基于InVEST模型的甘肅白龍江流域生境質(zhì)量時空分異

鞏 杰, 馬學(xué)成, 張玲玲, 柳冬青, 張金茜

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實驗室, 蘭州 730000)

生境質(zhì)量是指生態(tài)系統(tǒng)能夠提供給物種個體、種群、群落以及人類持續(xù)生存和繁殖所需條件的能力[1]；可用于表征區(qū)域地類景觀斑塊生態(tài)適宜性好壞，其數(shù)值大小能夠反映區(qū)域生境斑塊的破碎程度和各景觀斑塊對生境退化的抗干擾性[2-4]。大中尺度上開展生境質(zhì)量時空分異演變研究，是對自然生態(tài)系統(tǒng)健康識別、界定和保育的基礎(chǔ)，也是區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價與可持續(xù)發(fā)展管理的前提條件，對制訂區(qū)域保育政策具有重要意義[5]。為此，國內(nèi)外一些學(xué)者開展了不同區(qū)域的生境質(zhì)量分析。Valero等[6]運(yùn)用河岸帶植被指數(shù)(Riparian Forest Quality Index)和河流生境指數(shù)(Fluvial Habitat Index)開展了西班牙加利西亞河流生境質(zhì)量研究，楊建強(qiáng)等[7]采用生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)法分析了萊州灣的生境質(zhì)量，王瓊等[8]運(yùn)用層次分析法(AHP)開展了蒲河流域生境質(zhì)量評估。上述研究多傾向于建立生境評價指標(biāo)體系來評估生境質(zhì)量，其結(jié)果準(zhǔn)確，但時效性相對較差，而在大中尺度區(qū)域上進(jìn)行長時序列生境質(zhì)量時空分異的報道較少，尤其是易災(zāi)型山區(qū)流域生境質(zhì)量的研究報道更為鮮見。近年來，隨著3S技術(shù)和生態(tài)模型的發(fā)展，區(qū)域生境質(zhì)量評估逐漸趨向于模型化、空間化、定量化及精細(xì)化，如許多學(xué)者利用SolVES模型[9]、HSI模型[10]、InVEST模型[11]等，在自然保護(hù)區(qū)[12]、流域[3]、區(qū)域[13]等尺度上對生境質(zhì)量進(jìn)行分析研究。其中InVEST模型是目前較為成熟且應(yīng)用最多的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型[14]，其可靠性高[15]。

InVEST模型是由美國斯坦福大學(xué)和世界自然基金會等機(jī)構(gòu)研發(fā)的一種可以量化多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估模型，如產(chǎn)水量、土壤保持、水質(zhì)凈化等，具備導(dǎo)入數(shù)據(jù)量少、輸出數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，正被用于全球或區(qū)域不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估[11,16]。甘肅白龍江流域位于青藏高原、秦巴山區(qū)和黃土高原的脆弱過渡帶，同時也是長江上游重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)屏障，境內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，自然災(zāi)害頻繁[17]，生態(tài)環(huán)境脆弱，嚴(yán)重威脅流域自然生態(tài)與人類生產(chǎn)活動。因此，本文以甘肅白龍江流域為對象，運(yùn)用RS/GIS技術(shù)和InVEST模型對其1977—2014年的生境質(zhì)量進(jìn)行分析，擬揭示甘肅白龍江流域生境質(zhì)量時空演變特征，旨在為流域自然生態(tài)系統(tǒng)保育與社會—經(jīng)濟(jì)—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供參考價值。

