黃土高原人類活動與生物多樣性的演變及關聯性

王 建, 趙牡丹, 樊 藝, 李健波, 鄭春燕

(1.西北大學 城市與環境學院, 西安 710127; 2.陜西省遙感與地理信息工程研究中心, 西安 710127; 3.湖北師范大學 城市與環境學院, 黃石 湖北 435002)

隨著全球工業化、城市化進程的不斷加快，人類活動對區域生態系統結構和空間變化產生深遠影響，導致全球生物多樣性喪失問題日益嚴重[1-2]。迄今為止，國內外學者圍繞人類活動與生物多樣性展開大量研究，主要集中在人類活動與生物多樣性單方面[3]，兩者內在關聯方面的研究較少。

生物多樣性主要是對生物物種及其相應的生存環境所構成的生態系統的統稱[4]，它不僅為人類生存與發展提供物質條件，而且在氣候調節、水土保持以及人與自然平衡相處等方面發揮重要作用[5]。目前，國內傳統生物多樣性評估工作主要是依據2012年原環境保護部發布的《區域生物多樣性評價標準》[6]，以縣域為基本單元，通過野生動植物豐富度、生態系統類型多樣性、物種特有性、受威脅物種豐富度和外來物種入侵度等指標評估區域生物多樣性[7]。然而，由于部分縣區的統計數據缺乏，其結論在一定程度上與實際分布狀況存在偏差。遙感數據因覆蓋廣、時序性強、可重復性等優勢使其在中大尺度生物多樣性評估方面得到廣泛應用[8]，部分學者基于遙感數據提取的生境質量、植被凈初級生產力、歸一化植被指數、景觀格局等指數反映區域生物多樣性[9-10]。由此可見，本文利用遙感和GIS技術對區域生物多樣性評估具有可行性。

人類活動是指人類一切可能形式的活動或行為[11]，關注和刻畫人類活動對于揭示其對區域生態環境的影響具有重要意義。目前，針對人類活動的評價，部分學者采用權重多指標疊加分析方法，如人類足跡指數(Human Footprint Index，HFI)[11]、海洋生態系統多尺度空間模型(Multiscale Spatial Model)[12]、喀斯特干擾指數(Karst Disturbance Index，KDI)等[13]；也有其他學者基于景觀與土地利用分析，如陸地表層人類活動強度(Human Activity Intensity of Land Surface，HAILS)[14]、景觀發展強度指數(Landscape Development Intensity，LDI)等[15]。由于人類足跡指數多用于研究自然保護區，海洋生態系統多尺度空間模型、景觀發展強度指數以及喀斯特干擾指數則局限于特定地區，陸地表層人類活動強度主要是從土地利用/覆蓋與人類活動關系角度客觀反映人類活動對陸地表層影響和作用強度[11]，該指標自提出后在黃土高原[16-17]、黃河三角洲等[3]區域得到廣泛運用。因此，本文借助HAILS指數表征研究區人類活動。

黃土高原是我國“兩屏三帶”生態安全格局的重要組成部分，由于人類長時間不適當的活動導致其水土流失嚴重、生態系統惡化，成為“人—地”關系矛盾最突出、生物多樣性受威脅最嚴重的地區之一[18]。探討自然環境與人類社會的相互關系，對于緩和黃土高原地區人地矛盾和促進區域高質量發展具有重要意義。2000—2018年研究區人類活動與生物多樣性狀況如何？其人類活動與生物多樣性是否存在相關性？為探究以上問題，本文以2000—2018年土地利用數據為基礎，采用11 km×11 km格網作為人類活動基本單元，借助人類活動強度指標反映研究區人類活動，其次利用生境質量、物種多樣性及景觀格局構建區域綜合生物多樣性指數，最后運用相關性分析和雙變量空間自相關法探究研究區人類活動與生物多樣性的空間關系，旨在為保護黃土高原生物多樣性以及生態文明建設提供定量、科學的分析結果和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黃土高原位于中國中部偏北地區，地處黃河流域中上游，西起祁連山，東迄太行山，北到長城，南抵秦嶺(33°43′—41°16′N，100°54′—114°33′E)，面積約為6.35×105km2。該地區主要地形包括鄂爾多斯高原、隴中高原、陜甘晉高原、山西高原以及河套平原等，地勢西北高、東南低，海拔1 500～2 000 m，地貌類型復雜多樣，土質疏松，極易被侵蝕[19]。黃土高原氣候受經緯度及地形的影響，具有典型的大陸季風氣候特征，年均溫在3.6～4.3℃，多年平均降水量在150～750 mm。近年來，隨著經濟的迅速發展，人類活動對該地區的干預不斷增強，水土流失、空氣污染以及生物多樣性減少等[20]生態環境問題對黃土高原的生態安全造成嚴重影響。目前，政府采取退耕還林還草等措施，有效地改善了黃土高原的生態環境質量[19]。

