土地利用變化對青海湖流域生境質量的影響

韓艷莉 ，陳克龍 *，于德永

1. 青海師范大學地理科學學院，青海 西寧 810008；

2. 青海省自然地理與環境過程重點實驗室/青海師范大學，青海 西寧 810008；

3. 北京師范大學地理科學學部，北京 100875

土地利用變化是生態環境發生變化的主要因素之一，土地利用變化蘊含大量人類活動信息，它通過干預景觀類型和空間格局對景觀生態環境質量產生影響（Mooney et al.，2013；Lawler et al.，2014；劉紀遠等，2018）。全球工業化的快速發展、城鎮化的迅速推進、農業集約化發展等造成的土地利用變化正劇烈影響著區域生態環境。土地利用變化被認為是全球環境變化的關鍵因素，土地利用變化對環境的影響多集中在大氣（于成龍等，2018）、土壤（張學雷等，2014）和水文過程（Meneses et al.，2015）；有關景觀生態（李苗裔等，2012）和生態系統服務價值（徐超平等，2010）方面的研究相對較少（張新榮等，2014；寇許，2017）。研究尺度以大尺度居多（田賀等，2017），中小尺度相對薄弱（趙東波等，2008）。城市化發展較快的東部發達地區研究較多，西部生態脆弱區的土地利用變化研究較少（許茜等，2017）。生境質量是生態環境本質屬性的客觀存在，是一定時間和空間中生態系統提供適宜個體與種群持續發展與生存條件的能力（肖明，2011），是一切生態系統功能和服務的前提和基礎，更是人類福祉提升的關鍵（王建華等，2008）。評估、模擬和預測生境質量的狀態、趨勢及其對人類福祉的影響，是當前國際生態系統服務研究領域的重要任務，也是國際生態學與地理學研究的熱點議題（王大尚等，2013；于丹丹等，2017）。

國內外學者就區域生境質量開展了大量案例研究，從研究尺度和研究方法上看，早期研究主要在單點、樣地尺度對野外動植物進行調查、統計、分析，并建立生境質量評價體系（楊建強等，2014；劉世梁等，2017）。隨著遙感和信息技術發展，生境質量研究逐漸擴展為區域，甚至全球尺度的模擬、反演和預測。生境質量評估模型主要有MAXENT模型（劉振生等，2013）、HIS模型（劉紅玉等，2006）、InVEST模型（包玉斌等，2015）、SolVES模型（王玉等，2016）等。InVEST模型是評估生態系統服務的主流工具，擁有多個模塊，以運行參數相對較少、基礎數據獲取較易、評估結果定量化和空間可視化等優勢而被國內外廣泛應用于生境質量、碳儲量、水源涵養、土壤侵蝕等生態系統服務評估中。目前，利用InVEST模型評估區域生境質量，并分析土地利用變化對區域生境質量的驅動機制相對較少。因此，本文以青藏高原高寒氣候區，對全球氣候變化高度敏感的青海湖流域為例，基于2005、2010、2015年三期土地利用數據，運用InVEST模型定量評估青海湖流域生境質量，分析近 10年生境質量時空分異特征，揭示土地利用變化作為驅動力對流域生境質量的影響，以期為區域土地管理與生態建設提供科學支撐。

1 研究區域及數據來源

1.1 研究區概況

青海湖流域位于青藏高原的東北部，是中國西北干旱區、西南高寒區和東部季風區的交匯區，是全球變化的敏感地區和脆弱生態系統的典型地區（李惠梅等，2012）。青海湖是中國最大的內陸咸水湖，是維系青藏高原生態安全的重要水體，阻擋西部荒漠向東蔓延的天然屏障，整個流域是生物多樣性保護和生態環境建設的重點地區。流域近似梭形，介于 36°15′—38°20′N，97°50′—101°22′E，海拔3194—5174 m，流域面積為29661 km2（圖1）。地勢西北高東南低，地貌復雜，屬于典型的高原半干旱高寒氣候，年平均氣溫介于-4.6—4.0 ℃，年平均降雨量介于 291.0—579.0 mm，且大部分集中在6—9月，年平均蒸發量達1300—2000 mm。青海湖流域主要河流有布哈河、沙柳河、哈爾蓋河、黑馬河和倒淌河，其中布哈河是注入青海湖最大的河流。草地、水域是流域內兩種主要土地類型。行政區域主要包括海北藏族自治州剛察縣和海晏縣、海西蒙古族藏族自治州天峻縣、海南藏族自治州共和縣的部分鄉鎮。

