基于土地利用变化的江油市生境质量时空变化分析

赵浩舟　王卫红　武锋强　张　艳　陈　财　李世川

(西南科技大学环境与资源学院　四川绵阳　621000)

土地利用变化是全球变化中的组成部分，是人地关系的表现形式，作为人与自然相互作用最为密切的联系纽带，是揭示区域环境变化的重要途径[1-2]。生境质量是区域特征的一种主要表现，指在一定的时间和空间中生态系统对人类生存、经济发展的适宜程度，在某种程度上代表生态环境的好坏[3-4]。人类活动从各个尺度上影响着土地利用的演化，进而影响到生境质量，因此基于土地利用变化探讨生境质量变化成为当前研究的重点[5]。

国内外学者对生境质量评估做出了诸多贡献。进行生境质量评价的数字模型有InVEST[6](Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)，ARIES[7](Artificial Intelligence for Ecosystem Services)等。InVEST模型与其他模型相比具有成本低、评价精度高、空间分析功能强、结果可视化等优点，已成功应用于夏威夷、坦桑尼亚等多个区域的生态系统评估中。Terrado[8]等对比分析了InVest模型中生境质量模块的计算结果与实际观测结果。孙传谆等[9]基于InVEST模型分析了鄱阳湖湿地生物多样性。

针对以往研究较少关注人类活动及自然灾害共同影响下区域生境质量评估的情况，笔者以遭受汶川地震比较严重且城市化进程较快的江油市为研究区，基于土地利用变化，运用InVEST模型建立生境质量数据库,评估生境质量指数，为研究区的土地规划、生态恢复、区域可持续发展等方面提供依据。

1　研究区概况

江油市位于东经104°30′-105°19′北纬31°31′-32°21′范围内，地处龙门山脉北部，是汶川地震重灾区，属亚热带季风湿润气候。高程在1 000～2 000 m 之间，坡度在30°以上，相对切割深度500～1 000 m；相对高差为50～200 m[10]。境内地势北高南低，北部为山地，南部为丘陵和平坝。江油市是四川省工业基地，是四川省商品粮、能源和建材基地之一，2016年研究区的国民生产总值达300亿元。

2　数据收集与研究方法

2.1　数据来源与处理

本研究使用的数据包含空间数据和统计数据。空间数据选择地震前(2008年初)，震后(2008年末)，震后恢复(2016年)3个不同时期江油市的Landsat 7卫星ETM+传感器的遥感影像数据(分辨率30 m×30 m，轨道号：129/038)。统计数据来自于统计年鉴(2008-2016)。

利用Arcgis将遥感影像数据统一坐标系，并进行空间配准，之后用ENVI对其进行辐射定标、大气校正、空间校正，根据江油市行政边界进行裁剪。由于2008年影像距今年代较长，因此解译采用倒推法[11]，即先解译2016年的影像，再根据统计年鉴和相关报告解译2008年年末影像，最后解译2008年年初影像。参考《土地利用现状分类标准》(GB/T 21010—2007)结合当地实际情况，建立土地利用分类体系，共计9类，即水域、草地、城镇、交通用地、其它建设用地、林地、裸地、耕地、其它用地。采用面向对象分类方法得到三期土地利用类型图。对解译后的三期数据通过实地调查，并结合第二次全国土地调查数据检验修改后，生成1∶5万土地利用图。

2.2　研究方法

2.2.1土地利用动态度分析

土地利用动态度反映了某个时间范围内土地利用类型的数量变化情况，其表达式为：

(1)

式中：K为研究时段内某一土地利用类型动态度；Ua，Ub分别为研究期期初及研究期期末某一种土地利用类型的数量。

2.2.2土地利用转移矩阵

土地利用转移矩阵表现各种土地利用类型之间的转换情况，它反映期初、期末的土地类型结构，刻画区域土地变化方向以及研究期期末各土地利用类型的来源与构成。数学形式为：

(2)

式中：S为土地面积；n为土地利用的类型数；i，j分别为研究期期初与研究期期末的土地利用类型。

2.2.3InVEST模型数学模拟

InVEST模型原理是结合景观类型敏感性和外界威胁强度得到生境质量的分布，然后评估生物多样性的好坏。需要的数据有：当年的土地利用类型图、生境威胁因子图层、威胁源表、生境敏感性图层。

