黃河流域2001—2013年生境適宜性變化研究

范擎宇 ，何福紅，王濤，陳坤，李鵬

（魯東大學資源與環境工程學院，山東 煙臺 264025）

黃河流域2001—2013年生境適宜性變化研究

范擎宇 ，何福紅*，王濤，陳坤，李鵬

（魯東大學資源與環境工程學院，山東 煙臺 264025）

生境適宜性評價是開展生物多樣性保護的基礎與關鍵，對實現流域可持續發展具有重要意義。本文選取土地利用類型、海拔高程、坡度、距保護區距離、距道路距離和距水源距離作為指標因子，利用基于加速遺傳算法的層次分析法（AGA-AHP）計算各指標因子的權重，構建生境適宜性評價模型（Habitat Suitability Index model, HSI），對黃河流域2001—2013年間的生境適宜性進行評價。結果表明：距保護區距離指標因子對黃河流域的生境適宜性影響最大，土地利用類型指標因子次之，高程和坡度因子最小；從整體分布來看，黃河源頭及中游生境適宜性較高，黃河上游蘭州至頭道拐一帶以及黃河下游三門峽以下的區域生境適宜性則相對較低；從變化趨勢來看，2013年黃河流域的整體生境質量要優于2001年，處于上升趨勢；其中生境適宜性變好的區域面積為1.25 ×105km2，占15.78%，主要集中在河套平原、黃土高原、關中平原西部、西北部和黃河三角洲；生境適宜性變差的區域面積為6.43×104km2，占8.1%，主要集中在鄂爾多斯高原中西部、關中平原中部和寧夏平原中南部。

黃河流域；加速遺傳算法；生境適宜性；生境適宜性評價模型

隨著人類活動的加劇，黃河流域生態系統退化、水土流失、泥沙淤積等生態問題日益明顯，生境破碎化嚴重，一些物種瀕臨滅絕，生物多樣性持續減少[1]。物種的多樣性是生物多樣性的關鍵，它既反映了各類生物的豐富程度，又體現了各類生物與環境之間的適應關系。因此，確定物種的生境適宜性條件是生物多樣性保護的一個重要科學問題[2-4]。目前，生境適宜性研究主要從評價指標的選取和評價模型的構建來開展。從評價指標來看，主要分為自然環境和人類活動兩方面，從這兩方面選取若干個相關指標，針對動物種群如水禽、大象、梅花鹿等物種棲息地進行生境適宜性評價[5-7]。從評價模型類型來看，主要有機理模型、回歸模型和生態位模型等。其中，采用機理模型（HIS模型），對梅花鹿、駝鹿、大鴇、斑羚、丹頂鶴等物種的繁殖、棲息地進行定量評價和精度驗證，在像元尺度上評價了物種的適宜性空間分布[7-10]。采用回歸模型（目前應用較多的是Logistic回歸模型），在RS/GIS技術支持下，用二項Logistic回歸模型篩選出對水禽、黑猩猩、斑羚等物種的生境影響程度大、擬合優度高的指標因子，通過尺度效應檢驗確定最佳模型，開展生境適宜性評價與分析[4,11-13]。采用生態位模型（常用最大熵模型，MAXENT）對巖羊、丹頂鶴、麋鹿、大熊貓等種群的生境適宜性進行分析和預測[13-17]。

以上研究都是對特定區域某類種群進行生境適宜性評價，而沒有實現在大尺度上對多種生物種群整體生境適宜性開展研究。基于此，本文嘗試從黃河流域主要物種所需最基本的生境條件出發，在不考慮各類物種生境的空間異質性的條件下，采用地理信息系統技術和統計學分析方法，選取土地利用類型、地形、人類活動等指標因子，構建生境適宜性評價模型，對黃河流域2001—2013年潛在生境適宜性變化進行研究，以期從整體上為黃河流域生物多樣性保護和可持續發展提供數據支撐。

1 研究區概況

黃河流域（圖1）西起巴顏喀拉山，東臨渤海，南至秦嶺，北抵陰山，流域面積7.95×105km2。黃河發源于青藏高原巴顏喀拉山北麓，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古自治區、山西、陜西、河南、山東等9省、自治區，在山東墾利縣注入渤海，干流全長約5 464 km。地勢西高東低，從源頭到內蒙古自治區托克托縣河口鎮為上游，河長3 472 km；河口鎮至河南鄭州桃花峪為中游，河長1 206 km；桃花峪以下為下游，河長786 km。流域年平均氣溫在-4-14 ℃，年降水量在300-600 mm之間，年徑流量5.74×1011m3，年均輸沙量約1.6×1010t。流域內土地利用類型多樣，主要為草地、林地和耕地等。流域內分布30多個自然保護區，其中國家級生態保護區9個。

