基于土地利用變化的曲靖麒麟區生境質量時空演變

滕雙驕,區 智

(西南林業大學 園林園藝學院，云南 昆明 650224)

1 引言

當前，隨著多項國際項目將土地利用/覆被變化(LUCC) 作為全球變化的核心研究問題后，關于土地利用與生境質量相關方面的研究逐漸受到國內外學者的廣泛關注。通常認為土地利用除具有經濟、社會、文化和生產性功能外，還具有顯著的生態效應[1]，如對氣候變化、全球陸海相互作用、生態系統地球物理化學循環過程等產生重要影響[2～4]。隨著人口增加、經濟增長、社會發展，土地利用及其結構不斷變化，而這一變化能夠深刻影響生境斑塊之間的物質流、能量流循環過程，進而改變區域生境分布格局和功能．因此，生境質量高低依賴于其自身與人類土地利用之間的鄰接度及土地利用的強度，隨著周邊土地利用強度的增大，生境質量也隨之衰退[5，6]。深入探討土地利用與生態過程的關系對分析區域生態環境乃至全球環境的變化具有重要的意義[7]。InVEST模型因為數據獲取容易，體系構建相對完善、分析準確、操作簡單[8～10]的特點而被廣泛應用于生境質量評估中。因此，本文結合InVEST模型對城市生境質量時空演變進行分析，為土地資源可持續利用和區域生態安全格局構建提供建議。

國內外學者關于生境質量的評估研究主要有兩種：①通過大量野外實地驗證調查獲取相關參數，并構建相應的評價模型評估區域生境質量[11]，該方法由于數據獲取困難，可操作性差而未被推廣，較適合小尺度區域；②借助各種生態模型對生境質量進行定量評估，如HIS模型[12]、InVEST[13]模型、GUMBO 模型、MAXENT模型、SolVES[14～17]模型、ARIES 模型[18]等。其中，從研究內容來看，目前的研究主要有兩個方面：研究野生動植物活動區的生境質量或人類活動對其生境質量的影響[19～21]，二是某區域的整體生境質量評估[22]及其地形梯度效應[23,24]、生境質量時空演化及預測[25～27]等，基于土地利用時空變化對生境質量分析較少。因此，本文基于GIS技術和InVEST模型將云南省麒麟區生境質量變化進行定量分析，并將結果可視化。

2 研究區概況

麒麟區位于云南省東部，滇東高原中部，南盤江上游，東經103°29′～104°14′，北緯25°07′～26°06′之間。轄國土面積1552.84 km2。 地勢呈東西高，南北低，山地、河谷、丘陵，相互交錯。城區海拔1875 m。麒麟區屬北亞熱帶季風氣候。夏無酷暑，冬無嚴寒，干濕季節分明。年平均氣溫14.5 ℃，平均降雨量1008 mm，平均日照2096 h，平均風速2.7 m/s。

3 數據準備與研究方法

3.1 數據準備

數據來源包括：①遙感影像數據：分辨率為30 m的Landsat-TM遙感影像(2000年、2010年)、Landsat-OLI遙感影像(2020年)3期影像數據，來源于美國地質勘查局網站(http://www.usgu.gov/);②土地利用數據：分辨率為30 m曲靖市麒麟區2000年、2010年、2020年土地利用遙感監測數據，來源于中國科學資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn/)。

3.2 研究方法

3.2.1 土地利用特征

使用ArcGIS分析土地利用變化情況，利用土地利用變化圖和土地利用轉移矩陣分析2000～2020年曲靖市麒麟區不同的土地利用類型的時間空間變化和來源與構成。其次利用Fragstats從空間構型上進一步分析土地利用的特征及演變，從斑塊的景觀水平和類型上選取斑塊密度、邊緣密度、聚集度、香農多樣性、連通性指數進行評價。各指數計算方法和生態學意義可參閱文獻[28～30]。

3.2.2 生境質量評估模型

生境質量是指自然環境為個體或種群提供適宜生存條件的能力[31]，取決于生境對人類土地利用和土地利用強度的可接近性[32]。運用InVEST3.11.0模型生境質量模塊(Habitat Quality Model),In VEST模型是由斯坦福大學(Stanford University)開發, 大自然保護協會(The Nature Conservancy)和世界自然基金會(World Wide Fund for Nature)聯合支持的生態系統服務功能評估模型, 能輔助自然資源管理決策.在其生境質量子模塊中, 假定生境質量受制于反映人類活動強度的土地利用方式, 生境的范圍縮減或質量下降可能帶來區域土地利用生態效應的惡化。

