近30年嫩江流域生境質(zhì)量變化及其驅(qū)動力分析

艾 昕，李 航，孫 麗

(哈爾濱師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 引言

自21世紀(jì)初，生態(tài)環(huán)境愈趨嚴(yán)峻，全世界的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以及服務(wù)價值都在不斷地下降，嚴(yán)重地影響到了各個國家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)的健康發(fā)展。現(xiàn)在人們已經(jīng)開始逐漸的意識到了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要性，但是如何合理地利用生態(tài)系統(tǒng)所提供的價值，以及怎樣保護(hù)生態(tài)環(huán)境，均是需要研究的問題[1，2]。在世界生境質(zhì)量持續(xù)下降的背景下，生境質(zhì)量及其服務(wù)已成為世界熱點(diǎn)問題。隨著如今社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對生境質(zhì)量的評估已成為社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。嫩江流域作為人們賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)，其擁有眾多支流、江心島嶼、航運(yùn)和水庫、引水灌區(qū)工程都容納了大量服務(wù)價值。然而，近年來隨著該區(qū)域人類的劇烈活動，導(dǎo)致了一系列的生境問題，另外黑龍江的嫩江地區(qū)分布著許多農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)，但是近年來黑龍江省為了響應(yīng)政府政策號召，力求為國家提供更加優(yōu)質(zhì)、產(chǎn)量高的商品糧，使得黑龍江省做出了許多的應(yīng)對方案，比如：土地整理、修建了很多大型灌溉渠、不斷地開墾以增大耕地量、引嫩水利工程，增大了嫩江流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)難度。一旦土地利用的面積發(fā)生變化，相對應(yīng)的將影響嫩江流域的生境質(zhì)量[7]，因此，開展長期的生境質(zhì)量變化分析并且研究其驅(qū)動力對該地生境的影響重要性對嫩江流域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。

2 研究區(qū)概況

嫩江流域的地理坐標(biāo)為119°12′～127°54′E，44°02′～51°42′N。全長1490 km，占松花江流域52%的面積29.7萬 km2。嫩江始于大興安嶺的伊勒呼里山，經(jīng)過黑河、呼倫貝爾，白城市等縣市，并入松花江，是松花江最大支流[20]。嫩江流域徑流，除春季會有少量的冰雪融水外，主要來自大氣降水[7]。嫩江流域位于中國東北松嫩平原的農(nóng)牧交錯帶。中國在松嫩平原擁有許多大型的商品糧基地，富產(chǎn)玉米、土豆、大豆、水稻、小米、大米、高粱、甜菜、瓜子和亞麻[7]。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)中國科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)資料，從中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心選取1 km分辨率的嫩江流域的土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集中選取1980、2000和2015年3期的土地利用數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

(1)將柵格大小統(tǒng)一設(shè)置為30 m，對1980年、2000年以及2015這3個主要時期嫩江流域的土地利用數(shù)據(jù)，統(tǒng)一進(jìn)行采集和處理。運(yùn)用ArcGIS把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性表統(tǒng)計(jì)計(jì)算、柵格計(jì)算和裁剪等方式進(jìn)行處理，通過ArcGIS軟件繪制了1990、2000和2015年3個時期的遙感影像圖 ，運(yùn)用面向?qū)ο蠓诸惙椒ǐ@取該區(qū)域植被覆被與土地利用空間分布數(shù)據(jù)，可以直觀地了解近 30年來嫩江流域植被覆蓋和土地利用的時空格局變化特征，從而得知嫩江流域各子流域近30年生境質(zhì)量的變化和生境退化程度，并對影響嫩江流域生境質(zhì)量狀態(tài)的主要環(huán)境背景因子進(jìn)行研究，由此尋找到引起嫩江流域生境質(zhì)量發(fā)生改變的主要因素。以該流域生境質(zhì)量變化及其驅(qū)動力分析為目標(biāo)，采用模型為In VEST 模型(該模型是由斯坦福大學(xué)、WWW(世界自然基金會)創(chuàng)立的)中的生境質(zhì)量模塊對嫩江流域進(jìn)行生境質(zhì)量評估，InVEST-HabitatQuality模型是通過建立土地利用/土地覆被與威脅因子間的聯(lián)系,同時也考慮不同威脅因子的影響距離不同及空間權(quán)重等因素,計(jì)算嫩江流域的生境質(zhì)量,由此分析該區(qū)域生境質(zhì)量的變化,尋找其變化的主要驅(qū)動力。

