基于生态功能区划的黄土高原生境质量演变及模拟

王金凤，刘小玲，王 盛，李 庆，胡世雄，李玲凤

（1.山西师范大学 地理科学学院，山西 太原 030000；2.河北省科学院 地理科学研究所，河北 石家庄 050011；3河北省科学院 河北省地理信息开发应用工程技术研究中心，河北 石家庄 050011；4.宾夕法尼亚州立东斯特劳斯堡大学 地理系，东斯特劳斯堡 18301－2999）

在人类活动长期驱动下生态系统开发利用和巨大的人口压力使生态系统由结构性破坏向功能性紊乱方向发展，引发水资源短缺、生物多样性退化、水土流失等生态问题［1－2］。生境质量是在某一特定区域内自然环境持续为物种生存和发展提供适合条件的能力，生境质量的高低是衡量生态环境好坏的重要指标［3］。生境质量与区域土地利用变化密切相关，基于土地利用变化（LUCC）对生境质量进行评价，可以探究区域内土地利用方式和利用强度的合理性，以及生态环境治理的效果［4－5］，对促进区域生态保护，构建山水林田湖草沙生命共同体具有重要意义。

提取不同尺度景观格局与生态过程关系的关键因子，可以有效构建多尺度、多因子景观格局与生态过程耦合框架［6］。土地利用是景观格局时空演变的直接驱动力［7］，地形、土壤特性、植被等环境因子空间配置的变化可能导致生境质量的改变［8－10］。国内外学者关于生境质量与景观格局的研究多集中在区域生境质量评价［11］及单因素景观格局尺度效应［12－13］方面，而基于生境质量及地形、土壤、植被、LUCC等多因素景观格局的研究较少。多因素景观格局可以表征区域景观向高丰富度、均匀度、破碎化方向发展的程度，并提升人们对景观异质性的关注度［14－15］，了解多因素景观格局与生境质量的耦合关系有助于揭示生境质量的景观生态过程效应，维持区域生态系统功能稳定。

黄土高原是中国“两屏三带”生态安全战略格局的重要组成部分。黄土高原位于我国干旱半干旱区过渡地带，生态环境脆弱，水土流失严重，区域范围内河道淤积，旱涝灾害发生风险大［16］。笔者根据《全国生态功能区划》，采用InVEST和CA－Markov模型，对黄土高原不同生态区生境质量时空演变进行定量分析，并采用Moran’s I指数对黄土高原生境质量进行空间关联性检验，在此基础上预测2030年不同情景下生境质量变化情况，探讨自然因子、人类活动及多因素景观格局对生境质量的影响，以期为黄土高原地区生态安全格局构建和空间优化提供理论支撑。

1 研究区概况、数据与方法

1.1 研究区概况

黄土高原位于黄河流域中上游，是黄河泥沙的主要来源［17］。黄土高原地处干旱半干旱气候区，气候特征具有明显地带性［18］，年均气温为3.6～4.3℃，年降水量为200～700 mm，汛期多暴雨，易引起严重的土壤侵蚀。基于《全国生态功能区划》，结合黄土高原地貌、水热组合、植被特征等自然条件将其分为8个生态区，即秦巴山地北部边缘落叶与常绿阔叶林生态区、太行山山地落叶阔叶林生态区、汾渭盆地农业生态区、黄土高原农业与草原生态区、海东高寒草甸草原生态区、鄂尔多斯高原东部典型草原生态区、鄂尔多斯高原西部－陇中荒漠草原生态区、青海祁连山森林与高寒草甸生态区。

1.2 数据来源

土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心，选取1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年7期遥感监测数据，分辨率为1 km。DEM数据来源于地理空间数据云SRTM。土壤类型、各年归一化植被指数（NDVI）、GDP与人口空间分布公里网格数据由中国科学院资源环境科学与数据中心提供，分辨率为1 km。气象数据包括年降水量和年均气温，黄土高原85个气象站点的气象数据源于国家气象科学数据中心。生态区矢量数据来源于中国生态系统评估与生态安全格局数据库。另外，主要公路、铁路数据来源于国家基础地理信息系统。

