汉江流域生境质量时空变化特征及驱动力分析——以陕西段为例

孔德豪薄征王军红卫新东

(1.长安大学土地工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西省国土整治中心，陕西 西安 710075)

引言

生境质量表征生态环境为生物生存提供适宜条件的能力，是评价生物多样性的重要指标[1，2]。土地利用变化导致区域生态系统功能变化，从而对生物多样性、生境质量产生重要影响[3，4]。流域作为自然和人文综合体，其具有重要的资源、生态、经济和文化功能[5，6]。流域生境质量的优劣直接与人类生活息息相关。因此，定量评价生境质量，深入探究其驱动机制，对于保护区域生物多样性具有重要意义。

目前，定量化评价生境质量的方法主要有实地调查与模型评估2种[7]。实地调查法需要花费巨大的人力物力财力，适合小范围特定物种的评估。模型评估法主要是通过建立生境质量评估模型对研究区进行定量评价，主要模型有SolVES[8]和InVEST[9]等。InVEST模型根据土地利用变化对生境质量进行评价，具有需求参数较少、分析精准等优点在国内外得到了广泛的应用[10]。Song[11]等利用InVEST模型对1980—2018年黄河流域生境质量进行评价，并采用地理信息图谱进一步定量分析了生境质量的数量和空间转移状况。刘春艳等[4]利用InVEST模型定量评估了2005—2020年三峡库区重庆段的土地覆盖和生物多样性功能的演化及趋势。王彤等[12]利用InVEST模型对2000—2020年西南三江流域生境质量的时空格局开展动态评价，并利用地形位指数分析生境质量的地形分布特征。

汉江流域(陕西段)位于汉江流域上游，是南水北调中线工程的水源地保护区，是我国中部重要的生态屏障[13]。由于流域内人口增加和旅游业发展等一系列人为因素，给区域内生态环境保护带来了巨大的压力。基于此，本研究基于2000年、2010年、2020年3期土地利用数据，运用InVEST模型定量评估汉江流域(陕西段)生境质量，应用冷热点分析探寻其内部空间关联性，利用地理探测器深入分析其驱动机制，研究结果可为未来汉江流域(陕西段)生态环境保护和土地资源合理开发利用提供参考依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

汉江是长江最大支流，发源于秦岭南麓宁强县潘冢山。汉江流域(陕西段)位于陕西省南部，地理位置介于N31°42′～34°11′，E106°47′～111°18′，面积为6.2万km2，占整个汉江流域面积的39.18%。流域以北亚热带季风气候为主，年平均气温为12～16℃；年平均降水量为800～1200mm[13]。

1.2 数据来源

土地利用数据、GDP数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(https：//www.resdc.cn)，土地利用数据空间分辨率为30m，GDP数据空间分辨率为1km；DEM数据来源于欧洲航天局(ESA，https：//panda. copernicus.eu/panda)，空间分辨率为30m；气象数据来源于国家地球系统科学数据中心(http：//www. geodata.cn/data/)，空间分辨率为1km。路网数据来源于OSM(https：//www.openstreetmap.org)；DNVI数据来源于国家生态数据中心(http：//www.nesdc.org.cn)，空间分辨率为30m；人口密度数据来源于WorldPop(https：//hub.worldpop.org/)，空间分辨率为100m。

图1 汉江流域(陕西段)流域范围

2 研究方法

2.1 生境质量

生境质量服务主要通过土地利用类型以及威胁源和敏感性参数表进行计算，公式：

(1)

(2)

式中，Dni和Qni分别为土地利用类型i栅格单元n的生境退化度和生境质量指数；Hi为土地利用型i栅格单元n的生境适宜度；Dni为土地利用类型i栅格单元n的生境退化度；z为归一化常量；k为半饱和参数[7]。

根据汉江流域(陕西段)实际情况，本研究选取耕地、城镇、农村居民点、公路和铁路作为威胁源。威胁源最大影响距离、权重衰减方式及敏感度参数结合前人研究[7]进行赋值，具体见表1、表2。

表2 生境质量威胁源敏感度参数表

2.2 空间统计分析

本研究采用Moran’s I指数分析汉江流域(陕西段)生境质量的空间集聚程度[17]。公式：

(3)

(4)

(5)

2.3 地理探测器

地理探测器用于分析驱动因素之间的相互关系[18]。因子探测是探测自变量对因变量的空间异质影响力，结果用q表示，若q值越大表示自变量对因变量的解释力越强，q值在0～1的范围内。其表达式如下：

(6)

