榆中县生境质量和生境退化的时空分异特征及其地形梯度效应

屈雯，谢保鹏，陈英，贺莹，马丽娅

（甘肃农业大学管理学院，甘肃 兰州 730070）

生境质量是生态系统为个体和种群提供适宜、持续性生存条件的能力［1］，是区域生物多样性及生态服务水平的重要反映［2-3］。近年来，随着人为活动的不断加强，使得土地利用方式、利用强度以及景观格局发生了巨大的变化［4］，导致区域生态系统结构和功能的变化，进而引发了生物多样性锐减、生境质量下降、生境退化等一系列生态环境问题［3］。地形作为自然环境中的重要影响因子，对地表物质的迁移与能量的转换有着显著影响［2］，研究表明地形因子是影响土地利用景观格局变化的重要因素［3，5］，同时也是影响生境系统物质交换和能量循环的重要因素［4］。因此，从地形梯度效应角度出发，对生境质量及生境退化进行研究，将有助于准确的识别生境质量的变化效应，对于挖掘区域生境质量的地形信息图谱具有重要的意义。目前，国内外学者进行了大量关于生境质量的评估研究，国外学者侧重于研究生境斑块对生物多样性的影响［6-9］，国内学者侧重于研究生境质量的时空变化规律［10］。总体而言，生境质量的评估方法分为两大类［1］，一是实地调查法，通过对研究区进行实地调研，构建评价指标对生境质量进行综合评价；二是基于土地利用数据，采用模型对研究区生境质量进行评估，使用最普遍的是InVEST模型，此类研究尺度涉及全国［10］、省［11-13］、市［14-15］县［16-17］、流域［18-19］、城市群［20］、自然保护区［21-22］等，研究内容多从生境质量时空变化［4，23］、影响因素［24-25］、生境质量与土地整治［26］、生境质量与生态系统服务价值［27］等方面展开。

位于甘肃省中部地区的榆中县是东部季风区、西北干旱半干旱区、青藏高原区三大自然区的交汇区，其地形地势和土地利用方式具有明显的过渡性特征［28］，特殊的地理位置使其生境具有显著的地域性特征。近年来，随着兰州市的不断发展，其作为兰州市“东扩”的主要承载区，经济发展势头迅猛，人口不断增加，资源与环境约束日益凸显，因此，以榆中县作为研究区，基于土地利用数据、DEM数据，借助InVEST模型评估榆中县生境退化和生境质量，以期为榆中县生境保护、生态保护及国土空间规划编制提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

榆中县位于甘肃省中部地区，是省会兰州市的东部郊区（E 103°49′15″~104°34′40″，N 35°34′20″~36°26′30″），县域海拔1 369~3 670 m，总面积为32 946.69 km2。地处黄土高原西部，同时也是西北干旱区、青藏高寒区和东部季风区的交汇地带［28］。县域地形复杂，南部为高寒阴湿区，马衔山和兴隆山从西北向东南横列整个县域的南部，该区降水充沛，植被茂盛，森林资源丰富，是榆中县主要的生态保障区；中部为兴隆山山前冲积、洪积平原和宛川河谷地组成的川塬河谷平原区，地势平坦，土壤肥沃，交通便利，是榆中县主要的工业和农业生产区；北部为干旱山区，降水稀少，植被稀疏，是榆中县水土流失最为严重的区域。

1.2 数据来源

（1）榆中县DEM数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，其分辨率为30 m。

（2）榆中县2008年和2018年土地利用栅格数据来源于榆中县土地利用变更数据库，分辨率为30 m。根据研究需要，按照《土地利用现状分类GB/T 21010—2017》的分类依据［29］和土地利用/土地覆被遥感监测数据分类标准［10］，利用ArcGIS 10.2软件平台对变更数据中的地类进行进一步划分，分为耕地、园地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地7大类。

1.3 研究方法

1.3.1 基于In VEST模型的生境质量和生境退化评估 In VEST模型中开展生境质量评价首先要计算区域的生境退化度，其计算公式如下：

式中：Dxj是生境退化指数，R是胁迫因子的数量；Y r是胁迫因子r在土地利用栅格图中的总个数；ry是土地利用栅格单元上的胁迫因子个数；ωr是胁迫因子的权重；βx是栅格x的可达性水平；Sjr是土地利用类型j对胁迫因子r的敏感性程度，取值范围为0~1；irxy是胁迫因子的影响距离；d xy为栅格x与y之间的距离；d rmax是胁迫因子r的最大影响范围。

生境质量的计算公式为：

式中：Qxj为第j种土地利用类型中栅格单元x的生境质量；H j为第j种土地利用类型的生境适宜；z为尺度常数是模型的默认参数；k为半饱和常数。

In VEST模型运行时需要输入参数，本研究在对InVEST模型手册及相关研究［11-12，27-29］分析的基础之上，参数设置具体参考刘春芳等［30］、贺莹等［31］的研究，参数如表1~2所示。

