湖南省生态红线区2015—2021年生境质量的时空演变特征

江 纯，高 伟，吕文凯，薛祥海，吴若楠

(1.湖南师范大学地理科学学院，湖南 长沙 410081；2.湖南师范大学地理空间大数据挖掘与应用湖南省重点实验室，湖南 长沙 410081)

生境质量是指生态系统提供给生物个体和种群持续发展和生存的适宜条件和能力，可以在一定程度上反映区域生物多样性状况[1-2]。近几十年来，随着人类活动的日益加剧，生境破碎、物种灭绝以及外来物种入侵越来越严重[3-4]。因此，人类活动引起的因土地利用变化所导致的生境质量改变的问题已经引起了国际社会的高度关注[5]，深入研究土地利用变化对生境质量的影响对区域可持续发展具有重要意义。

目前，生境质量评估方法大致分为两类：一类是通过构建生境质量指标体系来进行评估。该方法在小尺度区域范围内的评估精度高，但在大、中尺度区域范围内的评估效果不佳[6]，而且一般侧重于生境适宜性评价[7]，忽略了现有威胁源等影响因素[8]。另一类是基于模型的方法对生境质量进行评价。随着遥感和GIS技术的发展，这类方法虽在小尺度区域范围内评价精度稍逊于指标体系法[9]，但更适用于不同时间和空间尺度[6]，同时具有成本低、数据易获取[5]等优势。常用模型主要有InVEST模型[10]、HIS模型[11]、MAXENT模型[12]等。其中，InVEST模型参数调整灵活[13]、操作简单和结果可靠性强[14]，且考虑了现有威胁源等因素[8]，是目前较为成熟且应用最多的生态系统服务评估模型[5，15-16]。如Baral等[17]运用InVEST模型评估了澳大利亚地区生境质量，并探讨了其生物多样性与其他生态服务系统之间的关系；Sallustio等[18]利用InVEST模型对意大利自然保护区生境质量进行了评估；张学儒等[19]在CA-Markov模型模拟得到的土地利用数据的基础上，利用InVEST模型重建了泛长三角地区生境质量空间格局；Zhu等[20]应用InVEST模型对杭州市生境质量进行了探究，并分析了其时空模式变化特征。以上研究丰富了生境质量研究成果，也在一定程度上体现了InVEST模型在各种区域尺度的可靠性和适用性。

湖南省作为长江经济带战略环境试点省份之一，于2020年率先完成“三线一单”(生态保护红线、环境质量底线、资源利用上线和生态环境准入清单)编制与成果发布[21]。其中《生态保护红线划定技术指南》明确指出，生态保护红线是保障和维护国家生态安全的底线和生命线。为响应国家号召，湖南省于2018年印发《生态保护红线》，生态保护红线(以下简称生态红线)区划定面积为4.28万km2，约占湖南省国土总面积的五分之一，其空间分布整体呈现“一湖三山四水”的格局[22]。为了评估湖南省2018年生态红线划定前后红线区生境质量，本研究选取该区域2015、2018、2021年土地利用数据，利用InVEST模型对湖南省生态红线区生境质量进行评估，以揭示土地利用变化对该地区生境质量的影响，为后续的生态维护和生态修复工作提供参考。

1 研究区概况

湖南省位于长江中游地区，与江西、广东、广西、贵州、湖北等省份接壤，其地理位置为108°47′—114°15′E，24°38′—30°08′N，面积约为21.18×105km2。该地区以山地、丘陵为主，大体上是“七山二水一分田”的格局[22]。湖南省生态红线区划定面积为4.28万km2，占全省国土总面积的20.23%，省内各市均有分布。生态系统稳定、森林覆盖范围高的湘西和湘南地区，以及水域资源丰富的湘北洞庭湖生态保护区，是湖南省生态红线区分布的主要地区，长株潭城市群也有少量生态红线区分布。湖南省生态红线区空间分布具体情况见图1。

