喀什地区土地利用变化对生境质量的影响

师君银,马勇刚,许仲林

(1.新疆大学地理与遥感学院,乌鲁木齐 830017;2.新疆大学生态与环境学院,乌鲁木齐 830017;3.绿洲生态教育部重点实验室,乌鲁木齐 830017;4.新疆精河温带荒漠生态系统教育部野外科学观测研究站,新疆 精河 833300)

【研究意义】生境质量(Habitat quality)是指生态系统为物种提供适宜生存条件的能力,可在一定程度上反映生物多样性和生态服务的水平[1-2],它的高低也能表征区域生态环境质量健康程度[3]。研究表明,土地利用变化是新疆生态系统服务价值变化的直接驱动因素[4],土地利用的强度和结构变化会影响区域生境质量的分布格局和功能,因此生境质量的变化与土地利用变化密切相关[5]。归一化植被指数(Normalized difference vegetation index, NDVI)代表植被生长状态的好坏,是植被动态变化监测的常用指标[6],也被用作生态环境监测;叶面积指数(Leaf Area Index, LAI)是指示生态系统结构和功能的重要参数,常被用来评估区域内的植被变化情况[7],一般来说,LAI下降能够从侧面体现植被的退化和生境的下降[8];植被净初级生产力(Net primary production, NPP)能够反映自然植被的生物量和生产能力[9],也是可以供生态系统中其他生物利用的能量[10]。InVEST模型可以依据土地利用数据对区域生境质量进行评价,但在西北内陆干旱区应用研究的深度不足,直接采用此模型对研究区生境质量进行模拟,缺少相应的实测数据对其准确性和合理性进行验证。喀什地区作为丝绸之路经济带上的重要节点区域,是我国向西对外开放发展的桥头堡,随着经济发展和城市扩张,土地利用的结构和强度发生深度变化,导致生态环境逐步恶化,生境趋于破碎、退化甚至消失,严重威胁区域生态系统安全,影响人类健康。作为“北方防沙带”上的重要区域,喀什地区生境的好坏对国家战略的实施和当地人民的生产生活会产生深刻影响。【前人研究进展】当前,利用空间分析方法评估和模拟区域的生境质量变化是景观生态学的研究热点之一。相关研究采用的策略主要有基于景观指标体系的评估和采用模型模拟评价2种,前者通过实地调查获取研究区生境质量相关参数并据此进行生境质量评估[11-13],后者基于土地利用数据采用模型评估区域生境质量[14-20]。这2种方案中,基于InVEST模型的策略操作更简便,得到较广泛的应用,是当前基于土地利用数据进行生境质量评估的重要手段。【本研究切入点】目前大都以单一的生态模型或者单一植被指数进行生境变化的研究,而将生态模型与植被指数相结合,探讨模型的适用性鲜有报道。近年来,经济社会快速发展,同时新型城镇化也持续推进,新疆部分区域的土地利用/覆被发生了较大变化[21-23],在南疆尤其明显,这可能对区域生境质量产生影响。然而,目前并无研究关注此区域土地利用变化导致的生境质量变化。本研究采用长时间序列植被指数来评价喀什地区的生境变化情况,尝试将植被指数与生态模型相结合,对比分析二者的一致性,探讨InVEST模型的适用性。【拟解决的关键问题】选取南疆喀什地区,基于5期土地利用数据,利用InVEST模型生境质量模块,结合植被指数数据,对2000—2020年喀什地区的生境变化作出评价,以期准确评估区域生态环境状况,该研究不仅能为干旱区土地利用变化对生境的影响机制提供必要参考,也有助于制定环境脆弱区生态环境保护和利用策略。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

喀什地区地处西北干旱区,是全国八大生态脆弱区之一,也是“丝绸之路”经济带的重要节点。其东部为塔克拉玛大沙漠,东、西、南部依次耸立着天山山脉、帕米尔高原、喀喇昆仑山脉,地势由西南向东北倾斜,海拔高度差异较大;独特的地形地貌造成喀什地区干旱少雨,年平均降雨量116.8 mm,年均温10.98～12.99 ℃,沙尘频发,是典型的温带荒漠景观;喀什地区河流基本发源于高山冰雪,水资源总量少,受温度、降水影响时空分布不均匀;特殊的区位条件和复杂的自然条件决定了喀什地区生态安全的重要性。