圖1 研究區示意圖Fig. 1 Location of study area

2 研究方法與數據來源

2.1 生境適宜性評價模型的構建

2.1.1 評價指標體系選取與分級 在生境適應性研究中，土地利用現狀與變化、自然保護區數量與分布、地形地貌以及距離交通干線、飲用水源地距離等因素是優先考慮的要素[3-7]。本文選取土地利用類型、距水源距離、高程、坡度、距保護區距離、距道路距離這6個因子作為生境適宜性評價指標。在土地利用類型因子中，濕地往往是動物棲息的理想場所，林地次之，建設用地和裸地受人為干擾強，基本不適合居住[18]；在距水源距離因子中，越近水源地越有利于維持較高的生物多樣性；在地形地貌因子中，高程低坡度緩的地方相對更適宜動植物的生存；在距保護區距離因子中，距離越近則生境狀況越好；在距道路距離因子中，道路對原始生境具有阻隔作用，使之破碎化，距道路越近，受影響越大。

根據各種統計資料、文獻及專家經驗，確定研究區不同指標因子對動植物生境的影響程度，將各個指標因子分等定級。對土地利用類型因子以濕地、林地、草地、耕地、建設用地和其他用地為劃分標準[4, 20-22]，距水源距離因子以500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m為劃分標準[9,12,18]，高程因子以1 000 m、2 000 m、3 000 m和4 000 m為劃分標準，坡度因子以15°、20°、30°、45°為劃分標準[2,6,11,18]，距保護區距離因子以0、500 m、1 000 m、1 500 m為劃分標準[7,12-14]，距道路距離因子以2 500 m、2 000 m、1 500 m、1 000 m[7,13,20]為劃分標準，分別賦值為5、4、3、2、1，數值越大表示該區域受到干擾程度越低，生境適宜性等級越高。具體劃分等級見表1。

2.1.2 生境適宜性評價模型 生境適宜性評價模型是基于生態位理論，由美國漁業與野生動物局開發，是目前生境適宜性評價研究中運用較多的一種模型[24]。生境適宜性模型公式如下：

式中：HSI為生境適宜性指數，n為因子個數，Ai為因子i的生境適宜性值，wi為因子i的權重。根據本文中選取的指標因子構建生境適宜性模型，公式如下：

表1 單因子適宜性等級劃分標準Table 1 Suitability rank standard of each single factor

式中：HSI為生境適宜性指數；AL、AD、AS、AR、AP和AW分別表示土地利用類型因子、高程因子、坡度因子、距道路距離因子、距保護區距離因子、距水源距離因子，WL、WD、WS、WR、WP、WW則表示各指標因子的權重。HSI值越大，說明處于該地區的生境質量越好，否則，生境質量較差。

2.1.3 指標因子權重的確定 本文使用基于加速遺傳算法的層次分析法（AGA-AHP）確定各指標因子的權重?；诩铀龠z傳算法的層次分析法(AGAAHP)，從判斷矩陣的一致性指標函數出發[25,26]，如公式（3）所示，將其看成非線性優化問題，將權重計算與一致性檢驗進行結合，通過不斷調整優化變量，可同時確定各層次元素的相對重要性和進行判斷矩陣的一致性檢驗。

式中：FCI(n)為一致性指標函數，Aik為判斷矩陣，Wk為優化變量，Wk>0，k=1，2，…n，

2.2 數據來源與處理

本文所用研究數據主要有全國生態功能保護區和自然保護區數據、2001-2013年的500 m×500 m分辨率的土地利用數據、2001-2013年的全國1∶1000000萬的水系和水資源分區數據、NASA發布的90 m×90 m分辨率的DEM數據、省級行政區劃數據。運用ArcGIS軟件對各個指標原始數據進行投影轉化和標準化處理，將像元分辨率統一在250 m× 250 m范圍內，然后對相關指標進行空間計算和分析。

3 結果與分析

3.1 生境指標因子適宜性等級

3.1.1 動態生境指標因子適宜性等級 依據表1對研究區的土地利用數據按濕地、林地、草地、耕地、建設用地和其他土地利用類型進行重分類，得到黃河流域2001年和2013年的生境適宜性等級分布圖（圖2）和2001-2013年的生境適宜性等級分布變化（表2）。

