西北旱区典型流域土地利用与生境质量的时空演变特征

2022-11-04陈乐卫伟

生态环境学报 2022年9期

陈乐，卫伟 ,

1.中国科学院生态环境研究中心/城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085；2.中国科学院大学，北京 100049；3.陕西黄土高原地球关键带国家野外科学观测研究站，陕西西安 710061

生境质量是区域位置、地理特征、气候变化和人类活动共同作用的结果（Li et al.，2010；Mohan et al.，2015）。生境质量评估在一定程度上可反应生态系统稳定性及其优劣（李营等，2016）。在气候相对稳定前提下，土地利用变化的强度和方向很大程度上决定了区域生境质量的方向和时空变化（陈乐等，2019）。随着人口的快速增长，人类活动对下垫面自然环境的干扰强度和范围快速增大，部分地区生物多样性减少、生境恶化问题突出，极大破坏了人与自然和谐，威胁动植物的栖息繁衍（Newbold et al.，2015）。因此，定量研究土地利用变化下区域生境质量的时空演变规律及其驱动因素，对于合理布局下垫面，保护区域生物多样性、维持生态系统稳定及促进生态系统健康具有重要意义。

当前，国内外学者对生境质量的评估主要集中在3个方面：一是借助GIS技术、实地调研、采样，通过综合评价环境因子的贡献以量化动植物栖息地（罗宁等，2016；李杰等，2017）及河流（陈淼等，2019；李梦娣等，2020）的生境质量适宜性和动态变化。二是借助遥感技术通过计算RSEI（徐涵秋等，2017）、EVI（杨怡等，2019）等生态指数和TVDI（Sandholt et al.，2002）、LST-EVI（王秀君等，2014）等干旱监测指数研究区域生境质量变化。三是基于土地利用数据，借助InVEST（Tallis et al.，2011）、SoIVES（Sherrous et al.，2012）等模型，从生物多样性保护及生态稳定性的角度研究土地利用变化下的生境质量变化。其中InVEST模型因其开发成熟，适用性广而被广泛应用于区域生境质量的动态变化研究（Bhagabati et al.，2014；Kim et al.，2015；Li et al.，2020），其研究结果可靠，能为区域发展提供理论及技术参考，且在干旱区生境质量评价中具有极大的优越性（李骞国等，2020；刘方田等，2020）。

玛纳斯河流域是干旱区重要的粮棉高产基地，其地形地貌、气候特征、生态环境特点及流域开发水平在干旱区均具有代表性（Zhang et al.，2012；Bai et al.，2014；Ling et al.，2019）。近 40 年来，玛纳斯河流域土地利用变化及绿洲小城镇建设速度较快，生态环境变化较大。故本文以玛纳斯河流域为例，基于1980—2020年的8期土地利用数据、41年的气象站点温度数据，借助InVEST模型、土地利用转移矩阵及生境质量贡献率等定量研究了干旱区流域生境质量的时空变化及其主要驱动因素，为干旱区生物多样性保护和生态系统稳定性提供科学依据。

1 研究区概况

玛纳斯河流域（43°50′—45°58′N、84°42′—86°33′E）位于准噶尔盆地南缘，天山北麓中段。流域总面积约3.35×104km2，包括玛纳斯县、沙湾县、石河子市、呼图壁县、和静县以及布克赛尔蒙古自治县、乌苏市、奎屯市、克拉玛依市的部分地区（图1）。属于典型的“山盆结构”，自南向北高山区—低山区—绿洲区—沙漠区依次过渡。高山区平均海拔3300 m，以裸岩石质地、冰川雪被为主；低山区平均海拔1100 m，以低覆盖度草地为主；中游绿洲区平均海拔370 m，以旱地、草地、未利用地为主；沙漠区平均海拔304 m，以沙地、半固定风沙土为主。

图1 研究区示意图Figure 1 Sketch map of the study area

2 数据与方法

2.1 数据来源

1980—2020年的 8期土地利用数据（1980、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020 年）来源于中国科学院资源环境科学数据中心（https://www.resdc.cn/），空间分辨率30 m，包括一级土地利用类型6类，二级土地利用类型24类。该土地利用数据集解译精度较高，在新疆土地利用变化及生境质量研究中适用性较好（刘方田等，2020；李鹏辉等，2022）。30 m DEM高程数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）。

