漢江流域生境質(zhì)量時(shí)空變化特征及驅(qū)動(dòng)力分析
——以陜西段為例

孔德豪薄征王軍紅衛(wèi)新東

(1.長(zhǎng)安大學(xué)土地工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西省國(guó)土整治中心，陜西 西安 710075)

引言

生境質(zhì)量表征生態(tài)環(huán)境為生物生存提供適宜條件的能力，是評(píng)價(jià)生物多樣性的重要指標(biāo)[1，2]。土地利用變化導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能變化，從而對(duì)生物多樣性、生境質(zhì)量產(chǎn)生重要影響[3，4]。流域作為自然和人文綜合體，其具有重要的資源、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和文化功能[5，6]。流域生境質(zhì)量的優(yōu)劣直接與人類生活息息相關(guān)。因此，定量評(píng)價(jià)生境質(zhì)量，深入探究其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，對(duì)于保護(hù)區(qū)域生物多樣性具有重要意義。

目前，定量化評(píng)價(jià)生境質(zhì)量的方法主要有實(shí)地調(diào)查與模型評(píng)估2種[7]。實(shí)地調(diào)查法需要花費(fèi)巨大的人力物力財(cái)力，適合小范圍特定物種的評(píng)估。模型評(píng)估法主要是通過建立生境質(zhì)量評(píng)估模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，主要模型有SolVES[8]和InVEST[9]等。InVEST模型根據(jù)土地利用變化對(duì)生境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，具有需求參數(shù)較少、分析精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[10]。Song[11]等利用InVEST模型對(duì)1980—2018年黃河流域生境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并采用地理信息圖譜進(jìn)一步定量分析了生境質(zhì)量的數(shù)量和空間轉(zhuǎn)移狀況。劉春艷等[4]利用InVEST模型定量評(píng)估了2005—2020年三峽庫(kù)區(qū)重慶段的土地覆蓋和生物多樣性功能的演化及趨勢(shì)。王彤等[12]利用InVEST模型對(duì)2000—2020年西南三江流域生境質(zhì)量的時(shí)空格局開展動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，并利用地形位指數(shù)分析生境質(zhì)量的地形分布特征。

漢江流域(陜西段)位于漢江流域上游，是南水北調(diào)中線工程的水源地保護(hù)區(qū)，是我國(guó)中部重要的生態(tài)屏障[13]。由于流域內(nèi)人口增加和旅游業(yè)發(fā)展等一系列人為因素，給區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境保護(hù)帶來了巨大的壓力。基于此，本研究基于2000年、2010年、2020年3期土地利用數(shù)據(jù)，運(yùn)用InVEST模型定量評(píng)估漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量，應(yīng)用冷熱點(diǎn)分析探尋其內(nèi)部空間關(guān)聯(lián)性，利用地理探測(cè)器深入分析其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，研究結(jié)果可為未來漢江流域(陜西段)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和土地資源合理開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

漢江是長(zhǎng)江最大支流，發(fā)源于秦嶺南麓寧強(qiáng)縣潘冢山。漢江流域(陜西段)位于陜西省南部，地理位置介于N31°42′～34°11′，E106°47′～111°18′，面積為6.2萬(wàn)km2，占整個(gè)漢江流域面積的39.18%。流域以北亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹鳎昶骄鶜鉁貫?2～16℃；年平均降水量為800～1200mm[13]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)、GDP數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https：//www.resdc.cn)，土地利用數(shù)據(jù)空間分辨率為30m，GDP數(shù)據(jù)空間分辨率為1km；DEM數(shù)據(jù)來源于歐洲航天局(ESA，https：//panda. copernicus.eu/panda)，空間分辨率為30m；氣象數(shù)據(jù)來源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//www. geodata.cn/data/)，空間分辨率為1km。路網(wǎng)數(shù)據(jù)來源于OSM(https：//www.openstreetmap.org)；DNVI數(shù)據(jù)來源于國(guó)家生態(tài)數(shù)據(jù)中心(http：//www.nesdc.org.cn)，空間分辨率為30m；人口密度數(shù)據(jù)來源于WorldPop(https：//hub.worldpop.org/)，空間分辨率為100m。

圖1 漢江流域(陜西段)流域范圍

2 研究方法

2.1 生境質(zhì)量

生境質(zhì)量服務(wù)主要通過土地利用類型以及威脅源和敏感性參數(shù)表進(jìn)行計(jì)算，公式：

(1)

