基于土地利用变化的曲靖麒麟区生境质量时空演变

滕双骄,区 智

(西南林业大学 园林园艺学院，云南 昆明 650224)

1 引言

当前，随着多项国际项目将土地利用/覆被变化(LUCC) 作为全球变化的核心研究问题后，关于土地利用与生境质量相关方面的研究逐渐受到国内外学者的广泛关注。通常认为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[1]，如对气候变化、全球陆海相互作用、生态系统地球物理化学循环过程等产生重要影响[2～4]。随着人口增加、经济增长、社会发展，土地利用及其结构不断变化，而这一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．因此，生境质量高低依赖于其自身与人类土地利用之间的邻接度及土地利用的强度，随着周边土地利用强度的增大，生境质量也随之衰退[5，6]。深入探讨土地利用与生态过程的关系对分析区域生态环境乃至全球环境的变化具有重要的意义[7]。InVEST模型因为数据获取容易，体系构建相对完善、分析准确、操作简单[8～10]的特点而被广泛应用于生境质量评估中。因此，本文结合InVEST模型对城市生境质量时空演变进行分析，为土地资源可持续利用和区域生态安全格局构建提供建议。

国内外学者关于生境质量的评估研究主要有两种：①通过大量野外实地验证调查获取相关参数，并构建相应的评价模型评估区域生境质量[11]，该方法由于数据获取困难，可操作性差而未被推广，较适合小尺度区域；②借助各种生态模型对生境质量进行定量评估，如HIS模型[12]、InVEST[13]模型、GUMBO 模型、MAXENT模型、SolVES[14～17]模型、ARIES 模型[18]等。其中，从研究内容来看，目前的研究主要有两个方面：研究野生动植物活动区的生境质量或人类活动对其生境质量的影响[19～21]，二是某区域的整体生境质量评估[22]及其地形梯度效应[23,24]、生境质量时空演化及预测[25～27]等，基于土地利用时空变化对生境质量分析较少。因此，本文基于GIS技术和InVEST模型将云南省麒麟区生境质量变化进行定量分析，并将结果可视化。

2 研究区概况

麒麟区位于云南省东部，滇东高原中部，南盘江上游，东经103°29′～104°14′，北纬25°07′～26°06′之间。辖国土面积1552.84 km2。 地势呈东西高，南北低，山地、河谷、丘陵，相互交错。城区海拔1875 m。麒麟区属北亚热带季风气候。夏无酷暑，冬无严寒，干湿季节分明。年平均气温14.5 ℃，平均降雨量1008 mm，平均日照2096 h，平均风速2.7 m/s。

3 数据准备与研究方法

3.1 数据准备

数据来源包括：①遥感影像数据：分辨率为30 m的Landsat-TM遥感影像(2000年、2010年)、Landsat-OLI遥感影像(2020年)3期影像数据，来源于美国地质勘查局网站(http://www.usgu.gov/);②土地利用数据：分辨率为30 m曲靖市麒麟区2000年、2010年、2020年土地利用遥感监测数据，来源于中国科学资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn/)。

3.2 研究方法

3.2.1 土地利用特征

使用ArcGIS分析土地利用变化情况，利用土地利用变化图和土地利用转移矩阵分析2000～2020年曲靖市麒麟区不同的土地利用类型的时间空间变化和来源与构成。其次利用Fragstats从空间构型上进一步分析土地利用的特征及演变，从斑块的景观水平和类型上选取斑块密度、边缘密度、聚集度、香农多样性、连通性指数进行评价。各指数计算方法和生态学意义可参阅文献[28～30]。

3.2.2 生境质量评估模型

生境质量是指自然环境为个体或种群提供适宜生存条件的能力[31]，取决于生境对人类土地利用和土地利用强度的可接近性[32]。运用InVEST3.11.0模型生境质量模块(Habitat Quality Model),In VEST模型是由斯坦福大学(Stanford University)开发, 大自然保护协会(The Nature Conservancy)和世界自然基金会(World Wide Fund for Nature)联合支持的生态系统服务功能评估模型, 能辅助自然资源管理决策.在其生境质量子模块中, 假定生境质量受制于反映人类活动强度的土地利用方式, 生境的范围缩减或质量下降可能带来区域土地利用生态效应的恶化。

(1)

