基于土地利用变化的永定河流域生境质量评估

刘 晔，薛 万 来

(1.河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056000； 2.北京市水科学技术研究院，北京 100084)

0 引 言

生境质量指生态环境能够为个体、种群或群落提供适宜生存发展的能力，开展区域生境质量调查对研究区域内生态安全与健康有着重要意义[1]。生境质量取决于栖息地与人类土地利用的接近程度以及这些土地利用的强度[2-3]。土地利用类型发生变化会直接改变区域内斑块之间生境结构、功能及完整性[4-5]，进而影响区域内整体生态系统服务功能[6]。因此，探索区域内生境质量与土地利用之间的关系对于区域生态服务系统的构建以及景观格局的优化具有重要的意义[7-8]。

科学认识评价流域生态环境基底状况是开展流域综合治理与生态修复的前提，国内外相关学者利用文献研究、实地调查、数字模型等方式开展了大量研究。InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型因其可视化，数据产品较容易获取等优点在全世界得到了广泛的应用。其中，生境质量模块(Habitat Quality)可快速得到不同格局下的生境质量分布情况，国内外学者运用该模块从退耕还林[9]、城市边界增长[10]、归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index NDVI)变化[11]等多方面，对绿洲、流域、高山等不同尺度[12-14]以及结合CA-Markov、Fragstats等情景模拟软件[15-16]对生境质量进行了研究与分析。如2019年马永强等[17]对宁夏彭阳县1995～2015年生境质量进行了分析，并通过模拟土地利用预测出2020年生境水平，结果表明该区域生态恢复策略的实施和建设成效显著。

永定河是“六河五湖”中的重要河流之一，永定河流域是贯穿京津冀生态功能区的天然走廊[18]。自20世纪80年代起，因上游来水减少、连续多年干旱等原因，永定河连续断流近40 a，流域内生境质量严重受损[19]。2016年国家发展改革委会同水利部、国家林业局等共同启动了永定河综合治理与生态修复总体方案，提出以流域为整体将永定河恢复为绿色生态河流。永定河流域相关学者对其生态状况也进行了大量的研究，2012年贾文娟[20]对永定河(河北至北京河段)流域基于土地利用，建立了包括生物丰度指数、土壤水分指数、水网密度指数等因子的生态环境质量评价体系，结果表明1978～2009年间，2000年生态环境质量相对较差。2020年王楚琦[21]分析总结了永定河流域落坡岭水库-大宁水库内景观空间格局特征的发展规律，结果表明永定河生态治理使得破碎度呈下降趋势。但在永定河范围内尚未见有关流域生境质量动态演变的研究，本文以永定河(官厅至屈家店河段)流域为研究对象，结合生境质量时空演变和土地利用景观格局变化，并结合人口、经济因子进行分析，深入识别生境质量演变规律及原因，以期为永定河生态系统服务功能健康格局与生态空间资源配置优化提供支撑和参考。

1 研究区概况

永定河是海河七大水系之一，发源于内蒙古高原的南缘和山西高原的北部，位于东经112°～118°，北纬39°～41°之间，流域面积4.70万km2。本文研究区域为官厅至屈家店河段，长约255 km，流域面积0.468万 km2，河流自官厅水库入三家店，自三家店进入华北平原，流经北京市、河北省廊坊市，至天津市屈家店。其中，从幽州入境至梁各庄为北京河段，长约170 km。研究区域属暖温带半湿润大陆性季风气候，冬夏两季气温变化较大。流域多年(1956～2015年)平均降雨量501 mm，降水年内分配极不均匀，大多集中在7～8月份[22]。研究区域如图1所示。

图1 研究区域地理位置及高程Fig.1 Location and elevation of study area

2 数据获取与研究方法

2.1 数据来源与处理

1985，1990，1995，2000，2005，2010年和2015年7期土地利用覆盖数据采用美国Landsat遥感影像，空间分辨率30 m。统一采用 CGCS2000_3_Degree_GK_CM_117E 坐标系。依据GB/T 21010-2017《土地利用现状分类》，建立土地利用类型二级分类体系，包括6个一级类别和17个二级类别，如表1所列。数据处理和图形生成通过 ArcMap 10.7 和InVEST 3.8.7软件共同实现。