此外，本文从国家气象局、石河子气象局以及国家气象科学数据中心（http://www.cma.gov.cn/2011qxfw/2011qsjgx/）获得了研究区及其附近地区27个气象站点1980—2020年的逐日温度数据，通过年平均统计及空间插值处理，插值成空间分辨率为250 m的栅格数据，作为辅助数据。

2.2 数据处理方法

2.2.1 土地利用重分类

根据研究需要，本文将获得的土地利用数据重分类为一级类型6类，二级类型13类。其中将河流、湖泊、水库坑塘、滩涂、滩地、永久性积雪冰川合并为湿地，将沙地、戈壁、盐碱地、裸土、裸岩、沼泽地合并为未利用地。

2.2.2 生境质量模型

本研究借助由斯坦福大学、世界自然基金会和大自然保护协会共同研究开发的，通过对下垫面类型变化及胁迫因子进行归类、分析的InVEST模型生境质量模块来刻画区域生境质量。该模块通过对下垫面类型、特征胁迫因子、生态环境对胁迫因子的敏感程度等参数进行综合评估来评价生物生存资源的可获得性及生态系统维持稳定性的能力（Fu et al.，2018；Xu et al.，2019）。其中生境退化度计算公式如下：

线性衰减：

指数衰减：

式中：

Dxj——第j类土地利用中栅格x的生境退化程度；

R——胁迫因子的个数；

Wr——胁迫因子的权重值；

Yr——胁迫层图层范围上的栅格个数；

ry——图层范围内每个栅格的胁迫因子的个数；

Sjr——地类图层上每个栅格的敏感度大小；

irxy——栅格y的胁迫值ry对栅格x的胁迫水平；

dxy——栅格x与栅格y的直线距离；

drmax——威胁源r的最大胁迫距离。

在此基础上生境质量计算公式为：

式中：

Qxj——第j类土地利用类型中栅格x的生境质量；

Hj——生境适宜度，值域为[0—1]；

k——半饱和常数，取栅格单元大小尺度值的一半；

z——归一化常量，通常设为2.5。

耕地和建设用地是干旱区人类活动最集中的体现，反映了人为活动对自然生态系统的威胁（康紫薇等，2020；刘方田等，2020）。研究区未利用地以荒漠、裸地和盐碱地为主，生境脆弱，容易侵蚀周围生态环境，是生境质量变化的重要威胁（巩杰等，2018；韩艳莉等，2019）。故将耕地、城镇用地、农村居民点、工矿用地及未利用地作为胁迫因子。此外，道路也被众多学者定义为生境质量的威胁源因子（杨文仙等，2021；周亮等，2021）。但玛纳斯河流域道路分布相对较少，影响相对较小，且本文研究年限较长，难以获得精确的历史道路数据，故本研究在设置威胁源因子时暂不考虑道路因子。

通过参考InVEST模型用户手册（Tallis et al.，2011）、李骞国等（2020）、刘方田等（2020）的研究，咨询新疆地区的学者专家并结合研究区的具体特点，设置威胁因子参数（表 1）和各地类的生境适宜度及其敏感值（表2）。

表1 威胁因子及其胁迫强度Table 1 Threat factors and their stress intensities

表2 生境类型对生态威胁因子敏感度Table 2 Sensitivity of habitat types to ecological threat factors

2.3 数据分析方法

本文借助土地利用转移矩阵（张晓娟等，2017），分析土地利用类型之间的空间转移关系。通过对计算的生境质量结果进行分区统计（陈淼等，2019）、等级划分（以0.2为间隔划分为低、较低、中等、较高和高5个等级）和空间转移分析（刘方田等，2020）来剖析生境质量的空间分异特征和时空变化特征。

基于空间插值的温度栅格数据，通过研究近41年来不同区域年平均温度的变化趋势，来探讨气候变暖对区域生境质量的影响。

此外，本文借鉴土地利用变化生态贡献率计算方法（孔冬艳等，2021），基于不同区域生境质量的时空变化特征，选择典型年份建立生境质量贡献率指标，定量分析了不同区域下垫面变化对生境质量的影响。其中，生境质量贡献率计算公式如下：

