長江中下游生境質量演變及其對土地利用變化的響應分析

摘要：長江中下游作為我國南方重要的生態屏障，明晰土地利用格局變化對生境質量的影響對流域生態保護、資源可持續發展具有重要意義。以2000年、2010年、2020年3期土地利用數據為基礎，采用土地利用轉移矩陣、動態度模型，分析土地利用時空變化特征，并借助InVEST模型探究其生境退化度和生境質量時空演變規律，進一步探討生境質量動態變化對土地利用變化的響應。結果表明：耕地、林地為長江中下游主要土地利用類型，并與草地呈現農林草交錯特點，建設用地多沿河流呈多點擴散化分布于研究區東北部，擴張趨勢最為明顯，主要來源于耕地。長江中下游生境質量整體處于良好水平，但呈不斷退化態勢，總體呈“東北低西南高”的空間分異格局，生境退化度指數持續增大，但增幅下跌，整體呈現除長江三角洲外中間強外圍弱的效果。耕地向林地轉移對生境改善影響最大，而林地轉換為耕地則對研究區生境質量負面影響最大。研究結果可為土地格局優化、生境質量提升以及流域生態一體化保護與系統治理提供科學參考。

關鍵詞：土地利用；生境質量；生境退化度；InVEST模型；長江中下游流域

中圖分類號：X826" " 文獻標識碼：A" " " "doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.12.008

引文格式：陸晴，胡慧敏，廖佳婧，等.長江中下游生境質量演變及其對土地利用變化的響應分析［J］.山東國土資源，2024，40（12）：56-65. LU Qing， HU Huimin， LIAO Jiajing， et al. Habitat Quality Evolution and Its Response to Land Use Change in the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（12）：56-65.

0引言

生境質量是指生態系統為生物物種和種群及其本身提供生存、維持穩定和可持續發展的能力，某種程度上反映區域生物多樣性以及生態風險狀況［1］。作為生態系統的重要組成部分，土地利用/覆被變化（LUCC）往往會作用于區域物質循環和能量流動等生態運行環節，從而引發生境質量的動態變化［2］，被廣泛認為是揭示區域生態環境問題的關鍵指標之一。隨著工業化和城鎮化的快速推進，土地動態變化劇烈，生態空間遭到嚴重擠壓，資源配置平衡性不足，生態環境日趨脆弱［3］。因此，探究生境質量對LUCC的時空響應及機制，成為當下全球環境變化的研究熱點，可對生態系統的平衡發展、人地關系的緩和［4］以及區域土地資源的協調管理提供科學借鑒。

目前針對LUCC和生境質量的相關研究在地理學［5］、生態學［6］、經濟學［7］等眾多學科均有涉及，且涵蓋二者之間的生態響應［8］、生境質量變化驅動機制分析［9］、LUCC及生境質量情景預測［10］、生態系統修復分區［11］、國土空間生態網絡構建［12］、生態系統服務價值［13］、景觀格局與生態風險評價［14］等多方面。研究對象的空間分異特征及轉移軌跡從流域［15］、城市群［16］、國家公園［17］、海岸帶［18］等大中尺度向像元尺度［19］過渡。研究方法上，LUCC多采用土地轉移矩陣、動態度模型進行相關分析。隨著3S技術的持續完善，當下的研究常依靠生態系統服務社會價值模型（SolVES）［20］、棲息地適宜性指數模型（HSI）［21］、生態系統服務和權衡綜合評估模型（InVEST）［22］等生態學模型來對區域生境質量進行精準評價，其中InVEST模型因其數據可獲性、可操作性、空間可視化更強等優點，在生境質量評價方面應用最為廣泛。

長江中下游自然生態資源豐富、經濟發展水平迅速，是我國重要的生態—經濟發展地區［22］。但20世紀80年代以來，頻繁的人類活動致使長江中下游土地利用變化劇烈，對生態系統質量和韌性造成嚴峻影響，在長江大保護戰略和長江經濟帶發展戰略不斷推進的大背景下，研究其生境質量變化具有重要的現實意義。因此，本研究基于長江中下游2000—2020年的土地利用變化分析，運用InVEST模型評估長江中下游生境質量及生境退化度的時空演變特征，探討土地利用變化對生境質量的影響，以期為長江中下游土地利用格局優化、生態環境保護加強提供參考，推動流域生態與經濟協調發展。