式(1)中：Qxj为生境类型j中x栅格的生境质量指数；Dxj为生境类型 中栅格x所受胁迫水平；k为半饱和系数，一般设置为生境退化程度最大值的 1/2，z为模型默认参数，值为 2.5；Hj为生境类型j的生境适宜度，取值在0～1之间；生境质量值在0～1之间，值越高生境质量越好[33]。

生境退化度计算公式[34]：

(2)

建设用地，耕地是人为活动较为频繁的土地利用类型，其易对生境质量造成的威胁，而裸地环境条件恶劣，对生境质量也有一定程度的影响。因此本文将建设用地、耕地、裸地设为生态环境的胁迫因子，参考已有的相关研究以及区域的实际特征[35]，进行威胁因子的敏感性、各个威胁因子的权重和最大影响距离的参数设置。耕地、建设用地和裸地的最大影响距离分别设置为5、12和3，设置权重分别为0.4、1和0.2，设置空间衰竭类型分别为线性类型、指数类型和指数类型；土地类型对威胁因子的敏感性具体参数设置如表1所示。为了深入了解曲靖市麒麟区的生境质量变化，将生境质量按照低(0～0.3)、较低(0.3～0.5)、中等(0.5～0.7)、较高(0.7～0.9)和高(0.9～1)划分为5 个等级。

表1 土地类型对威胁因子的敏感性

4 结果与分析

4.1 土地利用状况分析

4.1.1 土地利用类型变化

根据麒麟区2000～2020年不同土地利用变化情况(表2)可以看出：耕地、林地为研究区的主要地类，构成了景观基质；建设用地剧烈扩张。2000～2020年研究区经历了强烈的LUCC过程：林地面积减少18932 hm2,减幅最大，为12.28%；草地减少965 hm2,减幅为0.63%。耕地、建设用地、水体均有不同程度的增加；其中耕地剧烈扩张，增加14759 hm2，增幅高达9.57%；建设用地也有较多的增长，转入4786 hm2，增幅为3.10%，且在2010～2020年扩张尤为明显；水体转入352 hm2，增幅达0.23%。因此，建设用地和耕地急剧扩张，林地资源快速减少是该时期曲靖市麒麟区土地利用变化的一大特点。

表2 2000～2020年麒麟区土地利用变化 hm2

为全面了解麒麟区土地利用变化的结构特征与各地类变化方向[35]，构建土地利用转移矩阵(表3)。2000～2020年，研究区耕地中有83.47%较为稳定，未发生地类的转换，减少的耕地主要转出为建设用地和林地，分别占比5.81%和7.65%，并有2.78%和0.30%转为草地和水体。林地也保留较多(75.12%)，减少的林地主要转出为耕地，所占比例为20.84%，并有2.14%、1.57%和0.33%分别转出为草地和建设用地和水体，说明耕地的侵占为林地减少的主要原因。草地中有12.34%保持稳定，有51.61%和24.67%转出为耕地和林地，并有6.94%转为建设用地，4.44%成为新增水体的主要来源，表明该地进行生态建设时存在着可能导致生境质量退化的毁草开荒行为。水体主要转出类型为耕地，占比36.15%，此外有17.68%和13.36%分别转出为建设用地和林地。建设用地呈现明显扩张的趋势，但仍有4.97%转出为耕地。因此，林地、草地、水体转为耕地、耕地转出为建设用地是2000～2020年曲靖市麒麟区主要的土地利用变化类型。

表3 2000～2020年曲靖市麒麟区土地利用转移矩阵 %

4.1.2 景观和空间构型

由2000～2020年麒麟区景观水平指数(表4)分析发现，研究区2000～2020年景观斑块整体上趋于整体化。斑块密度总体上呈现下降趋势；景观形状指数逐渐降低，景观形状趋于简单化；连通度指数降低，各景观之间的连通性减小，斑块空间分布趋于零散；香农多样性指数增大，各景观结构异质性减弱，有均衡化的趋势。2000年，林地在各景观组分中所占比例最大，约为62.82%，构成景观基质。耕地面积占比32.60%，也是重要的景观组成部分。2020年，建设用地的扩张加之林地的减少和耕地的增加，各景观组分所占面积差异变小，是多样性指数的逐年增加的主要原因。