1.2 數據來源

本研究土地利用數據（2005、2010、2015年）來源于中國科學院資源環境科學數據中心《全國土地利用/覆被數據集》，空間分辨率為1 km；人口密度數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心《中國人口空間分布公里網格數據集》，空間分辨率為1 km；GDP數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心《中國GDP空間分布公里網格數據集》，空間分辨率1 km；DEM數據來源于地理空間數據云ASTER GDEM V2空間分辨率30 m。所有數據都統一采用阿爾伯斯等積圓錐投影（Krasovsky_1940_Albers），空間分辨率為1 km。

2 研究方法

2.1 基于InVEST模型評估生境質量

圖1 青海湖流域地理位置和地形圖Fig. 1 The geographic location and terrain map of QingHai Lake basin

InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs，生態系統服務和權衡綜合評估模型）于 2007年由美國斯坦福大學（Stanford University）、大自然保護協會（The Nature Conservancy，TNC）和世界自然基金會（World Wildlife Fund，WWF）共同開發（Kareiva et al.，2011）。InVEST生境質量模塊基本原理是將土地利用類型視作相應的生態系統類型或人類活動干擾因子，依據各生態系統類型對動植物的生境適宜性和干擾因子的威脅強度來模擬評估生境質量。將土地利用圖、生物多樣性威脅源地圖、威脅源相關數據、生境適宜性及對威脅源的相對敏感性等數據輸入模型中最終生成生境質量指數地圖。InVEST模型利用生境質量指數反映區域環境生境質量狀況，模型中生境質量指數被認為是一個連續變量，在柵格水平上是 0—1連續變化的數值，數值越大，表征生境質量越好，生態環境相應的結構和功能相對越完整，越有利于生物多樣性的維持；數值越小，表征生境質量越差，生態環境相應的結構和功能越不完善，越不利于生物多樣性的維持，生態環境越容易遭受外界擾動和破壞。搜集相關文獻（褚琳等，2018；鞏杰等，2018；李海萍等，2018；張大智，2018；鄭宇等，2018；鐘莉娜等，2017；孫興齊，2017；薛卓彬，2017；王宏杰，2016；張文華，2016；郜紅娟等，2016a；郜紅娟等，2016b；），對文獻中威脅源的類型、權重、生境敏感度賦值等進行統計分析，參照InVEST模型用戶指導手冊，并綜合考慮研究區特殊地理環境，選取城鎮、農村居民點、耕地、交通工礦建設用地、沙地、人口密度、GDP七類威脅源，并對生境威脅源及相關參數（表 1）和各土地利用類型生境適宜性及對不同威脅源的敏感度進行賦值（表2）。

表1 生境威脅源及其相關參數Table 1 Habitat threat factors and its attributes

采用InVEST 3.5.0版本中的生境質量（Habitat Quality）模塊估算研究區生境質量，計算公式如下：

式（1）中，j為生境類型；Qxj為生境類型j中柵格x的生境質量指數；Hj為生境類型j的生境適宜性；Dxj為生境類型j中柵格x所受脅迫水平；k為半飽和常數，通常取Dxj最大值的一半；z為歸一化常量，模型默認為2.5。式（2）中，R是威脅源個數；y是威脅源r中的柵格數；Yr為威脅源r的柵格總數；Wr是威脅源r的權重；ry為威脅源r對柵格y的脅迫值；βx為柵格x的可達性；Sjr代表生境類型j對威脅源r的敏感程度；irxy為柵格y的脅迫值ry對生境柵格x的脅迫水平；式（3）、式（4）中，dxy是柵格x與柵格y之間的直線距離；drmax是威脅源r的最大影響距離。本文耕地、交通工礦建設用地、沙地、人口密度威脅源選用線性衰減函數，城鎮、農村居民點、GDP威脅源選用指數衰減函數。

