基于1990—2020年土地利用变化的西秦岭生境质量时空演变研究

罗莉，李晓丹，刘学录,，刘星雨，李权玺，毛子玄，马彪

（1甘肃农业大学管理学院，兰州 730070；2甘肃农业大学资源与环境学院，兰州 730070；3甘肃农业大学林学院，兰州 730070）

0 引言

生境质量(habitat quality)指生态系统提供适合个体和种群持续生存及发展的能力[1]，在一定程度上可以反映区域的生物多样性水平[2]。生境质量状况决定了人类、其他种群与自然是否和谐可持续发展[3]。土地利用变化(land use/cover change,LUCC)是人为活动的重要表现，土地利用类型的变化会导致生态系统内部结构和功能发生重大变化[4]，这是造成生境质量退化和丧失的主要因素[5]，尤其是在快速城市化的地区[6]。土地利用结构和程度的变化可以深刻影响生境斑块之间的物质流、能量流和其他交换过程，导致生境质量的变化[2]。区域生境质量是生态系统健康程度及土地利用方式是否合理的重要体现[7]。因此，研究土地利用与生境质量变化及关系对合理使用和保护土地资源、改善区域生境质量具有重大意义。

许多国内外学者从生境质量、生态风险、生态预警、生态服务功能等角度，围绕生态环境和人为活动的关系，对土地利用变化及其引起的生态效应做了广泛研究[8]，研究方法多用InVEST模型[9]、SolVES[10]模型等对多尺度生境质量进行定量评估。在研究尺度上多以省域[11]、城市群[3]、自然保护区[12]、流域[1]等为主。从InVEST模型来说，在土地利用类型下根据人为威胁因子和敏感度来评估生境质量，已被证明能有效评估区域生物多样性和生境质量状况[13]。该模型其具有空间表达力强、操作简捷等优点，已被研究者们广泛应用。例如，刘春芳等[14]利用InVEST模型评估了黄土丘陵区生境质量水平变化；在流域生境质量评估方面，雷金睿等[1]利用InVEST模型，探究了海南岛三大流域生境质量变化及其空间分布特征。关于历史和未来时期的生境质量变化情况方面，可以通过结合InVEST 模型和土地利用变化模拟开展研究[15]。通过研读前人的研究成果，可知InVEST 模型在不同的研究区域及时空尺度上开展生境质量评估工作具有可行性。

近30 a 来，西秦岭是甘肃经济发展和人民生活水平提高的重点区域，是农业发展的重要基地和旅游胜地，具有巨大的经济开发价值。西秦岭区域存在人地矛盾突出、城市扩张等现状，在一定程度上造成了生态破坏，人口、资源与环境空间配置不均衡，水域、草地等生态用地退化、生态环境质量下降。人文发展与生态保护的矛盾成为西秦岭的突出问题，必须因地制宜开展土地利用演变及生境质量研究，着力解决该区域生境质量退化、生态系统受损、空间格局失衡、自然资源开发利用不合理等国土空间问题。因此，合理推进西秦岭土地可持续利用及提高生境质量，是解决当前该地区人文发展与生态保护矛盾的关键。本研究通过探究1990—2020年西秦岭土地利用格局及程度变化，借助InVEST，利用生境质量模型、GeoDa模型、土地利用程度指数、双变量空间自相关方法对西秦岭近30 a 年的生境质量进行模拟评价。以期为西秦岭生境质量提高、土地资源保护、区域土地利用方向等方面提供科学参考，促使区域人口、资源、环境三者的协调发展。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

西秦岭是指秦岭西延部分，西起甘肃玛曲，东至甘肃两当，南起四川九寨沟，北抵甘肃漳县，自北西向东南走向横贯在中国中西部，是中国地理上的南北分界线秦岭的西延部分；是黄河与长江的分界山地，是中国亚热带与暖温带的过渡地带，又是青藏高原、黄土高原与秦巴山地的交错过渡地带，生态系统类型多样，生态环境复杂，西秦岭对于中国地理结构、生物多样性格局的形成、生态安全等方面均具有十分重要的意义（图1）。西秦岭地形上处于秦岭—昆仑地槽褶皱系，以高原、山地为主，地势起伏较大，海拔在448～5528 m 之间。西秦岭是黄河与长江流域分界线，北部为洮渭分水岭，西部为洮河与白龙江分水岭；西秦岭属于暖温带和北亚热带气候过渡区，包含了北亚热带、暖温带、中温带以及高山气候；西秦岭植被的垂直地带性较为明显，北部主要为温带落叶阔叶林，南部以亚热带常绿阔叶林为主。将西秦岭海拔划分为3 个阶层：500～1000 m、1000～2000 m、2000～4000 m；从每个阶层选取一个具有代表性的县区，综合考虑涵盖西秦岭两大流域、三大地貌、四大气候、降雨量及地理方位，从而分别选出位于西秦岭北部的天水市秦州区、南部的陇南市康县、西部的碌曲县作为代表性县区（表1）。三县区对比分析的目的及意义是为了通过所选取的西秦岭三县区去涵盖西秦岭主要的3种地貌类型、流域、气候等6个方面，对比分析30 a三期数据结果，体现西秦岭土地利用程度及生境质量演变总体特征。

