三峡库区生境质量的地形梯度效应及对土地利用变化的响应

周晓艳，何依依，黄 欣，张苗苗

（武汉大学资源与环境科学学院，武汉 430079）

0 引 言

三峡工程是当今世界上最大的水利工程，在防洪、发电、供水等方面带来了可观的综合效益。三峡库区生态脆弱敏感，人地关系复杂，其生态环境健康关系着整个长江流域，一直是资源环境领域的关注和研究热点[1]。在国家层面上，1996年正式组建了长江三峡工程生态与环境监测系统，围绕三峡工程建设和运行，对库区及长江上游到河口地区的经济、社会发展、生态与环境进行全面的跟踪监测、及时预警预报，为长江三峡工程建设过程中环境与资源管理以及部门决策提供科学依据。目前国内学者对三峡库区湖北段生态环境的研究大多集中在对库区水土流失[2-3]、滑坡地质灾害[4]、水源污染以及氮磷排放量[5-8]等单一生态环境方面的研究。生境质量被视为区域生物多样性和生态服务水平的重要表征和反映，也是区域生态安全保障和人类福祉提升的关键环节[9-10]。近年来，基于土地利用变化的生境质量研究逐渐成为热点，如杨志鹏等[11]以东北地区为研究区，对土地利用演变视角下的生境质量变化进行分析，并研究了生境质量高低与土地利用类型空间布局的关系，贾艳艳等[12]采用InVEST模型、土地利用程度指数和双变量空间自相关模型等方法，分析黄河三角经济区生境质量演变特征及其与土地利用变化的相关性，石小伟等[13]研究了大都市郊区土地利用转型对生境质量的影响。

综上，本文参考已有成果，考虑三峡库区具有独特的地理条件，创新性地结合地形的视角探讨三峡工程建设背景下库区生境质量与土地利用变化的关系具有重要意义。本文在利用InVEST模型对其湖北段生境质量进行评估的基础上，借助地形位指数分析区域地形条件对生境质量分布格局及其时空变化的影响，并利用地理加权回归将不同土地利用变化与生境质量的空间关系进行可视化表达，以揭示生境质量对土地利用变化的响应及不同地形位上的差异。研究结论可为三峡库区湖北段未来土地利用布局和生态环境保护提供决策支持。

1 研究区概况

三峡库区湖北段位于湖北省中西部，包含湖北省宜昌市夷陵区、兴山，巴东，秭归三县，是三峡大坝主体工程所在地，总面积约为1.15万km2。三峡库区湖北段海拔较高，以山地为主，东高西低，地形复杂，属于亚热带气候区。研究区内河流众多，主要为长江及其支流，构成了复杂的地表径流网络，水利资源优势明显。三峡大坝于1992年获得七届全国人大第五次会议批准建设，1994年正式动工兴建，1997年实现大江截流，一期移民结束；2003年二期移民结束，正式开始下闸蓄水；2006年三峡大坝全线建成，三期移民结束；2009年全面完成移民、输变电、枢纽工程的建设，蓄水到175 m，整个三峡工程竣工后进入全面运营状态（图2）。2020年库区湖北段城镇化率为44%左右，第二产业产值占比约为36%。虽然人口数量总体呈现下降的趋势，但近年来地区生产总值稳步增长，农业机械化水平逐年提高，农业人口逐年减少，城镇化水平不断提高。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究考虑到三峡工程建设时间节点，选择1995－2020年多期土地利用数据。该数据均来自中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn），1995、2000、2005、2010年 4期土地利用数据均是以各期Landsat TM/ETM 遥感影像为主要数据源，2015和2020年土地利用数据分别是在2010和2015年数据基础上，基于Landsat8遥感影像，通过人工目视解译生成分辨率为30 m的标准影像。数据经过人工检验，精度在85%以上，可满足本研究的需求。土地利用分类根据《土地利用现状分类》标准并参考研究区的实际情况将其分为耕地、林地、草地、水域、建设用地 5个1级类型以及16个2级类型（见表1）。数字高程模型（DEM）数据来源于地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）。