表1 研究区土地利用分类体系Tab.1 Classification of land use in the study area

2.2 研究方法

生境质量的高低程度是由自然、经济以及人口等多重因素共同决定的，土地利用时空变化可直接反映人类活动与自然变化之间的和谐程度，是衡量生境质量的重要指标[23]；景观格局指标可表征土地利用结构功能是否协调；经济、人口等社会因素影响土地利用的格局变化，推动生态系统的发展[24-25]。因此，本文基于土地利用变化，结合社会因素，从景观格局水平综合评估研究区生境质量变化。

2.2.1土地利用景观格局分析

首先，分析研究区域土地利用类型的时空变化。其次利用Fragstats 4.2软件计算景观格局指数，进一步分析研究区域景观格局特征及演变趋势。基于类似研究[21，26-27]，选取的指数有斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、平均斑块面积(AREA_MN)、最大斑块指数(LPI)、聚集度指数(COHESION)、蔓延度指数(CONTAG)、香农多样性指标(SHDI)，如表2所列。

表2 景观格局指数描述Tab.2 Description of landscape indices

2.2.2InVEST模型

InVEST模型中的生境质量模块(Habitat Quality)结合了关于土地利用和对生物多样性的威胁信息，以绘制生境质量图估算整个研究区中栖息地和植被类型当前的状况及其退化状态[8]。每个栅格的生境质量取决于自身作为生境的适宜情况[28]，即生境适宜度，阈值范围0～1，越接近自然系统的生境适宜度越大，本文依据自然间断点分级法将其分为低(0～0.2)、较低(0.2～0.4)、中等(0.4～0.6)、较高(0.6～0.8)、高(0.8～1.0)5类，以此量化评估结果。计算公式如下：

(1)

式中：Qxj为土地利用类型j中栅格x的生境质量；Dxj为土地利用类型j中栅格x的生境退化度；Hj为土地利用类型j的生境适合度；k为半饱和常数，取Dxj最大值的一半；Z为模型默认参数，通常取值为2.5。

(2)

式中：r为生境的威胁源个数；ωr为不同的威胁源权重；ry为威胁源强度；irxy为威胁源对生境每个栅格的影响，可依据线性或指数衰退选择相应公式；βx为生境抗干扰水平；Sjr为每种生境对不同威胁源的相对敏感度。

(3)

式中：dxy为栅格x(生境)与栅格y(威胁源)的直线距离；drmax为威胁源r的最大影响范围。

其中，各胁迫因子的最大影响距离、在空间上的衰减类型和权重，以及各生境类型对胁迫因子的敏感度参考InVEST 模型手册[29]并结合相关文献[30-31]以及永定河流域实际情况来确定并进行赋值(见表3，4)。依据Invest模型手册，生境敏感度取值范围为0～1，1表示该生境对威胁源敏感度极高，0表示该生境对威胁源无敏感度。适宜度取值范围为0～1，1表示适宜度最高；其余生境越接近自然生态系统适宜度越大[32]，纯人工环境生境适宜度为0。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化

1985～2015年间，耕地和林地是研究区域的主要地类，占研究区总面积的75%以上，是流域基质的重要组成部分，其中旱地占比达50%以上。30 a来研究区域土地利用的主要变化是城镇用地的扩张以及旱地的缩减(见图2)，其中，城镇用地面积增加246.59 km2；旱地面积减少330.28 km2。此外，农村居民点和高覆盖度草地面积分别增加118.97 km2和53.85 km2；滩地和其他林地面积分别减少71.67 km2和53.56 km2；其他土地利用类型面积变化较小。

表3 研究区威胁源最大影响距离、权重及衰减类型Tab.3 Threat and its maximum effect distance，weight and spatial decay type in the study area

表4 研究区生境适宜度及其对不同威胁源的相对敏感度Tab.4 Habitat suitability degree and its relative sensitivity to each threat in the study area

