基于土地利用的北方农牧交错带生境质量研究

刘孟竹, 张红娟, 王彦芳, 裴宏伟

(1.河北建筑工程学院 市政与环境工程系， 河北 张家口 075000;2.河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室， 河北 张家口 075000; 3.河北地质大学， 石家庄 050031)

生境质量作为一项关系到人类福祉的重要生态服务服务[1]，反映了生态系统可提供给系统内物种个体、群落及人类等生存和延续所需的自然资源的质量，同时也是生态系统是否适于人类生存的重要指标[2]。近代以来，由于人类社会追求经济快速发展而展开对自然资源的过度掠夺，进而导致全球变暖、环境污染等一系列全球性问题日益凸显，致使全世界超过60%的生态系统出现退化[3]。在此背景下，以生境质量为代表的的生态系统服务的研究已经成为当前国际生态领域相关研究的重要内容[4]。而对生境质量影响最大的主要因素为生态系统内的土地利用变化[5]，其余生态服务功能的改变也可归因于此[6]。土地利用变化引发生态系统结构与格局的改变，进而影响着生境要素、生境区域之间的物质能量循环[7]。因此，基于土地利用变化视角研判区域内的生境质量演化规律已成为国内外相关学者关注的热点研究领域。如包玉斌等探讨了陕西省黄河湿地保护区内土地利用变化对生境质量的影响，结果认为该区生境退化与城镇化扩张及湿地萎缩密不可分[8]；Leh等[9]以土地利用数据为源数据分析了非洲西部包括生境质量在内的各项生态系统服务；Mushet等[10]分析了美国中部平原地区各种土地利用类型的生境特征。综上可见，土地利用对国内外学者开展生境质量相关研究的地位举足轻重。

早期的研究侧重于对地区、流域等小范围区域内动植物的调查来获得研究区内的生境质量参数，通过主成分分析、层次分析或专家打分等方法对各参数权衡比较进而构建该区生态质量的评价体系[11]。而如今随着3S技术的兴起，研究范式更倾向于借助生态模型对生境质量进行的定量化的时空变化特征分析[12]，如HSI模型、ARIES模型、InVEST模型等均是应用较为广泛的生态模型。其中，InVEST模型以其理论发展成熟、输入变量少且易获取、能便捷评价区域生境质量等优点而受到广泛应用[13]。

我国北方农牧交错带处于半干旱向半湿润过渡区，生态环境极为脆弱[14]，易受到土地利用变化的影响[15]。自退耕还林(草)政策实施以来，该区长期奉行“重农轻牧”，“重生产轻生态”等理念[16]，产业结构严重失衡、超载放牧以及水资源无序超采等造成该区草场退化、土地沙化、水土流失等现象极为严重[17]，该区土地利用格局发生了显著改变，包括生境质量在内的各种生态系统服务功能发生了明显退化。北方农牧交错带实际蕴藏着可观的生态开发能力[18]，同时也是中东部地区的生态屏障和京津冀地区重要的水源涵养地[19]，其生态意义和区位重要性不言而喻。目前，针对整个农牧交错带地区的生境质量等生态服务的研究鲜有报道。本文通过InVEST模型分析北方农牧交错带2000—2018年以来土地利用变化视角下生境质量的时空变化特征，定量探讨退耕还林还草政策对该区生境质量转变的具体影响，旨在为生态脆弱区生态系统服务评估的完善以及生态可持续性发展提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

我国学者对北方农牧交错带的范围划分一直标准各异。本文参考中国农业农村部于2017年发布的《农业部关于北方农牧交错带农业结构调整的指导意见》，该指导意见中详细划分的重要区域共涉及宁夏、甘肃、内蒙古、陕西、山西、河北、辽宁在内7省的146个县市。本文中划定的北方农牧交错带总面积约为4.7×105km2，海拔27～3 061 m。该区年均气温在2～8 ℃，近30 a来年均增温0.32 ℃/10 a，明显高于全国和全球增长率；年均降雨量在300～450 mm，降水极不稳定[20]。该区地貌单元主要以高原、丘陵结合为主，部分区域地貌为平原、沙地、山地[9]。该区多年来存在过度开垦、超载过牧现象，导致生态环境退化，动植物数量和种类不断减少，甚至出现过严重的荒漠化现象[21]。目前研究区已施行的国家政策主要有“三北防护林”、“自然保护区建设”、“退耕还林(草)”。

