治溝造地背景下延安市生境質量時空演變特征

王 晶,胡 一,李 鵬,白清俊

1 陜西省土地工程建設集團有限責任公司,自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室, 西安 710075 2 西安理工大學水利水電學院,西安 710048 3 西安交通大學人居環境與建筑工程學院，西安 710054

黃土高原位于黃河流域中部,是中國古代文化的搖籃,同時也是“人-地”關系矛盾最突出的生態環境脆弱區,在黃河流域生態保護和高質量發展戰略中具有十分重要的地位。延安市是黃土高原最具代表性的城市,作為21世紀中國規模最大的生態環境建設項目“退耕還林工程”的重點區和示范區,延安市在退耕還林工程期間,生態環境顯著提升[1—2],但是隨著工程深入推進,產生了耕地面積減少,糧食安全危機等問題[3—4],且隨著城市發展和紅色旅游的興起,人口增長和城鎮化發展增強了對可利用土地的需求。因此,針對黃土高原丘陵溝壑區特殊地貌,為增加耕地面積,保障糧食安全,延安市啟動了集壩系建設、舊壩修復、鹽堿地改造、荒溝閑置土地開發利用和生態建設為一體的治溝造地工程[1]。

生境質量是指生態系統提供適宜物種生存和持續發展的能力,是衡量區域生物多樣性和生態系統服務價值的重要指標[5]。土地利用類型在空間上的配置不同,其生境質量也有所差異。人類活動能夠改變土地資源及其利用方式,土地利用變化對生境斑塊之間物質流、能量流的循環過程產生影響,從而影響區域的生境質量、分布格局和演變特征[6—7]。隨著3S技術的發展,相比較傳統實地調查采樣評估生境質量的方法,模型由于空間分析功能、數據獲取、評估精度、動態性等方面的優勢,越來越廣泛的應用于生境評價,如InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型[8]、SoLVES(Social Values for Ecosystem Services)模型[9]、ARIES(Artificial Intelligence for Ecosystem Services)模型[10]等。其中,InVEST模型生境質量模塊(Habitat Quality)中基于生境脅迫評估生境質量的方法在生境質量動態評估和時空變化分析方面應用更加廣泛[6]。國外學者多使用模型評估某種野生動物的生境質量[11—12]；國內學者的相關研究集中在流域[13—14]、省[15—16]、城市[17]、區域[18—19]尺度的土地利用和生境質量時空變化,以及人類活動對生境質量的影響[20]。

有學者指出延安的造地運動會破壞水系和生態系統[21],治溝造地工程引起的地下水位變化還會導致土壤鹽漬化問題[22]；但也有研究表明治溝造地項目能顯著提升區域植被覆蓋率,改善生態環境[23],促進區域生態系統良性演化[24]。目前前人對治溝造地工程生態環境影響的研究基本圍繞項目開展,工程實施前后區域生境質量是如何變化的？治溝造地與生境質量變化是否存在相關性？這些問題尚不明確。因此,本文以延安市為研究對象,基于遙感影像數據,運用ArcGIS和InVEST 模型定量分析了2010—2018年治溝造地前后延安市土地利用和生境質量的時空演變,剖析治溝造地與區域生境質量變化的關系,為治溝造地生態效益評價、黃土高原生態保護和高質量發展提供科學依據和決策支撐。