表1 土地利用分类体系Table 1 Land cover classification system

2.2 研究方法

2.2.1 InVEST模型

InVEST模型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）联合开发的用于生态系统服务功能评估与权衡的生态模型[14]。本文采用InVEST模型中的生境质量模块（habitat quality）定量评估三峡库区湖北段生境质量，模型以土地利用数据为基础，在综合考虑威胁因子影响距离和强度、不同生境类型对威胁因子的敏感程度等基础上进行生境质量估算，以此反映生态系统生物多样性状态及其能为物种提供生存繁衍条件的潜力水平。生境质量指数计算公式如下：

式中Qxj表示土地类型j中栅格x的生境质量；Hj表示土地利用类型j的生境适合度；Dxj表示土地类型j中栅格x的生境退化度；k表示半饱和常数，一般取Dxj最大值的一半；Z为归一化常数，为系统默认参数，通常取值2.5；R表示威胁因子个数；y表示威胁因子的栅格数；Y表示危险因子所占栅格；wr表示威胁因子的权重，取值0～1；ry表示栅格因子强度；irxy表示栅格y的威胁因子值ry对生境栅格x的威胁水平，可通过线性或非线性衰减求取；βx表示威胁因子对为栅格x的可达性水平，取值0～1，1表示极容易到达；Sjr表示生境类型j对威胁因子r的敏感程度，取值0～1，该值越接近1表示越敏感；dxy为栅格x与栅格y之间的直线距离，drmax为胁迫因子r的最大影响距离。

通常接近自然状态的复杂生态系统拥有较高生境适宜度，如森林、草原等生态系统；非自然系统的生境适宜度较低，如城镇用地、农村居民点等[15]。在参考InVEST模型用户手册的基础上，结合相关研究成果[16-21]，根据研究区的实际情况，将耕地、城镇用地、农村居民点、其他建设用地作为威胁因子，确定威胁因子的影响距离、权重，生境适宜性则根据不同土地利用类型对此区域生境质量的贡献大小进行赋值，具体参数见表2和表3。考虑到研究区以林地和草地为主，不同覆盖度的林地、草地相互转换会影响生境质量，因此本研究将林地和草地分类细化，以区分林地和草地发生退化或改善对生境质量的影响。

表2 威胁因子及其胁迫强度Table 2 Threat factors and their stress intensity

表3 不同土地利用类型的生境适宜度及敏感性Table 3 Habitat suitability and sensitivity of different land use type

2.2.2 地形位指数

地形位指数[22-23]是复合分析空间任意一点高程和坡度属性信息的指标，可综合反映出地形条件的空间分异。其计算公式为：

其中T为地形位指数，E及E0分别为空间内任一栅格的高程和平均高程（m），S及S0分别为空间任一栅格的坡度值和平均坡度值。一般地，高程低、坡度小的栅格地形位指数小，反之越大，高程较高但坡度较小或高程较小坡度较高的点，其地形位指数居中[24]。利用DEM数据，计算出地形位指数，本研究在ArcGIS中按照等间距分级法，将地形位指数由低到高分为5个等级。

2.2.3 分布指数

分布指数[25]可以反映地形条件对景观组分空间分布的影响，即在地形位梯度上不同景观组分出现的频率。当分布指数P=1时，表示某类生态风险等级在某地形位上的比重与研究区该类生态风险等级的比例相等；当P>1时，表明某类生态风险等级在该地形位上的比例大于该类生态风险等级在研究区的比例，因此将P>1的区间设定为优势地形位区间。其公式如下：

式中P为分布指数，Sie为第e种地形位下第i类生态风险等级的面积，km2；Si为整个研究区第i类生态风险等级的面积，km2；Se为整个研究区第e种地形位的总面积，S为研究区总面积，km2。

2.2.4 地理加权回归(GWR)

GWR是基于局部光滑思想提出的空间回归模型，既能有效估计具有空间自相关性的数据，也能反映参数在不同区域的空间异质性[26]，模型公式为：

式中yi为采样点i的因变量值；β0为截距，(ui,vi)为采样点的常数项；βk(ui,vi)为采样点的第k个自变量的系数，xik为采样点i的第k个自变量；εi为随机误差项。选择“自适应”和修正的阿凯克信息准则（AICc）进行GWR分析，GWR结果中，校正R2反映自变量的解释力，用于检验模型性能；条件数小于0，大于30时表明变量间存在局部多重共线性，模型运算结果不可靠[27]。

