基于土地利用变化的山西沿黄丘陵沟壑区生境质量的时空演变——以柳林县为例

张 徐，吕春娟，白 冰，毕如田，夏 露，许彩彩，孙 波

（1.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801；2.北京市科学技术研究院 资源环境研究所，北京 100089）

近年来，随着人口增加，城市化进程推进和工农业生产的不断扩大，人类活动对土地利用的方式、强度和格局负面影响不断加剧，严重影响区域生态系统功能、结构和空间。土地利用方式的转变是通过影响生境斑块之间的物质流、能量流循环过程，进而威胁生物多样性的维持[1-4]。生物多样性的保护是由维持生物栖息地的适宜性程度的生境质量决定的，因此，评估生态系统为生物个体和种群提供生存繁衍所需条件能力的生境质量（Habitat quality）[5]是生物多样性保护、生态环境保护和自然资源合理利用的基础[6]，对区域可持续发展具有重要的作用。

目前国内外学者基于土地利用变化对生境质量的研究，根据其研究方法和手段的不同，大致可以分为2种，一种是基于实地调研获取基础数据，构建评价指标体系然后采用层次分析法进行评估[2]，该方法评估需要大量的人力物力财力，甚至存在一些数据不能获取、获取不准确等缺点；另一种是随着3S技术等数理模型的发展，InVEST[7]、SolVES[8]等模型被用来评估生境质量，其中，In VEST模型具有空间化、动态化、可视化、数据易获取和可预测等特点，因此在评估生境质量时被广泛应用[9]。学者利用模型研究土地利用变化对生境质量的影响，集中于对生境质量的评估、模拟、预测，其中包玉斌等[10]评估生境质量特征，分析黄河湿地自然保护区生境质量的现状与退化程度；褚琳等[11]模拟预测2020年生境质量的分布特征，分析不同时期景观格局特征变化下生境质量的变化与分布；钟莉娜等[12]探究改变土地利用状况的建设活动对生境质量的影响，分析土地整治前中后生境质量的状况以及变化特征；和娟等[13]对比分析人工干预、自然生长等不同土地利用状况模式的生境质量差异性，设置自然发展、生态保护、耕地保护3种情景模式，探究不同模式下土地利用变化和生境质量演化。总之，大多学者基于土地变化探究不同时期自然发展状态或者模拟人为干预等保护模式下的生境质量状况；从研究区来看，主要关注自然保护区等生态功能重要区域，而对于水土流失、土地沙化、石漠化、盐渍化等生态环境敏感脆弱区域的生态环境质量研究较少。

柳林县位于黄河中游沿岸的黄土丘陵沟壑区，是黄河多沙粗沙国家级水土流失重点治理区，水土流失严重，生态环境脆弱，水资源紧缺，矿产资源丰富，长期依赖煤炭资源，矿产资源的开采、基础设施的快速建设等使得原本脆弱的生态状况进一步退化，严重影响黄河水沙关系，制约当地生态保护和发展。

本试验以沿黄区典型的资源经济型县域柳林县为研究对象，基于土地利用变化和景观格局演变，将In VEST模型的生境质量评估能力与ArcGIS的空间分析能力相结合，科学评估生境质量的时空演变特征，旨在为柳林县的国土空间规划及黄河流域的生态保护和高质量发展提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

柳林县位于东经E110°39′45″~110°05′33″，北纬N37°08′53″~37°37′28″，地处山西省中西部，吕梁山西麓，黄河东岸，隔黄河与陕西省吴堡县相望，是山西的西大门，辖八镇七乡，国土总面积为1 288 km2（图1）。柳林县属于暖温带季风气候，年均降雨量456.3 mm，蒸发量1 200 mm。柳林县属于吕梁山生态脆弱区，其海拔高度为607~1 522 m，随基岩倾斜方向由东向西递减，形成了山地、丘陵、台地、平原等地貌类型。县城夹于两山之间，仅有三川河沿线的县城地势平坦，其他区域为山地、丘陵和台地。山地主要地类为林地和其他用地，丘陵主要地类是耕地和草地，台地主要地类是有林地和园地，平原主要地类是城镇及工矿用地。

