吉林省2000—2018年生境质量时空动态变化研究

2022-01-08王镜植李春景朱卫红焉恒琦

延边大学农学学报 2021年4期

张鹏，王镜植，李春景，金日，朱卫红，焉恒琦

(延边大学地理与海洋科学学院，长白山湿地与生态吉林省联合重点实验室，吉林延吉133000)

生境指生态系统可以提供给物种生存繁衍所需条件的潜力，是一种重要的生态系统服务，生境质量决定了生物栖息地的适宜程度，对生物多样性保护具有重要的作用[1]。土地是地球表面各类生态系统的载体，土地利用的强度和结构的变换深刻影响着生态系统内部的结构与功能，进而导致生境质量的演变[2]。城镇化、工业化步伐的快速推进以及现有资源配置的流动性强度不断提升对区域土地利用方式和景观格局产生了深刻的影响[3]，典型的陆地生态系统土地利用变化过程如：城镇化进程中对周围耕地、湿地等生态空间挤占[4]，自然资源开采、毁林开荒等对森林生态系统侵占都会加剧生境破碎化[5]，都会严重影响生态系统物质循环和能量流动等关键生态过程，进而导致区域生态系统服务功能退化甚至丧失。因此，基于土地覆被变化的角度，研究区域生境质量的时空演变特征具有重要意义，对区域生态保护提供有效的举措。

当前，国内外学者基于土地覆被变化对生境质量的影响，主要聚焦在2个方面：1) 基于景观格局框架下的指标体系，通过定量采取特定流域、地区的动植物，获取生境质量参数，在此基础上探讨土地覆被变化对局域生境质量的影响，如刘华等[6]对太湖流域宜兴片河流生境质量评价展开调查评估，杨建强等[7]对莱州湾地区生境质量展开调查评估，但是该数据的采集成本较高，不适宜开展大规模的生境质量评价。2) 基于模型模拟的手段，量化生境质量对土地覆被变化的响应。InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offis)模型作为应用最为广泛的生态系统服务评估模型，其中的生境质量模块(Habitat Quality-Model)将土地覆被同生境威胁源建立联系，根据不同的生境对威胁源的响应程度评估不同景观格局下的生境分布和退化情况，计算得出生境质量和稀缺程度，可以反映该区域的生物多样性[8]。该模型以土地覆被数据为基础，不仅关注物种本身分布的绝对数量，可快速将区域生境质量的演变在空间上可视化，因而在近年来的研究中被学者广泛应用在土地覆被与生境质量的研究上[9-10]。如包玉斌等[11]运用InVEST模型对陕西省黄河湿地自然保护区的生境质量时空演变分析，赵雪等[12]利用LUSD-urban模型分析河北怀来城市扩张对湿地影响的情景进行模拟研究，吴楠等[13]利用InVEST模型对安徽省省域生境质量的时空演变进行分析，马桥等[14]利用SoLVES模型对沪灞湿地公园和洽川湿地公园进行湿地生态系统服务价值评估，黄木易等[15]利用InVEST模型与景观格局指数耦合分析对皖西大别山区的生境质量及景观格局进行评估和分析，周荣等[16]基于灰色模型对湖北省土地进行生态安全评价。同时也有研究将InVEST模型同土地覆被的模拟相结合对过去[17]和未来[18-19]的生境质量展开评估分析。

吉林省境内地貌类型多样，野生动植物资源丰富，生态系统生产力高，是东北地区重要的生态屏障。该文综合已有的研究基础，以吉林省为研究区，通过InVEST模型中的生境质量模块，基于土地覆被的数据对2000、2010和2018年3个时段吉林省的生境质量指数进行模拟，并进一步分析和评估生境质量的演变过程，探索生境质量对土地覆被变化的响应。该研究能够为吉林省生态空间保护、修护和土地利用规划提供科学参考和决策依据。

