泰安市景观格局和生境质量时空演变及其关联分析

贾艳艳，于东明，王明杰，刘 兵，马 琳

(1.山东农业大学 林学院，山东 泰安 271018；2.山东农业大学 公共管理学院，山东 泰安 271018)

生境质量又称栖息地质量，是指在一定时空范围内生态系统提供给个体和种群持续发展的能力，是生态系统服务功能的基础和生物多样性的重要影响因素[1]。景观格局是指景观的空间结构特征，包括景观组成单元的类型、数量、空间分布与配置，是诸多自然和人为因素在不同时空尺度上作用的最终结果[2-3]。景观格局变化特征影响生物多样性的过程和生态系统服务功能分布[3]，在城镇化建设进程中，土地开发利用的程度与方式以及密集的人口导致景观格局变化，打破了原有生境格局，使生境退化[4]。

近年来，随着城市化发展，景观格局/土地利用变化对区域生境质量的影响备受关注。InVEST模型中的生境质量模块(habiat quality model)是当前较成熟且应用广泛的生态系统服务评估模型[5-7]。N.K.Bhagabati等[8]利用InVEST模型评估了印度尼西亚Sumatra地区老虎栖息地的生境质量；X.Y.Sun等[1]利用InVEST模型分析了南四湖流域生境质量变化及影响因素；李方正等[9]利用InVEST模型评估了北京中心城土地利用变化对生境质量的影响。目前，也有学者围绕生境质量与景观格局的相关性开展研究：朱杰等[5]利用InVEST模型和灰色关联度分析青海省河湟谷地生境质量演变及其与景观指数的关联性；黄木易等[10]基于InVEST模型、相关性分析等方法揭示了皖西大别山生境质量、景观格局演变特征及两者相关性；王耕等[11]利用InVEST模型和景观指数等方法，揭示了老铁山自然保护区人类干扰强度对生境质量的影响及其相关性。

泰安市北依泉城济南，南临孔子故里曲阜，西濒黄河，是“山—水—圣人”黄金旅游带的关键衔接区和典型的风景旅游历史文化名城，随着社会经济的发展，城镇扩张、人口增加、人类干扰加剧等引发的生态系统服务衰退、生物多样性减少、生境退化等生态安全问题已引起学者关注。目前，已有研究主要包括泰安土地利用变化与生态系统服务[12]、泰山森林生态系统服务功能评估[13]、泰山区域生态网络构建[14]等，而关于泰安市生境质量的研究相对较少，基于此本研究以2000-2018年的土地利用数据为基础，采用景观指数、InVEST模型和灰色关联分析等方法，揭示泰安市景观格局、生境质量时空演变特征及其关联性，对泰安市景观格局优化、生态系统服务管控和生态环境保护具有重要意义。

1 研究区概况

泰安市位于山东省中部，地处116°20′-117°59′E，35°38′-36°28′N，辖泰山区、岱岳区、新泰市、肥城市、宁阳县和东平县，总面积7 762 km2，由于缺少部分西部数据，本研究区面积7 745.72 km2(图1)。2018年，泰安市年末常住人口为564万人，地区生产总值为3 651.53亿元。属暖温带大陆性半湿润季风气候区，年平均气温12.9 ℃，年平均降水量727.9 mm，降水集中于6-9月，平均无霜期195 d[12]。全市地形自东北向西南倾斜，山地、丘陵、平原、湖泊皆备，地貌类型多样。分属黄河、淮河两大流域，地理位置优越，区域生态地位突出，动植物、矿产资源多样，具有丰富的生态本底资源，泰安市现有高等植物239科1 212种，动物4纲385种，浮游生物35科136种。境内的泰山是首批国家重点风景名胜区，是世界自然与文化双遗产，东平湖自然保护区和各类自然公园(徂徕山森林公园、腊山森林公园、莲花山森林公园、汶河湿地公园)均是重要的自然保护地，对维持区域生态环境和生物多样性保护具有重要意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

基础数据为2000、2010年和2018年泰安市土地利用/覆被栅格数据，空间分辨率为30 m，来源于中国科学院资源环境科学数据中心网站(http://www.resdc.cn)。DEM数据空间分辨率为30 m，来源于地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)。根据《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017)和研究目的将研究区景观类型分为耕地(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、工矿交通用地)和裸地(沙地、裸土地、裸岩石质地)6个一级类型和20个二级类型。社会经济和人口数据来自2001-2019年《泰安市统计年鉴》、泰安市人民政府及泰安市资源和规划局官网。

