黄土丘陵区土地覆盖和生物多样性功能演化及预测

马永强,石 云,2,*,郝姗姗,赵金涛

1 宁夏大学资源环境学院,银川 750021 2 宁夏(中阿)旱区资源评价与环境调控实验室,银川 750021

土地覆盖的动态变化对区域景观格局有重要的影响,直接改变维持生物多样性生存和发展的栖息环境[1],研究表明,生物多样性能够在不同空间尺度上促进生态系统服务功能的发挥[2],因此研究土地覆盖与生物多样性功能演化和预测已成为国内外生态学研究的热点[3]。

目前对于生物多样性功能研究使用较多的是由美国斯坦福大学、大自然保护协会(TNC)和世界自然基金会(WWF)联合开发的InVEST模型的Habitat Quality模块,该模型具有简单便捷、操作灵活、输出结果具有较强空间表达能力等特点,被广泛应用于社会各部门生态系统管理决策中[4- 6]。Habitat Quality模块假设生境质量越好的区域,生物多样性更高,被广泛应用和推广[7]。以土地覆盖与生物多样性功能已发生时空变化结果为基础,预测和模拟未来特征变化有利于区域规划和政府决策。常见的预测土地覆盖变化的模型有：最优化模型、随机模型、元胞自动机等,其中CA-Markov 模型具备Markov 长期预测和元胞自动机(CA,Cellular Automaton)模拟复杂系统空间变化的双重优势,可以从不同时空尺度模拟土地覆盖的变化情况,提高预测精度,有效地模拟景观格局的空间变化[8- 9]。

昆虫是自然界中物种丰富度和数量最丰富的种群,多生存在空间尺度小、生物多样性高的生境内。地表甲虫是生态环境和气候变化的敏感物种,对不同环境的适应能力强,广泛分布于各生境中,常被作为监测和评价空间异质性及生物多样性结构变化的指示器[9- 10]。近年来针对地表甲虫群落多样性的成果很多,主要集中在森林、湿地、农田等[11- 14],对于生态脆弱的黄土丘陵水土流失区则少有研究[15]。相关学者从生态系统服务功能、生物多样性保护及景观认知等角度对生物多样性与生态环境之间的关系进行了研究[16- 17],这些研究大多考虑物种分布及生境间的空间分异性,忽略了物种繁衍及生态过程可持续发展的需求,弱化了土地覆盖和生物多样性功能演化的关系。采用地表甲虫物种丰富度和个体数量的空间异质性特征探寻区域最优生境,掌握土地覆盖和生物多样性功能演化及预测信息,判别最优生境演化趋势,可为生物多样性保护和生态环境重建提供科学的理论依据和决策支持[18- 19]。

黄土丘陵区生态环境脆弱,空间异质性强,复杂的地貌单元对区域土壤和植被生长有显著影响[20- 21],随着人为设计与干扰的生态恢复举措实施,植被恢复、生态功能得到改善,退化生态系统中生物多样性提高。研究选择具有典型黄土丘陵区特征的宁夏彭阳县为研究区,以不同生境地表甲虫物种丰富度和个体数量特征探究生物多样性保护视角下的最优生境。集成3S技术、InVEST模型和CA-Marcov模型获取多时相的土地覆盖及生物多样性功能时空变化信息,预测未来演变趋势及空间分布,分析最优生境演化趋势,为当地生态恢复和生物多样性保护提供科学的理论依据和导向。

1 研究区概况

彭阳县地处黄土高原,位于宁夏东南部边缘,总面积2528.7 km2。地形分为北部黄土丘陵区、中部河谷残塬区和西南部土石质山区3个自然类型,地势西北高,东南低,呈波状倾斜,具有黄土丘陵区的典型特征,境内黄土堆积厚度大,结构疏松,水土流失严重,是中国水土流失治理的重点县。

2 研究方法

2.1 遥感影像处理

以1995、2000、2005、2010、2015年宁夏彭阳县Landsat TM 遥感影像为基础数据(表1),结合野外调查数据,在ENVI和ArcGIS等软件平台的支持下,采用目视判读的方法将研究区分为6种生境类型：灌草混交林地、乔灌混交林地、生态薪炭林地、天然封育草地、生态经济林地和水平农田地；生境外的区域主要划分为5种土地覆盖类型：城镇用地、农村居民地、水域、未利用地和工矿用地。

