2000—2010年草海自然保护区生境质量变化

2016-10-26韩会庆苏志华罗绪强蔡广鹏

西南林业大学学报 2016年5期

韩会庆　苏志华　罗绪强　蔡广鹏

(1. 贵州理工学院建筑与城市规划学院，贵州贵阳 550003；2. 贵州财经大学管理科学学院，贵州贵阳 550025；3. 贵州师范大学地理与环境科学学院，贵州贵阳 550001)

韩会庆1苏志华2罗绪强1蔡广鹏3

利用InVEST模型，以草海国家级自然保护区为例，对2000—2010年保护区生境质量变化进行分析。结果表明：除水域和未利用地外，其他地类变化突出，旱地、草地、城镇建设用地和农村居民点之间转化明显；保护区生境质量整体趋于好转，试验区改善幅度最大，保护区生境质量一直呈现核心区 > 缓冲区 > 试验区的特点，核心区和缓冲区生境质量空间变化较小，试验区生境质量空间变化明显，东部和西南部是生境质量改善区，北部主要为生境质量恶化区；退耕还林还草工程实施是生境质量改善的主导原因，城镇用地扩张对部分地区生境质量改善产生一定的负面影响。

生境质量；土地利用；InVEST模型；草海自然保护区；贵州

生境 (栖息地) 是指生物体的生存环境，它既包括生物体生存的必需条件，又包括与物种生存相关的其他生态因素[1]。生境质量的好坏直接影响着生物的生长、发育、繁殖和分布，生境质量退化是造成生物多样性下降最主要的原因之一[2]。生境质量作为重要的生态系统服务功能，正越来越多地受到人类活动的干扰，因此，评估区域生境质量变化对区域生态环境保护和规划具有重要意义。

目前，关于生境质量的评估多集中于单一物种[3]和生物群落[4]。研究方法多利用景观生态学法[5]、指标法[6]、模型法[7]等。土地利用作为人类活动的重要方面，是威胁生境质量的重要因素[8]。如Antwi等发现工矿用地变化 (停产后) 将促使生境的丰富度不断增加，生境破碎化增强[9]。Schleupner 等认为草地转化为耕地将使得鸟类的生境质量下降[10]。然而，当前的学者多利用生境适宜性模型分析土地利用变化对生境质量的影响[11]，鲜有学者利用InVEST模型进行保护区生境质量演变分析。

InVEST模型是由美国斯坦福大学、世界自然基金会和大自然保护协会联合开发的用于水产、水土保持、碳储量、生境质量、风能、植物授粉、粮食生产等多种生态系统服务功能评估的模型，其中生境质量模块以土地利用数据和专家打分为基础进行生境质量评估，具有输入数据相对较少、操作简单、实现空间表达等优点，该模型已成功地被应用于世界各地生境质量评估[12-13]。

草海是我国重要的鸟类湿地保护区，近十年，由于保护区周边快速的城镇化建设以及退耕还林还草工程的实施，使得保护区内土地利用发生较大变化，进而影响着保护区生境质量。因此，本研究基于InVEST模型，分析2000—2010年草海自然保护区生境质量演变规律，以期为该区环境规划及生境保护提供科学参考。

1　研究区概况

草海自然保护区位于贵州省西部威宁县，地处东经104°10′～104°25′，北纬26°45′～27°00′，属长江水系高原淡水湖泊，素有 “高原明珠” 之称，平均海拔约2 171 m，地形西、南、东三面较高，向北部逐渐降低。地貌为高原丘陵盆地，地面起伏较大。气候属于暖温带湿润气候，年均气温10.6 ℃，年均降水量约950.9 mm[14]。1992年草海保护区成为国家自然保护区，被 “中国生物多样性保护行动计划” 列为一级湿地，是典型的高原湿地生态系统。保护区内鸟类224种，维管束植物184种 (主要为水生、沼泽湿地植物)，是黑颈鹤 (Grusnigricollis) 栖息越冬的重要场所[15]，保护区对保护区域生物多样性具有重要作用。

2　研究方法

2.1数据来源与处理

本研究数据主要包括：2000年、2010年土地利用数据和草海自然保护区功能区划分标准。其中，2期土地利用数据通过Landsat TM/ETM (30 m × 30 m) 遥感影像解译获得。根据研究区特点，将土地利用类型划分为：旱地、水田、有林地、灌木林地、草地、城镇用地、农村居民点、交通用地和水域。草海自然保护区功能区划分标准来源于《草海国家级自然保护区总体规划》。