1 研究区概况

吉林省(40°52′～46°18′N，121°38′～131°19′E)地处我国东北中部，土地面积18.74万km2(图1)。该区位于中纬度地区，属温带大陆性季风气候区，高温期与多雨期一致，年平均温度为4～6 ℃，年平均降水量为400～600 mm。春季干燥多大风，夏季炎热多雨，秋季凉爽，冬季寒冷且漫长，季节分异明显。该区光照、热量、水分等都存在明显的季节变化和地域分异。区内河流众多，主要有绥芬河、图们江、辽河、松花江和鸭绿江5大水系。此外，吉林省境内自然资源丰富，森林覆盖率高达42.5%[20]，区内有东北虎、豹、丹顶鹤等多种国家一级保护动物，草地资源也很丰富。

吉林省行政区划现辖1个副省级市长春，7个地级市分别为吉林、四平、通化、白山、辽源、白城、松原，还有延边朝鲜族自治州和长白山管委会。截止到2021年，吉林省人口总数为2 407.35万。近年来，吉林省经济发展平稳进行，在1990—2018年，吉林省地区生产总值由425.28亿元增长为15 704.62亿元，29年间增长35倍，同时吉林省城镇化率也由1990年的39%提升至2018年的57.73%，城镇化率不断提高[21]。

2 研究方法

2.1 数据来源及方法

该文采用的数据主要包括土地覆被数据、DEM数据和行政边界数据。土地覆被的数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.Resdc.cn)的中国土地覆被现状遥感监测数据库，选择2000、2010和2018年3期土地覆被数据，其空间分辨率为30 m[22]，同时利用ArcGIS软件中的重分类，将其24个二级地类重新分类为耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用土地6个一级地类。DEM数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，空间参考与土地覆被保持一致，其空间分辨率为30 m。吉林省各类禁止开发区仅添加省级(含)以上，共计8大类，自然保护区等矢量图层来源于吉林省人民政府网(http://www.jl.gov.cn/)发布的《吉林省主体功能区规划》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地覆被变化分析

在ArcIS10.5中，将吉林省土地覆被数据进行Combine计算，进而得出转移矩阵。为了深入研究土地覆被动态变化的强度，在此基础上，采用转移概率矩阵模型[23]：

(1)

式中，Sij为i类土地覆被转变为j类土地覆被的面积；Pij为i类土地覆被转变为j类土地覆被的转移概率；n为土地覆被类型分类数量。

2.2.2 基于InVEST模型生境质量评价

InVEST模型生境质量模块用于评估威胁源对生境的不利影响，计算生境退化度，并在生境适宜度和生境退化度的基础上来计算生境质量[24]。根据模型特定参数的要求设定威胁源和生境类型，根据实际情况耕地和建设用地(乡村、城镇和工矿用地)，人类活动最为密集，对土地覆被的影响也最大，因此将耕地和建设用地设置为生境质量的威胁源，剩余地类代表不同的生境类型。生境质量模块根据生境的适宜度、胁迫因子的强度及敏感度综合起来评估生境质量[25]。具体的计算过程如下：

(2)

(3)

(4)

式中，Dxj为生境退化度指数，表现为生境受到威胁时的退化程度；R为威胁源数量；Wr为权重；Yr为威胁源的栅格数；ry栅格单元上威胁因子数量；irxy为威胁因子的影响范围；βx为威胁源对栅格x的可达性，1表示极容易达到；Sjr为景观j对威胁因子r的敏感度，该值越接近1越敏感；dxy为栅格x与栅格y之间的直线距离；drmax为威胁因子r的最大影响范围。在此基础上计算生境质量：

(5)

式中，Qxj为景观j中x栅格生境质量指数；Hj为景观j的生境适宜度，取值范围为[0,1]；k为半饱和常数，其大小为栅格大小的1/2，故该文设定为15；z为尺度参数，一般设置为2.5[1]。

模型中所涉及的参数与吉林省的实际情况相结合进行调整，参照InVEST生境质量模块的实例，结合杨志鹏[26]、杨洁[27]、王蓓等[28]对威胁因子和对生境适宜度对不同威胁源的相对敏感程度赋值，并根据保护区的实际状况及相关专家建议，对相应参数进行赋值(表1,2)。

表1 吉林省威胁因子权重

2.2.3 热点分析

该文主要基于ArcGIS 10.5中的Spatial statistics tools对Hot Spot进行指数计算，对吉林省生境质量的空间集聚状况及分布特征进行分析。相应计算公式参考相关文献[29]。

