洞庭湖流域生境质量对LUCC的动态响应

韩 宇，毛逸飞，杨 伶，王金龙，周文强

（1.中南林业科技大学 数字洞庭湖南省重点实验室，湖南 长沙 410004；2.西南大学 经济管理学院，重庆 400715）

生境是指存在于一个区域的资源和条件，为生物提供生存和繁殖的栖息用地[1]，生境质量是衡量生态系统提供适宜物种栖息地能力的重要指标[2]。国内外许多学者运用InVEST 模型[3]、SolVES 模型[4]、景观生态风险模型[5]和maxEnt 模型[6]等对生境质量进行评估。InVEST 模型依据土地覆被和生物多样性威胁因素来评估生境，具有获取数据便利、需求参数少、分析能力精准和数据处理简单等优点[7]，是量化生境质量的重要工具。土地利用/覆被变化（Land-use and land-cover change,LUCC）可以显著影响生态系统结构、过程和功能的相互作用机理[8]，从而对生态系统格局产生深远影响[9]。具体来说，LUCC 通过人口增长、经济增长、建设用地扩张、围湖造田、毁林开荒、退田还湖和退耕还林等对生态环境产生胁迫或促进效应，生态环境又通过资源承载、环境容量和政策干预等对土地利用规划产生约束或承载效应[10]。越来越多的学者关注LUCC 与生态环境之间的关系，LUCC 亦被认为是生态系统服务和生态环境变化的重要驱动力之一[11-12]。因此，研究生境质量对土地利用变化的响应机制，对生态环境保护和区域可持续发展，特别是在国土空间规划中严格落实“三线”管控具有深远意义。

洞庭湖流域地处长江中游南岸，是我国重要的农产品生产基地，分布着洞庭湖区、南岭区、武陵山区和桂西黔南石灰岩区等多个生物多样性保护优先区。在快速城镇化进程中，洞庭湖流域土地利用发生显著变化，洪涝灾害、水质恶化、水土流失、湖泊萎缩和湿地退化等问题日益突出，对生境质量产生深远影响。为改善流域生态环境，20 世纪90 年代以来，洞庭湖流域实施了退田还湖、退耕还林还湿等生态保护建设工程。本研究基于1980—2018 年的5 期土地利用数据，采用InVEST模型评估生境质量，并进一步运用GWR 模型定量分析生境质量对土地利用变化的响应机制，以期为流域土地利用规划和生态环境保护提供决策依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

洞庭湖流域（107°16＇～114°15＇E，24°38＇～30°24＇N）地处我国大陆第二级与第三级阶梯的交接地带，东西向上由云贵高原过渡为东南丘陵，且雪峰—武陵盘踞西部纵分为东西部，南北向上由南岭山地依次过渡为东南丘陵和洞庭湖平原。该流域由洞庭湖区、湘江流域、资水流域、沅水流域和澧水流域组成，流经湖南的绝大部分区域及贵州、广西、广东、江西、湖北和重庆的部分地区，总面积约26.3×104km2。洞庭湖流域属于典型的亚热带季风气候区，雨热同季，森林资源较为丰富，植被类型以常绿阔叶林为主，且具有明显的地域分异性。长期的生态系统开发利用和巨大的人口压力使洞庭湖流域土地利用方式发生较大改变，这将引起生态系统服务严重下降和人类生存环境无可挽回的转变。

1.2 数据来源及处理

本研究中，1980—2018 年土地利用数据空间分辨率为30 m×30 m，来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn）。该数据参照刘纪远等[8]提出的中国土地利用覆被遥感分类系统分类，并通过人机交互解译方法获取，一级类型和二级类型综合精度分别达到94.3%和91.2%以上[13]。本研究将洞庭湖流域边界和土地覆被数据叠加，生成5 期洞庭湖流域土地覆被30 m×30 m栅格数据。

