基于土地覆盖和NDVI变化的拉萨河流域生境质量评估

税燕萍,卢慧婷,王慧芳,严 岩,*,吴 钢

1 西藏自治区环境保护厅,拉萨 850000 2 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 3 中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049

以城市和农田扩张为代表的土地利用/覆盖方式的改变所造成的生境破碎、退化和丧失已被认为是生物多样性丧失的最大驱动力[1-3]。近年来已有许多学者利用景观格局指标、HSI模型[4-5]、IDRISI模型[6-7]、InVEST模型[8-11]等不同方法评估了土地利用/覆盖变化对生物多样性和生境质量的影响。然而,已有研究中较少考虑植被状况对生境质量的影响。诸多研究表明,植被状况与生境适宜性具有显著相关关系,如朱冰润[12]通过主成分分析表明白琵鹭种群繁殖生境选择与植被高度、密度成正相关；张佰莲等[13]通过Logistic回归分析表明生境类型对白头鹤活动分布的影响作用最大,其次是植被指数。目前,已有少数研究将NDVI作为评价生境质量的指标之一[14-15],或对NDVI与生境质量变化的关系进行研究[16]。

拉萨河流域位于雅鲁藏布江中游,拥有丰富的高原动植物资源和典型的高寒湿地生态系统。其中,流域内拥有国家I级重点保护动物胡兀鹫、黑颈鹤、金鵰等7种,II级重点保护动物彩鹳、黑鸢、高山兀鹫、雪豹等共22种。流域内拥有包括雅鲁藏布江中游河谷黑颈鹤国家级自然保护区、麦地卡湿地国家级自然保护区、拉鲁湿地国家级自然保护区等多个国家级和地方级自然保护区[17]。同时,拉萨河流域也是西藏自治区经济最发达、人口最密集的核心地区；拉萨河畔的拉萨市,是自治区的首府,也是自治区的政治、经济、文化及宗教中心。在青藏高原气候变化的背景下[18-20],随着拉萨河流域城镇化和旅游业的快速发展,流域生物多样性保护所面临的压力也逐渐加大。

本研究在分析拉萨河流域土地覆盖和NDVI变化的基础上,选择生长季(6—10月)NDVI作为植被状况的指示因子,对InVEST生境质量模型中各植被类型的生境适宜度进行修正,评估了拉萨河流域1990—2015年生境质量变化,并对生境质量变化及其原因进行了分析和讨论,以期为拉萨河流域的生物多样性保护和生态规划提供理论支持。

1 研究区概况

拉萨河发为雅鲁藏布江的一级支流,流域范围为29°20′—31°15′N,90°05′—93°20′E(图1),面积约为3.26万km2。拉萨河流域平均海拔高程约4500 m,年平均气温为-7.1—9.2℃,年均降水量为340—700 mm,且降水年内分布极不均匀,约90%的降水集中在6—9月。流域内的生态系统类型以高山草甸和高寒草原为主[21]。

图1 拉萨河流域高程图Fig.1 Elevation map of Lhasa River Basin

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

1990年、2000年、2010年和2015年4期土地覆盖数据(30 m)和NDVI月值数据(250 m)来自中国科学院遥感与数字地球研究所。DEM数据(30 m)来自中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)。结合拉萨河流域实际情况,建立土地覆盖类型二级分类体系,包括10个一级类别和28个二级类别,如表1所示。

表1 土地覆盖分类体系

2.2 生境质量评估方法

InVEST模型中的生境质量模块(Habitat Quality Model)将土地覆盖类型与胁迫因子建立联系,根据不同生境对胁迫因子的敏感程度,通过计算生境质量指数来评估不同情景下的生境质量分布和退化情况[11]。Terrado等[22]将该模型中生境质量模块的计算结果与生物多样性的观测结果进行对比,表明二者之间呈显著的相关关系,从而证明了该方法的可靠性。

InVEST模型中每个栅格的生境质量由两个因素决定：1)自身作为生境的适宜度,取值范围介于0—1之间,1表示该生境具有最高适宜度,0代表非生境；2)生境退化度,其计算公式如下：