表1 遥感影像信息

2.2 野外数据获取及分析

2.2.1地表甲虫样本获取

研究采用巴氏罐诱法采集地表甲虫[22- 23],分别在采样区域每个中样方的4个拐点各放置1个陷阱器, 每个生境设48个,样区内共设288个,利用GPS标记陷阱器位置。每隔5天收集一次陷阱器并更换诱掖,采集到的标本存放在75%酒精内带回实验室鉴定到种,并统计数量。样本采样时间为2012年和2013年每年6—8月,该时间尺度覆盖了彭阳县90%植被生长季。

2.2.2物种丰富度及多样性计算

根据地表甲虫个体数占群落总个体数的比例计算地表甲虫的优势度(表2)。

表2 地表甲虫优势度划分表

利用不同生境物种丰富度和个体数量获取研究区地表甲虫群落 α多样性[22]；采用Jaccard相似性系数分析群落β多样性:

I=c/(a+b-c)

(1)

式中,a和b为生境A和B的物种数；c为两个群落或生境共有物种数。根据Jaccard相似性系数原理,对I值划分等级：0≤I≤0.25, 极不相似；0.25

2.3 生物多样性功能评价

生境质量是指区域生态系统可为物种生存繁衍提供所需条件的潜力,采用生境质量指数反映,研究选取InVEST 模型中的Habitat Quality(生境质量)模块,假设生境质量好的地区,生物多样性高,公式如下:

(2)

式中,Qxj为生境类型(土地覆被)j中栅格x的生境质量;Dxj为生境类型(土地覆被)j中栅格x所受胁迫水平;x为半饱和常数,取Dxj最大值的一半;Hj为生境适合性;z为归一化常量,取值为2.5。

生境质量评价函数包含4个变量：土地利用/土地覆被图层、胁迫因子图层、胁迫因子表(胁迫强度、最大胁迫距离等)和胁迫因子敏感度表。

研究将土地覆盖类型划分为生境类型和其他用地类型。建设用地是人类活动最显著的特征,研究中作为胁迫因子,咨询专家及参照既有研究确定不同生境类型对胁迫因子敏感性、最大胁迫距离及权重等参数取值[24](表3和表4)。

表3 生态胁迫因子属性表

表4 不同生境类型对不同胁迫因子的敏感度

2.4 生境恢复特征预测

CA 和Markov 是时间、空间和状态都离散的动力学模型,Markov 模型能够较好的实现数量上的预测,CA 模型可以模拟复杂生态系统时空演化过程,根据土地覆盖的历史演变,二者的结合能精准的模拟和预测未来土地覆盖变化。

CA 模型由5个因子构成：离散元胞、元胞空间、有限的状态、领域和规则,如下所述

St+1(Ud,St,Nt,f)=

(3)

式中,St+1,St表示t+1,t时刻元胞状态；Ud表示d维的网格单元；Nt表示t时刻邻居的状态组合；f表示转换规则。

Markov 模型计算原理如下

St+1=PijSt

(4)

式中,St,St+1表示t,t+1时刻土地覆盖系统的状态；Pij为状态转移矩阵。

3 结果

3.1 土地覆盖解译精度

研究通过目视判读解译彭阳县6种生境和其他5类土地覆盖,借助ArcGIS随机选取不同土地覆盖矢量斑块共计398块,通过野外实地验证,解译结果与实际土地覆盖结果正确斑块数为372块,正确率为93.46%,满足本研究需求。

3.2 地表甲虫优势度

研究共采集地表甲虫4511号,隶属于11科52种,去除个体数≤ 3头的9种,用于数据分析的物种共43种,其样本数据有以下特点：直角通缘步甲(Pterostichusgebleri)为宁夏黄土丘陵区优势种,个体数占总个体数的29.32%；麻步甲(Carabusbrandti)和赤胸长步甲(Dolichushalensis)为亚优势种,分别占总个体数的17.41%和14.45%；小驼嗡蜣螂(Onthophagusgibbulus)、星斑虎甲(Cicindelakaleea)等11种为常见种,合计占总个体数的31.13%；半猛步甲(Cymindisdaimio)、中华金星步甲(Calosomachinense)、双顶嗡蜣螂(O.bivertex)等29种为少有种,合计占总个体数的7.69%。

3.3 多样性及最优生境

图1 不同生境地表甲虫物种丰富度和个体数量 Fig.1 Species richness and individual number of beetles on different habitatsSG,灌草混交林地 Shrub grass mixed forest land; TS, 乔灌混交林地Tree and shrub mixed forest land; EF,生态薪炭林地Ecological fuel-wood forest;RG 天然封育草地Natural enclosed grassland; EE, 生态经济林地Ecological economic forest;TF,水平农田地Level terraced field