表1 研究区内各威胁因子的参数Table 1 Parameters of threat factors in the study area

1.3.2 图谱分析 文章借助土地利用图谱分析的相关原理［12，32-34］，构建生境图谱分析模型，以记录和分析不同时空条件下生境质量及生境退化的复合变化信息。计算公式如下：

式中：A为整个研究期内生境质量或生境退化图谱单元变化类型；A 1、A 2为研究初期和研究末期的生境质量或生境退化图谱栅格状态编码。

1.3.3 地形梯度分析 地形条件在很大程度上会影响土地利用类型的分布［35，2］，本研究引进复合地形因子，即地形位梯度［36］，以综合反映地形条件与生境质量、生境退化之间的关系。计算公式如下：

式中：T表示地形位梯度指数，E表示研究区内某一点的高程，S表示研究区某一点的坡度，Eˉ表示研究区的平均高程，Sˉ表示研究区的平均坡度。

由于不同地形位梯度下生境质量、生境退化面积存在较大的差异，本文为消除这种面积大小差异带来的量纲影响［36］，引进地形分布指数，对榆中县生境质量及生境退化的地形位梯度效应进行研究。参照周润芳等［37］对榆中县地形地貌的研究，将地形位梯度分为5级，其计算公式如下：

式中：P为分布指数，Sie为第i级生境质量或生境退化度在e级地形因子等级下的面积，Si为第i级生境质量或生境退化度的总面积，Se为第e级地形因子所占的面积，S为研究区的总面积。

表2 各地类对胁迫因子的敏感度参数Table 2 Sensitivity parameters of each category to stress factors

2 结果与分析

2.1 生境质量和生境退化度的时空变化特征

2.1.1 生境质量时空变化特征 为了准确识别榆中县生境质量的变化规律，研究利用ArcGIS软件中的自然断点法将生境质量分为低值区（1级）、较低值区（2级）、中值区（3级）、较高值区（4级）、高值区（5级）5个等级。

由图1可以看出，2008~2018年，榆中县生境质量的空间格局整体上较为稳定，从南到北总体呈现出由西南向东北递减的分布特点。生境质量高值区域主要分布在县域南部的兴隆山、马衔山沿线，区内人为活动稀少，常年降水充足，植被茂密，土地利用多以草地、林地为主，生境质量整体上优于其他区域。生境质量较高值区域主要分布在生境质量高值区域的外围，除此之外在贡井林场有小部分分布。生境质量中值区域整体上分布零散，在园子岔乡、贡井乡、中连川乡、清水驿乡、韦营乡等个别乡镇分布较为集中，除此之外在宛川河沿岸河谷两侧也有零星分布。生境质量较低值区域位于北部山区和中部平原地区，该区土地利用主要是耕地和其他草地、农村居民点。低值区域位于县域中部和北部，该区域分布大量的居民点用地、城镇用地以及工矿用地，人类活动频繁，因此生境质量普遍偏低。由表3可以看出，2008年和2018年研究区平均生境质量分别为0.228 9和0.226 6，生境质量总体上略有下降。研究期间1等生境占比由46.29%变为47.01%，结合图2可以发现，变化区域主要是由于受到建设用地需求增加的影响，人类对区域生态环境有所干预，破坏了原有的自然生境，使得生境质量略有退化；2等生境占比由38.74%变为38.06%，主要是由于研究期间耕地面积减少的影响；3等、4等、5等生境总体上保持相对稳定的状态。

图1 2008~2018年榆中县生境质量空间分布图Figure 1 The spatial distribution of habitat quality in Yuzhong County from 2008 to 2018

表3 2008~2018年榆中县生境质量变化情况Table 3 Habitat quality changes in Yuzhong County from 2008 to 2018

图2 榆中县土地利用类型Figure 2 Land use types in Yuzhong County

2.1.2 生境退化度时空变化特征 由图3可以看出，2008~2018年，榆中县生境退化度的空间格局整体上较为稳定，并且表现出明显的空间差异，具体表现为以宛川河为界，呈现“河北低而河南高”的分布特点。生境退化度最严重的区域为中部川区的和平镇、定远镇等重点乡镇，这些区域是榆中县主要的城镇及工农业发展区，如图2所示，随着县域人为活动日益增强，对居住地、工矿用地以及交通运输用地等建设用地的需求快速增加，使原有的自然生境遭到破坏，导致生境破碎度加剧、连通性变差，最终使得这些区域的生境质量下降；整个研究期间县域生境退化程度有所增加，平均生境退化度由2008年的0.007 370变为2018年的0.007 389。具体而言，研究期间生境退化度高值区域进一步扩散，2008年和2018年的占比分别为0.15%、0.49%，说明榆中县中部川区存在生态退化的风险；生境退化度较低值区有所增加，占比由2008年的67.35%变为2018年的74.26%，主要分布在县域北部石质低山丘陵区，主要是由于榆中县近年来实施了一系列“退耕还林”工程和“生态北山”建设工程，加强了对北部山区生态环境的保护；生境退化较高值区域有所缩减，由2008年的9.20%变为2018年的7.54%，变化主要发生在县域中部，转化成了生境退化中值区；生境退化中值区域也有所缩减，由2008年的23.30%变为2018年的7.54%，变化主要集中在县域北部，主要转化成了生境退化低值区域。