1.2 数据来源

本研究采用的DEM数据(30 m栅格数据)下载于中国科学院地理空间数据云平台(http：//www.gscloud.cn);研究区土地利用遥感监测数据(2000年、2005年、2010年、2015年、2020年共5期)分为耕地、林地、草地、水域、建设用地以及未利用地6大类,下载于中国科学院资源环境科学与数据中心(http：//www.resdc.cn);归一化植被指数NDVI数据来源于美国NASA网站：MODIS Web(https：//modis.gsfc.nasa.gov/data/)的MOD13Q1数据,时间分辨率为16 d,空间分辨率为250 m,采用最大值合成法(Maximum value composite, MVC)合成数据;叶面积指数LAI采用国家科技基础条件平台-国家地球系统科学数据中心(http：//www.geodata.cn/)的GLASS产品,版本号为V60,时间分辨率为1 a,空间分辨率为500 m;净初级生产量NPP来源于美国NASA网站[MODIS Web(https：//modis.gsfc.nasa.gov/data/)]的MOD17A3数据,时间分辨率为1 a,空间分辨率为500 m;经过批量拼接、转换投影等预处理操作,对拼接后的影像进行批量裁剪得到喀什地区长时间序列植被指数数据。

1.3 土地利用变化分析

利用空间分析技术,基于马尔科夫模型[24]构建喀什地区2000—2020年的土地利用转移矩阵,土地利用转移矩阵采用ArcGIS软件对每一期土地利用数据进行空间运算得到,用以量化不同土地利用类型之间的转移概率,其可具体反映土地利用变化的结构特征,表达各土地利用类型之间的转移方向。

(1)

式中,Sij为研究初期与研究末期的土地利用状态,n为土地利用的类型数。

1.4 生境质量变化分析

在InVEST模型生境质量模块(Habitat quality model)中,被视为威胁源的土地利用类型变化可能会造成生境质量的变化[25-27],输入模型运行所需要的各项参数,模型自动计算,实现对生境质量的分析。

通过计算威胁源对生境的负面影响,可以得到生境退化度,综合计算得到生境质量。生境对威胁因子越敏感,该因子对生境退化的影响越大,假定栅格x处土地利用方式为y,则该栅格处的生境退化度Dxy可表示为：

(2)

式中,r表示威胁源;Yr为威胁源r的栅格数;wr为各威胁源权重;ry表示威胁源r是否来源于栅格y;βx是威胁源x栅格的可达性;Sjr表示j类生境对于威胁源r的敏感性;irxy为生境与威胁源之间的距离函数,分线性(Linear,L)和指数(Exponential,E)函数表达式分别为：

(3)

(4)

根据上述公式,则某地x处土地覆被类型j的生境质量(Qxj)为：

(5)

式中,Hj为j类土地利用类型的生境适宜度;Dxj为j类生境在栅格x处受到的威胁程度;z是常数,默认值为2.5;k是半饱和系数,默认为0.5。

栖息地质量由栖息地质量指数衡量,该指数介于0～1,该值越高,栖息地质量越好。

在参考InVEST模型指南[28]、相关研究[2, 29-30]及相关领域专家建议的基础上,综合考虑喀什地区实际,将人类活动集中且剧烈或本底质量较差的土地利用类型设为威胁源因子,因此将区域内所有建筑用地(城镇用地、农村居民点、其他建设用地)、耕地及未利用地作为威胁源因子,按照影响程度不同确定参数,设计生境质量模块参数(表1～2)。

表1 威胁因子量

表2 生境适宜度及敏感性参数

1.5 一元线性回归分析及显著性检验

一元线性回归分析可以模拟每个栅格的变化趋势,是研究植被变化趋势的常用方法[31]。本研究视年份为自变量,NDVI、LAI、NPP为因变量,利用最小二乘法,综合分析区域内植被指数的时空演变趋势,公式为：

