基于生態功能區劃的黃土高原生境質量演變及模擬

王金鳳，劉小玲，王 盛，李 慶，胡世雄，李玲鳳

（1.山西師范大學 地理科學學院，山西 太原 030000；2.河北省科學院 地理科學研究所，河北 石家莊 050011；3河北省科學院 河北省地理信息開發應用工程技術研究中心，河北 石家莊 050011；4.賓夕法尼亞州立東斯特勞斯堡大學 地理系，東斯特勞斯堡 18301－2999）

在人類活動長期驅動下生態系統開發利用和巨大的人口壓力使生態系統由結構性破壞向功能性紊亂方向發展，引發水資源短缺、生物多樣性退化、水土流失等生態問題［1－2］。生境質量是在某一特定區域內自然環境持續為物種生存和發展提供適合條件的能力，生境質量的高低是衡量生態環境好壞的重要指標［3］。生境質量與區域土地利用變化密切相關，基于土地利用變化（LUCC）對生境質量進行評價，可以探究區域內土地利用方式和利用強度的合理性，以及生態環境治理的效果［4－5］，對促進區域生態保護，構建山水林田湖草沙生命共同體具有重要意義。

提取不同尺度景觀格局與生態過程關系的關鍵因子，可以有效構建多尺度、多因子景觀格局與生態過程耦合框架［6］。土地利用是景觀格局時空演變的直接驅動力［7］，地形、土壤特性、植被等環境因子空間配置的變化可能導致生境質量的改變［8－10］。國內外學者關于生境質量與景觀格局的研究多集中在區域生境質量評價［11］及單因素景觀格局尺度效應［12－13］方面，而基于生境質量及地形、土壤、植被、LUCC等多因素景觀格局的研究較少。多因素景觀格局可以表征區域景觀向高豐富度、均勻度、破碎化方向發展的程度，并提升人們對景觀異質性的關注度［14－15］，了解多因素景觀格局與生境質量的耦合關系有助于揭示生境質量的景觀生態過程效應，維持區域生態系統功能穩定。

黃土高原是中國“兩屏三帶”生態安全戰略格局的重要組成部分。黃土高原位于我國干旱半干旱區過渡地帶，生態環境脆弱，水土流失嚴重，區域范圍內河道淤積，旱澇災害發生風險大［16］。筆者根據《全國生態功能區劃》，采用InVEST和CA－Markov模型，對黃土高原不同生態區生境質量時空演變進行定量分析，并采用Moran’s I指數對黃土高原生境質量進行空間關聯性檢驗，在此基礎上預測2030年不同情景下生境質量變化情況，探討自然因子、人類活動及多因素景觀格局對生境質量的影響，以期為黃土高原地區生態安全格局構建和空間優化提供理論支撐。

1 研究區概況、數據與方法

1.1 研究區概況

黃土高原位于黃河流域中上游，是黃河泥沙的主要來源［17］。黃土高原地處干旱半干旱氣候區，氣候特征具有明顯地帶性［18］，年均氣溫為3.6～4.3℃，年降水量為200～700 mm，汛期多暴雨，易引起嚴重的土壤侵蝕。基于《全國生態功能區劃》，結合黃土高原地貌、水熱組合、植被特征等自然條件將其分為8個生態區，即秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態區、太行山山地落葉闊葉林生態區、汾渭盆地農業生態區、黃土高原農業與草原生態區、海東高寒草甸草原生態區、鄂爾多斯高原東部典型草原生態區、鄂爾多斯高原西部－隴中荒漠草原生態區、青海祁連山森林與高寒草甸生態區。

1.2 數據來源

土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心，選取1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年7期遙感監測數據，分辨率為1 km。DEM數據來源于地理空間數據云SRTM。土壤類型、各年歸一化植被指數（NDVI）、GDP與人口空間分布公里網格數據由中國科學院資源環境科學與數據中心提供，分辨率為1 km。氣象數據包括年降水量和年均氣溫，黃土高原85個氣象站點的氣象數據源于國家氣象科學數據中心。生態區矢量數據來源于中國生態系統評估與生態安全格局數據庫。另外，主要公路、鐵路數據來源于國家基礎地理信息系統。