式中：

Rij——i地类转化为j地类时的生境贡献率；

Hi和Hj——研究时段内某地类在变化初期和变化末期的生境质量指数；

Si——该变化用地的面积；

St——区域总面积。

3 结果与分析

3.1 土地利用类型分布及面积变化特征

玛纳斯河流域土地利用类型以未利用地和草地为主（图 2），分别占研究区面积的 41.49%和28.54%（2020年）。土地利用变化的基本特征是耕地、建设用地、未利用地面积呈增加趋势，草地、林地、湿地面积呈减小趋势。其中耕地面积在2020年达到8046.01 km2，占研究区总面积的24.02%，与1980年相比，新增耕地面积3708.52 km2。积雪冰川面积在 2005—2010年期间减少了 1324.19.km2，减少的部分占 2005年积雪冰川面积的68.43%。建设用地面积在2020年达到520.24 km2，增长的区域占1980年建设用地面积的90.14%。

图2 1980—2020年玛纳斯河流域土地利用变化空间分布图Figure 2 Spatial distribution of land use change in Manas River Basin from 1980 to 2020

耕地扩张是绿洲扩张的主要方式，玛纳斯河流域耕地的时空变化存在3个阶段。1980—2005年期间缓慢增长，主要发生在绿洲区的东部。期间草地转耕地 780.41 km2，占新增耕地面积的 85.16%。2005—2010年期间耕地面积快速增长，新增耕地面积2419.98 km2，其中草地转耕地1596.80 km2，占新增耕地面积的58.65%。沙地、戈壁及盐碱地共向耕地转入823.36 km2，占新增耕地面积的30.24%，是新增耕地的第二来源。2010—2020年耕地面积增速减缓，主要向西和西北方向扩张。期间新增耕地面积870.44 km2，其中低覆盖度草地向耕地转入635 km2，是新增耕地的主要来源，沙地向耕地转入108.78km2，是新增耕地的第二来源。

3.2 生境质量变化

3.2.1 生境质量的时空分布与区域特征

InVEST模型模拟的生境质量范围0—1，越接近1，生境质量越好。如图3所示，玛纳斯河流域生境质量自山区向沙漠逐渐减小存在明显的梯度特征。生境质量呈先增大后持续减小的趋势，且减小幅度大于增大幅度。其中 2005—2010年期间生境质量减幅最大，生境质量均值减小了0.0401，主要发生在高山积雪冰川区和中部绿洲。

图3 1980—2020年玛纳斯河流域生境质量的空间分布Figure 3 Spatial distribution of habitat quality in Manas River Basin from 1980 to 2020

研究区各区域生境质量差异显著（表 3）。荒漠区生境质量均值维持在0.3055，呈波动微弱增长趋势。绿洲区生境质量均值变化与玛纳斯河流域生境质量均值变化同步，在 1980—1995年期间缓慢增大，1995—2020年期间持续减小。低山区生境质量均值大于 0.74，在 1980—2000年期间呈增加趋势，在2000—2020年期间持续减小。高山区生境质量在1980—2005年期间维持在0.729左右，呈微弱增加趋势。在2005—2020年期间快速减小，其中生境质量均值减少了0.1408。

表3 1980—2020年玛纳斯河流域及其各区域生境质量均值Table 3 Mean value of habitat quality in Manas River Basin and its regions from 1980 to 2020

3.2.2 生境质量等级分布及空间转移特征

玛纳斯河流域生境质量等级以较低为主，主要分布在北部荒漠，占研究区总面积的 40.36%以上（表4），在1980—2020年期间呈持续增长趋势。生境质量中等的区域主要分布在中游绿洲区，在1980—2020年期间增加了3592.74 km2，以2005—2010年期间增速最快，增长了2500.90 km2。生境质量较高和高的区域主要分布在低山区和高山区的积雪冰川区域，面积均呈减小趋势。其中，2005—2010期间，生境质量高的区域面积减少了 2935 km2。生境质量低的区域占研究区总面积的 1.58%（2020年），主要分布在建设用地，在1980—2020年期间面积增长了248.19 km2。

表4 1980—2020玛纳斯河流域生境质量各等级面积比例Table 4 Area proportion of different grades of habitat quality in Manas River Basin from 1980 to 2020 %