1 研究區概況

延安市(35°20′39″—37°53′31″N,107°38′59″—110°34′46″E)位于黃土高原腹地,黃河中游,東西寬256 km,南北長236 km,總面積37037 km2。屬半濕潤半干旱大陸性季風氣候,冬季寒冷干燥,夏季炎熱多雨,多年平均降水量為562.1 mm,7—9月降雨相對集中,且多暴雨,易誘發滑坡、水土流失等災害。全年平均氣溫9 ℃,平均無霜期179 d,農作物一年一熟有余,兩熟不足。延安市屬黃土丘陵溝壑區,地勢西北高東南低,北部以黃土梁峁、溝壑為主,占全市總面積72%；南部以黃土塬溝壑為主,占總面積19%；石質山地占總面積9%。“干流深切,支溝密布”是延安市河流水系分布的主要特征,境內1000 m以上溝道20889條。區內地形破碎,溝壑縱橫,沖溝下切強烈,地形坡度較大,水土流失嚴重。延安市轄1區12縣、16個街道辦事處、84個鎮、12個鄉,總人口219萬。2020年,延安市生產總值(GDP)1601.48億元,占陜西省的6.1%。

延安市治溝造地工程于2010年在寶塔區和子長、延川兩縣先行試點,2012年9月被列入國家土地整治重大項目給予支持,2013年11月正式批復[25]。項目涉及全市13個縣區,共197個子項目,集中實施在2013—2017年,完成建設規模36986.22 hm2,新增耕地7848.72 hm2,建成高標準農田28233.29 hm2,完成投資36.64億元(表1)。同時,2010年延安市退耕還林工程已進入成果鞏固階段,全市森林覆蓋率達36.6%,區域生態環境得到很大恢復。2013年,延安市啟動新一輪退耕還林工程,計劃逐步將25°以上坡耕地全部退耕還林,實現陡坡全綠化、林草全覆蓋。

表1 延安市各區縣治溝造地工程實施規模

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

延安市2010、2018兩期土地利用現狀遙感監測數據(分辨率均為30 m)來源于中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)。其中,2010年數據由LandsatTM遙感影像數據解譯而成,2018年數據用Landsat 8遙感影像數據解譯而成。按照劉紀遠等[26]建立的LUCC分類系統,將土地利用類型分為6個一級分類和18個二級類型。治溝造地工程規模數據來自延安市治溝造地領導小組辦公室。

2.2 研究方法

2.2.1 生境質量

采用 InVEST模型Habitat Quality模塊對延安市治溝造地前后生境質量進行評估。該模型利用每種地類威脅的相對影響、生境類型對每一種威脅的相對敏感性,生境柵格與威脅源之間的距離,用生境質量作為連接生物多樣性與不同土地覆被類型之間的指標。首先計算生境退化度[8]：

(1)

(2)

(3)

式中：Dxj為生境類型j中x柵格的生境退化度；R為威脅因子個數；Yr為威脅因子的柵格個數；Wr為威脅因子r的權重；ry為柵格y的脅迫值；irxy為柵格y的威脅因子ry對柵格x的脅迫水平；βx為威脅因子對柵格x的可達性(本文不考慮法律保護程度因子,因此將βx設為 1)；Sjr為生境類型j對威脅因子r的敏感度；dxy為柵格x(生境)與柵格y(威脅因子)的直線距離；drmax為威脅因子r的最大脅迫距離。生境退化度介于 0—1 之間,值越大退化程度越明顯。

生境質量計算公式：

(4)

式中：Qxj為生境類型j中x柵格的生境質量指數；Dxj為生境類型j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。

根據模型參數值設置原則[5]、相關文獻[15—18]以及熟悉該區域專家的建議,將受人類活動干擾大的城鎮用地、農村居民點、耕地、工礦交通用地及裸地定為威脅因子,生境質量威脅因子影響距離、權重以及各土地利用類型對生境威脅因子的敏感度具體數據見表2、3。

表2 威脅因子影響距離與權重

2.2.2 空間自相關分析

空間自相關是對空間臨近的區域單元屬性值相似程度和空間關聯模式的定量描述,用于揭示相鄰地域間某種地理現象在空間上的分布特征以及變量間的聚集程度,分為全局空間自相關和局部空間自相關。本文用這兩種分析方法進一步探討延安市生境質量在空間上的分布規律。

