典型性和代表性，是地理環境、氣候變化及下墊面活動方式及強度共同作用的結果。溫帶干旱半干旱氣候和山盆結構的地理環境共同決定了瑪納斯河流域自南向北高山—低山—綠洲—沙漠逐漸過渡的景觀特征（楊衛紅等，2015；覃金蘭等，2020），因而其生境質量自高山至沙漠存在極顯著的空間分異特征。

InVEST生境質量評估結果表明，1980—2020年，瑪納斯河流域、綠洲區、低山區和高山區生境質量均呈減小趨勢，生境破碎程度加劇。其中綠洲區生境質量退化的根本原因是耕地的規模化擴張。1995—2000年綠洲東部生境質量大面積降低，2000—2005年綠洲北部的荒漠—綠洲交錯帶生境質量大面積降低以及 2005年之后整個綠洲區生境質量大面積的降低與耕地先緩慢擴張后規模化擴張和先向東擴張、后向西和西北方向規模化擴張（李均力等，2015）的空間趨勢一致。故綠洲生境質量的時空變化與耕地的面積、擴張方向、強度和規模化發展息息相關。低山區生境質量降低受到氣候變暖和耕地擴張持續侵占草地的雙重影響。首先，1980—2020年期間，低山區呈現顯著增溫趨勢，年平均溫度增長斜率為0.033 ℃·a-1（圖4a），極其不利于植被生長及水分存儲，尤其在2000年之后，呈現顯著增溫趨勢。故氣候變暖是低山區草地植被退化、生境質量降低的主要原因。其次，耕地擴張也是導致低山區生境質量退化的重要原因。2005年之前，耕地擴張主要侵占綠洲區的低覆蓋度草地，對低山區影響較小。但2005年之后，耕地呈現規模化擴張，其擴張方向不斷向南部低山草地推進，使得大面積草地轉為耕地，極大的破壞了低山區的生態環境，使得2005—2010年期間，低山區生境質量銳減。1980—2020年期間，高山區生境質量均值減小了 0.1403，生境質量退化極其嚴重。結合高山區溫度的趨勢變化（圖4c）可知，山地對氣候變暖的強敏感性（Rangecroft et al.，2016；Sexstone et al.，2018；Christia et al.，2020）使得1980—2020年期間，高山區溫度呈顯著變暖趨勢，年平均溫度增長斜率為0.036 ℃·a-1。這使得積雪冰川大面積消融轉為裸地和草地，是高山區生境質量降低的根本原因。

圖4 1980—2020年瑪納斯河流域年平均溫度趨勢變化Figure 4 Slope change of annual average temperature in Manas River Basin from 1980 to 2020

耕地擴張是干旱區綠洲擴張的主要方式（Xiang et al.，2016；Zhou et al.，2017），具有雙刃劍作用。綠洲擴張能顯著緩解綠洲與荒漠交錯帶的干旱程度，改善荒漠生境質量，為臨近綠洲的沙生植物的生長提供了有利條件，促進了荒漠植被的多樣性（Zeng et al.，2016；趙懷寶等，2010），有效提高了荒漠地表的植被覆蓋度。所以合理的綠洲擴張能有效的緩解荒漠化加劇的趨勢，促進荒漠生態系統穩定。但是綠洲擴張大面積侵占草地，極大的破壞了草地生態系統，不利于草地及濕地生物多樣性保護及生態系統穩定（周宏飛等，2017；馬依拉·熱合曼等，2018）。再者耕地的大規模擴張不利于旱區水資源、土地資源及社會經濟的可持續發展（Yang et al.，2019）。故今后綠洲擴張應追求適度，因地制宜，并積極響應和開展干旱區重大生態恢復及保護工程建設，加強對草地、濕地、林地等生態系統的保護。

此外，全球氣候持續變暖顯著加速了積雪冰川消融的速率（Li et al.，2022；Su et al.，2022），極大的改變了山地生態系統的組分、結構及物質循環（Hotaling et al.，2017；Moser et al.，2019），對高山帶部分生物的生存、生物多樣性保護（Niittynen et al.，2018）及水資源安全構成了巨大威脅，嚴重阻礙了干旱區人與自然的可持續發展（Huang et al.，2015），故今后干旱區發展當重點保護山地生態系統和高山帶固體水資源，并加強對融雪水的高效利用和存儲。

5 結論

（1）耕地持續擴張并侵占草地與未利用地，積雪冰川大面積消融轉為裸巖和草地是瑪納斯河流域土地利用變化的基本特征。

（2）1980—2020年期間，瑪納斯河流域生境質量呈先增大后持續減小的趨勢，生境質量均值低山區＞高山區＞綠洲區＞荒漠區。生境質量等級以較低為主，占研究區總面積的40%以上，主要分布在北部荒漠。

（3）耕地擴張不斷侵占草地，積雪冰川大面積融化以及中、高覆蓋度草地退化是瑪納斯河流域生境質量惡化的主要原因。

（4）綠洲擴張應追求適度，因地制宜，并積極響應和開展干旱區重大生態恢復及保護工程建設，加強對草地、濕地、林地等生態系統的保護。此外，干旱區發展當重點保護山地生態系統和高山帶固體水資源，并加強對融雪水的高效利用和存儲。