运用ArcGIS 软件将1985年和2015年两组数据进行叠加，获得研究期内土地利用类型转移矩阵(见表5)。1985～2015年研究区内土地利用转移主要为旱地转建设用地，约426 km2的旱地转为建设用地。其中213 km2的旱地转为城镇用地，170 km2的旱地转为农村居民点，43 km2的旱地转为其他建设用地，这说明旱地是该研究区域建设用地增加的主要来源，且城镇用地面积增加最大。研究期内水田和未利用土地较为稳定，仅发生了很小数量的转移。

3.2 景观格局变化

3.2.1类型水平分析

在基于土地利用时空变化分析的基础上，对研究区景观格局变化情况进行分析，从而进一步探讨土地利用的变化(见图3)。1985～2015年间，疏林地、其他林地和中覆盖度草地的NP、PD数不断减少，AREA_MN和COHESION指数不断增加，说明这3种土地利用类型的破碎程度不断减小。旱地的LPI指数最高，说明旱地一直是研究区域的优势景观。有林地的LPI指数虽呈波动减小趋势，但数值仅次于旱地，一直是研究区域的第2优势景观。在2000年之后，建设用地的LPI指数迅速增长，它的NP、PD、AREA_MN、COHESION 指数均不断增长。农村居民点的NP和PD数是研究区域内最高的，它的AREA_MN、COHESION、LPI指数均整体上升。

图2 1985～2015年永定河(官厅至屈家店河段)流域土地利用分布及其变化Fig.2 Land cover distribution and changes of Yongding River (Guanting-Qujiadian section)from 1985 to 2015

表5 1985～2015年永定河(官厅至屈家店河段)土地利用类型转移矩阵

图3 类型水平的景观格局指数变化Fig.3 Landscape index changes on class metric

3.2.2景观水平分析

1985～2015年期间研究区域NP、PD呈波动上升趋势，AREA_MN和CONTAG指数的波动下降趋势说明在研究期间区域内破碎度程度升高，SHDI总体呈上升趋势，更进一步体现研究区域破碎度程度升高(见表6)。

表6 景观格局指数Tab.6 Landscape pattern index

3.3 生境质量评估

基于InVEST模型中生境质量指数来表征生境质量状况，并结合土地利用变化来分析生境质量对土地利用的响应，模型分析结果如图4所示。从图4可以看出：1985～2015年间生境质量空间分布特征明显，整体主要表现为北部高、南部混合、中部低的态势，生境质量低等地区面积逐渐扩大。生境质量分布与土地利用类型分布变化趋势大体一致，流域上游生境质量较高，以草地和林地等土地利用类型为主；流域中部地区生境质量较低，以城镇用地和旱地为主。由于城镇用地不断扩张，导致城镇周边生境质量较低地区面积逐渐扩张，进而周边生境质量指数稍高地区面积不断减少。在流域上游生境质量较高地区，伴随基础交通设施逐渐完善，建筑物如农村居民点的修建使得生境被分割，但变化程度相比城镇用地较弱。因此，城镇用地的增加是研究区域生境质量的最大威胁。从时间变化看，平均生境质量指数从1985年的0.612 2降低到2015年的0.571 1；1990，1995，2000，2005年和2010年整体生境质量指数分别为0.610 6，0.608 1，0.598 4，0.590 6和0.574 1，呈逐年明显下降趋势。生境质量指数的标准差从0.334 6上升至0.370 0，说明每相邻栅格单元间生境质量指数互异程度在增大(见图5)。

图4 1985～2015年永定河(官厅至屈家店河段)流域生境质量空间分布及其变化Fig.4 Spatial distribution of habitat quality of Yongding River Basin(Guanting-Qujiadian section)from 1985 to 2015

