基于土地利用与植被覆盖度的大通北川河源区自然保护区生境质量评估

陈永国, 刘维军, 荣月静, 傅利平, 马立广, 曹彦荣

(1.青海大通北川河源区国家级自然保护区管理局, 青海 大通 810100;2.北京山海础石信息技术有限公司, 北京 100101; 3.中国科学院 生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085； 4.中国科学院大学 资源与环境学院， 北京 100049)

自然保护区作为最重要的生态安全防线，资源丰富、环境优美，是生态服务功能的集中产区。随着人们环境意识的提高，自然保护区的建设和管理水平不断提高[1-2]。然而，在整个生态环境恶化、生态系统退化的背景下，自然保护区的生境质量难以判断。不同级别保护区、国家公园和风景名胜区的建立，目的是通过维持完整生态系统以实现保护物种多样性、群落多样性和生态系统多样性，维持生态系统各项功能[3-6]。

土地利用/覆盖变化影响生态系统的结构和过程，从而对生态系统格局、质量、功能产生影响[7-14]。相比土地利用类型变化对生态系统服务的显性影响，生态质量对生态系统服务的影响是隐形的，不容易被人类察觉。近年来，学者们通过研究NDVI、植被覆盖度等生态质量因子对不同区域生态系统服务的影响，发现除土地利用变化之外，生态质量的变化同样是生态系统服务变化的重要驱动因子[15-17]。

北川河源区国家级自然保护区主要土地利用类型是森林和草地，土地利用类型变化与生态质量指数都是影响生境质量的因素，本研究在生态系统类型的基础上，通过植被覆盖度表征生态质量因子，通过对保护区生态格局、植被覆盖度的研究，综合修正生境质量评估模型参数，进而更加精确地评估保护区的生境质量空间分布状况，为保护区进一步保护与修复方向提供指导建议。

1 研究区概况

青海大通北川河源区国家级自然保护区位于西宁市大通县境内，地处大通县北部的北川河源头，地理坐标为东经100°52′—101°47′，北纬37°03′—37°28′。自然保护区地处黄土高原与青藏高原的过渡地带，境内山峦起伏，沟壑纵横，地形复杂。山区和丘陵地占总面积的94%，整个地势西北高，东南低，由西北向东南倾斜，相对高差1 942 m。大通北川河源区自然保护区的植物垂直分布特征较明显，自下而上，分为河川谷地落叶阔叶林植被带(海拔2 680～2 900 m)、山地针阔叶林植被带(海拔2 800 m)、山地常绿针叶林植被带(2 700～3 200 m)、山地灌丛类草地带(2 700～3 800 m)、亚高山灌木林植被带(海拔3 200～3 600 m)、亚高山灌丛植被带(海拔3 000～4 200 m)、高山草甸类草地带(3 600～4 622 m)以及裸露岩石(海拔4 000 m以上)。自然保护区属于半干旱、半湿润温凉性气候，保护区内有宝库河、黑林河、东峡河3条河流，并建有西宁市重要的水源调节水库“黑泉水库”。多年平均径流深为217 mm，多年平均自产地表水资源量为68.6亿m3。地下水资源量为31.3亿m3。土壤分布具有明显的垂直地带性，从海拔和地域分布有沼泽土、潮湿土、垫淤土、栗钙土、黑钙土、山地棕褐土、高山草甸土、高山石质土等土壤类型。保护区主要保护对象是大陆性高原气候森林生态系统，白肩雕(Aquilaheliaca)、马麝(Moschuschrysogaster)、白唇鹿(Cervusalbirostris)、冰沼草(ScheuchzeriapalustrisL.)等珍稀濒危野生动植物种群栖息地[18-19]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文所采用的数据包括土地利用数据、植被覆盖度、保护区分布区域等。其中土地利用类型数据来源自中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn)，数据生产制作是以各期Landsat TM/ETM遥感影像为主要数据源，通过人工目视解译生成。土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型，土地利用数据分辨率30 m×30 m;植被覆盖度数据来源于中国科学院遥感与数字地球研究所，分辨率为250 m×250 m；保护区分布图来源于保护区资料收集。

2.2 研究方法

InVEST模型的Habitat Quality模块是通过分析人为活动或自然灾害等生态威胁因子对区域景观水平下土地利用/覆盖斑块的影响程度，来评价研究区的生境质量。本研究运用Habitat Quality模块对研究区的生境质量进行评估[20]。生境质量的主要输入参数包含不同年份土地利用数据、威胁因子、土地利用对威胁因子的敏感度、Habitat因子等。具体模型方法如下：

(1)

(2)

irxy=1-dxy/drmax(线性)

(3)

irxy=exp[-(2.99/drmax)dxy] (指数)

(4)

H=min(Hj×VFC×2,1)

(5)

式中：H为修正的Hj因子；VFC是植被覆盖度。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化分析

青海北川河源区国家级保护区土地利用类型主要为林地、草地、裸地、沼泽地以及旱地等(附图13)。林地主要以灌木林为主，面积为328 km2，占到林地面积的92%左右；草地主要以高覆盖草地为主，面积为232 km2，占草地面积的41%左右(表1,图1)。