2.2 生境质量及生境退化的图谱分析

按照前文分析，将生境质量5级区间的区间编码设置为1、2、3、4、5，分别对应生境质量低值、较低值、中值、较高值和高值5种状态。由图4可以看出，榆中县生境质量转移图谱共有25种类型，其中，有5类生境质量图谱单元未发生变化，其他20类生境质量图谱单元或多或少都发生了变化。整体而言，未发生变化的图谱编码为11（表示研究期初和期末的生境质量状态都为低值）、22、33、44、55总占比为71.45%，其中，低-低（编码为11）的图谱单元最为稳定，占未变化单元的49.75%，主要分布在县域北部和中部偏西的区域，和草地、未利用地的分布基本一致，中-中（编码为33）的图谱单元最不稳定，占未变化单元的2%，分布比较零散，主要分布在县域中东部区域。发生变化的图谱占总图谱的比例为28.55%，其中，“低-较低”和“较低-低”（编码为12和21）图谱变化最为明显，由图3可以看出，这两类图谱主要分布在榆中县北部、东部，以及宛川河以南兴隆山以北的区域，县域北部和东部分布着大量的耕地，随着人类耕地利用程度的不断加深，使得原有的耕地景观遭到破坏，生境质量有所下降，宛川河以南兴隆山以北的区域地势平坦，土壤肥沃，是主要的生产生活场所，尤其是近几年，县域人口增加导致建设用地需求增长，从而影响了生境变化。由图4可以看出，榆中县生境退化转移图谱共有19种类型，其中，有4类生境退化图谱单元未发生变化，其他15类生境退化图谱单元或多或少都发生了变化。整体而言，未发生变化的图谱编码为22、33、44、55，总占比为81.10%，其中，较低-较低（编码为22）的图谱单元最为稳定，占未变化单元的76.93%。发生变化的图谱占总图谱的比例为18.90%，其中，中-较低（编码为32）图谱变化最为明显，集中分布在县域北部，主要是“北山生态工程”的建设使得该区中等退化转化成了较低程度的退化。

图4 2008~2018年榆中县生境质量及生境退化的图谱空间分布Figure 4 The spatial distribution map of habitat quality and habitat degradation in Yuzhong County from 2008 to 2018

表4 2008~2018年榆中县生境退化变化情况Table 4 Habitat degradation changes in Yuzhong County from 2008 to 2018

图3 2008~2018年榆中县生境退化度空间分布Figure 3 The spatial distribution of habitat degradation in Yuzhong County from 2008 to 2018

2.3 生境质量的地形梯度效应

2.3.1榆中县的地形梯度特征 研究上述公式（5）计算榆中县地形位梯度，结果区间为0.22~1.09，采用自然断点法将其分成5个等级，等级1表示地形位指数在0.22~0.42，等级2表示地形位指数在0.42~0.54，等级3表示地形位指数在0.54~0.64，等级4表示地形位指数在0.64~0.75，等级5表示地形位指数在0.75~1.09，等级越低表示地形越平坦。

由图5可以看出，榆中县地形位指数呈现出“南部高、中部低、北部高”的分布格局，与县域南高北低，中间低凹的地势基本一致。榆中县地形位以3级为主，占比为30.80%左右，其次是4级、2级、1级，占比分别为24.23%、16.94%、15.55%左右，5级地形位占比最小，为12.48%左右。由表5可知，榆中县1等地形位和2等地形位的土地利用类型以耕地为主，占比达60%左右，3等、4等及5等地形位以未利用地为主，具体而言耕地、园地、水域、建设用地在1等地形位上占比最大，林地、草地在5等地形位上占比最大，未利用地在4等地形位上占比最大。随着地形位指数的增加，耕地、园地、水域、建设用地的占比出现下降趋势，相反，林地、草地、未利用地的占比出现了增加的趋势。主要是由于人类活动强度最大的区域一般都是地形位低的位置，地形位指数值低表明区域自然环境越有利于人类生存，人类对土地的利用程度越强，相反，随着地形位指数的增加，人类对自然环境的改造程度越小，因此土地利用多以林地、草地以及未利用地为主。

表5 不同地形位梯度的土地利用特征Table 5 Land use characteristics of different terrain position gradients

