基于2005—2015年土地利用变化和InVEST模型的内蒙古巴林右旗农牧交错带生境质量研究

王 燕,高吉喜①,金 宇,曹秉帅,王 玥,张小华,周佳雯

(1.生态环境部南京环境科学研究所,江苏 南京 210042;2.南京信息工程大学应用气象学院,江苏 南京 210044;3.中国人民大学环境学院,北京 100872)

土地利用变化研究是全球生态环境领域研究的重要内容[1-5]。土地利用除具有经济、社会、文化和生产性功能外,还具有显著的生态效应。土地利用及其结构的变化能够深刻影响生境斑块之间的物质流、能量流循环过程,进而改变区域生境分布格局和功能[6-9]。通过研究土地利用变化背景下生境质量的变化状况,可以及时获取土地利用变化产生的生态响应,从而为生态保护及土地管理政策的制定或调整提供参考[10-11]。

农牧交错带是以草地和农田大面积交错出现并以典型景观为特征的自然群落与人工群落相互镶嵌的生态复合体,是典型的生态交错区和生态脆弱区[12]。由于生态交错带自身所具有的边缘效应,农牧交错带对气候变化和人类干扰表现出极端敏感的特征,成为外界干扰信号的放大器,农牧交错带土地利用变化对研究区域生态变化状况具有重要的预警作用[13]。近年来,随着政府和学术界对我国农牧交错带生态环境退化问题的广泛关注,一系列生态保护和生态恢复措施相继开展,如禁牧、休牧、轮牧等工程,对该地区生态环境的改善具有重要的促进作用。目前,农牧交错带生态恢复成效评估研究逐渐引起关注[14-16],但已有的成效评估多是对植被数量特征[17]、植被指数[18]和生态环境背景状况[19]等单个指标的具体评价,而基于土地利用变化的综合评估研究相对较少。为此,笔者利用GIS技术和InVEST模型,对位于北方典型农牧交错带的巴林右旗土地利用变化及其生态质量响应状况进行分析,通过对其不同时期土地利用状况的研究,获取生态恢复措施下的土地利用变化状况,在此基础上,分析生境质量响应状况,掌握其生态恢复成效,以期为农牧交错地区生态恢复建设与管理提供支持。

1 研究区概况

研究区位于我国北方典型农牧交错区——内蒙古自治区赤峰市巴林右旗,处于大兴安岭与燕山交接地带,分布范围在43°12′～44°28′ N、118°11′～120°05′ E之间,面积为9 959.91 km2。该区属温带半干旱大陆性季风气候区,四季分明,冬季寒冷漫长,夏季短促且降雨集中,春秋两季气温日变化剧烈,年平均气温约为4.9 ℃,年平均降水量约为358 mm,年平均无霜期为125 d,光照资源丰富,年日照时数约为3 000～3 200 h[20]。该区自北向南依次分布有山地、丘陵、平川、沙地、滩地和水域等地貌类型。土壤类型包括黑土、灰色森林土、棕壤、栗钙土、草甸土和风沙土6个类型,土壤肥力较差,有机质含量少,区域差异较大[21]。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及处理

土地利用数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所提供的分辨率为30 m的栅格数据集(http:∥www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=99),该数据集是目前我国精度最高的土地利用遥感监测数据产品,已经在国家土地资源调查、水文、生态研究中发挥着重要作用。参照GB/T 21010—2007《土地利用现状分类标准》,根据巴林右旗土地资源特征及分析要求,对研究区土地类型进行归集处理,各土地利用类型见表1。

表1 土地利用遥感解译分类系统

Table 1 Land use classification system

一级地类二级地类 耕地水田、旱地 林地有林地、灌木林、疏林地、其他林地 草地高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地 湿地河渠、湖泊、水库/坑塘、滩地、沼泽地 建设用地城镇用地、农村居民点用地、工交建设用地 未利用地沙地、盐碱地、裸地

2.2 土地利用变化计算

受不同驱动因子的作用,研究区内不同土地利用类型的变化幅度和速度均存在差异,采用净变化、总变化、趋势指数和净变化速率等指标计算土地利用变化动态。其中,净变化指某一土地利用类型在一定时期内转入面积与转出面积之差;总变化指转入面积与转出面积之和;趋势指数描述的是某一土地利用类型面积变化的正负,反映该土地利用类型扩张或萎缩状况;净变化速率表征的是某一土地利用类型面积随时间变化的快慢。具体计算公式[22]为

Cn=[(Ub-Ua)/Ua]×100%

=[(ΔUin-ΔUout)/Ua]×100%,

(1)