3 结果与分析

3.1 土地覆被变化

2000—2018年，吉林省土地覆被类型一直以林地为主，其次为耕地，合计占吉林省总面积的84%以上，是吉林省土地覆被的主要构成。2000—2018年吉林省土地覆被转变最显著的趋势是耕地和建设用地的面积不断扩张。其中，耕地面积从75 229.5 km2变为76 541.2 km2，增幅为1.74%，年均增长0.09%；建设用地面积从6 573.0 km2变为8 011.9 km2，增幅为21.89%，年均增长1.15%。另一方面，水体面积出现波动，前10年水体面积大幅减少，由4 872.6 km2减少为4 158.5 km2，减少14.65%，后8年面积又有所回升变为4 494.5 km2，增幅为8.08%。草地面积呈现出持续下降的趋势，面积减少了1 050.6 km2，减幅达到了13.3%。

通过构建18年间吉林省土地覆被类型转移矩阵，可得林地和耕地面积波动较小，分别有9%和15%左右的面积发生变动；水域和建设用地分别有32%和44%左右发生变动。18年间土地覆被变化的主要趋势有：1) 林地有5 899.6 km2、草地有1 756.9 km2转变为耕地，这种转变反映了人类活动加剧了对生态空间的挤占，更为显著的耕地挤占则发生在乡村周围;2) 耕地有2 894.6 km2转变为建设用地，该转变说明吉林省在经济发展的过程中城市化的逐步推进，从而导致建设用地的扩张;3) 耕地、林地和水体向林地的转化面积也较大，这反映了近年来对生境保护的重视和生态修复的成效;4) 耕地有632.7 km2转变为水体，水体有704.1 km2转变为耕地，水体和耕地之间的彼此转换，是农业围垦和退耕还湿二者之间的相互博弈;5) 土地的流转主要发生在长春市的南部、白城市的西北部和白山市的东部(图2)。

3.2 生境质量时空演变过程

将相关参数导入InVEST模型中运行，得到吉林省2000、2010、2018年3期的生境质量分布，计算不同年份的生境质量平均值。InVEST模型通常用生境质量指数来表示生境的状况，该指数在栅格图层中为0～1连续变化的量，在该区间内值越大说明生境质量越好，就相对越完整，并具有相应的结构和功能，有利于生物多样性的维持[30]。

为了更加清晰明了地展现出生境质量的空间演变规律，运用ArcGIS软件中的自然断点法将其分为5个等级(图3)，0～0.2定义为差，0.2～0.4较差，0.4～0.6中，0.6～0.8良，0.8～1优，统计了各等级生境质量占比和指数平均值(表3)。结果表明:吉林省3期生境质量平均值分别为0.739、0.736和0.729，生境质量呈逐步下降的趋势。吉林省林地面积18年以来占比相对稳定，故吉林省生境质量的变动幅度较小。在评估的3期数据中，优等面积和中等面积占比稳定，优等面积为952 294.5 km2，稳定在50%左右，中等面积为7 618.5.6 km2，稳定在40%左右，良等面积为12 379.8 km2，占6.5%左右，差等面积为7 618.4 km2，占比在4%左右，而较差等的生境质量18年间未发生变动，面积为3 809.2 km2，仅占比0.02%。18年间，各个等级的生境质量占比变化不大。优等占比减少和差等占比上升的一部分原因在于林地、草地在城市化的进程中被建设用地的侵占；另一部分原因在于湿地被围垦以及随着全球气候变暖湿地的退化；中等占比增加的原因在于耕地面积的扩张，以及吉林省生态保护政策的推动。