图5 不同年份生境质量指数Fig.5 Spatial statistics of habitat quality in different years

根据生境质量评估结果，对每个级别的面积和占比进行统计，如表7所列。1985～2015年低生境质量比例明显增多，从8.62%增加到17.16%，面积增加了399.58 km2；较低生境质量比例明显减少，从47.58%降低到40.52%，面积减少了330.29 km2，但仍是研究期内生境质量面积占比最高的等级；其他等级的生境面积变化相对较小，其中高生境质量和中生境质量比例分别减少了1.78%和1.54%，较高生境质量比例增加了1.84%。

表7 永定河(官厅至屈家店河段)流域不同年份各等级生境质量比例

为更深入了解研究区域1985～2015年生境质量变化的时空特征，使用 ArcGIS 得到了生境质量变化图(见图6)。从图6可看出：永定河(官厅至屈家店河段)生境质量上升区域面积较少，生境质量下降区域位于中部以下，尤其中部有较大面积下降。总体上看，1985～2015年生境质量下降区域主要位于中部，特别是北京市丰台区和大兴区，原因在于北京市近年来伴随着经济的快速发展，人口急剧增加，城市化进程快速推进[33]，人口持续增长使城镇用地快速增加，进而威胁周围自然生境，加速生境破碎、阻碍生境连通，最终导致研究区域内生境质量下降。

图6 1985～2015年永定河(官厅至屈家店河段) 流域生境质量变化空间分布Fig.6 Habitat quality change map of Yongding River Basin (Guanting-Qujiadian section)from 1985 to 2015

从生境质量变化图(见图6)可以看出：虽然研究区域整体生境质量呈下降状态，但是从卢沟桥至梁各庄河段河流岸线范围内的生境质量明显好转。为进一步分析流域内生境质量变化趋势，将永定河北京段河岸岸线范围内的土地利用图及生境质量指数图单独提取出来进行分析。

河流岸线内生境质量(见图7)从空间上看：1985～2005年生境质量值呈现中部低两端高的状态，低值区主要集中在中部平原北段，平原北段是北京市西南门户，人口密集，城市景观扩张导致植被覆盖面积减少，对河流岸线内生境造成影响。平原南段为地上河，滩地较多。北部山峡段，人口密度低，自然生态条件较好，植被覆盖度高，生境质量相对保持稳定。

图7 永定河河流岸线生境质量空间分布及其变化Fig.7 Spatial distribution of habitat quality of Yongding River

从时间上看，1985～2015年间生境质量低等及中等级面积下降，较低、较高和高等级面积有所增加，1985年中等级生境质量占比48.48%，较高等级占比4.48%，高等级占比22.36%；2015年中等级生境质量占比4.12%，较高等级占比50.82%，高等级占比23.65%。平均生境质量指数从1985年的0.610 2上升到2015年的0.727 7，其中最低值为1995年的0.539 1，最高值为2010年的0.728 2。

30 a间河流岸线内土地利用变化主要为滩地与城镇用地面积的缩减以及高覆盖度草地面积的增加，与生境质量指数呈相关趋势。由上述分析可知，生境质量明显变化时间段为2005～2010年。2009年北京市启动永定河治理工程，发布《北京市永定河绿色生态走廊建设规划》[34]，通过加强治污、沿河建设滨河绿带、在河道及两侧增建绿化保护带等措施，建立绿色河流生态系统。治理工程后生境质量明显提高，说明该工程颇有成效并取得了显著的生态效益。

4 讨 论

1985～2015年，研究区域旱地面积减少了330.28 km2，减幅达到7.03%，破碎度有所减小，其原因是由于人类活动及城市化的推进使城镇用地斑块不断扩大聚集，主要聚集在永定河平原北段且呈片状分布，占据了周边旱地，城镇用地成为旱地、有林地之后第三大优势景观。城镇用地的急剧扩张是导致研究区域生境质量下降的主要原因，这与韩会庆等[35]的研究结果相吻合。

基于上文对土地利用和生境质量的分析可知，城镇用地的增加是该区域生境质量变化的最大威胁。城市化进程的推进、人口的增加、经济水平的提升均是城镇用地增加的驱动力，因此通过对人口、经济变化的分析，进而分析研究区域生境质量变化的原因。