1980—1990年，研究区生境质量呈微弱增长，主要是生境质量中等的区域向生境质量较高和高的区域分别转入了 11.61 km2和 15.51 km2所致。1990—1995年期间，生境质量增幅渐长。其中，生境质量较低的区域向生境质量高的区域转入了19.55 km2，生境质量较高的区域向生境质量高的区域转入了10.13 km2。1995—2000年和2000—2005年期间，绿洲扩张使得绿洲西部生态质量较高的区域向生境质量中等的区域分别转入了408.59 km2和284.23 km2，使得绿洲区生境质量持续降低。与此同时，高山区积雪冰川消融使得生境质量高的区域大面积转入其他生境质量低的区域。

2005—2020年期间各生境质量等级区转换速度频繁、转换幅度加大。其中2005—2010年期间，生境质量较高和高的区域向生境质量中等的区域分别转入1334.59 km2和478 km2，使得中部绿洲区生境质量大幅度降低。与此同时，生境质量高的区域向生境质量较低和较高的区域分别转入了1807.11 km2和 1380.6 km2，使得高山区生境质量大幅度降低。2010—2015年和2015—2020年期间，生境质量较高的区域向生境质量中等的区域分别转入了163.59 km2和459.88 km2，是绿洲区生境质量持续减小的主要原因，是耕地扩展侵占草地尤其是低覆盖度草地所致。此外绿洲小城镇的快速建设，使得其他各等级区均向生境质量低的区域有大面积转入，导致绿洲局部地区生境质量极差。

3.3 土地利用变化对生境质量的影响

从整体上看，1980—1995年，玛纳斯河流域生境质量增加的主要原因是未利用地向高覆盖度草地和疏林地的转化、有林地向湿地的转化以及部分耕地向中覆盖度草地的转化所致，共占生境质量改善贡献率的63.69%（表5）。而中覆盖度草地转为低覆盖度草地以及部分疏林地转为未利用地则是导致生态环境质量下降的主要因素，分别占生境质量负效应的29.43%和15.68%。1995—2005年，玛纳斯河流域生境质量的改善主要依赖于未利用地向耕地的转化，占19.4%。而草地向耕地及未利用地的多向转化则是该时段区域生境质量持续减小的根本原因，其中低覆盖度草地向未利用地和耕地的转化是生境质量减小的主导因素，共占生境恶化贡献率的 48.21%。2005年之后，玛纳斯河流域生境质量改善主要依赖于未利用地向低覆盖度草地、耕地、高覆盖度草地及湿地的转化，共占生境改善贡献率的69.53%。而积雪冰川融化大面积转为裸地以及草地向耕地和未利用地的转化是该时段研究区生境质量持续且快速减小的主导原因。

表5 主要土地利用类型转化对区域生境质量变化的贡献率Table 5 Contribution rates of major land use types conversions to regional habitat quality

从区域上看，1995年之前，绿洲区生境质量改善主要依赖于耕地向湿地的转化以及未利用地向疏林地的转化。二者共占生境改善贡献率43.88%。绿洲生境质量恶化主要取决于疏林地和低覆盖度草地向未利用地的转化以及农村居民点的修建，共占生境恶化贡献率的 64.59%。1995年之后，绿洲生境质量改善主要依赖于耕地扩展侵占荒漠以及未利用地向低覆盖度草地的转化，二者分别占生境改善贡献率的37.93%和28.17%。而绿洲生境质量持续减小的主导原因是耕地扩张持续侵占草地，占生境恶化贡献率的54.07%。

相对于绿洲区，荒漠区、低山区和高山区土地利用导致生境质量变化的原因较为简单。其中荒漠区生境质量的改善主要依赖于未利用地向耕地、低覆盖度草地及湿地的转化，共占生境改善贡献率的85.77%。中、低覆盖度草地退化是荒漠区生境质量恶化的主要原因，占45.56%。低山区生境质量变化主要依赖于中、低覆盖度草地之间的相互转化，占生境质量变化贡献率的59.65%以上。积雪冰川融化是高山区生境质量恶化的根本原因，占54.04%。此外，高山区大面积草地退化不断演变为未利用地也是该区域生境质量恶化的重要原因，占33.89%以上。