(6)

式中,当Slope大于0时,表示植被指数值增加,反之则为减少,同时Slope值的大小也决定了植被变化的速率;t表示研究年份数;Mn表示某栅格第n年的植被指数值。

为进一步判断变化程度是否显著,采用P值检验法[31]对趋势结果进行显著性分析,当P>0.05时无显著意义;当P<0.05为有显著统计学差异,P<0.01为极显著统计学差异。

2 结果与分析

2.1 喀什地区土地利用变化

基于喀什地区5期土地利用数据,得到2000—2020年各土地利用类型面积变化由大到小排序为：耕地>草地>未利用地>水域>林地>建设用地(图2)。其中耕地面积增加0.41×104km2;建设用地面积增加0.04×104km2;未利用地面积减少0.14×104km2;草地面积在2010年后明显减少(减少0.18×104km2);水域面积自2000年以来共减少0.07×104km2;林地面积在2010年前呈减少趋势(减少0.06×104km2),2010年后保持稳定,与已有的研究结果相同[4, 32]。喀什地区土地利用方式主要以未利用地、草地、耕地为主,除耕地与建设用地之外,其他各类用地面积均有不同程度的减少,主要原因是研究期内人口增长和城市扩张导致耕地和建设用地需求增加,有利经济社会的持续发展;同时,社会经济的发展带来人口集聚效应,这种集聚又进而刺激耕地和建设用地需求的增长,二者之间的耦合关系主导了喀什地区土地利用的动态变化。

为充分了解喀什地区各类型土地之间的空间结构和转移方向的变化,利用ArcGIS构建了2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年、2000—2020年5个时段的土地利用转移弦图(图3)。2000—2020年耕地转入的主要组成为草地和未利用地,而转出的部分主要变为草地和建设用地;2000—2005年,除小部分林地、草地、未利用地向耕地转化外,其余各类用地变化均不明显;2005—2010年,耕地向其他5个种类的用地都有转出;林地主要向耕地、草地及未利用地转化;草地主要向耕地与未利用地转化;水域主要向未利用地转出,小部分转化为耕地和草地;建设用地增加面积主要由耕地转入而来;未利用地主要转化为草地,小部分转化为耕地、林地及水域;2010—2015年,草地和未利用地向耕地转入,其余各类型土地之间转化不明显;2015—2020年,草地和未利用地向耕地转入;水域与草地间有相互转化,同时水域也向未利用地转出;小部分耕地转为建设用地。

图2 2000—2020年喀什地区土地利用类型Fig.2 Land use types of Kashgar from 2000 to 2020

表3 2000—2020年喀什地区生境质量等级分类

2.2 喀什地区的生境质量

将喀什地区生境质量运用自然断点法划分为差(0～0.297)、较差(0.297～0.696)、一般(0.696～0.797)、较好(0.797～0.895)、好(0.895～1)5个等级(图4),并统计各区间的栅格数计算各等级面积占比(表3)。对比得到生境质量与LUCC分布基本一致,生境质量差的区域呈点状,零星分布在喀什地区内,中心城区生境质量最低,总体呈从中心城区向外围蔓延趋势,与喀什地区内的建设用地向外扩张占用其他土地的空间趋势基本一致;生境质量较差的区域占比最高,以塔里木盆地西缘与叶尔羌河流域等地最明显,这些区域以未利用地和耕地分布最广;生境质量一般区域与草地分布区在空间上具有一致性;生境质量较好和好的区域主要集中在西南部山区与叶尔羌河河谷地带,土地利用类型主要是林地、水域以及草地。

2000—2020年,喀什地区生境质量均值都低于0.5,生境质量整体较差,并呈下降趋势(图5)。

图4 2000—2020年喀什地区生境质量Fig.4 Habitat quality in the Kashgar from 2000 to 2020

图5 2000—2020年喀什地区生境质量面积占比Fig.5 Proportion of habitat quality in Kashgar from 2000 to 2020

