1990-2017年喀斯特自然保护区土地利用变化对生境质量的影响

黄贤峰, 杨永菊, 武 艺, 高亚红，顾羊羊, 袁忠民

(1.贵州省环境科学研究设计院, 贵州 贵阳 550081; 2.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院, 河南 焦作454003; 3.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司, 贵州 贵阳550081; 4.南京铱迅信息技术股份有限公司, 江苏 南京 210000; 5.环境保护部南京环境科学研究所, 江苏 南京 210042; 6.贵州省义龙新区农林水务和移民局, 贵州 义龙 562409)

生境是指不同物种的生活环境，它不仅包含物种生存的必要因素，而且也涉及物种存活所相关的其它生态因子[1]。生境质量能有效反映区域生物多样性的高低，比如生境质量的破碎、退化和丧失会直接导致生物多样性的降低[2]，评估生境质量变化过程是制定有效的生物多样性保护措施的基础。土地利用变化是人类活动强度的直接表征，被认为是影响区域生境质量变化的主要驱动力。大型工程建设[3]、城市规模扩张[4-5]、耕地面积增加[6]等土地利用变化都会对生境质量造成影响。相关研究表明自17世纪工业革命以来，全球39%的陆地生境被耕地和城市所侵占，另外有37%的生境受到退化和破碎化的威胁[7]。自然保护区作为现有自然资源最为丰富的地区之一，对于维持区域内生物多样性和连通性以保证各种物质流、能流及信息流的传递具有重要作用。同时，研究自然保护区成立前后生境质量变化及主要影响因素，可为保护区生态保护与管理决策的进一步优化提供理论依据。国内外学者采用不同方法对区域生境质量进行分析。Valero等[8]采用河岸带植被指数(riparian forest quality index, QBR)和河流生境指数(fluvial habitat index, IHF)评估河流生境状况。相关学者在蒲河流域基于层次分析法构建河流生境质量评价体系并分析与水质的响应关系[9]。Tang等[10]采用综合指标法评估鄱阳湖地区土地利用变化对水鸟迁徙生境适宜性的影响。近年来InVEST (integrated valuation of environmental services and tradeoffs)模型由于能够有效分析物种空间分布状况及其环境，并将威胁源的空间分布作为影响因子的生境适宜度模型，已经成为新的研究热点[2,11-12]，被广泛运用在生境质量评价[2]、水源供给[13]、土壤侵蚀[14]等生态系统服务领域。InVEST-Habitat Quality 评估模型可以将土地利用/覆被与胁迫源联系起来，并根据不同生境对胁迫源的响应情况，评估不同土地利用/覆被的生境分布和退化。该方法数据容易获取，无需野外详细物种调查，能够快速评估区域生境质量。张大智等[2]运用InVEST模型研究南四湖流域土地利用变化对生境质量影响；Terrado等[15]基于InVEST模型研究流域生境质量格局变化并模拟未来不同情景对生境质量的影响；陈妍等[11]计算北京主要威胁源对生境退化影响并评估生境质量变化。InVEST-Habitat Quality模型能够为生物多样性保护和土地资源开发利用的权衡决策提供量化参考，是实现区域生态可持续发展的有力决策工具。目前坡岗自然保护区研究内容主要集中在保护区的物种调查[16]和乡村旅游[17]，缺乏通过分析多期生境质量变化评估保护区管理成效方面的研究。因此，本文以贵州省西南典型喀斯特石漠化区——兴义市坡岗自然保护区为例，基于GIS和RS技术，结合Landsat影像数据，利用InVEST-Habitat Quality模型和土地利用转型生境贡献率，旨在研究1990—2017年保护区建立前后(保护区1997年批准成立)土地利用变化及其对生境质量的影响，并评估保护区管理成效。模拟预测退耕还林还草政策情景下自然保护区生境质量变化，为保护区的科学管理提供参考。