交互探测用于判断2个不同的驱动力之间是否有显著的差别，通常用t表示。交互作用结果类型见表3。

表3 交互探测结果类型

本研究对2000—2020年汉江流域(陕西段)的平均生境质量的驱动因子进行分析，为保证输入数据的一致性，将研究区范围生成1km的网格图，采用自然断点法对各个因素进行离散化。将生境质量等级作为因变量，选取海拔(DEM)、坡度(Slop)、坡向(Aspect)、归一化植被指数(NDVI)、年平均气温(Tmp)、年平均降水量(Pre)、人口密度(PPP)、国内生产总值(GDP)、土地利用(LUCC)等9个驱动因子为自变量，探测这些驱动因子对汉江流域(陕西段)生境质量时空变化的影响。

3 结果与分析

3.1 生境质量时空变化

依据前人研究成果，将生境质量分为高(0.8～1)、较高(0.6～0.8)、中等(0.4～0.6)、较低(0.2～0.4)、低(0～0.2)5级[14]。汉江流域(陕西段)2000年、2010年、2020年的平均生境质量指数分别为0.593、0.592、0.590，2000—2020年平均生境质量指数为0.592，整体生境质量处于中等水平。如图2所示，流域内生境质量空间分异明显，整体呈西北高东南低的分布趋势，以较高和中等生境质量为主，二者面积占流域面积的80%～86%。生境质量高值区主要位于流域西北部秦岭南麓，中部和东部分布较为破碎，与中等水平相间分布，与林地分布较为契合，海拔高，人口密度小。低值区主要位于汉中盆地以及公路、铁路沿线，与建设用地分布较为契合，经济活动频繁，人口密度大。

图2 2000—2020年汉江流域(陕西段)生境质量空间分布

从时间上来看，如表4所示，高生境质量面积先增后减，2000—2010年增加了0.7万hm2，2010—2020年减少了0.51万hm2；较高生境质量面积先减后增，2000—2010年减少了5.02万hm2，2010—2020年增加了12.99万hm2；中等生境质量面积持续减少，2000—2010年减少了2.61万hm2，2010—2020年减少了24.54万hm2；较低生境质量和低生境质量面积持续增长，2000—2010年分别增加了3.78万hm2、111.03万hm2，2010—2020年分别增加了3.14万hm2、1.02万hm2。

表4 2000—2020年汉江流域(陕西段)各质量等级生境面积及所占比例

如图3所示，2000—2010年，改善类型以中等水平转向较高水平，较低水平转向中等水平和较高水平为主，合计转化面积为22.09万hm2，占流域面积的3.52%。退化类型以较高水平转向中等水平和较低水平为主，合计转化面积为53.26万hm2，占流域面积的8.49%。2010—2020年间，改善类型以中等水平转向较高水平，较低水平转向中等水平和较高水平为主，合计转化面积为51.87万hm2，占流域面积的8.27%。退化类型以较高水平转向中等水平和较低水平为主，合计转化面积为52.46万hm2，占流域面积的8.36%。整体来看，2000—2020年汉江流域(陕西段)生境质量呈现缓慢下降的趋势。

图3 2000—2020年汉江流域(陕西段)生境质量等级转移弦图

3.2 生境质量冷热点分析

通过分析全局空间自相关，2000年、2010年、2020年均通过1%的显著性检验，表明汉江流域(陕西段)在99.9%的置信区间内生境质量存在空间自相关。利用冷热点分析得到汉江流域(陕西段)生境质量的空间集聚状况。汉江流域(陕西段)生境质量在空间分布上具有正相关性，在空间分布格局上存在高-高、低-低集聚特征。

如图4所示，2000年，汉江流域(陕西段)生境质量等级较高的区域为539.1hm2，生境质量等级较低的区域为303.66hm2。2010年，汉江流域(陕西段)生境质量等级较高的区域为506.97hm2，生境质量等级较低的区域为337.23hm2。2020年，汉江流域(陕西段)生境质量等级较高的区域为539.46hm2，生境质量等级较低的区域为319.59hm2。总体来看，2000—2020年汉江流域(陕西段)生境质量等级较高的区域主要集中在流域西北部及流域中部的秦岭南麓和东部丹江北部山脉，生境质量等级较低的区域主要集中在汉江及丹江两岸，且高值区和低值区的范围均呈现不断扩张的趋势。