(1)

式(1)中：Qxj為生境類型j中x柵格的生境質量指數；Dxj為生境類型 中柵格x所受脅迫水平；k為半飽和系數，一般設置為生境退化程度最大值的 1/2，z為模型默認參數，值為 2.5；Hj為生境類型j的生境適宜度，取值在0～1之間；生境質量值在0～1之間，值越高生境質量越好[33]。

生境退化度計算公式[34]：

(2)

建設用地，耕地是人為活動較為頻繁的土地利用類型，其易對生境質量造成的威脅，而裸地環境條件惡劣，對生境質量也有一定程度的影響。因此本文將建設用地、耕地、裸地設為生態環境的脅迫因子，參考已有的相關研究以及區域的實際特征[35]，進行威脅因子的敏感性、各個威脅因子的權重和最大影響距離的參數設置。耕地、建設用地和裸地的最大影響距離分別設置為5、12和3，設置權重分別為0.4、1和0.2，設置空間衰竭類型分別為線性類型、指數類型和指數類型；土地類型對威脅因子的敏感性具體參數設置如表1所示。為了深入了解曲靖市麒麟區的生境質量變化，將生境質量按照低(0～0.3)、較低(0.3～0.5)、中等(0.5～0.7)、較高(0.7～0.9)和高(0.9～1)劃分為5 個等級。

表1 土地類型對威脅因子的敏感性

4 結果與分析

4.1 土地利用狀況分析

4.1.1 土地利用類型變化

根據麒麟區2000～2020年不同土地利用變化情況(表2)可以看出：耕地、林地為研究區的主要地類，構成了景觀基質；建設用地劇烈擴張。2000～2020年研究區經歷了強烈的LUCC過程：林地面積減少18932 hm2,減幅最大，為12.28%；草地減少965 hm2,減幅為0.63%。耕地、建設用地、水體均有不同程度的增加；其中耕地劇烈擴張，增加14759 hm2，增幅高達9.57%；建設用地也有較多的增長，轉入4786 hm2，增幅為3.10%，且在2010～2020年擴張尤為明顯；水體轉入352 hm2，增幅達0.23%。因此，建設用地和耕地急劇擴張，林地資源快速減少是該時期曲靖市麒麟區土地利用變化的一大特點。

表2 2000～2020年麒麟區土地利用變化 hm2

為全面了解麒麟區土地利用變化的結構特征與各地類變化方向[35]，構建土地利用轉移矩陣(表3)。2000～2020年，研究區耕地中有83.47%較為穩定，未發生地類的轉換，減少的耕地主要轉出為建設用地和林地，分別占比5.81%和7.65%，并有2.78%和0.30%轉為草地和水體。林地也保留較多(75.12%)，減少的林地主要轉出為耕地，所占比例為20.84%，并有2.14%、1.57%和0.33%分別轉出為草地和建設用地和水體，說明耕地的侵占為林地減少的主要原因。草地中有12.34%保持穩定，有51.61%和24.67%轉出為耕地和林地，并有6.94%轉為建設用地，4.44%成為新增水體的主要來源，表明該地進行生態建設時存在著可能導致生境質量退化的毀草開荒行為。水體主要轉出類型為耕地，占比36.15%，此外有17.68%和13.36%分別轉出為建設用地和林地。建設用地呈現明顯擴張的趨勢，但仍有4.97%轉出為耕地。因此，林地、草地、水體轉為耕地、耕地轉出為建設用地是2000～2020年曲靖市麒麟區主要的土地利用變化類型。

表3 2000～2020年曲靖市麒麟區土地利用轉移矩陣 %

4.1.2 景觀和空間構型

由2000～2020年麒麟區景觀水平指數(表4)分析發現，研究區2000～2020年景觀斑塊整體上趨于整體化。斑塊密度總體上呈現下降趨勢；景觀形狀指數逐漸降低，景觀形狀趨于簡單化；連通度指數降低，各景觀之間的連通性減小，斑塊空間分布趨于零散；香農多樣性指數增大，各景觀結構異質性減弱，有均衡化的趨勢。2000年，林地在各景觀組分中所占比例最大，約為62.82%，構成景觀基質。耕地面積占比32.60%，也是重要的景觀組成部分。2020年，建設用地的擴張加之林地的減少和耕地的增加，各景觀組分所占面積差異變小，是多樣性指數的逐年增加的主要原因。