1研究區域與數據來源

1.1研究區域概況

長江全長約6300km，其中宜昌至湖口為中游，其長為955km，從湖口至長江入海口為下游，其長為938km，長江中下游總流域面積達80萬km2。研究區域主要分布于秦嶺、淮河以南和南嶺以北地區（圖1），東臨東海和黃海，該區域總體地勢低平，平均海拔約50m，年均溫14～18℃，年降水量約1000～1500mm，屬于典型的暖溫帶和亞熱帶季風氣候分布區。該區域是中國重要的糧、油和棉生產基地，也是中國重要的工業基地，主要工業有鋼鐵、機械、電力、紡織和化學等，水陸交通發達，也是中國水資源最豐富的地區。

1.2數據來源

研究區2000年、2010年、2020年的土地覆被數據下載于中國科學院資源環境科學與數據中心（http：www.resdc.cn/data）。所有數據均在ArcGIS 10.6軟件中進行處理，按照LUCC土地分類體系的標準，劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6大類土地利用類型，再細分為26個二類級別，得到研究區所需數據。數據預處理中，空間坐標系統一為Krasovsky_1940_Albers，統一空間分辨率為1km×1km。

2研究方法

2.1土地利用動態變化

利用ArcGIS10.6，長江中下游流域土地利用類型動態度［23］和土地利用轉移矩陣［24］對土地利用變化過程進行分析。

2.1.1土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣是量化和匯總一定研究時段內區域不同地類之間相互轉換的一種重要矩陣形式，其公式（1）［25］為：

式中：Cij為研究初期第i類土地利用類型向研究末期第j類土地利用類型轉移的面積（km2）；i、j為轉移前后的土地利用類型。

2.1.2土地利用動態度

土地利用動態度可反映土地利用類型變化的穩定程度，劃分為單一動態度和綜合動態度。

單一動態度是衡量某種特定土地利用類型變化速率的指標，公式（2）為：

式中：Ki為研究區域內第i類土地利用類型的動態度（%）；Ua、Ub分別為研究初、末期土地利用類型i面積（km2）；T為研究初末期時間跨度（a）。

綜合動態度更全面反映研究區所有土地利用類型變化速度的總體活躍程度，公式（3）為：

式中：M為綜合動態度（%）；△Ui-j為地類i轉為非地類j的面積的絕對值之和（km2）；Ui為地類i初期面積（km2）；T為研究初末期時段跨度（a）。

2.2InVEST模型

InVEST模型中的生境模塊基于土地利用數據，采用相關算法和模型參數，可分析土地利用變化對生態適宜性、生境破碎化等的影響［22］。其公式（4）［26］為：

式中：Qxj為生境質量指數，數值越大，表明生境質量越好；Hj為生境適宜度；k為半飽和常數；z為歸一化常數，通常取0.5。

依照InVEST用戶使用手冊及相關研究成果中的賦值［27-28］，確定本文脅迫因子及權重、敏感度（表1、表2）。

2.3土地利用轉移條件下生境貢獻率

生境貢獻率多指某種土地利用類型變化對生境改善或退化的貢獻比例［29］，其計算公式（5）為：

式中：Rij為第i類土地利用類型轉換為第j類土地利用類型的生境貢獻率（%）；Hi和Hj分別為研究階段內第i類土地利用類型、第j類土地利用類型在轉移前后的生境指數；Si為地類i的面積（km2）；St為研究區總面積（km2）。

3結果與分析

3.1土地利用結果分析

3.1.1土地利用時空變化

長江中下游流域景觀類型主要以耕地和林地為主，土地利用平均占比高達82%，其余地類交錯其中。其中，耕地大多集中成片分布，主要位于長江中下游北部及東北部等低海拔平原地區，林地面積最大，約占研究區總面積的49%，廣泛分布于研究區西部和南部等山地丘陵地區，與耕地、草地呈現農林草交錯特點（圖2）。建設用地多沿河流呈多點擴散化分布于研究區東北部長江三角洲區域，擴張趨勢最為明顯。在2000—2020年林地和水域呈現先增加后減少的趨勢，耕地和草地面積持續減少，建設用地面積持續增加，但其速率均有所減緩，這一趨勢與長江中下游在前一階段以大規模增量建設為主，后一階段以存量提質改造為主的城市化進程相呼應（表3）。