图1 西秦岭研究区概况

表1 研究县区选择标准表

1.2 数据来源

土地利用遥感监测数据选取中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)。土地利用类型包括6 个1 级类型及25 个2 级类型。数字高程模型(DEM)数据来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)。InVEST 模型生境质量模块中运算所需各类参数来源于相关领域专家打分及国内外已有研究成果[3]，其他统计数据均在Excel 和origin 工具中完成计算及出图。

1.3 研究方法

1.3.1 生境质量模型生境质量值可用于表征研究区生境状况，反映物种在繁殖过程中的遗传变异和潜力，评估生物多样性水平[3]。借助InVEST，利用生境质量模块评估研究区1990—2020 年生境质量状况。本模型通过创建土地利用类型和威胁源二者之间的联系，基于土地利用数据来圈定及分析不同生境类型对各威胁源的响应，最终得出生境分布特征和退化情况，生境质量评价值越高，研究区生物多样性越好，生态系统越稳定[16]。生境质量指数计算公式见式(1)。

式(1)中，Qxj代表j类土地利用类型中x栅格的生境质量值，介于0～1 之间；Hj代表j类土地利用类型的生境适宜度；Dxj为j类土地利用类型中x栅格的生境退化度；z为归一化常量，通常默认值2.5；k为半饱和常数。

生境退化度计算公式为式(2)。

式(2)中，R代表所有退化源；r代表胁迫因子，y代表栅格数，Yr是胁迫因子r的栅格集；ωr是归一化胁迫因子r的权重，介于0～1 之间；ry是栅格y的胁迫因子r值；irxy是栅格y中的威胁因子r对栅格x的影响；βx代表栅格x的可接近水平；Sjr是土地利用类型j对胁迫因子r的敏感性程度。

根据西秦岭实际情况，将受人类干扰程度大的耕地、农村居民点用地、城镇用地及工、交建设用地作为威胁源，参考相关文献[3,16-17]结合区域特点设置模型参数（表2）。各土地利用类型对威胁因子的敏感度(S)不同，敏感度根据研究区实际情况及相关文献[11,14]进行合理设置（表3），取值范围为0～1。在ArcGIS 10.6 软件中，对生境质量值采用手动间断点分级法进行等级划分，将西秦岭生境质量划分为低(0～0.2)、较低(0.2～0.4)、中等(0.4～0.6)、较高(0.6～0.8)和高(0.8～1)5 个级别（表4），依次计算3个时期各级别生境质量平均值及其所占百分比。

表2 生态胁迫因子属性

表3 各土地利用类型对不同胁迫因子的敏感度

表4 生境质量等级划分标准表

1.3.2 土地利用程度指数土地利用程度指数(L)是衡量区域土地利用深度和广度的重要指标，反映人类对区域土地开发、利用及其他干扰程度[18]。计算公式见式(3)，将土地利用程度指数分为4级，见表5。

表5 土地利用程度指数分级

式(3)中，L是土地利用程度指数；Ai代表i类土地利用类型的程度分级指数；n代表土地利用类型个数；Ci代表第i级土地利用类型的面积百分比。

1.3.3 双变量空间自相关模型空间自相关分为局部、全局空间自相关。全局空间自相关揭示研究区全局空间相关性状，局部空间自相关能检测局部具体情况的空间联系[19]。莫兰指数(Moran’s I)是衡量空间自相关的指标，揭示空间邻接区域单元属性值的相似度，双变量空间自相关可反映两个不同属性变量之间的空间聚集关系[20]。本研究通过GeoDa 软件，生成莫兰散点图和LISA聚类图来进行双变量空间自相关分析，公式详见参考文献[21]。