Ct=[(ΔUin+ΔUout)/Ua]×100%,

(2)

Sp=Cn/Ct=(ΔUin-ΔUout)/(ΔUin+

ΔUout)(ΔUin+ΔUout≠0且-1≤Sp≤1),

(3)

(4)

式(1)～(4)中,Cn、Ct和Sr分别为某一土地利用类型面积的净变化、总变化和净变化速率,%;Sp为趋势指数;Ua、Ub分别为研究初期和末期该土地利用类型面积,km2;ΔUout为研究时段内某土地利用类型转变为其他土地利用类型的面积之和,km2;ΔUin为同时期其他土地利用类型转变为某土地利用类型的面积之和,km2;T为研究时段,a。

利用ArcGIS 10.2软件进行相关运算,得到2005—2015年巴林右旗土地利用转移矩阵。

2.3 基于InVEST模型的生境质量评估

生境质量指生态系统能够提供给单个物种和种群生存条件的能力,在模型中是一个从低值到高值的连续变量。基于InVEST模型,利用土地利用信息和生物多样性威胁因子计算生境质量指数,可以反映土地利用动态变化对生态系统服务功能变化的影响。模型以栅格为基本评价单元,每个栅格被分配一种土地利用类型,综合考虑威胁因子的影响距离、空间权重等因素,计算每个栅格的生境退化指数,进而得到生境质量指数。土地利用类型j中栅格x的生境退化指数计算公式[9,23]为

(5)

irxy=1-(dxy/dr,max)(线性衰退),

(6)

(7)

式(5)～(7)中,Dxj为生境退化程度;R为胁迫因子个数;wr为胁迫因子r的权重;Yr为胁迫因子层在土地利用类型图中的栅格个数;ry为土地利用类型图中栅格y中胁迫因子个数;Sjr为j类型土地覆被对胁迫因子r的敏感性;irxy为栅格y中的威胁因子r对栅格x的影响;dxy为栅格x(生境)与栅格y(威胁因子)之间的距离;dr,max为威胁因子r的影响范围;βx为法律保护程度,该研究不考虑法律保护程度因子,将βx设为1。

生境质量计算公式[23-24]为

(8)

式(8)中,Qxj为土地利用类型图j中栅格x的生境质量;Hj为土地利用类型图j的生境属性;k为半饱和常数,一般设置为生境退化程度最大值的1/2[24]。依据InVEST模型使用说明,z为归一化常量,通常其取值为2.5,生境质量得分值域为0～1(生境适宜度最高时生境质量得分为1,最低时为0)[23-24]。

通过InVEST模型运算及ArcGIS 10.2软件叠加分析等过程,得到巴林右旗2005—2015年生境质量分布及变化状况。

2.4 模型参数的确定

InVEST模型中需要根据研究区状况进行调整的参数主要包括威胁因子的最大影响距离及权重、各土地利用类型的生境质量及其对威胁因子的敏感程度。

生态威胁因子对生境质量影响的大小通过空间距离变量来测算。参考已有相关研究[20,25-27]及专家咨询结果,确定农村居民点用地、城镇用地、工交建设用地、耕地和盐碱地5种土地利用类型作为巴林右旗生境质量变化的生态威胁因子,对研究区生态威胁因子参数的设置见表2。

表2 威胁因子主要调整参数

Table 2 Adjustment parameters of threat factors

威胁因子最大影响距离/km权重空间衰退类型 农村居民点用地50.8指数 城镇用地81.0指数 工交建设用地40.9指数 耕地30.7线性 盐碱地10.1线性

不同土地覆盖类型对于生态威胁因子具有不同的敏感度。敏感度取值范围为0～1,0表示对某威胁因子无敏感度,1表示对某威胁因子具有较高敏感度。参照模型自带案例和相关研究成果[28-31],各土地利用类型对生态威胁因子敏感度的设置见表3。

表3 各土地利用类型对生态威胁因子的敏感度

Table 3 Sensitivity of the land use types to habitat threat factor

土地利用类型生境质量得分对生态威胁因子敏感度居民点城镇建设耕地盐碱地 水田0.50.30.40.40.30.1 旱地0.50.30.40.40.30.1 有林地0.90.70.80.80.60.2 灌木林0.80.60.70.70.50.1 疏林地0.30.40.50.550.40.1 其他林地0.10.20.20.450.20.1 高覆盖0.80.60.650.750.40.2 中覆盖0.50.50.550.60.30.2 低覆盖0.30.40.50.550.20.2 河渠0.80.70.80.90.650.1 湖泊0.90.70.80.90.650.1 水库/坑塘0.80.70.80.90.650.1 滩地0.50.20.30.30.20.1 沼泽地0.90.60.70.70.650.2 城镇000000 居民点000000 建设000000 沙地000000 盐碱地0.20.20.30.30.10 裸地000000

