基于土地利用變化的永定河流域生境質量評估

劉 曄，薛 萬 來

(1.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056000； 2.北京市水科學技術研究院，北京 100084)

0 引 言

生境質量指生態環境能夠為個體、種群或群落提供適宜生存發展的能力，開展區域生境質量調查對研究區域內生態安全與健康有著重要意義[1]。生境質量取決于棲息地與人類土地利用的接近程度以及這些土地利用的強度[2-3]。土地利用類型發生變化會直接改變區域內斑塊之間生境結構、功能及完整性[4-5]，進而影響區域內整體生態系統服務功能[6]。因此，探索區域內生境質量與土地利用之間的關系對于區域生態服務系統的構建以及景觀格局的優化具有重要的意義[7-8]。

科學認識評價流域生態環境基底狀況是開展流域綜合治理與生態修復的前提，國內外相關學者利用文獻研究、實地調查、數字模型等方式開展了大量研究。InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型因其可視化，數據產品較容易獲取等優點在全世界得到了廣泛的應用。其中，生境質量模塊(Habitat Quality)可快速得到不同格局下的生境質量分布情況，國內外學者運用該模塊從退耕還林[9]、城市邊界增長[10]、歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index NDVI)變化[11]等多方面，對綠洲、流域、高山等不同尺度[12-14]以及結合CA-Markov、Fragstats等情景模擬軟件[15-16]對生境質量進行了研究與分析。如2019年馬永強等[17]對寧夏彭陽縣1995～2015年生境質量進行了分析，并通過模擬土地利用預測出2020年生境水平，結果表明該區域生態恢復策略的實施和建設成效顯著。

永定河是“六河五湖”中的重要河流之一，永定河流域是貫穿京津冀生態功能區的天然走廊[18]。自20世紀80年代起，因上游來水減少、連續多年干旱等原因，永定河連續斷流近40 a，流域內生境質量嚴重受損[19]。2016年國家發展改革委會同水利部、國家林業局等共同啟動了永定河綜合治理與生態修復總體方案，提出以流域為整體將永定河恢復為綠色生態河流。永定河流域相關學者對其生態狀況也進行了大量的研究，2012年賈文娟[20]對永定河(河北至北京河段)流域基于土地利用，建立了包括生物豐度指數、土壤水分指數、水網密度指數等因子的生態環境質量評價體系，結果表明1978～2009年間，2000年生態環境質量相對較差。2020年王楚琦[21]分析總結了永定河流域落坡嶺水庫-大寧水庫內景觀空間格局特征的發展規律，結果表明永定河生態治理使得破碎度呈下降趨勢。但在永定河范圍內尚未見有關流域生境質量動態演變的研究，本文以永定河(官廳至屈家店河段)流域為研究對象，結合生境質量時空演變和土地利用景觀格局變化，并結合人口、經濟因子進行分析，深入識別生境質量演變規律及原因，以期為永定河生態系統服務功能健康格局與生態空間資源配置優化提供支撐和參考。

1 研究區概況

永定河是海河七大水系之一，發源于內蒙古高原的南緣和山西高原的北部，位于東經112°～118°，北緯39°～41°之間，流域面積4.70萬km2。本文研究區域為官廳至屈家店河段，長約255 km，流域面積0.468萬 km2，河流自官廳水庫入三家店，自三家店進入華北平原，流經北京市、河北省廊坊市，至天津市屈家店。其中，從幽州入境至梁各莊為北京河段，長約170 km。研究區域屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冬夏兩季氣溫變化較大。流域多年(1956～2015年)平均降雨量501 mm，降水年內分配極不均勻，大多集中在7～8月份[22]。研究區域如圖1所示。

圖1 研究區域地理位置及高程Fig.1 Location and elevation of study area

2 數據獲取與研究方法

2.1 數據來源與處理

1985，1990，1995，2000，2005，2010年和2015年7期土地利用覆蓋數據采用美國Landsat遙感影像，空間分辨率30 m。統一采用 CGCS2000_3_Degree_GK_CM_117E 坐標系。依據GB/T 21010-2017《土地利用現狀分類》，建立土地利用類型二級分類體系，包括6個一級類別和17個二級類別，如表1所列。數據處理和圖形生成通過 ArcMap 10.7 和InVEST 3.8.7軟件共同實現。