2000—2020年,喀什地区生境质量低等级区域面积增加,高等级区域面积减少。生境质量差的区域面积持续增加,占比增加0.39%;较差的区域在5个等级中占比最高,2000—2020年均超过64%,且面积占比增加2.19%,增幅最高;生境质量一般区域的面积占比波动上升,较好的面积占比下降1.24%,好的面积占比下降2.11%。

生境退化度反映生境质量下降程度,通过自然断点法划分为轻度退化(0～0.009)、中度退化(0.009～0.027)、较高度退化(0.027～0.048)、高度退化(0.048～0.072)、严重退化(0.072～1.000)5个等级(图6)。喀什地区生境退化度值较低,生境处于相对稳定状态。对比生境退化度与LUCC可知,生境退化度高的区域主要是建设用地、耕地、水域、草地等。喀什地区西北部喀什噶尔河流域、中部叶尔羌河流域生境退化相对严重,流域边缘区域生态退化也较明显;喀什地区东部塔里木盆地边缘、西南部山区地带生境退化程度较轻。

图6 2000—2020年喀什地区生境退化度Fig.6 Habitat degradation degree in Kashgar from 2000 to 2020

图7 2000—2020年喀什地区植被指数均值及空间变化趋势Fig.7 Mean value and spatial trend of LAI in the Kashgar from 2000 to 2020

2.3 喀什地区的植被指数特征

首先对植被指数多年均值进行计算,分析其在空间上的分布特征,为进一步分析植被指数在时间空间上的变化趋势,采用一元线性回归对喀什地区2000—2020年植被指数的空间变化进行分析,喀什地区整体植被指数值较低且在空间分布上具有明显差异性,NDVI多年均值(图7-a)最高仅为0.83,LAI多年均值(图7-b)仅为2.92,NPP多年均值(图7-c)最高为492.17 g·C/m2,植被盖度较低;植被指数的高值区主要分布在叶尔羌河流域和喀什噶尔河流域及南部山前地带,以上区域也是研究区林地草地及耕地等植被较为集中的区域;低值区分布最广、占比大,主要分布于喀什地区的广大沙漠及南部山区冰雪覆盖的区域,这部分区域主要分布着喀什地区大面积的未利用地。

根据趋势分析及P值检验对空间变化趋势进行分类,并对各类栅格进行统计(表4)。喀什地区植被严重退化面积占比较少,均低于1%,且植被退化区域空间分布较一致,主要分布在喀什市城镇周边及叶尔羌河流域沿岸部分地区;NDVI与LAI发生轻微退化的区域分布大致相同且占比较小,分别为0.55%和1.20%,而NPP发生轻微退化的区域占比高于前两者,为10.90%,主要位于喀什地区南部山区山前地带及流域周边地区;植被指数无变化的区域面积占比最大,主要分布在喀什地区的大片未利用地及南部山区地带;植被指数明显改善的区域面积占比由大到小依次为NDVI(10.86%)、LAI(9.53%)、NPP(1.04%),且NDVI与LAI明显提高的区域空间分布较一致,主要位于叶尔羌河与喀什噶尔河流域,NPP明显升高的区域占比较小且分布于南部山区。

2.4 喀什地区植被指数与生境质量变化一致性

对比植被指数与生境质量及生境退化度的空间分布特征及空间变化趋势,NDVI与LAI的空间变化趋势(图7-d、7-e)与模型运行结果(图4、图6)在空间分布上具有较高的一致性。NDVI与LAI值低且植被盖度未发生明显改变的区域,生境质量等级也较差,且生境退化度也较低;在流域及人口较集中的城市附近,是植被发生严重退化的主要区域,生境退化度也较高,生境质量值低。由此可鉴,在环境较好的流域附近及人口密度大的部分区域存在大量破坏生态的行为,在这些区域开展植被恢复和生态重建,对干旱绿洲地区的可持续发展具有重大意义。而NPP的变化趋势(图7-f)与生境模型运行结果(图4、图6)在空间分布上具有差异。植被发生严重退化的区域除城市周边与叶尔羌河流域外,NPP结果显示南部山前地带也发生明显退化,这一区域在模型运行的生境质量结果中显示为好与较好2个等级;NPP结果显示植被发生轻微退化的区域大部分为生境质量等级较好与一般两类,且发生退化的面积明显高于模型运行产生的生境质量退化结果。同时NDVI与LAI 2种植被指数在空间变化趋势上基本一致,而NPP的空间变化趋势与前两者存在差异,这是因为NDVI和LAI数据都由最大值合成而来,可能在趋势分析中更具有敏感性,而NPP是年产品[33,3种数据来源的不同及产品数据的精度也会对结果产生一定影响[34];研究表明,新疆NPP与蒸发量之间有明显的负相关[35],而喀什地区气候干燥、蒸发量大,致使NPP值与其他植被指数存在差异可能有一定关系。