结合洞庭湖流域土地利用的实际情况，本研究将农村居民点、城镇用地、厂矿用地、主要公路、主要铁路、水田、旱地、裸土地和裸岩石质地设定为胁迫因子。其中，农村居民点、城镇用地、水田、旱地、裸土地和裸岩石质地等胁迫因子的威胁图层由土地利用数据重分类获取，而厂矿用地、主要公路和主要铁路的威胁图层通过2018 年研究区交通道路数据与历年土地利用数据进行叠加运算而得。

图1 洞庭湖流域区位Fig.1 Location diagram of the Dongting Lake basin

2 研究方法

2.1 InVEST 模型生境质量模块

InVEST 模型自开发以来，在空间规划、生态补偿、风险管理、适应气候变化等环境管理决策领域中得到广泛应用。InVEST 模型生境质量模块将生境质量视为连续变量，综合考虑胁迫因子的相对影响、生境对胁迫因子的敏感度、与胁迫因子的距离和受合法保护的水平等因素。栅格单元x处的土地覆被或生境类型j的生境质量（Qxj）为：

式（1）中：Hj分别为土地覆被类型j的生境适宜度，Dxj为地类j中栅格单元x的生境退化度，k为半饱和常数和z为模型默认参数。其中，生境退化度（Dxj）的计算公式为：

式（2）中：R为胁迫因子总数，y为威胁因子r栅格图层中的栅格单元，Yr为胁迫因子r所占栅格单元数量，Wr为胁迫因子r的权重，ry为土地覆被类型栅格单元y中的胁迫因子r，irxy为栅格单元y中的胁迫因子r对生境栅格单元x的影响程度，βx为威胁源到栅格x的可达性和Sjr为地类j对胁迫因子r的相对敏感程度。其中，irxy分为指数和线性2 种类型：

式（3）中：dxy为栅格单元x（生境）和栅格单元y（胁迫因子）之间的直线距离，drmax为胁迫因子r的最大影响范围。结合InVEST 模型的推荐值、文献[3,14-15]及专家建议，本研究对胁迫因子参数和生境敏感性参数信息进行设定。

2.2 地理加权回归模型

在传统全局回归模型中，变量间关系规律的探寻是在观测值具有空间同质性的基础上探究全域范围变量间的关系规律，然而土地利用变化对生境质量的影响规律会随观测点地理位置的不同而存在差异，表现为空间数据的非平稳性。为了避免因同质性假设无法得到满足而使得估计结果失真，本研究参照王惠等[16]的研究，采用地理加权回归模型（GWR）来探究生境质量对土地利用变化的响应。GWR 的核心思想是对不同的空间位置给予不同的参数，其表达式为：

式（4）中：（ui,vi）为样本点i的地理空间坐标（i=1，2，…，n）；yi和xik分别为被解释变量y和第k个解释变量x在空间位置（ui,vi)处的实测值（k=1，2，…，n）；βk（ui,vi）为样本点i的第k个解释变量的回归系数；εi为模型的误差项，其中εi～N（0，σ2）。

GWR 模型通常采用局部加权最小二乘法进行参数估计，其中权重为样本点与其他观测点之间的距离函数[17]。参照王惠等[16]的相关研究，权重函数的校准和带宽的确定分别采用自适应法和Bandwidth_Parameter 法，其表达式为：

式（5）中：wij为地理权重，其取值随着距离的增加由1 无限趋近于0，但不等于0；b为基础宽带；dij为样本点（ui,vi）到邻近样本点（uj,vj）的欧式距离。

3 结果与分析

3.1 洞庭湖流域土地利用变化特征

如表1 和图2 所示，林地和耕地是洞庭湖流域土地利用的主要类型，两者之和约占土地总面积的90%。1980—2018 年，耕地面积持续减少，耕地占比由29.42%减少到27.93%；林地面积呈稳定增长趋势，其面积占比维持在60%～61%；草地面积略有下降，占比由1980—2000 年的5.89%～5.90%下降至2010—2018年的5.17%～5.23%；水域面积持续小幅增加，占比由2.73%增加至3.04%；建设用地面积持续扩张，净增3 800 km2，增幅为135.71%。