图1 湖南省生态红线区空间分布Fig.1 Spatial distribution of the ecological red line area in Hunan Province

2 数据获取与研究方法

2.1 数据获取

选择2015、2018、2021年的土地利用数据，对湖南省生态红线区的生境质量空间格局及演变特征进行分析。土地利用数据来源于武汉大学的杨杰和黄昕教授团队的中国30 m逐年土地覆盖数据集(CLCD)(https：//zenodo.org/record/5816591)。湖南省矢量边界数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http：//www.resdc.cn)；湖南省生态红线区矢量边界数据来源于湖南省国土资源规划院。

2.2 研究方法

2.2.1 生境质量模型

采用生态系统服务评估工具InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Model)中的生境质量(Habitat Quality)模块对湖南省生态红线区生境质量进行评估。该模型假设生境质量越高的地区其生物多样性越高，生态服务能力也越强[9]。生境退化指数计算公式为[23]：

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中：Dxj为栅格x在地类j的栖息地退化度；R为威胁源数量；r为威胁源；Yr为栅格地图上的网格单元集；y为威胁源r中的栅格数；ωr为不同威胁源r的权重；ry为威胁源强度；irxy为栖息地与威胁源之间的距离以及威胁源的影响范围，用指数或线性距离衰减函数表示；βx为法律保护度；Sjr为地类j对威胁源r的相对敏感程度；dxy为栅格x和栅格y之间的直线距离；drmax为威胁源r的最大空间影响距离。

根据生境质量退化度Dxj，得到生境质量Qxj，其计算公式为[23]：

(4)

式(4)中：Qxj为栅格x在地类j的生境质量；Hj为地类j的生境适宜性；z为默认参数，其取值为2.5；k为半饱和常数。

本研究根据湖南省实际情况并结合文献[24]，将威胁源划分为耕地和不透水面。参考已有研究[22，25-26]和InVEST模型手册[27]，对威胁源的最大影响距离和衰减类型、威胁源的权重以及栖息地对威胁源的生境适宜度进行赋值(见表1～2)。

表1 威胁源影响距离和权重Tab.1 Threat source impact distance and weights威胁源最大影响距离/km权重空间衰减类型耕地20.6线性不透水面50.8指数

表2 不同土地利用类型生境适宜度及其对威胁源的敏感度Tab.2 Habitat suitability of different land use types and their sensitivity to threat sources地类代码土地利用类型生境适宜度耕地不透水面1耕地0.50.00.52林地1.00.40.33草地0.90.60.44水体0.90.20.65不透水面0.00.00.06裸地0.00.00.0

2.2.2 土地利用动态度

土地利用动态度是指在一定的时间段内，土地利用类型及其空间分布变化的程度，包括单一土地利用动态度(L)和综合土地利用动态度(Lc)[28]。单一土地利用动态度是指特定土地利用类型在一定时间段内的变化情况；综合土地利用动态度是指多种不同土地利用类型在一定时间段内的综合变化情况。其计算公式分别为：

(5)

(6)

式(5)～(6)中：Ua和Ub分别为特定土地利用类型研究初期、末期的面积；LUi为研究初期第i类土地利用类型的总面积；ΔLUi-j为研究期内第i类土地利用类型向非第i类(j类)土地利用类型转变的面积变化量，用绝对值表示；T为研究时间段(a)。