柳林是华北地区通往大西北的交通枢纽，是秦晋的交通要道；同时柳林矿产资源丰富，是煤炭储存量占总面积的62%的煤储大县，焦煤产业是第一主导产业，也是山西煤电铝材产业发展试点县；黄河一级支流的三川河沿城穿过，河谷中广泛分布着岩溶地下水——柳林泉，但采煤漏水破坏了水资源环境，三川河河流水质为劣五类，水生态形势十分严峻，水资源管理任重道远；生物资源主要为其他草地和其他林地，黄土裸露，植被覆盖度低，生境质量差。黄河流域在我国生态安全和经济社会发展中具有重要的全局性和战略性地位[14]，柳林县地处黄河中游沿岸，因此，研究柳林的生境质量对黄河流域的生态保护和高质量发展具有重要的意义。

1.2 数据来源

2008、2018年的土地利用现状图数据，来源于柳林县2008、2018年土地利用变更数据库，由于涉及到2008、2018年的土地利用现状图，为达到土地类型的统一，按照我国土地利用现状分类标准[15]，划分为8个一级类，23个二级类（表1）。考虑研究区面积及景观破碎度，研究采用30 m×30 m的栅格数据作为评价单元，地貌类型数据采用中国科学院资源环境数据中心的《中华人民共和国地貌图集（1∶100万）》数据。相关性分析、冷热点分析和图形生成通过Arc GIS 10.4.1完成。

表1 土地利用分类Tab.1 Land use classification

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用变化及景观格局评估方法 首先基于Arc GIS平台计算出2008—2018年土地利用的数量转化，通过土地利用转移矩阵分析研究区各地类与土地类型转移的趋势，并运用Fragstats 4.2评估景观格局特征。

景观格局指数反映景观的形状、比例、相关性等空间结构特征。基于景观格局视角选择面积指标最大拼块所占景观面积的比例（LPI），密度大小与差异指标斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、平均斑块密度（AREA-MN），聚散性指标蔓延度（CONTAG），多样性指标香农多样性（SHDI）、均匀度指数（SHEI）等7个指标。景观格局指数用Fragstats操作完成，指标的生态意义参考文献[16-18]。

1.3.2 基于In VEST生境质量评估方法 In VEST是美国自然资本项目组开发的、用于评估生态系统服务功能及其经济价值、支持生态系统管理和决策的一套模型系统，采用生产函数的方法来量化和评估生态系统服务[19]。In VEST模型Biodiversity模块是建立威胁源与生境类型之间的关系，通过分析各种生境类型的范围和这些类型各自的退化程度来表达生境质量，然后根据生境质量的优劣程度评估生物多样性的状况[20]。

本研究中，威胁源设定时充分考虑了柳林县的实际情况，选择以威胁生境的地类为威胁源。柳林是华北地区与大西北的交通枢纽，纵横交错的交通运输用地阻断了景观流的联通，威胁生物多样性，因此作为威胁源；柳林县广泛分布着柳林特有的柳林泉，并且全县被黄河支流三川河流域自东向西贯穿，其中建设的水利工程在一定程度上也对生物多样性产生了影响，因此，将水工建设用地作为威胁源；柳林矿产资源丰富，煤矿是柳林多年的支柱性资源产业，矿产资源的开发利用直接造成生境的破坏，因此，将采矿用地作为生物多样性的威胁源；设施农用地、建筑镇、村庄、风景名胜特殊用地是人类较为聚集的地方，人为活动严重影响生物多样性，所以将其设置为威胁源；而耕地是人工干预和人类从事农业生产的主要场所，裸地自然禀赋差，生物难以生存，均确定为威胁源；其他地类作为生境类型。基于分析共确定11类威胁源，12类生境类型。生态威胁因子对生境质量影响程度差异是通过空间距离变量来测算，因此在确定威胁源后，需进一步确定各威胁源最大威胁距离、权重及衰减类型等参数[21]（表2），不同生境类型对威胁因子的敏感度也不同[22]，敏感度范围为0~1，0代表无敏感，1表示具有较高的敏感度，数值越高，敏感度也就越高（表3）。

