榆中縣生境質(zhì)量和生境退化的時空分異特征及其地形梯度效應

屈雯，謝保鵬，陳英，賀瑩，馬麗婭

（甘肅農(nóng)業(yè)大學管理學院，甘肅 蘭州 730070）

生境質(zhì)量是生態(tài)系統(tǒng)為個體和種群提供適宜、持續(xù)性生存條件的能力［1］，是區(qū)域生物多樣性及生態(tài)服務水平的重要反映［2-3］。近年來，隨著人為活動的不斷加強，使得土地利用方式、利用強度以及景觀格局發(fā)生了巨大的變化［4］，導致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的變化，進而引發(fā)了生物多樣性銳減、生境質(zhì)量下降、生境退化等一系列生態(tài)環(huán)境問題［3］。地形作為自然環(huán)境中的重要影響因子，對地表物質(zhì)的遷移與能量的轉換有著顯著影響［2］，研究表明地形因子是影響土地利用景觀格局變化的重要因素［3，5］，同時也是影響生境系統(tǒng)物質(zhì)交換和能量循環(huán)的重要因素［4］。因此，從地形梯度效應角度出發(fā)，對生境質(zhì)量及生境退化進行研究，將有助于準確的識別生境質(zhì)量的變化效應，對于挖掘區(qū)域生境質(zhì)量的地形信息圖譜具有重要的意義。目前，國內(nèi)外學者進行了大量關于生境質(zhì)量的評估研究，國外學者側重于研究生境斑塊對生物多樣性的影響［6-9］，國內(nèi)學者側重于研究生境質(zhì)量的時空變化規(guī)律［10］?？傮w而言，生境質(zhì)量的評估方法分為兩大類［1］，一是實地調(diào)查法，通過對研究區(qū)進行實地調(diào)研，構建評價指標對生境質(zhì)量進行綜合評價；二是基于土地利用數(shù)據(jù)，采用模型對研究區(qū)生境質(zhì)量進行評估，使用最普遍的是InVEST模型，此類研究尺度涉及全國［10］、?。?1-13］、市［14-15］縣［16-17］、流域［18-19］、城市群［20］、自然保護區(qū)［21-22］等，研究內(nèi)容多從生境質(zhì)量時空變化［4，23］、影響因素［24-25］、生境質(zhì)量與土地整治［26］、生境質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)服務價值［27］等方面展開。

位于甘肅省中部地區(qū)的榆中縣是東部季風區(qū)、西北干旱半干旱區(qū)、青藏高原區(qū)三大自然區(qū)的交匯區(qū)，其地形地勢和土地利用方式具有明顯的過渡性特征［28］，特殊的地理位置使其生境具有顯著的地域性特征。近年來，隨著蘭州市的不斷發(fā)展，其作為蘭州市“東擴”的主要承載區(qū)，經(jīng)濟發(fā)展勢頭迅猛，人口不斷增加，資源與環(huán)境約束日益凸顯，因此，以榆中縣作為研究區(qū)，基于土地利用數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)，借助InVEST模型評估榆中縣生境退化和生境質(zhì)量，以期為榆中縣生境保護、生態(tài)保護及國土空間規(guī)劃編制提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

榆中縣位于甘肅省中部地區(qū)，是省會蘭州市的東部郊區(qū)（E 103°49′15″~104°34′40″，N 35°34′20″~36°26′30″），縣域海拔1 369~3 670 m，總面積為32 946.69 km2。地處黃土高原西部，同時也是西北干旱區(qū)、青藏高寒區(qū)和東部季風區(qū)的交匯地帶［28］?？h域地形復雜，南部為高寒陰濕區(qū)，馬銜山和興隆山從西北向東南橫列整個縣域的南部，該區(qū)降水充沛，植被茂盛，森林資源豐富，是榆中縣主要的生態(tài)保障區(qū)；中部為興隆山山前沖積、洪積平原和宛川河谷地組成的川塬河谷平原區(qū)，地勢平坦，土壤肥沃，交通便利，是榆中縣主要的工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)；北部為干旱山區(qū)，降水稀少，植被稀疏，是榆中縣水土流失最為嚴重的區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來源

