基于InVEST模型的大理州生境質(zhì)量時(shí)空演化研究

高慶彥,潘玉君

(云南師范大學(xué)地理學(xué)部,云南 昆明 650500)

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快,區(qū)域土地利用類型在不斷解構(gòu)與重構(gòu),極大地影響區(qū)域生態(tài)服務(wù)水平[1]。生境質(zhì)量能從整體上反映地區(qū)“三生空間”適宜程度,是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的前提條件,是優(yōu)化生態(tài)安全格局和提升人類福祉的重要保障。由于我國山地面積占陸域國土面積的65%[2],且山地生態(tài)系統(tǒng)脆弱,對自然和人文干擾具有放大效應(yīng),因此研究山地土地利用變化對生境質(zhì)量變化的影響,對權(quán)衡區(qū)域生態(tài)保護(hù)與發(fā)展具有重要理論和實(shí)踐意義[3]。

目前,關(guān)于生境質(zhì)量的研究,在研究尺度層面主要包括自然保護(hù)區(qū)[4]、省域尺度[5]、流域尺度[6]、自然區(qū)[1]和市域尺度[7]等。研究內(nèi)容主要涉及基于土地利用重建的生境質(zhì)量分析[8]、城市擴(kuò)張對生境質(zhì)量的影響[9]、基于生境質(zhì)量的城市邊界確定[10]、生態(tài)敏感區(qū)的生境質(zhì)量研究[11]、自然過渡帶的生境質(zhì)量研究[12]和生境質(zhì)量與生態(tài)安全格局構(gòu)建研究[13]。評估方法主要涉及InVEST模型[7,13]、格網(wǎng)尺度與GWR回歸分析相結(jié)合[14]、生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)相結(jié)合[15]以及基于主成分法的生境質(zhì)量研究[16]等。雖然關(guān)于區(qū)域生境質(zhì)量的研究已取得一些初步成果,但研究區(qū)域主要集中于自然保護(hù)區(qū)、流域區(qū)和都市區(qū),對以山地為主要國土空間、自然災(zāi)害頻發(fā)、長期實(shí)施退耕還林還草工程、低緩坡山地城鎮(zhèn)建設(shè)和以旅游業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的大理州生境質(zhì)量研究較少。因此,選取自然與人文干擾相對明顯的大理州作為研究區(qū),以揭示在長期退耕還林還草和短期城鎮(zhèn)上山政策干預(yù)下的大理州整體生境質(zhì)量演化內(nèi)在規(guī)律,為大理州,尤其是洱海流域生態(tài)系統(tǒng)及國土空間保護(hù)與開發(fā)提供參考。

1 研究區(qū)概況

大理州為云南省西部重要城市,是云南大滇西旅游環(huán)線的重要節(jié)點(diǎn)城市,位于滇西橫斷山脈與滇西主要壩子過渡地帶,是縱向嶺谷區(qū)的重要組成部分,地勢整體呈西北高、東南低的格局。大理州為西南地區(qū)典型山地區(qū),山地面積占總面積的93.4%,壩區(qū)占6.6%[17],人地關(guān)系矛盾突出。隨著云南省城鎮(zhèn)上山重點(diǎn)示范區(qū)工程的推進(jìn),局部區(qū)域人地關(guān)系矛盾尤為顯著。研究區(qū)氣候?yàn)槲髂霞撅L(fēng)氣候區(qū),生物資源豐富,是全球生物多樣性的熱點(diǎn)區(qū)域[18]。同時(shí),山地區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),水土流失嚴(yán)重,嚴(yán)重影響區(qū)域生境質(zhì)量的提高。大理州2018年戶籍總?cè)丝跒?62.78萬人,地區(qū)生產(chǎn)總值為1 122.4億元，其中,第一、二、三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值分別為224.8億、424.8億和472.8億元。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/Default.aspx)提供的1980、1990、1995、2000、2005、2010和2018年7期30 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)集,綜合精度達(dá)90%以上[19]。土地利用數(shù)據(jù)采用二級分類系統(tǒng),共6個(gè)一級類,25個(gè)二級類。高速公路、國道、省道、縣道和鐵路等矢量數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的1995、2012和2018年道路空間分布數(shù)據(jù)。2018年地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。大理州地圖矢量數(shù)據(jù)來源于云南省地圖院編制的《云南省標(biāo)準(zhǔn)地圖(1∶400萬云南省地圖(無水系版))》,水系圖來自于2004年云南省行政區(qū)劃矢量化圖(1∶75萬)。將各地圖坐標(biāo)統(tǒng)一為GCS_Beijing_1954,分辨率統(tǒng)一為30 m×30 m。