3 结果与分析

3.1 土地利用转移特征和时空动态

为全面了解2015—2021年湖南省生态红线区土地利用变化的结构特征，构建了土地利用转移矩阵(见表3)。从表3可知，虽然湖南省生态红线区所有土地利用类型的面积都发生了变化，但林地面积占比一直都为最高。结合土地转移弦图(图2，其中箭头代表土地转移方向，弧段代表变化程度)进一步分析可知：2015—2018年，耕地面积的净增加量最多，达144.14 km2，主要由林地和水体转入；其次是不透水面面积的，净增加量为5.79 km2，大部分由耕地和水体转入；水体面积的净减少量最多，达103.31 km2；林地面积净减少了45.85 km2，主要转出为耕地；草地和不透水面的面积变化不明显，分别净减少和净增加了1.35km2和5.79 km2。2018—2021年，湖南省生态红线区所有土地利用类型的面积同样是耕地面积的净增加量最多，达136.14 km2，主要由水体和林地转入；水体面积的净减少量最多，达161.54km2，这也许是由于2020—2021年湖南省经历了较大程度的干旱，导致水域受气候因素影响较为严重；草地面积净减少了3.94 km2，说明其保护还有待加强；林地面积净增加了23.1 km2，主要为耕地转入，说明政府在生态红线区执行的生态补偿政策取得了初步成效；建设用地面积净增加了6.24 km2，比2015—2018年间稍有增加，这可能是因为当地政府为改善生态红线区的基础设施，方便当地居民出行和经济发展增加了道路面积。

表3 2015—2021年湖南省生态红线区土地利用转移矩阵Tab.3 Land use transfer matrix of the ecological red line area in Hunan Provincekm2年份用地类型耕地林地草地水体不透水面耕地2 748.87259.331.7356.437.39林地304.7035 028.013.3115.331.842015—2018草地2.683.6212.100.080.09水体156.4115.940.052 307.987.15不透水面5.231.040.044.3755.43耕地2 732.02396.241.8871.3316.44林地375.0934 882.594.8142.283.572018—2021草地2.957.616.430.080.15水体228.4540.980.082 100.1714.54不透水面15.544.020.088.8243.44

图2 2015—2021年湖南省生态红线区土地转移弦图Fig.2 String map of land transfer ofthe ecological red line area in Hunan Province from 2015 to 2021

图3和图4分别为2015—2021年湖南省生态红线区土地利用的空间分布和各地类的面积变化量。从图3、图4中可以看出：2015—2021年湖南省生态红线区各地类面积整体变化不大，但其特征表现为“两增三减”，即耕地和不透水面面积增加，林地、草地和水体面积减少。土地利用类型以林地为主，其面积都在3.5×104km2以上，达生态红线区总面积的86%以上，广泛分布于生态红线区内。从面积变化幅度而言，不透水面面积增长幅度最大，从2015年的66.11 km2增长至2021年的78.14 km2，年增长率达3.03%；草地面积很小且分布较为零散，相对聚集在林地周围，面积缩减幅度最大，年下降率达4.75%。

图3 2015—2021年湖南省生态红线区土地利用的空间分布Fig.3 Spatial distribution of land use in the ecological red line area in Hunan Province from 2015 to 2021

图4 2015—2021年各地类的面积变化量Fig.4 Changes in class by region from 2015 to 2021

3.2 土地利用动态度

为研究生态红线区土地利用类型变化速度，根据表3和公式(5)～(6)，计算了2015—2018年和2018—2021年的生态红线区土地利用动态度(见表4)。由表4可知，2015—2021年生态红线区土地利用综合动态度呈增加的变化趋势，2018—2021年比2015—2018年增加了0.16%，表明2015—2021年人类活动对土地利用的影响在加强。生态红线区耕地和不透水面的单一土地利用动态度都持续增加，但2018—2021年其增幅都在减小，表明生态红线区划定后各级政府和相关部门采取的限制耕地和不透水面增长的措施得到了积极的反馈；林地动态度呈现先减后增的趋势，说明在生态红线区划定前的时间段中，由于土地利用政策较为宽松，导致林地受到了破坏，林木被砍伐，而在生态红线区划定后，林地受到了更好的保护；草地和水体的动态度变化都呈减少趋势，与耕地和不透水面的动态度变化趋势相反。