1.3 研究方法

（1）多因素景觀斑塊單元的構建。對黃土高原的土地覆被、坡度、土壤類型及NDVI進行分類，利用Fragstats軟件構建多因素景觀格局。土地覆被類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地6個一級地類，土壤類型以土綱為主分為14類，坡度分為1°～3°、4°～7°、8°～15°、16°～25°、大于26°共5類，NDVI分為6個等級。土地覆被類型、坡度、土壤類型、NDVI為同一分類時構成一類景觀斑塊單元，景觀斑塊中若土地覆被類型、坡度、土壤類型相同但NDVI分類不同時則認為屬于不同類型的斑塊，當所有分類相同時視為同種景觀斑塊單元［19］。基于多因素景觀斑塊單元，選取斑塊數量（NP）、斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（AREA＿MN）、景觀凝聚度（COHESION）、景觀形狀指數（LSI）、蔓延度指數（CONTAG）、香農多樣性指數（SHDI）、香農均勻度指數（SHEI）等景觀格局指數，計算其與各區域生境質量的相關性，分析景觀斑塊對生境質量的影響。

（2）InVEST模型。采 用InVEST模 型Habitat Quality模塊進行生境質量評估。Habitat Quality模塊主要通過土地利用數據，結合生境適宜度、脅迫因子影響距離和權重、各生境類型對脅迫因子的敏感性進行生境質量評估［20］。

式中：Qxj為土地利用類型j中柵格單元x的生境質量指數，其值為0～1；Hj為土地利用類型j的生境適宜度；z為尺度常數，一般取2.5；k為半飽和常數，一般為生境退化度最大值的1／2；Dxj為土地利用類型j中柵格單元x的生境退化度；R為脅迫因子數量；Yr為脅迫因子r的柵格單元總數；wr為脅迫因子r的權重；ry為柵格單元上的脅迫因子個數；βx為柵格x的可達性水平；Sjr為景觀j對脅迫因子r的敏感性，取值為0～1；irxy為脅迫因子r的影響距離，可按照線性和指數衰退來計算。

（3）CA－Markov模型。以2015年土地利用數據為基礎，采用CA－Markov模型［20］預測2030年3種不同情景下土地利用格局變化。自然發展情景（情景1）：不考慮自然條件和人為因子的變化，把2000年、2005年、2010年、2015年的土地利用轉移矩陣導入模型后，基于Markov鏈自然演化過程得到2030年土地利用格局。城市發展情景（情景2）：以經濟效益最大化為目標，突出城市擴張作用，擴大城鄉居民用地空間，限制現有建設用地和道路交通用地向其他土地利用類型轉移，部分耕地、林草地為可轉移地類，加大轉出比例，適當增加未利用地轉移為城鄉居民用地的可能性。適宜因子選擇高程和坡度，高程低于1 300 m最適宜城市建設，1 300～2 000 m次適宜，2 000～4 985 m適宜性減弱。坡度1°最適宜，1°～7°次適宜，大于7°適宜性減弱。生態保護情景（情景3）：為加強黃土高原生態保護，將水域、林地、草地作為限制用地，嚴禁轉出，減少其他地類對林地的占用。適宜因子選擇坡度和海拔，由于坡度較大處（坡度大于7°）、海拔較高處（海拔大于2 000 m）不適宜建設和開墾，因此坡度較大、海拔較高處的耕地和建設用地更宜轉化為林地和草地。

2 結果與分析

2.1 黃土高原生境質量時空變化特征

黃土高原生境質量整體較好，生境質量指數均值為0.605 1～0.611 7，見表1。1990年、1995年生境質量下降，2000年、2005年、2010年生境質量上升，原因是1999年起退耕還林還草工程等生態保護措施的實施，以及區域環境保護與管理的不斷加強，生態環境得到一定改善［21］。2010年以后隨著城市快速發展，建設用地增幅明顯，不斷侵占農業和生態用地，黃土高原生境質量指數均值下降，其中汾渭盆地農業生態區生境質量下降，而海東高寒草甸草原生態區生境質量上升。近30 a海東高寒草甸草原生態區生境質量指數均值為0.73，青海祁連山森林與高寒草甸生態區、太行山山地落葉闊葉林生態區生境質量指數均值為0.69，秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態區、黃土高原農業與草原生態區生境質量指數均值為0.64，汾渭盆地農業生態區生境質量指數均值為0.46，區域差異較大。