（1）榆中縣DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心，其分辨率為30 m。

（2）榆中縣2008年和2018年土地利用柵格數(shù)據(jù)來源于榆中縣土地利用變更數(shù)據(jù)庫，分辨率為30 m。根據(jù)研究需要，按照《土地利用現(xiàn)狀分類GB/T 21010—2017》的分類依據(jù)［29］和土地利用/土地覆被遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)分類標準［10］，利用ArcGIS 10.2軟件平臺對變更數(shù)據(jù)中的地類進行進一步劃分，分為耕地、園地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地7大類。

1.3 研究方法

1.3.1 基于In VEST模型的生境質(zhì)量和生境退化評估 In VEST模型中開展生境質(zhì)量評價首先要計算區(qū)域的生境退化度，其計算公式如下：

式中：Dxj是生境退化指數(shù)，R是脅迫因子的數(shù)量；Y r是脅迫因子r在土地利用柵格圖中的總個數(shù)；ry是土地利用柵格單元上的脅迫因子個數(shù)；ωr是脅迫因子的權重；βx是柵格x的可達性水平；Sjr是土地利用類型j對脅迫因子r的敏感性程度，取值范圍為0~1；irxy是脅迫因子的影響距離；d xy為柵格x與y之間的距離；d rmax是脅迫因子r的最大影響范圍。

生境質(zhì)量的計算公式為：

式中：Qxj為第j種土地利用類型中柵格單元x的生境質(zhì)量；H j為第j種土地利用類型的生境適宜；z為尺度常數(shù)是模型的默認參數(shù)；k為半飽和常數(shù)。

In VEST模型運行時需要輸入?yún)?shù)，本研究在對InVEST模型手冊及相關研究［11-12，27-29］分析的基礎之上，參數(shù)設置具體參考劉春芳等［30］、賀瑩等［31］的研究，參數(shù)如表1~2所示。

表1 研究區(qū)內(nèi)各威脅因子的參數(shù)Table 1 Parameters of threat factors in the study area

1.3.2 圖譜分析 文章借助土地利用圖譜分析的相關原理［12，32-34］，構建生境圖譜分析模型，以記錄和分析不同時空條件下生境質(zhì)量及生境退化的復合變化信息。計算公式如下：

式中：A為整個研究期內(nèi)生境質(zhì)量或生境退化圖譜單元變化類型；A 1、A 2為研究初期和研究末期的生境質(zhì)量或生境退化圖譜柵格狀態(tài)編碼。

1.3.3 地形梯度分析 地形條件在很大程度上會影響土地利用類型的分布［35，2］，本研究引進復合地形因子，即地形位梯度［36］，以綜合反映地形條件與生境質(zhì)量、生境退化之間的關系。計算公式如下：

式中：T表示地形位梯度指數(shù)，E表示研究區(qū)內(nèi)某一點的高程，S表示研究區(qū)某一點的坡度，Eˉ表示研究區(qū)的平均高程，Sˉ表示研究區(qū)的平均坡度。

由于不同地形位梯度下生境質(zhì)量、生境退化面積存在較大的差異，本文為消除這種面積大小差異帶來的量綱影響［36］，引進地形分布指數(shù)，對榆中縣生境質(zhì)量及生境退化的地形位梯度效應進行研究。參照周潤芳等［37］對榆中縣地形地貌的研究，將地形位梯度分為5級，其計算公式如下：

式中：P為分布指數(shù)，Sie為第i級生境質(zhì)量或生境退化度在e級地形因子等級下的面積，Si為第i級生境質(zhì)量或生境退化度的總面積，Se為第e級地形因子所占的面積，S為研究區(qū)的總面積。

表2 各地類對脅迫因子的敏感度參數(shù)Table 2 Sensitivity parameters of each category to stress factors