2.2 研究方法

2.2.1生境質(zhì)量模型

采用InVEST 3.8軟件中Habitat Quality模塊對大理州1980、1990、1995、2000、2005、2010和2018年生境質(zhì)量進(jìn)行時(shí)空演化評價(jià)。

(1)生境退化度(Dxj)計(jì)算公式[8,20]為

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中,Dxj為土地利用類型j中柵格x的生境退化度指數(shù);wr為各個(gè)威脅因素權(quán)重;ry為威脅因子強(qiáng)度;βx為生境抗干擾水平;Sjr為不同生境對不同威脅因子的相對敏感程度;irxy為柵格y中威脅因子r對柵格x的影響;r為生境威脅因子;dxy為柵格x與柵格y之間距離;drmax為威脅因子r影響范圍。

(2)生境質(zhì)量計(jì)算公式[20]為

(4)

式(4)中,Qxj為土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量指數(shù);Dxj為生境退化度,代表土地利用類型j柵格x的生境退化程度;Hxj為土地利用類型j中柵格x的生境適應(yīng)性;k為半飽和常數(shù)。結(jié)合文獻(xiàn)[21],將生境質(zhì)量指數(shù)分為差[0，0.2]、較差(0.2，0.4]、一般(0.4，0.6]、良好(0.6，0.8]和優(yōu)(0.8，1.0]5個(gè)等級。

綜合考慮研究區(qū)自然災(zāi)害多發(fā)的客觀情況,結(jié)合文獻(xiàn)[22],選擇農(nóng)業(yè)用地、交通用地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)用地、工業(yè)用地和自然災(zāi)害點(diǎn)作為脅迫因子。主要參考InVEST模型手冊[23]及相關(guān)研究[22,24]進(jìn)行脅迫因子參數(shù)及各類土地對脅迫因子敏感度參數(shù)設(shè)置(表1～2)。

表1 威脅因子及其脅迫強(qiáng)度

表2 土地利用類型對生境威脅因子敏感度

2.2.2生境質(zhì)量變化模型

生境質(zhì)量變化是某一時(shí)期內(nèi)末期研究區(qū)生境質(zhì)量與初期生境質(zhì)量之間的變化量,其計(jì)算公式為

△QH=QH1-QH0。

(5)

式(5)中,△QH為研究區(qū)末、始期之間生境變化量,能夠反映同一像元生境質(zhì)量變化;QH1和QH0分別為研究區(qū)末期和初期生境質(zhì)量指數(shù),采用1980和2018年研究區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)圖層進(jìn)行柵格圖層運(yùn)算得到。

3 結(jié)果與分析

3.1 生境質(zhì)量變化

生境質(zhì)量指數(shù)為0～1,值越大表明區(qū)域生境質(zhì)量越好。采用分區(qū)統(tǒng)計(jì)得到1980—2018年大理州生境質(zhì)量指數(shù),并計(jì)算其變化率。1980、1990、1995、2000、2005、2010和2018年大理州生境質(zhì)量指數(shù)分別為0.728、0.727、0.734、0.728、0.728、0.727和0.738,呈先增加后減小再增加的演變趨勢。其中,生境質(zhì)量指數(shù)于1990—1995年和2010—2018年分別提高0.900%和1.549%。同時(shí),研究期間大理州生境質(zhì)量指數(shù)長期在0.730附近呈微小波動變化,表明研究區(qū)生境質(zhì)量整體較為穩(wěn)定,這得益于大理州長期的退耕還林工程建設(shè)和旅游業(yè)發(fā)展。