1 研究区概况

坡岗州级喀斯特森林和野生动物自然保护区位于贵州省兴义市城东15 km，1997年经贵州省黔西南州州委批准成立。保护区位于东经104°59′41″—105°05′41″，北纬24°55′42″—25°06′44″，面积211.74 km2。东与安龙县万峰湖镇接壤，南同兴义市巴结镇毗邻，西抵顶效镇楼纳办事处，北与郑屯镇郑屯村接壤。保护区海拔759～1 590 m，属中亚热带季风性湿润气候，年均降雨量1 520.9 mm，夏季降雨量约占年降雨量的50%至55%。年均气温在16～20 ℃，土壤类型主要为红壤与黄壤，2017年森林覆盖率达88.62%。坡岗自然保护区是中国同纬度喀斯特地貌资源保存最为完整区域之一，主要保护对象为喀斯特森林植被和国家二级保护动物猕猴群落。保护区为典型喀斯特地貌，受地层相变、新构造抬升及河流强烈切割的影响，地貌类型复杂，主要有峰丛峡谷、峰丛洼地、峰林洼地及石林4种类型。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

采用中高分辨率的Landsat系列遥感图像，涉及TM，ETM+，OLI传感器(遥感影像来源于http:∥glovis.usgs.gov)，研究坡岗自然保护区生境质量动态变化。为获取研究区1990—2017年土地利用覆被的动态变化，选取保护区建立前后的1990，2001，2009和2017年4个时期为代表年份，每个时期选择2景并且云量覆盖率低的影像(表1)。根据《基于碳收支的中国土地覆被分类系统》[18]的标准，将坡岗自然保护区土地利用/覆被类型分为：林地、草地、湿地、耕地、人工表面和其他类型，其中其他类型主要包括裸岩、裸土等地类。使用遥感图像处理软件ENVI 5.1对4个时期的遥感影像进行预处理，如波段合成、裁剪、重采样等。根据实地采样点和纹理信息，采用支持向量机分类方法对影像进行监督分类，针对分类结果结合人—机交互方式，对错分的类型进行目视判读，修改得到研究区4期土地利用覆被类型的空间分布。

表1 Landsat系列卫星影像信息

2.2 生境质量模型

InVEST-Habitat Quality模型用于评估威胁来源对生境的负面影响，计算研究区生境的退化程度，并参考生境的适宜性和退化程度计算生境质量[11]。将土地利用类型中相应类型定义为生境，根据研究区土地利用/覆被特点将生境类型归为林地、草地、湿地、耕地、农村居民点、交通用地和裸土/裸岩。生境退化度反映人类活动(即威胁源)对生境造成的影响，定义交通用地、耕地和农村居民点为坡岗自然保护区生境的威胁源。生境退化度由5个因素决定：不同的威胁源权重(ωr)、威胁源强度(ry)，威胁源对生境每个栅格的影响(icxy)、生境抗干扰水平(βx)以及每种生境对不同威胁源的相对敏感度(Sjr)，5个影响因素的阈值范围0～1[19]。假设威胁源的影响随距离增加呈现线性衰减趋势，通过公式(1)和公式(2)计算生境类型j中栅格x的退化度。

(1)

irxy=1-(dxy-drmax)

(2)

式中：r——生境的威胁源；y——威胁源r中的栅格；dxy——栅格x(生境)与栅格y(威胁源)的距离；dr max——威胁源r的影响范围。

生境中每个栅格的生境质量取决于2个因素： ①自身作为生境的适宜情况，即生境适宜度，阈值范围0～1； ②公式(1)中计算的生境退化度。假设生境质量好的区域生物多样性丰富，生境质量的空间分布代表生物多样性的空间分布。基于土地利用/覆被类型，生境质量计算公式如下：

(3)

式中：Qxj——土地利用类型j中栅格x的生境质量；Dxj——土地利用类型j中栅格x的生境退化度；Hj——土地利用类型j的生境适合度；k——半饱和常数，取Dxj最大值的1/2；z——模型默认参数。

生境模型主要参数有威胁源的最大影响范围及权重、生境适宜度、不同威胁源的敏感性等。根据InVEST模型指导手册(InVEST VERSION 3.3.2 User’s Guide)的模型参考值及相关文献[2,11,19]，参数值分别列于表2—3。自然保护区作为重要物种栖息地和自然生态系统保留地，将林地、河流湿地的生境适宜度阈值定为1。越接近自然系统的生境适宜度越大，越接近纯人工环境生境适宜性越小。因此，将草地定为0.75，耕地定为0.40，其余用地类型为0。

表2 威胁源的属性

表3 不同生境类型对威胁因子的敏感性

2.3 土地利用转型生境贡献率

土地利用转型生境贡献率是指某一种土地利用类型发生转型从而导致区域生境质量发生改变的比率，该方法可为深入分析土地利用转型对区域生境质量的影响奠定基础，有利于探讨区域生境质量变化的主导因素[20]。其表达式为：