表1 研究區土地利用分類體系Tab.1 Classification of land use in the study area

2.2 研究方法

生境質量的高低程度是由自然、經濟以及人口等多重因素共同決定的，土地利用時空變化可直接反映人類活動與自然變化之間的和諧程度，是衡量生境質量的重要指標[23]；景觀格局指標可表征土地利用結構功能是否協調；經濟、人口等社會因素影響土地利用的格局變化，推動生態系統的發展[24-25]。因此，本文基于土地利用變化，結合社會因素，從景觀格局水平綜合評估研究區生境質量變化。

2.2.1土地利用景觀格局分析

首先，分析研究區域土地利用類型的時空變化。其次利用Fragstats 4.2軟件計算景觀格局指數，進一步分析研究區域景觀格局特征及演變趨勢。基于類似研究[21，26-27]，選取的指數有斑塊數量(NP)、斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(LPI)、聚集度指數(COHESION)、蔓延度指數(CONTAG)、香農多樣性指標(SHDI)，如表2所列。

表2 景觀格局指數描述Tab.2 Description of landscape indices

2.2.2InVEST模型

InVEST模型中的生境質量模塊(Habitat Quality)結合了關于土地利用和對生物多樣性的威脅信息，以繪制生境質量圖估算整個研究區中棲息地和植被類型當前的狀況及其退化狀態[8]。每個柵格的生境質量取決于自身作為生境的適宜情況[28]，即生境適宜度，閾值范圍0～1，越接近自然系統的生境適宜度越大，本文依據自然間斷點分級法將其分為低(0～0.2)、較低(0.2～0.4)、中等(0.4～0.6)、較高(0.6～0.8)、高(0.8～1.0)5類，以此量化評估結果。計算公式如下：

(1)

式中：Qxj為土地利用類型j中柵格x的生境質量；Dxj為土地利用類型j中柵格x的生境退化度；Hj為土地利用類型j的生境適合度；k為半飽和常數，取Dxj最大值的一半；Z為模型默認參數，通常取值為2.5。

(2)

式中：r為生境的威脅源個數；ωr為不同的威脅源權重；ry為威脅源強度；irxy為威脅源對生境每個柵格的影響，可依據線性或指數衰退選擇相應公式；βx為生境抗干擾水平；Sjr為每種生境對不同威脅源的相對敏感度。

(3)

式中：dxy為柵格x(生境)與柵格y(威脅源)的直線距離；drmax為威脅源r的最大影響范圍。

其中，各脅迫因子的最大影響距離、在空間上的衰減類型和權重，以及各生境類型對脅迫因子的敏感度參考InVEST 模型手冊[29]并結合相關文獻[30-31]以及永定河流域實際情況來確定并進行賦值(見表3，4)。依據Invest模型手冊，生境敏感度取值范圍為0～1，1表示該生境對威脅源敏感度極高，0表示該生境對威脅源無敏感度。適宜度取值范圍為0～1，1表示適宜度最高；其余生境越接近自然生態系統適宜度越大[32]，純人工環境生境適宜度為0。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化

1985～2015年間，耕地和林地是研究區域的主要地類，占研究區總面積的75%以上，是流域基質的重要組成部分，其中旱地占比達50%以上。30 a來研究區域土地利用的主要變化是城鎮用地的擴張以及旱地的縮減(見圖2)，其中，城鎮用地面積增加246.59 km2；旱地面積減少330.28 km2。此外，農村居民點和高覆蓋度草地面積分別增加118.97 km2和53.85 km2；灘地和其他林地面積分別減少71.67 km2和53.56 km2；其他土地利用類型面積變化較小。

表3 研究區威脅源最大影響距離、權重及衰減類型Tab.3 Threat and its maximum effect distance，weight and spatial decay type in the study area

表4 研究區生境適宜度及其對不同威脅源的相對敏感度Tab.4 Habitat suitability degree and its relative sensitivity to each threat in the study area