从人口因素看，北京市、天津市、河北省总人口都呈不断上升趋势。1985年三地人口分别为945.2万，798.9万，1 626.7万人，2015年分别为1 333.4万，1 016.7万，7 592.7万人，其中河北涨幅最大，年均增长率为61.12%，研究区域涉及到的张家口市及廊坊市年均增长率分别为69.56%和130.67%。1990～1995年间增长速率最快，期间生境质量指数下降0.41%，对生境质量变化影响不明显，原因是张家口市及廊坊市占总研究区域面积较小。北京市占研究区面积最多，在1995～2000年间人口涨幅最大，达到17.72%，期间生境质量指数下降1.6%。

从经济因素看，30 a间三地GDP增长了8 833.03%，9 312.21%，7 412.57%。第一产业均相对发展较缓，第二产业产值最高且发展较迅速，增长率为5 738.19%。第三产业发展最为迅速，增长率为12 366.86%。第二、三产业的高速发展，吸引大量外来就业人口，进一步增加了人口数量。

由图8可知：三地人口数和GDP的平均值与研究区生境质量指数成负相关，且与GDP的拟合度更高，为0.910 1。城镇用地面积与人口数和GDP均呈正相关，拟合度分别为0.899 3和0.726 2。说明城市化进程的推进，增加了人口数与GDP的同时使得城镇用地面积迅速扩张，侵占周边自然土地，增加研究区生境威胁，使得生境质量总体下降。

图8 社会因素与生境质量关系Fig.8 Relationship between social factors and habitat quality

1985～2015年，永定河(官厅至屈家店河段)流域生境质量从0.612 2降低到0.571 1，景观破碎程度总体呈上升趋势，与邓越等[34]对京津冀生境质量研究结果相一致。邓越的研究结果显示，2005～2015年京津冀生境质量下降，整体上景观破碎度增加，因城市扩张约有2 295.05 km2耕地转移为城镇用地，导致生境质量下降且生境质量较低区域GDP值普遍较高，与本文中GDP与生境质量指数成负相关，拟合度为0.910 1的结论相一致。香农多样性指数表明，2005年以后破碎化上升程度较之前有所减缓，2009年北京市积极开展的永定河治理工程提出建设绿色河流，促使人们主动保护绿化环境，减小人类活动对景观破碎度的影响。

因此，未来决策者在土地利用规划中应加强研究区内草地和林地等自然利用土地的保护力度，控制城镇用地面积，在协调好经济发展与生态保护的基础上，维持生境质量总体水平。

5 结 论

(1) 耕地和林地是永定河(官厅至屈家店河段)流域主要地类，占比达75%以上，是该流域基质的重要组成部分，其中旱地占比达到50%以上。土地利用变化中城镇用地急剧增加，面积扩张了246.59 km2，旱地急剧减少，面积缩减了330.28 km2，林地逐渐减少。主要的土地利用转变类型为旱地转城镇用地、农村居民点和其他建设用地，表明旱地是研究区内建设用地增加的主要来源。

(2) 1985～2015年期间研究区域内破碎度程度总体上升，在2005年后上升速率减缓。疏林地、其他林地和中覆盖度草地破碎程度不断减小。旱地一直是研究区域的优势景观，其次为有林地和城镇用地。

(3) 1985～2015年，研究区生境质量指数从0.612降低到0.571。生境质量指数分布具有显著土地利用变化效应，生境质量下降区域主要位于流域中部，原因是该区域城镇用地急剧扩张。河流岸线范围内生境质量整体呈上升趋势，主要随城镇用地和高覆盖度草地面积的上下变化而变化，表明北京市对永定河绿色生态走廊建设规划的实施成效显著。

(4) 人口、GDP均与城镇用地面积呈正相关，拟合度分别为0.899 3和0.726 2，与生境质量呈负相关，拟合度分别为0.698 1和0.910 1，GDP与生境质量的拟合度更高。因此城镇用地是研究区生境质量最大威胁源。因此，今后可进一步加强对草地和林地的保护，控制城镇用地面积，减少建设用地扩建对研究区生境质量带来的负面影响。