2.2InVEST生境质量模型

InVEST生境质量模型是利用土地利用类型分布图，通过生境质量的威胁因子影响强度来评估区域生境质量[16-17]。模型运行需要生境类型、威胁因子对每种生境影响强度和距离以及每种生境对威胁因子的敏感程度等数据。根据研究区土地利用/覆被类型特点将生境类型设置为旱地、水田、有林地、灌木林地、草地、城镇用地、农村居民点、交通用地和水域等9种类型，并将农田、农村居民点、城镇用地、交通用地和工矿用地作为受人为干扰较大的土地利用类型，将其归为威胁因子。威胁因子对各地类敏感性以及威胁因子影响距离和强度等参数是基于研究区特点，通过将专家打分值、模型使用推荐值和相关文献参考值比较和校正后确定[16, 18-20](表1～2)。

表1　威胁因子对各地类敏感性

表2　威胁因子影响距离和权重

具体过程如下：考虑到草海自然保护区主要保护黑颈鹤为主，水域和草地生态系统质量对其适宜性的影响最为突出，因此，草地和水域生境适合性最高；而有林地和灌木林地的生态系统质量对水质影响较大，因此，有林地和灌木林地的生境适合性较高。其他地类对保护区动植物具有负面效应，因此其生境适合性为0。另外，威胁因子对各地类敏感度是考虑威胁因子对不同地类的影响差异进行设置的，如城镇扩张必然占用大量耕地和林地，从而使得城镇用地对林地和耕地的影响较大，而农村居民点增加对林地和耕地的压力相对较小，因此，将城镇用地对耕地和林地敏感性设置的参考值大于农村居民点对耕地和林地敏感性设置的参考值。鉴于研究区城镇和工矿用地对周边生态系统影响范围较大，而周边农村居民点、交通用地和农田影响范围较小，因此，城镇和工矿用地用地影响范围大于农村居民点、交通用地和农田。同时，由于交通和城镇用地用地影响强度较大，而农村居民点、农田和工矿用地影响强度较小，因此，交通和城镇用地用地的权重和衰减率大于农村居民点、农田和工矿用地的权重和衰减率。

生境质量评估公式：

(1)

式中：Qxj是生境质量；Hj是生境适宜度指数；Dxj是生境退化程度；Z等于2.5；k等于栅格单元分辨率大小的50%。

(2)

式中：Wr为威胁因子权重；ry为生态威胁因子个数；βx是保护程度；Sjr是威胁因子对生境质量 (各地类) 的敏感度。

生境质量评估结果介于0～1，越接近1，说明生境质量越高，反之越低。

3　结果与分析

3.1土地利用变化

从保护区2000—2010年土地利用类型变化 (表3) 看出，保护区土地利用变化比较突出。旱地、水田、灌木林、农村居民点分别减少259.00 hm2(-10.09%)、4.75 hm2(-100%)、1.25 hm2(-0.10%)、68.00 hm2(-44.88%)。有林地、草地、城镇用地分别增加15.00 hm2(2.84%)、224.50 hm2(7.93%)、93.50 hm2(77.43%)，交通用地和水域没有变化。

表3　2000—2010年草海土地利用变化

从2000—2020年土地利用转移矩阵看出 (表4)，旱地减少的面积主要转向有林地13.50 hm2、草地224.75 hm2、城镇用地20.75 hm2；水田减少的面积净转向城镇用地4.75 hm2；有林地增加的面积主要来自旱地13.50 hm2、灌木林地0.75 hm2、草地0.75 hm2；草地增加的面积主要来自旱地224.75 hm2；城镇用增加面积主要来自旱地20.75 hm2、水田4.75 hm2；农村居民点减少的面积主要转向城镇用地68.00 hm2；交通用地和水域无变化。

从空间上看，各土地利用类型的变化集中于东部、北部和西南部。其中城镇用地增加地区多分布于北部，旱地、灌木林地和水田减少地区集中于东部，草地和有林地增加地区多分布东部和西南部 (图1)。

3.2生境质量变化

从2000年和2010年保护区生境质量空间分布 (图2) 看出，保护区生境质量一直维持核心区生境质量最高，缓冲区生境质量次之，试验区西部、西南部以及东部地区较差的格局。