運用ArcGIS 軟件將1985年和2015年兩組數據進行疊加，獲得研究期內土地利用類型轉移矩陣(見表5)。1985～2015年研究區內土地利用轉移主要為旱地轉建設用地，約426 km2的旱地轉為建設用地。其中213 km2的旱地轉為城鎮用地，170 km2的旱地轉為農村居民點，43 km2的旱地轉為其他建設用地，這說明旱地是該研究區域建設用地增加的主要來源，且城鎮用地面積增加最大。研究期內水田和未利用土地較為穩定，僅發生了很小數量的轉移。

3.2 景觀格局變化

3.2.1類型水平分析

在基于土地利用時空變化分析的基礎上，對研究區景觀格局變化情況進行分析，從而進一步探討土地利用的變化(見圖3)。1985～2015年間，疏林地、其他林地和中覆蓋度草地的NP、PD數不斷減少，AREA_MN和COHESION指數不斷增加，說明這3種土地利用類型的破碎程度不斷減小。旱地的LPI指數最高，說明旱地一直是研究區域的優勢景觀。有林地的LPI指數雖呈波動減小趨勢，但數值僅次于旱地，一直是研究區域的第2優勢景觀。在2000年之后，建設用地的LPI指數迅速增長，它的NP、PD、AREA_MN、COHESION 指數均不斷增長。農村居民點的NP和PD數是研究區域內最高的，它的AREA_MN、COHESION、LPI指數均整體上升。

圖2 1985～2015年永定河(官廳至屈家店河段)流域土地利用分布及其變化Fig.2 Land cover distribution and changes of Yongding River (Guanting-Qujiadian section)from 1985 to 2015

表5 1985～2015年永定河(官廳至屈家店河段)土地利用類型轉移矩陣

圖3 類型水平的景觀格局指數變化Fig.3 Landscape index changes on class metric

3.2.2景觀水平分析

1985～2015年期間研究區域NP、PD呈波動上升趨勢，AREA_MN和CONTAG指數的波動下降趨勢說明在研究期間區域內破碎度程度升高，SHDI總體呈上升趨勢，更進一步體現研究區域破碎度程度升高(見表6)。

表6 景觀格局指數Tab.6 Landscape pattern index

3.3 生境質量評估

基于InVEST模型中生境質量指數來表征生境質量狀況，并結合土地利用變化來分析生境質量對土地利用的響應，模型分析結果如圖4所示。從圖4可以看出：1985～2015年間生境質量空間分布特征明顯，整體主要表現為北部高、南部混合、中部低的態勢，生境質量低等地區面積逐漸擴大。生境質量分布與土地利用類型分布變化趨勢大體一致，流域上游生境質量較高，以草地和林地等土地利用類型為主；流域中部地區生境質量較低，以城鎮用地和旱地為主。由于城鎮用地不斷擴張，導致城鎮周邊生境質量較低地區面積逐漸擴張，進而周邊生境質量指數稍高地區面積不斷減少。在流域上游生境質量較高地區，伴隨基礎交通設施逐漸完善，建筑物如農村居民點的修建使得生境被分割，但變化程度相比城鎮用地較弱。因此，城鎮用地的增加是研究區域生境質量的最大威脅。從時間變化看，平均生境質量指數從1985年的0.612 2降低到2015年的0.571 1；1990，1995，2000，2005年和2010年整體生境質量指數分別為0.610 6，0.608 1，0.598 4，0.590 6和0.574 1，呈逐年明顯下降趨勢。生境質量指數的標準差從0.334 6上升至0.370 0，說明每相鄰柵格單元間生境質量指數互異程度在增大(見圖5)。

圖4 1985～2015年永定河(官廳至屈家店河段)流域生境質量空間分布及其變化Fig.4 Spatial distribution of habitat quality of Yongding River Basin(Guanting-Qujiadian section)from 1985 to 2015

圖5 不同年份生境質量指數Fig.5 Spatial statistics of habitat quality in different years

根據生境質量評估結果，對每個級別的面積和占比進行統計，如表7所列。1985～2015年低生境質量比例明顯增多，從8.62%增加到17.16%，面積增加了399.58 km2；較低生境質量比例明顯減少，從47.58%降低到40.52%，面積減少了330.29 km2，但仍是研究期內生境質量面積占比最高的等級；其他等級的生境面積變化相對較小，其中高生境質量和中生境質量比例分別減少了1.78%和1.54%，較高生境質量比例增加了1.84%。