3 结果与分析

3.1 三峡库区湖北段土地利用时空变化分析

三峡库区湖北段主要土地利用类型为林地和耕地。2020年林地面积8 917.73 km2，占比79.2%，耕地面积1 391.19 km2，占比12.3%，两者之和占土地总面积的90%左右。其他用地类型为草地810.67 km2、水域146.21 km2、建设用地93.71 km2。其中城镇工矿等建设用地主要在地形位指数较低的夷陵城区、兴山县城、巴东县城及其周边乡镇、秭归县与夷陵区交界处的三峡大坝附近等（图2）。从三峡工程建设以来，该区域土地覆被受到不同程度的人类活动干扰。1995－2000年，三峡工程动工开建，建设用地面积小幅增加，部分林地被开垦为耕地，水域和草地面积略有减少。2000－2005年，三峡工程开始蓄水导致部分其他地类转变为水域，其中主要类型为林地（图3），该时期建设用地净减少率最大。2005－2010年，三峡工程全面建成开始运营，这一时期库区湖北段人口增加，第一产业产值减少，第二产业产值占比增加幅度较大，工程建设导致非农经济增长较快。

在宜昌市夷陵城区、兴山县城周边和巴东县南部清江下游的水布垭、三峡大坝工程所在的三斗坪等乡镇建设用地面积增加。同时伴随着退耕还林还草政策的实施，耕地面积大量减少。2010－2015年，三峡工程进入全面运营阶段，第二产业产值比重较为稳定，第三产业产值比重缓慢上升。与上一时段相比，由于退耕还林还草进入后期阶段，耕地面积持续减少但幅度降低，林地和草地面积略有下降，建设占用耕地和林地幅度有所增加。主要为省道国道的建设以及乡村道路改扩建等交通基础设施的增加，集中在巴东北部的长江上游附近以及夷陵城区东南方向。2015－2020年，水域和建设用地面积减少，耕地小幅度增加，主要由林草地转化而来，增加区域主要集中在兴山县南部。总体来说，近25 a来，随着三峡大坝的建成及库区经济发展，建设用地和水域大幅扩张；耕地面积小幅增加，主要由林地转化而来，林草地面积小幅减少。

3.2 三峡库区湖北段生境质量时空变化特征分析

运行InVEST模型的生境质量模块，得到三峡库区湖北段5期生境质量的空间分布图（图4）。

为便于对比分析，参考有关学者的研究[28-30]并结合研究区的特点，采用等间距分级法，将生境质量指数划分为4个区间：0～0.25，0.25～0.5，0.5～0.75，0.75～1，并据此将生境质量划分为低，较低，中和高 4个级别。从表4可以看出，三峡库区湖北段生境质量水平总体较高，生境质量处于高等级的土地面积达80%以上。

表4 三峡库区湖北段不同年份各等级生境质量面积Table 4 Area of habitat quality in Hubei section of the Three Gorges Reservoir Region in different years km2

由表4可知，1995－2000三峡工程一期移民期间，低等级生境质量保持稳定，高等级质量生境质量面积略有减少，较低等级生境质量面积减少了740.72 km2，中等级生境质量面积增加了901.42 km2。随着移民搬迁人口的减少，部分地区生境质量有所提高。2000－2005年三峡库区湖北段在水库蓄水期间，低等级和高等级生境质量面积基本不变。中等级生境质量面积减少了903.63 km2，较低等级生境质量面积增加了887.33 km2，说明部分地区由中等级生境质量退化为较低等级。生境质量退化主要发生在兴山县东部、巴东县南部、夷陵区的北部和东南部城镇化地区。2005－2015年，库区中等级生境质量面积较为稳定。变化主要表现为较低等级的生境向低或高等级的双向变化。较低等级减少了108.35 km2，但低和高等级生境质量面积分别增加了55.74、56.81 km2。生境质量退化的具体位置为三峡工程所在的三斗坪镇以及茅坪镇、巴东县南部、巴东县北部长江附近以及夷陵城区东南部地势平坦开阔、区位条件较好的区域。随着三峡大坝和人口迁移带来的二三产业的发展，建设占用耕地，而耕地占用林草地，较低等级生境质量生境退化为低等级。生境质量改善区域主要位于兴山县南部地区，由于退耕还林还草使少量较低生境质量区域转化为高生境质量区域。2015－2020年，中等级和低等级生境质量面积基本不变。在巴东县南部，少量林地转化为耕地导致高等级生境质量退化为较低等级。总的来说，近25 a，库区生境质量水平总体较高但略有退化，主要为少量高等级生境质量退化，低等级和较低等级生境质量的增加。

