夹金山脉大熊猫栖息地土地利用变化对生境质量的影响1)

陈玉美 马月伟 潘健峰 陈艳

(西南林业大学，昆明，650224)

土地利用是人与自然相互作用的成果，能揭示区域空间格局分异，透视人地关系现状，掌握人类活动发展轨迹[1-2]。生境质量是衡量生态环境在一定范围内能否给物种提供适宜生存繁衍条件的能力[3]。随着人类活动加剧，自然景观变为耕地、建设用地，造成景观格局破碎化，致使生境质量下降，因此，土地利用变化成为影响生境质量重要因素。土地利用变化对生境质量的影响是目前研究的热点，常用最大熵模型(MAXEnt模型)、生态系统服务和权衡的综合评估模型(InVEST)等对生境质量及潜在生境进行定量化、空间化评价、生境质量评估预测等[4-6]。

夹金山脉大熊猫栖息地是我国大熊猫国家公园建设、自然保护区管理等生态项目推进的重点区域，对大熊猫保护及维持区域生物多样性具有重要意义。虽然大熊猫保护度和关注度不断上升，但由于大熊猫和人类存在资源(土地、竹类等)利用共性，大熊猫栖息地依然面临栖息地破碎化、适宜生境减缩和生境质量下降等[7]。目前对大熊猫栖息地生境研究主要有：生境适宜性评价及模拟[8-9]、生境选择[10-12]、景观格局变化[13-16]、生境质量[17]等，而且研究的重点集中在秦岭片区、王郎和唐家河自然保护区。对夹金山脉大熊猫栖息地现有研究集中于景观格局与风险评估[18]、遗产保护管理与价值[19]、旅游开发[20]等，而对大熊猫栖息地生境质量和土地利用变化的相关性研究较少，因此，对长时间序列土地利用时空格局变化及对生境质量影响有待深入研究。以夹金山脉大熊猫栖息地2001—2021年4景影像为数据源，利用土地利用变化轨迹分析4个时期地类时空变化轨迹，利用InVEST模型分析生境质量变化，探索土地利用变化对生境质量的影响，为珍稀物种保护、合理规划利用土地资源提供技术支持。

1 研究区概况

夹金山脉大熊猫栖息地是我国大熊猫种群最大、范围最广和最完整的栖息地[21]。位于青藏高原东缘向四川盆地的过渡地带，以中起伏高中山为主体，属亚热带季风气候为基带的山地气候，降水集中于5—9月，年降水量800～1 500 mm。夹金山脉也是生物多样性与稀濒物种富集区，动植物资源丰富，有极高生物多样性保护价值，维管植物约3 000种，野生脊椎动物429种，大熊猫等国家一级保护动物14种，小熊猫等国家二级保护动物53种，现有野生大熊猫约240只，占全国总数的25%。

图1 研究区

2 研究方法

2.1 数据来源

选取夹金山脉大熊猫栖息地2001年、2009年、2016年、2021年4期跨度为20 a的卫星影像(见表1)。影像和DEM数据通过美国地质调查局(USGS)网站(https://earthexplorer.usgs.gov/)和地理空间数据云(https://www.gscloud.cn/)获取[22]，云量小于5%，解译精度超过85%。利用ENVI5.3进行辐射定标、大气校正等预处理，采用监督分类和人工目视解译，划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6类[23]，借助ArcGIS10.8得到土地利用现状图(见图2)。文中数据均采用WGS_1984_UTM_Zone_48N投影坐标系。

表1 影像数据信息

2.2 土地利用动态度

单一土地利用动态度指某类土地变化速率，表达式为：

式中：K表示单一土地利用动态度，Ua、Ub分别表示地类在研究初期、末期的面积，T为研究的时间跨度。

2.3 土地利用变化轨迹

借助ArcGIS将2001—2021年四期土地利用图进行融合、相交分析，得到地类变化轨迹[24-27]。相交面积超过1 km2的样本共93个，从中选取面积排名前30的轨迹，划分为稳定型(研究期内地类未发生转移，稳定性强)和变化型，变化型分为单一型(研究期内地类发生一次转移，稳定性处中等水平)和波动型(研究期内地类发生两次转移，地类间转换速率快，稳定性差)。将耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地分别用代码a、b、c、d、e、f表示，不同时期地类变化轨迹可用四个字母组合的代码表示，例如：cbbb的轨迹代表草地(2001)→林地(2009)→林地(2016)→林地(2021)。

2.4 生态系统服务和权衡的综合评估模型

生态系统服务和权衡的综合评估模型(InVEST)是计算生态环境在一定范围内能否给物种提供适宜生存繁衍条件的能力，模型中生境质量模块，根据威胁源权重、最大威胁距离及不同地类对威胁因子的敏感度，计算生境质量指数。根据模型参考值及相关文献[28-29]设置参数(见表2、表3)。具体运算公式如下：