表4 2000～2020年曲靖市麒麟区景观水平指数

由2000～2020年麒麟区类型水平景观指数(表5)发现，耕地在2000～2020年斑块密度增加，边缘密度先增后减，整体上减少，边界形状简单化，斑块聚集度整体上增加，呈空间整体化发展；草地斑块密度减少，边缘密度先增后减，整体上呈减少，边界形状简单化，斑块聚集度增加，呈现空间整体化趋势；林地斑块密度整体上增加，边缘密度减少，边界形状简单化，斑块聚集度整体上减少，呈空间破碎化趋势；水体斑块密度减少，边缘密度整体上减少，边界形状简单化，斑块聚集度增加，呈现空间整体化趋势；建设用地斑块数目增多，边缘密度增加，边界形状复杂化，斑块聚集度先增后减，整体上减小，斑块破碎化程度高。

表5 2000～2020年曲靖市麒麟区类型水平景观指数

4.2 生境质量变化

4.2.1 生境质量时空变化

生境质量值越接近于1，说明区域生态环境受威胁因子的影响越小，生境质量越好。由2000～2020年曲靖市麒麟区生境质量变化(表6)可看出，曲靖市麒麟区生境质量水平总体较低。研究区生境质量低等级和较低等级占比最大，中等和较高等级占比较小，高等级占比最小。2000～2020年研究区生境质量整体上降低：高、较高和中等等级区域面积呈现明显减少趋势，低等级区域面积呈明显增长，研究区整体生境质量呈降低趋势。生境质量随着建设用地和耕地的扩张降低的较为明显趋势，生境质量的降低受人类活动的影响较大。

表6 2000～2020年曲靖市麒麟区生境质量变化

4.2.2 生境退化度时空变化

生境退化指数越高表示威胁因子对生境质量的潜在破坏程度越高，发生生境质量降低的概率越大。2000、2010和2020年研究区平均生境退化指数分别

为0.07、0.13和0.15。由表7可知，2000～2020年曲靖市麒麟区生境退化指数逐年升高，生境质量下降的概率有所增加：生境退化指数在0～0.07,0.07～0.09范围内的区域面积逐年减小，在0.09～0.15范围内的区域面积逐年增加。并且，曲靖市麒麟区生境退化度总体表现为由中部向四周“低—高—低”的空间分布，中部地区生境退化的概率越来越高，且逐渐向四周发展，究其原因主要有以下2个方面：①中部地区耕地分布集中，来自人类活动的干扰较多，随着建设用地和耕地向中部地区的扩张，生境质量下降概率较大，也反映出生境质量易收到人类工业和农业的影响，人类聚集区和工业活动频繁的地区对动植物栖息地质量有一定的影响；②生境退化度指数随着城市建设用地和农村耕地扩张不断增大，中部生境退化区域在空间上呈现扩张趋势，表明生境退化度受土地利用类型变化的影响明显。

表7 2000～2020年曲靖市麒麟区生境退化指数变化

5 结论与讨论

(1)2000～2020年期间，麒麟区土地利用变化较为显著。时间变化特征表现为建设用地的扩张，耕地面积的增加，林地、草地面积的减少；各地类的转换以草地转为耕地最为突出，其次为林地转为草地；耕地侵占林地草地实现扩张的情况也较为明显。空间构型变化上呈现景观结构异质性减弱的趋势，且除建设用地外，各地类空间分布趋于整体化。

(2)2000～2020年麒麟区生境质量呈现下降趋势，自然生境面积不断减少。研究区生境质量以低和较低等级为主；高等级多位于林地、草地，低和较低等级主要位于建设用地和耕地；且生境质量高、较高以及中等等级地区面积不段减少，低和较低等级面积不断增加。

(3)2000～2020年间麒麟区发生生境退化的概率不断增大。2000～2020年期间，研究区的生境退化指数不断增大，生境退化概率逐年增加且与人类高强度活动区域重叠。生境退化指数在0～0.07,0.07～0.09范围内的区域面积逐年减小，在0.09～0.15范围内的区域面积逐年增加。

总体上，麒麟区的生境质量受土地利用变化的影响显著，建设用地与耕地侵占自然生境是导致研究区生境质量下降和生境退化度提高的主要原因，不合理的人类活动可能会导致生境退化成为现实。合理约束建设用地的扩张以及“退耕还林还草”都是改善生境质量的有效手段。