3.1.1生境質(zhì)量時(shí)空變化

由圖1可知,從空間分布來看,大理州生境質(zhì)量指數(shù)高值區(qū)均位于大理州西部和東南部山地,集中分布在怒山、雪盤山、云嶺和點(diǎn)蒼山等地區(qū)。生境質(zhì)量指數(shù)低值區(qū)主要集中于大理州東部大理壩、祥云壩、賓川壩、彌渡壩、劍川壩、洱源壩和鶴慶壩等地區(qū)。同時(shí),1980—2018年研究區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)減小區(qū)域集中在大理州中部,生境質(zhì)量提高區(qū)域主要分布在研究區(qū)邊緣山地,生境質(zhì)量指數(shù)不發(fā)生變化區(qū)域集中在已建城鎮(zhèn)地區(qū),空間分布較為分散。這主要是因?yàn)閴螀^(qū)是大理州城鄉(xiāng)發(fā)展的主要地域空間載體,是人地關(guān)系沖突最為激烈的區(qū)域。從生境質(zhì)量斑塊時(shí)空變化來看,1980—2018年研究區(qū)生境質(zhì)量波動變化明顯。1980—1995年研究區(qū)生境質(zhì)量整體呈現(xiàn)下降趨勢;1995—2000年呈現(xiàn)上升趨勢;2000—2005年保持穩(wěn)定;2005—2010年呈現(xiàn)下降趨勢;2010—2018年呈現(xiàn)上升趨勢,尤其是2018年提升更為明顯。2018年,下關(guān)鎮(zhèn)為大理市新城區(qū)城市建設(shè)用地集中分布區(qū)，鳳儀鎮(zhèn)為城鎮(zhèn)上山工業(yè)用地集中區(qū),這兩地生境質(zhì)量指數(shù)較低,除此以外，研究區(qū)其他地區(qū)生境質(zhì)量有明顯提高。這主要得益于大理州長期實(shí)施的退耕還林工程和坡耕地轉(zhuǎn)為水果生產(chǎn)用地的舉措。同時(shí),隨著洱海流域保護(hù)工程不斷推進(jìn),流域生態(tài)廊道不斷完善,洱海流域生境質(zhì)量有所提高。另外,結(jié)合對洱海西岸S226道路沿線的實(shí)地考察發(fā)現(xiàn),洱海西岸土地利用轉(zhuǎn)化較為復(fù)雜,以耕地轉(zhuǎn)為果園或苗圃為主,如崇益村主要將耕地用于苗圃等綠化植物種植,月溪村以耕地轉(zhuǎn)為果園用地為主。此外,洱海西岸出現(xiàn)極少數(shù)耕地撂荒現(xiàn)象,由于洱海西岸地區(qū)生態(tài)區(qū)位較好,撂荒能促進(jìn)植物群落和土壤恢復(fù)，豐富生物與景觀多樣性[25]。所以,撂荒對洱海流域生境質(zhì)量有一定的正向促進(jìn)作用。隨著洱海流域治理和保護(hù)工作不斷推進(jìn),研究區(qū)生境質(zhì)量有望得到進(jìn)一步改善。