從圖2可以看出，黃河流域生境適宜性等級為3級的草地分布較廣，占的比重較大，主要分布在中上游的大部分地區；等級較高的濕地僅在上游的三江源區有零星分布，林地主要分布在關中平原的南北兩側；等級較低的耕地主要分布在中游的關中平原、汾河河谷地區和下游大部分地區。從時間變化來看（表2），2001-2013年間，黃河流域的生境適宜性等級有所下降，主要反映在各類型土地的面積變化上，其中生境適宜性等級為5的濕地面積減少了3.78×103km2，減少幅度為19.93%；等級為4級的林地面積雖有所增加，但變化幅度不大，為3.77%。而等級為2級的耕地面積增加了5.55×104km2，增加幅度為55.36%。主要由于黃河中下游地區人口的快速增長、對土地的剛性需求增加，使得大量的草地、未利用地被開墾、復墾；加之長期對黃土高原地區水土流失的治理，建壩淤地，使得黃河中下游地區的耕地面積不斷增加。

圖2 土地利用因子生境適宜性等級分布圖Fig. 2 Land utilization factor of habitat suitability level

表2 土地利用因子生境適宜性等級分布變化Table 2 The change of habitat suitability level distribution of land use factors

以距水源距離500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m為等級劃分標準進行重分類，得到了2001年和2013年的距水源因子生境適宜性空間分布圖（圖3）和距水源因子生境適宜性等級分布變化（表3）。

圖3 距水源距離因子生境適宜性等級分布圖Fig. 3 Distance from the water factor habitat suitability

表3 距水源距離生境適宜性等級分布變化Table 3 The change of habitat suitability level distribution of distance away from the water

由圖3可以看出，以距水源地為單因素進行生境適宜性分析，生境適宜性等級較高的地區主要位于黃河流域的干支流附近，水系發達的黃河上游地區和河套平原地區，其余地區的適宜性等級均較低。從各等級面積變化上看（表3），生境適宜性等級在4-5級的區域面積在逐漸增加，增加幅度均在10%以上，而生境適宜性等級為1級的區域面積減少了1.25×104km2，總體說明2001-2013年生境趨于好轉。3.1.2 靜態生境指標因子的生境適宜性等級 在本文選用的評價因子中，地形因子，距道路、保護區距離等指標因子的動態變化很小，可以認定為靜態指標。從距保護區距離因子來看（圖4a），生境適宜性等級為1級和5級的區域分布較廣，面積分別占總面積的44.04%和52.66%。其中生境適宜性等級為5級的面積為4.19×105km2，主要分布于黃河源頭、黃河中游以及黃河上游下沿河至河口鎮一帶，這些地方均有保護區的分布，在保護區內生境質量較好，適宜性等級較高。從距道路距離因子來看（圖4b），除交通網絡發達地區外，整體上生境適宜性較好，其中5級區面積為7.35×105km2，占92%，而1級和2級區共占流域面積的4.3%，主要分布在交通網絡發達的交通樞紐周圍，如中上游的蘭州地區、中游太原和西安地區、以及下游濟南等地。從海拔高程方面看（圖4c），黃河流域中下游的生境適宜性等級明顯高于上游地區，其中5級區面積為1.17×106km2，占15.7%，主要分布在東部中下游大部分地區，而黃河源頭及上游蘭州以上地區均為1-3級，海拔相對較高，供氧量不足，不適宜物種生存和發展。對地形坡度因子而言（圖4d），除黃河中上游和流域南部有些地區地勢稍有起伏外，生境適宜性等級在3-4級之間，整體上地勢較為平坦，其中5級區面積為7.95×105km2，占91.7%。

圖4 靜態指標因子生境適宜性等級分布圖Fig. 4 Distribution of habitat suitability level of static index factor

3.2 多因子綜合生境適宜性評價

黃河流域的整體生境適宜性是各個指標共同作用和影響的結果，本文采用基于加速遺傳算法（AGA）的層次分析法(AGA -AHP)來計算各生態因子的權重，權值越大，說明該因子對黃河生境適宜性的影響越大。參照部分文獻對各個指標在生境適宜性評價中的隸屬度和相對重要性研究[6-9,12-15]，通過兩兩比較和相關性原則，依次對各層次指標構建判斷矩陣Aik，再運用式（3）優化計算得到各指標因子權重（表4）。從表4可以看出，距保護區距離因子的權值最大，為0.458，說明距保護區距離因子對生物的生境選擇影響最大；其次是土地利用類型因子，為0.226；高程和坡度的權重值相對較低，說明地形對生物的生境選擇影響較小。通過計算得到最大特征根λmax=6.137，CI值為0.018 4，可認為研究中構造的判斷矩陣的一致性令人滿意，所獲得的各因子相對權值較合理。