式中：r为威胁源；为y威胁源r中的栅格；dxy生境与威胁源之间的距离；drmax威胁源r的影响范围；Qxj为j类土地类型中栅格x的生境质量；Dxj为j类土地类型中栅格x的退化度；Hj为j类土地类型的生境适宜度；k半饱和常数Dxj最大值的一半；z默认参数。

图2 夹金山脉大熊猫栖息地2001—2021年土地利用现状

表2 威胁源属性

表3 土地利用类型的生境适宜性及对不同威胁源的敏感度

2.5 土地利用转型生境贡献率

生境贡献率指某种地类发生转移从而导致区域生境质量发生改变的比率[30]。表达式为：

Q=(Qt+1-Qt)×Sc/S。

式中：Q为土地利用转型生境贡献率，Qt+1、Qt分别为土地变化末期和初期某地类的生境质量指数，Sc为该变化地类的面积，S为土地总面积。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化总体特征

表4可知，夹金山脉大熊猫栖息地地类以林地、草地为主，约占栖息地总面积90%。从动态度看，耕地、草地、未利用地变化率均为负值，表明该三个地类面积逐年减少，而建设用地、林地、水域均为正值，表明该三个地类面积逐年增加。其中建设用地变化最为显著，动态度为18.93%；其次为耕地和未利用地，动态度在波动中增加；再次为草地，在1%上下波动；林地动态度最小，水域自2009年后动态度变小。

表4 2001—2021年各类土地利用面积及动态度

3.2 土地利用变化轨迹

由表5、图3可知，地类变化稳定型。稳定地类占总面积77.99%，远高于波动地类，表明整个夹金山脉大熊猫栖息地地类整体波动小。林地作为夹金山大熊猫栖息地优势景观，不变面积达3 054.4 km2，稳定性最强。草地稳定性仅次于林地，不变面积为912.93 km2，一方面是在大熊猫栖息地内管控放牧行为使得草地得到良好的养护，另一方面是草地主要分布在高海拔地区，转换难度大。耕地面积为57.12 km2，表明耕地变化较为频繁，和退耕还林还草、建设用地占用有密切联系。建设用地面积和占比最低，仅为9.26 km2，转换速率快，稳定性差。未利用土地和水域面积及比例均小于1%，期间虽有波动但整体变化小。从空间分布来看稳定型地类主要分布于山地和远离乡镇的区域，受城镇化影响相对较小，此外相关的林草管护政策，使林草资源得到良好的养护，整体变化较小。

地类变化单一型。单一型占总面积15.79%，林地以转入为主，共转入503.94 km2。耕地和草地转入面积和比例较高，共转入461.6 km2，占整个地类变化单一型50%以上。未利用地转入面积为34.41 km2，这是退耕还林还草、实施天保工程、种植人工林等多因素合力作用的结果。耕地转变为林地180.41 km2，反映了在一定时期内居民存在毁林开荒现象，导致大熊猫生境丧失和破碎化。2009年以后有0.09%林地转为未利用地，表明存在少量疏林地退化为未利用地的现象。草地主要在林地和未利用地间转移，总转移面积为115.5 km2。建设用地的扩张主要表现为侵占耕地和林地，共转入131.27 km2，林地1.35%、耕地1.14%分别被建设用地侵占。未利用土地以转出为主，共转出77.97 km2，未利用土地1.49%向林地和草地转移，这主要得益于上世纪80年代，大熊猫栖息地内实施绿化荒山等行动，使得未利用地逐渐转变为草地和林地。从空间分布来看，各个地类之间的相互转换轨迹分布较为分散，且散布均匀。

地类变化波动型。波动型占比较小，仅占总面积的4.81%。林地在整个波动型中转入最多，由耕地、草地共转入84.56 km2，首先在2001—2009年或2001—2016年由草地转为耕地、耕地转为草地或未利用地转为草地，而2009年或2016年后由草地或耕地转为林地，表明初期存在少量开垦草地耕种现象，在退耕还林还草及相关的保护政策的实施下，耕地逐渐转变为草地或林地，未利用地也逐渐变为草地，再变成林地，表明相关的生态保护措施颇具成效。建设用地转入面积为67.01 km2，主要表现为在2001—2009年或2001—2016年由林地转为耕地、草地转为耕地或耕地转为草地，而2009年或2016年后建设用地扩张占用耕地或草地，表明在初期居民存在毁林开荒及撂荒现象现象，后期建设用地扩张占用耕地及草地。其它土地类型转为草地的面积为51.2 km2，占比为0.97%，主要表现为2001—2009年或2001—2016年草地退化为未利用地或草地向疏林地过渡，而2009年或2016年后未利用地向草地转化、疏林地逐渐退化为草地。空间分布变化较为剧烈的地块主要集中在低海拔受人类活动影响较大的城镇分布区，地类之间转换速率快，波动大。