图4 2000—2020年汉江流域(陕西段)生境质量空间LISA集聚图

3.3 生境质量驱动力分析

生境质量时空异质性受自然和社会双重因素影响，如表5所示，自然因素中海拔(DEM)、归一化植被指数(NDVI)和年平均气温(Tmp)对生境质量贡献较大，社会经济因素中土地利用(LUCC)和人口密度(PPP)对生境质量贡献较大。按q值大小排序依次是土地利用>海拔>年平均气温>归一化植被指数>人口密度>国内生产总值>坡度>坡向，除坡向外，其他因子均通过显著性检验。

表5 2000—2020年汉江流域(陕西段)生境质量驱动因子探测结果

按贡献率来看，社会经济因素中的土地利用贡献率最大，q值为0.582，解释力达到58.2%，自然因素中的海拔、年平均气温和归一化植被指数贡献率较大，分别为0.098、0.081和0.079，综合解释力接近30%。因此，影响汉江流域(陕西段)生境质量的主要自然因素是海拔、年平均气温和归一化植被指数，社会经济因素是土地利用。总体来看，土地利用是影响汉江流域(陕西段)生境质量的主导因素。通过土地利用变化可知，生境质量高值区与林地空间分布契合，低值区与建设用地空间分布契合。

从交互探测结果可知，如表6所示，两因子交互后的解释力大于单因子。两因子交互作用的最大值为0.615，即土地利用和年平均降水量交互后对生境质量变化的解释力达到了61.5%。土地利用和年平均气温交互后对生境质量变化的解释力为61.3%，次之。表明土地利用和气候因素基本决定了流域生境质量空间分布格局。土地利用和其余因子的交互作用明显。究其原因，是因为生境质量是基于土地利用的结果，土地利用的空间分布格局影响生境质量的空间分布。海拔和坡度制约人类活动，导致流域山区生境质量较高。土地利用是自然和社会经济的综合体，从社会经济角度来看，建设用地与人口密度和国内生产总值具有强相关性，从而影响流域生境质量，生境质量的降低与建设用地面积的增加息息相关。从自然角度来看，其空间分布格局对流域内小气候具有一定影响。

表6 2000—2020年汉江流域(陕西段)生境质量驱动交互探测结果

4 讨论

生境质量的高低由不同土地利用类型的生境适宜度决定。如图5所示，2000—2020年，耕地主要流向林地、草地和建设用地，林地主要流向耕地和草地，草地主要流向耕地和林地。流域内林地面积增加了5.63万hm2，建设用地面积增加了1.41万hm2，耕地面积减少了4.12万hm2，草地面积减少了3.18万hm2。整体来看，流域内生境质量既有提升也有下降，提升和下降的区域不同，且下降幅度较大。这与黄河三角洲[16]、辽河[17]等区域的研究结果具有一致性，说明土地利用变化会引起生境质量下降。

图5 2000—2020年汉江流域(陕西段)土地利用转移

DNVI作为植被覆盖度的表征之一，反映了区域内植被的空间分布情况及植被长势的优劣。其高值区往往生境质量较高，是生境质量水平的响应因素之一。海拔等地形因素与生境质量水平呈显著正相关，究其原因，地形因素限制了人类活动，高海拔、坡度陡的地区人类干扰弱，低海拔、平坡地区人类活动频繁。

InVEST模型虽较为成熟，且广泛应用于不同区域生境质量的评估，但对于评估中所需参数，如威胁源、敏感度参数依赖于专家知识和既往研究，由于认知水平的局限性，评估结果必然会出现一定的误差。本研究利用InVEST模型评估流域的生境质量变化，节省了人力、物力和财力，可以迅速了解流域内的生境质量变化情况。在未来的研究中，需结合实地调研等方法，利用实测数据修正模型参数，使之能够更加精准地评估流域的生境质量。

5 结论

2000—2020年汉江流域(陕西段)平均生境质量指数为0.592，处于中等水平，且生境质量空间分异明显，整体呈西北高东南低的分布趋势，以较高和中等生境质量为主，二者面积占流域面积的80%～86%，但整体呈现缓慢下降的趋势。

汉江流域(陕西段)生境质量在空间分布上具有正相关性，在空间分布格局上存在高-高、低-低集聚特征，即生境质量等级较高的区域集聚，生境质量等级较低的区域集聚。

汉江流域(陕西段)生境质量时空异质性受自然和社会双重因素影响，自然因素中海拔(DEM)、归一化植被指数(NDVI)和年平均气温(Tmp)对生境质量贡献较大，社会经济因素中土地利用/覆被(LUCC)和人口密度(PPP)对生境质量贡献较大。土地利用和其余因子的交互作用明显。