2 結果與分析

2.1 生境質(zhì)量和生境退化度的時空變化特征

2.1.1 生境質(zhì)量時空變化特征 為了準確識別榆中縣生境質(zhì)量的變化規(guī)律，研究利用ArcGIS軟件中的自然斷點法將生境質(zhì)量分為低值區(qū)（1級）、較低值區(qū)（2級）、中值區(qū)（3級）、較高值區(qū)（4級）、高值區(qū)（5級）5個等級。

由圖1可以看出，2008~2018年，榆中縣生境質(zhì)量的空間格局整體上較為穩(wěn)定，從南到北總體呈現(xiàn)出由西南向東北遞減的分布特點。生境質(zhì)量高值區(qū)域主要分布在縣域南部的興隆山、馬銜山沿線，區(qū)內(nèi)人為活動稀少，常年降水充足，植被茂密，土地利用多以草地、林地為主，生境質(zhì)量整體上優(yōu)于其他區(qū)域。生境質(zhì)量較高值區(qū)域主要分布在生境質(zhì)量高值區(qū)域的外圍，除此之外在貢井林場有小部分分布。生境質(zhì)量中值區(qū)域整體上分布零散，在園子岔鄉(xiāng)、貢井鄉(xiāng)、中連川鄉(xiāng)、清水驛鄉(xiāng)、韋營鄉(xiāng)等個別鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布較為集中，除此之外在宛川河沿岸河谷兩側也有零星分布。生境質(zhì)量較低值區(qū)域位于北部山區(qū)和中部平原地區(qū)，該區(qū)土地利用主要是耕地和其他草地、農(nóng)村居民點。低值區(qū)域位于縣域中部和北部，該區(qū)域分布大量的居民點用地、城鎮(zhèn)用地以及工礦用地，人類活動頻繁，因此生境質(zhì)量普遍偏低。由表3可以看出，2008年和2018年研究區(qū)平均生境質(zhì)量分別為0.228 9和0.226 6，生境質(zhì)量總體上略有下降。研究期間1等生境占比由46.29%變?yōu)?7.01%，結合圖2可以發(fā)現(xiàn)，變化區(qū)域主要是由于受到建設用地需求增加的影響，人類對區(qū)域生態(tài)環(huán)境有所干預，破壞了原有的自然生境，使得生境質(zhì)量略有退化；2等生境占比由38.74%變?yōu)?8.06%，主要是由于研究期間耕地面積減少的影響；3等、4等、5等生境總體上保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖1 2008~2018年榆中縣生境質(zhì)量空間分布圖Figure 1 The spatial distribution of habitat quality in Yuzhong County from 2008 to 2018

表3 2008~2018年榆中縣生境質(zhì)量變化情況Table 3 Habitat quality changes in Yuzhong County from 2008 to 2018

圖2 榆中縣土地利用類型Figure 2 Land use types in Yuzhong County

2.1.2 生境退化度時空變化特征 由圖3可以看出，2008~2018年，榆中縣生境退化度的空間格局整體上較為穩(wěn)定，并且表現(xiàn)出明顯的空間差異，具體表現(xiàn)為以宛川河為界，呈現(xiàn)“河北低而河南高”的分布特點。生境退化度最嚴重的區(qū)域為中部川區(qū)的和平鎮(zhèn)、定遠鎮(zhèn)等重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這些區(qū)域是榆中縣主要的城鎮(zhèn)及工農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)，如圖2所示，隨著縣域人為活動日益增強，對居住地、工礦用地以及交通運輸用地等建設用地的需求快速增加，使原有的自然生境遭到破壞，導致生境破碎度加劇、連通性變差，最終使得這些區(qū)域的生境質(zhì)量下降；整個研究期間縣域生境退化程度有所增加，平均生境退化度由2008年的0.007 370變?yōu)?018年的0.007 389。具體而言，研究期間生境退化度高值區(qū)域進一步擴散，2008年和2018年的占比分別為0.15%、0.49%，說明榆中縣中部川區(qū)存在生態(tài)退化的風險；生境退化度較低值區(qū)有所增加，占比由2008年的67.35%變?yōu)?018年的74.26%，主要分布在縣域北部石質(zhì)低山丘陵區(qū)，主要是由于榆中縣近年來實施了一系列“退耕還林”工程和“生態(tài)北山”建設工程，加強了對北部山區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護；生境退化較高值區(qū)域有所縮減，由2008年的9.20%變?yōu)?018年的7.54%，變化主要發(fā)生在縣域中部，轉化成了生境退化中值區(qū)；生境退化中值區(qū)域也有所縮減，由2008年的23.30%變?yōu)?018年的7.54%，變化主要集中在縣域北部，主要轉化成了生境退化低值區(qū)域。