式中,r为生境的胁迫因子；y为胁迫因子栅格；wr为胁迫因子r的权重；ry为栅格y的胁迫强度；irxy为ry对生境栅格x的胁迫水平；βx为栅格x的可达性水平；Sjr为生境类型j对胁迫因子r的敏感度。irxy的计算公式如下：

式中,dxy为栅格x与栅格y之间的直线距离；dr max为胁迫因子r的最大影响距离。

模型中涉及的主要参数包括土地覆盖、胁迫因子图层、各胁迫因子的最大影响距离和距离衰减函数、各胁迫因子的权重、不同土地覆盖类型的生境适宜度及其对胁迫因子的敏感度。其中,各胁迫因子的最大影响距离、距离衰减函数和权重,以及各生境类型对胁迫因子的敏感度参考相关文献[9-11]并根据拉萨河流域实际情况以及专家的建议进行赋值,如表2、表3所示。

表2 胁迫因子属性表

各土地覆盖类型的生境适宜度在参考相关文献[9-11]的基础上,利用生长季NDVI数据进行修正,得到各个年份的生境适宜度(表3),公式如下：

Hi=min(HABITATi×NDVIi×2, 1)

式中,Hi为第i种土地覆盖类型修正后的生境适宜度,HABITATi为第i种土地覆盖类型的初始生境适宜度,NDVIi为第i种土地覆盖类型当年的生长季NDVI均值。

表3 不同土地覆盖类型的生境适宜度及其对胁迫因子的敏感度

3 结果与分析

3.1 土地覆盖变化

图2 1990—2015年拉萨河流域土地覆盖分布及其变化Fig.2 Land cover distribution and changes of Lhasa River Basin from 1990 to 2015

1990—2015年拉萨河流域土地覆盖的主要变化是人工表面和湿地面积的快速扩张(图2),其增幅分别为82.65%和32.40%。此外,草甸和草原面积分别增加了120.09 km2和88.43 km2,占流域总面积的0.36%和0.27%；稀疏草地和冰川/积雪面积分别减少了249.63 km2和86.31 km2,占流域总面积的0.75%和0.26%；其他土地覆盖类型变化较小。

根据土地覆盖转移矩阵(表4),1990—2015年拉萨河流域土地覆盖的转移方向主要为稀疏草地转化为草原和草甸、耕地转化为人工表面以及冰川/积雪转化为荒地。其中约140 km2的稀疏草地转化为草原,约326 km2的稀疏草地转化为草甸,约36 km2的耕地转化为人工表面,约76 km2的冰川/积雪转化为荒地。此外,草甸和草原、灌木和草甸之间的转化基本相互抵消。

表4 1990—2015年拉萨河流域土地覆盖转移矩阵/km2

3.2 NDVI变化

研究表明,受气候变化影响,青藏高原总体上更加暖湿,有利于植被生长,但不同地区空间差异性也较大[23-25]。1990—2015年拉萨河流域植被生长季(6—10月)NDVI变化如图3所示。1990—2000年,除流域中上游的裸岩、裸土地区和念青唐古拉山地区外,拉萨河流域生境质量整体有较大提升；2000年以后整体略有下降,尤其是拉萨河的源头——麦地卡湿地及其周边地区的NDVI显著下降。

根据各植被类型生长季(6—10月)NDVI均值统计,1990—2000年间,拉萨河流域林地、灌木、草甸和草原等植被类型的NDVI显著上升,增幅分别为40.20%、17.47%、22.12%、22.75%；2000—2010年间,林地、灌木和草甸NDVI分别减少10.97%、3.92%、3.52%,而稀疏草地增加了5.67%；2010—2015年间,林地NDVI增加了7.10%,而稀疏草地、草原和草甸分别减少了6.66%、5.16%和4.11%。总的来看,1990—2000年各植被生长季NDVI显著增长,平均增幅达24.69%,而2000年后草甸和草原的生长季NDVI逐渐降低,呈退化趋势。