1.3 研究方法

（1）多因素景观斑块单元的构建。对黄土高原的土地覆被、坡度、土壤类型及NDVI进行分类，利用Fragstats软件构建多因素景观格局。土地覆被类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6个一级地类，土壤类型以土纲为主分为14类，坡度分为1°～3°、4°～7°、8°～15°、16°～25°、大于26°共5类，NDVI分为6个等级。土地覆被类型、坡度、土壤类型、NDVI为同一分类时构成一类景观斑块单元，景观斑块中若土地覆被类型、坡度、土壤类型相同但NDVI分类不同时则认为属于不同类型的斑块，当所有分类相同时视为同种景观斑块单元［19］。基于多因素景观斑块单元，选取斑块数量（NP）、斑块密度（PD）、平均斑块面积（AREA＿MN）、景观凝聚度（COHESION）、景观形状指数（LSI）、蔓延度指数（CONTAG）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）等景观格局指数，计算其与各区域生境质量的相关性，分析景观斑块对生境质量的影响。

（2）InVEST模型。采 用InVEST模 型Habitat Quality模块进行生境质量评估。Habitat Quality模块主要通过土地利用数据，结合生境适宜度、胁迫因子影响距离和权重、各生境类型对胁迫因子的敏感性进行生境质量评估［20］。

式中：Qxj为土地利用类型j中栅格单元x的生境质量指数，其值为0～1；Hj为土地利用类型j的生境适宜度；z为尺度常数，一般取2.5；k为半饱和常数，一般为生境退化度最大值的1／2；Dxj为土地利用类型j中栅格单元x的生境退化度；R为胁迫因子数量；Yr为胁迫因子r的栅格单元总数；wr为胁迫因子r的权重；ry为栅格单元上的胁迫因子个数；βx为栅格x的可达性水平；Sjr为景观j对胁迫因子r的敏感性，取值为0～1；irxy为胁迫因子r的影响距离，可按照线性和指数衰退来计算。

（3）CA－Markov模型。以2015年土地利用数据为基础，采用CA－Markov模型［20］预测2030年3种不同情景下土地利用格局变化。自然发展情景（情景1）：不考虑自然条件和人为因子的变化，把2000年、2005年、2010年、2015年的土地利用转移矩阵导入模型后，基于Markov链自然演化过程得到2030年土地利用格局。城市发展情景（情景2）：以经济效益最大化为目标，突出城市扩张作用，扩大城乡居民用地空间，限制现有建设用地和道路交通用地向其他土地利用类型转移，部分耕地、林草地为可转移地类，加大转出比例，适当增加未利用地转移为城乡居民用地的可能性。适宜因子选择高程和坡度，高程低于1 300 m最适宜城市建设，1 300～2 000 m次适宜，2 000～4 985 m适宜性减弱。坡度1°最适宜，1°～7°次适宜，大于7°适宜性减弱。生态保护情景（情景3）：为加强黄土高原生态保护，将水域、林地、草地作为限制用地，严禁转出，减少其他地类对林地的占用。适宜因子选择坡度和海拔，由于坡度较大处（坡度大于7°）、海拔较高处（海拔大于2 000 m）不适宜建设和开垦，因此坡度较大、海拔较高处的耕地和建设用地更宜转化为林地和草地。

2 结果与分析

2.1 黄土高原生境质量时空变化特征

黄土高原生境质量整体较好，生境质量指数均值为0.605 1～0.611 7，见表1。1990年、1995年生境质量下降，2000年、2005年、2010年生境质量上升，原因是1999年起退耕还林还草工程等生态保护措施的实施，以及区域环境保护与管理的不断加强，生态环境得到一定改善［21］。2010年以后随着城市快速发展，建设用地增幅明显，不断侵占农业和生态用地，黄土高原生境质量指数均值下降，其中汾渭盆地农业生态区生境质量下降，而海东高寒草甸草原生态区生境质量上升。近30 a海东高寒草甸草原生态区生境质量指数均值为0.73，青海祁连山森林与高寒草甸生态区、太行山山地落叶阔叶林生态区生境质量指数均值为0.69，秦巴山地北部边缘落叶与常绿阔叶林生态区、黄土高原农业与草原生态区生境质量指数均值为0.64，汾渭盆地农业生态区生境质量指数均值为0.46，区域差异较大。