2.2 生境質(zhì)量及生境退化的圖譜分析

按照前文分析，將生境質(zhì)量5級區(qū)間的區(qū)間編碼設置為1、2、3、4、5，分別對應生境質(zhì)量低值、較低值、中值、較高值和高值5種狀態(tài)。由圖4可以看出，榆中縣生境質(zhì)量轉移圖譜共有25種類型，其中，有5類生境質(zhì)量圖譜單元未發(fā)生變化，其他20類生境質(zhì)量圖譜單元或多或少都發(fā)生了變化。整體而言，未發(fā)生變化的圖譜編碼為11（表示研究期初和期末的生境質(zhì)量狀態(tài)都為低值）、22、33、44、55總占比為71.45%，其中，低-低（編碼為11）的圖譜單元最為穩(wěn)定，占未變化單元的49.75%，主要分布在縣域北部和中部偏西的區(qū)域，和草地、未利用地的分布基本一致，中-中（編碼為33）的圖譜單元最不穩(wěn)定，占未變化單元的2%，分布比較零散，主要分布在縣域中東部區(qū)域。發(fā)生變化的圖譜占總圖譜的比例為28.55%，其中，“低-較低”和“較低-低”（編碼為12和21）圖譜變化最為明顯，由圖3可以看出，這兩類圖譜主要分布在榆中縣北部、東部，以及宛川河以南興隆山以北的區(qū)域，縣域北部和東部分布著大量的耕地，隨著人類耕地利用程度的不斷加深，使得原有的耕地景觀遭到破壞，生境質(zhì)量有所下降，宛川河以南興隆山以北的區(qū)域地勢平坦，土壤肥沃，是主要的生產(chǎn)生活場所，尤其是近幾年，縣域人口增加導致建設用地需求增長，從而影響了生境變化。由圖4可以看出，榆中縣生境退化轉移圖譜共有19種類型，其中，有4類生境退化圖譜單元未發(fā)生變化，其他15類生境退化圖譜單元或多或少都發(fā)生了變化。整體而言，未發(fā)生變化的圖譜編碼為22、33、44、55，總占比為81.10%，其中，較低-較低（編碼為22）的圖譜單元最為穩(wěn)定，占未變化單元的76.93%。發(fā)生變化的圖譜占總圖譜的比例為18.90%，其中，中-較低（編碼為32）圖譜變化最為明顯，集中分布在縣域北部，主要是“北山生態(tài)工程”的建設使得該區(qū)中等退化轉化成了較低程度的退化。

圖4 2008~2018年榆中縣生境質(zhì)量及生境退化的圖譜空間分布Figure 4 The spatial distribution map of habitat quality and habitat degradation in Yuzhong County from 2008 to 2018

表4 2008~2018年榆中縣生境退化變化情況Table 4 Habitat degradation changes in Yuzhong County from 2008 to 2018

圖3 2008~2018年榆中縣生境退化度空間分布Figure 3 The spatial distribution of habitat degradation in Yuzhong County from 2008 to 2018