2.2 研究方法

2.2.1 景观动态变化计算 景观动态度能够反映一定时段内景观类型变化的剧烈程度和趋势；景观转移矩阵能够全面反映景观类型数量和方向等变化的细节结构特征[15]。为充分反映近年来泰安市景观类型变化的速度和转换情况，引入单一景观动态度和景观转移矩阵，具体计算公式见文献[15]。

2.2.2 景观格局指数 景观指数能够反映景观结构特征和空间格局的变化[2,15-16]。在景观水平上选取斑块密度(PD)、平均斑块面积(MPS)、最大斑块指数(LPI)、景观边缘密度(ED)、景观形状指数(LSI)、面积加权平均斑块分维数(AWMPFD)、蔓延度指数(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHDI)。借助Fragstats 4.2软件从整体上分析泰安市景观的破碎度、形状复杂化和多样性等特征，具体计算公式见文献[2]。

2.2.3 生境质量评估 运用InVEST模型对泰安市2000-2018年生境质量进行分析。InVEST模型假定生境质量是0～1的连续变量，值越接近1，生境质量越好，反之，生境质量越差，基于土地利用/覆被数据，根据不同用地类型的敏感度和不同威胁源位置、强度、最大影响距离计算生境质量、生境退化度[11,17]。生境质量计算公式为：

(1)

(2)

irxy=1-(dxy/drmax)(线性衰退)

(3)

irxy=exp(-2.99dxy/drmax)(指数衰退)

(4)

式中：Qxj为景观类型j中栅格x的生境质量；Hj为第j类景观的生境适宜度；Dxj为第j类景观中栅格x的生境退化程度；k为半饱和常数，默认值为0.5；z为归一化参数，默认为2.5；R为威胁因子个数；wr为威胁因子权重；Yr为威胁因子的栅格总个数；ry为每个栅格上的威胁因子个数；Sjr为第j类景观类型对威胁因子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)的距离；drmax为威胁因子r的影响范围；βx为栅格x的可达性水平，值越接近1，可达性越强[5,9,11]。

InVEST模型中威胁因子的设定主要考虑景观类型对生境的干扰程度，用地强度越大，生境质量越低，对区域生物多样性的威胁越大，裸地生态环境较差，对周边地区的生态环境存在一定程度的负面影响[5,11]。因此，本研究将耕地、城镇用地、农村居民点、工矿交通用地和裸地设定为威胁因子，并参考模型推荐值[18]、相关研究成果[1]和泰安市实地情况，对上述威胁因子和生境敏感性的参数进行赋值(表1、表2)。

表1 威胁因子的最大影响距离、权重及其衰退类型

表2 不同景观类型的生境适宜度及对威胁因子的敏感度

2.2.4 空间自相关与热点分析 泰安市乡级行政区的平均面积为88.20 km2，为了在更小单元尺度上揭示泰安市生境质量的空间集聚及分布特征，本研究在GIS中利用网格法进行2 km×2 km的空间采样，共形成2 143个网格，分别提取对应网格单元的生境质量指数，利用GIS中的Global Moran’s I指数和Hot Spot Analysis进行空间自相关和热点分析。其中，Moran’s I指数值为[-1,1]，负值表示负相关，正值表示正相关，绝对数值大小反映相关性的强弱程度；热点分析能反映变量在空间上的冷热点区域。具体计算公式及说明详见文献[19]。

2.2.5 灰色关联模型 灰色关联分析的基本思想是根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密，该方法在不确定信息的基础上，能有效度量关联程度，掌握事物的主要特征[20-21]。借助灰色关联模型揭示泰安市不同时期生境质量与景观格局指数的相关性。根据模型及相关研究[5]，标记生境质量指数为参考序列，景观指数为比较序列，为避免各要素间的量纲差异对结果准确性的影响，需要对数列进行无量纲化处理，本研究采用初值化去量纲法(即每一序列的数据除以该序列的第1个数据)。其计算公式及说明见文献[5,20-21]。

3 结果与分析

3.1 景观格局特征分析

3.1.1 景观类型结构变化特征 2000-2018年，耕地是研究区的优势景观，3个时期占比均在63%以上，其次是建设用地；耕地、林地、草地和裸地不断减少，建设用地和湿地逐渐增加，其中建设用地的增长率达41.81%(表3)。由表3、表4可知，2000-2010年，耕地减少176.15 km2，主要流向建设用地和湿地，泰山区域建设用地由泰山山麓向山顶方向蔓延，导致植被退化；林地和草地的动态度分别为-0.78%和-2.38%，分别减少47.61 km2和154.13 km2，主要转为耕地和建设用地；湿地以2.02%的速度增加69.84 km2，主要来源于耕地，但仍有4.12%和1.62%的湿地分别流向耕地和建设用地；建设用地的动态度最大，达3.39%，增加310.23 km2，主要来源于耕地、草地和林地。相较上一时段，2010-2018年各景观类型的动态度和转出量均显著减小。耕地动态度为-0.22%，减少90.04 km2，仍主要流向建设用地和湿地；建设用地、湿地分别以0.73%、0.64%的速度增加71.43、21.21 km2；林地、草地和裸地变化不明显。

