三峽庫區(qū)生境質量的地形梯度效應及對土地利用變化的響應

周曉艷，何依依，黃 欣，張苗苗

（武漢大學資源與環(huán)境科學學院，武漢 430079）

0 引 言

三峽工程是當今世界上最大的水利工程，在防洪、發(fā)電、供水等方面帶來了可觀的綜合效益。三峽庫區(qū)生態(tài)脆弱敏感，人地關系復雜，其生態(tài)環(huán)境健康關系著整個長江流域，一直是資源環(huán)境領域的關注和研究熱點[1]。在國家層面上，1996年正式組建了長江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，圍繞三峽工程建設和運行，對庫區(qū)及長江上游到河口地區(qū)的經(jīng)濟、社會發(fā)展、生態(tài)與環(huán)境進行全面的跟蹤監(jiān)測、及時預警預報，為長江三峽工程建設過程中環(huán)境與資源管理以及部門決策提供科學依據(jù)。目前國內學者對三峽庫區(qū)湖北段生態(tài)環(huán)境的研究大多集中在對庫區(qū)水土流失[2-3]、滑坡地質災害[4]、水源污染以及氮磷排放量[5-8]等單一生態(tài)環(huán)境方面的研究。生境質量被視為區(qū)域生物多樣性和生態(tài)服務水平的重要表征和反映，也是區(qū)域生態(tài)安全保障和人類福祉提升的關鍵環(huán)節(jié)[9-10]。近年來，基于土地利用變化的生境質量研究逐漸成為熱點，如楊志鵬等[11]以東北地區(qū)為研究區(qū)，對土地利用演變視角下的生境質量變化進行分析，并研究了生境質量高低與土地利用類型空間布局的關系，賈艷艷等[12]采用InVEST模型、土地利用程度指數(shù)和雙變量空間自相關模型等方法，分析黃河三角經(jīng)濟區(qū)生境質量演變特征及其與土地利用變化的相關性，石小偉等[13]研究了大都市郊區(qū)土地利用轉型對生境質量的影響。

綜上，本文參考已有成果，考慮三峽庫區(qū)具有獨特的地理條件，創(chuàng)新性地結合地形的視角探討三峽工程建設背景下庫區(qū)生境質量與土地利用變化的關系具有重要意義。本文在利用InVEST模型對其湖北段生境質量進行評估的基礎上，借助地形位指數(shù)分析區(qū)域地形條件對生境質量分布格局及其時空變化的影響，并利用地理加權回歸將不同土地利用變化與生境質量的空間關系進行可視化表達，以揭示生境質量對土地利用變化的響應及不同地形位上的差異。研究結論可為三峽庫區(qū)湖北段未來土地利用布局和生態(tài)環(huán)境保護提供決策支持。

1 研究區(qū)概況

三峽庫區(qū)湖北段位于湖北省中西部，包含湖北省宜昌市夷陵區(qū)、興山，巴東，秭歸三縣，是三峽大壩主體工程所在地，總面積約為1.15萬km2。三峽庫區(qū)湖北段海拔較高，以山地為主，東高西低，地形復雜，屬于亞熱帶氣候區(qū)。研究區(qū)內河流眾多，主要為長江及其支流，構成了復雜的地表徑流網(wǎng)絡，水利資源優(yōu)勢明顯。三峽大壩于1992年獲得七屆全國人大第五次會議批準建設，1994年正式動工興建，1997年實現(xiàn)大江截流，一期移民結束；2003年二期移民結束，正式開始下閘蓄水；2006年三峽大壩全線建成，三期移民結束；2009年全面完成移民、輸變電、樞紐工程的建設，蓄水到175 m，整個三峽工程竣工后進入全面運營狀態(tài)（圖2）。2020年庫區(qū)湖北段城鎮(zhèn)化率為44%左右，第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比約為36%。雖然人口數(shù)量總體呈現(xiàn)下降的趨勢，但近年來地區(qū)生產(chǎn)總值穩(wěn)步增長，農(nóng)業(yè)機械化水平逐年提高，農(nóng)業(yè)人口逐年減少，城鎮(zhèn)化水平不斷提高。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究考慮到三峽工程建設時間節(jié)點，選擇1995－2020年多期土地利用數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)均來自中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn），1995、2000、2005、2010年 4期土地利用數(shù)據(jù)均是以各期Landsat TM/ETM 遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，2015和2020年土地利用數(shù)據(jù)分別是在2010和2015年數(shù)據(jù)基礎上，基于Landsat8遙感影像，通過人工目視解譯生成分辨率為30 m的標準影像。數(shù)據(jù)經(jīng)過人工檢驗，精度在85%以上，可滿足本研究的需求。土地利用分類根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》標準并參考研究區(qū)的實際情況將其分為耕地、林地、草地、水域、建設用地 5個1級類型以及16個2級類型（見表1）。數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）。