高、中、低覆盖分别指高、中、低覆盖度草地，居民点指农村居民点用地，建设指工交建设用地，城镇指城镇用地。

在ArcGIS 10.2软件空间分析功能支持下,对生境质量栅格图进行运算,得到研究区2005—2015年生境质量变化栅格图。对输出栅格图进行重分类,划分为低、较低、中等、较高和高共5个等级,制定生境质量分级标准(表4)。在生境质量等级划分基础上,得到研究区生境质量的空间分布及其变化情况。

表4 巴林右旗生境质量等级划分

Table 4 Habitat quality hierarchy in Bairin Right Banner

等级取值范围等级特征描述 低0～0.15生境质量低,生物多样性低 较低>0.15～0.35生境质量较低,生物多样性较低 中等>0.35～0.60生境质量中等,生物多样性中等 较高>0.60～0.75生境质量较高,生物多样性较高 高>0.75生境质量高,生物多样性高

3 结果与分析

3.1 巴林右旗土地利用变化

2005—2015年,巴林右旗土地利用现状及变化见表5～6。由表5～6可知,巴林右旗土地利用类型以草地、林地和耕地为主,2015年巴林右旗土地利用类型以草地、林地和耕地为主,面积分别为4 679.51、2 401.00和1 350.03 km2,分别占全旗土地总面积的46.98%、24.11%和13.55%。

表5 2005—2015年巴林右旗土地利用现状

Table 5 Land use types in Bairin Right Banner in the period of 2005-2015

km2

2005—2010年,巴林右旗土地利用/覆盖类型中,草地、湿地、建设用地和林地面积有所增加,耕地和未利用地面积有所减少。5 a间,以草地面积增长最为显著,净增加520.67 km2,增长率为10.50%,其中以高覆盖度草地扩张最为突出,净变化率为150.93%,其后依次为湿地和建设用地,面积分别净增加110.55和79.20 km2,增长率分别为30.29%和80.15%,其中以沼泽地和工交建设用地扩张较为突出,净变化率分别为206.64%和220.39%。5 a间,耕地和未利用地面积分别减少393.04和323.75 km2,减少率分别为20.86%和63.35%,其中以旱地和沙地萎缩较为突出,净变化率分别为23.13%和69.47%。

2010—2015年,林地、未利用地、建设用地和湿地面积有所增加,草地和耕地面积有所减少。5 a间,以林地面积增长最为显著,净增加252.3 km2,增长率为11.74%,其中以灌木林扩张最为突出,净变化率为51.17%;其后依次为未利用地和建设用地,面积分别净增加245.04和219.09 km2,增长率分别为130.83%和123.07%,其中以沙地和工交建设用地扩张较为突出,净变化率分别为147.26%和211.17%。5 a间,草地和耕地面积分别减少799.95和140.94 km2,减少率分别为14.60%和9.45%,其中以高覆盖度草地和水田萎缩较为突出,净变化率分别为-33.34%和-86.72%。

表6 巴林右旗土地利用变化指数

Table 6 Index of land use change in Bairin Right Banner

地类2005—2010年2010—2015年2005—2015年 A/%B/%CD/%A/%B/%CD/%A/%B/%CD/% 水田248.79450.000.5628.47-86.72108.05-0.80-33.09-53.69146.94-0.36-14.04 旱地-23.1391.83-0.25-5.12-6.5076.45-0.09-1.35-28.1396.78-0.29-6.40 有林地30.31136.830.225.46-9.40107.02-0.09-2.0518.07141.760.123.28 灌木林11.51174.240.072.1851.17193.670.278.7068.58229.440.3011.05 疏林地-68.08122.65-0.56-20.43-56.10143.29-0.39-15.37-85.99113.30-0.76-32.65 其他林地91.19285.850.3213.84-35.92113.95-0.31-8.4122.52208.000.114.12 高覆盖150.93274.450.5520.22-33.34102.36-0.33-7.8267.27218.440.3110.85 中覆盖-23.38125.80-0.19-5.19-1.87140.26-0.01-0.35-24.81129.21-0.19-5.52 低覆盖-65.54108.73-0.60-19.1967.62220.280.3110.93-42.24131.32-0.32-10.36 河渠0.82100.930.000.01-15.60101.33-0.16-3.46-14.90114.20-0.14-3.44 湖泊6.9685.950.071.17-11.81121.00-0.09-2.26-5.67142.63-0.04-1.11 水库/坑塘-9.08189.61-0.04-1.46277.25461.390.5929.98243.00435.740.5628.08 滩地-13.69151.84-0.09-2.99421.58605.290.7540.85350.17539.610.7036.65 沼泽地206.64352.610.5925.199.91154.530.061.75237.02404.760.5827.34 城镇用地17.4349.810.353.26-9.0883.33-0.11-1.876.76115.190.061.33 居民点34.39145.430.246.1357.06132.040.439.40111.07215.750.5116.09 建设用地220.39295.330.7526.22211.17366.870.5825.51896.961 056.120.8558.44 沙地-69.4794.46-0.73-21.10147.26231.550.6419.94-24.51115.58-0.21-5.44 盐碱地1 545.141 675.000.8873.5661.59217.630.2910.332 558.332 667.570.9391.48 裸地167.46364.620.4621.8131.53146.130.195.05251.78442.980.5527.95