表2 土地利用類型的生境適宜性及對不同威脅源的敏感度Table 2 Habitat suitability of land use type and its sensitivity to different threat factors

通過運行InVEST模型，得到青海湖流域2005、2010、2015年三期生境質量圖。為了便于比較生境質量時空變化，在 ArcGIS中使用自然斷點法將生境質量分為高（1）、較高（2）、中（3）、較低（4）和低（5）5個等級，生成青海湖流域生境質量空間分布圖，統計 2005、2010、2015年各等級生境面積比例，分析不同時期青海湖流域各等級生境質量面積變化。

2.2 生境質量冷熱點分析

研究局部區域聚類分布特征的方法稱為熱點分析，是識別生境質量在空間分布上是否存在統計上顯著的高值區（熱點）和低值區（冷點）的方法（劉春芳等，2018）。運用ARCGIS 10.4.1軟件空間分析工具，采用 Getis-Ord Gi指數對青海湖流域2005、2010、2015 年生境質量進行分析（Getis et al.，1992）。該指數通過計算一個柵格的生境質量值及其周圍柵格的生境質量值的總和與所有柵格生境質量值的總和進行比較，分析生境質量在局部空間上的集聚情況。

3 結果與分析

3.1 青海湖流域土地利用變化

依據青海湖流域 2005、2010、2015年三期土地利用圖，得到三期各土地利用類型面積比例（圖2）及不同時段土地利用類型的面積變化（圖3）。青海湖流域主要土地利用類型是草地、湖泊、高寒荒漠、裸巖石質地、沼澤，占流域總面積的90%左右（圖2）。研究區三期各土地利用類型面積比例基本保持穩定，但主要類型均發生不同程度的變化（圖3）。2005—2010年，沙地面積增加了5.97 km2，增加比例為0.03%；草地面積減少了10.94 km2，減少比例為0.04%，其他類型面積變化較小。2010—2015年，湖泊、永久性冰川雪地、交通工礦建設用地面積增加，分別增加了63.70、7.96、7.96 km2，增加比例分別為0.22%、0.03%和0.03%；沙地、草地、灘涂、沼澤面積減少，分別減少了31.8、13.93、12.94、12.93 km2，減少比例分別為0.11%、0.05%、0.04%、0.04%，其他類型面積變化較小。

圖2 青海湖流域土地利用類型比例Fig. 2 Proportion of land use type in QingHai Lake basin

圖3 不同時段青海湖流域土地利用類型變化Fig. 3 Area change of land cover types in QingHai Lake basin in different period

3.2 青海湖流域生境質量時空變化

從空間格局看（圖4），青海湖流域三期生境質量整體表現為東南高、西北低。流域生境質量以第2等級為主（圖5），三期平均面積比例為43%左右。三期生境質量較高的（第1等級與第2等級）土地利用類型主要是草地、湖泊、沼澤和林地，面積比例分別為35.11%—47.79%、14.00%—14.6%、3.74%—5.17%和3.92%—4.66%。主要分布在青海湖及環湖區外圍（不包括青海湖東部）、青海湖北部、青海湖西北部；三期生境質量較低的（第4等級與第5等級）土地利用類型有兩大類：（1）人類活動強度高的居民區、耕地、交通工礦建設用地，面積比例較小，不到0.2%。主要分布于青海湖環湖區；（2）植被覆蓋度較低的草地、高寒荒漠、裸巖石質地和沙地，面積比例分別為11.15%—11.36%、5.61%—11.02%、6.99%—9.37%和 0.24%—2.24%，主要分布于流域西北部及青海湖東部。