表4 2000—2020年喀什地区植被变化趋势占比

相比不同之处,植被指数空间变化趋势发生改善的区域包含喀什地区内的耕地,一方面,耕地中的植被由于受人工影响较大,种植密度较高,弥补了其季节性的劣势[36],使耕地的相关指数值较高;另一方面,种植结构的调整也会导致植被指数值上升。在模型参数的设定中,耕地常年受人类活动影响较剧烈,通常会将其视为威胁因子,因此在模型运行的结果中,耕地生境水平较低。2种方法在研究原理上存在区别,植被指数变化趋势仅代表植被的长势变化,忽略了人类活动对生境变化的负面影响。InVEST模型仅以土地利用方式为评价基础,在各类型用地内部动态变化的捕捉上还存在缺陷,即时性较弱。

3 讨 论

3.1 喀什地区土地利用变化的影响因素

2000—2020年,喀什地区土地利用方式主要以未利用地、草地、耕地为主,除耕地与建设用地外,其他各类用地面积均有不同程度减少,与已有的研究结果相同[4, 30]。2000—2020年,喀什地区人口增长和城市扩张导致耕地和建设用地需求增加,有利于经济社会的持续发展;同时,社会经济发展带来人口集聚效应,这种集聚又进而会刺激耕地和建设用地需求增长,二者之间的耦合关系主导了喀什地区土地利用的动态变化。

喀什地区耕地主要由草地和未利用地转化而来,这与当地人口增加带来的耕地需求量增加密切相关[37];喀什地区转出的耕地主要转变为草地、建设用地、林地以及未利用地,其中,转化为建设用地的面积达0.5×103km2,反映出在当地快速城镇化建设过程中,新增建设用地的强烈需求,以及对现有建设用地周围、空间紧致分布且具良好城镇建设潜力的耕地转换意愿,并且这种意愿在南疆欠发达地区广泛存在[38-39]。目前,中国加强了对耕地的保护,从而保障国家粮食安全,但对南疆生态相对脆弱的区域来说,在保证粮食安全的前提下,控制耕地占用林地草地,权衡建设用地需求与耕地保护的问题上[40],提高土地利用效率,挖掘建设用地存量,在国土空间规划双评价等一系列科学评价的基础上,确立合理的发展规模和路径是解决这一问题的核心所在。同时,在水资源约束框架下,发展绿色农业经济的同时,要兼顾统筹考虑生态的可持续性[41]。喀什地区耕地转化为林地、草地以及部分未利用地转化为草地显示出以“退耕还林”“退耕还草”等为代表的生态保护策略的初步效果,而国内的相关研究证明这种策略将明显提高区域生态环境质量[42]。林草类型与耕地类型之间的转换强度较大,从空间上看,这些区域主要分布在绿洲外围和自然水系附近,反映出与环境本底质量和人类活动密切相关。在这些区域,如水资源、土壤肥力等难以长期保障的土地,存在开垦后撂荒、边耕边弃的现象[22],造成了一些次生盐渍化、土地沙化等问题,因此,研究区的土地利用政策,应重点关注土地资源粗放利用的严格管控、土地资源的可持续利用规划。