表1 洞庭湖流域土地覆被类型面积占比Table 1 Area proportions of land use types in the Dongting Lake basin from 1980 to 2018 %

图2 1980—2018 年洞庭湖流域土地利用转移Fig.2 Transfer relationships of land use types in the Dongting Lake basin from 1980 to 2018

不同时期洞庭湖流域土地利用变化具有明显的异质性，1980—1990 年土地利用内部转移相对缓慢，以耕地转为水域和建设用地为主，分别占土地利用变化的23.88%和14.33%；1990—2000 年土地利用变化呈增强趋势，内部转移类型依次为林地转耕地（11.71%）、耕地转林地（11.16%）和建设用地（10.16%）；2000—2010 年土地利用变动剧烈，变化面积达13 886 km2，是1990—2000年间的6.92 倍，其转移类型依次为耕地转林地、草地转林地和林地转耕地，分别为2 695 km2、1 822 km2和1 546 km2；2010—2018 年土地利用变动持续剧烈，变化面积增加至17 322 km2,转移类型主要有耕地转为林地、林地转为耕地、耕地和林地转为建设用地，分别占变化总面积的18.49%、17.98%、7.11%和5.14%。

3.2 洞庭湖流域生境质量时空演变特征

运行InVEST 模型的生境质量模块，得到1980、1990、2000、2010 和2018 年洞庭湖流域各栅格单元（空间分辨率30 m×30 m）的生境质量指数，根据自然断点分级法，将生境质量指数划分为5个区间：0～0.047，0.047～0.400，0.400～0.600，0.600～0.700 和0.700～1.000，并据此将生境质量划分为低、较低、中、较高和高5 个等级（表2）。

表2 1980—2018 年洞庭湖流域生境质量面积占比Table 2 Area proportion of habitat quality in Dongting Lake basin from 1980 to 2018 %

高等级、中等级和较低等级是洞庭湖流域生境质量的主导类型，其中高等级生境质量区面积占比在50%左右（表2），这主要是由于洞庭湖流域自然环境良好，注重生态环境保护，林地面积较大。洞庭湖流域生境质量主要呈现以下演变特征（图3）：1）1980—1990 年生境质量转移主要以“较低→高、中等→高”为主，分别占生境质量变化的26.85%和23.78%，总体略有改善；2）1990—2000 年生境质量转移类型以“较低→高、中等→较低、高→较低”为主，分别占23.59%、19.02%和17.93%，生境质量总体呈变差趋势；3）2000—2010 年生境质量变化较为剧烈，变化面积约为1990—2000 年的6 倍，以“较低→高、中等→高、高→较低”为主，占生境质量变化的51.65%，这一时期生境质量变差趋势趋向于缓和；4）2010—2018 年生境质量变化持续剧烈，其主导转移类型依次为“高→较低”“较低→高”“中等→较低”，分别占变化总面积的22.10%、15.25%和14.96%，该时期生境质量变差趋势进一步加剧。

图3 1980—2018 年洞庭湖流域生境质量转移Fig.3 Transfer relationships of the habitat quality in the Dongting Lake basin from 1980 to 2018