图5 榆中县地形位梯度分布情况Figure 5 Topographical position gradient distribution in Yuzhong County

2.3.2 生境质量及生境退化的地形位梯度分布特征地形要素是影响生物种群分布格局以及维持生物多样性的一个重要因素［4］，地形分异性会影响土地利用类型进而也会在很大程度上影响生境质量及生境退化的空间分布格局。本文在计算了研究区地形位指数的基础上，采用分布指数来描述生境质量、生境退化在不同地形位梯度上的分布特征，以揭示综合地形变化对生境质量和生境退化的影响。如图6、7所示，生境质量和生境退化在地形位梯度上呈现出较大的差异。具体而言，低质量生境在第3、第4级地形位梯度上的分布指数大于1，占绝对优势，较低质量生境在第1、第2、第3级地形位梯度上的分布指数大于1，占绝对优势，中等质量生境在第3、第4级地形位梯度上的分布指数大于1，占绝对优势。较高质量生境及高质量生境在第4、第5级地形位梯度上的分布指数大于1，占绝对优势。生境退化低值在第1级地形位梯度上的分布指数大于1，占绝对优势，生境退化较低值在第3、第4、第5级地形位梯度上的分布指数大于1，占绝对优势，生境退化中等区域在第1、第2、第3级地形位梯度上的分布指数大于1，占绝对优势，较高生境退化和高生境退化第1级地形位梯度上的分布指数大于1，占绝对优势，因此，第3级地形位梯度是生境质量及生境退化的混合梯度。

图6 生境质量在地形梯度上的分布指数Figure 6 Distribution index of habitat quality on topographic gradient

3 讨论

本研究应用InVEST模型和地形位指数对榆中县生境质量进行了比较充分的分析，其中生境质量的时空分布结果与刘春芳等［11，28，30］的研究结果相近，说明本文的研究结果比较符合榆中县的实际情况，应该能反映近年来榆中县生境质量及生境退化的变化，而且本研究首次从地形视角对榆中县的生境质量及生境退化的分布特点进行了分析，较好地揭示了研究区生境质量的地形梯度效应，研究成果可为榆中县生态环境保护、生物多样性维护提供理论依据。但研究也存在以下的不足：（1）研究在对生境质量进行评估时，应用的是传统的评估模型，缺乏方法的创新性，而且模型计算中参数设置可能存在一定的主观性；（2）生境质量和生境退化会受到多种因素的影响，本文只是选取了较为重要的地形因素，对人为因素的研究还需进一步探讨。

图7 生境退化度在地形梯度上的分布指数Figure 7 Distribution index of habitat degradation degree on topographic gradient

榆中县是西北地区重要的生态屏障区，作为三大自然带的交汇地带具有明显的地形分异特征，区域生境质量及生境退化受到地形变化特征的影响。县域南部地势高耸，分布大量的天然植被，林地、草地是该区的土地利用类型，是县域生境质量的高值区；中部宛川河流域地势低平，是近年来兰州市东扩的主要承载区，同时该区域是主要的城乡建设用地增加区，随着人类活动日益加强，导致原有的土地利用结构、生态结构和功能遭到破坏，从而使得此处生境退化程度不断加深，生境质量不断下降；北部地区系主要的黄土丘陵区，区域自然环境较差，分布大量的草地和未利用地以及部分农村居民点。因此，在南部山区，应该加强对森林的保护，适当的增加林草覆盖度，同时有序控制人类活动，以保持其生态功能；在中部川区，应该限制建设用地增长，同时要遏制生境退化，对用地结构进行适当调整，尤其是园地要尽可能的降低其利用强度；北部山区，一方面要适当的增加林草覆盖率，另一方面要控制现有的居民点用地，尽可能使该区生态保持自然的状态，以使其进行必要的自我调节和恢复。

4 结论

本研究利用DEM数据、2008年和2018年土地利用栅格数据，基于InVEST模型和地形位指数，评估了榆中县生境质量时空的变化特征及其地形梯度效应。结果表明：1）近10 a来，榆中县生境质量整体上呈下降趋势，生境退化度有小幅度的增加趋势，但二者整体上变化幅度较小，同时生境质量及生境退化未发生变化的图谱单元占比远远大于发生变化的图谱单元占比，说明榆中县生境整体上存在恶化的风险，但这种风险比较小。

2）研究期内生境质量总体上呈现出由西南向东北递减的分布特点，生境退化度呈现出“河北低而河南高”的分布格局。

3）榆中县生境质量及生境退化分布指数具有明显的地形位梯度变化效应，二者都随着地形位起伏发生变化，但生境质量和生境退化的优势地形位梯度差异较大，高质量生境在第4、5等地形位梯度上分布最多，占绝对优势，生境退化高值在1等地形位梯度上占绝对优势，二者的混合梯度都出现在第3级地形位梯度。