表3 2000-2018年泰安市各景观类型占比及动态度

表4 泰安市景观类型转移矩阵/km2

从总体上看，2000-2018年泰安市景观类型变化程度最剧烈的是建设用地，以2.32%的速度增加了381.66 km2，主要侵占耕地，变化集中分布在泰山区、岱岳区、肥城市城区、新泰市主城区、东平县和宁阳县的城区，原因在于社会经济发展、人口增加、城镇化扩张等，根据《泰安市统计年鉴(2019)》2000-2018年泰安市年末总人口增长率为5.96%，2018年的地区生产总值是2000年的9.62倍。湿地以1.46%的速度增加了91.05 km2，集中分布在东平县东平湖区域。泰安市各景观类型间的转换以耕地转为建设用地与湿地、林地和草地分别转为耕地与建设用地为主要变化方向。

3.1.2 景观指数变化特征 研究区整体景观指数分析表明(表5)，2000-2018年，NP减少率为4.72%，MPS增长率为4.95%；主要原因在于林地、草地和湿地的NP大量减少(共减少544个)，远大于耕地和建设用地增加的NP(共增加273个)，从而导致研究区整体的MPS有所增加，但耕地的MPS不断减少，景观破碎度增强；LPI由30.41%下降为20.41%，减少率达32.91%，说明研究区优势景观在不断弱化，整体破碎化逐渐增强。ED整体减少率为1.29%；AWMPFD由1.26持续减少为1.24，表明研究区受城镇化建设等人类干扰不断增强，景观形状趋于简单化、规则化。CONTAG持续减少，减少率为1.87%，表明研究区整体景观的连通性不断减弱。SHDI和SHEI持续增加，增长率分别为4.26%和4.27%，表明近18 a泰安市景观多样性不断增强并且各斑块类型趋于均匀分布，优势景观类型对整体景观的主导力逐渐下降，这与最大斑块指数的结果相一致，原因在于耕地、林地、草地面积减少而湿地、建设用地面积增加，使各景观类型面积占比之间的差异缩小。

表5 研究区景观水平景观格局指数

3.2 生境质量时空演变特征

3.2.1 生境质量结构变化特征 2000-2018年泰安市生境质量的空间分布情况如图2所示，结合研究区实际情况，将生境质量划分为[0,0.1]、(0.1,0.2]、(0.2,0.5]、(0.5,1]4个取值区间，分别定义为一般、中等、良好、优等4个生境质量等级，并统计各等级的面积占比、动态度及生境质量指数平均值(表6)。

泰安市生境质量整体处于中等以上水平，生境质量为中等、良好和优等的面积达82.5%以上，主要是因为研究区耕地面积广阔，森林植被和湿地等自然生境面积较大，同时泰安市作为中国优秀旅游城市、国家园林城市和国家历史文化名城，重视生态环境的保护与建设。2000-2018年，一般生境增加379.27 km2，增长率达40.39%，其中前10 a的动态度为3.28%，后8 a动态度为0.71%，相较前一时段有明显减缓趋势；一般生境主要由中等转化而来，结合前文可知，近18 a建设用地增长率为41.81%，主要是侵占耕地，原因在于这一时段是泰安市城区大力扩张和建设时期，导致建设用地大量增加，随之对周边生境质量产生的威胁也相应增加。中等生境持续减少，由67.10%减为63.69%，主要转化为一般和优等生境。良好生境呈先减后增的总体减少趋势，减少率为32.66%，其中2000-2010年以3.35%的速度减少176.88 km2，主要分布于新泰市，由良好生境退化为中等，原因在于该时段有133.36 km2的草地转化为耕地，使生境适宜度相对较高的景观类型面积缩减。优等生境持续增加，近18 a以0.29%的速度增加57.25 km2，主要由于“退耕还湖”政策使东平湖周边区域的耕地逐渐转变为湿地，生境质量显著提升。2000、2010年和2018年泰安市中等、良好和优等生境三者之和的占比分别为87.88%、83.90%和82.98%，生境质量指数平均值分别为0.249 0、0.241 5和0.243 0(表6)，进一步表明研究区生境质量虽局部得到明显改善，但整体有衰退趋势。