通過表1對各個指標因子進行分級賦值，然后結合表4的各個指標因子的權重值，基于生境適宜性評價模型，在ArcGIS中計算每個柵格的生境適宜性指數，得到2001年和2013年兩期黃河流域生境適宜性指數空間分布圖（圖5）。從黃河流域生境適宜性空間的整體分布來看，黃河源頭及中游區因處于保護區內且河網水系密集，其生境適宜性較高；而上游蘭州至頭道拐一帶以及下游三門峽以下的區域生境適宜性則相對較低。

表4 不同指標的相對權重計算結果Table 4 Result of the relative weight of different indices

3.3 2001-2013年黃河流域生境適宜性變化

對黃河流域生境適宜性指數空間分布圖進行疊加，通過柵格計算器進行計算，得到2001-2013年黃河流域生境適宜性變化示意圖，如圖6所示。

圖5 黃河流域生境適宜性指數空間分布Fig. 5 Spatial distribution of habitat suitability index of the Yellow River

圖6 黃河流域生境適宜性變化Fig. 6 The change of habitat suitability in the Yellow River

由圖6可以看出，2001-2013年期間黃河流域生境適宜性變化不大。生境適宜性不變的區域面積為6.04×105km2，占整個流域面積的76.12%。生境適宜性變好的區域面積為1.25×105km2，占15.78%，包括上游的河套平原地區，中游的黃土高原區，關中平原西部、西北部地區；下游的黃河三角洲地區，主要與可持續發展戰略的實施和部分生態功能保護區的設立有關，例如在中游設立的黃土高原丘陵溝壑水土保持生態功能保護區和下游的黃河三角洲濕地生態功能保護區。生境適宜性變差的區域面積為6.43×104km2，占8.1%，其中明顯變差的區域主要集中在鄂爾多斯高原中西部、關中平原中部和寧夏平原中南部地區，主要是城市化進程加快及人類對土地的不合理開發利用等原因導致生境適宜性變差。

4 結論

本文選取土地利用類型、地形、人類活動等指標因子，構建生境適宜性評價模型，對黃河流域2001-2013年潛在生境適宜性變化進行研究。得出以下結論：

1）從整體分布來看，黃河上游生境要優于中、下游；源頭及中游因處于保護區內且河網水系密集，生境適宜性較高；上游蘭州至頭道拐一帶以及下游三門峽以下的區域生境適宜性則相對較低。其中距保護區距離因子對黃河流域的生境適宜性影響最大，權重值為0.458；其次是土地利用類型因子，權重值為0.226。

2）從變化趨勢來看，2013年黃河流域的整體生境質量要優于2001年，處于上升趨勢。生境適宜性不變的區域面積為6.04×105km2，占整個流域面積的76.12%。其中生境適宜性變好的區域面積為1.25×105km2，占15.78%，包括上游的河套平原地區，中游的黃土高原區，關中平原西部、西北部地區，下游的黃河三角洲地區；生境適宜性變差的區域面積為6.43×104km2，占8.1%，主要集中在鄂爾多斯高原中西部、關中平原中部和寧夏平原中南部地區。

5 討論

1） 本文選取機理模型中的生境適宜度指數（HSI）將影響生物物種繁衍和生存的環境因子定量化，采用基于加速遺傳算法的層次分析法（AGAAHP）從一致性檢驗函數出發，優化計算各指標因子權重，有效的避免了主觀打分造成的誤差。從權重大小排序來看，距保護區距離因子>土地利用因子>距水源距離因子>距道路距離因子>高程因子>坡度因子，距保護區距離因子的權重接近一半（0.458），說明生態功能保護區有利于生物多樣性的維持，因此，設立保護區是增加流域生境適宜性的有效方法。其次是土地利用類型因子和距水源距離因子，可以通過設置緩沖區對適宜性等級高的土地類型、水源地進行保護。通過本文的數據分析可知，距道路距離因子和地形因子的權重值較低，說明這些指標對研究區的生境影響程度不大。此外，本文主要從各物種的整體生境適宜性角度進行評價，因此選擇了一些有代表性的指標，未來可在本研究提出的指標權重分析方法的基礎上進一步豐富生境適宜性因子，進而提高分析的精度。