研究发现,各生境间地表甲虫物种丰富度存在显著差异：灌草混交林地>乔灌混交林地>生态薪炭林地>天然封育草地>生态经济林地>水平农田地；灌草混交林地、乔灌混交林地和生态薪炭林地的物种丰富度显著高于天然封育草地、生态经济林地和水平农田地(图1)；灌草混交林地、乔灌混交林地和生态薪炭林地之间, 天然封育草地、生态经济林地和水平农田地之间物种丰富度均没有显著差异。

各生境间地表甲虫个体数量也存在显著差异：灌草混交林地、乔灌混交林地和生态薪炭林地个体数量显著高于生态经济林地、天然封育草地和水平农田地；生态经济林地和水平农田地显著高于天然封育草地(图1)。

Jaccard系数计算结果显示：6种生境间地表甲虫群落的相似性系数总体上介于0.39—0.67之间(表5)。灌草混交林地、乔灌混交林地与生态薪炭林地三者间,以及生态经济林地与水平农田地间群落相似性较高。生态经济林地和水平农田地与天然封育草地均接近中等相似外(0.52, 0.50),与其他3种生境地表甲虫群落组成差异较大。通过对不同生境地表甲虫物种丰富度和个体数量的统计和对比分析,研究表明灌草混交林地是宁夏黄土丘陵区地表甲虫物种多样性维护的最适宜生境,是当地生物多样性保护的最优生境。

表5 不同生境地表甲虫群落的相似性系数

3.4 土地覆盖时空演化

图2和表6显示彭阳县1995年至2015年土地覆盖时空分布具有显著变化。

表6 土地转移变化

图2 不同土地覆盖变化图Fig.2 Different land cover changes

1995—2000年面积变化最大的为水平农田地和未利用地,分别为372.74 km2和-390.67 km2,转移矩阵关系显示,未利用地和天然封育草地分别向水平农田地转移了295.95 km2和85.55 km2,生态经济林地和生态薪炭林地土地覆盖变化幅度最大,分别为94%和59%；

2000—2005年面积变化最大的为天然封育草地、水平农田地和未利用地,其面积变化值分别为618.93、-354.85 km2和-268.38 km2,其中天然封育草地变化最明显,增幅为70%,水平农田地向天然封育草地转移了340.89 km2；

2005—2010年研究区土地覆盖变化相对稳定,面积变化最大的为天然封育草地,增加了29.97 km2,变化比例最大的为未利用地,减幅为43%；

2010—2015年土地覆盖变化显著,其中水平农田地、天然封育草地面积变化最大,变化量分别为-145.13 km2和103.81 km2,水平农田地向天然封育草地转移面积169.22 km2,天然封育草地有23.78 km2转为灌草混交林地；该时段灌草混交林地面积增加了30.41 km2,增幅为46%,城镇用地和农村居民点变化面积较小,仅为5.59 km2和6.84 km2,但是相对变化幅度较大,增幅分别为362%和147%。

1995—2015年土地覆盖面积变化最显著的分别为天然封育草地、未利用地和水平农田地,变化量分别为732.75、-672.31 km2和-129.12 km2；城镇用地和农村居民点变化面积为6.62 km2和7.72 km2,变化幅度相对较大,分别为1281%和204%；作为研究区生物多样性保护最优生境的灌草混交林地面积增加了35.64 km2。转移矩阵结果显示,未利用地和水平农田地分别向天然封育草地转移了648.13 km2和169.13 km2,天然封育草地有59.74 km2转变为水平农田地。总体来看,彭阳县土地覆盖表现为城镇急剧扩张、耕地资源减少及生态保护区域范围不断扩大等特征,生境变化整体趋好。

3.5 生物多样性功能演化

研究利用InVEST模型评价研究区生物多样性功能,将5期生境指数计算结果划分为4个等级：0—0.3、0.3—0.6、0.6—0.9和0.9—1,分别代表生境质量差、一般、良和优,统计每个等级栅格数及占总栅格数的比值。

结果显示,彭阳县生境质量处于较高水平,主要以优和一般两个等级为主,其中1995—2000和2015年生境质量等级以优等级为主,2005—2010年生境质量以一般等级为主,2015年生境质量整体评价等级最高；1995—2015年生境质量评价等级为一般和优的变化较明显,变化幅度分别为-7.74%和7.21%,差和良两个等级的变化较小(表7)。

空间格局变化结果显示,彭阳县生物多样性功能经历了退化-优化的变化。优等和一般等级生境质量分布范围最广,乡镇中心区域生境质量等级较差,最典型的是县政府所驻地的白阳镇和工矿企业较集中的王洼镇,差等级的区域表现为集中趋势,最后主要集中在白阳镇(图3)。