(2)

式中，Dni和Qni分別為土地利用類型i柵格單元n的生境退化度和生境質(zhì)量指數(shù)；Hi為土地利用型i柵格單元n的生境適宜度；Dni為土地利用類型i柵格單元n的生境退化度；z為歸一化常量；k為半飽和參數(shù)[7]。

根據(jù)漢江流域(陜西段)實(shí)際情況，本研究選取耕地、城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)、公路和鐵路作為威脅源。威脅源最大影響距離、權(quán)重衰減方式及敏感度參數(shù)結(jié)合前人研究[7]進(jìn)行賦值，具體見表1、表2。

表2 生境質(zhì)量威脅源敏感度參數(shù)表

2.2 空間統(tǒng)計(jì)分析

本研究采用Moran’s I指數(shù)分析漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量的空間集聚程度[17]。公式：

(3)

(4)

(5)

2.3 地理探測(cè)器

地理探測(cè)器用于分析驅(qū)動(dòng)因素之間的相互關(guān)系[18]。因子探測(cè)是探測(cè)自變量對(duì)因變量的空間異質(zhì)影響力，結(jié)果用q表示，若q值越大表示自變量對(duì)因變量的解釋力越強(qiáng)，q值在0～1的范圍內(nèi)。其表達(dá)式如下：

(6)

交互探測(cè)用于判斷2個(gè)不同的驅(qū)動(dòng)力之間是否有顯著的差別，通常用t表示。交互作用結(jié)果類型見表3。

表3 交互探測(cè)結(jié)果類型

本研究對(duì)2000—2020年漢江流域(陜西段)的平均生境質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析，為保證輸入數(shù)據(jù)的一致性，將研究區(qū)范圍生成1km的網(wǎng)格圖，采用自然斷點(diǎn)法對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行離散化。將生境質(zhì)量等級(jí)作為因變量，選取海拔(DEM)、坡度(Slop)、坡向(Aspect)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、年平均氣溫(Tmp)、年平均降水量(Pre)、人口密度(PPP)、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、土地利用(LUCC)等9個(gè)驅(qū)動(dòng)因子為自變量，探測(cè)這些驅(qū)動(dòng)因子對(duì)漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量時(shí)空變化的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 生境質(zhì)量時(shí)空變化

依據(jù)前人研究成果，將生境質(zhì)量分為高(0.8～1)、較高(0.6～0.8)、中等(0.4～0.6)、較低(0.2～0.4)、低(0～0.2)5級(jí)[14]。漢江流域(陜西段)2000年、2010年、2020年的平均生境質(zhì)量指數(shù)分別為0.593、0.592、0.590，2000—2020年平均生境質(zhì)量指數(shù)為0.592，整體生境質(zhì)量處于中等水平。如圖2所示，流域內(nèi)生境質(zhì)量空間分異明顯，整體呈西北高東南低的分布趨勢(shì)，以較高和中等生境質(zhì)量為主，二者面積占流域面積的80%～86%。生境質(zhì)量高值區(qū)主要位于流域西北部秦嶺南麓，中部和東部分布較為破碎，與中等水平相間分布，與林地分布較為契合，海拔高，人口密度小。低值區(qū)主要位于漢中盆地以及公路、鐵路沿線，與建設(shè)用地分布較為契合，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁，人口密度大。

圖2 2000—2020年漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量空間分布

從時(shí)間上來看，如表4所示，高生境質(zhì)量面積先增后減，2000—2010年增加了0.7萬(wàn)hm2，2010—2020年減少了0.51萬(wàn)hm2；較高生境質(zhì)量面積先減后增，2000—2010年減少了5.02萬(wàn)hm2，2010—2020年增加了12.99萬(wàn)hm2；中等生境質(zhì)量面積持續(xù)減少，2000—2010年減少了2.61萬(wàn)hm2，2010—2020年減少了24.54萬(wàn)hm2；較低生境質(zhì)量和低生境質(zhì)量面積持續(xù)增長(zhǎng)，2000—2010年分別增加了3.78萬(wàn)hm2、111.03萬(wàn)hm2，2010—2020年分別增加了3.14萬(wàn)hm2、1.02萬(wàn)hm2。