全局空間自相關分析可以判別區域整體生態質量的空間關聯情況,用于描述生境質量在整個區域上有無集聚效應,本文利用Moran′sI指數來探究延安市空間相關性,其計算公式為[27]：

(5)

式中,xi和xj為協調效率的觀測值；Wij為i和j的權重連接矩陣；Moran′sI的值介于 -1—1 之間,大于0 表示空間單元屬性呈正相關,反之表示負相關,值越大表示相關程度越高；趨于0,則表明空間單元隨機分布。

局部空間自相關可以識別局部相鄰區域間要素和屬性的關聯模式,本文采用Anselin[28]提出的空間關系局域指標LISA (Local indicators of spatial associations) 來識別延安市每個柵格的生境質量與其周圍柵格生境質量的空間差異程度及其顯著性水平,揭示生境質量在空間上同一屬性值的集聚和離散特征。其計算公式為：

(6)

式中：zi、zj分別為區域i、j上觀測值的標準化。

表3 不同土地利用類型生境適宜度及其對威脅因子敏感性

3 結果與分析

3.1 延安市土地利用動態變化特征

由表4可以看出,草地、林地和耕地是延安市土地利用面積最大的類型,比例分別約為47%,26%和25%,三者面積占延安市總面積的99%以上。其中林地主要分布在延安市西南和東南兩側黃陵、黃龍、宜川、富縣幾個區縣,耕地在子長、寶塔、洛川三縣分布較為集中,草地同時分布在全市各個區縣(圖1)。二級分類中,面積最大的是草地中的中覆蓋草地、耕地中的旱地和林地中的疏林地。

表4 延安市2010—2018年土地利用類型變化

圖1 2010和 2018年延安市土地利用類型圖Fig.1 Land use of Yan ′an city in 2010 and 2018

從2010—2018年延安市土地利用類型面積變化來看,主要為耕地、林地、草地三者互相轉化。林地、建設用地、未利用地及水域面積均有增加,其中疏林地面積增加最大,為139.22 km2；草地、耕地面積有所減少,其中高覆蓋草地面積下降最多,為145.92 km2。從土地利用變化比例來看,研究時段未利用地面積增加幅度最大,為118.3%,其次為建設用地19.96%(表4)。研究期間,延安市各類用地面積維持在相對穩定的狀態。隨著經濟的快速增長,建設用地有了較大幅度的增加,但占延安市面積比例不到1%,土地開發強度控制在合理范圍內。

3.2 延安市生境質量時空變化特征

3.2.1 時間變化

基于InVEST模型的生境質量模塊得到延安市2010年和2018年的生境質量空間分布圖,利用 ArcGIS的等間法將研究結果劃分為低(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)5個等級(圖2),各生境質量等級的土地面積見表5。

圖2 2010和 2018年延安市生境質量空間分布Fig.2 Spatial distribution of habitat quality of Yan ′an city in 2010 and 2018

表5 2010和 2018年延安市不同等級生境質量面積

從時間尺度上看,2010和2018延安市生境質量平均值分別為0.5914和0.5906,生境情況處于中等水平,8年間生境質量呈現下降的趨勢,降幅為1.4%。生境質量指數的標準差從0.2511上升至0.2521,表明生境質量在空間上差異在擴大。由表5可以看出,較高等級生境質量面積最大,占到研究區面積的一半以上,其次是低等級生境質量,占比26%左右,高和中等兩個級別各占約12%和10%,較低等級生境質量占比小于1%。2010— 2018年間,較高、中等和低等級生境質量面積有較小程度的變化。低等級生境質量面積趨于上升,增長了0.12%,較高和中等等級的生境質量面積趨于下降,分別下降0.05%和0.09%。總體來講,由于組成延安市主要土地利用類型的草地、林地和耕地的比例較為穩定,全市整體生境質量變化較小。