3.3 生境质量变化

InVEST模型采用生境质量指数来表征生境质量状况,其范围为0—1,值越大表明生境质量越高。通常,土地利用强度的增加会引起胁迫源地的增加和强度的增强,从而使其胁迫范围内的生境质量退化[10]。根据模型计算结果(图4),流域下游和念青唐古拉山南侧河谷地区以及拉萨河源头地区生境质量较高,以灌木、草甸和草原等土地覆盖类型为主；拉萨市市辖区和林周县县城周边,以及流域中上游的荒地等地区生境质量较低；1990—2015年间生境质量空间格局基本未发生变化。从时间变化来看,NDVI对生境质量变化影响较为显著。其中,1990—2000年,由于NDVI的上升,拉萨河流域生境质量也显著提高,整体生境质量指数从0.51上升到0.57；2010年和2015年整体生境质量指数分别为0.56和0.55,较2000年略有下降。

图4 1990—2015年拉萨河流域生境质量空间分布及其变化Fig.4 Spatial distribution of habitat quality in Lhasa River Basin from 1990 to 2015

根据生境质量评估结果,将拉萨河流域生境质量划分为高、较高、中等、较低和低共5个级别,对每个级别的面积和占流域总面积的百分比进行统计,如表5所示。1990—2015年高生境质量的比例明显增多,从20.59%增加到45.14%,面积增加了8003.30 km2；中等生境质量的比例显著减少,从23.47%减少到0.34%,面积减少了7540.38 km2；其他等级的生境面积变化相对较小。

4 讨论与结论

尽管以建设用地为主的人工表面和湿地等土地覆盖类型的面积变化速度较快,但是整体而言1990—2015年拉萨河流域土地覆盖景观格局变化相对较小,建设用地、工矿用地、交通用地等生境胁迫因子对生境质量的影响也未发生较大变化,主要集中分布在拉萨市市辖区、林周县县城及周边地区(图4)。相比于土地覆盖变化,在气候变化和人类活动的共同驱动下,研究期间内拉萨河流域的植被变化更为显著。由于本研究将NDVI作为修正因子对不同植被类型不同时期的生境适宜度进行了修正以期反应植被状况对生境质量的影响,因此研究区不同植被类型生境适宜度的变化是其生境质量变化的主要原因。以生境适宜度变化较为显著的林地和草甸为例,1990—2000年林地和草甸的生境适宜度分别从0.68和0.79增加到了0.95和0.96,2000—2015年略有下降,分别下降至0.90和0.89,表明在未受到胁迫因子干扰的情况下,1990—2000年林地和草甸的生境质量有较大提升,而2000年以后略有降低。

表5 拉萨河流域不同年份各等级生境质量比例

本研究根据土地覆盖变化,并选择NDVI数据作为植被状况的指示因子,通过对不同植被类型各年份的生境适宜度进行修正,评估了1990—2015年拉萨河流域生境质量的时空变化,主要结论如下：研究期间内拉萨河流域土地覆盖变化相对较小,而代表植被状况的NDVI变化较显著；从生境质量的空间分布来看,高质量生境主要分布在流域下游、念青唐古拉山南侧河谷地区以及拉萨河源头等地区,以灌木、草甸和草原等土地覆盖类型为主；低质量生境主要分布在拉萨市市辖区、林周县县城及周边,以及流域中上游的荒地等地区；1990—2015年间生境质量空间格局基本未发生变化；从时间变化上来看,NDVI对生境质量变化影响较为显著。1990—2000年,由于NDVI的显著上升,各植被类型的生境适宜度相应增加,拉萨河流域生境质量也有较大提高,整体生境质量指数从0.51上升到0.57；2010年和2015年整体生境质量指数分别为0.56和0.55,相比2000年略有下降。

位于青藏高原雅鲁藏布江中游的拉萨河流域具有重要的生物多样性保护意义,然而随着气候变化和城镇扩张、旅游业和矿产资源开发等人类活动的加剧,流域生境质量面临的胁迫和压力还将继续增大。根据本研究结果并结合拉萨河流域的实际情况,针对流域的生态规划和生物多样性保护提出以下建议：关注流域气候和植被变化,加强对生态系统的遥感和定位监测以及野外调查；合理规划布局城镇建设用地、道路、农田等,并加强对自然保护区的规划和管理,最大限度减少社会经济发展对生境的胁迫；加强对植被的保护与管理,对植被退化严重的地区开展退化机制和原因的研究,采取针对性措施进行保护和恢复；对流域内的矿产资源开发活动实施严格的开采许可和监督管理制度,并对废弃矿地进行生态修复。