表1 保护区2005-2015年生态系统类型分布面积 km2

从保护区2005—2010年土地利用转移变化(表2)可以看出，保护区整体土地利用类型变化不大。从2005—2010年，变化最大的是裸岩石质地转换为其他类型，面积为9.66 km2,其次是其他类型转换为低覆盖草地，面积为8.17 km2。2010—2015年，变化最大的是裸岩石质地转换为低覆盖草地，面积为3.40 km2。

3.2 植被覆盖度分析

通过对保护区2005年、2010年、2015年年均植被覆盖度的统计(表3，图2)，2005年的植被覆盖度范围在0.44%～58.58%，2010年的植被覆盖度范围为0.67%～59.75%，2015年的植被覆盖度范围为4.33%～79.83%，可以看出保护区植被覆盖度在整体提升。将植被覆盖度按照0%～10%，10%～30%，30%～50%，50%～70%，70%以上进行分级统计面积与比例(图3)可以看出，2005年与2010年保护区植被覆盖度主要分布在中等级，2005年占64.94%,2010年占68.23%；2015年植被覆盖度显著提升，主要分布在中、较高等级，总共占到85.44%；其中，中等级占48.47%，较高等级占到36.97%，从图2—3可以看出，显著提升的主要是位于保护区北部与南部地区的灌木林。

图1 保护区2005年、2010年、2015年土地利用统计

3.3 生境质量特征分析

通过Habitat Quality模块进行生境质量的评估，其中，H为结合InVEST模型与相关研究成果，依据土地利用类型设置的H值原始值，本文基于不同年份不同土地利用类型的植被覆盖度平均值对H因子进行修正，分别得出2005年、2010年、2015年H修正结果(表4)；保护区威胁因子主要来自于耕地，通过距离耕地的距离来确定威胁因子的影响范围，距离越近，威胁越大；L_crp是不同土地利用类型对耕地的敏感性(0，1)通过文献获得(表5)。综上得出计算得出保护区生境质量特征评估结果。

从保护区2005年、2010年、2015年生境质量分布图(图4)直观地看出保护区北部与南部灌木林生境质量显著提升。依据自然断裂法，将生境质量结果分为高、较高、中、较低、低5类，统计各类生境的面积及比例(图5，表6)。其中，保护区2005年和2010年生境质量主要处于较高、中、较低3个级别，2005年占比分别为30.42%，24.84%，29.09%，2010年占比分别为30.43%，24.83%，29.72%；2015年生境质量显著提升，主要处于较高和高水平，分别占到24.74%，32.30%。

表2 保护区2005-2010年、2010-2015年土地利用转移矩阵 km2

表3 保护区年均植被覆盖度各等级面积及比例

图2 保护区2005年、2010年、2015年植被覆盖度分布

图3 保护区2005年、2010年、2015年植被覆盖度分级

表4 基于不同年份植被覆盖度修正的H因子

4 讨论与结论

4.1 讨 论

从2005—2015年大通北川河源区自然保护区土地利用类型转换发现保护区整体土地利用类型变化不大，保护区植被覆盖度变化显著，尤其是保护区北部与南部地区的灌木林植被覆盖度。同样地，保护区生境质量整体提升，北部与南部灌木林生境质量尤为显著。可以得出近10年大通北川河源区自然保护区生境质量的变化，与土地利用类型变化基本没有关系，主要的影响因素是保护区植被覆盖度变化，这与大通北川河源区自然保护区从2013年正式成为国家级自然保护区后实行封山育林育草，防止人为干扰的政策有关。

表5 不同土地利用类型对威胁因子的敏感性

图4 保护区2005年、2010年、2015年生境质量分布

图5 保护区2005年、2010年、2015年生境质量分级

表6 保护区生境质量分级特征

保护区生境质量的变化不仅受到森林、灌丛等土地利用类型的影响，同样受到植被覆盖度等生态质量的影响，本研究通过对InVEST模型-Habitat Quality模块的H因子的修正，能够更加精准地评估保护区生境质量水平。

4.2 结 论

本研究基于土地利用和植被覆盖度，对保护区生境质量进行评估，能够从空间上反映保护区生态系统保护的好坏程度，对保护区管理和宏观决策提供空间上的参考。本研究得出在土地利用变化不明显的区域植被覆盖度等生态质量因子可能是生物多样性等生态系统服务变化的重要驱动因子，区域可以通过增加林草植被盖度，进而提高保护区的生境质量与生态系统功能，是保护区生态保护的重要方向。

保护区内生境质量提升即代表动植物栖息地、食物等条件提升，是保护区整体生物多样性水平提升的基本条件。但是本研究仅仅讨论保护区生态系统方面的变化，尚未讨论保护区动植物物种层面多样性变化，通过生境质量与物种多样性结合，能够更加有效地评估保护区在生物多样性保护与环境管理的成效，是下一步需要研究的方向。