3.1.2生境質(zhì)量等級的面積變化

1980—2018年研究區(qū)生境質(zhì)量等級為良好級及以上區(qū)域面積占比約為80%，長期處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明研究區(qū)生境質(zhì)量整體水平較高。由圖2可知，1980、2000和2018年研究區(qū)生境質(zhì)量處于良好和優(yōu)等級區(qū)域面積占總面積比例均較高，良好級區(qū)域面積占比分別為42.819%、42.922%和43.726%，優(yōu)等級區(qū)域面積占比分別為36.640%、36.708%和37.036%。整體上看，研究區(qū)生境質(zhì)量良好和優(yōu)等級區(qū)域面積占比呈增加趨勢，這表明研究區(qū)生境質(zhì)量朝好的方向轉(zhuǎn)化，但速率較慢。研究區(qū)生境質(zhì)量處于差和較差等級區(qū)域面積占比高達(dá)19%，這說明研究區(qū)因受山地環(huán)境和人類活動雙重干預(yù)，生態(tài)脆弱區(qū)域面積較大。這主要是因?yàn)榇罄碇萆降孛娣e與壩區(qū)面積比為14.152∶1，導(dǎo)致山地地區(qū)人類活動強(qiáng)度相對較低，生境質(zhì)量較好；而有限的壩區(qū)面積造成農(nóng)業(yè)用地和城鎮(zhèn)建設(shè)用地矛盾突出。同時(shí)，由圖2可知，研究區(qū)生境質(zhì)量處于較差及以下等級區(qū)域面積整體上保持穩(wěn)定。這可能是由于：(1)大理州旅游業(yè)發(fā)展水平較高，大量勞動力從事旅游相關(guān)產(chǎn)業(yè)活動，緩解第一產(chǎn)業(yè)的人地關(guān)系矛盾；(2)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以發(fā)展柑橘、核桃、提子和桃子等亞熱帶高原特色農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型為主，使大理成為云南水果的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)[26]，水果種植極大地改變了耕作用地生境質(zhì)量低的情況。第一產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)升級為以水果生產(chǎn)為主的高原特色農(nóng)業(yè)，極大緩解耕地對區(qū)域生境質(zhì)量的影響程度。如賓川縣江股地區(qū)，將耕地轉(zhuǎn)為以種植提子、桃子等水果為主。(3)研究區(qū)一般等級區(qū)域面積減小且部分轉(zhuǎn)化為較差及以下等級，其面積由2010年的0.389 km2減少為2018年的0.064 km2，減少83.672%。

3.2 生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)移分析

3.2.1生境質(zhì)量等級空間變化

由圖3可知，1980—2018年研究區(qū)生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)為優(yōu)等的區(qū)域以良轉(zhuǎn)為優(yōu)等為主，其面積為561.746 km2，主要分布在大理州邊緣地帶，尤以云龍縣西北部和西南部、祥云縣東南部、賓川縣東北部、鶴慶縣南部和北部、洱源縣中部以及劍川縣中部最為集中；一般級轉(zhuǎn)為優(yōu)等的區(qū)域主要分布在南澗縣西南部；較差級轉(zhuǎn)為優(yōu)等的區(qū)域主要分布在永平縣與云龍縣交界地區(qū)以及洱源縣中北部地區(qū)。生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)為良等級的區(qū)域以優(yōu)等轉(zhuǎn)為良等級為主，其面積為501.999 km2，主要分布在大理州主要河流或壩子邊緣的山地，尤以祥云壩圍繞的山地、大理市南端、賓川縣西北部、劍川縣黑惠河附近山地和云龍縣舊州鎮(zhèn)瀾滄江河谷附近山地為主，這說明人類活動已從壩區(qū)及河谷地區(qū)向周圍低海拔山地?cái)U(kuò)張；一般級轉(zhuǎn)為良等級區(qū)域面積為319.121 km2，集中分布在大理州邊緣地區(qū)、云龍縣西部民建鄉(xiāng)、永平縣西南部、南澗縣西南部、彌渡縣南部和鶴慶縣東北部。良等級轉(zhuǎn)為較差等級的區(qū)域面積為277.400 km2，主要分布在云龍縣東部、永平縣中東部、鶴慶縣中東部和洱源縣中部地區(qū)。

3.2.2生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)移分析

(1)由表3可知，1980年生境質(zhì)量為優(yōu)等級區(qū)域有0.054%和1.036%的面積分別轉(zhuǎn)為差和較差等級，有0.121%和4.838%的面積分別轉(zhuǎn)為一般和良好等級，有93.951%的面積仍以優(yōu)等級作為區(qū)域主體空間存在。由優(yōu)等級轉(zhuǎn)為差和較差等級的區(qū)域主要分布在洱源縣茈碧湖鎮(zhèn)，這是由于城市用地?cái)U(kuò)張引起。