從時間尺度上看（圖 6），2005—2010年，流域西北部、青海湖北部和東部、環湖區生境質量改善明顯，生境質量第3等級、第5等級面積比例分別減少了13.43%和25.34%，第2等級和第4等級分別增加了26.12%和20.82%，第3等級、第5等級主要轉化為2等級和4等級。2010—2015年，第2等級面積減少了 8.65%，第 3等級面積增加了0.85%，青海湖北部部分2等級轉化為3等級，生境質量有小幅度降低，但該時段生境質量第1等級面積比例增加了9.54%。因此，流域內生境質量局部有所降低，整體穩步趨好。2005、2010、2015年（圖5），生境質量第1等級和第2等級面積比例分別為 53.73%、71.67%、72.56%；生境質量第 4等級和第 5等級面積比例分別為 29.57%、25.06%、23.32%，生境質量整體趨好，改善的區域（圖4）主要位于流域西北部（布哈河、大小泉灣）、青海湖北部和南部（黑馬河一帶）、青海湖東部及環湖區。

圖4 青海湖流域生境質量空間分布圖Fig. 4 Spatial distribution of habitat quality in QingHai Lake basin

圖5 青海湖流域各等級生境質量面積比例Fig. 5 The proportion of habitat quality area of different grades in QingHai Lake basin

圖6 不同時段青海湖流域各等級生境質量面積變化Fig. 6 Change of habitat quality area of different grades in QingHai Lake basin in different periods

3.3 土地利用類型及其變化對生境質量影響

對青海湖流域 2005、2010、2015年各土地利用類型生境質量進行統計，三期各土地利用類型生境質量波動不大（圖7）。林地、草地、沼澤生境質量分別為0.66、0.57和0.59，生境質量較高。戈壁、高寒荒漠、裸巖石質地生境質量分別為0.41、0.44、0.48，生境質量偏低。2005—2010年，草地、沼澤面積下降，且作為威脅源的居民點、交通工礦建設用地和沙地面積增加，對其周邊生態環境干擾加強，研究顯示河流、裸土、居民點生境質量分別下降了0.09、0.04和0.02，河流生境質量下降顯著（圖8）。2010—2015年，河流面積略有增加（圖 3），河流生境質量第3等級面積比例下降了0.07%，第2等級面積比例上升了 0.10%，河流生境質量升高了0.11，生境質量改善最顯著（圖8）；青海湖面積增加了63.70 km2，增加面積比例為0.22%，面積變化最顯著（圖3），同期湖泊生境質量升高了0.06；作為威脅源的耕地面積減少，居民點、交通工礦建設用地面積增加，耕地生境質量升高了0.02，居民點生境質量降低了0.06，交通工礦建設用地生境質量升高了0.05。后者生境質量變化異常，究其原因主要是國家和地方政府大力實施的環境保護工程、生態環境綜合整治工程、生態修復工程等，使得威脅源干擾強度降低，工礦建設用地對周圍生態環境干擾減弱，生境質量改善。對比 2005—2015年土地利用類型變化（圖3）和生境質量變化（圖8），流域各土地利用類型面積及其生境質量相對穩定，但流域內的湖泊、永久性冰川雪地、居民點和交通工礦建設用地面積增加，沙地、低覆蓋草地、灘涂、高寒荒漠和裸巖石質地面積減少，使得對應時期河流、湖泊、耕地、高寒荒漠、裸巖石質地等生境質量變化顯著。

圖7 青海湖流域各土地利用類型生境質量Fig. 7 Habitat quality of different land types in QingHai Lake basin

圖8 不同時段青海湖流域土地利用類型生境質量變化Fig. 8 Change of habitat quality of different land types in QingHai Lake basin in different periods

3.4 生境質量冷熱點分析

從空間分布看（圖9），青海湖流域生境質量呈現西北冷環湖熱的特征，冷熱點與土地利用類型密切相關。熱點區域主要位于青海湖的北部和南部，土地利用類型主要為林地、草地、沼澤，分別占2005、2010、2015年三期平均熱點面積的63.41%、13.15%和 11.50%，三期平均生境質量為 0.69—0.78。冷點主要分布于流域西北部，土地利用類型主要為植被覆蓋度較低的草地、高寒荒漠、裸巖石質地，占2005、2010、2015年三期平均冷點面積分別為 43.57%、37.58%和8.9%，三期平均生境質量為0.10—0.37。青海湖東部冷點區域植被類型為沙地，植被覆蓋度低，生境質量為0.1。

