基于土地利用變化的右玉縣生境質量時空演變分析

張憲哲，宋雅軒，張 波，黃永勝

（太原師范學院，山西 晉中 030619）

0 引言

基于土地利用變化的多尺度（縣域、流域、省域等）、多維度（生境退化度、生境稀缺性、群落生境等）的生境質量時空變化［1］、生態效應定量評估是國內外學者研究熱點。其中，評價方法與模型研究是核心內容之一，生境質量定量方法主要包括脆弱度計算、綜合指數計算、距離計算、生態足跡等［2］方法；評價模型多采用包括InVEST、MIMES 以及HIS 在內的模型進行生境質量定量表征。其中，InVEST 模型由于其強大的空間計算能力而廣泛用于土地利用現狀、生態修復等場景下的生境質量評價。

右玉縣位于山西省西北邊陲，毛烏素沙地前緣，如圖1 所示，是京津風沙源治理生態功能區的重要組成部分。縣域內以蒼頭河為首的五大流域具有重要的涵養水源、保持水土等生態功能，而兩側山地則有較高的生態脆弱性。為定量表征右玉縣生境質量時空變化，本文基于2000—2020 年間5期土地利用數據，采用InVEST 模型以及空間統計方法，識別生境質量改善與退化區域，以期為生物多樣性保護和生態修復提供科學數據支撐。

圖1 右玉縣地理位置

1 數據源與研究方法

1.1 數據源

本文采用中國科學院資源環境科學與數據中心（http：//www.resdc.cn）的2000、2005、2010、2015和2020 年5 個時間片段且分辨率為30 m 的右玉縣土地利用柵格數據，分析生境質量時空演變特征，數據涉及用地類型分為耕地、林地、草地、水域、居民地以及未利用地6 個一級類以及17 個二級類。脅迫因子中的交通數據來源于開源數據OSM（http：//www.openstreetmap.org），經過高分影像解譯修正得到各時間片段交通路網空間數據。

1.2 生境質量評價

InVEST 模型以土地利用柵格像元為評價單元計算生境退化指數Dxj，并在此基礎上得到生境質量計算式［3］如式（1）所示：

式中：Qxj為土地利用柵格數據的第j個用地類型中第x個柵格的生境質量；Dxj為此柵格的生境退化程度；半飽和系數k默認0.5；Hj為第j個用地類型的生境適宜性，取值區間為0 到1 之間。

結合右玉縣自然資源稟賦，將耕地、農村居民點、城鎮建設用地、交通用地、其他建設用地以及未利用土地等人類擾動區域作為威脅因子。通過文獻［4］，確定脅迫因子如表1 所示，以及各用地類型對其敏感度如表2 所示。

表1 脅迫因子影響范圍及權重

表2 各用地類型對脅迫因子敏感度

1.3 生境質量變化趨勢

Sen 斜率估計法［5］是一種非參數簡單線性回歸趨勢檢驗法。其原理為將成點對連線的斜率中值擬合到采樣點以實現整體斜率估計，此方法抗噪性較強且廣泛用于氣候、植被、水資源等趨勢估計，如式（2）所示：

式中：β為斜率中值趨勢，大于零說明在研究期內生境質量改善趨勢，反之說明退化趨勢；Median（）為時間序列X=x1，x2，x3…，xn的中位數函數。

2 生境質量時空變化特征分析

將單個土地利用現狀柵格像元作為評價單元，基于InVEST 模型的生境質量模塊，計算得到右玉縣2000、2005、2010、2015、2020 年5 個時間片段的生境質量，并按照自然斷點法按照優、良、一般、較差、差共5 個等別進行研究區重采樣。

從整體來看，2000—2020 年，右玉縣生態環境整體質量較好，如圖2 所示，右玉縣中部區域的蒼頭河上、中游流域的生境質量最高，中下游區域受農業生產、經濟活動與公路網建設影響，導致生境質量下降。尤其是在縣城所在地，隨著商貿、服務業發展，城市擴張導致生境破碎度增大、生態功能降低，生境質量退化。其次，縣城駐地新城鎮以南、以東區域生境質量較高，區域分布有多個森林公園、生態旅游區，林地和草地是該區域主要用地類型，屬于高生境質量區域。最后，中部區域逐漸呈現生態環境優勢區連片分布特征，得益于南河灣生態系統提質工程、蒼頭河人工河柳護岸工程等一系列生態工程穩步推進，生態環境得到了全面提升。