3.2.2 空間變化

從空間分布上看,延安市生境質量表現出明顯的空間分異特征,生境質量分布與土地利用類型分布大體一致,林地分布區域的生境質量較高,耕地和建設用地集中分布區域生境質量較低。為進一步探究延安市不同區域生境質量變化,根據延安市行政區劃,將不同等級生境質量面積按照不同區縣統計(表6)。生境質量較高的區縣為黃陵、黃龍、宜川、富縣,這幾個縣分布在延安市東南和西南部,均為陜西省五大林區,雨水相對充沛,自然條件較好,林草覆蓋率高,生境適宜性高,且有眾多自然保護區,是全省重要的生態保護和水源涵養區,因此生境質量普遍較高。生境質量較低的區縣為子長縣、安塞縣、延川縣、吳起縣和洛川縣。子長、安塞、延川、吳起四縣分布于延安市北部,該區域為高原溫帶半干旱區,降雨量低,自然環境及植被覆蓋率相對較差,以中低覆蓋度草地及耕地分布較廣,為延安市生境質量主要的低值區；而洛川雖然自然條件較好,但海拔較低的河谷耕種條件好,生境質量更容易受到人類干擾,因此生境質量也較差。

表6 2010—2018年延安市各區縣生境質量變化

2010—2018 年間延安市生境質量空間分布格局較為類似,除延長和宜川兩縣外,其他區縣生境質量都有降低的趨勢。生境質量降低最顯著區域為寶塔區,與城市擴張區域基本重合,因為城鎮化程度加深和旅游業的發展,寶塔區城市中心建設用地逐漸增多,一部分中等質量和較高質量的生境區域轉化為低質量,所以生境質量指數降低。黃陵、富縣、洛川和黃龍幾縣也有相當幅度的下降,這一區域主要分布在延安市南部,基本由于較高質量的生境面積減少,低質量的生境面積增加,導致整體生境質量下降。其余縣域生境質量相對穩定,變化幅度較小。

3.3 空間自相關分析

利用 ArcGIS 軟件計算研究區生境質量的 Moran′sI指數,延安市2010和2018年Moran′sI指數分別為0.2719(P=0,Z=93)和0.2410(P=0,Z=92),表明延安市生境質量具有一定空間正相關性,在空間上存在聚集特征,即生境質量較高的區域傾向于與其他生境質量較高的區域毗鄰,而生境質量較低的區域傾向與其他生境質量較低的區域毗鄰。2018年Moran′sI指數比2010年有所降低,表明生境質量的空間集聚程度有分散的趨勢。

根據生境質量LISA集聚分析(圖3),延安市“H-H”集聚區域面積占全市面積的10.86%,連片分布于延安西南部的林區,該區域生境質量普遍較好,因此出現高值聚集,其他呈不連續的片、點狀分布于全市；“L-L”集聚區面積占5.93%,主要呈密集點狀分布于西北部生境質量低值區的吳起縣以及東部的延長、延川兩縣；“H-L”聚集區占比為5.89%,大部分位于志丹、安塞、子長三縣；“L-H”聚集區占比較小，為4.85%,未出現明顯的集中分布。從時間變化來看,2010—2018年,“H-H”集聚區增加0.77%,在黃龍縣北部聚集范圍增加,而在西南部的黃陵縣、富縣聚集面積減小；“L-L”集聚區增加0.72%,主要增加在東部延川、延長、宜川幾縣；“H-L”聚集區減少了0.9%,主要在西南部黃陵縣、富縣交界處減少；“L-H”聚集區研究期間上升了1.32%,集中出現在寶塔區城鎮附近,這一區域因城市建設、資源開發等人類活動對生境的威脅,而導致生境呈點狀退化。

圖3 2010和 2018年延安市生境質量LISA集聚圖Fig.3 Local indicators of spatial associations (LISA) agglomeration of habitat quality of Yan ′an city in 2010 and 2018