1980—2018 年，洞庭湖流域生境质量也呈现明显的空间异质性，整体上呈现由西部地区向东部和北部地区递减的趋势。从5 期生境质量空间分布（图4）来看，洞庭湖流域生境质量空间分布差异明显，整体上呈现由西部地区向东部和北部地区递减的趋势。洞庭湖流域生境质量主要呈现以下空间分布特征：1）低等级生境质量区分布相对集中，主要分布在流域大中城市和小城镇的建成区，生境质量得分值多在0.047 以下，以长沙、株洲、湘潭、岳阳、常德等地级市的市辖区表现最为突出，并随着经济社会发展和城镇扩张逐渐向外蔓延；2）较低等级生境质量区主要分布在环洞庭湖平原、湘中南丘陵地区、喀斯特石漠化防治生态功能区，及长株潭建成区的外围区域，该区域存在较多的生境质量值在0.047～0.400 的生境，其中以环洞庭湖平原和湘中南丘陵地区分布更为集中；3）中等级生境质量区主要分布在沅水流域和澧水流域，零星分布在其他区域较低等级生境质量区的外围区域，以沅水流域的西部地区分布较为集中；4）较高等级生境质量区所占比重小，且无明显区域分布特征；5）高等级生境质量区主要分布在东南西三面环山的山地地带，生境质量指数在0.700以上，生境质量总体较好。由此来看，洞庭湖流域呈现以各大中城市和小城镇的建成区为低生境质量区，依次向“环洞庭湖平原和湘中南丘陵地区”“武陵-雪峰山脉山地生态农业带和桂黔滇喀斯特石漠化防治生态功能区”“武陵-雪峰山区生物多样性及水土保持生态功能区、南岭山地森林及生物多样性生态功能区和罗霄-幕阜山地森林及生物多样性生态功能区”逐渐提升的空间分布特征。

图4 1980—2018 年洞庭湖流域生境质量空间分布Fig.4 Spatial distribution of the habitat quality in the Dongting Lake basin from 1980 to 2018

3.3 洞庭湖流域生境质量对土地利用变化的响应分析

本研究采用等间距采样法将研究区划分为1.8 km×1.8 km 的网格单元，共计82 475 个样本点。根据近40 年来洞庭湖流域土地利用变化特征和生境质量时空演变特征，本研究以网格单元内生境质量指数变化率为被解释变量，耕地变化率（flcr）、林地变化率（wlcr）、草地变化率（glcr）、水域变化率（wacr）和建设用地变化率（blcr）为解释变量，运用GWR 模型，对1980—2000 年和2000—2018 年土地利用变化和生境质量变化数据进行空间相关性分析，探究近40 年来洞庭湖流域LUCC 对生境质量时空分异性的影响。由模型结果可知，1980—2000 年和2000—2018 年地理加权回归模型的拟合效果较好，拟合优度分别为0.775 6和0.565 9（表3）。

表3 GWR 模型估计结果Table 3 GWR model estimation results

1）生境质量对耕地变化的响应。耕地变化对生境质量的影响呈现明显的空间差异性（图5），说明近40 年来洞庭湖流域耕地变化对生境质量变化的影响具有不稳定特性。1980—2000 年和2000—2018 年，在生境质量—耕地呈正相关的区域，森林资源丰富，生态环境呈良好态势，局部地区耕地虽有所增长，但生境质量仍呈上升趋势；呈负相关的区域，主要分布在农业主产区，耕地开垦率较高，生境质量呈下降趋势。与1980—2000年相比，2000—2018年洞庭湖流域生境质量—耕地变化呈负相关的区域呈明显扩大趋势，逐步由环洞庭湖平湖农业区向湘中南丘陵节水农业带、武陵-雪峰-南岭-罗霄山脉山地生态农业带和长株潭都市农业圈等地区蔓延，主要是由于这一时期研究区逐渐形成“一圈一区二带”为主体的农业战略格局，有效保障农产品供给和食品安全，但土地利用集约程度较高，给生境质量带来较大的负面影响；而呈明显正相关关系（回归系数β在0.003 0 以上）的区域也有所增长，逐步向沅水流域和资水流域，及湘江流域的西北和南部地区蔓延，其主要原因在于2000 年以来洞庭湖流域重点实施了退耕还林等生态工程，全流域耕地转林地面积为4 580 km2，约占土地利用变化总面积的25.08%，也使得该类变化对生境质量的影响程度有所上升。

图5 地理加权回归模型回归系数空间分布Fig.5 Spatial distribution of the regression coefficients in the geographical weighted regression model