4 讨论

玛纳斯河流域是干旱区典型的内陆河流域，其生境质量变化的时空特点和影响因素在干旱区具有典型性和代表性，是地理环境、气候变化及下垫面活动方式及强度共同作用的结果。温带干旱半干旱气候和山盆结构的地理环境共同决定了玛纳斯河流域自南向北高山—低山—绿洲—沙漠逐渐过渡的景观特征（杨卫红等，2015；覃金兰等，2020），因而其生境质量自高山至沙漠存在极显著的空间分异特征。

InVEST生境质量评估结果表明，1980—2020年，玛纳斯河流域、绿洲区、低山区和高山区生境质量均呈减小趋势，生境破碎程度加剧。其中绿洲区生境质量退化的根本原因是耕地的规模化扩张。1995—2000年绿洲东部生境质量大面积降低，2000—2005年绿洲北部的荒漠—绿洲交错带生境质量大面积降低以及 2005年之后整个绿洲区生境质量大面积的降低与耕地先缓慢扩张后规模化扩张和先向东扩张、后向西和西北方向规模化扩张（李均力等，2015）的空间趋势一致。故绿洲生境质量的时空变化与耕地的面积、扩张方向、强度和规模化发展息息相关。低山区生境质量降低受到气候变暖和耕地扩张持续侵占草地的双重影响。首先，1980—2020年期间，低山区呈现显著增温趋势，年平均温度增长斜率为0.033 ℃·a-1（图4a），极其不利于植被生长及水分存储，尤其在2000年之后，呈现显著增温趋势。故气候变暖是低山区草地植被退化、生境质量降低的主要原因。其次，耕地扩张也是导致低山区生境质量退化的重要原因。2005年之前，耕地扩张主要侵占绿洲区的低覆盖度草地，对低山区影响较小。但2005年之后，耕地呈现规模化扩张，其扩张方向不断向南部低山草地推进，使得大面积草地转为耕地，极大的破坏了低山区的生态环境，使得2005—2010年期间，低山区生境质量锐减。1980—2020年期间，高山区生境质量均值减小了 0.1403，生境质量退化极其严重。结合高山区温度的趋势变化（图4c）可知，山地对气候变暖的强敏感性（Rangecroft et al.，2016；Sexstone et al.，2018；Christia et al.，2020）使得1980—2020年期间，高山区温度呈显著变暖趋势，年平均温度增长斜率为0.036 ℃·a-1。这使得积雪冰川大面积消融转为裸地和草地，是高山区生境质量降低的根本原因。

图4 1980—2020年玛纳斯河流域年平均温度趋势变化Figure 4 Slope change of annual average temperature in Manas River Basin from 1980 to 2020

耕地扩张是干旱区绿洲扩张的主要方式（Xiang et al.，2016；Zhou et al.，2017），具有双刃剑作用。绿洲扩张能显著缓解绿洲与荒漠交错带的干旱程度，改善荒漠生境质量，为临近绿洲的沙生植物的生长提供了有利条件，促进了荒漠植被的多样性（Zeng et al.，2016；赵怀宝等，2010），有效提高了荒漠地表的植被覆盖度。所以合理的绿洲扩张能有效的缓解荒漠化加剧的趋势，促进荒漠生态系统稳定。但是绿洲扩张大面积侵占草地，极大的破坏了草地生态系统，不利于草地及湿地生物多样性保护及生态系统稳定（周宏飞等，2017；马依拉·热合曼等，2018）。再者耕地的大规模扩张不利于旱区水资源、土地资源及社会经济的可持续发展（Yang et al.，2019）。故今后绿洲扩张应追求适度，因地制宜，并积极响应和开展干旱区重大生态恢复及保护工程建设，加强对草地、湿地、林地等生态系统的保护。

此外，全球气候持续变暖显著加速了积雪冰川消融的速率（Li et al.，2022；Su et al.，2022），极大的改变了山地生态系统的组分、结构及物质循环（Hotaling et al.，2017；Moser et al.，2019），对高山带部分生物的生存、生物多样性保护（Niittynen et al.，2018）及水资源安全构成了巨大威胁，严重阻碍了干旱区人与自然的可持续发展（Huang et al.，2015），故今后干旱区发展当重点保护山地生态系统和高山带固体水资源，并加强对融雪水的高效利用和存储。