表2 威胁源及其最大威胁距离、权重及衰减类型Tab.2 Threat sources and their maximum threat distance，weight and attenuation type

表3 生境适宜度及其对不同威胁源的相对敏感程度Tab.3 Habitat suitability and its relative sensitivity to different threat sources

首先计算生境退化度（Habitat degradation）。

式中，Dxj为生境类型j中x栅格的生境退化度；R为威胁因子个数；Wr为威胁因子的权重；Yr为威胁层在地类图层上的栅格个数；ry为威胁因子的强度；irxy为威胁因子对生境的威胁水平；βx为法律保护程度；Sjr为j类土地类型对威胁因子的敏感性大小；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的最大影响范围。

在此基础上计算生境质量（Habitat quality）。

式中，Qxj为生境类型j中x栅格的生境质量指数；k为半饱和常数，即退化度最大值的1/2；z为模型默认参数；Hj为生境适宜度；Dxj为栅格x的生境退化度。

模型的使用具有普适性，针对研究区特殊的地形地貌特征，需要调整InVEST模型相关参数。因此，模型在参考指导手册的基础上，参考国内外类似地区的研究[2,20]，采用Delphi综合确定各项参数的值（表2、3）。

1.3.3 生境质量空间自相关分析及冷热点分析生境质量空间自相关是指生境质量在不同空间位置上的相关性或互相依赖程度，空间自相关分为全局自相关和局部自相关，生境质量的全局自相关可以描述整个研究区生境质量的相关性[23]，采用值域为[-1,1]的Moran指数来评估，值越大表示相关性越大，值域为正表现为正相关，即生境质量较高或较低的区域在空间上呈集聚状态；值域为负表现为负相关，即该区域的生境质量与邻近的区域存在空间差异，0表示随机分布。生境质量局部自相关可以帮助分析整个大区域范围内局部小区域空间属性的异质性特征，计算每个空间单元与邻近空间单元生境质量的相关性程度[24]。通过采用空间关系局域指标LISA（“H-H”表示单元自身与相邻单元生境质量较高；“L-H”表示单元自身生境质量低，相邻单元生境质量较高；“H-L”表示单元自身生境质量高，相邻单元生境质量较低；“L-L”表示单元自身与相邻单元生境质量较低）来识别柳林县每个栅格生境质量与邻近栅格生境质量的差异性与相关性，揭示生境质量的局部相关性与离散性。

生境质量冷热点分析指区域聚类分布特征，高密度簇的生境质量值为热点，低密度簇的生境质量值为冷点[25]。通过采用Getis-Ord G*指数研究冷热点[20]，主要是计算某个栅格生境质量值及周围栅格生境质量总和与所有栅格生境质量的总和进行对比，分析生境质量的局部集聚特征。G*为显著正时，存在生境质量值的高密度簇，为热点区域；G*为显著负时，存在生境质量值的低密度簇，为冷点区域。

2 结果与分析

2.1 土地利用变化分析

柳林县2008、2018年土地利用类型分布表明耕地、林地和草地均是主要的地类，三者之和约占总面积的87%以上，构成了该研究区的景观基质。柳林属于丘陵沟壑区，沟壑内多为其他林地和其他草地，其他林地占到林地面积的80%以上，其他草地占草地面积的90%以上，因此，林地的优势地类为其他林地，草地的优势地类为其他草地，林地和草地的质量均不高。

构建土地利用转移矩阵进一步分析10 a来土地利用变化情况（表4）。2008—2018年城镇及工矿用地减少面积最大为67.17 hm2，减少了0.83%，主要转化为耕地和草地；水域及水利设施用地减少28.67 hm2，减少了1.72%，主要转化为草地和耕地；林地、耕地、草地均有不同程度的增加，其中，林地增加面积最大（67.09 hm2），增幅也最大，为0.27%，主要来自于耕地和草地的转化。2008—2018年，柳林县各地类均发生不同程度的变化，主要表现为城镇及工矿用地、水域及水利设施用地转向林地、耕地、草地。

表4 2008—2018年柳林县土地利用转移矩阵Tab.4 Land use transfer matrix of Liulin county from 2008 to 2018 hm2