表3 1980—2018年大理州生境質(zhì)量等級面積占比變化轉(zhuǎn)移矩陣

(2)1980年生境質(zhì)量為良好等級區(qū)域有0.376%和2.286%的面積分別轉(zhuǎn)為差和較差等級，0.216%和4.631%的面積分別轉(zhuǎn)為一般和優(yōu)等級，有92.491%的面積仍以良好等級作為區(qū)域主體空間存在。由良好等級轉(zhuǎn)化為差和較差等級主要是由于公路修建及新區(qū)開發(fā)，尤其是鳳儀鎮(zhèn)和海東地區(qū)工業(yè)區(qū)的新建。

(3)1980年生境質(zhì)量為較差等級區(qū)域有3.298%的面積轉(zhuǎn)為差等級，有6.526%和3.039%的面積分別轉(zhuǎn)為良好和優(yōu)等級，有87.012%的面積仍以較差等級作為區(qū)域主體空間存在。由較差轉(zhuǎn)為差等級的區(qū)域主要分布于縣城所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)附近、大理鎮(zhèn)、鳳儀鎮(zhèn)和海東鎮(zhèn)，主要是由于城市擴(kuò)張引起的生境質(zhì)量降低。由較差轉(zhuǎn)為良好和優(yōu)等級區(qū)域主要分布在遠(yuǎn)離縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的山地，這是由于大理州長期開展的退耕還林、耕地用地結(jié)構(gòu)變化和扶貧異地搬遷等工作，修復(fù)了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，使得生境質(zhì)量提高。

(4)1980年生境質(zhì)量為差等級區(qū)域有15.428%的面積轉(zhuǎn)為較差等級，有1.534%和1.483%的面積分別轉(zhuǎn)為良好和優(yōu)等級，有81.538%的面積仍以差等級作為區(qū)域主體空間存在。由差轉(zhuǎn)為較差等級的區(qū)域主要分布在彌渡壩、祥云壩、大理壩、賓川壩、洱源壩和鶴慶壩內(nèi)交通線路沿線附近，這是由于這些地區(qū)土地利用類型由耕地轉(zhuǎn)為果園或苗圃用地，格局生境質(zhì)量有所改善。

4 結(jié)論

分析山地生境質(zhì)量時(shí)空特征及其空間變化規(guī)律對山地耕地保護(hù)、城鎮(zhèn)高效綠色發(fā)展具有重要意義，對以壩區(qū)作為人類經(jīng)濟(jì)活動主要地域空間載體的民族地區(qū)城鄉(xiāng)融合發(fā)展更具現(xiàn)實(shí)意義。采用生境質(zhì)量模型及生境質(zhì)量變化模型剖析大理州生境質(zhì)量演化，得出以下結(jié)論：

(1)1980—2018年大理州生境質(zhì)量指數(shù)整體在0.730附近波動，整體處于良好等級，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)，對來自自然和人類活動的干擾抵御能力較強(qiáng)，生境質(zhì)量明顯向良好及優(yōu)等級方向演進(jìn)。

(2)1980—2018年，由于小范圍城鎮(zhèn)化推進(jìn)和旅游基礎(chǔ)設(shè)施新建，大理州局部地區(qū)生境質(zhì)量呈惡化趨勢。整體上，研究區(qū)生境質(zhì)量由較高等級降為較低等級的區(qū)域面積很小，且呈零星分布，對研究區(qū)整體生境質(zhì)量影響不明顯。

(3)自1980年以來，大理州邊緣地區(qū)生境質(zhì)量明顯提高，整體向優(yōu)等級方向演進(jìn)，這些區(qū)域也集中分布在山地上。而大理州壩子已有城鎮(zhèn)附近以及壩子和河流邊緣低緩山地區(qū)域生境質(zhì)量明顯下降，需在這些區(qū)域開展生態(tài)修復(fù)工程。