2.3 生境質(zhì)量的地形梯度效應

2.3.1榆中縣的地形梯度特征 研究上述公式（5）計算榆中縣地形位梯度，結果區(qū)間為0.22~1.09，采用自然斷點法將其分成5個等級，等級1表示地形位指數(shù)在0.22~0.42，等級2表示地形位指數(shù)在0.42~0.54，等級3表示地形位指數(shù)在0.54~0.64，等級4表示地形位指數(shù)在0.64~0.75，等級5表示地形位指數(shù)在0.75~1.09，等級越低表示地形越平坦。

由圖5可以看出，榆中縣地形位指數(shù)呈現(xiàn)出“南部高、中部低、北部高”的分布格局，與縣域南高北低，中間低凹的地勢基本一致。榆中縣地形位以3級為主，占比為30.80%左右，其次是4級、2級、1級，占比分別為24.23%、16.94%、15.55%左右，5級地形位占比最小，為12.48%左右。由表5可知，榆中縣1等地形位和2等地形位的土地利用類型以耕地為主，占比達60%左右，3等、4等及5等地形位以未利用地為主，具體而言耕地、園地、水域、建設用地在1等地形位上占比最大，林地、草地在5等地形位上占比最大，未利用地在4等地形位上占比最大。隨著地形位指數(shù)的增加，耕地、園地、水域、建設用地的占比出現(xiàn)下降趨勢，相反，林地、草地、未利用地的占比出現(xiàn)了增加的趨勢。主要是由于人類活動強度最大的區(qū)域一般都是地形位低的位置，地形位指數(shù)值低表明區(qū)域自然環(huán)境越有利于人類生存，人類對土地的利用程度越強，相反，隨著地形位指數(shù)的增加，人類對自然環(huán)境的改造程度越小，因此土地利用多以林地、草地以及未利用地為主。

表5 不同地形位梯度的土地利用特征Table 5 Land use characteristics of different terrain position gradients

圖5 榆中縣地形位梯度分布情況Figure 5 Topographical position gradient distribution in Yuzhong County

2.3.2 生境質(zhì)量及生境退化的地形位梯度分布特征地形要素是影響生物種群分布格局以及維持生物多樣性的一個重要因素［4］，地形分異性會影響土地利用類型進而也會在很大程度上影響生境質(zhì)量及生境退化的空間分布格局。本文在計算了研究區(qū)地形位指數(shù)的基礎上，采用分布指數(shù)來描述生境質(zhì)量、生境退化在不同地形位梯度上的分布特征，以揭示綜合地形變化對生境質(zhì)量和生境退化的影響。如圖6、7所示，生境質(zhì)量和生境退化在地形位梯度上呈現(xiàn)出較大的差異。具體而言，低質(zhì)量生境在第3、第4級地形位梯度上的分布指數(shù)大于1，占絕對優(yōu)勢，較低質(zhì)量生境在第1、第2、第3級地形位梯度上的分布指數(shù)大于1，占絕對優(yōu)勢，中等質(zhì)量生境在第3、第4級地形位梯度上的分布指數(shù)大于1，占絕對優(yōu)勢。較高質(zhì)量生境及高質(zhì)量生境在第4、第5級地形位梯度上的分布指數(shù)大于1，占絕對優(yōu)勢。生境退化低值在第1級地形位梯度上的分布指數(shù)大于1，占絕對優(yōu)勢，生境退化較低值在第3、第4、第5級地形位梯度上的分布指數(shù)大于1，占絕對優(yōu)勢，生境退化中等區(qū)域在第1、第2、第3級地形位梯度上的分布指數(shù)大于1，占絕對優(yōu)勢，較高生境退化和高生境退化第1級地形位梯度上的分布指數(shù)大于1，占絕對優(yōu)勢，因此，第3級地形位梯度是生境質(zhì)量及生境退化的混合梯度。

圖6 生境質(zhì)量在地形梯度上的分布指數(shù)Figure 6 Distribution index of habitat quality on topographic gradient