3.2 喀什地区生境质量与植被指数空间变化影响因素

利用InVEST模型测算2000—2020年喀什地区生境质量均值为0.47～0.49,属于生境质量分级中较差一类,且逐年降低,与前人研究结论一致[43]。李钊等[44]通过研究喀什地区LULC与生态系统服务价值二者的关系,得到喀什地区生态系统服务总价值逐年减少,本研究利用InVEST模型进行相应考察,也得到相似结果。本研究发现,干旱区生境质量变化与土地利用变化息息相关,植被长势良好、水资源丰富的林地、草地、水域等区域地区生境质量高,反之生境斑块破碎、自然环境恶劣的土地利用类型生境质量低,这也在其他区域得到了验证[17, 45-46]。植被退化的区域主要分布在城市周边及水域附近,这2个流域内集中了喀什地区大量的人口及工业活动,周边建设用地、耕地扩张导致自然植被退化是造成生境质量退化的主要原因[23, 43],且随着时间变化,退化度高的区域在空间上也呈现增加趋势,这也表明生境容易受到人类活动的影响,因此,在这些重点区域,要重点协调好经济发展与生态建设的关系[47]。

植被指数值的高低主要取决于地表覆被类型及植被生长状况[8],喀什地区植被指数的高值区主要分布在叶尔羌河流域和喀什噶尔河流域,这2个区域水资源较充足,为植被的生长提供良好的生长环境,而南部山区海拔高,常年冰雪覆盖,区域大部分未利用地,受限于恶劣的自然环境,植被较稀疏甚至全部为沙漠或砾石,因此植被值低。在喀什地区的沙漠及南部山区地带,由于自然环境较恶劣,人类活动较小,在这些区域内人口密度较低,人类活动较少,因此基本没有发生植被退化;植被改善区域主要分布在叶尔羌河、喀什噶尔河附近,西南部山前地带也有明显改善,在经济发展过程中,各级政府逐渐认识到保护生态环境的重要性,意识到破坏环境的严重后果,各级政府充分发挥并保障实施“三北防护林”体系建设、“退耕还林还草”等生态工程,持续推进“河湖长制”“林长制”等政策落地,有利于改善当地植被覆盖状况。在这些区域,存在着一定的耕地扩张情况,这也在一定程度上增加了当地的植被覆盖度。

3.3 模型性能表现

本研究运用InVEST模型生境质量模块结合植被指数数据,分析喀什地区生境的变化,该模型运行结果与NDVI、LAI的变化趋势在空间分布上具有较强的一致性,与NPP一致性较弱,这与数据类型、来源及模型参数设置有一定关系,详细原因还有待进一步研究。同时,表明该模型能够对研究区的生境变化做出较准确的评价,是缺资料区开展生境质量评估的有效模型。但在实际应用过程中,也有诸多局限性,模型运行仅以土地利用变化数据作为参考依据,且部分参数数据来源于文献或者模型指导手册,指标选取的不全面性和模型结构的不确定性,可能导致分析结果存在一定偏差,参数选取在未来的研究过程中还需进行验证。本研究将生态模型与植被指数相结合的想法在中国西北内陆干旱区进行了验证,从区域尺度上研究生境变化。

4 结 论

(1)时间上,喀什地区生境质量整体呈下降趋势。2000—2020年喀什地区生境质量均值为0.47～0.49,整体较差;就分类而言,较差和一般2个等级生境质量占比最大,总体面积呈上升趋势;好与较好2个等级面积占比小,且逐年下降。

(2)空间上,喀什地区生境质量等级与土地利用类型分布基本一致。西南部山区及叶尔羌河流域林地和草地类型较多、水域面积大,生境质量等级较高;耕地、建设用地、未利用地聚集的中部地带生境质量等级低;生态良好的林地、草地、水域面积都有不同程度减少,是区域生境质量总体下降的主要原因。

(3)生境退化度与人类活动密切相关,生境退化度高的区域集中在生态脆弱带,如城市边缘和河流附近,呈现出以城市、河流为中心向周围蔓延的空间状态。生境质量等级分布与土地利用/覆被分布基本一致,土地利用变化极大地影响了研究区的生境变化。