表6 2000-2018年泰安市不同等级生境质量面积占比及动态度

空间上，2000-2018年泰安市生境质量的分布与景观类型分布状况基本吻合，具有显著的空间异质性，呈现以湿地、林地和草地景观为主的生态源地区域生境质量高，而建设用地、耕地集中分布区生境质量较低的总体特征。一般生境主要分布于各区县的建成区和工矿开采区，其中泰山区、岱岳区和新泰市的一般等级生境分布较广(图2)，原因在于该区域经济相对发达、人口密度大、城镇扩张力度大，城镇建设和矿产资源开采破坏了地表植被，使生境退化；2000-2010年，各区县的一般生境显著增加，以岱岳区尤为突出，结合前文可知在该时段岱岳区建设用地急剧增加。良好和优等生境质量主要分布在泰山、徂徕山、东平湖区域和大汶河沿岸，因为泰山和徂徕山森林植被覆盖面积大、野生动植物资源丰富、天然水系(泉源和溪流)较多、生物多样性丰富；东平湖和大汶河区域的原生湿地面积广阔，河湖、库塘、滩地、沼泽等湿地景观类型多样，自然资源丰富，生态环境整体较好，生境质量较高。

为更直观地反映泰安市生境质量时空变化特征，利用ArcGIS的Raster Calculator功能得到2000-2018年生境质量变化结果，并利用自然断点法划分为变差、基本不变、变好3个等级(图2)。由图2可知，近18 a泰安市生境质量变化程度具有地域差异性，东平湖湿地东南区域生境质量明显变好，主要得益于为构筑南水北调生态屏障，山东省大力实施“退渔还湖”“退耕还湿”“退养还滩”工程和生态补偿政策，使大量湖边耕地恢复为湿地；此外，汶河国家湿地公园建设和《关于进一步加强湿地保护管理工作的意见》要求努力构建山东“一环、两湖(南四湖和东平湖)、三带、四区、五点”的湿地保护管理格局，上述政策和措施均对泰安市湿地生态系统保护起到积极作用。泰山区的中部与西南部、岱岳区与泰山区西部接壤区、新泰市西南与中东部、肥城市北部和东平县中部生境质量变差；结合社会经济要素来看，前10 a泰安市生产总值年平均增长率为44.60%，后8 a平均增长率为9.53%，其中2010-2018年泰山区和岱岳区的GDP年增长率分别为12.26%和13%；2000-2018年泰山区和岱岳区常住人口增长率分别为20.17%和6.68%，经济发展、人口集聚对景观格局影响剧烈，使生境威胁度加大。

3.2.2 生境质量空间自相关及热点分析 研究表明，泰安市生境质量呈现明显的集聚分布特征(图3)。2000、2010年和2018年泰安市生境质量的全局Moran’sI指数分别为0.601 1、0.607 5和0.610 7，表现出显著的空间集聚特征，且Moran’sI指数不断增长，表明生境质量的空间集聚有进一步集中的趋势。

热点分析能反映变量在空间上的冷热点区域。时间上，2000年冷点区的面积占比为3.15%，而2018年增至为5.58%，反映了各区县城镇扩张、景观格局变化产生的生境胁迫效应对周边区域生态的负面影响范围在扩大；热点区除东平湖区域集聚范围增加外，其他区域变化不明显，反映了泰安市生境质量高值区稳中增长，生境维持较好。空间上，泰安市生境质量具有明显的空间冷热点分布特征。冷点区集中在泰安市市区以及肥城市、新泰市、宁阳县、东平县的主城区区域，原因在于该区域人口、产业密集，城镇化建设力度大，人类活动对生态环境干扰强度大，使得该区域低生境集聚；热点区集中在泰山、徂徕山、莲花山、东平湖等林草、湿地生态系统集中分布的区域。

3.3 景观格局与生境质量灰色关联分析

通过泰安市生境质量指数与典型景观类型面积、景观指数的时间序列构建灰色关联模型，定量揭示景观格局变化对生境质量的影响(图4)。在景观层面，生境质量指数与各景观指数具有较强的关联度(平均关联度均大于0.50)，关联度由大到小依次为：蔓延度指数、边缘密度、耕地面积、面积加权平均斑块分维数、斑块数、林地面积、香农多样性指数、香农均匀度指数、平均斑块面积、最大斑块指数、草地面积、湿地面积、建设用地面积。