3 討論

本研究應用InVEST模型和地形位指數(shù)對榆中縣生境質(zhì)量進行了比較充分的分析，其中生境質(zhì)量的時空分布結果與劉春芳等［11，28，30］的研究結果相近，說明本文的研究結果比較符合榆中縣的實際情況，應該能反映近年來榆中縣生境質(zhì)量及生境退化的變化，而且本研究首次從地形視角對榆中縣的生境質(zhì)量及生境退化的分布特點進行了分析，較好地揭示了研究區(qū)生境質(zhì)量的地形梯度效應，研究成果可為榆中縣生態(tài)環(huán)境保護、生物多樣性維護提供理論依據(jù)。但研究也存在以下的不足：（1）研究在對生境質(zhì)量進行評估時，應用的是傳統(tǒng)的評估模型，缺乏方法的創(chuàng)新性，而且模型計算中參數(shù)設置可能存在一定的主觀性；（2）生境質(zhì)量和生境退化會受到多種因素的影響，本文只是選取了較為重要的地形因素，對人為因素的研究還需進一步探討。

圖7 生境退化度在地形梯度上的分布指數(shù)Figure 7 Distribution index of habitat degradation degree on topographic gradient

榆中縣是西北地區(qū)重要的生態(tài)屏障區(qū)，作為三大自然帶的交匯地帶具有明顯的地形分異特征，區(qū)域生境質(zhì)量及生境退化受到地形變化特征的影響?？h域南部地勢高聳，分布大量的天然植被，林地、草地是該區(qū)的土地利用類型，是縣域生境質(zhì)量的高值區(qū)；中部宛川河流域地勢低平，是近年來蘭州市東擴的主要承載區(qū)，同時該區(qū)域是主要的城鄉(xiāng)建設用地增加區(qū)，隨著人類活動日益加強，導致原有的土地利用結構、生態(tài)結構和功能遭到破壞，從而使得此處生境退化程度不斷加深，生境質(zhì)量不斷下降；北部地區(qū)系主要的黃土丘陵區(qū)，區(qū)域自然環(huán)境較差，分布大量的草地和未利用地以及部分農(nóng)村居民點。因此，在南部山區(qū)，應該加強對森林的保護，適當?shù)脑黾恿植莞采w度，同時有序控制人類活動，以保持其生態(tài)功能；在中部川區(qū)，應該限制建設用地增長，同時要遏制生境退化，對用地結構進行適當調(diào)整，尤其是園地要盡可能的降低其利用強度；北部山區(qū)，一方面要適當?shù)脑黾恿植莞采w率，另一方面要控制現(xiàn)有的居民點用地，盡可能使該區(qū)生態(tài)保持自然的狀態(tài)，以使其進行必要的自我調(diào)節(jié)和恢復。

4 結論

本研究利用DEM數(shù)據(jù)、2008年和2018年土地利用柵格數(shù)據(jù)，基于InVEST模型和地形位指數(shù)，評估了榆中縣生境質(zhì)量時空的變化特征及其地形梯度效應。結果表明：1）近10 a來，榆中縣生境質(zhì)量整體上呈下降趨勢，生境退化度有小幅度的增加趨勢，但二者整體上變化幅度較小，同時生境質(zhì)量及生境退化未發(fā)生變化的圖譜單元占比遠遠大于發(fā)生變化的圖譜單元占比，說明榆中縣生境整體上存在惡化的風險，但這種風險比較小。

2）研究期內(nèi)生境質(zhì)量總體上呈現(xiàn)出由西南向東北遞減的分布特點，生境退化度呈現(xiàn)出“河北低而河南高”的分布格局。

3）榆中縣生境質(zhì)量及生境退化分布指數(shù)具有明顯的地形位梯度變化效應，二者都隨著地形位起伏發(fā)生變化，但生境質(zhì)量和生境退化的優(yōu)勢地形位梯度差異較大，高質(zhì)量生境在第4、5等地形位梯度上分布最多，占絕對優(yōu)勢，生境退化高值在1等地形位梯度上占絕對優(yōu)勢，二者的混合梯度都出現(xiàn)在第3級地形位梯度。