3.3 生境质量

由图4、表6可知，从时间尺度来看，2021年较2001年生境质量指数平均值变化率为3%，整体变化较小，生境等级有所提高。2001—2009年高等级生境增加约4%，中等级生境比例减少约3%，其他等级呈小幅减缩，整体生境质量变化较小。2009—2016年生境质量平均值下降约0.01，高等级生境质量比例减少近6%，较高等级生境质量增加约6%，靠近人类活动区高等级生境比例减少，高等级生境退化为较高等级。2016—2021年生境质量平均值增加了0.02，高等级生境增加了约6.2%，其余生境等级比例均小幅下降，整体生境质量上升，这和长期坚持实施退耕还林还草、天然林保护工程有较强相关性。

表5 土地利用变化型轨迹统计

编码土地利用变化单一型土地利用变化轨迹面积/km2比例/%cbbb草地→林地112.992.15ccbb草地→林地90.211.71aabb耕地→林地87.721.67cccb草地→林地72.741.38abbb耕地→林地50.780.96bbba林地→耕地43.170.82bbee林地→建设用地36.640.70aaab耕地→林地36.460.69bbcc林地→草地34.650.66aaee耕地→建设用地34.360.65bbaa林地→耕地32.830.62bbbe林地→建设用地25.960.49ffcc未利用地→草地25.020.48bbbc林地→草地19.980.38fbbb未利用地→林地19.530.37aaae耕地→建设用地17.530.33bbcc林地→草地17.310.33fffc未利用地→草地11.360.22beee林地→建设用地8.400.16aeee耕地→建设用地8.380.16ebbb建设用地→林地7.930.15ffbb未利用地→林地7.830.15ffcc未利用地→草地7.180.14fffb未利用地→林地7.050.13abbb耕地→林地5.450.10cccb草地→林地5.250.10bfff林地→未利用地4.910.09总计831.6415.79

编码土地利用变化波动型土地利用变化轨迹面积/km2比例/%bbae林地→耕地→建设用地29.710.56cbcc草地→林地→草地24.830.47fcbb未利用地→草地→林地23.380.44babb林地→耕地→林地18.820.36baab林地→耕地→林地15.490.29cfcc草地→未利用地→草地14.450.27aacb耕地→草地→林地12.490.24cbbc草地→林地→草地11.920.23baae林地→耕地→建设用地10.680.20baee林地→耕地→建设用地7.150.14caae草地→耕地→建设用地6.250.12acbb耕地→草地→林地5.970.11caee草地→耕地→建设用地5.310.10accb耕地→草地→林地5.010.10ccae草地→耕地→建设用地3.970.08aace耕地→草地→建设用地3.940.07fccb未利用地→草地→林地3.400.06总计202.773.84

图3 夹金山脉大熊猫栖息地2001-2021年土地利用转移空间分布

从空间尺度上看，生境质量异质性明显，整体空间分布呈现中间低，四周高，外围低的环状分布，低、较低、中等级生境质量分布区影响范围减缩，高级和较高级生境质量分布区范围扩大。生境质量空间分布与地类具有较强空间相关性，高、较高级生境质量等级占58%，主要分布于中部海拔相对较高的林地集中区。中等生境质量等级占21%以上，以草地集中区为主。低级和较低级生境质量等级占13.5%，主要集中于低海拔耕地、建设用地分布区，城镇分布较为集中且经济相对发达、人口多、产业密集，人类活动对生境干扰强度大，部分集中于未利用地分布区，自然本底弱，生境质量低。

图4 生境质量空间分布

表6 各时期生境质量等级占比及生境质量指数平均值

3.4 土地利用变化对生境质量的影响

3.4.1 土地利用类型及变化对生境质量影响

由图5、表7可知，整个生境质量变化区域主要集中于耕地、建设用地分布区以及靠近人类活动区域。2001—2009年生境质量变化整体退化比例(6.77%)低于提高比例(10.92%)，生境退化区主要集中于靠近耕地、建设用地分布区，受人类活动影响生境退化；生境提高区集中于小河乡、老厂乡、大溪乡、宝盛乡等低海拔地带，因耕地转为林地，生境质量提高。2009—2016年间生境退化比例(13.76%)超过生境提高比例(9.37%)，生境退化区相较于上个时期范围扩大；生境质量提高区集中未利用土地分布区，至2016年未利用土地转为草地，部分集中于芦山县内，耕地和草地向林地转移，生境质量提高。2016—2021年间生境提高比例(15.91%)远高于生境退化比例(5.63%)，生境退化区域明显减少，零星散落于研究区。