2）在定性分析黃河流域自然生態環境和社會經濟活動的基礎上，對黃河流域2001-2013年間的生境適宜性進行評價，得到黃河流域上游生境要優于中、下游。袁麗華等[28]、王翠翠等[29]通過對2000-2010年黃河流域的植被覆蓋率變化和水體岸邊帶生態健康綜合指數進行分析，得到NDVI從2005年來呈現快速增長的趨勢且西部和東南部偏高，北部低的特征；水體岸邊帶生態健康綜合指數升高，有改善趨勢，中上游生態健康狀況優于下游，從側面反映了研究期內黃河流域的生境在逐漸好轉。彭月等[30]通過對黃河流域寧夏段的生境適宜性進行評價，得出流域北部灌區和南部山區有明顯改善，中部的沙坡頭、紅寺堡和東部鹽池縣有惡化趨勢，基本上與本文研究結果吻合。

3）從整個流域宏觀尺度出發進行的生境適宜性變化分析不同于之前對特定區域內生態位類似的某種或者某類生物進行評價。以全流域生態系統和所有生態保護區為目標的適宜性分析，未考慮黃河流域主要物種的空間分布異質性，而是考慮了所選評價因子綜合影響的變化，為全流域整體生境適宜性變化提供細節。這樣避免了從物種所需生境條件出發評價帶來的困擾。現有研究對于特定區域尺度內生態位類似的某種或者某類生物進行適宜性評價，往往忽略了不同物種間的生境適宜性的同質性和異質性差別，如：哺乳類（食肉、食草）、鳥類（林鳥、水鳥）、兩爬（陸生、水生）、水生生物等，它們依賴的生境適宜因子完全不同，將所有生物糅合在一起進行適宜性分析，在有限的篇幅中很難完成。就本文的結果來看，在全黃河流域尺度來看，明確指出了適宜性的變化特點與空間分布。但是針對具體物種應用的可靠性還需在今后的工作中進一步完善。

致謝：由衷感謝北京師范大學地理學院的蔣衛國、袁麗華、張云飛等在本文寫作過程中提供的數據支撐與幫助。

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（責任編輯：王育花）

Study on the habitat suitability change of the Yellow River Basin from 2001 to 2013

FAN Qing-yu, HE Fu-hong, WANG Tao, CHEN Kun, LI Peng
（College of Resource and Environment Engineering, Ludong University, Yantai, Shandong 264025, China）

Habitat suitability assessment is the basis and key to the biodiversity conservation, which has great significance to the sustainable development at a basin scale. Land use type, elevation, topographic slope, and the distance from nature reserve, roads and water sources were selected as the index factors using GIS. Each index factor’s weight was calculated with Analytic Hierarchy Process based on Accelerating Genetic Algorithm (AGA-AHP). Habitat Suitability Index model (HSI) was then built to determine the change of habitat suitability in the Yellow River Basin from 2000 to 2013. The results showed that: 1) The distance from nature reserve followed by the index of land use type had the greatest impact on the habitat suitability of the Yellow River Basin, whereas the index of elevation and topographic slope exerted the minimum impact. 2) The habitat suitability from the source and the middle reaches of the Yellow River was relatively higher, whereas that from the upper reaches of the Yellow River Lanzhou to Toudaoguai and the area around the lower reaches of Sanmenxia was relatively lower. 3) In terms of temporal changes, the overall habitat quality of the Yellow River in 2013 was better than that in 2001, which showed an increasing trend over time. The area of region with increased habitat quality was about 1.25×105km2, which covered the upper reaches of Hetao Plain, the middle and north-west reaches of Guangzhong Plain, the lower reaches of the Yellow River delta, accounting for 15.8% of total area. The area of reduced habitat quality region located on the middle-west reaches of Erdos Plateau, the middle reaches of Guangzhong Plain and the South-central of Ningxia Plain, was about 6.43×104km2which accounted for 8.1% of the total area.

Yellow River Basin; Accelerating Genetic Algorithm; habitat suitability; Habitat Suitability Index model

Q958.1

A

1000-0275（2017）03-0519-08

10.13872/j.1000-0275.2017.0040

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Fan Q Y, He F H, Wang T, Chen K, Li P. Study on the habitat suitability change of the Yellow River Basin from 2001 to 2013[J].

Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(3): 519-526.

國家自然科學基金項目（41471223，41571077）。

范擎宇（1990-），女，湖南衡陽人，碩士研究生，主要從事自然災害風險研究，E-mail：qingyufqy@126.com；通訊作者：何福紅（1978-），男，湖南衡陽人，博士，副教授，主要從事土壤侵蝕與3S技術應用教學和研究，E-mail：fuhonghe@ldu.edu.cn。

2017-02-15，接受日期：2017-04-13

Foundation itteemm:: National Natural Science Foundation of China (41471223, 41571077).

Corresponding authhoorr:: HE Fu-hong, E-mail: fuhonghe@ldu.edu.cn.

Receiivveedd 15 February, 2017, Accepptteedd 13 April, 2017