從時間變化來看，2005—2010年，流域內置信度為 99%的冷點面積減少比例為 0.97%，置信度為90%的冷點面積增加比例為1.12%，表明流域西北部冷點區域生態環境有所改善。2010—2015年，流域內置信度為 99%的冷點面積增加比例為 0.79%，置信度為 90%的冷點面積減少比例為 0.87%，表明流域西北部冷點區域生境質量下降。青海湖北部置信度為 95%的生境熱點面積下降，表明青海湖北部熱點區域生境質量有所下降。

4 討論

4.1 青海湖流域氣候趨于暖濕

青海湖是中國最大的內陸咸水湖，水量變化對氣候變化十分敏感（張洪源等，2018）。2001—2009年青海湖水量上升速率為221 km2·a-1，2001—2016年為 450 km2·a-1（張洪源等，2018），與 2005—2010年相比，2010—2015年青海湖面積增加了 63.70 km2，增加比例為 0.22%，變化最顯著（圖 3）。青海湖湖水的主要來源是降水和入湖徑流量（白愛娟等，2014），人類活動和冰川融水貢獻甚微（李燕等，2014）。2010—2015年流域內高寒荒漠、灘涂和沙地面積減少比例分別為0.03%、0.04%和0.11%（圖3），部分常年性沙地、低覆蓋度草地面積減少，中覆蓋、高覆蓋草地面積增加（雷浩川等，2015），近年來流域內植被覆蓋持續增加（鮑文楷等，2018），該結果為青海湖水位上升和流域氣候趨于暖濕提供了新的證據。

圖9 青海湖流域生境冷熱點圖Fig. 9 Hot-spot and cold-spot analysis Map of habitat quality in QingHai Lake basin

4.2 植被與水文因素對氣候變化響應明顯

2005—2010年，草地面積減少比例為0.04%，沙地面積增加比例為0.02%。草地退化主要分布于流域西北部、北部（李玲等，2019），青海湖周邊近年來沙質荒漠化面積擴大（李燕等，2014）。人口增加、畜牧超載等原因，流域西北部、北部河流上游地區草原生態系統退化，徑流產流率降低（王學全等，2016）。研究表明，該時段河流生境質量下降了0.09（圖8）。河流生境質量降低的原因，除了人為原因導致植被退化進而影響徑流產流量下降外，還與該時段的氣候、水文因素有關。該時段的降水與往年基本持平、蒸發量在 2008—2010年顯著增加（張洪源等，2018），流域內草地的退化、沙質荒漠化、蒸發增強、地表徑流減小等自然以及人為因素使得河流生境質量出現小幅度的降低。本研究認為不論是人為還是自然原因，植被的變化引起水文要素的改變最終導致生態環境的改變，植被的變化是導致流域生態環境變化的直接因素。

2010—2015年，河流面積略有增加（圖 3），近年來研究區降水模式改變，降雨強度和降雨次數同時增加，增強了土壤含水量和土壤水庫（趙景波等，2012；金章東等，2013），地表徑流及入湖徑流量增加，流域內河流、沼澤等水分條件較好的區域歸一化植被指數（NDVI）增加較快（李曉東等，2018），中覆蓋、高覆蓋草地面積增加（鮑文楷等，2018），河流及其周邊生態環境改善顯著。研究結果顯示河流生境質量第 3等級面積比例下降了0.07%，第2等級面積比例上升了0.10%，河流生境質量顯著升高了0.11（圖8）。水量增多改善了植被生態環境和地下水徑流，促使整個流域形成一個良性水文循環（金章東等，2013）。植被、水文等因素對流域氣候變化響應明顯（朱延龍等，2012），氣候因素對水文因素的影響通過植被覆蓋度的變化凸現出來。在氣候暖濕化背景下，流域內植被、水文環境可能會持續改善，未來青海湖的水位可能還會繼續上升。