表7 永定河(官廳至屈家店河段)流域不同年份各等級生境質量比例

為更深入了解研究區域1985～2015年生境質量變化的時空特征，使用 ArcGIS 得到了生境質量變化圖(見圖6)。從圖6可看出：永定河(官廳至屈家店河段)生境質量上升區域面積較少，生境質量下降區域位于中部以下，尤其中部有較大面積下降。總體上看，1985～2015年生境質量下降區域主要位于中部，特別是北京市豐臺區和大興區，原因在于北京市近年來伴隨著經濟的快速發展，人口急劇增加，城市化進程快速推進[33]，人口持續增長使城鎮用地快速增加，進而威脅周圍自然生境，加速生境破碎、阻礙生境連通，最終導致研究區域內生境質量下降。

圖6 1985～2015年永定河(官廳至屈家店河段) 流域生境質量變化空間分布Fig.6 Habitat quality change map of Yongding River Basin (Guanting-Qujiadian section)from 1985 to 2015

從生境質量變化圖(見圖6)可以看出：雖然研究區域整體生境質量呈下降狀態，但是從盧溝橋至梁各莊河段河流岸線范圍內的生境質量明顯好轉。為進一步分析流域內生境質量變化趨勢，將永定河北京段河岸岸線范圍內的土地利用圖及生境質量指數圖單獨提取出來進行分析。

河流岸線內生境質量(見圖7)從空間上看：1985～2005年生境質量值呈現中部低兩端高的狀態，低值區主要集中在中部平原北段，平原北段是北京市西南門戶，人口密集，城市景觀擴張導致植被覆蓋面積減少，對河流岸線內生境造成影響。平原南段為地上河，灘地較多。北部山峽段，人口密度低，自然生態條件較好，植被覆蓋度高，生境質量相對保持穩定。

圖7 永定河河流岸線生境質量空間分布及其變化Fig.7 Spatial distribution of habitat quality of Yongding River

從時間上看，1985～2015年間生境質量低等及中等級面積下降，較低、較高和高等級面積有所增加，1985年中等級生境質量占比48.48%，較高等級占比4.48%，高等級占比22.36%；2015年中等級生境質量占比4.12%，較高等級占比50.82%，高等級占比23.65%。平均生境質量指數從1985年的0.610 2上升到2015年的0.727 7，其中最低值為1995年的0.539 1，最高值為2010年的0.728 2。

30 a間河流岸線內土地利用變化主要為灘地與城鎮用地面積的縮減以及高覆蓋度草地面積的增加，與生境質量指數呈相關趨勢。由上述分析可知，生境質量明顯變化時間段為2005～2010年。2009年北京市啟動永定河治理工程，發布《北京市永定河綠色生態走廊建設規劃》[34]，通過加強治污、沿河建設濱河綠帶、在河道及兩側增建綠化保護帶等措施，建立綠色河流生態系統。治理工程后生境質量明顯提高，說明該工程頗有成效并取得了顯著的生態效益。

4 討 論

1985～2015年，研究區域旱地面積減少了330.28 km2，減幅達到7.03%，破碎度有所減小，其原因是由于人類活動及城市化的推進使城鎮用地斑塊不斷擴大聚集，主要聚集在永定河平原北段且呈片狀分布，占據了周邊旱地，城鎮用地成為旱地、有林地之后第三大優勢景觀。城鎮用地的急劇擴張是導致研究區域生境質量下降的主要原因，這與韓會慶等[35]的研究結果相吻合。

基于上文對土地利用和生境質量的分析可知，城鎮用地的增加是該區域生境質量變化的最大威脅。城市化進程的推進、人口的增加、經濟水平的提升均是城鎮用地增加的驅動力，因此通過對人口、經濟變化的分析，進而分析研究區域生境質量變化的原因。