1　研究區(qū)概況

白龍江發(fā)源于四川省與甘肅省交界的碌曲縣郎木寺鎮(zhèn)，為嘉陵江上游的第一大支流，河源海拔4 072 m，河道全長576 km，流域面積為3.18萬km2。甘肅白龍江流域(32°36′—34°24′N，103°00′—105°30′E)位于甘肅省東南部，面積約1.8萬km2(圖1)，地處秦嶺地質(zhì)構(gòu)造褶皺帶，新構(gòu)造活動強(qiáng)烈，溝深坡陡，地勢總體西北高東南低，地形起伏大，主要地貌類型有山地地貌、河谷地貌及黃土地貌，屬于亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)，夏季高溫多雨，冬季溫涼少雨，年均氣溫6～15℃，年均降水量400～850 mm。土壤以黃棕壤、棕壤、褐土、黑鈣土為主。植被覆蓋較好，森林廣布，流域源頭屬青藏高原高寒植被區(qū)，中上游以暖溫帶落葉闊葉林區(qū)為主，下游多為亞熱帶常綠闊葉林[18]，有珙桐(DavidiainvolucrataBaill)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、銀杉(Cathaya)、香果樹(EmmenopteryshenryiOliv.)、連香樹(Cercidiphyllaceae)、鵝掌樹(AcerpaxiiFranch)、紅椿(ToonaciliataRoem.)、南方紅豆杉(Taxuschinensis(Pilger)Rehd.var.)、水青樹(TetracentronsinenseOliv.)等多種珍稀瀕危植物以及國家一級保護(hù)植物7種，二級保護(hù)植物19種[19]；當(dāng)歸(Angelicasinensis)、黨參(Codonopsispilosula(Franch.)Nannf.)、大黃(RheumpalmatumL.)、紅芪(HedysarumpolybotrysHand.Mazz)、柴胡(Radixbupleuri)等藥用植物近700種；擁有大熊貓(Ailuropodamelanoleuca)、金絲猴(Rhinopithecusroxellana)、羚羊(Antidorcasmarsupialis)、短尾猴(Macacaarctoides)、麝(MoschusmoschiferusLinnaeus)、毛冠鹿(Elaphoduscephalophus)、鯢(Megalobatrachusjaponicusdaoidianuas(Blanchard))等20多種保護(hù)動物。流域內(nèi)自然災(zāi)害種類繁多，其中地質(zhì)災(zāi)害主要以滑坡、泥石流和地震為主[17]，其他災(zāi)害主要表現(xiàn)為旱災(zāi)、土壤侵蝕、霜凍、冰雹等(甘肅統(tǒng)計年鑒(1984—2014)及地方縣志)。至2014年末，流域內(nèi)人口為123.77萬人，國內(nèi)生產(chǎn)總值149.55億元，人均生產(chǎn)總值12 083元。

圖1甘肅白龍江流域位置及高程

2　研究方法

2.1　基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

土地覆被數(shù)據(jù)主要通過Landsat TM/ETM+影像目視解譯獲得，其遙感影像來源于美國地質(zhì)調(diào)查局和國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，分辨率為30 m，時段分別為1977年、1990年、2002年、2014年，月份為7—8月。根據(jù)中國土地利用分類的標(biāo)準(zhǔn)和白龍江流域土地資源利用的實際情況，將研究區(qū)土地利用類型劃為6大類，即耕地、林地(包括有林地、灌木林地、疏林地、其他林地)、草地(包括高覆蓋草地、中覆蓋草地、低覆蓋草地)、水域(包括河流、湖泊、水庫、坑塘等)、建設(shè)用地(包括居民地、工礦用地、城鎮(zhèn)等)、未利用地(包括沙地裸地、荒灘、高山積雪、高寒荒漠等)。對解譯數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)錂z查和錯誤修改，并利用野外定點(diǎn)數(shù)據(jù)對其進(jìn)行精度驗證，符合本研究精度要求。參考流域各縣區(qū)土里利用類型變更數(shù)據(jù)庫、甘肅省土地利用分布圖(1∶10萬，http:∥westdc.westgis.ac.cn/)和白龍江流域植被類型圖，對土地利用類型進(jìn)一步細(xì)分，建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫。

2.2　分析方法

(1) InVEST生境質(zhì)量模塊的原理是利用不同土地覆被類型的脅迫因子敏感度和外界威脅強(qiáng)度，考慮脅迫因子的影響距離、空間權(quán)重及土地受法律保護(hù)程度等因素，將生境質(zhì)量視為一個連續(xù)變量，由區(qū)域內(nèi)可供生物生存、繁殖和發(fā)展所需資源的多少來決定，繼而表征生物多樣性的豐富性，即生境質(zhì)量好的區(qū)域，其生物多樣性水平亦高，反之亦然[2-4,12]。具體計算過程如下：

(1)

(2)