3.1.2土地利用轉移情況

2000—2020年研究區除了耕地、建設用地與林地，其他地類轉入與轉出基本達到持平狀態。20年間，耕地總轉出量和轉入量在各地類中均為最多，且轉出面積始終大于轉入面積，主要流向林地，建設用地面積始終增加，主要由耕地轉入。林地在2000—2010年轉入量大于轉出量，主要由耕地和草地流入，在2010—2020年轉出量大于轉入量，也主要流向耕地和草地。總體而言，長江中下游2000—2020年期間土地利用類型主要在耕地、林地、建設用地之間相互轉換，而且耕地流轉不穩定，城市擴張進一步擠壓耕地空間，土地利用結構有待優化（表4）。

3.1.3土地利用動態度

20年間研究區建設用地變化最為劇烈，動態度呈正向轉入狀態，但增幅放緩至一半，耕地和草地動態度均呈負向轉出狀態，但減幅大量下降，林地和水域面積則是先增加后減少。這主要由于長江中下游流域2000—2010年城鎮化進程快速推進，各類開發區、工業園區和生態移民安置區大量建設，2010—2020年城鎮化進程放緩，耕地利用集約，生態保護加強。綜合動態度從2.983%降至2.906%，說明研究區土地利用流轉速率減慢，長江中下游流域土地利用逐漸趨于穩定（表5）。

3.2生境質量結果分析

3.2.1生境質量時空變化

通過等間距法對長江中下游流域2000—2020年的生境質量由低至高劃分為極低、較低、中等、良好和極好5個等級（表6），并繪制長江中下游生境質量等級分類圖。長江中下游流域2000—2020年平均生境質量等級均在良好區間，整體呈現北部和東部低、西部和南部生境高的空間分布格局。極好生境分布最為廣泛，平均面積占比高達38.36%，其次為中等生境和良好生境，極好和良好生境多分布于林地和草地聚集處，植被覆蓋率高，人類活動強度低，生態系統較穩定，中等生境分布與耕地分布空間大多吻合，較低和極低生境基本位于建設用地、耕地利用類型空間。2000—2010年，低等級生境質量帶向上海市以西等地區擴張。2010—2020年，長江三角洲低等級生境質量范圍逐步擴大，研究區整體生境質量沿干流兩側降低。2000—2020年期間，極好生境質量的面積逐漸減少，極低生境和良好生境面積持續增加，較低生境和中等生境則持先減少后增加的趨勢，表明長江中下游流域生境質量穩定性稍弱，2010—2020年生境質量有好轉跡象（圖3）。

3.2.2生境退化度分析

在ArcGIS 10.6中，按照等間距法將生境退化度分為弱、較弱、中等、較強、強5個等級。研究區生境退化度整體呈現除長江三角洲中間強外圍弱的效果，生境退化離散程度高。其中中度等級及以上地區主要集中于武漢、長沙、南昌等省會城市和長江三角洲，以耕地和建設用地為中心向外輻射擴散，生境退化度較弱及以下的區域植被覆蓋率高，人類活動擾亂程度低。2000—2020年長江中下游流域內生境退化度中等等級明顯增加，并且占比呈增加趨勢。2000—2020年生境退化指數持續增加，但生境退化指數增長逐漸變緩，原因可能是我國城鎮化水平大幅提高，導致生境退化程度加劇，新型城鎮化之后生境退化指數增長變慢（表7）。