3.3 基于地形梯度的三峡库区湖北段生境质量时空变化

由图5可知，在低地形位（1,2级地形位）上呈优势分布的为低等级和较低等级生境质量，且低等级的生境质量在1级地形位上分布更占优势。在中高（3，4，5级）地形位上，呈优势分布的为中等级和高等级的生境质量。近 25 a，库区低等级和高等级生境质量在不同地形位上的分布基本稳定，较低和中等生境质量不同地形位上分布略有变化。1995－2000年，较低等级生境质量在低地形位上的优势增加，2000－2020年较低等级生境质量从低地形位逐渐向中高地形位蔓延，中等级生境质量在高地形位上的优势有所提高。

由于三峡库区开发建设活动和局部耕地开垦，低地形位的连片城镇化地区与工程建设区、中地形位零散分布的耕地开垦区的生境质量有所退化。具体而言，在三峡工程动工开建至一期移民结束，由于移民搬迁部分地区生境质量略有改善。而后随着三峡工程的持续建设和库区经济发展，人类活动逐渐由低地形位向高地形位蔓延。生境质量低和较低区域的面积增加并在中低地形位保持主导，较低等级生境质量逐渐向中高等级地形位蔓延，中等级生境质量在中低地形位上的面积缩减，高等级生境质量始终在高地形位上占据主导且相对稳定。

3.4 生境质量对土地利用变化的响应

为了识别土地利用变化与生境质量变化的空间响应模式，本研究根据三峡工程建设节点，选取 1995－2000（一期移民结束）、2000－2010（三峡工程建设阶段）、2010－2020（三峡工程投入运营）三个时间段，将三峡库区湖北段生境质量栅格数据和土地利用栅格数据划分成3 000 m×3 000 m的格网，以生境质量指数变化值为因变量，根据研究区土地利用变化情况选择耕地、林地和建设用地的面积变化量为解释变量，并通过了共线性检验，利用GWR模型对土地利用变化下生境质量的响应进行空间分析，相关参数的设置及结果见表5。1995－2000、2000－2010和2010－2020年数据的模型拟合优度均处于较高水平，说明GWR模型的拟合结果较优。

表5 GWR模型参数估计及检验结果Table 5 GWR model parameter estimation and test results

从图6可以看出，生境质量变化对不同地类变化的响应具有空间差异。生境质量变化与耕地面积变化主要呈负相关。1995－2000年，耕地变化与生境质量变化相关性最强的地区为中低地形位的夷陵区中部。该地区耕地增加主要由林草地转化而来，导致生境质量退化。2000－2010年，负相关性最强的地方在高地形位的兴山县北部、中地形位的巴东县南部野三关等乡镇、低地形位的巴东县城周边和三峡大坝附近，少量林草地开垦为耕地，生境质量退化明显。2010－2020年，耕地面积变化与生境质量变化负相关性强的区域与上一阶段大致相同，但这些区域生境质量由于退耕还林还草有所提高。

生境质量变化与建设用地变化在空间上主要呈现负相关。1995－2000年，建设用地变化与生境质量变化相关性较强的区域主要为兴山县大部分地区，该地区虽少数林草地转化为建设用地，但生境质量对建设用地变化敏感，生境质量退化较明显。2000－2010年，建设用地变化与生境质量变化强相关的区域为高地形位的兴山县北部、低地形位的巴东县城周边和三峡大坝附近，是工程建设及城镇扩张导致建设用地增加的主要区域。2010－2020年，巴东县南部野山关等乡镇、兴山县北部、巴东县城周边以及三峡大坝附近，建设用地持续扩张，生境质量退化明显。