1.2 數據來源與處理

遙感影像數據包括：(1) 30 m分辨率土地利用遙感監測數據(2000年、2010年、2018年)來源于中科院資源環境科學數據中心( http:∥www.resdc. cn)。其中2000年、2010年的數據是由Landsat-TM /ETM遙感影像數據解譯而成，2018年數據使用Landsat 8 OLS遙感數據解譯得到，將土地利用數據重分類為6類：未利用地、城鄉工礦用地、水域、草地、林地、耕地；(2) 黃土高原90 m DEM是利用Google Earth Engine云平臺下載SRTM數據；(3) NDVI，NPP數據源于NASA(美國國家航空航天局)網站，采用MODIS13QI和MODIS17A3H產品，其空間分辨率為1 km。借助MRT在月數據基礎上采用MVC方法生成年度NDVI，NPP數據。

矢量數據包括：(1) 河流、矢量邊界以及居民點數據從全國地理信息資源目錄服務系統(https:∥www.webmap.cn/)的1∶25萬基礎數據庫獲取；(2) 道路交通數據由OpenstreetMap網站爬取，并進行合并、裁剪等處理。

1.3 研究方法

1.3.1 人類活動強度計算 人類活動強度是指一定地域人類對陸地表層自然覆被利用、改造和開發的程度，這種程度可以通過土地利用/覆被類型反映[14,16]。計算公式如下：

(1)

(2)

式中:HAILS為人類活動強度(%);SCLE為各種不同土地利用類型面積折算為建設用地的面積;S為單元格網面積;SLi為第i個土地類型的面積;CLi為第i種土地類型所折算的建設用地系數，其中耕地、草地和城鄉工礦用地所折算的建設用地系數分別為0.4，0.067，1，其余的土地類型所折算的建設用地系數為0。

1.3.2 綜合生物多樣性指數

(1) 生境質量指數。生境質量(Habitat Quality，HQ)是指生態環境為生物的持續生存提供適當條件的能力，其優劣與生物多樣性的豐度呈正相關[21]。InVEST模型是一種量化多種生態系統服務功能的綜合評價模型[22]，本文運用InVEST模型中的“生境質量”模塊對黃土高原的生境質量進行評估。計算公式如下：

(3)

(4)

式中：Qxj為第j種土地類型中第x柵格的生境質量，生境質量值為0～1，其值越高表示生境質量越好；Dxj為生境退化度；Hxj為第j種土地類型中第x柵格的生境適應性；k為半飽和常數；ωr為不同威脅因子的權重；ry為不同威脅因子強度；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中的威脅因子r對柵格x的影響；r為生境威脅因子；y為威脅因子r中的柵格；Yr為威脅源柵格總數。

(2) 歸一化植被指數和植被初級凈生產力。歸一化差異植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)可以準確地表征植被生長以及覆蓋狀況等信息[23]。部分學者認為NDVI等植被指數與植物多樣性存在顯著相關性[24]。植被凈初級生產力(Net Primary Production，NPP)反映了植被在自然環境下的生產能力，有學者發現NPP越高，生物多樣性相對較高[25]。因此本文選取最大值合成法得到年度NDVI，NPP值。計算公式如下：