表1 黄土高原各生态区生境质量指数变化情况

依据生境质量指数，利用自然断点法，将黄土高原生境质量划分为5个等级：高（0.88～1）、较高（0.78～0.88）、中等（0.45～0.78）、较低（0.20～0.45）、低（0～0.20），见图1。生境质量高与较高区分布在太行山山地落叶阔叶林生态区、秦巴山地北部边缘落叶与常绿阔叶林生态区、青海祁连山森林与高寒草甸生态区、海东高寒草甸草原生态区，占区域总面积的43.57%，这些区域主要为山区，土地利用类型以林草地为主，植被覆盖度高，人类活动较少。生境质量低与较低区分布在鄂尔多斯高原东部典型草原生态区、鄂尔多斯高原西部－陇中荒漠草原生态区、黄土高原农业与草原生态区西南部以及汾渭盆地农业生态区，占区域总面积的40.59%，这些区域建设用地和耕地大面积侵占草地，伴随着城镇化发展，生境质量逐渐下降和退化，生境质量逐渐下降区域以城镇区域为中心向周边扩散。生境质量中等区零星散落分布在鄂尔多斯高原东部典型草原生态区中部、黄土高原农业与草原生态区西南部，占区域总面积的15.84%。黄土高原生境质量呈现两极分化特征。

图1 黄土高原生境质量空间分布

2.2 生境质量空间关联性

黄土高原生境质量空间关联性显著性检验表明在99%置信度下生境质量存在空间相关性。1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年Moran’s I指数分别为0.209 8、0.212 9、0.218 1、0.184 2、0.213 1、0.216 9、0.224 3，黄土高原生境质量呈现高高聚集、低低聚集的特征，见图2。高高聚集区分布与生境质量高、较高区域分布基本吻合，低低聚集区集中分布在黄河流经的河谷平原区。2000—2020年高高聚集区与低低聚集区不断增加，高高聚集区与低低聚集区面积占比分别提高0.14%、1.51%，逐渐向高高聚集、低低聚集两极化方向发展。

图2 黄土高原生境质量聚集情况

2.3 黄土高原未来情景模拟与分析

在自然发展情景（情景1）下，与2020年相比，2030年黄土高原建设用地、水域、未利用地、林地面积分别增加78.86%、59.90%、16.98%、2.87%，耕地、草地面积分别减少7.81%、8.04%，城镇化水平提高，而林地面积变化较小，草地退化导致未利用地面积增加，见图3（a）。情景1条件下，2030年生境质量指数均值相较2020年下降0.023 1，太行山山地落叶阔叶林生态区、秦巴山地北部边缘落叶与常绿阔叶林生态区生境质量指数均值相较2020年的上升0.001 7、0.008 3，其余各生态区生境质量指数均值均呈下降趋势，见图3（d）、表2。

在城市发展情景（情景2）下，与2020年相比，2030年建设用地面积增加157.90%，草地、耕地面积分别减少12.30%、10.70%，与情景1相比，建设用地面积增加44.19%、林草地面积减少7.77%，建设用地大幅增加，城镇化快速发展，按照此情景发展下去，未来黄土高原生态用地以较快速度减少，威胁当地生态环境，见图3（b）。情景2相较于情景1生境质量指数均值下降0.026，相较于2020年的下降0.049 1，生境质量明显退化，见图3（e）、表2。

在生态保护情景（情景3）下，与情景1、情景2相比，林草地面积增加9.40%、17.77%，水域面积增加0.82%、0.69%，建设用地面积减少0.64%、31.09%，生态环境得到保护，见图3（c）。情景3生境质量指数均值比情景1、情景2的上升0.007、0.033，但相较于2020年的下降0.016 1，见表2。与2020年相比，黄土高原农业与草原生态区、太行山山地落叶阔叶林生态区、秦巴山地北部边缘落叶与常绿阔叶林生态区生境质量趋好，生态环境得到一定改善，见图3（f）、表2。