2 结果与分析

2.1 土地利用状况分析

从土地利用现状与变化上来看（图2、3），1990—2020 年间，西秦岭北部耕地减小面积最大，为47.5 km2；其次为草地，减少面积为1.72 km2；其他的土地利用类型减少面积较小；从增加看，林地增加最多为26.02 km2；其次为建设用地，增加面积为23.91 km2。西秦岭南部仅草地减少且面积较大，为78.09 km2；从增加看，耕地增加面积最大，达33.92 km2；其次主要来自林地和建设用地，面积分别为21.10 km2、19.59 km2。西秦岭西部草地减少面积最大32.69 km2，其次为未利用地减少面积为11.87 km2。从增加看，耕地、水域、林地分别增加13.18 km2、12.22 km2、10.45 km2。总的来说，西秦岭北部主要以耕地减少，建设用地和林地面积增加为主；南部以草地减少，耕地、林地、建设用地面积增加为主；西部以草地和未利用地减少为主，其他土地利用类型面积增加。

图2 1990、2005、2020年土地利用现状

图3 西秦岭1990—2020土地利用类型变化图

2.2 生境质量分析

（1）从时间变化来看（图4），西秦岭低等级生境占比在1990—2020年30 a内一直增加，且后15 a的上升幅度要大于前15 a；而较低等级生境占比在30 a 内有下降的趋势，除了西秦岭南部较低等级生境占比上升，经历了一个先小幅上涨后上涨幅度较大的过程；中等级生境占比整体上呈现缩减态势，除西秦岭西部属于青藏高原东边缘所在区域，中等生境面积占比稳步增加；大部分地区较高等级生境占比表现为减少的趋势，其中西秦岭西部属于青藏高原东边缘所在区域，较高等级生境占比表现大幅度缩减的局面；高等级生境占比趋于微弱增加，后15 a 增加态势较前15 a 稍大。总的来说，西秦岭生境变化是一个由较高向高等级生境过渡，而中、较低等级生境向低等级生境过渡的过程，生境质量处于两极锐化的过程中；除西秦岭西部属于青藏高原东边缘所在区域，主要是由较高向中等级生境变化，较低向低等级转化的过程。

图4 1990、2005、2020西秦岭生境等级面积占比及平均值

（2）从空间格局来看（图5），生境质量演变存在明显的规律性，西秦岭北部与南部生境质量高等区所占面积比重较小；西部生境质量高等区比重相对来说较大，主要分散在人为活动较少、植被较为茂密，生物多样性较好的区域。秦岭山地区域以林地为主，生物多样性丰富，人类活动相对较少，因此其生境质量较高；生境质量低等区主要分布于城镇建设区，所属经济繁盛中心，建设用地肆意延展，人类活动频繁，致使城镇建设用地区域生境质量差；生境质量较差区连片散布在黄土高原区域，该区域的主要土地利用类型是耕地、农村居民点，生境质量较差、生态环境毁坏严重。

图5 1990、2005、2020年西秦岭生境质量空间分布

2.3 土地利用程度与生境质量相关性分析

为进一步探明研究区土地利用程度对生境质量的影响，本研究借助GeoDa 软件，以土地利用程度及生境质量数据为基础，利用双变量空间自相关模型，最终获取二者的空间关联特征（图6）。为了适宜研究尺度揭示土地利用程度对生境质量的影响，根据研究区乡镇单元的大小以及计算工作量，通过ArcGis10.6 中的工具，建立5 km×5 km的网格，并提取各网格对应的平均生境质量。由图6可知，西秦岭东北部1990、2005和2020年的全局莫兰指数分别为-0.768、-0.751、-0.758主要分布在二、四象限。西秦岭南部1990、2005 和2020年的全局莫兰指数分别为-0.602、-0.603、-0.592也主要分布于二、四象限。这说明空间上土地利用与生境质量呈负相关关系，土地利用程度越大、生境质量越低，反之，生境质量越高。

图6 1990—2020西秦岭土地利用程度与生境质量的Moran散点图

与西秦岭东北部、南部不同的是，西秦岭西部1990、2005 和2020 年的全局莫兰指数分别为0.434、0.443、0.425，主要集中在一、三象限。全局莫兰指数值均为正值，说明西秦岭西部土地利用程度与生境质量在空间分布上呈正相关关系，整体上西秦岭西部随着土地利用程度的增强，生境质量呈先上升趋势。且空间上存在集聚现象，1990—2020年全局莫兰指数先增大后减小，表明空间集聚性先增强后减弱。