Sj=max(S1,S2,…,S12)

(5)

式中:i為年份,本文取值為2000年、2010年、2018年;Sj為第j年NDVI,NPP最大值;S1,S2,…,S12為1—12月份的NDVI,NPP值。

(3) 景觀格局指數。近年來，景觀格局指數在生態環境研究中得到廣泛應用，已有研究結果發現部分景觀格局指數與區域生物多樣性呈顯著正相關[10]，因此本文選取SHDI，LSI兩種景觀格局指數表征區域生物多樣性。

(4) 綜合生物多樣性指數構建。本文擬從生境質量指數、物種多樣性指數以及景觀格局指數等方面，并基于層次分析法，構建黃土高原區域綜合生物多樣性指數。計算公式如下：

BIi=0.45HQi+0.15NDVIi+0.2NPPi+

0.1SHDIi+0.1LSIi

(6)

式中:BIi為第i年區域綜合生物多樣性指數;HQi，NDVIi，NPPi，SHDIi，LSIi分別為區域第i年的生境質量、歸一化植被指數、植被凈初級生產力、香濃多樣性指數和景觀形狀指數;0.45,0.15,0.2,0.1,0.1為利用層次分析法得到的各指標權重。

1.3.3 雙變量空間自相關

(1) 雙變量全局自相關。雙變量全局自相關是指在整體上反映該研究區內的地理要素空間分布特征及集聚狀況。通常用Moran′sI指數進行表示。計算公式為：

(7)

(2) 雙變量局部自相關。雙變量局部自相關表示研究區域內部的相鄰地里要素在空間分布的相關性與差異性。通常用局部自相關(LISA)進行表示。其公式為：

(8)

(9)

2 結果與分析

2.1 黃土高原人類活動強度時空特征

從時間尺度來看，黃土高原人類活動強度總體呈現減弱趨勢，主要得益于政府的退耕還林、還草政策以及生態文明建設戰略的深入貫徹實施。其人類活動強度以2010年為界，2000—2010年人類活動強度變化較大，其均值從21.03%降至17.93%。2010—2018年期間研究區人類活動強度變化較小，其平均值基本保持穩定。

根據人類活動強度(表1)劃分等級可知，2000—2018年人類活動強度主要以中和較低等級為主，其中2010年以前人類活動強度為中等為主，2010年以后較低等級成為主要類型。人類活動強度高等級區域出現“V”的波動變化，2000—2010年人類活動干擾強度大幅度降低，2010—2018年，人類活動強度呈現增強的變化趨勢；較低等級、低等級區域面積都呈現增長的趨勢；中等級、較高等級區域都略微的減少。

表1 2000-2018年黃土高原人類活動強度分級

從空間尺度(圖1)上看，黃土高原人類活動強度以太原—西安軸線為界，軸線以西的區域人類活動強度偏低，主要以中等為主，以東的區域人類活動強度偏高，主要以較高為主。高人類活動強度區域占比較少，為2%～5%，主要分布在西安、太原以及洛陽等地區，由于這些地區自然環境相對優越，人類活動相對頻繁，對環境的干擾強度也較高；較高人類活動強度地區占比為9%～11%，主要分布在關中平原、汾渭盆地以及豫北地區；中等人類活動強度區域占比在27%～35%，主要分布在黃土丘陵溝壑以及平原谷等地區；較低和低人類活動強度區域占比最高，一直保持在50%以上，主要分布在青藏高原東部以及內蒙古高原的毛烏素沙漠地區，土地利用類型主要以林、草地為主。