3.4 生境質量與治溝造地指標的相關分析

基于皮爾遜相關系數,本文采用SPSS 18.0軟件,對延安市13個區縣治溝造地工程實施規模數據(表1)與生境質量變化值(表6)進行相關性分析。結果表明(表7),2010—2018年,治溝造地工程對延安市不同區縣生境質量變化的影響存在差異,其中建設規模、高標準農田建設規模與投資金額與生境質量變化呈一定的負相關關系(P<0.1),項目個數和新增耕地面積與生境質量變化無顯著相關性。相關分析表明治溝造地工程對生境質量有一定的負面影響。隨著工程實施人為擾動和土地利用方式的變化,不可避免引起生境質量的下降。但是整體來看,延安市生境質量變化幅度不大。

表7 治溝造地工程實施指標與生境質量變化相關性

從延安市治溝造地規模和生境質量分布中可以看出,延安市由于各區縣生境特征不同,在生態保護、糧食安全及經濟發展中承擔著不同的角色,治溝造地工程的實施重點及其對生境質量變化的影響也有差異。寶塔區是延安市的市政府所在區域,承擔著城市政治和經濟發展的任務,快速城鎮化使得該區域大量耕地被建設用地占用,需要實施治溝造地集約發展農業,提高經濟和人口承載能力；因此寶塔區是延安市實施治溝造地面積最大、新增耕地最多、建設高標準農田最多的區域,工程實施加之城市建設,使寶塔區成為生境質量下降最為顯著的區域；東部子長、延川、延長幾縣地勢較為低緩,有較為適宜發展農業的地形基礎，但目前未發揮出糧食生產的潛力，因此實施治溝造地面積較大,且以改善土地質量、提高農產品產量為目標實施,新增高標準農田面積較大單位投資較多,但不會大規模改變土地利用類型,因此生境質量變化較小；延安市南部,尤其是黃陵、黃龍兩縣是重要的生態功能地區,其主要任務是保護生態,涵養水源,創造生態產品和價值,這一區域以集中連片林地為主,雖然治溝造地實施規模不大,新增耕地少,但景觀的破碎化仍引起了生境質量一定程度的下降；北部的吳起、志丹、安塞幾縣生態環境本底條件不好,實施治溝造地的主要目標在于有效提高農業基礎設施水平,全力保障和改善民生,因此生境質量僅小幅下降。

4 討論

4.1 延安市土地利用和生境質量變化

與退耕還林時期相比[29],8年來,延安市土地利用類型維持在較穩定的動態變化中,生境質量雖然有下降的趨勢,但幅度不大。2010年起,退耕還林工程進入成果鞏固階段,實施力度小于上一時期,同時治溝造地工程開始大規模開展,使得這一時期的農業用地和生態用地做到了較好的協調,在一定程度上保障了延安各種用地資源的平衡。這與侯孟陽等[30]研究結果中預測的延安市耕地與草地林地達到平衡狀態的結果一致。這一時期,延安市GDP從2010年的885.42億元增加到2018年的1558.91億元,經濟社會快速發展,尤其是隨著紅色旅游的興起,第三產業產值增長了176.8%[31],而建設用地擴張在城市發展中往往必不可免,相比較黃土高原其他區域[32—33],延安市的城市擴張保持在可控范圍內,沒有出現大面積的生境質量退化。

土地整治等人類活動通過對土地資源及其利用方式進行再組織和再分配,作用于區域生態系統,進而改變區域生境質量及其分布格局和功能[6]。雖然治溝造地工程實施過程中對土地的擾動及生境破碎化對項目區的生境質量產生了負面影響,但通過田塊整合、水資源調控、改善農田基礎設施和農業生產條件、合理調整種植結構等措施,科學優化土地利用格局和結構,減弱了這種負面影響。鐘麗娜[6]、單薇[34]等對土地整治后的生境質量研究也表明,通過對土壤的改良和景觀格局的優化,最終改善了項目區整體的生境質量,在整治完成3—5年后,生境質量開始逐漸好轉。