(1)构建威胁因子图层。将各土地利用类型视为生态系统类型，根据地类受人类干扰强度划分为人为地类与自然地类。人为地类指影响生境质量的威胁地类。在构建威胁地类因子时参考国内外专家学者研究和模型使用说明，认为：在模型中裸地与耕地未定义为威胁图层，但根据研究区的实际情况，裸地不是人为用地但威胁到生态环境；耕地存在面积大，由于地形的原因使耕地碎块化，破坏了景观连通性，加之农用设施对环境的影响，因此把裸地和耕地列入生境威胁地类，并根据参考文献意见给出敏感性与权重[4-5,12]。威胁源表中的其它因子为常规因子。威胁强度和威胁距离依据文献资料构建[4-5,9](表1)；敏感性图层的敏感度采用了模型推荐数据。

表1　威胁因子权重、最大影响距离、衰退类型Table 1 Threat factor weight, maximum impact distance, recession type

(2)计算生境退化程度。土地利用类型j中栅格x的生境退化程度计算公式为

(3)

(4)

(5)

其中，Dxj为生境退化程度；R为胁迫因子个数；wr为胁迫因子r的权重；Yr为胁迫因子层在土地利用类型图中的栅格数；ry为土地利用类型图中每个栅格上胁迫因子的个数；Sjr为j类型土地覆被对胁迫因子r的敏感性；irxy为栅格y中的威胁因子r对栅格x的影响；dxy为栅格x(生境)与栅格y(威胁因子)的距离，drmax为威胁因子r的影响范围。βx为法律保护程度，研究不考虑法律保护程度因子，将βx设为1。

(3)生境质量计算公式。基于生境退化程度Dxj，生境质量的计算公式为

(6)

其中，Qxj为土地利用类型图j中栅格x的生境质量；Hj为土地利用类型图j的生境属性。k是半饱和常数，k值一般设置为生境退化程度最大值的1/2。依据InVEST 3.3.3模型说明，z值为模型默认参数，可设置为2.5。

3　结果与分析

3.1　江油市土地利用变化特征

对江油市2008年初、2008年末、2016年3个时期土地利用的分类结果(图1)进行统计，得到不同地类面积比重及动态度(表2)。土地利用类型结果与罗娜等[13]研究相近，总结出2008-2016年江油市土地利用整体变化特征。

(1)江油市地理面积为2 719.8 km2，2008年初各类型按面积依次是：其它<裸地<城镇<水域<交通用地<其它建设用地<草地<林地<耕地；2008年末按面积依次为：城镇<其它<裸地<水域<其它建设用地<草地<交通用地<耕地<林地；2016年土地利用类型按面积依次为：其它类用地<城镇<水域<裸地<交通用地<其它建设用地<草地<耕地<林地。(2)耕地面积变化大。2008年地震严重损毁耕地资源，2008年末耕地面积缩减348.35 km2，随后虽采取复垦等措施但到2016年耕地总量仍减少79.65 km2。耕地依旧是主要土地利用类型。(3)交通用地是研究区土地利用变化的主要特征。大部分的道路损毁、占用耕地的现象及救灾临时安置区的出现使交通用地面积增加，2008年末较年初交通用地增加179.37 km2；2008年后大型工矿整合，公路抢险的完工使交通用地面积出现减少现象。(4)裸地增加，2008年末增加27.94 km2，2016年增加5.29 km2。从空间看，裸地多出现在东北部山区，南部耕作区。(5)草地2008年末年减少165.78 km2，到2016年恢复了117.46 km2，恢复部分在北部林区与坡度较陡的山区、城镇周边。(6)林地在震后增加明显是研究区变化特征之一，2008年初-2008年末年增加368.95 km2，动态度为40.38%，2008年末-2016年林地增加135.48 km2，动态度为1.51%。(7)2008年初-2008年末年其它类用地动态度最大为5 222.5%，是增长率最高的土地类型，城镇为-67.46%，是减少率最高的类型，水域变化度为-19.36%，是最稳定的土地类型；2008年末至2016年草地的土地动态度为21.12%，为增长率最高的土地类型，其它类用地土地动态度为14.11 %，为减少率最高的类型，裸地为-1.98%，是最稳定的土地类型。

图1　2008-2016年江油市土地类型分布及变化Fig.1　Land use distribution and changes of the Jiangyou city in 2008-2016

项目　　2008年初　　　　2008年末　　　　2016年　　面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km2比例/%2008年初-2008年末动态度/%2008年末-2016年动态度/%城镇24．710．918．040．3018．680．69-67．4618．91裸地6．010．2233．951．2539．241．43464．89-1．98水域45．861．6936．981．3627．121．00-19．36-3．81草地380．5614．00214．787．90332．2412．23-43．5621．12其它0．310．0116．500．610．200．015222．58-14．11林地913．6333．611282．5847．201418．0652．1840．381．51耕地1095．0440．28746．6927．48667．0424．55-31．81-5．35交通用地125．234．61304．6011．2178．612．89143．23-10．60其它建设用地126．944．6773．052．69146．265．38-42．4514．32