式中：Qxj為土地覆被類型j中柵格單元x的生境質(zhì)量；Hj為土地覆被類型j的生境適宜度；Dxj為土地覆被類型j中柵格單元x的生境脅迫水平；k為半飽和系數(shù)，通常取Dxj最大值的一半；z為常數(shù)。R為脅迫因子數(shù)；y為脅迫因子r的所有柵格單元；Yr為脅迫因子r所占柵格單元總數(shù)；綜合考慮研究區(qū)特殊地理環(huán)境，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[17,20]與各縣縣志，文章選取對地表景觀影響較大的城鎮(zhèn)(人口大于5 000人)、居民點(diǎn)、人口密度、耕地、道路(國道省道和縣鄉(xiāng)道路)、綜合生態(tài)風(fēng)險源(滑坡、泥石流、地震、干旱、土壤侵蝕)定義為生態(tài)脅迫因子，并參考前人研究[2-4,12]對其賦值，見表1—2。ry為土地覆被類型柵格單元y中的脅迫因子r；柵格單元y中的脅迫因子r(ry)對生境柵格單元x的脅迫作用為irxy，公式為：

(3)

(4)

式中：dxy為柵格單元x與柵格單元y之間的直線距離；drmax為脅迫因子r的最大影響距離；wr為脅迫因子r的權(quán)重；βx為柵格單元x的合法可達(dá)性(或法律準(zhǔn)入程度或到達(dá)度)，本文因研究區(qū)缺失土地保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)，暫不考慮白龍江流域特定的土地保護(hù)區(qū)因素，將流域內(nèi)各土地覆被類型在國家法律法規(guī)上受到保護(hù)的程度認(rèn)為是平等均一的，系統(tǒng)將自動賦值為1，即完全到達(dá)；Sjr為土地覆被類型j對脅迫因子r的敏感性，取值0～1。

(2) 土地利用變化動態(tài)度(K)是定量描述區(qū)域一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型面積的變化速率，在一定程度上可以反映某種土地資源擴(kuò)張或萎縮程度[21]。其計算公式為：

(5)

式中：K為研究時段內(nèi)某土地利用類型的變化動態(tài)度；Ua和Ub為研究初期和末期的某土地利用類型面積(km2)；T為研究時段。

表1　脅迫因子的最大影響距離及其權(quán)重

3　結(jié)果與分析

3.1　土地利用變化

林地和草地一直是甘肅白龍江流域的主要覆被類型(圖2A)，占流域總面積的80%以上。1977—1990年，耕地和建設(shè)用地面積的增幅為39.8%和10.68%，其他覆被類型面積減小；1990—2002年，建設(shè)用地和耕地呈現(xiàn)增長態(tài)勢，年均增長率分別為2.69%和2.28%，林地面積減少量為563.07 km2，草地為171.48 km2；2002—2014年，建設(shè)用地和林地面積的增幅為61.81%和30.55%，耕地的減幅為35.59%。耕地在1977—2002年動態(tài)度為正值，2002—2014年為負(fù)值，其面積的減少速率相當(dāng)于1977—1990年的增長速率，林地則正好表現(xiàn)出與耕地相反的變化特征(圖2B)，這是因為1999年退耕還林還草政策實施以來，陡坡耕地逐漸退耕導(dǎo)致林草地的增加造成?？傮w上，1977—2014年草地、未利用地和水域3種覆被類型面積減少率約為0.5%，林地和耕地的增率為0.4%和0.36%，而建設(shè)用地的增率為3.7%，說明隨著當(dāng)?shù)厝丝谠黾蛹敖?jīng)濟(jì)發(fā)展，居民工礦用地、交通用地等建設(shè)用地快速擴(kuò)張，水域面積則因人為填埋及等影響而有所減少。