表1 黃土高原各生態區生境質量指數變化情況

依據生境質量指數，利用自然斷點法，將黃土高原生境質量劃分為5個等級：高（0.88～1）、較高（0.78～0.88）、中等（0.45～0.78）、較低（0.20～0.45）、低（0～0.20），見圖1。生境質量高與較高區分布在太行山山地落葉闊葉林生態區、秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態區、青海祁連山森林與高寒草甸生態區、海東高寒草甸草原生態區，占區域總面積的43.57%，這些區域主要為山區，土地利用類型以林草地為主，植被覆蓋度高，人類活動較少。生境質量低與較低區分布在鄂爾多斯高原東部典型草原生態區、鄂爾多斯高原西部－隴中荒漠草原生態區、黃土高原農業與草原生態區西南部以及汾渭盆地農業生態區，占區域總面積的40.59%，這些區域建設用地和耕地大面積侵占草地，伴隨著城鎮化發展，生境質量逐漸下降和退化，生境質量逐漸下降區域以城鎮區域為中心向周邊擴散。生境質量中等區零星散落分布在鄂爾多斯高原東部典型草原生態區中部、黃土高原農業與草原生態區西南部，占區域總面積的15.84%。黃土高原生境質量呈現兩極分化特征。

圖1 黃土高原生境質量空間分布

2.2 生境質量空間關聯性

黃土高原生境質量空間關聯性顯著性檢驗表明在99%置信度下生境質量存在空間相關性。1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年Moran’s I指數分別為0.209 8、0.212 9、0.218 1、0.184 2、0.213 1、0.216 9、0.224 3，黃土高原生境質量呈現高高聚集、低低聚集的特征，見圖2。高高聚集區分布與生境質量高、較高區域分布基本吻合，低低聚集區集中分布在黃河流經的河谷平原區。2000—2020年高高聚集區與低低聚集區不斷增加，高高聚集區與低低聚集區面積占比分別提高0.14%、1.51%，逐漸向高高聚集、低低聚集兩極化方向發展。

圖2 黃土高原生境質量聚集情況

2.3 黃土高原未來情景模擬與分析

在自然發展情景（情景1）下，與2020年相比，2030年黃土高原建設用地、水域、未利用地、林地面積分別增加78.86%、59.90%、16.98%、2.87%，耕地、草地面積分別減少7.81%、8.04%，城鎮化水平提高，而林地面積變化較小，草地退化導致未利用地面積增加，見圖3（a）。情景1條件下，2030年生境質量指數均值相較2020年下降0.023 1，太行山山地落葉闊葉林生態區、秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態區生境質量指數均值相較2020年的上升0.001 7、0.008 3，其余各生態區生境質量指數均值均呈下降趨勢，見圖3（d）、表2。

在城市發展情景（情景2）下，與2020年相比，2030年建設用地面積增加157.90%，草地、耕地面積分別減少12.30%、10.70%，與情景1相比，建設用地面積增加44.19%、林草地面積減少7.77%，建設用地大幅增加，城鎮化快速發展，按照此情景發展下去，未來黃土高原生態用地以較快速度減少，威脅當地生態環境，見圖3（b）。情景2相較于情景1生境質量指數均值下降0.026，相較于2020年的下降0.049 1，生境質量明顯退化，見圖3（e）、表2。

在生態保護情景（情景3）下，與情景1、情景2相比，林草地面積增加9.40%、17.77%，水域面積增加0.82%、0.69%，建設用地面積減少0.64%、31.09%，生態環境得到保護，見圖3（c）。情景3生境質量指數均值比情景1、情景2的上升0.007、0.033，但相較于2020年的下降0.016 1，見表2。與2020年相比，黃土高原農業與草原生態區、太行山山地落葉闊葉林生態區、秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態區生境質量趨好，生態環境得到一定改善，見圖3（f）、表2。