1.2 数据来源

本研究所用的土地数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，其均由Landsat卫星影像目视解译制成，分辨率为30 m。时间选取了2000年、2010年、2018年共计3期。数据经过人工检验，数据精度在85%以上，能满足本文研究需要。土地利用分类根据《土地利用现状分类》标准并参考北方农牧交错带地区的实际情况将其分为6类：耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地。由于研究区过大，经测试现有的计算机在InVEST模型中运行栅格单元为30 m×30 m的数据较为困难，故选择适合于离散数据重采样的最邻近法，在GIS软件中通过Resample工具对InVEST模型所需的空间数据的栅格单元均重采样至90×90 m。危险源中的城镇、交通、村落等数据均从同期土地利用数据中进行重分类获得对应地类的二值图数据。

1.3 研究方法

1.3.1 单一土地动态度 土地利用动态度能定量反映出土地变化的速度，其中单一土地利用动态度侧重研究期内某种土地利用类型数量的年变化率，综合土地利用动态度则是对研究区内土地利用整体变化情况的刻画。为深入细化分析多年来坝上地区土地利用的变化情况，本文选择土地利用动态度这一指标，其公式参考文献[22]如下：

(1)

式中:K表示研究时段内某一土地利用类型动态度;Ua,Ub分别为研究初期和研究末期某种土地利用类型的数量;T为研究时长。

1.3.2 不同生境质量等级的土地转移矩阵 不同生境质量等级的土地转移矩阵反映了研究区在研究初期和研究末期不同等级生境质量等级相应的区域互相转化的动态信息，不仅可以定量地表明不同等级生境质量等级之间的土地转化情况，还可以间接反映其转移速率。转移矩阵表达式参考文献[23]如下：

(2)

式中:S为面积;n为转移前后生境质量的等级数;i,j(i,j=1,2,3,…,n)分别表示转移前后的生境质量的等级;Sij表示转移前的i等级生境质量土地转移成j等级生境质量土地的面积。

1.3.3 InVEST模型生境质量评估 本文选择由美国斯坦福大学、世界自然基金会和大自然保护协会联合开发的生态系统服务评估工具模型InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Model)模型生境模块来计算生境质量以及生境退化度。生境退化指数反映单元栅格受胁迫程度的大小，值越高代表受胁迫程度最大，生境退化程度越高，其公式[24]如下：

(3)

(4)

(5)

式中:Dxj为土地利用类型j中x栅格的生境退化度;R为威胁源个数;Wr为危险源权重;Yr为威胁源的栅格数;ry为栅格y的胁迫指;irxy为栅格y的胁迫值ry对栅格x的胁迫水平;Bx为危险源对栅格x的可达性;Sjr为土地利用类型j对危险源r的敏感度;dxy为栅格x到栅格y的直线距离;drmax为危险源r的最大胁迫距离。

生境质量指数反映在胁迫条件下生境质量的优劣，其值在0～1。值越高代表区域生物多样性越丰富，生境质量越好；反之则生境质量越差，易受破坏，计算公式参考文献[25]如下：

(6)

式中:Qxj为土地利用类型j中x栅格的生境质量指数;Hj为土地利用类型j的生境适宜度;k为半饱和常数,取Dxj最大值的一半;z为归一化常量,通常取2.5。

根据模型要求，并参考以往类似地区的研究以及研究区实际情况，自然环境对于外来胁迫敏感性程度大，人工环境受胁迫影响最弱，因此，本文将林、草地及水域定义为提供生境质量的地类，将耕地、村落、城镇用地、交通用地设为威胁源[2,5]。各个威胁因子最大距离、权重、衰退类型参考本研究区内已有的研究[8]，各个地类生境适宜度、对威胁因子敏感度的设定，参考同地区研究[8,26]，以及专家的建议确定各项参数值，详见表1，表2。

表1 研究区威胁源参数

表2 研究区土地利用类型生境适宜度及对威胁因子敏感系数

2 结果与分析

2.1 土地利用变化分析

三期土地利用图经ArcMap软件统计所得结果见图1。可知，2000—2018年期间，北方农牧交错带土地利用类型以耕地，林地和草地为主，三者面积共计超过4.3×105km2，近占比超过91.83%。面积最大的是草地，2000年时面积最大，超过研究区的40.00%;面积最小的为水域，多年面积占比均在1.50%左右。从变化趋势来看，近20 a来北方农牧交错带土地利用类型处于减少趋势的为耕地、草地和未利用地，减少面积分别为5 852.58 km2，6 488.41 km2，557.59 km2；林地、水域和建设用地则处于增加态势，增加面积分别为6 972.62 km2，173.45 km2，5 781.54 km2。