表2　生境適宜度及其對不同脅迫因子的敏感度

圖2　甘肅白龍江流域土地利用類型面積變化及其動態(tài)度

3.2　生境質(zhì)量變化

甘肅白龍江流域生境質(zhì)量時間變化見表3，1977年流域整體生境質(zhì)量較高，高值區(qū)(5～7)面積比重較大；1990年以來生境質(zhì)量整體較1977年有所降低，低值區(qū)(1～3)面積比重增加，高值區(qū)(5～7)面積比重減少；2014年流域生境質(zhì)量相對2002年有所改善，在流域西北部及東南部有一定變化(圖3C與圖3D)，相應(yīng)地高值區(qū)(5～7)面積比重有所增加。1977—2014年期間，生境質(zhì)量呈現(xiàn)出先降低后緩慢增加的趨勢，減幅和增幅為17%和25%，這是因為1977—2002年人們大面積的毀林開荒，使得林草地銳減，自然生態(tài)系統(tǒng)長時間的受壓導(dǎo)致景觀破碎化，生境質(zhì)量下降；隨著甘肅省于1998年啟動實施的天然林資源保護(hù)工程以及1999年啟動的退耕還林工程等生態(tài)建設(shè)政策的實施，加上流域內(nèi)環(huán)境保護(hù)與管理程度的不斷加強(qiáng)，到2014年流域生態(tài)環(huán)境得到一定改善，生境質(zhì)量相應(yīng)提高。

表3　甘肅白龍江流域生境質(zhì)量統(tǒng)計(1977-2014年)

甘肅白龍江流域生境質(zhì)量空間分布見圖3，其空間格局變化具有一定的規(guī)律性，生境質(zhì)量較高區(qū)域(數(shù)值大于0.42)面積所占比重較小，主要分布在流域西北部、文縣東南部及舟曲南部，集聚于白水江國家級自然保護(hù)區(qū)、迭部境內(nèi)的阿夏和多爾大熊貓自然保護(hù)區(qū)、達(dá)拉溝流域及林業(yè)發(fā)展區(qū)；生境質(zhì)量較低區(qū)域(數(shù)值小于0.16)面積所占比重較大，主要分布在人類活動相對頻繁的河谷地帶、城鄉(xiāng)聚落區(qū)、耕作區(qū)、裸地和低覆蓋草地等區(qū)域，集聚于舟曲—武都段白龍江近岸區(qū)及文縣和武都交界帶、宕昌西北部等。在縣域尺度上，迭部縣生境質(zhì)量最好，其次是文縣，武都區(qū)生境質(zhì)量較差。

圖3甘肅白龍江流域1977-2014年生境質(zhì)量空間變化

4　結(jié)論與討論

(1) 綜合分析1977—2014年甘肅白龍江流域不同土地覆被類型變化發(fā)現(xiàn)，林地和草地是該流域的主要土地覆被類型，占流域總面積的80%以上；而土地覆被類型的改變能夠影響生境斑塊之間的能量流和物質(zhì)流過程，繼而影響區(qū)域的生境分布格局和功能[22]，說明林草地的增加對流域生境質(zhì)量的改善和維持具有很重要的作用。

(2) 總體來看，甘肅白龍江流域生境質(zhì)量在研究期內(nèi)呈現(xiàn)出先降低后緩慢增加的趨勢。甘肅省政府2013年末發(fā)布的《隴南實施退耕還林工程紀(jì)實》中指出，二十世紀(jì)六七十年代的開荒運(yùn)動使隴南生態(tài)“滿目瘡痍”；1999年啟動實施退耕還林工程后，林地面積累計新增2 166.67 km2及森林覆蓋率提高1.5個百分點(diǎn)的客觀事實間接相符合，與本研究結(jié)果相近。甘肅白龍江流域生境質(zhì)量的空間異質(zhì)性也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，生境質(zhì)量較低的區(qū)域主要分布在人類活動強(qiáng)度高、自然災(zāi)害風(fēng)險較高的白龍江兩岸和宕昌西北部，以城鄉(xiāng)聚落區(qū)、耕作區(qū)、坡耕地和低覆蓋草地等最為突出。區(qū)域景觀格局的高度破碎化，會使生境退化程度加劇，景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性趨于降低，導(dǎo)致生境質(zhì)量下降；生境質(zhì)量較高的區(qū)域主要分布在流域西北部、文縣東南部及舟曲南部，集聚于自然保護(hù)區(qū)和林業(yè)管護(hù)區(qū)，如白水江國家自然保護(hù)區(qū)、阿夏及多爾自然保護(hù)區(qū)及宕昌縣官鵝溝風(fēng)景區(qū)等，這些區(qū)域受人類活動干擾相對較弱，這與其他學(xué)者[4,12，23]研究結(jié)果相似。