圖3 不同情景下2030年土地利用、生境質量分布格局

表2 不同情景下各生態區生境質量指數均值

3 討 論

3.1 生境質量空間分異驅動因子探究

黃土高原生境質量存在空間異質性，見表3（其中??表示空間異質性達到0.01的顯著性水平）。黃土高原農業與草原生態區2015年生境質量指數與NDVI回歸系數為0.282，表明植被是促進該生態區生境質量上升的主要驅動因子；與降水量回歸系數為－0.192，表明降水為限制生境質量上升的不可抗拒因素。太行山山地落葉闊葉林生態區高程與坡度回歸系數分別為0.369、0.243，海拔高的地區人類活動少，生境質量好，地形是影響該生態區生境質量的重要驅動因子；人口密度回歸系數為－0.417，是該生態區生境退化的主要驅動因子之一。秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態區人口密度與NDVI回歸系數分別為－0.392、0.383，該生態區以山地丘陵為主，植被覆蓋度高，為生境質量高的區域，但人類活動在很大程度上阻礙了生境質量的提高。海東高寒草甸草原生態區是生態敏感區，NDVI回歸系數最大，為0.322，植被是影響該生態區生境質量的主要因子，其中草地是決定該地區以畜牧業為主的經濟發展狀況的基礎性自然資源［22］，占其總面積的63.05%。汾渭盆地農業生態區高程回歸系數為0.370，說明高程是影響該地區生境質量的主要驅動因子，該區坡度小、海拔低，為人口密集的城鎮區，人類活動劇烈，經濟發展相對較快，關中地區、省會城市（西安、太原）土地利用強度高，生境脅迫尤為強烈。鄂爾多斯高原西部－隴中荒漠草原生態區、鄂爾多斯高原東部典型草原生態區、青海祁連山森林與高寒草甸生態區生境質量受自然因素影響較大。

表3 不同生態區2015年生境質量指數與影響因素回歸系數

3.2 多因素景觀斑塊單元對生境質量的影響

多因素景觀格局指數能夠全面表示區域景觀格局向高豐富度、均勻度及破碎化方向發展以及景觀異質性變化的特征。對黃土高原各生態區多因素景觀格局指數與生境質量的關系進行相關性分析，相關系數見表4（其中??表示在0.01水平顯著相關，?表示在0.05水平顯著相關）。秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態區生境質量與NP、PD、LSI顯著負相關，與AREA＿MN、COHESION顯著正相關，該生態區以山地丘陵為主，林草地為主要景觀基質，容易受人類活動影響，景觀類型易損度較高，對景觀破碎化與景觀凝聚相對敏感，景觀格局脆弱度相對較高。汾渭盆地農業生態區生境質量與NP、PD、LSI、SHDI顯著負相關，與CONTAG極顯著正相關，該生態區城鎮化快速推進，且地勢坡度較小，土地開發利用程度不斷提高，建設用地分布集中且逐漸形成完整、大的斑塊，景觀破碎化加重，但1999年以來退耕還林還草政策的實施，林地、草地、農田等主要景觀格局發生了較大變化，生態治理措施的實施取得一定成效。

表4 各生態區多因素景觀格局指數與生境質量的相關系數

4 結 論

基于InVEST和CA－Markov模型，分析了1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年黃土高原各生態區生境質量變化特征，預測了2030年3種不同情景下生境質量變化趨勢，探究自然要素、人類活動、多因素景觀格局對生境質量的影響。黃土高原生境質量整體較好，生境質量指數均值為0.605 1～0.611 7，空間聚類呈高高聚集、低低聚集兩極分布特征。近30 a海東高寒草甸草原生態區生境質量指數均值最大，為0.73，汾渭盆地農業生態區生境質量指數均值最小，為0.46。生態保護情景下生境質量明顯上升，而城市發展情景下生境質量退化嚴重，按生態保護情景發展，黃土高原農業與草原生態區、太行山山地落葉闊葉林生態區、秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態區生境質量提升。人口密度是各生態區生境破碎化的主導因子。秦巴山地北部邊緣落葉與常綠闊葉林生態區生境質量與AREA＿MN、COHESION顯著正相關，汾渭盆地農業生態區生境質量與CONTAG極顯著正相關。