由表8可知，生境质量较高有林地、草地、水域，生境质量指数平均值分别为0.80、0.51、0.54，而作为威胁因子的耕地、建设用地、未利用土地的生境质量指数平均值较低，分别为0.07、0.16、0.06。2001—2009年威胁因子中耕地、草地、未利用土地面积减少，土地利用动态度分别为-0.34%、-1.56%、-1.17%，而林地、建设用地面积增加且动态度达0.86%、12.06%，该阶段耕地、林地、草地、未利用土地生境质量有所提高，但建设用地生境质量指数降低0.17。2009—2016年林地增幅放缓，建设用地成倍增加，各个地类生境质量平均值均有不同程度下降，总体生境质量指数平均值降低0.01。2016—2021年威胁因子中耕地和未利用地动态度分别为-3.99%、-4.90%，建设用地动态度相较于前两个时期减少近一半，林地和水域动态度小幅增加，致使各个地类生境质量指数平均值均有不同程度提高，总体生境质量指数提高0.02。

表7 生境质量变化统计

图5 生境质量变化图

表8 各时期地类生境质量指数

3.4.2 土地利用转型生境贡献率

由表9可知，草地和耕地向林地的转化面积最高，分别为281.19、207.82 km2，其中耕地向林地转化对生境质量提高贡献率最高，贡献率为3.07%，此外耕地转林地、未利用地转草地和林地，也对保护区生境质量提高有积极作用。在降低生境质量变化中，以林地转为建设用地和林地转为草地为主，转移面积分别为118.54、71.94 km2，主要表现为林地的退化，建设用地扩张对草地和林地的侵占，其中建设用地占用林地对降低生境质量贡献率为1.62%，建设用地占用草地和耕地较低，此外林地退化为草地也削弱了生境质量。

2006年夹金山脉大熊猫栖息地被评为世界遗产地后，至2021年保护区林地面积共增加了309.53 km2；1999年四川省实施“退耕还林(草)工程”以来，截至2021耕地面积减少了198.05 km2，森林覆盖率达70.04%，生境质量水平提高。

表9 主要土地利用转移类型及贡献率

4 结论与讨论

(1)2001—2021年，研究区地类以林地、草地为主，变化轨迹中稳定型的比例为77.99%地类整体波动较小；单一型的比例为15.79%，主要是草地、耕地、未利用地、林地之间的相互转移，建设用地扩张对林地和耕地的侵占；波动型的比例为4.81%，主要表现为耕地、林地、草地、建设用地交替变化，以及部分草地、未利用地、林地等地类间相互转移。

(2)2001—2021年，整个研究区生境质量等级以高等级生境为主，中级以上生境的比例为85%，生境质量指数平均变化率为3%，生境质量水平较为稳定。空间异质性明显，呈现中间低，四周高，外围低的环状分布，低、较低、中等生境质量分布区影响范围减缩，高级和较高级生境范围扩大。

(3)生境质量和土地利用变化有较强的相关性，耕地、未利用地、草地减少、林地增加生境质量提高，建设用地增加生境退化。在退耕还林还草工程及天然林保护、世界遗地建立等生态保护政策合力作用下生境质量提高趋势超过生境退化趋势。

夹金山脉大熊猫栖息地占整个区域90%，受退耕还林还草、封山育林、绿化荒山等政策影响，林地面积逐年增加，耕地、草地、未利用地减少，表明政策因素是制约土地利用变化的主导因素。生境质量等级及比例虽有波动但整体扰动小，且生境质量空间分布与地类有较强空间相关性。大熊猫栖息地内天然林禁伐、封山育林、退耕还林还草对栖息地林业资源保护和恢复起着决定性作用[13，31]；政策实施后林业资源得到合理保护，林地斑块增加，农用地面积减少[32]，生态环境状况向适宜大熊猫生存方向发展[33]。虽然夹金山脉宝兴河流域锅巴岩矿山区域整体生境质量有所下降，但变化不明显，表明生境质量变化与土地利用格局之间具有相关性[34]。

考虑到大熊猫栖息地的典型性和独特性，因此在未来研究中，应将景观格局驱动因素纳入评价体系。因为除政策因素外，人类活动可能导致特定物种数量减少和生态系统结构的累进变化[16]，应多因素融合，定量识别干扰因子；生境质量参数设置相对较为局限，未来在生境质量中可将人口密度、夜间灯光数据、城镇化率等社会经济因子纳入威胁因子的范畴，引入水源涵养、土壤保持等其他模块，综合分析土地利用变化对大熊猫生境的影响，并采用情景模拟等方法对未来土地利用及生境质量变化进行预测模拟；生境质量时空格局演化深受土地利用变化影响，人类活动空间与大熊猫生存空间的相互关系是亟需解决的问题，也是栖息地保护的关键。因此，揭示人类活动空间与大熊猫生存空间的影响机理和耦合机制，未来是未来研究的重要课题。