圖2 右玉縣2000—2020 年生境質量等別劃分

從鄉鎮來看，生境質量優等區域主要集中于丁家窯鄉、白頭里鄉、威遠鎮與楊千河鄉，其中，威遠鎮、白頭里鄉生境質量高，丁家窯鄉與楊千河鄉則同屬蒼頭河流域，上述區域地表覆蓋多為林地與草地，覆蓋率高，人類擾動程度低；生境質量良等區域主要分布在牛心堡、右衛鎮與高家堡鄉，地表覆蓋多為草地；生境質量較差的區域主要集中于5 大河流河谷區域，耕地數量多，人類擾動較多，同時區域有國、省道交通干道通過；生境質量差等區域主要集中在新城鎮和白頭里鄉北部，大多為城鎮建設用地或城鄉接合部的農村居民點，人類活動頻繁。

從各等別占比與均值來看，如表3 所示，右玉縣2000—2020 年生境質量均值分別為0.613、0.615、0.661、0.656、0.635，生境質量均值穩定在0.6以上，5 個時間片段始終為優大于差的結構，時間序列上呈現先上升后下降但總體改善的格局。優等生境質量占比由25.7% 提高至31.5%，較差等生境質量占比由47.1% 降至38.1%，反映出右玉縣生態環境整體質量穩步提升。

表3 右玉縣2000—2020 年生境質量面積占比與均值

綜上，右玉縣城鎮建設用地與鄰近的農村居民用地對生境質量的破壞程度最高，隨著右玉縣城鎮化發展，生境質量低值區以城市為中心，向四周擴散且不斷向外擴張，尤其在新城鎮生境質量持續降低且向周邊擴張，呈集中連片分布，且大多城鄉交錯；其次，道路對其周邊地區產生巨大影響，生境質量較差區域大多沿道路分布；最后，2000 年及2005 年右玉縣生態景觀破碎度較高，2005 年后在政策的指引下，退耕還林還草，具有較好生態效應的林地、草地發揮保持水土、涵養水源以及調節氣候的作用。

3 生境質量變化趨勢分析

根據2000—2020 年生境質量時間序列得到Sen 趨勢分析結果，如圖3 所示，右玉縣生境質量變化趨勢呈帶狀分布，自西向東依次分布為穩定區、改善穩定混合區、退化穩定混合區、改善區。總體上，環右玉縣山地用地類型以草地為主，近年來并未發生大規模變化，山地圈層內部丘陵區域經過一系列生態建設以及退耕還林工程實施，目前主要以林地為主，生境質量良好，生境質量退化的區域主要分布在五大河流河谷區域，土地利用方式由林地、草地向耕地轉化。

圖3 右玉縣生境質量變化趨勢

依據Sen 斜率計算得到的生境質量變化趨勢，2000—2020 年間，標準差從0.252 增加至0.283，各個柵格像元空間差異在擴大。生境退化程度空間統計顯示，5 個時間片段的生境質量變化趨勢平均值分別為0.034、0.034、0.029、0.029 和0.031，生境退化程度最大值分別為0.098、0.096、0.099、0.099和0.106，其中，967 110 個像元的生境質量產生了變化，退化與改善的像元分別占變化像元的36%和64%，表明生境退化范圍在收縮過程中，但其強度反而在增加。

4 結語

本文基于InVEST 模型定量估算右玉縣2000—2020 年的生境質量，在此基礎上結合Sen 趨勢分析法，揭示右玉縣生境質量變化趨勢。研究結論如下：

1）右玉縣2000—2020 年生境質量均值分別為0.613、0.615、0.661、0.656、0.635，時間序列上呈現先上升后下降但總體改善的格局。生境質量優等區域主要集中于丁家窯鄉、白頭里鄉、威遠鎮與楊千河鄉；生境質量良等區域主要分布在丁家堡鄉、右衛鎮和高家堡鄉西部山區；生境質量較差的區域主要集中于五大河流河谷區域；生境質量差等區域主要集中在新城鎮中和白頭里鄉北部。

2）右玉縣生境退化與改善像元占比分別為36%和64%，可見整體生境質量趨于改善。生境質量變化趨勢呈帶狀分布，自西向東依次分布為穩定區、改善穩定混合區、退化穩定混合區、改善區。

3）右玉縣生境質量變化趨勢標準差由0.252 增加至0.283，生境質量變化趨勢平均值分別為0.034、0.034、0.029、0.029 和0.031，生境退化程度最大值分別為0.098、0.096、0.099、0.099 和0.106，表明右玉縣生境退化范圍在收縮過程中，但其強度反而在增加。