表4 2015—2021年生态红线区土地利用动态度Tab.4 Dynamic index of land use in ecological red line ar-ea from 2015 to 2021 %地类动态度2015—2018年2018—2021年耕地1.56 1.41 林地-0.04 0.02 草地-2.42 -7.63水体-1.38 -2.26不透水面2.93 2.88综合动态度0.340.50

3.3 生境质量时空变化

基于InVEST模型中Habitat Quality模块得到湖南省生态红线区2015、2018、2021年生境质量指数值，该指数值介于0～1之间，指数值越接近1，代表生境质量越好。为研究土地利用类型变化对生境质量的影响，结合研究区实际情况，对2015、2018、2021年湖南省生态红线区的生境质量数据进行分区统计，将其分成差〔0，0.4〕、中(0.4，0.6〕、良好(0.6，0.9〕和优(0.9，1〕等4个等级；同时，将其生境质量空间分布情况绘制于图5，并统计了其各等级生境质量区域面积占比变化情况(见图6)。

图5 2015—2021年湖南省生态红线区生境质量时空演变格局Fig.5 Temporal and spatial evolution pattern of habitat quality in ecological red line area from 2015 to 2021

图6 2015—2021年生态红线区各等级生境质量区域面积占比变化Fig.6 Changes in the area proportion of habitat quality in the ecological red line area from 2015 to 2021

从生境质量时空演变格局(图5)来看：湖南省生态红线区中差等生境质量区域主要分布在岳阳市西北区域，其原因主要是该地区有生境适宜性较低的耕地和威胁源不透水面，但其在2015—2021年面积变化不大，且占比非常少(小于0.50%)(见表5)。中等生境质量区域主要分布在湘北洞庭湖区域，其主要原因是该地区耕地较多，对生境影响较大；其他地区也有零星分布。良好生境质量区域在整个生态红线区都有分布，主要分布在洞庭湖水域以及河流地区。湖南省生态红线区以优等生境质量区域为主，优等生境质量区域主要分布在南岭山脉、罗霄—幕阜山脉、武陵—雪峰山脉和南岳衡山。以上区域地形以山地为主，拥有丰富的林地、草地等生态资源，是优等生境的绝佳载体。湖南省生态红线区优等生境质量区域的面积大于差等、中等、良好生境质量区域的面积之和，说明该区域生境质量总体优良。

从时间角度来看(见表5)：2015—2021年，湖南省生态红线区平均生境质量指数值分别为0.951、0.949和0.948，呈逐年下降趋势，但2018—2021年较2015—2018年的下降幅度明显减小。各不同生境质量等级的区域面积变化平缓，差等生境质量区域的面积占比从0.40%上升到0.42%，中等生境质量区域的面积占比从7.69%上升到8.32%，良好生境质量区域的面积占比从5.96%下降到5.33%，优等生境质量区域的面积占比从85.96%下降到85.93%。

表5 2015—2021年生态红线区各等级生境质量区域面积占比Tab.5 The proportion of area for different levels of habi-tat quality in the ecological red line area from 2015 to 2021生境质量等级(指数值)面积占比2015年2018年2021年差〔0,0.4〕0.40%0.41%0.42%中(0.4,0.6〕7.69%8.04%8.32%良好(0.6,0.9〕5.96%5.71%5.33%优(0.9,1〕85.96%85.84%85.93%平均生境质量指数值0.9510.9490.948

从2018—2021年和2015—2018年2个不同时段来看(见图6)：差等生境质量区域的面积占比下降幅度不变；良好生境质量区域的面积占比下降幅度从0.25%增加到0.38%；中等生境质量区域的面积占比上升幅度从0.55%减少到0.28%；优等生境质量区域的面积占比由减少0.12%变为增加0.09%；2018年以后，生境质量指数平均值下降幅度明显减小，从下降0.002降低至下降0.001。以上结果中虽然各生境质量等级的区域面积占比变化较小，但从生态环境的保护与修复的角度来看，说明湖南省生态红线区划定以后，政府对生态红线区的管理和保护工作得到了加强，有效遏制了生境质量的退化。