表3 吉林省各期不同等级生境质量占比及生境质量平均值

从空间尺度来看，林地、草地、未利用土地和水域集中分布的区域生境质量状况好，建设用地和耕地生境质量状况较差。生境质量最差的区域主要集中在省会长春和吉林市的市中心附近。由于生境质量与当地景观基质的生境适宜度具有正相关的关系，而天然环境的生境适宜度指数高于半人工和人工环境，因此模型模拟得出的生境质量的空间状况与当地的土地覆被具有高度的一致性，从总体上来看，林地、草地、未利用土地和水体区域的生境状况较好，耕地、城镇生境状况较差。将县(市、区)矢量界限与生境质量图层叠加，利用ArcGIS软件中的分区统计(Zonal Statistics)其指数平均值，并以2018年为例，对研究区60个县(市、区)的平均生境质量进行分析，结果表明，平均生境质量为优等的县(市、区)共计20个，主要分布在东部地区的延边朝鲜族自治州、白山市全境，吉林市和通化市境内；良等的县(市、区)共计16个，主要分布在西部地区的白城、松原境内和中部地区通化市的北部及辽源市境内；中等的县(市、区)共计20个，广泛分布在长春市、四平市境内，部分分布在松原市和白城市附近；较差的县(市、区)共计3个，主要分布在长春市的宽城区、朝阳区和四平市的铁西区；差等的县(市、区)共计1个，仅分布在长春市的绿园区。原因就在于绿园区的土地覆被类型主要以建设用地为主，该区是长春市重要的机械制造基地，林地、草地等天然环境在多年人工的改造下转变为建设用地，天然环境分布稀疏且破碎化程度高。而吉林省的东部山区大面积被林地覆盖，其长白山区域分布有成片的原始森林，生物多样性丰富，生境质量状况优，同时东部地区受经济发展的影响城镇用地扩张有限，对于生境的胁迫作用相对较弱。中西部地区耕地广布，且中部地区是经济发展的热点区域，高强度的人类活动对于生境的胁迫作用强烈，因此整体生境质量状况不高(图4)。

3.3 空间自相关分析

空间热点探索可揭示生境质量在空间上的分布特征[11]，为进一步探索吉林省生境质量在空间上的分布特征，该文基于Hot Spot Analysis对吉林省的生境质量进行空间自相关分析，通过分区统计将县域尺度的2000、2018年生境质量值进行统计，将两期生境质量相减，得到县域尺度2000—2018年生境质量变化状况，然后通过Hot Spot Analysis对县域尺度的生境质量变化进行分析。经过Hot Spot Analysis能展现出吉林省生境质量在空间上的冷热点区域。研究表明，吉林省的生境质量变化状况在空间格局上表现出局域集聚的特征(图5)，生境质量变化的冷点区主要集中在省会长春市附近，生境质量变化的热点区仅有1个四平市的龙潭区，省内其余地区生境质量变化空间集聚状况不显著。

4 讨论

基于上述的研究该文得到吉林省2000—2018年生境质量指数呈逐渐下降的趋势，这是由于18年来吉林省城市化的进程处于高速发展的阶段，在此基础上人类活动的范围更加广泛，通过构建转移矩阵可知建设用地和耕地加剧了对林地、草地和水域的侵袭，从而导致生境状况的逐渐变差。但研究区的生境质量一直处于较高水平的状态，一方面是因为研究区的景观基质林地的面积波动较小；另一方面是近年来吉林省生态保护政策如东北虎豹国家公园的建立、长白山区水林田湖草生态修复工程、查干湖水林田湖草生态保护修复工程的实施取得一定的成效，从而使得研究区在受到人类活动高强度的干扰下，生境质量仍处于较高水平的状态。

相比以往的生态系统服务的评估模型，InVEST模型结合了GIS和RS的优势，更直观地将结果展示出来[31]，为生境评估的可视化提供了一种新的方法。模型中部分参数的设置依靠专家经验进行赋值，在一定程度上增加了模拟结果的主观性，但并不会波及研究区整体的生境质量变化趋势。该文的研究仅关注生境质量对土地覆被变化的响应，且威胁源只包含了城镇、工矿、耕地和农村居民点，种类偏少，对于不同生境胁迫的内在机理研究相对滞后，导致研究区的生境质量定量分析存在一定的局限性。在未来将继续深入研究模型参数验证与参数设置的合理性，加强生境质量与高程、景观格局等因素的耦合分析，探索生境质量变化的过程机制，为区域生态保护提供切实有效的理论依据。