圖1 2000-2018年黃土高原人類活動強度空間分布

2.2 黃土高原生物多樣性時空分布特征

從時間尺度(表2)上來看，2000—2018年黃土高原地區的綜合生物多樣性指數略有增加，其平均值從0.529增加到0.557。其中高值地區范圍不斷擴大，面積比重由27.91%增加至38.58%；低值地區面積比重由2000年的11.32%減少至2018年的7.55%，表明黃土高原生物多樣性兩極分化趨勢顯著，其主要是因退耕還林還草、生態文明建設以及黃河流域高質量發展戰略等的實施，極大地提高黃土高原的生態環境質量。整體而言，黃土高原生物多樣性呈現增長趨勢，但是低和一般值區域面積占比仍然在40%以上，表明黃土高原生物多樣性保護與生態修復工作依然較嚴峻。

表2 2000-2018年黃土高原生物多樣性分級

從空間尺度(圖2)上看，黃土高原生物多樣性空間分異明顯，呈現出西北高、東部低的分布特征，主要以一般、高等級為主。其中高值區域主要集中在黃土高原的中部晉中—陜北—甘東丘陵地區以及東部太行—呂梁山區，這些地區生物種類豐富、植被生長相對較好、生境質量較高且生態系統多樣；生物多樣性中值地區主要以草地為主，主要分布在內蒙古高原南部地區；低和一般值區域分布范圍廣，面積占比為40%左右，主要集中在關中平原、陜北高原地區、豫北地區、晉北地區、河套平原以及甘東丘陵地區，這些地區的用地類型主要為建設用地，人類活動較頻繁，生態環境相對脆弱，景觀破碎度高，生境質量差，生物多樣性較低。

圖2 2000-2018年黃土高原生物多樣性分布

2.3 黃土高原人類活動強度與生物多樣性關系

2.3.1 人類活動強度與生物多樣性相關性 根據2000—2018年黃土高原人類活動強度與綜合生物多樣性指數相關系數可知，研究時期內二者始終保持著中度負相關，且相關分析結果均具有統計意義(p<0.01)。兩者間的R2呈現上升趨勢，說明黃土高原地區人類活動與生物多樣性具有一定的相關性，且二者間相關性逐漸增強。

2.3.2 人類活動強度與生物多樣性全局自相關 從分析結果(圖3)得到2000—2018年黃土高原地區人類活動強度與綜合生物多樣性空間關系整體較穩定，其Moran′sI指數分別為-0.411，-0.417，-0.416，且在99%置信區間內顯著。2000—2018年，黃土高原地區的生物多樣性與人類活動強度在空間上呈現顯著負相關，表明人類活動強度的增加會導致黃土高原地區的生物多樣性水平下降。雙變量全局自相關結果顯示研究區人類活動與生物多樣性之間有著顯著的空間集聚效應，這表明2000—2018年西安市、蘭州市、銀川市、太原市、鄂爾多斯市等城市的快速擴張，對黃土高原地區的生物多樣性產生較大的負面影響。研究時期內黃土高原Moran′sI雖具有相關關系，但其絕對值呈上升趨勢，這與上述相關分析結論相符合。

圖3 2000-2018年黃土高原人類活動與綜合生物多樣性全局自相關結果

2.3.3 人類活動強度與生物多樣性局部自相關 2000—2018年黃土高原地區人類活動強度與景觀生物多樣性局部自相關結果(圖4)表明，研究時期內，低—高類型(低人類活動強度和高生物多樣性類型區域)是黃土高原地區的主要類型區域，主要位于渭北臺塬地區以及山西省的呂梁山、太行山大部分區域，這些地區人類活動偏低、植被生長狀況相對較好、生境質量較高，動植物類型多樣；高—低類型區域(高人類活動強度和低景觀生物多樣性區域)主要分布在西安—太原帶型區域、豫北地區、河套平原、蘭州—銀川的城市發展軸帶區域，這些區域自然環境優越，人類活動頻繁，對區域多樣性影響也相應的較大；高—高類型區域(高人類活動強度和高生物多樣性區域)主要分布在西安—太原帶型軸帶的外圍城郊區，主要是由于大城市的城鄉結合區，城市的建設活動相對較多，其生態環境并未受到太大的影響，生物多樣性質量依然較高；低—低類型(低人類活動強度和低生物多樣性區域)分布相對較少，其主要位于黃土高原北部的鄂爾多斯市的南部地區以及寧夏平原的邊緣地區。