3.3生境質量對土地利用變化的響應

生境貢獻率的正負分別代表土地利用變化對生境的正面和負面影響，其絕對值的大小代表土地利用轉移對生境變化的強度。耕地向林地轉移對生境改善影響最大，如2000—2010年耕地流向林地的生境貢獻率達3.440%，2010—2020年生境貢獻率為3.206%。其次，建設用地轉為耕地在2000—2010年的生境貢獻率為0.646%，2010—2020年生境貢獻率為0.740%，一定程度上改善了生態環境。林地轉換為耕地對研究區生境質量負面影響最大，2000—2010年貢獻率達-3.348%，其次為耕地向建設用地轉移，2000—2010年生境貢獻率為-1.098%，2010—2020年為-1.009%，絕對值均大于反向轉移，即耕地與建設用地的互相轉移對生態環境的惡劣影響較大。此外，發現林地與生境質量變化聯系最為緊密，林地向其他地類轉移均會造成生境退化，建設用地與生境質量變化較為密切，建設用地流向其他地類均會提升生境質量。因此，要積極改善林地生態環境，控制建設用地擴張，規劃建設生態廊道，減少生境破碎化，提高生物多樣性，提升長江中下游生態環境水平（表8，圖4）。

4討論

長江中下游生境質量均值從2000年的0.6972下降到2010年的0.6903，再到2020年的0.6820，該時段內生境質量整體較高，雖呈持續下降趨勢但幅度放緩。2000年以后長江沿岸地區實施了很多經濟發展戰略，如2009年的湖北兩圈一帶戰略［30］，促進了經濟繁榮發展和加速推進了城市化進程，但也導致流域糧食安全壓力增大、生態環境污染和生態系統服務功能下降等負面影響。自2016年啟動實施濕地保護、森林植被恢復、岸線復綠等生態工程［31］，使得2010—2020年間長江中下游生境質量退化速率下降，表明政策因素是長江中下游生境質量變化的主要驅動因素之一。研究區南部較高海拔地區生境質量等級明顯高于北部和東北部低海拔地區，生境質量低值區集中分布在長江三角洲和武漢、長沙等省會城市，主要是因為這些地區耕地開發、城市建設等人類活動頻繁、生物多樣性欠缺，使得生態系統抵抗力和恢復力不足，應著力提升維護流域生態系統多樣性、穩定性、持續性，實現流域生態安全和經濟社會可持續發展。

本研究通過土地利用動態度以及轉移矩陣多角度分析長江中下游土地利用變化，再結合InVEST模型分析長江中下游2000—2020年的生境質量時空動態變化特征，探究生境質量對土地利用變化的響應機制，發現研究區的生境質量整體空間格局與其土地利用類型、城鎮空間擴張布局較一致，控制建設用地對高質量生境空間的擠壓，優化國土空間規劃格局，加強對研究區生態的保護與修復，將有利于長江中下游生境質量的提升，促進長江中下游生態經濟協同發展。但是本文仍存在一些局限性，例如，本研究重點關注現實人類活動對生境的脅迫，缺少對未來土地利用變化的情景模擬［32］，忽略自然氣候變化對生境的影響，而且脅迫因子的選取上沒有考慮交通、物種分布等更具體的威脅源類型［33］。在將來的研究中，可以利用氣候、土壤等與生境息息相關的數據，采用更有針對性的方法，以期科學準確地分析生境質量及其對土地利用結構變化的響應。

5結論

（1）長江中下游流域景觀類型主要以耕地和林地為主，土地利用平均占比高達82%，土地利用類型主要在耕地、林地、建設用地之間相互轉換，綜合動態度從2.983%降至2.906%，土地利用流轉速率減慢，長江中下游流域土地利用逐漸趨于穩定。

（2）2000—2020年長江中下游流域平均生境質量等級均在良好區間，整體呈現北部和東部低、西部和南部生境高的空間分布格局。20年來，極好生境逐漸變低，極低生境繼續變低，但良好生境繼續變好，表明生態環境穩定性欠佳。研究區生境退化度整體呈現除長江三角洲中間強外圍弱的效果，2000—2020年生境退化指數持續增大，但增幅下跌，未來應繼續重視流域生態健康發展。

（3）耕地向林地轉移對生境改善影響最大，林地轉換為耕地對研究區生境質量負面影響最大。林地向其他地類轉移均會造成生境退化，建設用地流向其他地類均會提升生境質量，在經濟高質量發展的同時，也要合理控制土地利用，提高流域生態承載力，提升流域生境質量。

參考文獻：

［1］趙曉雨，王益明，何旭，等.基于InVEST模型的無錫市生境質量變化研究［J/OL］.南京林業大學學報（自然科學版）：1-9［2024-06-04］.