2）生境质量对林地变化的响应。1980—2018年，洞庭湖流域林地变化与生境质量变化总体上呈正相关关系，在空间上大致呈现由三面环山地带向农业生产区递减的趋势（图5）。近40 年来林地是该流域的主要土地利用类型，其占比维持在61%左右，总体呈稳定增长趋势。并且洞庭湖流域生境质量呈现以各大中城市和小城镇的建成区为低生境质量区，依次向农业生产区和生态功能区逐渐提升的空间分布特征，说明林地的稳定增长对生境质量产生正向影响。与1980—2000 年相比，2000—2018 年生境质量与林地变化呈较强正相关（回归系数β在0.003 0 以上）的区域明显扩大，主要集中在洞庭湖流域三面环山地带，其原因在于：一是2000 年以来洞庭湖流域重点实施了退耕还林等生态工程，耕地和草地转林地是该时期土地利用转移的主导类型，占土地利用变化总面积的25.08%和11.83%，其转换面积分别由1980—2000 年的272 km2和150 km2增加到4 308 km2和2 161 km2，新增林地在全流域呈片状分布，使得生境质量—林地回归系数表现出较强正相关的区域明显扩大；二是武陵-雪峰山脉、南岭山脉和罗霄-幕阜山脉等地区属于重点生态功能区，也是该流域新增林地的集中分布区，维系着全流域的生态安全，在涵养水源、保持水土和维护生物多样性等方面发挥着重要的作用，林地保护和新增林地促使三面环山地带生境质量进一步提升。与此同时，部分区域也存在林地与生境质量呈负相关关系的现象，主要集中在洞庭湖区和湘江流域。

3）生境质量对草地变化的响应。近40 年来洞庭湖流域生境质量与草地总体呈正相关关系，在空间分布和时间演变上与林地变化对生境质量的影响大体一致。其原因在于：1）1980—2018 年洞庭湖流域草地面积变化较小，生境质量—草地呈正相关的区域森林资源丰富，且林地保护较好和新增林地较多，林地变化对该区域生境质量变化起主导作用；2）洞庭湖流域草地减少主要集中在澧水流域，及沅水流域的北部、西部和南部地区，以草地向林地转移为主，但该区域生境质量总体变化不大，草地变化对生境质量的影响不大，从而形成草地—生境质量不相关区域；3）草地—生境质量呈负相关关系的区域，主要集中在环洞庭湖区，存在较为明显的水域和林地向草地转移的趋势，对生境质量产生一定的负面影响，加之该区域耕地和建设用地对生境质量变化起主导作用，生境质量在总体上趋于下降。

4）生境质量对水域变化的响应。1980—2018年，洞庭湖流域生境质量变化与水域变化总体呈正相关关系，说明水域面积的扩大会使生境质量呈上升趋势（图7）。1980—2018 年，水域变化呈小幅扩张趋势，以洞庭湖及湘资沅澧“四水”水体为主，对野生动植物生长和生物多样性保护等方面产生积极影响，促使水生态环境得到改善和恢复。与1980—2000 年相比，2000—2018 年生境质量变化与水域变化呈正相关关系的区域在空间分布上大体一致，且呈向外蔓延趋势。自1998年洞庭湖开展二期治理以来，湖区不断加快退田还湖、退耕还林还湿等工程，并推广到湘资沅澧四水流域。截至2020 年，洞庭湖调蓄面积扩大了超800 km2，并且累计退耕25.67 hm2[18]。由此可见，洞庭湖流域通过退田还湖、退耕还林还湿等一系列生态保护和建设工程的实施来打造“一湖四水”沿岸生态绿环，水域持续小幅扩大，生态环境得到有效改善，为生境质量带来的积极影响也逐渐扩大。

5）生境质量对建设用地变化的响应。1980—2018 年，洞庭湖流域建设用地变化对生境质量主要产生负面影响，表明建设用地不断扩张会导致生境质量下降，以环洞庭湖区和湘江流域表现最为明显。局部区域得益于生态环境的持续向好发展，使得建设用地增加所带来的消极影响较小，生境质量仍呈上升趋势。与1980—2000 年相比，2000—2018 年建设用地与生境质量呈负相关关系的区域明显扩大，这主要是由于近40 年来建设用地扩张幅度超过其他土地利用类型的变化，特别是2000 年以来洞庭湖流域建设用地增加3 278 km2，为1980—2000 年的6.81 倍，建设用地不断扩张为人类生产生活提供主要场所，对地表景观影响较大，为生境质量带来的负面影响也逐步扩大。