根据InVEST模型运行结果得到湖南省生态红线区生境退化度空间分布图。参考文献[19]，将生境退化度划分为无退化〔0.000〕、轻度退化(0，0.012〕、中度退化(0.012，0.033〕、高度退化(0.033，0.064〕和严重退化(0.064，1.000〕等5个级别(见图7)。从图7可以看出：湖南省生态红线区基本都有生境退化的趋势，以轻度退化为主，轻度退化区域主要分布在南岭山脉、罗霄—幕阜山脉、武陵—雪峰山脉和南岳衡山地区以及湘北洞庭湖区，其主要原因是林地和水域生境适宜性高从而不易产生退化；中度生境退化度区域在生态红线区分布广泛，但分布比较零散，主要分布在山区和湖泊的外围地区，其原因可能主要是这些地区海拔较低，受人类干扰较大，易产生退化；高度退化和严重退化区域同样在整个湖南省生态红线区都有分布且分布零散，主要分布在耕地以及中等退化区域的外围地区，其原因主要是这些地区受人类活动影响很大，如耕地的农业生产活动可能会导致土地的化学污染和水土流失等问题，从而降低周边生境的质量；无退化区域主要分布在岳阳市西北区域，其原因可能是该地区的生境早已经遭到严重破坏，再度退化的可能性较小。

图7 2015—2021年湖南省生态红线区生境退化度时空演变Fig.7 Temporal and spatial evolution of habitat degradation in the ecological red line area of Hunan Province from 2015 to 2021

4 结论和讨论

(1)2015—2021年，湖南省生态红线区土地利用变化特征表现为“两增三减”，即耕地和不透水面面积增加，林地、草地和水体面积减少。

(2)2015—2021年，湖南省生态红线区土地利用综合动态度呈增加的变化趋势，2018—2021年比2015—2018年增加了0.16%；生态红线区虽然耕地和不透水面的单一土地利用动态度都持续增加，但是2018—2021年其增幅都在减小。

(3)湖南省生态红线区以优等生境质量区域为主，优等生境质量区域面积大于差等、中等、良好生境质量区域的面积之和；2015年、2018年、2021年湖南省生态红线区的平均生境质量指数分别为0.951、0.949和0.948，呈逐年下降趋势；2018年以后，生境质量平均值下降幅度明显减小，从2015—2018年的下降0.002减缓至2018—2021年的下降0.001；优等生境质量区域的面积占比由2015—2018年的减少0.12%变为2018—2021年的增加0.09%。湖南省生态红线区基本都有生境退化的趋势，但以轻度退化为主。

湖南省生态红线区2015—2021年生境质量指数平均值呈逐渐减小的趋势，差等生境质量区域面积有所增加，良好生境质量区域面积缩减的幅度也持续增大。究其原因，主要与自然因素有关。由于2020—2021年湖南全省出现了较为严重的干旱，从而造成生态红线区水域面积缩减较严重、地表水位下降以及植被退化等。但生态红线区2018—2021年的生境质量指数平均值下降幅度相对2015—2018年的有所减小，生态环境得到了改善。该研究结果与李亚娇等[29]、王燕等[30]、夏楚瑜等[31]的研究结果相似。产生这种结果的原因主要得益于政府采取的相关保护措施，例如禁止砍伐和退耕还林还草等。因此，在严格的生态保护政策下，适度的人类活动与生境质量之间可以形成相互促进的良性互动关系[32]。

虽前人已对1995—2015年湖南省生境质量进行了研究[22，33]，但本研究扩大了研究的时间范围，针对湖南省生态红线区生境质量时空演变再次进行了调查和分析，填补了湖南省生态红线区生境质量评估方面的空白，证实了湖南省生态红线政策实施的有效性。这对后续湖南省生态红线区管理和修复具有重要意义。