表4　2000—2010年草海土地利用转移矩阵

图12000年和2010年草海土地利用图

Fig.1Land use maps in Caohai for 2000 and 2010

图22000年和2010年草海生境质量空间分布

Fig.2Spatial distribution of habitat quality in Caohai for 2000 and 2010

研究期间，保护区生境质量整体上趋于改善 (> 0%)，由2000年的0.66增加到2010年的0.68，增加3.35%。其中，试验区生境质量提高最大，由2000年的0.54增加到2010年的0.57，增加6.15%。核心区和缓冲区基本无变化 (表5)。从2000—2010年草海生境质量空间格局变化 (图3) 看出，保护区的核心区和缓冲区生境质量空间变化较小，仅有东部小部分地区生境质量有所下降。试验区生境质量空间变化明显，其中生境质量改善区 (> 0%) 集中于东部和西南部，而生境质量恶化区 (< 0%) 集中于北部。

表5　2000—2010年草海平均生境质量变化

图32000—2010草海生境质量空间格局变化

Fig.3Spatial pattern of habitat quality change in Caohai from 2000 to 2010

4　结论与讨论

1) 保护区内旱地和草地变化量最大，而水田和城镇建设用地变化率最为突出。旱地转为草地和城镇用地以及农村居民点转为城镇用地最为突出。东部、北部和西南部是保护区土地利用变化的主要地区。

2) 保护区生境质量空间上呈核心区 > 缓冲区 > 试验区的特点，与2000年相比，2010年保护区生境质量有所提高。试验区生境质量增长率明显高于核心区和缓冲区。保护区生境质量变化空间异质性明显，东部和西南部是生境质量改善区，北部主要为生境质量恶化区。

3) 退耕还林还草工程实施是导致保护区生境质量改善的主要原因，而北部城镇用地的扩张是导致北部生境质量恶化的主要原因。

生境质量变化与经济发展和退耕还林还草工程驱动下土地利用变化特点有着密切联系。一方面，快速经济发展作用下建设用地扩张增强了威胁地类对生境适宜性的负面影响[21]。草海保护区北部为威宁县城所在地，是该区的经济中心。随着城镇的扩张，大量旱地和水田转为城镇建设用地，在一定程度上对附近的保护区产生威胁，从而降低了北部生境质量，这与包玉斌等对陕西省黄河湿地自然保护区研究结果一致[18]。另一方面，生态修复工程提高了自然植被比例，有利于区域生境适宜性提高[22]。受退耕还林还草工程实施影响，草海自然保护区大量旱地转为草地和林地，使得自然植被不断恢复，减少了人类活动对保护区生境的干扰，从而使得生境质量不断提高。由于草海自然保护区退耕还林还草工程对土地利用变化的影响远大于经济发展的影响，使得耕地转为草地和林地面积远大于耕地转为建设用地，导致研究区生境质量整体呈增加趋势，这与杜世勋等对山西省生境质量的研究结果一致[22]。草海自然保护区生境质量的提高有利于保护区浮游和水生植物的生长，这将为鸟类提供丰富的动、植物食源，这对维持该区生物多样性具有重要作用。

由于该模型评估结果是基于专家经验打分获得，这使得评估结果受到人为干扰较大，评估结果存在较大不确定性，因此，今后需应减少参数设置中人为因素的影响，提高评估结果的准确性。

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(责任编辑曹龙)

Habitat Quality Change in Caohai Nature Reserve from 2000 to 2010

Han Huiqing1, Su Zhihua2, Luo Xuqiang1, Cai Guangpeng3

(1. College of Architecture and Urban Planning, Guizhou Institute of Technology, Guiyang Guizhou 550003, China; 2. College of Management Science, Guizhou University of Finance and Economics, Guiyang Guizhou 550025, China; 3. College of Geography and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang Guizhou 550001, China)

We analyzed habitat quality change in Caohai Nature Reserve utilizing the InVEST model from 2000 to 2010. The results showed that other land use types showed significant changes except for water body and unused land, significant area changes could be found among dry land, grassland, built-up land and rural settlements. Habitat quality improved in whole nature reserve, particularly for pilot area. The improvement of habitat quality showed core area > buffer area > pilot area. There were little spatial changes of habitat quality in core area and buffer area. Significant spatial changes of habitat quality in pilot area could be found. Improvement regions of habitat quality were located in east and south parts, while deterioration region of habitat quality was situated in north part. Green for Grain Project is the dominant factor resulting in the improvement of habitat quality, while urban land expansion has a negative effect on the improvement of habitat quality.

habitat quality, land use, InVEST model, Caohai Nature Reserve, Guizhou