(2)設(shè)置威脅因子的影響距離表。該模型中，通過此影響距離表可以直接的在空間上反映所選取的威脅因子對該流域生境質(zhì)量的影響。可通過下式求得威脅因子的影響程度：

irxy=1-(dxy/dmax)iflinear,or

irxy=exp[-(2.99/dmaxdxy)]ifexponential

(1)

式(1)中，irxy表示威脅因子影響程度的大小；dmax表示威脅因子作用的最大距離；dxy表示兩個地類x，y之間的距離。

(3)確定針對不同的土地利用類型對不同的威脅因子的敏感度。不同的威脅因子對生境質(zhì)量的敏感程度不同，不僅要考慮威脅因子對這類生境類型的影響距離，還要考慮不同的生境類型對不同的威脅源的敏感度。In VEST 模型中的生境質(zhì)量模塊的基本評價單元就是柵格。生境質(zhì)量模塊的成功運(yùn)行需要嚴(yán)格按要求輸入以下5種數(shù)據(jù)：3個時期嫩江流域的土地利用的柵格數(shù)據(jù)(Current Land Cover(Raster))、生態(tài)威脅因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)集(Folder Containing Threat Raster(required))、威脅因子量表(Threats Data)、威脅可達(dá)性矢量圖層(Accessibility to Threats(vector))、不同的土地利用類型對各生態(tài)威脅因子的敏感度(Sensitivity of Land Cover Type to Each Threat, File(CSV))。因?yàn)槊恳坏仡愑兄煌纳尺m宜性，并且對受生態(tài)威脅的敏感程度差異也不同。根據(jù)中國科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心中的土地分類體系，本研究中選取的二級地類包括草地、湖泊、鹽堿地溝渠等自然棲息地類型，農(nóng)村居民點(diǎn)、城市土地、水田、旱地等人工棲息地類型。評估棲息地適宜性指數(shù)(棲息地)和敏感性，數(shù)值范圍為0～1。

(4)參照 In VEST 模型使用指南有關(guān)基本原理，把天然地類過渡到人工地類對威脅因子的敏感程度按由高到低原則來劃定以及具體到嫩江流域交通狀況、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和實(shí)地調(diào)研綜合分析，對研究區(qū)土地覆被類型對各生態(tài)威脅因子的敏感度進(jìn)行賦值(表1)，敏感度的取值范圍為0～1,1表示該土地利用類型對本研究所選取的威脅因子具有極高的敏感度，反之則無敏感度；并且在敏感度量表中，要求針對每一個土地利用類型都要相應(yīng)的給其進(jìn)行一個生境適宜度評分，范圍在0～1之間，1表示該土地利用類型有最高的生境適宜度，反之則具有最低的生境適宜度。由于本研究中二級生態(tài)系統(tǒng)類型的種類較多，故將屬于自然生態(tài)系統(tǒng)類型的生境適宜度設(shè)為1，非自然生態(tài)系統(tǒng)類型的生境適宜度設(shè)為 0。InVEST-Habitat Quality模型運(yùn)行結(jié)果為0～1的柵格連續(xù)值,即為生境質(zhì)量指數(shù)(Q)。本文根據(jù)嫩江流域的實(shí)際情況,將水田、旱地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、鹽堿地、水庫坑塘定義為威脅因子,其影響范圍及權(quán)重、生境適宜度、生境對威脅因子的敏感程度等參數(shù)，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[7～14]，生成了威脅因子量表(表 2)。

表1 土地覆被類型對各生態(tài)威脅因子的敏感度

續(xù)表1

表2 威脅因子量

(5)運(yùn)用InVEST成功輸出3個時期嫩江流域生境質(zhì)量文件后，利用ArcGIS獲得了嫩江流域3個時期的生境質(zhì)量評分的圖層，可以直觀地觀察到嫩江流域的生境質(zhì)量變化情況，利用ArcGIS分析嫩江流域生境質(zhì)量變化情況，統(tǒng)一圖例并進(jìn)行對比。本文將嫩江流域生境質(zhì)量分成極重要、較重要、中等重要、一般重要這4個等級見圖1～3,并運(yùn)用ARCGIS中以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計(jì)的工具來進(jìn)一步分析嫩江子流域的生境質(zhì)量變化情況，并且由此分析嫩江流域生境質(zhì)量的差異性及其時空格局演變規(guī)律。