A为净变化,B为总变化,C为趋势指数,D为净变化速率。高、中、低覆盖分别指高、中、低覆盖度草地,居民点指农村居民点用地,建设用地指工交建设用地。

2005—2015年,湿地、林地和建设用地面积有所增加,耕地、草地和未利用地面积有所减少。10 a间,以湿地面积增长最为显著,净增加335.01 km2,增长率为91.80%,其中以滩地扩张最为突出,净变化率为350.17%;其后依次为建设用地和林地,面积分别净增加298.29和258.67 km2,增长率分别为301.85%和12.07%,其中以工交建设用地和灌木林扩张较为突出,净变化率分别为896.96%和68.58%。10 a间,耕地、草地和未利用地面积分别减少533.98、279.28和78.71 km2,减少率分别为28.34%、5.63%和15.40%,其中,以水田、低覆盖度草地和沙地萎缩较为突出,净变化率分别为-53.69%、-42.24%和-24.51%。10 a间,林地、湿地和建设用地面积持续增加,耕地面积则持续减少。其中,林地、沼泽地、农村居民点用地、工交建设用地、盐碱地和裸地均表现为持续扩张趋势,旱地、疏林地和中覆盖度草地则表现为持续萎缩趋势。

由表7可知,草地、林地、旱地和沙地转换面积较大,旱地和沙地转换为林地、草地和湿地这类生态用地总面积分别为948.70和303.53 km2,说明退耕还林还草工程的实施对于该地区生态恢复起到积极的促进作用。由表7可知,中覆盖度草地转换为高覆盖度草地最为明显,转换面积为660.42 km2,其后依次为中覆盖度草地转换为灌木林和旱地转换为高覆盖度草地,转换面积分别为327.12和322.47 km2,转换明显的各地类基本表现为趋好方向发展;但是也存在较明显的中覆盖度草地转换为旱地的情况,表明部分地区仍然存在人为活动开发耕地的现象。

3.2 巴林右旗生境质量时空演变

2005—2015年巴林右旗生境质量分布及变化状况如图1、表8所示,由此可知,2005、2010和2015年研究区生境质量指数表现出明显的空间分异特征,高、中等和较低等级生境质量区域面积所占比例较大,2005、2010和2015年土地覆盖面积分别占总面积的87.24%、80.73%和78.70%。2005年,低、较低等级生境质量区域面积占比很大,占总面积的43.46%,而2010、2015年占比明显降低,分别为31.54%和36.52%,高、较高等级生境质量区域面积占比明显提高,由2005年的28.16%提高到46.24%(2010年)和39.92%(2015年),表明研究区生境质量呈明显好转趋势。

表7 2005—2015年巴林右旗土地利用类型转移矩阵

Table 7 Land use types transfer in 2005-2015 in Bairin Right Banner

km2

巴林右旗生境质量空间分布的总体特征表现为北部高、南部低,生境质量高值区主要集中在研究区北部的索博日嘎镇、查干沐沦镇和幸福之路苏木等地,低值区集中在南部的查干诺尔镇和西拉沐沦镇。分析原因,可能是由于北部地区主要为牧业,生产方式对生境质量影响相对较小,同时,赛罕乌拉国家级自然保护区也位于其中,对该地区生境质量提升有较好的促进作用;而南部地区主要为农业种植业,生境质量更容易受到人类生产生活方式的影响。

通过计算可知,10 a间,高、较高和低等级生境质量区域面积均有所增加；较低等级生境质量区域面积减少最显著,净减少1 378.50 km2,减少率为37.55%;高等级生境质量区域面积增长最显著,净增长908.40 km2,增长率为39.65%。巴林右旗2005、2010和2015年平均生境质量指数分别为0.457、0.577和0.528,10 a间,平均生境质量总体表现为上升趋势,表明研究时段内该区域生境质量总体趋于好转。