表7 彭阳县生境质量时间格局等级表

图3 彭阳县生境质量空间分布Fig.3 The spatial distribution of habitat quality in Pengyang County

3.6 生境恢复趋势

采用CA-Markov模型预测彭阳县2020年土地覆盖变化,用前期数据模拟2015年土地覆盖信息与实际对比验证模拟精度,Kappa系数达到0.97,模拟精度极高。结果表明,2020年彭阳县土地覆盖较2015年变化平缓,面积变化量较大的分别为水平农田地、天然封育草地和灌草混交林地,变化量分别为-117.48、66.86 km2和41.16 km2,其中水平农田地面积减少量主要转化为天然封育草地和灌草混交林地；生态经济林地、城镇用地和工矿用地变化幅度最显著,增幅分别为123%、90%和76%(图4)。

研究利用InVEST模型对彭阳县2020年生物多样性功能进行评价,结果表明2020年生境质量主要以优和一般两个等级为主,占比分别为74%和25%,其中优等级高于2015年,一般等级减小,生境质量整体状况较2015年优化(图5和表7)。

4 讨论

彭阳县是全国生态文明县、水土保持和生态恢复建设的重点区域,是黄土丘陵区的典型代表和缩影,以彭阳县地表甲虫物种丰富度和个体数量特征及变化规律指示黄土丘陵区最优生境具有较强的客观性和科学性[20]。地表甲虫物种丰富度和个体数量指代结果表明,彭阳县的最优生境为灌草混交林地,该生境灌木层盖度、草本植物生物量等均高于其他生境类型,为地表甲虫生存、栖息和繁殖等生命活动提供适宜的环境[25]。

生境质量及土地覆盖空间变化预测结果显示,2020年彭阳县城镇和工矿企业快速扩张促使区域生物多样性功能降低,结合生态移民政策、就业、教育等可能因素影响,彭阳县城镇化呈集中分布趋势,生物多样性功能整体状况变好。随着经济发展和人口的不断增长,城镇规模扩大,机械化水平的提高,人为扰动对生态安全的胁迫能力加强,如何从根源上预防生态危险,挖掘生态承载潜力和保护生物多样性功能成为重点。优化城市空间结构,理性规划城镇规模,实施主体功能区划分战略,界定生态环境阈值,加强城市内部生态环境优化和保护,实时监测和预测区域生态环境时空变化及趋势,对已退化生境类型及未来可能影响生境安全的行为进行预警,以期达到城镇化发展和生物多样性功能保护双赢得目的。

图4 2020年土地覆盖模拟图Fig.4 2020 model of land cover

图5 2020年生境质量模拟图Fig.5 2020 model of habitat quality

研究综合利用InVEST模型和CA-Marcov模型,利用TM遥感影像目视解译的土地覆盖数据代替以往研究中计算机监督分类的土地覆盖数据,能够保证InVEST模型高精度的评价结果。通过探究和预测与地表甲虫多样性相关的土地覆盖、生境质量等时空变化特征,以生境质量等级指示生物多样性功能优劣,进一步判断基于生物多样性保护的土地演化结果,效果显著。获取最优生境、土地覆盖、生物多样性功能等变化及预测的方法和结论,有利于规划部门对城市快速扩张区及黄土丘陵生态退化区规划布局时借鉴和参考,可为生物多样性保护和生态修复决策提供科学指导和理论支撑。

5 结论

(1)灌草混交林地是彭阳县生物多样性功能保护的最优生境,生境中固有的“88542”水平沟整地措施可作为黄土丘陵区典型生态恢复的最优模式。

(2)利用地表甲虫物种丰富度、个体数量特征及变化规律指示黄土丘陵区最优生境的方法具有客观性和科学性,值得推广。

(3)1995—2015年,研究区土地覆盖及生境类型发生显著动态变化,未利用地减少,城镇用地快速扩张,生境中天然封育草地和水平农田地的面积和比例变化最大；生物多样性功能经历了退化-提升的转变,2015年达到最佳。

(4)经过预测,彭阳县2020年土地覆盖与2015年相比变化较小,其中水平农田地面积变化较大并主要转变为天然封育草地和灌草混交林地,城镇用地面积变化幅度最大；生物多样性功能较2015年继续优化,主要以优等级和一般等级为主。

(5)采用CA-Markov模型模拟研究区土地覆盖及生物多样性功能变化的结果精度达到0.97,表明综合利用InVEST模型和CA-Markov模型的普适性及准确性较好。

(6)水平沟、鱼鳞坑、“88542”等水土保持工程和退耕还林还草、生态功能区划等生态恢复策略的实施和建设成效显著。