［2］楊宜男，李敬，王立，等.長三角地區城市化對典型生態系統服務供需的影響［J］.自然資源學報，2022，37（6）：1555-1571.

［3］徐夢菲，孫一帆，汪霞.鄭州市土地利用/覆被變化與生境質量的時空演變及情景預測［J］.水土保持通報，2024，44（2）：364-377.

［4］趙德良，盧曉龍，李鵬，等.基于Landsat影像的城市土地利用動態監測［J］.山東國土資源，2024，40（8）：42-47.

［5］程靜，王鵬，陳紅翔，等.渭河流域生境質量時空演變及其地形梯度效應與影響因素［J］.干旱區地理，2023，46（3）：481-491.

［6］李晴，周勇，CUNNINGHAM M A，等.基于InVEST模型的1980—2100年長江中下游地區動植物生境質量時空變化研究（英文）［J］. Journal of Resources and Ecology，2021，12（1）：43-55.

［7］許寶榮，劉一川，董瑩，等.基于InVEST模型的蘭州地區生境質量評價［J］.中國沙漠，2021，41（5）：120-129.

［8］葉博文，孫標，史小紅，等.巴彥淖爾市土地利用變化及其對生態環境質量的影響［J/OL］.環境科學：1-17［2024-06-26］.

［9］解銘威，周慧荻，賈文貞，等.太原市生態系統服務時空變化及其驅動因素［J/OL］.環境科學：1-13［2024-06-26］.

［10］陳月明，李俊熙，余楷煜.基于PLUS和InVEST模型的梅州市土地利用與生境質量時空變化及多情景模擬［J］.測繪通報，2024（S1）：156-160.

［11］張文琦，金宣成，郄瑞卿，等.基于生境質量變化的吉林省西部鹽堿區生態系統修復分區［J/OL］.農業資源與環境學報：2024：1-14［2024-03-25］.

［12］楊曉芳，羅志軍.居民生態福祉導向的國土空間生態網絡構建：以南昌市為例［J］.江西農業大學學報，2023，45（5）：1297-1310.

［13］張夢虹，姜鵬，趙麗，等.1980—2020年濟南市土地利用變化對生態系統服務價值的影響［J］.山東國土資源，2024，40（2）：56-64.

［14］劉冰，王靖偉，吳福榮，等.黃河三角洲景觀格局變化及生態風險評價［J］.山東國土資源，2023，39（5）：39-45.

［15］張小瑜，周自翔，唐志雄，等.無定河流域生境質量時空變化及預測［J］.中國沙漠，2024，44（3）：75-84.

［16］閆宇星，楊園園，王永生，等.近40年京津冀地區生境質量變化趨勢與歸因分析［J］.遙感技術與應用，2023，38（2）：251-263.

［17］劉曉菡，喬秀娟.大熊貓國家公園秦嶺片區生境質量時空變化特征研究［J］.西北林學院學報，2024（3）：1-10.

［18］許夢杰，陳凌秀，謝慧黎，等.閩臺海岸帶生境質量時空演變及其影響因素［J］.海洋通報：2024（6）：1-11.

［19］趙琪琪，李晶，劉婧雅，等.基于SolVES模型的關中-天水經濟區生態系統文化服務評估［J］.生態學報，2018，38（10）：3673-3681.

［20］范秀梅，楊勝龍，張勝茂，等.基于棲息地指數的阿拉伯海鮐魚漁情預報模型構建［J］.南方水產科學，2020，16（4）：8-17.

［21］HONG T X，YOU C S，YI T.Simulation of land-use pattern evolution in hilly mountainous areas of North China： A case study in Jincheng［J］.Land Use Policy，2022：112.