表4 2000—2020年漢江流域(陜西段)各質(zhì)量等級(jí)生境面積及所占比例

如圖3所示，2000—2010年，改善類型以中等水平轉(zhuǎn)向較高水平，較低水平轉(zhuǎn)向中等水平和較高水平為主，合計(jì)轉(zhuǎn)化面積為22.09萬(wàn)hm2，占流域面積的3.52%。退化類型以較高水平轉(zhuǎn)向中等水平和較低水平為主，合計(jì)轉(zhuǎn)化面積為53.26萬(wàn)hm2，占流域面積的8.49%。2010—2020年間，改善類型以中等水平轉(zhuǎn)向較高水平，較低水平轉(zhuǎn)向中等水平和較高水平為主，合計(jì)轉(zhuǎn)化面積為51.87萬(wàn)hm2，占流域面積的8.27%。退化類型以較高水平轉(zhuǎn)向中等水平和較低水平為主，合計(jì)轉(zhuǎn)化面積為52.46萬(wàn)hm2，占流域面積的8.36%。整體來看，2000—2020年漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。

圖3 2000—2020年漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量等級(jí)轉(zhuǎn)移弦圖

3.2 生境質(zhì)量冷熱點(diǎn)分析

通過分析全局空間自相關(guān)，2000年、2010年、2020年均通過1%的顯著性檢驗(yàn)，表明漢江流域(陜西段)在99.9%的置信區(qū)間內(nèi)生境質(zhì)量存在空間自相關(guān)。利用冷熱點(diǎn)分析得到漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量的空間集聚狀況。漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量在空間分布上具有正相關(guān)性，在空間分布格局上存在高-高、低-低集聚特征。

如圖4所示，2000年，漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量等級(jí)較高的區(qū)域?yàn)?39.1hm2，生境質(zhì)量等級(jí)較低的區(qū)域?yàn)?03.66hm2。2010年，漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量等級(jí)較高的區(qū)域?yàn)?06.97hm2，生境質(zhì)量等級(jí)較低的區(qū)域?yàn)?37.23hm2。2020年，漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量等級(jí)較高的區(qū)域?yàn)?39.46hm2，生境質(zhì)量等級(jí)較低的區(qū)域?yàn)?19.59hm2。總體來看，2000—2020年漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量等級(jí)較高的區(qū)域主要集中在流域西北部及流域中部的秦嶺南麓和東部丹江北部山脈，生境質(zhì)量等級(jí)較低的區(qū)域主要集中在漢江及丹江兩岸，且高值區(qū)和低值區(qū)的范圍均呈現(xiàn)不斷擴(kuò)張的趨勢(shì)。

圖4 2000—2020年漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量空間LISA集聚圖

3.3 生境質(zhì)量驅(qū)動(dòng)力分析

生境質(zhì)量時(shí)空異質(zhì)性受自然和社會(huì)雙重因素影響，如表5所示，自然因素中海拔(DEM)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)和年平均氣溫(Tmp)對(duì)生境質(zhì)量貢獻(xiàn)較大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素中土地利用(LUCC)和人口密度(PPP)對(duì)生境質(zhì)量貢獻(xiàn)較大。按q值大小排序依次是土地利用>海拔>年平均氣溫>歸一化植被指數(shù)>人口密度>國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值>坡度>坡向，除坡向外，其他因子均通過顯著性檢驗(yàn)。

表5 2000—2020年漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量驅(qū)動(dòng)因子探測(cè)結(jié)果

按貢獻(xiàn)率來看，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素中的土地利用貢獻(xiàn)率最大，q值為0.582，解釋力達(dá)到58.2%，自然因素中的海拔、年平均氣溫和歸一化植被指數(shù)貢獻(xiàn)率較大，分別為0.098、0.081和0.079，綜合解釋力接近30%。因此，影響漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量的主要自然因素是海拔、年平均氣溫和歸一化植被指數(shù)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素是土地利用。總體來看，土地利用是影響漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量的主導(dǎo)因素。通過土地利用變化可知，生境質(zhì)量高值區(qū)與林地空間分布契合，低值區(qū)與建設(shè)用地空間分布契合。