圖1 1980年嫩江流域生境質(zhì)量分級

圖2 2000年嫩江流域生境質(zhì)量分級

圖3 2015年嫩江流域生境質(zhì)量分級

4 結(jié)果分析

4.1 嫩江流域生境質(zhì)量變化分析

1980年該流域生境質(zhì)量指數(shù)平均值為0.7784,其中等級為極重要的柵格數(shù)占全流域的49.42%，較重要的柵格數(shù)為27.57%;2000年流域生境質(zhì)量指數(shù)平均值降低到0.7759,等級為優(yōu)的柵格數(shù)占比下降到46．64%等級為良的柵格數(shù)占比下降到22.79%;2015年嫩江流域生境質(zhì)量指數(shù)平均值為0．7744,較2000年還呈下降趨勢,等級為優(yōu)的柵格數(shù)占比下降到44.53%,等級為良的柵格數(shù)占比下降到19．25%。

分析出嫩江流域生境質(zhì)量整體趨勢后，運(yùn)用ArcGIS輸出3個時期嫩江流域的子流域生境質(zhì)量圖表，做出總結(jié)歸納(表3)并輸出1980～2015年嫩江子流域生境質(zhì)量平均值變化統(tǒng)計(jì)柱狀圖(圖4,圖5)。發(fā)現(xiàn)總體上甘河以及固固河水庫以上這2個子流域生境質(zhì)量最好，但是下降趨勢較為明顯；阿倫河、塔河至江橋區(qū)間和江橋至白沙灘區(qū)這3個子流域在1980～2015年期間生境質(zhì)量下降幅度較大，其中江橋至白沙灘區(qū)生境質(zhì)量下降最為明顯；其他子流域的變化趨勢平緩。

圖4 1980～2015年嫩江子流域生境質(zhì)量平均值變化統(tǒng)計(jì)柱狀

圖5 1980～2015年嫩江子流域生境質(zhì)量平均值變化統(tǒng)計(jì)柱狀

4.2 嫩江流域的生境質(zhì)量變化的驅(qū)動力分析

自然環(huán)境因子雖對嫩江流域生境質(zhì)量變化起著基礎(chǔ)和關(guān)鍵性的作用,但影響趨弱,而社會經(jīng)濟(jì)因子和政策因子的影響逐漸增強(qiáng)[7]。并且有研究表明,隨著全球氣候變暖,1979～2015年間嫩江流域平均氣溫傾向率達(dá)0．31 ℃/10a[8～30]。流域內(nèi)氣候變暖導(dǎo)致其積溫增加,物候期提前,作物有效生育期延長,農(nóng)業(yè)耕種有向北、向高海拔地區(qū)不斷擴(kuò)展的趨勢,如黑龍江省將水稻產(chǎn)業(yè)向北推到48°30′N以北的高寒區(qū)[18]。這無疑會影響流域西北部縣域的生境質(zhì)量。這與因子檢測結(jié)果的發(fā)現(xiàn)(平均氣溫對流域生態(tài)質(zhì)量變化的貢獻(xiàn)率不斷上升)一致。年平均氣溫因素、單位面積GDP和人口密度的協(xié)同增強(qiáng)效果(其數(shù)值增長最顯著)是造成沿江流域生態(tài)質(zhì)量下降的主要原因。雖然保護(hù)區(qū)面積的單因子貢獻(xiàn)率很小，但是由于與其他因素的相互作用，對沿江流域的生態(tài)質(zhì)量開始產(chǎn)生保護(hù)作用。因此，流域東南部生境惡劣的集合區(qū)縣域(克山縣、拜泉縣、明水縣、安達(dá)市、肇東市、蘭西縣、呼蘭縣、肇源縣、大安縣、乾安縣、前郭爾羅斯蒙古、長嶺縣、通榆縣)致力于自然保護(hù)，持續(xù)降低生境質(zhì)量必須不影響地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