3.2　江油市土地利用类型转移变化分析

为更加清晰分析2008-2016年江油市各土地利用类型的变化方向，求出江油市土地利用变化转移矩阵(表3)。由表3(列为期初，行为期末)，2008年初-2008年末年江油市土地变化总量为1 445.92 km2，其中林地变化量最大369.2 km2，其次是耕地348.19 km2，变化量最小的是水域为8.8 km2。2008年末-2016年江油市土地变化总量为1 328.61 km2，耕地变化量最多，为516.33 km2；其次是交通用地为265.82 km2，城镇变化最小。

表3　江油市2008-2016年土地利用类型转移矩阵面积统计(单位：km2)Table 3 Land use transfer matrix in Jiangyou city during 2008-2016 (unit: km2)(to be continued)

续表3　江油市2008-2016年土地利用类型转移矩阵面积统计(单位：km2)Table 3 Land use transfer matrix in Jiangyou city during 2008-2016 (unit: km2)(continued)

3.3　江油市生境质量的时空变化分析

生境质量在栅格图层上是0～1之间连续变化的值，值越靠近1，生境质量越好，越有利于生物多样性的维持。为直观说明生境质量分布情况，将3期生境质量指数运算结果进行重分类，通过自然间断法划分低、中、良好和优等4个级别(图2)，并统计各等级生境所占栅格个数及百分比(表4)。

图2　2008-2016年江油市生境质量空间分布图Fig.2　Spatial distribution of habitat quality in Jianyou city

等级范围　　　2008年初　　　　　　2008年末　　　　　　2016年　　　计数百分比/%计数百分比/%计数百分比/%10～0．381581327．02197365665．3655338518．320．3～0．683709027．72245920．8166631622．0630．6～0．9102190433．8498032532．4678607726．0340．9～134479511．42410291．35101382433．57

从空间格局变化看，江油市优质和良好等级的生境占大部分。每期好坏程度均由北部向南部地区递减。北部地区生境脆弱受地震影响明显，南部受影响小，但在地震后北部的生境依然好于南部。从时间格局看，2008年初低等级、中等级生境分别占27%左右，地震对生境质量影响明显，2008年末中等和高等级生境骤然减少，中等占0.81%，高等占1.35%，低等级占65%，主要原因是为服务救灾交通用地猛增，破坏了生态环境。2016年后，生境质量得到大幅度恢复，低等级占18.3 %，高等级占33.57 %，是2008年初的2.9倍。

4　结论

本研究利用ArcGIS，ENVI等软件平台对江油市土地利用与生境质量动态变化进行分析，结果表明：(1)研究区第一个阶段内耕地数量剧烈变化，结合江油统计资料，2008年地震使得城镇和耕地受损严重，重建后大部分临时安置点转为交通用地，使交通用地面积大幅增加，耕地恢复较慢。耕地集中于南部地区，且耕地数量不断减少，但依然是江油市的主要土地类型。(2)从土地动态度看人工环境中其它建设用地受地震影响最大，半人工环境的草地影响次之，自然环境受影响最小；面积大的类型相对稳定，动态度较小，反之面积动态度变化较大，如其它用地。(4)生境质量高低与自然灾害发生的强度有关，汶川地震后生境质量普遍降低。最明显的是优和良好的生境质量地块。生境质量越高，敏感性越强，易损性越大。(5)北部为山地，林地资源丰富，连片分布于区域山地丘陵区，此处相对海拔较高，地形较复杂，生境质量比较完好。耕地主要分布于研究区南部，中部地势较为平坦，生境质量多为中等。其它建设用地主体分布在涪江上游，沿河而建，生境质量较差。江油市的生境质量总体上处于中等偏高的水平，但南部地区其它建设用地的扩张以及不合理耕作导致生境质量下降。所以未来如何维持生境质量不会退化甚至恢复南部地区的生境质量是一个关键问题。未来南部地区的土地利用规划中，土地规划和生态保护工作中需优化林地、耕地、其它建设用地等景观格局，在保持经济增长基础上配置必要的生态用地。在保证生境质量维持在较高水平的前提下，开发北部地区的自然资源优势，协调经济发展与生境质量之间的关系，促进江油市整体经济与生态保护的协调发展。本研究存在一定的不足，只考虑了基于土地利用变化的生境质量响应，下一步需结合模型的其它模块，综合评定土地利用变化对生态系统服务的变化，如：碳储量、水土保持等。

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