LISA 聚类形态主要为低土地利用程度—高生境质量相关和高土地利用程度—低生境质量相关。低土地利用程度—高生境质量主要分布在西秦岭中南部区域。高土地利用程度—低生境质量范围区集中在西秦岭北部区域。而高土地利用程度—高生境质量、低土地利用程度—低生境质量主要分布在西秦岭西部，位于青藏高原东边缘地带。1990—2020年，对于高土地利用程度－低生境质量面积占比来说，西秦岭南部均匀持续减少，占比由24.64%减少至22.46%；西秦岭北部有减少的趋势，占比由38.33%减少至27.78%，且前15 a减少幅度远大于后15 a。低土地利用程度—高生境质量面积占比来说，西秦岭南部平稳持续增长，由24.64%增加至26.09%；西秦岭北部有减少的趋势，占比由25%减少至16.11%，且前15 a 大幅减少后15 a 占比几乎不变。而对于西秦岭西部高土地利用程度—高生境质量占比来说，占比均稳定在24.77%左右。低土地利用程度—低生境质量占比来说，占比均稳定在13.76%左右，西秦岭西部其未利用地占比相较西秦岭其他区域来说较大，所以低—低区相对占比较大但稳定。

2.4 生境退化分析

生境退化指数高，说明威胁对区域生境质量造成的潜在损害程度很大，导致生境质量下降的可能性很高。1990、2005和2020年西秦岭北部平均生境退化度指数分别为0.01036、0.01038 和0.01081；南部平均生境退化度指数分别为0.00731、0.00733、0.00759；北部平均生境退化度指数分别为0.00029、0.00048、0.00051（图7）。由此可看出，西秦岭1990—2005 年生境退化度有小幅上升，说明研究区生境质量下降的概率较小。2005—2020年生境退化度较前15 a涨幅较大，说明西秦岭生境质量下降的概率有所增加。从整体上1990—2020年30 a来说，研究区生境退化度一直是有上升的趋势，空间分布总体表现为东北部、东部及南部高，西部和西北部低。

图7 1990—2020西秦岭生境退化分布

3 结论

（1）西秦岭1990—2020 年30 a 间，西秦岭北部主要以耕地减少，建设用地和林地面积增加为主；南部以草地减少，耕地、林地、建设用地面积增加为主；西部以草地和未利用地减少为主，其他土地利用类型面积增加。相较1990—2005年，2005—2020年各用地类型变化速度均有提升。

（2）西秦岭整体生境质量状况较好。空间分布上异质性明显，研究区内林地和草地生境质量状况良好；耕地与建设用地生境质量较差。1990—2020 年30 a间，西秦岭东北部、南部生境变化较高向高等级，中、较低等级向低等级生境过渡，生境质量处于两极锐化的状态；西秦岭西部属于青藏高原东边缘所在区域，主要是由较高向中等级生境变化，较低向低等级转化的过程。

（3）在空间上，西秦岭东北部、南部生境质量与土地利用程度呈负相关，相关程度有减弱的趋势。西秦岭西部土地利用程度与生境质量呈正相关，整体上西秦岭西部随着土地利用程度的增强，生境质量呈现上升趋势。

（4）西秦岭1990—2005年生境退化指数有小幅上升，2005—2020 年生境退化指数较前15 a 涨幅较大。从整体30 a 来说，研究区生境退化指数一直有上升的趋势，空间分布总体表现为东部及南部高，西部及北部低。