［22］萬幸，姬廣興，陳偉強，等.基于PLUS-InVEST模型的長江流域生態系統碳儲量時空演變模擬與預測［J］.農業資源與環境學報，2024（6）：1-17.

［23］石小偉，馮廣京，蘇培添，等.大都市郊區土地利用時空演變特征與生境質量評價［J］.農業工程學報，2021，37（4）：275-284.

［24］WEI Q Q，Abudureheman M，Halikeet A，et al. Temporal and spatial variation analysis of habitat quality on the PLUS-InVEST model for Ebinur Lake Basin， China［J］. Ecological Indicators， 2022， 145： 109632.

［25］安文舉，魚亦凡，郝姍姍，等.基于土地利用變化的陜北多沙粗沙區生境質量演變及響應分析［J］.干旱區地理，2024，47（3）：474-484.

［26］李永進，湯玉喜，黎蕾，等.基于土地利用變化的湖南長江岸線生境質量評價［J］.三峽生態環境監測，2024，9（2）：63-72.

［27］楊立言，陳萬旭，曾杰，等.長江流域城鎮化對生境質量的影響梯度差異研究［J］.生態學報，2024，44（10）：4038-4050.

［28］李宸宇，朱建華，郭學媛，等.長江經濟帶林業生態工程區生境質量時空變化［J］.生態學雜志，2021，40（12）：3788-3799.

［29］鄭賤成，謝炳庚，游細斌.基于土地利用變化的廣東省生境質量時空演變特征［J］.生態學報，2022，42（17）：6997-7010.

［30］袁曉蕾，王超，李柏延，等.長江流域土地利用/覆蓋變化驅動力及影響綜述［J］.武漢大學學報（信息科學版），2023，48（8）：1241-1255.

［31］王德旺，何萍，徐杰，等.長江大保護5年來流域土地利用和生態系統服務變化［J］.環境工程技術學報，2022，12（2）：408-416.

［32］陳竹安，劉子強，張立亭，等.南昌市LUCC多情景模擬和生境質量時空演變與預測［J］.農業機械學報，2023，54（5）：170-180.

［33］邱天琦，王向榮.基于InVEST模型的長株潭城市群生境質量時空演變分析研究［J］.林業資源管理，2022（5）：99-106.

Abstract：As an important ecological barrier in southern China， the middle and lower reaches of the Yangtze River are of great significance for ecological protection and sustainable development of resources in the basin by clarifying the impact of land use pattern change on habitat quality. Based on land use data of 2000， 2010 and 2020， the spatiotemporal change characteristics of land use have been analyzed by using land use transition matrix and dynamic degree model， and the temporal and spatial evolution of habitat degradation and habitat quality has been explored with the help of InVEST model， so as to further explore the response of dynamic change of habitat quality to land use change. The results showed that cultivated land and forest land are main land cover types in the middle and lower reaches of the Yangtze River， and shows the characteristics of agriculture， forestry and grassland interlacing with grassland. The construction land is mostly distributed in the northeast of the study area along the river， and the expansion trend is the most obvious. It is mainly from cultivated land. The habitat quality in the middle and lower reaches of the Yangtze River is at a good level as a whole， but it shows a continuous degradation trend， and the overall spatial differentiation pattern is \"low in the northeast and high in the southwest\". The habitat degradation index is continued to increase， but the growth rate is decreased. It shows the effect of being strong in the middle and weak in the outside except for the Yangtze River Delta. The transfer of cultivated land to forest land has the greatest impact on habitat improvement， while the conversion of forest land to cultivated land has the greatest negative impact on habitat quality in the study area. The results of this study can provide a scientific reference for the optimization of land pattern， the improvement of habitat quality， and the integrated protection and system management of watershed ecology.

Key words：Land use; habitat quality; habitat degradation; InVEST model; middle and lower reaches of the Yangtze River

收稿日期：20240829；修訂日期：20240923；編輯：曹麗麗

基金項目：江西省生態文明建設制度研究中心項目，生態文明視域下人-地關系協調發展研究，項目編號：JXST2209

作者簡介：陸晴（1986—），女，江西高安人，博士/講師，主要從事土地利用及生態環境效應研究；E-mail：luqing_0920@126.com