4.3 嫩江流域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)對策建議

總體來看,嫩江流域整體生境質(zhì)量較為良好,生境質(zhì)量指數(shù)平均值在 0.77 以上。近年來，由于人類活動影響，導(dǎo)致嫩江流域的生境質(zhì)量等級中的優(yōu)、良等級的柵格數(shù)占嫩江流域總柵格數(shù)的比例逐年下降，除極少部分子流域的生境質(zhì)量略有提高外，嫩江大部分子流域的生境質(zhì)量也在逐年降低 ，并且生境質(zhì)量下降趨勢趨于明顯，則說明嫩江流域的生境質(zhì)量總體是呈下降趨勢的。對比1980～2000 年嫩江流域生境質(zhì)量的退化趨勢,2000～2015年流域內(nèi)生境質(zhì)量退化趨勢略有增強(qiáng), 可能由于人類大規(guī)模的對自然資源進(jìn)行開發(fā)和利用、保護(hù)措施不到位和人們對環(huán)保意識不強(qiáng)的影響,嫩江流域生境質(zhì)量退化趨勢日漸明顯。

在探究其變化趨勢時，在4個自然環(huán)境因素中，除平均氣溫外，各威脅因素對流域生態(tài)質(zhì)量變化的貢獻(xiàn)率持續(xù)下降。社會經(jīng)濟(jì)因素和政策因素的貢獻(xiàn)率不斷上升。自然環(huán)境因素在沿江流域的生態(tài)質(zhì)量變化中發(fā)揮著基礎(chǔ)和重要的作用，但其影響逐漸減弱，社會經(jīng)濟(jì)因素和政策因素的影響不斷增強(qiáng)。

針對嫩江流域生境質(zhì)量呈下降趨勢，提出如下對策建議[21～25]：

(1)退耕還林是最關(guān)鍵的一點(diǎn)，因?yàn)槟劢饔蛄值孛娣e的損失主要是被大量開墾為了農(nóng)用耕地，并且需要嫩江流域的各地政府配合大力開展植樹造林活動以擴(kuò)大林地面積。

(2)杜絕過度放牧現(xiàn)象，應(yīng)合理放牧，使荒地逐漸恢復(fù)為草地，可以建設(shè)人工草場，來改善這個問題。

(3)土地的鹽堿化使得濕地面積逐年降低，濕地的調(diào)節(jié)功能是巨大的，被人類親切的稱為地球的“肺”，它對人類的價值是無法估量的。所以最重要的一點(diǎn)就是保護(hù)濕地，退耕還濕。希望當(dāng)?shù)鼐用裉岣攮h(huán)保意識，主動去保護(hù)、呵護(hù)環(huán)境。嫩江流域內(nèi)各地政府應(yīng)加大對嫩江流域的保護(hù)和恢復(fù)力度，讓我們共同為嫩江流域的生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)力量，讓嫩江流域的生境變得更加美好。

5 結(jié)果與討論

(1)近35年來,流域生境質(zhì)量指數(shù)呈不斷下降趨勢,由1980年的0．7764,下降到2015年的0．7744,下降速率不斷提高。

(2)流域內(nèi)生境質(zhì)量高的地區(qū)主要分布在嫩江流域的西北部,并且有逐年縮小的趨勢。而生境質(zhì)量較低的地區(qū)主要集中分布在流域的東南部，并且有逐年增大的趨勢。

(3)人口密度、單位面積GDP及其年均氣溫因子的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng),是導(dǎo)致流域生境質(zhì)量不斷下降的主要原因，但在與自然和社會經(jīng)濟(jì)因子的交互作用下,自然保護(hù)區(qū)建設(shè)等政策調(diào)控因子的保護(hù)作用開始顯現(xiàn)[7]。

嫩江流域作為重要的生態(tài)系統(tǒng)，為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┲薮蟮姆?wù)價值，但卻沒有被重視。使它在提供服務(wù)的同時，遭受巨大的傷害。濕地面積的減少給嫩江流域帶來了巨大損失，所以保護(hù)濕地對保護(hù)嫩江流域來說刻不容緩。本文旨在呼吁大家重視嫩江流域生態(tài)系統(tǒng)，正視它提供的服務(wù)價值。并給人類以警示，希望大家認(rèn)清現(xiàn)狀，重視保護(hù)嫩江流域的生態(tài)環(huán)境。