2.2 景观格局演变特征

类型水平上的景观指数，是描述不同景观指数类型的特征，通常用NP、PD、LPI等表示[21]，2008—2018柳林县类型水平上景观指数变化如表5所示。其他草地和其他林地的NP、PD远大于其他土地类型，主要以小面积的斑块形式存在，破碎化程度加剧，且其他草地和其他林地LPI是最高的，说明其他草地和其他林地是柳林的优势景观。虽然林地面积大幅增加，但灌木林地和其他林地NP、PD逐年增加，导致AREA-MN下降，造成斑块破碎化程度加剧，斑块形态趋于复杂化，这是由于退耕还林和吕梁山生态脆弱区治理工程等实施造成斑块变化的结果。

表5 2008—2018年柳林县类型水平上景观指数变化Tab.5 Type level landscape index changes of Liulin county from 2008 to 2018

景观水平上的景观指数，是描述整个景观尺度上的特征，通常用AREA_MN、CONTAG、SHDI、SHEI和FN等表示[21]。从表6可以看出，蔓延度10 a间上升0.21%，表明这一时期柳林主要地类的连通性有所上升。SHDI和SHEI分别从2008年的1.662 6、0.530 3减小为2018年的1.652 6和0.527 1，10 a间SHDI减小幅度为0.6%，反映出各组分差异变大，景观异质性降低，景观组分趋于不平衡发展，10 a间SHEI减小幅度为0.6%，说明柳林县多种优势景观在小幅降低，对景观整体的控制作用在减弱。总之，柳林县景观破碎格局加剧，斑块形态趋于复杂化，景观多样性和异质性降低。

表6 2008—2018年景观格局指数变化Tab.6 Changes in landscape pattern index from 2008 to 2018

2.3 生境质量时空变化特征

生境质量高低代表生物多样性的状况，为了更好地分析生境质量的变化，依据Natural Breaks将生境质量分为高、较高、中、较低和低5个等级（表7），可以看出柳林县生境质量存在区域差异（图2）。生境质量的空间分布特征基本与土地利用现状吻合，城镇及公路用地的土地类型生境质量较低，林地和草地的土地类型生境质量较高。

表7 2008、2018年柳林县生境质量分级Tab.7 Habitat quality classification of Liulin county in 2008 and 2018

基于空间格局上来看，生境质量整体呈现为“各等级生境质量全域交互分布、局部集中”的空间分布格局，具体表现为东北部及东南部高等级生境质量局部集中，中部县城低等级生境质量带状分布，其余空间高低等级相间分布。生境质量低等级主要分布在柳林县北部和城中心区域，面积占比最大，为44%，对应的景观类型主要为交通用地和城镇用地，主要是由于人类活动频繁，生物生存的生境严重破坏，针对该区域特征可以通过沿线公路进行绿化美化，城镇区域可以建设公共休闲绿地的方式提高生境；较低等级所占面积最小，仅为0.2%，零散地分布于城市中心区域和西南角的柳林镇和三交镇；境内中等级生境质量面积占比2.9%，主要分布于西南部的薛村镇、石西乡和三交镇，是因为该区域以草地和园地利用为主；生境质量为较高等级与低等级的区域，表现为相间分布特征，这是因为该区域沟坡存在一些原生林地以及人工护坡种植的防护林，生境质量为较高等级区，沟谷主要为荒草地，植被覆盖度低，生境质量为低等级区；高等级的生境质量地区大部分集中在东部和东南部的柳林镇、陈家湾乡、庄上镇和金家湾乡，均是由于这里存在大量的林地斑块，甚至出现连片的林地，使得这里树木茂盛，郁闭度高，植被覆盖度高，生境质量较好。生境质量指数在0.8以上的区域主要分布在国营林场龙王塔和元昌山一带的九沟十八洼，自然环境优越，生物多样性丰富，同时政府支持该区域的生态保护，因此一直保持着较高的生境质量。从地貌类型来看，柳林县呈现出山地平均生境质量较高，台地和丘陵生境质量次之，平原生境质量较差的趋势，由于柳林县位于丘陵沟壑区，沟壑较多，平原区域稀少，平原区域较多作为居民点，人类活动频繁，破坏生境质量，因此生境质量较低；而山地由于海拔较高，林地多，斑块面积大，蔓延度高，连通性好，人为干扰少，因此，山地生境质量较高（图2、表8）。