图1 研究区2000-2018年各地类面积占比

从变化速度来看，图2中建设用地无论是整个研究期还是分阶段来看，其相对变化程度都非常剧烈，动态度均高达0.02以上，其次是林地，在2000—2010年期间，动态度值为0.83×10-2，上升趋势较为急剧，但在2010—2018年期间则变化极为缓和。耕地和草地的变化趋势较为相似，两者动态度在各阶段均较为相近。总体来看，水域、建设用地和未利用地在前一时期变化程度均不如后一时期剧烈，尤其表现在耕地、林地、草地的变化显著发生于2000—2010年时期，三者作为研究区主要的土地利用类型，对该区的土地利用整体的变化特征的解释最具代表性。可以认为，自退耕还林(草)政策实施以来，北方农牧交错带地区取得了一定成效，最大成效期发生在2000—2010年，主要表现在“还林”部分，而“还草”的效果并未达到预期。经分析，北方农牧交错带区域多年来因气候条件恶劣及人为因素干扰，该区草地退化严重并被建设用地大面积占用，导致草地多年来萎缩明显，“还草”起到的更多是对草地减少的抑制效果。

图2 研究区2000-2018年单一土地动态度

2.2 生境质量变化分析

经InVEST模型运行所得2000—2018年北方农牧交错带生境质量指数HQI(Habitat Quality Index)见图3，相应的面积统计见表3。在ArcMap软件中根据平均间隔进行分区，得到生境质量低级区(0≤HQI<0.2)，较低级区(0.2≤HQI<0.4)，中级区(0.4≤HQI<0.6)，较高级区(0.6≤HQI<0.8)，高级区(0.8≤HQI<1.0)。

表3 研究区各生境质量等级面积及比例

图3 研究区2000-2018年生境质量变化

由表3可知，2000—2018年北方农牧交错带地区生境质量水平以较低等级和较高等级生境质量为主，总面积超过307 066.51 km2，多年来占比均在32%～35%，呈现两级分化状态。生境质量较低及以下等级区域占比超过40%，生境质量较高及以下等级区域占据研究区近一半，超过48%。中等级质量区域最高为48 464.39 km2，最低时占比为9.68%。研究区低等级生境质量区域面积最少，生境质量数值区间主要集中在0.2～1.0。从整个研究区变化情况来看，2000—2010年生境质量变化最为显著，主要变现为低等级、高等级生境质量区的扩张，相应面积分别为4 899.66 km2，8 068.61 km2；同时较低、中等、较高等级生境质量区不同程度下降，分别减少了0.97，0.64，1.15个百分点。

研究区在2010—2018年生境质量变化不够明显，生境质量较低以下等级区域基本没有发生变化，中等及以上等级区变化程度非常微小。该现象经分析，原因有二，其一为基于土地利用视角的生境质量变化中，当土地利用变化不明显时，生境质量变化亦然；其二乃生境质量等级的分区区间偏大造成未分区前生境质量具体数值的变化值也集中在生境质量等级未发生变化的区间中。由图3可知，研究期间生境质量较高区域主要在陕西南部、山西南部、河北东南部及辽宁西南部地区，较低区主要在陕西北部、内蒙古中部及河北西北部。整体来看，2000—2018年北方农牧交错带整体生境质量处于“南高北低”的分布状态，

2.3 生境质量数量转移分析

通过ENVI软件对北方农牧交错带2000年和2018年生境质量图谱进行变化检测后所得统计数据见表4。可知，2000—2018年期间，研究区生境质量区域变化较大的主要发生在较低级到较高级、高级到较高级、较高级到较低级生境质量区域的转移，转入面积均在6 800～7 200 km2。其次为高级和低级到较低等级的土地转入，相应面积均接近4 000～4 800 km2。较高层级到较低层级生境质量的土地互相转入的程度大抵相等，约在6 900 km2左右；研究区转入较低等级生境质量的土地面积最大，总额近14 000 km2，而转入高等级质量生境的面积也高达13 000 km2，两者比较下,生境的退化影响略高于进化。

研究期间，中等级别生境质量区域退化程度大于进化程度，其向低级及较低等级转入面积共计3 376 km2，而转入较高及以上区域面积仅为1 723 km2，差值约为1 652 km2。较低及以下等级生境质量区域转为较高及以上等级区域为11 219.90 km2，略微低于对应的逆向转化的总面积12 931.44 km2，尽管生境质量进化区域低于退化区域1 171.54 km2，但结合表4中较高及高等级生境质量区域退化成较低及低等级生境的面积来看，其远低于较低及以下层级向较高以上层级生境区域的转化，退化程度低于进化程度。可以认为，北方农牧交错带区域在2000—2018年期间生境质量在整体上趋于更优。