表4 2000～2020年曲靖市麒麟區景觀水平指數

由2000～2020年麒麟區類型水平景觀指數(表5)發現，耕地在2000～2020年斑塊密度增加，邊緣密度先增后減，整體上減少，邊界形狀簡單化，斑塊聚集度整體上增加，呈空間整體化發展；草地斑塊密度減少，邊緣密度先增后減，整體上呈減少，邊界形狀簡單化，斑塊聚集度增加，呈現空間整體化趨勢；林地斑塊密度整體上增加，邊緣密度減少，邊界形狀簡單化，斑塊聚集度整體上減少，呈空間破碎化趨勢；水體斑塊密度減少，邊緣密度整體上減少，邊界形狀簡單化，斑塊聚集度增加，呈現空間整體化趨勢；建設用地斑塊數目增多，邊緣密度增加，邊界形狀復雜化，斑塊聚集度先增后減，整體上減小，斑塊破碎化程度高。

表5 2000～2020年曲靖市麒麟區類型水平景觀指數

4.2 生境質量變化

4.2.1 生境質量時空變化

生境質量值越接近于1，說明區域生態環境受威脅因子的影響越小，生境質量越好。由2000～2020年曲靖市麒麟區生境質量變化(表6)可看出，曲靖市麒麟區生境質量水平總體較低。研究區生境質量低等級和較低等級占比最大，中等和較高等級占比較小，高等級占比最小。2000～2020年研究區生境質量整體上降低：高、較高和中等等級區域面積呈現明顯減少趨勢，低等級區域面積呈明顯增長，研究區整體生境質量呈降低趨勢。生境質量隨著建設用地和耕地的擴張降低的較為明顯趨勢，生境質量的降低受人類活動的影響較大。

表6 2000～2020年曲靖市麒麟區生境質量變化

4.2.2 生境退化度時空變化

生境退化指數越高表示威脅因子對生境質量的潛在破壞程度越高，發生生境質量降低的概率越大。2000、2010和2020年研究區平均生境退化指數分別

為0.07、0.13和0.15。由表7可知，2000～2020年曲靖市麒麟區生境退化指數逐年升高，生境質量下降的概率有所增加：生境退化指數在0～0.07,0.07～0.09范圍內的區域面積逐年減小，在0.09～0.15范圍內的區域面積逐年增加。并且，曲靖市麒麟區生境退化度總體表現為由中部向四周“低—高—低”的空間分布，中部地區生境退化的概率越來越高，且逐漸向四周發展，究其原因主要有以下2個方面：①中部地區耕地分布集中，來自人類活動的干擾較多，隨著建設用地和耕地向中部地區的擴張，生境質量下降概率較大，也反映出生境質量易收到人類工業和農業的影響，人類聚集區和工業活動頻繁的地區對動植物棲息地質量有一定的影響；②生境退化度指數隨著城市建設用地和農村耕地擴張不斷增大，中部生境退化區域在空間上呈現擴張趨勢，表明生境退化度受土地利用類型變化的影響明顯。

表7 2000～2020年曲靖市麒麟區生境退化指數變化

5 結論與討論

(1)2000～2020年期間，麒麟區土地利用變化較為顯著。時間變化特征表現為建設用地的擴張，耕地面積的增加，林地、草地面積的減少；各地類的轉換以草地轉為耕地最為突出，其次為林地轉為草地；耕地侵占林地草地實現擴張的情況也較為明顯?？臻g構型變化上呈現景觀結構異質性減弱的趨勢，且除建設用地外，各地類空間分布趨于整體化。

(2)2000～2020年麒麟區生境質量呈現下降趨勢，自然生境面積不斷減少。研究區生境質量以低和較低等級為主；高等級多位于林地、草地，低和較低等級主要位于建設用地和耕地；且生境質量高、較高以及中等等級地區面積不段減少，低和較低等級面積不斷增加。

(3)2000～2020年間麒麟區發生生境退化的概率不斷增大。2000～2020年期間，研究區的生境退化指數不斷增大，生境退化概率逐年增加且與人類高強度活動區域重疊。生境退化指數在0～0.07,0.07～0.09范圍內的區域面積逐年減小，在0.09～0.15范圍內的區域面積逐年增加。

總體上，麒麟區的生境質量受土地利用變化的影響顯著，建設用地與耕地侵占自然生境是導致研究區生境質量下降和生境退化度提高的主要原因，不合理的人類活動可能會導致生境退化成為現實。合理約束建設用地的擴張以及“退耕還林還草”都是改善生境質量的有效手段。