表8 2008—2018年柳林县不同地貌特征的平均生境质量变化Tab.8 Changes in the average habitat quality of different landforms of Liulin county from 2008 to 2018

基于时间尺度上来看，柳林县的生境质量指数从2008年的0.376减少为2018年的0.375，基本上没有明显的降低（表7），但是生境质量不同等级面积占比却呈现出一定的变化，2008—2018年，低级、较低级、中级和较高级的生境质量地的面积所占比例出现不同程度的增加，分别增长了0.078%、0.010%、0.045%和0.133%；而高级生境质量下降了0.258%。这一时期主要是部分生境好的林地、草地转化为耕地，而土地整治、退耕还林等工程增加的林草地生境质量尚在恢复期，达不到高等级质量，导致生境质量有一定的降低。从地形地貌特征来看，其中，平原地区生境质量值减少幅度最大，从2008年的0.318减少到2018年的0.315，变化率为0.980%。其次是丘陵区，从2008年的0.328减少到2018年的0.326，变化率为0.558%。台地和山地平均生境质量减少幅度小，平原区平均生境质量减少幅度大，可能是因为平原区多为人类居住的城镇，城镇的发展，人类活动丰富，导致平原区生境质量比其他地貌区退化严重，台地和山地人类活动少且存在一些生境类型的地类导致生境质量退化度低。

2.4 生境质量空间自相关分析

柳林县的全局自相关分析可知，柳林县2008—2018年生境质量的Moran指数由0.094增加为0.121，表明该县生境质量在空间分布上正相关，且生境质量的空间集聚性有所增强（图3）。

由图3可知，柳林县生境质量大部分区域局部空间不相关，“H-H”集聚区主要分布东南部的其他林地，主要位于柳林镇的山地，表明该区域生境质量良好，生物多样性高。2008—2018年“H-H”集聚区分布面积小幅增加，表明该区域高等级生境质量呈现扩展的趋势，有利于水源涵养，减少入黄河泥沙。“L-H”集聚区域主要位于北部和西南部，为孟门镇、成家庄镇和高家沟乡；“H-L”集聚区主要分布于柳林县的东南部，主要位于陈家湾乡和金家庄乡，2个区域均属于低等级和较高等级生境质量的区域，集聚效果差。“L-L”区域未出现明显的集聚，表明该区域生境质量处于较低水平。

2.5 生境质量冷热点分析

柳林县生境质量空间冷热点分布呈现出“北热南冷”的格局（图4）。热点区域主要分布于西北部和东北部，这一区域主要包括孟门镇、成家庄镇、柳林镇和李家湾乡，这一区域植被覆盖度高，主要地类为林地，生境质量普遍较高；冷点区域主要分布于南部和东南部，以陈家湾乡、金家庄乡和留誉镇为主，植被稀疏，植被覆盖度低，主要地类为其他草地和旱地，生境质量普遍较低；柳林县中部存在大量的不显著，这些区域主要分布着大量的柳林县居民点、三川河及其相应的水利设施和道路等，由于该区主要为威胁因子，造成该区生境质量较低。

从时间变化来看，2008—2018年，西北部的热点的聚集性降低，热点区域全部转变为次热点区；东北部的热点范围有所下降，存在部分冷点转为次冷点的区域；中部地区冷点转为不显著，南部大部分冷点区域转变为不显著，小部分区域转变为冷点和热点。