图3 不同情景下2030年土地利用、生境质量分布格局

表2 不同情景下各生态区生境质量指数均值

3 讨 论

3.1 生境质量空间分异驱动因子探究

黄土高原生境质量存在空间异质性，见表3（其中∗∗表示空间异质性达到0.01的显著性水平）。黄土高原农业与草原生态区2015年生境质量指数与NDVI回归系数为0.282，表明植被是促进该生态区生境质量上升的主要驱动因子；与降水量回归系数为－0.192，表明降水为限制生境质量上升的不可抗拒因素。太行山山地落叶阔叶林生态区高程与坡度回归系数分别为0.369、0.243，海拔高的地区人类活动少，生境质量好，地形是影响该生态区生境质量的重要驱动因子；人口密度回归系数为－0.417，是该生态区生境退化的主要驱动因子之一。秦巴山地北部边缘落叶与常绿阔叶林生态区人口密度与NDVI回归系数分别为－0.392、0.383，该生态区以山地丘陵为主，植被覆盖度高，为生境质量高的区域，但人类活动在很大程度上阻碍了生境质量的提高。海东高寒草甸草原生态区是生态敏感区，NDVI回归系数最大，为0.322，植被是影响该生态区生境质量的主要因子，其中草地是决定该地区以畜牧业为主的经济发展状况的基础性自然资源［22］，占其总面积的63.05%。汾渭盆地农业生态区高程回归系数为0.370，说明高程是影响该地区生境质量的主要驱动因子，该区坡度小、海拔低，为人口密集的城镇区，人类活动剧烈，经济发展相对较快，关中地区、省会城市（西安、太原）土地利用强度高，生境胁迫尤为强烈。鄂尔多斯高原西部－陇中荒漠草原生态区、鄂尔多斯高原东部典型草原生态区、青海祁连山森林与高寒草甸生态区生境质量受自然因素影响较大。

表3 不同生态区2015年生境质量指数与影响因素回归系数

3.2 多因素景观斑块单元对生境质量的影响

多因素景观格局指数能够全面表示区域景观格局向高丰富度、均匀度及破碎化方向发展以及景观异质性变化的特征。对黄土高原各生态区多因素景观格局指数与生境质量的关系进行相关性分析，相关系数见表4（其中∗∗表示在0.01水平显著相关，∗表示在0.05水平显著相关）。秦巴山地北部边缘落叶与常绿阔叶林生态区生境质量与NP、PD、LSI显著负相关，与AREA＿MN、COHESION显著正相关，该生态区以山地丘陵为主，林草地为主要景观基质，容易受人类活动影响，景观类型易损度较高，对景观破碎化与景观凝聚相对敏感，景观格局脆弱度相对较高。汾渭盆地农业生态区生境质量与NP、PD、LSI、SHDI显著负相关，与CONTAG极显著正相关，该生态区城镇化快速推进，且地势坡度较小，土地开发利用程度不断提高，建设用地分布集中且逐渐形成完整、大的斑块，景观破碎化加重，但1999年以来退耕还林还草政策的实施，林地、草地、农田等主要景观格局发生了较大变化，生态治理措施的实施取得一定成效。

表4 各生态区多因素景观格局指数与生境质量的相关系数

4 结 论

基于InVEST和CA－Markov模型，分析了1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年黄土高原各生态区生境质量变化特征，预测了2030年3种不同情景下生境质量变化趋势，探究自然要素、人类活动、多因素景观格局对生境质量的影响。黄土高原生境质量整体较好，生境质量指数均值为0.605 1～0.611 7，空间聚类呈高高聚集、低低聚集两极分布特征。近30 a海东高寒草甸草原生态区生境质量指数均值最大，为0.73，汾渭盆地农业生态区生境质量指数均值最小，为0.46。生态保护情景下生境质量明显上升，而城市发展情景下生境质量退化严重，按生态保护情景发展，黄土高原农业与草原生态区、太行山山地落叶阔叶林生态区、秦巴山地北部边缘落叶与常绿阔叶林生态区生境质量提升。人口密度是各生态区生境破碎化的主导因子。秦巴山地北部边缘落叶与常绿阔叶林生态区生境质量与AREA＿MN、COHESION显著正相关，汾渭盆地农业生态区生境质量与CONTAG极显著正相关。