（5）土地利用方式及程度的变化是西秦岭生境质量变化的主要原因，其次，区域内的不同地貌类型也对生境质量也产生一定的影响。

4 讨论

从生境质量平均值来看，西秦岭的生境质量变化特征总趋势向好。1990—2020 年，西秦岭东北部、南部生境变化主要是一个由较高向高等级，中、较低等级向低等级生境过渡的过程；生境质量处于两极锐化的过程中，局部下降，但整体呈现上升趋势，这与李亚楠等[19]、贾艳艳[20]等、程静等[22]的研究结果一致。总体表现为低等级及高等级生境占比增大，其主要原因与西秦岭近30 a 来的经济发展及生态保护措施密切相关。30 a间，西秦岭城镇化率的增长，城镇面积扩张所涉及的区域生态环境变差、生境质量下降、生境退化加剧。但另一方面，西秦岭高等级生境面积也在增加，主要原因是研究区内流域的生态保护，生态修复措施、退耕还林、土地复垦等项目。各项目及政策的实施对增加高等级生境面积、提高生境质量等级起长期有效的保障作用。除西秦岭西部属青藏高原东边缘区，是由较高向中等级生境变化，较低向低等级转化的过程，主要由于地貌因素影响，区域内的不同类型地貌对生境质量产生一定影响，这与刘春芳等[14]、周亮等[23]、杨征义等[24]研究结果相同。基于西秦岭西部、南部、北部主要是青藏高原和秦岭山地、黄土高原几种完全不同的地貌类型，其生境质量变化也有一些差异。西部青藏高原地貌区域，其土地利用方式及程度受地貌限制，在相关因素的耦合作用下导致西秦岭西部生境质量呈现出明显不同于南部秦岭山地、北部黄土高原主导的生境特征，地貌影响极为显著。从生境质量空间分布来说，西秦岭西部生境质量水平高且相对稳定，其主要是生态环境的重点保护对象，生态保护力度大且人类活动较少；东北、南部城市群集中且经济发展速度相对快些，人类活动多，这些是导致西秦岭生境质量空间分布呈现西高东北低南低格局的主要原因。生境质量高等区主要分散在人类活动少、植被茂密，生物多样性较好的区域；生境质量低等区主要分布于城镇建设区，生境质量较差区连片散布在黄土高原区域，该区域主要土地利用类型是耕地、农村居民点，这与刘春芳等[14]、贾艳艳等[20]、周亮等[23]研究结果相同。主要原因是所属经济繁盛中心，耕地和建设用地分布集中，人类活动频繁，建设用地肆意延展，区域生境质量差，生态环境毁坏严重。

生境退化方面，西秦岭北部、南部、东部区域人口相对密集，多人类活动干扰，居民用地和耕地集中分布，生境质量退化的概率大。更说明生境质量易受人类工农业活动及居住生活影响。而西部青藏高原东边缘区域土地利用方式主要为草地、林地，人口密度相对稀疏，人类活动干扰较少，城镇用地和耕地面积较少，所以相较西秦岭其他区域，西部的生境退化指数较小，概率较低。西秦岭整体生境退化指数成上升趋势，主要原因是随研究区建设用地扩大，退化面积扩大所致。因此，有必要优化国土空间规划，把控城镇扩张，提高土地资源集约利用水平，结合自然恢复和生态修复等措施提高生境质量，降低生境退化风险。

从土地利用程度与生境质量二者关系来看，西秦岭东北部、南部土地利用程度与生境质量整体呈负相关。这种负相关性，表明提高土地利用程度，扩大了威胁源的影响范围，导致周围区域生境质量降低，这与贾艳艳等[20]、杨征义等[24]研究结果一致。但西部土地利用程度与生境质量呈正相关，整体上西秦岭西部随着土地利用程度的增强，生境质量呈现上升趋势。且空间上存在集聚现象，空间集聚性先增强后渐弱。主要由地貌及土地利用方式影响，这与包玉斌等[12]、刘智方等[13]在研究结果一致。

本研究运用InVEST模型中生境质量模块、GeoDa模型、土地利用程度指数、双变量空间自相关方法分析了西秦岭近30 a 土地利用及生境质量时空变化，探讨了二者变化及关系，分析了生境质量等级与生境退化指数高低及分布原因，研究结果与西秦岭生态环境相吻合，为西秦岭未来人文发展、生态文明建设、区域可持续发展及生态保护提供科学的理论支撑与决策支持。但西秦岭所涉区域广，其生境质量具有显著的空间异质性，未来需要加强不同空间尺度下生境质量与土地利用状况的演变分析，以求更具针对性的生态系统及土地利用管理途径。对生境质量低，生境退化风险高的区域应提高生态环境保护意识，挖掘城市内部土地开发利用潜力。同时，生境质量的下降与各地区人类活动和自然条件有紧密联系，在未来的规划和治理中，西秦岭应结合实际情况，制定科学的生态修复规划，注重经济效益的同时更加注重生态效益，对建设用地和耕地的扩张实施更加适宜的控制措施，因地制宜地进行城市规划建设及生态修复工程，更加注意保护林地、草地、水域，努力平衡城市发展和生态保护二者的关系，保障生境质量向良性方向可持续健康发展。此外，本研究选取西秦岭3 个典型县域的方式来分析土地利用类型对西秦岭生境的影响，这种选择代表性县域的方法为其他类似区域提供了一种全新的思路。