CLHQ=(HQt+1-HQt)/Sc/S

(4)

式中：CLHQ——土地利用转型生境贡献率； HQt+1，HQt——某种土地利用转型所反映的转型初期和转型土地利用类型所具有生境质量指数；Sc——该变化类型的面积；S——保护区总面积。

3 结果与分析

3.1 保护区土地利用及转型变化

3.1.1 保护区土地利用变化 由图1可知，保护区4期土地覆被类型中林地、草地和耕地分布最为广泛。

其中，2017年坡岗自然保护区林地、草地和耕地面积分别为153.29，33.41和20.06 km2，3种类型面积占整个保护区面积的97.65%，其他类型用地面积为0.56 km2，占保护区面积比例仅为0.26%。人工表面和湿地面积分别为3.55和0.87 km2，分别占保护区面积的1.68%和0.41%(表4)。

图1 1990-2017年坡岗自然保护区各地类面积变化

km2

1990—2001年，保护区林地面积增加最大为19.07 km2，湿地和人工表面面积分别增加了0.59和0.53 km2，其他类别、草地和耕地面积分别减少了13.55，3.35，3.28 km2。2001—2009年，保护区草地面积增加最多为16.80 km2，其次是林地和人工表面，面积分别为6.83，0.36 km2。耕地面积减少最多为15.20 km2，其次是其他类型与湿地，面积分别为8.45，0.31 km2。2009—2017年，保护区耕地面积增加最多为4.61 km2，其次是人工表面、草地和湿地，面积分别为2.32，2.09，0.07 km2。总体来看，1990—2017年保护区林地、草地、湿地和人工表面呈现增加趋势，耕地和其他类型呈现减少趋势。具体来说，林地、草地、人工表面和湿地分别增加18.55，15.53，3.21和0.34 km2，其他类型和耕地面积分别减少23.74和13.88 km2，其中其他类型面积减少量最大，与1990年相比减少了97.70%。

3.1.2 土地利用转型分析 基于4期土地利用/覆被类型数据，利用ArcGIS的空间分析功能对不同时期的土地利用类型进行叠加分析，得到研究区4个时期土地转移矩阵(表5)。从土地利用转移矩阵来看，主要表现为：1990—2001年，土地利用类型转移主要存在耕地转林地、草地转林地、其他类型转林地以及其他类型转耕地，共有32.1 km2的用地转为林地，以及11.75 km2的其他类型转为耕地。2001—2009年，分别具有10.54 km2的草地转为林地、7.88 km2的耕地转为林地以及14.30 km2的耕地转为草地，同时有8.85 km2的林地转为草地。2009—2017年，土地利用转移主要发生在林地转草地、林地转耕地和草地转耕地，分别转移13.15，5.81，6.50 km2。总体上，1990—2017年，保护区土地转移主要发生在草地转林地、耕地转林地、其他类型转草地和其他类型转林地，分别转移9.69，13，12.77，6 km2。

表5 1990-2017年坡岗自然保护区土地利用转移矩阵 km2

3.2 保护区生境质量变化分析

坡岗自然保护区平均生境质量呈现先增加后减少的趋势。保护区平均生境质量从1990年的0.76增加到2009年的0.90，然后降低到2017年的0.88，优于保护区设立前的生境质量，28 a平均生境质量提高15.71%(表6)，生境质量整体上呈现改善趋势。其中试验区平均生境质量提高最大，从1990年0.74增加到2017年的0.86，28 a间增加了17.34%。其次是核心区，从1990年0.78增加到2017年的0.90，28 a间增加了15.15%。

缓冲区平均生境质量提高较慢，从1990年0.79增加到2017年的0.89，28 a间增加了13.57%。总体来看，1990年缓冲区平均生境质量最好，其次是核心区与试验区；2001年以后核心区平均生境质量最好，其次是缓冲区，最后是试验区。坡岗自然保护区生境质量空间分布如图2所示。

表6 1990-2017年坡岗自然保护区平均生境质量变化

3.3 土地利用转型对生境质量的影响

根据土地利用类型转移矩阵并结合公式(4)计算出各土地利用转移对区域生境质量影响的贡献度(表7)。由表7可知，提高坡岗自然保护区生境质量的土地利用转移主要发生在耕地转林地、其他类型转林地和其他类型转草地，转化面积分别为13.00，6.00和12.77 km2，而其他类型向草地转化的贡献率最高达到4.28%；其中还包括草地转林地和耕地转草地。降低坡岗自然保护区生境质量的土地利用转型主要存在林地转草地和林地转耕地，转化面积分别为6.76，2.41 km2；其中还包括草地转耕地以及耕地转人工表面。