(3) 本文運(yùn)用InVEST模型時，進(jìn)行了模型參數(shù)本地化處理(包括對模型腳本修改和參數(shù)校驗)，并基于RS/GIS開展了流域生境質(zhì)量評價及其時空演變特征分析，研究結(jié)果說明該模型可在山區(qū)流域，特別是像甘肅白龍江流域這樣缺乏大量實測數(shù)據(jù)的易災(zāi)型流域，能夠替代其他復(fù)雜方法，對生境質(zhì)量變化做出快速而準(zhǔn)確的評價。因甘肅白龍江流域面積較大且地勢起伏劇烈，地貌復(fù)雜多變，缺乏大型野外觀測臺站，這在一定程度上制約著模型結(jié)果的精確驗證。本研究部分參數(shù)數(shù)據(jù)(如不同土地覆被類型對各生態(tài)脅迫因子的敏感度)來源于文獻(xiàn)、InVEST模型數(shù)據(jù)庫以及經(jīng)驗公式，而生境質(zhì)量機(jī)理相對復(fù)雜，加上指標(biāo)選取的不全面性和模型結(jié)構(gòu)的不確定性，分析結(jié)果有一定的誤差，但不會影響流域生境質(zhì)量的整體變化趨勢。建議后期進(jìn)一步優(yōu)化研究方案，理清生境質(zhì)量的機(jī)理，強(qiáng)化評估模型及其參數(shù)的適宜性，加強(qiáng)野外實測數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)本地化處理結(jié)果的準(zhǔn)確驗證，結(jié)合宏觀尺度的遙感觀測，更好地補(bǔ)充生境質(zhì)量在時間和空間尺度上的研究不足[24]。

(4) 綜合考慮流域生境高度脆弱和自然災(zāi)害頻發(fā)的現(xiàn)狀，為進(jìn)一步保育流域生境，開展生態(tài)建設(shè)和災(zāi)害風(fēng)險防范，實現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展，一些對策和建議如下：① 白水江自然保護(hù)區(qū)南部、武都東南部、拱壩河中上游及博峪河上游區(qū)域、宕昌縣南部迭山林區(qū)、迭部縣大部分區(qū)域主要是流域生境質(zhì)量優(yōu)良區(qū)域，土地覆被類型以森林為主，加上人類活動強(qiáng)度較弱，自然植被覆蓋良好，對于這些區(qū)域應(yīng)該繼續(xù)加強(qiáng)自然保護(hù)區(qū)的管理和維護(hù)，禁止亂砍亂伐，減少或者禁止人類活動對物種生存環(huán)境的干擾，積極實施生態(tài)工程，恢復(fù)自然植被，降低人類活動的擾動，保障流域生態(tài)安全。② 甘肅白龍江流域是甘肅省唯一具有河谷亞熱帶氣候及豐富生物資源的森林景觀區(qū)，水土流失嚴(yán)重，山洪、崩塌、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害頻發(fā)，造成強(qiáng)烈侵蝕及堆積物常常堵塞河流和道路，加上多數(shù)村莊都建在泥石流堆積扇上，嚴(yán)重威脅著居民生命和財產(chǎn)安全。因此，在做好山區(qū)災(zāi)害宣傳教育的同時，應(yīng)加大災(zāi)害監(jiān)測、防治與預(yù)警研究，同時實施移民搬遷和環(huán)境整治，開展滑坡泥石流等自然災(zāi)害綜合治理和環(huán)境修復(fù)[25]，優(yōu)化人類活動，提升流域生態(tài)安全水平和人地和諧關(guān)系。

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夏夜，蚊子飛舞在我頭上。蚊子時而落在臉上，時而落于耳邊。我從睡夢中醒來，用手拍打驅(qū)趕它。哪知秋后蚊子可不是舉手投足間一招兩式便可消滅的。蚊子飛來飛去，任我怎樣努力，把自己的臉都快打腫了，都不能將其正法。一時間，蚊子侵占了我的世界，整個天地之間似乎都是其嗡嗡聲。隨即睡意全無，心情憤怒。

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