表4 研究区2000-2018年不同生境质量等级区土地转移矩阵 km2

2.4 生境质量空间转移分析

通过栅格计算器对2018年和2000年生境质量图栅格图进行相减得到图4。可以发现北方农牧交错带2000—2018年生境质量显著变化区域主要在陕西、辽宁两省全境，其中陕西省是最早实施退耕还林政策的试点区之一，上述区能较明显分辨出生境质量进化区域多于退化区，两区整体生境呈现更优趋势。同时可知，土地利用变化的程度一定程度上决定了生境质量变化的水平，山西、辽宁两省在研究期间土地更迭程度较显著，辽宁省土地利用变化最剧烈。从局部来看，在河北中西部及东北部、陕西北部、内蒙古西部及东部部分区域生境质量也发生了较为显著的变化。其中内蒙古东、西部生境退化程度尤为明显，山西及河北涉及地区生境质量变化区域趋于两极化。甘肃、宁夏地区生境质量变化不够明显，除宁夏东北部有一定程度变化，两省其余区域均“偏灰”。可以发现，生境质量变化区域集中在北方农牧交错带中心核心地带，即B，C，D，E样区，所涉地区处于耕地与林草地交错的典型地段，且城镇化水平相比其余区域明显较高，该区局部生境质量变化与城镇化水平、农区牧区交错程度密不可分。同时从整体上看，近20 a来研究区生境质量变化趋向“偏白”，生境向更优态势转变。

图4 研究区2000-2018年生境质量变化

2.5 退耕还林还草对生境质量的影响

通过提取了北方农牧交错带2000—2018年土地转移图中耕地转为林、草地的图层，设置该图层耕地转林、草区域的栅格值为1，其余部分全为0，得到了研究区退耕还林还草二值图。通过栅格计算器，将该二值图单元栅格值与2000—2018年研究区生境变化图单元栅格值进行相乘处理，得到结果为研究区退耕还林区域生境质量的变化情况，具体见图5。整体上看，可明显分辨研究区整体“偏黑”，退耕还林还草下生境质量变好的栅格数明显高于变差的栅格数，经生境指数栅格数统计，2000—2018年退耕还林还草区域生境质量进化区域面积7 279.37 km2，占比86%；退耕还林还草区域退化区域达到1 181.60 km2，占比14%。研究区耕地转林(草)区域生境质量显著地提高。同时对比图5可知，内蒙古东北部、河北东部耕地转林草地的迹象不够明显，而辽宁、陕西、河北中东部、山西北部、内蒙古西南部退耕还林还草效果较为显著，与图4中生境质量变化区域基本吻合，说明该区内退耕还林还草政策已经取得了一定成效，生境质量有所提升。结合以上分析可以认为，退耕还林还草政策是驱动北方农牧交错带生境质量变化主要原因之一，同时可以认定，在土地利用变化中，耕地转林、草地在一定程度上会提高该变化区域的生境质量水平。

图5 研究区2000-2018年耕地转林(草)地生境质量变化

3 结 论

(1) 2000—2018年北方农牧交错带土地利用类型以草地，耕地，林地为主，三者面积之和占比超过91.83%。此外，近20 a来变动幅度较大的为耕地，草地，林地，建设用地，其中耕地和草地分别减少5 852.58 km2，6 488.41 km2，林地和建设用地增加了6 972.62 km2，5 781.54 km2。变化最剧烈的为建设用地，其动态度超过0.02。退耕还林(草)政策上在研究区取得了一定成效，其主要发生于2000—2010年阶段，具体表现在耕地大幅度的下降以及林地显著的增加，但草地在研究期间下降趋势较为明显，经分析研究区处于脆弱生态区，多年来该区草地发生了一定程度的退化并被建设用地大肆占用，导致近20 a来草地面积不升反降，“还草”愿景未能如期实现。

(2) 近20 a来北方农牧交错带整体生境质量偏好，较高(0.6≤HQ<0.8)及高(0.8≤HQ<1.0)等级生境质量区域占据研究区近一半。较低(0.4≤HQ<0.6)等级和较高等级生境质量占比相近，多年来均保持在32%～35%，生境质量数值呈现两极化状态，分布格局趋于“南高北低”，陕西、山西、河北、辽宁南部地区生境质量普遍较高。

(3) 退耕还林还草政策是主导研究区生境质量变化的主要原因之一，尤其在辽宁、陕西中部、河北中东部、山西北部变化程度明显。退耕还林还草政策促使生境质量进化、退化的面积占比分别为86%和14%，可以认为退耕还林还草对北方农牧交错带地区生境质量变好起促进作用。