4 结论与讨论

4.1 结 论

1）近40 年来，洞庭湖流域土地利用主导类型为耕地和林地，呈现出耕地持续萎缩（面积比从29.42%减少到27.93%）、林地基本稳定（面积比维持在60%～61%）和建设用地持续扩张（增幅为135.71%）等主要特征，土地利用转移以耕地与林地的内部转移及向建设用地转移为主。

2）近40 年来，洞庭湖流域生境质量总体处于较高水平，且呈现明显的时空异质性，在时间上呈现出“改善—变差—缓和—加剧”演变趋势，在空间上呈现出以各大中城市和小城镇的建成区为低生境质量区，依次向农业生产区和生态功能区逐渐提升的演变格局。

3）近40 年来，洞庭湖流域各地类变化对生境质量的影响存在较大的空间异质性。耕地变化对生境质量的影响不稳定，在农业主产区主要表现为负相关关系，而在三面环山地带主要表现为正相关关系。草地对生境质量的影响在空间分布上与林地大体一致，总体呈正相关关系，主要是由于林地对该区域生境质量起主导作用，而草地减少集中区域的生境质量总体变化不大，难以明显反映草地急剧减少对生境质量产生的影响。建设用地为单一的人工环境，不具备生境适宜性，整体上对生境质量构成负面影响。

4.2 讨 论

洞庭湖流域是全国最具发展潜力的区域之一，水土流失和湿地退化等生态恶化问题频发，是中国典型的生态环境脆弱区。近年来，随着退田还湖、退耕还林还湿等一系列生态保护建设工程的实施，该流域生态环境得到较大改善。近40 年来，洞庭湖流域生境质量时空演变格局不仅取决于研究区的自然环境条件和土地利用方式，也与在一系列生态保护建设工程建设影响下土地利用转移特征密切相关，这与其他研究者在研究区及相邻地区的研究结果基本一致[19-20]。进一步分析发现，不同区域生境质量变化的主导地类也呈现明显的异质性，武陵—雪峰山地、南岭山地和罗霄—幕阜山地生境质量变化主要受林地变化的影响，而洞庭湖及“湘、资、沅、澧”四水的河谷湖盆和冲积平原生境质量变化主要是由耕地和建设用地变化引起的。因此，在制定洞庭湖流域生态环境保护政策时，应依据生境质量对土地利用变化的响应机制，对不同区域采取不同的措施：一是以林地为主的三面环山地带，未来发展规划应以生态保护为首要任务，从景观格局视角出发，关注景观连接度和景观破碎度，重点保护自然生态走廊；二是耕地分布较广的河谷湖盆、冲积平原、丘陵和山地农业区，在继续发挥退田还湖、退耕还林还湿等生态退耕政策作用的基础上，应加快发展生态农业和循环农业，推进农业清洁生产和废弃物资源化利用；三是具有一定城镇化和工业化基础的城市化地区，应适当控制建设用地增量，突出城镇绿地培育保护和山水城林相融合的理念，使土地利用结构更具有生态型和稳定性。

本研究基于生境质量与土地利用变化的统计关系，采用大尺度的经验模型来探究生境质量对土地利用变化的响应机制，未涉及小尺度的机理模型，缺乏生理生态机制基础，难以深入分析土地利用格局变化与生态环境演变过程的相互作用。为了更深入地探究生境质量对土地利用变化的响应，下一步研究有必要建立一些固定样地进行野外观测，尤其对不同地类过渡区的研究，并保证时间和空间上的连续性，使得获取的数据能为模型和尺度的转换提供更为精准的基础信息，更好地补充响应机制研究的不足[21]。