生境质量提高生境质量降低土地利用类型变化变化面积/km2贡献率/%土地利用类型变化变化面积/km2贡献率/%草地转林地9.691.03林地转草地 6.76-0.75耕地转林地13.003.58林地转耕地 2.41-0.59耕地转草地7.151.23草地转耕地 1.14-0.19其他转林地6.002.60耕地转人工表面1.72-0.31其他转草地12.774.28合 计48.6112.72合 计12.03-1.84

1997年兴义市坡岗自然保护区成立以后，石漠化治理成果显著，28 a间共减少97.70%的裸岩裸土等其他类型用地。2002年贵州省全面实行退耕还林还草工程，截止2017年保护区林地、草地面积分别增加了18.55和15.53 km2，耕地面积减少了13.88 km2，2017年森林覆盖率达到88.62%，生境质量呈现提高趋势。随着保护区人类活动逐渐增加，28 a间人工表面面积共增加了3.21 km2，该区域生境质量也呈现降低趋势。总体而言，坡岗自然保护区同时存在生境质量提高与生境质量降低两种趋势，生境质量提高的趋势远大于生境质量降低的趋势，保护区生境质量增加显著。

3.4 生态保护情景下生境质量变化

通过近28 a土地利用转移生境质量影响贡献度研究表明，坡岗自然保护区以裸岩裸土为主的其他类型用地显著减少，保护区采取的封山育林措施、减少柴薪砍伐以及退耕还林还草工程取得积极成效。同时保护区内道路改扩建、村庄搬迁和耕地面积的增加威胁着保护区的生境质量。因此，有针对性地采取退耕还林还草以及控制人类活动规模可以增加生境质量、维护生物多样性。退耕还林还草情景假设区域人类活动规模不扩大，将自然保护区内的坡度大于25°以上的耕地全部转为林地，其他耕地转为草地。运用InVEST模型模拟生态保护政策情景下对自然保护区生境质量的提升效果，在退耕还林还草工程实施情景下，坡岗自然保护区平均生境质量指数从当前情景的0.88提高到保护情景下的0.92，平均生境质量指数提高4.54%，生境质量改善。

4 讨论与结论

4.1 结 论

(1) 1990—2017年坡岗自然保护区林地、草地、湿地和人工表面面积呈现增加趋势，耕地和其他类型面积呈现减少趋势。其中以裸岩、裸土为主的其他类型面积减少量最大，与1990年相比减少97.70%。保护区土地转移主要发生在草地转林地、耕地转林地、其他类型转草地和其他类型转林地。

(2) 1990—2017年坡岗自然保护区平均生境质量呈现先增加后减少的趋势，28 a保护区平均生境质量提高15.71%。1990年保护区建立前缓冲区平均生境质量最高，其次是核心区与试验区，2001年保护区建立后核心区平均生境质量最高，其次是缓冲区，最后是试验区。

(3) 坡岗自然保护区同时存在生境质量提高和生境质量降低两种趋势，但生境质量提高趋势远大于生境质量降低的趋势。坡岗自然保护区的建立、退耕还林还草工程的实施以及保护区人类活动的增加是导致保护区生境质量改变的主要原因。在生态保护实施情景下，坡岗自然保护区平均生境质量指数从当前情景的0.88提高到0.92，生境质量改善。

4.2 讨 论

生境质量变化与土地利用/覆被变化有着密切联系，其中人类活动干扰和退耕还林还草工程影响较大。保护区内道路改扩建以及耕地面积的增加等人类活动导致威胁地类对生境适宜性的负面影响加强。同时受封山育林和退耕还草还林工程实施影响，坡岗自然保护区大量的其他类型、耕地转为草地和林地，提高自然植被覆盖率，使得生境质量不断提高。坡岗自然保护区同时存在生境质量提高与生境质量降低两种趋势，由于其他类型和耕地转草地和林地的面积大于生境退化面积，故保护区生境质量呈现增加趋势。本文采用InVEST模型对自然保护区进行研究，模型的参数设置参考其他专家学者的相关研究成果，若能在喀斯特坡岗自然保护区进行指标实地采集与验证，评估结果将更加可靠。