圖4 2000-2018年黃土高原人類活動與綜合生物多樣性空間LISA圖

3 討論與結論

3.1 討 論

3.1.1 黃土高原生物多樣性變化和影響因素 黃土高原地區的綜合生物多樣性時空分異特征具有一定的規律，低值區域分布范圍廣，主要分布在關中平原、陜北高原地區、豫北地區、晉北地區、河套平原以及甘東丘陵地區；高值區域主要集中在黃土高原的中部晉中—陜北—甘東丘陵地區以及東部太行—呂梁山區，這與黃土高原植被覆蓋[23]、太行山優先保護區[26]基本一致，說明綜合生物多樣性指標能夠較客觀地表征區域生物多樣性狀況。但由于評價區域時空尺度不同，生物多樣性評價指標也不盡相同，目前尚未形成統一的區域生物多樣性評價方法[5]。如謝宇初等[5]利用生境質量、植被凈初級生產力以及景觀狀態指數構建區域生物多樣性指數；楊渺等[7]僅利用景觀多樣性(SHDI)表征四川省生物多樣性等。

根據2018年黃土高原生物多樣性與自然因素的相關性分析發現，黃土高原生物多樣性與氣溫、降水以及坡度在95%置信區間內顯著相關，其相關系數分別為0.281，0.463，0.584。二者之間符合線性相關，且降水和坡度呈現出逐漸增加趨勢，說明黃土高原的生物多樣性一定程度上受到氣候和地形的影響。因此，在今后研究中，應該會結合研究區實際情況，增加氣候、地形等因素，進一步完善區域生物多樣性評價體系。

3.1.2 黃土高原人類活動強度的影響因素 本文以格網為研究單元，與前人采用縣域為單元得到黃土高原人類活動強度的結果基本一致[16-17]。但本文可以充分反映行政單元內部人類活動的空間分異，更好地研究人類活動對區域生態環境的影響。

研究區人類活動強度時空分異特征受到自然、社會經濟及國家政策等因素的影響[16]。由于國家政策因素難以用數據表示，本研究從地形、交通方面分析其對黃土高原人類活動強度的影響。研究區人類活動強度空間格局與地形格局、交通分布格局具有一定的相關性。關中平原、汾渭盆地以及豫北地區地形平坦、交通便利和社會經濟發展較好，建設用地面積大于其他地區，人類活動強度較高；青藏高原東部丘陵、黃土高原丘陵溝壑等地區地形起伏較大，生態環境脆弱，交通網絡密度和建設用地面積較小，人類活動強度較低。

3.2 結 論

(1) 時間尺度上，2000—2018年，黃土高原人類活動強度總體呈現減弱趨勢。2000—2010年研究區人類活動強度變化較大，人類活動強度的平均值從21.03%降至17.93%，2010—2018年期間研究區人類活動強度變化較小，其平均值基本保持不變；空間尺度上，以太原—西安軸線為界，軸線以西的區域人類活動強度偏低，主要以中等為主，以東的區域人類活動強度偏高，主要以較高為主。

(2) 2000—2018年黃土高原地區的綜合生物多樣性指數基本保持穩定，無劇烈變化，其平均值從0.529增加到0.557；生物多樣性空間分異明顯，呈現出西北高、東部低的空間分布特征，主要以一般、高等級為主。

(3) 2000—2018年，黃土高原人類活動與生物多樣性在空間上呈現顯著負相關，表明人類活動對黃土高原地區的生物多樣性產生較大的負面影響；二者之間有著顯著的空間集聚效應，其中低—高類型(低人類活動強度和高生物多樣性類型區域)是黃土高原地區的主要類型區域。