3 讨论

3.1 土地利用变化对生境质量的影响

土地利用方式的转变将是环境影响的最大因素之一[26]，同时也成为生物多样性、生境质量降低的主要原因[27-28]。研究发现，2008—2018年柳林各土地利用变化幅度均低于10%，研究区平均生境质量基本上没有明显的降低，但低等级的生境质量提高，高等级的生境质量存在下降趋势。低等级的生境质量提高，主要是由于柳林部分区域土地复垦、生态修复项目的实施，使得部分工矿建设用地复垦为耕地，生境质量有所提高；而高等级生境区域是因为人类的开发利用导致林地转化为草地，草地转化为耕地，使生境类型等级降低或转化为威胁因子，生境质量降低。虽然土地利用变化幅度不大，但变化时引起斑块数量增加，平均斑块密度降低，导致斑块破碎化程度加剧和斑块形态趋于复杂化的情况可能分离生境斑块，通过降低景观的结构连接度，从而降低生境质量。由此看来，柳林虽然平均生境质量无明显变化，但柳林生境质量存在降低的风险。因此，为了维持和提高生境质量，柳林需要坚持对工矿用地进行生态修复，为了避免高等级生境质量的降低，未来需要对生境质量优越的区域设置保护，重视空间配置，从而保护生态服务价值。

3.2 分区生境质量差异分析

不同分类标准的划分会形成特定环境的区域，区域环境不同对应的生境质量也存在空间差异[29]。杨洁等研究表明[30]，黄河流域不同地貌类型的生境质量存在差异，高等级生境质量分布在人类活动不频繁的秦岭、太行山区等山地区域，较低等级主要分布在人类活动干扰程度高的关中盆地、渭河谷地以及黄河下游平原区，低等级分布于区域建设用地；黄河流域的生境质量具有不同程度的变化，高等级和较低等级生境质量提高，较低等级生境质量降低。本试验以研究区独特的地貌特征进行分类，探究生境空间差异，结果表明，柳林不同地貌特征的生境质量均下降，平原区生境质量下降较明显，山地区生境质量下降较小，反映出不同区域为生物提供生存的能力不同。究其原因，山地有大面积的林地覆盖，人类干扰强度小，生境适宜度高，生境质量下降较小。平原区分布着大量的人居生活设施，耕地面积减少，生境适宜性弱，导致生境质量比其他地貌区下降明显。平原多为城镇和村庄，只能通过增加道路沿线绿化和公共休闲绿地提高生境质量，提高能力有限；而丘陵和台地的地类多为其他草地和其他林地，可以通过补植退化林，人工栽植防护林提高生境质量，提升空间较大，因此，丘陵和台地区域是未来生态保护需要关注的地貌特征。由于不同区域存在生境质量差异，未来的保护措施需要关注局部区域的功能和特点，有针对性的保护，实现生态功能的优化。总之，决策者如何恢复生境质量、提高台地和丘陵区的生境、保护高等级生境不会退化是未来的关键。

4 结论

本研究结果表明，2008—2018年柳林县土地利用变化主要表现为城镇及工矿用地减少，发挥着重要生态服务功能的林地、耕地和草地增加，呈现城镇及工矿用地、水域及水利设施用地转向林地、耕地、草地态势。

2008—2018年景观斑块数量增加，景观破碎化升高；蔓延度指数处于上升趋势，景观整体优势斑块形成良好的连接，连通性有所上升；香农多样性指数也存在减少的趋势，表明各景观类型在景观分布中均衡化程度较低，景观异质性减弱；香农均匀度指数减少，说明区域内景观优势度在减少。柳林县景观破碎格局加剧，斑块形态趋于复杂化，景观多样性和异质性降低。

2008—2018年10 a间研究区平均生境质量从0.376减少为0.375，基本上没有明显的降低，但是各地貌类型的平均生境质量下降幅度不同，呈现平原地区生境质量减少幅度大，丘陵生境质量次之，山地和台地生境质量减少幅度小的趋势。柳林县生境质量的空间分布格局整体为“各等级生境质量全域交互分布、局部集中”，具体表现为东北部及东南部高等级生境质量局部集中，中部县城低等级生境质量带状分布，其余空间高低等级相间分布。

柳林县生境质量全局空间分布上具有正相关，柳林县生境质量局部空间关联类型特征为：大部分区域为不相关，“H-H”集聚区主要分布于东南部的其他林地，“L-L”零散的分布于柳林县境。柳林县生境质量空间冷热点分布呈现出“北热南冷”的格局。

未来柳林资源经济转型的发展势必会造成吕梁山生态脆弱区和当地生态系统的破坏，因此，在未来发展中追求经济发展的同时也要重视生态问题，尤其是需要针对不同地域特征和生境质量差异性调整与优化策略。