蔓延度指数、边缘密度、面积加权平均斑块分维数和斑块数均反映景观的破碎度，其与生境质量的关联度均在0.95以上，表明区域景观破碎度对生境影响较大。生境质量水平与耕地面积的关联度为0.958 3，关联性较强，泰安市生境质量平均值在0.24～0.25，主要原因在于研究区以农业为主，耕地分布广，耕地占比在63%以上，而耕地生境适宜度相对较低，广泛的农业活动降低了生境质量水平。研究区建设用地增加量的90%来源于耕地的转化，对林地、草地、湿地等生境适宜度较高的生态源地破坏程度相对较低，因此生境质量指数与建设用地面积的关联度为0.57，也体现了泰安市近18 a虽然建设力度比较大，但林地、草地、湿地等生态源地得到了一定保护。上述分析表明，生境质量与各景观指数存在较强相关性，应加强高生境适宜度景观类型的系统性、整体性、连通性保护与建设，防止景观破碎化。

4 结论与讨论

4.1 结论

2000-2018年，泰安市耕地、林地、草地不断减少，建设用地和湿地逐渐增加；以耕地流向建设用地和湿地、林地与草地流向耕地和建设用地为主要转换方向；泰安市景观格局总体向破碎化、复杂化与异质化方向演变。

2000-2018年，泰安市生境质量整体上处于中等以上水平，但中等、良好和优等生境三者占比之和不断减少，由87.88%降为82.98%，生境质量虽局部得到改善但总体有衰退趋势；空间分布上具有显著异质性，与景观类型的分布状况基本吻合，热点分析表明生境质量较高的热点区主要集中在以湿地、林地和草地生态系统为主的区域，生境质量较低的冷点区集中于各区县的主城区及其外围。

泰安市生境质量水平与蔓延度指数、边缘密度、面积加权平均斑块分维数、斑块数、耕地面积、林地面积、平均斑块面积、香农多样性指数等景观指数具有较强的关联性，应加强景观连通性保护，防止景观破碎化。

4.2 讨论

景观类型的分布格局一定程度上决定了生境质量的空间差异，景观格局变化是生境质量变化的重要因素[4-5]。研究区一般和中等生境变化的动态度分别与建设用地、耕地变化的动态度基本一致，因为一般等级生境主要是建设用地分布区，中等生境主要是耕地分布区。此外，灰色关联分析也表明生境质量与景观格局指数存在较强关联性。生境质量低值区集中于城镇及其边缘区域，因为这些区域致力于经济发展和城镇建设，人类活动干扰强度大，景观破碎化程度大；泰山和徂徕山区域生境质量较高，因为该区域森林植被覆盖度高，生物多样性丰富，东平湖和大汶河沿岸以水体湿地为主，生境质量得分较高。近18 a受社会经济发展与人类活动影响，生境质量的等级类型、面积与空间分布形态变化在泰山、徂徕山、东平湖区域也呈现显著差异性。徂徕山位于徂徕镇，相较于泰山区其经济实力相对薄弱，开发建设力度较小，对生境干扰也相对较低，因此在徂徕山区域优等生境的外围分布有面积相当的良好生境区，而泰山区域由于“山城一体”，人类活动干扰强度大，表现为泰山区域优等生境外围缺少良好生境过渡区；关于东平湖区域，湖岸东侧靠近东平县主城区，相较西侧区域东侧开发建设强度大，在生境等级上体现为东侧湖岸以一般等级为主，而西侧以良好等级生境为主。

生境质量是生态系统服务水平的重要表征，是区域生态安全保障和人类福祉改善的关键[11,22]。开展泰安市生境质量时空分布及景观格局与其关联性研究对制定切实可行的保护措施和为区域生态系统服务提升具有一定指导意义。整体上，研究区呈泰山、徂徕山、莲花山、东平湖和大汶河等“三山、一湖、一河”区域生境质量较高的空间分布格局，这与泰安市分布着各类自然保护地紧密相关，也表明泰安市生态本底资源比较丰富。在生态文明建设大背景下，泰安市应秉持“山水林田湖草生命共同体”理念以泰山区域“山水林田湖草”生态保护修复试点工程为契机，必须加强生态源地的保护，加强生态廊道建设促进景观连通性，加强水域岸线管理，防止滨河、滨湖湿地缓冲带萎缩；针对生境质量较低的主城区，应严格管控建设用地无序扩张并加强街头绿地、公园、绿道等城市绿色空间建设，以改善退化生境。

本研究还存在一些不足，InVEST模型对威胁因子最大影响距离、不同生境类型对威胁因子敏感度以及生境适宜度等重要参数比较敏感，然而上述参数的设置主要参考模型指导手册和相关研究，故存在一定主观性；在灰色关联分析计算过程中，数据无量纲化处理方式会对关联度值产生一定影响，如何选取最优处理方式及其对结果的影响还有待进一步研究。