從交互探測(cè)結(jié)果可知，如表6所示，兩因子交互后的解釋力大于單因子。兩因子交互作用的最大值為0.615，即土地利用和年平均降水量交互后對(duì)生境質(zhì)量變化的解釋力達(dá)到了61.5%。土地利用和年平均氣溫交互后對(duì)生境質(zhì)量變化的解釋力為61.3%，次之。表明土地利用和氣候因素基本決定了流域生境質(zhì)量空間分布格局。土地利用和其余因子的交互作用明顯。究其原因，是因?yàn)樯迟|(zhì)量是基于土地利用的結(jié)果，土地利用的空間分布格局影響生境質(zhì)量的空間分布。海拔和坡度制約人類活動(dòng)，導(dǎo)致流域山區(qū)生境質(zhì)量較高。土地利用是自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的綜合體，從社會(huì)經(jīng)濟(jì)角度來看，建設(shè)用地與人口密度和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值具有強(qiáng)相關(guān)性，從而影響流域生境質(zhì)量，生境質(zhì)量的降低與建設(shè)用地面積的增加息息相關(guān)。從自然角度來看，其空間分布格局對(duì)流域內(nèi)小氣候具有一定影響。

表6 2000—2020年漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量驅(qū)動(dòng)交互探測(cè)結(jié)果

4 討論

生境質(zhì)量的高低由不同土地利用類型的生境適宜度決定。如圖5所示，2000—2020年，耕地主要流向林地、草地和建設(shè)用地，林地主要流向耕地和草地，草地主要流向耕地和林地。流域內(nèi)林地面積增加了5.63萬(wàn)hm2，建設(shè)用地面積增加了1.41萬(wàn)hm2，耕地面積減少了4.12萬(wàn)hm2，草地面積減少了3.18萬(wàn)hm2。整體來看，流域內(nèi)生境質(zhì)量既有提升也有下降，提升和下降的區(qū)域不同，且下降幅度較大。這與黃河三角洲[16]、遼河[17]等區(qū)域的研究結(jié)果具有一致性，說明土地利用變化會(huì)引起生境質(zhì)量下降。

圖5 2000—2020年漢江流域(陜西段)土地利用轉(zhuǎn)移

DNVI作為植被覆蓋度的表征之一，反映了區(qū)域內(nèi)植被的空間分布情況及植被長(zhǎng)勢(shì)的優(yōu)劣。其高值區(qū)往往生境質(zhì)量較高，是生境質(zhì)量水平的響應(yīng)因素之一。海拔等地形因素與生境質(zhì)量水平呈顯著正相關(guān)，究其原因，地形因素限制了人類活動(dòng)，高海拔、坡度陡的地區(qū)人類干擾弱，低海拔、平坡地區(qū)人類活動(dòng)頻繁。

InVEST模型雖較為成熟，且廣泛應(yīng)用于不同區(qū)域生境質(zhì)量的評(píng)估，但對(duì)于評(píng)估中所需參數(shù)，如威脅源、敏感度參數(shù)依賴于專家知識(shí)和既往研究，由于認(rèn)知水平的局限性，評(píng)估結(jié)果必然會(huì)出現(xiàn)一定的誤差。本研究利用InVEST模型評(píng)估流域的生境質(zhì)量變化，節(jié)省了人力、物力和財(cái)力，可以迅速了解流域內(nèi)的生境質(zhì)量變化情況。在未來的研究中，需結(jié)合實(shí)地調(diào)研等方法，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正模型參數(shù)，使之能夠更加精準(zhǔn)地評(píng)估流域的生境質(zhì)量。

5 結(jié)論

2000—2020年漢江流域(陜西段)平均生境質(zhì)量指數(shù)為0.592，處于中等水平，且生境質(zhì)量空間分異明顯，整體呈西北高東南低的分布趨勢(shì)，以較高和中等生境質(zhì)量為主，二者面積占流域面積的80%～86%，但整體呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。

漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量在空間分布上具有正相關(guān)性，在空間分布格局上存在高-高、低-低集聚特征，即生境質(zhì)量等級(jí)較高的區(qū)域集聚，生境質(zhì)量等級(jí)較低的區(qū)域集聚。

漢江流域(陜西段)生境質(zhì)量時(shí)空異質(zhì)性受自然和社會(huì)雙重因素影響，自然因素中海拔(DEM)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)和年平均氣溫(Tmp)對(duì)生境質(zhì)量貢獻(xiàn)較大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素中土地利用/覆被(LUCC)和人口密度(PPP)對(duì)生境質(zhì)量貢獻(xiàn)較大。土地利用和其余因子的交互作用明顯。