青海湖流域西北部、北部生境質量改善明顯，表現在：（1）戈壁、裸巖石質地和高寒荒漠三期土地面積持續減少，共減少面積比例為0.03%（圖3），三期生境質量均略顯上升。（2）2005—2010年，生境質量第 3等級、第 5等級面積比例分別減少了13.43%和25.34%，第2等級和第4等級分別增加了26.12%和20.82%。生境質量第3等級與第5等級主要轉為第2等級和第4等級，轉化區域主要位于流域西北部、北部（圖4）。（3）冷熱點研究結果顯示2005—2010年流域內置信度為 99%的冷點面積減少比例為0.97%，置信度為90%的冷點面積增加比例為1.12%。該時期流域西北部、北部低覆蓋度地類大面積轉變為中低覆蓋度地類，近年來流域內植被覆蓋度持續增加（鮑文楷等，2018），植被覆蓋度越高，生態環境越趨于好轉（王梓霏等，2019）。青海湖流域暖濕的環境不僅促進了植被覆蓋度的大面積增加，也促使了土地利用類型的小面積轉變，短時間內植被覆蓋度的變化比土地利用類型轉變更容易被監測。因此，植被覆蓋度比土地利用類型更能迅速反映區域生境質量狀況。土地利用類型是影響流域生態環境質量的關鍵因素和重要原因，植被覆蓋度則是反映區域生環境質量的直接指標，植被覆蓋度越高，生境質量越好，可見植被覆蓋度可以作為區域生境質量的指示因子，用來表征流域生態環境狀況。

4.3 人類活動對青海湖流域生態環境影響將持續增強

對比土地利用類型變化（圖 3）和生境質量變化（圖8），林地、草地、沼澤占流域面積比為59%，是研究區主要土地利用類型，對流域農牧業經濟發展、少數民族地區社會穩定、維持區域生物多樣性穩定等具有重要價值。草地、沼澤面積下降，且作為威脅源的居民點、交通工礦建設用地和沙地的面積增加，威脅源面積比例 2005—2010年增加了0.06%，2010—2015年增加了 0.12%，其中居民點和交通工礦建設用地增加明顯。同期冷熱點研究結果顯示青海湖北部置信度為 95%的生境熱點面積下降，研究顯示河流、裸土、居民點生境質量分別下降了 0.09、0.04、0.02。人口增多、旅游業、通訊業等迅速發展導致居民點、交通工礦建設用地面積增加，人類活動對流域植被、土壤、水文（河流水質、徑流等）等地理要素干擾增大，人類活動干擾下的土地利用變化是流域生態服務價值總量降低的主要原因（姜翠紅等，2016）。研究表明，人類活動對生態環境的干擾越來越強，在未來一段時間內可能會持續增強，生態環境對人類活動的反饋具有滯后性，環境負效應的積累和擴大不可小覷。

4.4 青海湖生境質量是流域生態安全的保障

2005—2015年青海湖面積持續增加，與 2005—2010年相比，2010—2015年青海湖面積增加顯著，增加了63.70 km2，增加面積比例為0.22%，變化最顯著（圖3），同期湖泊生境質量升高了0.06。湖泊生境質量第 1等級面積占青海湖面積的97.13%，占生境質量第1等級總面積的57.65%，占流域總面積的14.57%。因此，青海湖水體面積及生境質量可作為青海湖流域生態環境質量的重要指示因子（王梓霏等，2019）。流域中湖泊及湖周林地、草地等植被控制和調節著湖區及流域生態環境（陳克龍等，2008），青海湖水體對流域生態安全至關重要。

5 結論

（1）2005—2015年，草地、湖泊、高寒荒漠、裸巖石質地、沼澤是青海湖流域主要的土地利用類型，占流域總面積的90%左右。

（2）青海湖流域生境質量表現為東南高、西北低的特點。，2005、2010、2015年流域第2等級生境質量面積平均占流域面積43%以上。2005—2015年，流域生境質量整體趨好，局部有所降低。

（3）2005—2010年，在流域西北部、北部生境質量第3等級與第5等級主要轉為第2等級和第4等級，流域暖濕氣候促進了植被蓋度的大面積增加，植被覆蓋度越高生境質量越好。植被覆蓋度和土地利用類型是影響流域生態環境質量的重要原因。

（4）青海湖流域生境質量呈現西北冷環湖熱的特征，熱點區域主要位于青海湖的北部和南部，冷點主要分布于流域西北部及水熱條件不佳的高海拔地區。