4.2 治溝造地背景下延安市生態與經濟的協同發展

黃土高原在過去相當長的時間里是中國生態環境最為脆弱的區域之一,當時區域發展的重點是遏制水土流失、改善生態環境。通過十多年的生態治理,生態環境顯著提高[35],但耕地面積以平均每年10%的速度持續減少,同時食物生產能力下降了16%[36],糧食生產供應不足極有可能威脅到退耕還林的成果。隨著社會經濟的發展和人口的增長,人地矛盾不斷增大。因此區域發展不能單單追求生境質量的提高,必須同時權衡生態保護、糧食安全和經濟發展多重目標。

經濟效益是土地生態質量的重要組成,經濟增長能夠推動產業發展及升級,進而提高地區的生態效率,有利于保護地區的生態環境[37]。如果單純在生態保護建設中做出經濟發展的犧牲,也會引發產業結構不合理、生態效率低下。因此,延安市根據不同區域的生境特征與差異,以及角色、功能和定位,有針對性地進行開發與保護,通過對土地利用格局的改變,合理規劃土地利用,防止經濟發展帶來的環境惡化,在保證生境質量較為穩定的同時,有效緩解了區域內耕地面積大幅下降、食物生產能力不足的現狀,保證了耕地紅線和糧食安全,平衡了生態保護與農民生計的沖突,實現了生態安全與糧食安全、高質量發展和生態保護之間的平衡關系。未來應該進一步因地制宜制定相應的優化策略,通過綠色產業體系發展經濟,加強生態紅線區域的環境保護,防止經濟發展引起的環境惡化,促進地區生態、經濟、社會的最優權衡。

4.3 展望

本研究基于InVEST模型對延安市生境質量時空演變進行分析,既能得出定量分析結果,也能將生境質量結果可視化分析,同時將延安市主要的土地利用類型進行了二級共18個分類,詳細的計算了生境質量指數,有利于得出更加細化的生境質量變化,為黃土高原生態保護和高質量發展制定科學政策提供依據。研究的不足及未來需要改進的方面主要有：(1)僅分析評價了治溝造地工程與工程背景下延安市各區縣生境質量變化之間的相關關系,缺少治溝造地區域的空間表達,下一步,在獲取治溝造地項目空間信息的基礎上,利用空間分析手段得出治溝造地與生境質量的關系,為科學評價治溝造地生態效益提供更有效的理論依據；(2)未考慮土地質量提升對區域生境質量的影響。下一步,進一步結合實際調研數據,綜合考慮耕地質量,深入分析治溝造地對項目區生境質量及其他生態系統服務功能如水源涵養、土壤保持等的影響,為這一區域其他生態建設項目的實施提供借鑒和參考。

5 結論

(1)延安市的土地利用類型主要為草地、林地和耕地,三者面積占延安市總面積的99%以上,二級分類中面積最大的是草地中的中覆蓋草地、耕地中的旱地和林地中的疏林地。2010—2018年間延安市土地利用變化處于較穩定狀態,主要為耕地、林地、草地三者互相轉化。

(2)延安市2010和2018生境質量平均值分別為0.5914和0.5906,處于中等水平,較高等級生境質量面積占50%以上,呈現東南和西南高,北部較低的分布格局；2010—2018年間,延安市生境質量下降了1.4%,無劇烈變化,寶塔區生境質量由于城市擴張降低最為顯著。

(3)延安市生境質量具有一定的空間聚集性,“H-H”集聚區主要位于西南部林區,“L-L”集聚區主要位于西北部的吳起縣以及東部的延長、宜川兩縣；2010—2018年間生境質量的空間集聚程度有分散的趨勢,中部呈現較大的點狀退化。

(4)治溝造地工程對延安市生境質量有一定的負面影響,由于各區縣的生境特征不同,治溝造地工程的實施重點及其對生境質量變化的影響有差異。