從人口因素看，北京市、天津市、河北省總人口都呈不斷上升趨勢。1985年三地人口分別為945.2萬，798.9萬，1 626.7萬人，2015年分別為1 333.4萬，1 016.7萬，7 592.7萬人，其中河北漲幅最大，年均增長率為61.12%，研究區域涉及到的張家口市及廊坊市年均增長率分別為69.56%和130.67%。1990～1995年間增長速率最快，期間生境質量指數下降0.41%，對生境質量變化影響不明顯，原因是張家口市及廊坊市占總研究區域面積較小。北京市占研究區面積最多，在1995～2000年間人口漲幅最大，達到17.72%，期間生境質量指數下降1.6%。

從經濟因素看，30 a間三地GDP增長了8 833.03%，9 312.21%，7 412.57%。第一產業均相對發展較緩，第二產業產值最高且發展較迅速，增長率為5 738.19%。第三產業發展最為迅速，增長率為12 366.86%。第二、三產業的高速發展，吸引大量外來就業人口，進一步增加了人口數量。

由圖8可知：三地人口數和GDP的平均值與研究區生境質量指數成負相關，且與GDP的擬合度更高，為0.910 1。城鎮用地面積與人口數和GDP均呈正相關，擬合度分別為0.899 3和0.726 2。說明城市化進程的推進，增加了人口數與GDP的同時使得城鎮用地面積迅速擴張，侵占周邊自然土地，增加研究區生境威脅，使得生境質量總體下降。

圖8 社會因素與生境質量關系Fig.8 Relationship between social factors and habitat quality

1985～2015年，永定河(官廳至屈家店河段)流域生境質量從0.612 2降低到0.571 1，景觀破碎程度總體呈上升趨勢，與鄧越等[34]對京津冀生境質量研究結果相一致。鄧越的研究結果顯示，2005～2015年京津冀生境質量下降，整體上景觀破碎度增加，因城市擴張約有2 295.05 km2耕地轉移為城鎮用地，導致生境質量下降且生境質量較低區域GDP值普遍較高，與本文中GDP與生境質量指數成負相關，擬合度為0.910 1的結論相一致。香農多樣性指數表明，2005年以后破碎化上升程度較之前有所減緩，2009年北京市積極開展的永定河治理工程提出建設綠色河流，促使人們主動保護綠化環境，減小人類活動對景觀破碎度的影響。

因此，未來決策者在土地利用規劃中應加強研究區內草地和林地等自然利用土地的保護力度，控制城鎮用地面積，在協調好經濟發展與生態保護的基礎上，維持生境質量總體水平。

5 結 論

(1) 耕地和林地是永定河(官廳至屈家店河段)流域主要地類，占比達75%以上，是該流域基質的重要組成部分，其中旱地占比達到50%以上。土地利用變化中城鎮用地急劇增加，面積擴張了246.59 km2，旱地急劇減少，面積縮減了330.28 km2，林地逐漸減少。主要的土地利用轉變類型為旱地轉城鎮用地、農村居民點和其他建設用地，表明旱地是研究區內建設用地增加的主要來源。

(2) 1985～2015年期間研究區域內破碎度程度總體上升，在2005年后上升速率減緩。疏林地、其他林地和中覆蓋度草地破碎程度不斷減小。旱地一直是研究區域的優勢景觀，其次為有林地和城鎮用地。

(3) 1985～2015年，研究區生境質量指數從0.612降低到0.571。生境質量指數分布具有顯著土地利用變化效應，生境質量下降區域主要位于流域中部，原因是該區域城鎮用地急劇擴張。河流岸線范圍內生境質量整體呈上升趨勢，主要隨城鎮用地和高覆蓋度草地面積的上下變化而變化，表明北京市對永定河綠色生態走廊建設規劃的實施成效顯著。

(4) 人口、GDP均與城鎮用地面積呈正相關，擬合度分別為0.899 3和0.726 2，與生境質量呈負相關，擬合度分別為0.698 1和0.910 1，GDP與生境質量的擬合度更高。因此城鎮用地是研究區生境質量最大威脅源。因此，今后可進一步加強對草地和林地的保護，控制城鎮用地面積，減少建設用地擴建對研究區生境質量帶來的負面影響。