图1 2005—2015年巴林右旗生境质量等级分布及变化

表8 2005—2015年巴林右旗不同等级生境质量区域面积变化

Table 8 Area change of habitat quality index in 2005-2015 in Bairin Right Banner

生境质量等级生境质量指数值2005—2010年2010—2015年2005—2015年面积变化/km2变化率/%面积变化/km2变化率/%面积变化/km2变化率/% 低 0～0.15 232.1830.66 355.3735.92 587.5577.60 较低>0.15～0.35-1 519.55-41.39141.056.55-1 378.50-37.55 中等>0.35～0.60-512.83-18.81133.016.01-379.82-13.93 较高>0.60～0.75416.2780.96-153.91-16.54262.3651.03 高>0.751 383.9460.40-475.54-12.94908.4039.65

由图1可知,10 a间,巴林右旗生境质量明显降低的区域主要集中于北部的索博日嘎镇和南部的西拉沐沦镇,生境质量指数明显升高区域则集中于查干诺尔镇、查干沐沦镇和大板镇。

4 讨论

长期以来,受历史自然条件和人为因素的影响,西部地区生态条件恶劣,生态环境质量低下。为此,我国实施了天然林保护工程、退耕还林还草工程、京津风沙源治理专项工程和草原三牧(禁牧、休牧、轮牧)工程等一系列生态保护与恢复工程。随着各项工程及后续工程的阶段推进,生态恢复成效评估也提上日程。土地利用变化是生态恢复最直观的变化结果,由此产生的生境质量变化反映了生态恢复的目的和效果。基于土地利用变化的生境质量评估为生态恢复成效评估提供了途径。

退耕还林还草、围封禁牧和季节性休牧是内蒙古农牧交错区实施的主要生态工程类型[32]。自2005年以来,巴林右旗基本建立了全旗的禁牧、休牧制度,对自然资源生态功能的恢复起到了促进和示范作用[33]。2005—2015年的10 a间,由于实施了退耕还林还草等生态工程措施,巴林右旗旱地向草地和林地的转换效果显著,耕地面积持续减少,湿地、林地面积显著增加,生态环境质量总体表现为好转趋势,生态恢复取得了一定成效。

InVEST模型弥补了传统生态系统服务评估方法的不足,为生态系统服务评估提供了有效途径。近年来,作为InVEST模型功能模块之一的生境质量评估得到了较多应用。然而,在生境质量评估中,该模型仍存在一定不足,如模型通过累加胁迫因子对生境质量的影响来获取研究区生境质量,但胁迫因子的简单累加并不完全等同于各胁迫因子的综合影响作用,所以模型在使用过程中仍需进一步改进和完善[24]。此外,农牧交错带属于生态交错带地区,受外界因素影响会产生显著的边缘效应,与一般区域生态系统相比,相同威胁因子可能会产生加倍效应,如何进一步科学合理地确定生态交错带生态系统对生境威胁因子的敏感度,将是需要进一步研究的重要内容。

5 结论

(1)2015年,巴林右旗土地利用类型以草地、林地和耕地为主,面积分别为4 679.51、2 401.00和1 350.03 km2,分别占全旗土地总面积的46.98%、24.11%和13.55%。

(2)2005—2015年,湿地、林地和建设用地面积持续增加,其中以湿地面积增长最为显著,增长率为91.80%,耕地、草地和未利用地面积有所减少,特别是耕地面积持续减少。旱地向草地和林地的转换较显著,说明退耕还草、退耕还林等工程的实施对于该地区草地生态系统的恢复起到了一定促进作用。

(3)2005—2015年,生境质量指数表现出明显的空间分异特征,2005年,较低等级生境质量区域面积占比最大,而2010、2015年则均以高等级生境质量区域面积占比为最大;生境质量空间分布的总体特征表现为北部高、南部低,10 a间,巴林右旗生境质量明显降低的区域主要集中于北部的索博日嘎镇和南部的西拉沐沦镇,生境质量指数明显升高区域则集中于查干诺尔镇、查干沐沦镇和大板镇。

(4)10 a间,高、较高和低等级生境质量指数面积均有所增加,其中,较低等级生境质量指数面积减少最显著,减少率为37.55%;高等级生境质量指数面积增长最显著,增长率为39.65%。10 a间,平均生境质量指数由0.457提高到0.528,总体表现为上升趋势,表明该区域生境质量总体趋于好转。