生境质量变化与林地变化在空间上主要呈现正相关关系。1995－2000年相关性最高的地方为地形位高的兴山县大部分地区，该地区少量林地开垦为耕地，生境质量退化。2000－2010年相关性最高的区域为低地形位的兴山县南部、中高地形位的夷陵区北部和秭归县南部与巴东县交界处，退耕还林还草使得林地面积增加，生境质量提高。与上一阶段相比，2010－2020年相关性较强区域有所扩大，位于低地形位的巴东县北部、兴山县南部、夷陵区北部、秭归县南部与巴东县交界处，主要由于林地开垦为耕地，生境质量退化。从整体来看，建设用地和耕地扩张对生境质量的负向影响先增强后较为稳定，林地变化对生境质量的正向影响先减弱后较为稳定。

4 结论与讨论

本文采用InVEST模型，利用多期土地利用数据评估并分析从三峡工程开建以来，库区湖北段生境质量的时空演变特征及其地形梯度效应，利用GWR模型从空间上评价不同土地利用变化对生境质量的影响得到以下结论：

1）近25 a来，三峡库区湖北段土地利用类型的变化主要为耕地小幅增加，建设用地和水域大幅扩张，林草地小幅减少。其中，1995－2000年，随着三峡工程的启动，建设用地面积略有增加；2000－2005年，随着三峡工程蓄水活动，除水域之外的其他各类用地面积均减少；2005－2010年，随着工程建设带来的第二产业的发展和城镇扩张以及退耕还林还草政策的实施，耕地面积急剧减少，建设用地面积大幅度增加；2010－2015年三峡工程全面运营，公路等基础设施建设导致建设用地持续扩张，退耕还林政策进入后期耕地减少速度有所放缓；2015－2020年，部分林草地开垦为耕地，土地利用结构较为稳定。

2）三峡库区湖北段生境质量总体处于较高水平，高等级生境质量的土地面积一直 80%以上，但随着库区开发建设生境质量略有退化。生境质量的高低大致与地形位呈正相关，其退化主要分布在低地形位。总体来说，低地形位地区生境质量退化程度较大，中地形位地区生境质略有退化，高地形位地区生境质量基本稳定。

3）地理加权回归模型显示，林地面积的变化与生境质量的变化主要呈正相关，耕地和建设用地面积与生境质量的变化主要呈负相关，但各地类的回归系数在空间上存在较大的异质性。生境质量变化对林地变化响应较显著的地区为兴山县南部、夷陵区北部、秭归县南部与巴东县交界处；生境质量变化对耕地变化响应较显著的地区为兴山县北部、巴东县南部野三关镇以南等乡镇、巴东县城周边、三峡大坝附近；生境质量变化对建设用地变化响应较显著的地区为兴山县北部、巴东县城周边、三峡大坝附近。

三峡工程的建设对库区的地质、气候、经济等方面产生了影响，也改变着库区的土地利用结构，对当地生态环境造成了重要的影响。通过研究发现三峡库区湖北段生态环境脆弱，但由于注重生态环境的保护，退耕还林等政策得到了有效的实施，林草地生态屏障总体处于较为稳定的状态。但低地形位上生境质量退化程度较大，因此要特别关注低地形位生境质量敏感区域的土地用变化。同时根据三峡库区生境质量在不同地形位对土地利用变化响应特征，在巴东县南部野三关等乡镇地区应适度控制耕地开垦活动，保护林草地等生态用地，优化土地生态功能；在兴山县北部、巴东县城周边以及三峡大坝附近应限制建设用地扩张和耕地开垦；在兴山县南部、夷陵区北部、秭归县南部与巴东交界处应加强对林草地的保护，以维持生态环境的稳定。未来应在库区独特地理环境下土地利用与生境质量定量关系、局部生境退化的内在机制研究等方面进一步深化。