表1 土地利用分類體系Table 1 Land cover classification system

2.2 研究方法

2.2.1 InVEST模型

InVEST模型是由美國斯坦福大學、大自然保護協(xié)會（TNC）和世界自然基金會（WWF）聯(lián)合開發(fā)的用于生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估與權衡的生態(tài)模型[14]。本文采用InVEST模型中的生境質量模塊（habitat quality）定量評估三峽庫區(qū)湖北段生境質量，模型以土地利用數(shù)據(jù)為基礎，在綜合考慮威脅因子影響距離和強度、不同生境類型對威脅因子的敏感程度等基礎上進行生境質量估算，以此反映生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性狀態(tài)及其能為物種提供生存繁衍條件的潛力水平。生境質量指數(shù)計算公式如下：

式中Qxj表示土地類型j中柵格x的生境質量；Hj表示土地利用類型j的生境適合度；Dxj表示土地類型j中柵格x的生境退化度；k表示半飽和常數(shù)，一般取Dxj最大值的一半；Z為歸一化常數(shù)，為系統(tǒng)默認參數(shù)，通常取值2.5；R表示威脅因子個數(shù)；y表示威脅因子的柵格數(shù)；Y表示危險因子所占柵格；wr表示威脅因子的權重，取值0～1；ry表示柵格因子強度；irxy表示柵格y的威脅因子值ry對生境柵格x的威脅水平，可通過線性或非線性衰減求?。沪聏表示威脅因子對為柵格x的可達性水平，取值0～1，1表示極容易到達；Sjr表示生境類型j對威脅因子r的敏感程度，取值0～1，該值越接近1表示越敏感；dxy為柵格x與柵格y之間的直線距離，drmax為脅迫因子r的最大影響距離。

通常接近自然狀態(tài)的復雜生態(tài)系統(tǒng)擁有較高生境適宜度，如森林、草原等生態(tài)系統(tǒng)；非自然系統(tǒng)的生境適宜度較低，如城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點等[15]。在參考InVEST模型用戶手冊的基礎上，結合相關研究成果[16-21]，根據(jù)研究區(qū)的實際情況，將耕地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點、其他建設用地作為威脅因子，確定威脅因子的影響距離、權重，生境適宜性則根據(jù)不同土地利用類型對此區(qū)域生境質量的貢獻大小進行賦值，具體參數(shù)見表2和表3?？紤]到研究區(qū)以林地和草地為主，不同覆蓋度的林地、草地相互轉換會影響生境質量，因此本研究將林地和草地分類細化，以區(qū)分林地和草地發(fā)生退化或改善對生境質量的影響。

表2 威脅因子及其脅迫強度Table 2 Threat factors and their stress intensity

表3 不同土地利用類型的生境適宜度及敏感性Table 3 Habitat suitability and sensitivity of different land use type

2.2.2 地形位指數(shù)

地形位指數(shù)[22-23]是復合分析空間任意一點高程和坡度屬性信息的指標，可綜合反映出地形條件的空間分異。其計算公式為：

其中T為地形位指數(shù)，E及E0分別為空間內任一柵格的高程和平均高程（m），S及S0分別為空間任一柵格的坡度值和平均坡度值。一般地，高程低、坡度小的柵格地形位指數(shù)小，反之越大，高程較高但坡度較小或高程較小坡度較高的點，其地形位指數(shù)居中[24]。利用DEM數(shù)據(jù)，計算出地形位指數(shù)，本研究在ArcGIS中按照等間距分級法，將地形位指數(shù)由低到高分為5個等級。

2.2.3 分布指數(shù)

分布指數(shù)[25]可以反映地形條件對景觀組分空間分布的影響，即在地形位梯度上不同景觀組分出現(xiàn)的頻率。當分布指數(shù)P=1時，表示某類生態(tài)風險等級在某地形位上的比重與研究區(qū)該類生態(tài)風險等級的比例相等；當P>1時，表明某類生態(tài)風險等級在該地形位上的比例大于該類生態(tài)風險等級在研究區(qū)的比例，因此將P>1的區(qū)間設定為優(yōu)勢地形位區(qū)間。其公式如下：

式中P為分布指數(shù)，Sie為第e種地形位下第i類生態(tài)風險等級的面積，km2；Si為整個研究區(qū)第i類生態(tài)風險等級的面積，km2；Se為整個研究區(qū)第e種地形位的總面積，S為研究區(qū)總面積，km2。

2.2.4 地理加權回歸(GWR)

GWR是基于局部光滑思想提出的空間回歸模型，既能有效估計具有空間自相關性的數(shù)據(jù)，也能反映參數(shù)在不同區(qū)域的空間異質性[26]，模型公式為：

式中yi為采樣點i的因變量值；β0為截距，(ui,vi)為采樣點的常數(shù)項；βk(ui,vi)為采樣點的第k個自變量的系數(shù)，xik為采樣點i的第k個自變量；εi為隨機誤差項。選擇“自適應”和修正的阿凱克信息準則（AICc）進行GWR分析，GWR結果中，校正R2反映自變量的解釋力，用于檢驗模型性能；條件數(shù)小于0，大于30時表明變量間存在局部多重共線性，模型運算結果不可靠[27]。

3 結果與分析

3.1 三峽庫區(qū)湖北段土地利用時空變化分析

三峽庫區(qū)湖北段主要土地利用類型為林地和耕地。2020年林地面積8 917.73 km2，占比79.2%，耕地面積1 391.19 km2，占比12.3%，兩者之和占土地總面積的90%左右。其他用地類型為草地810.67 km2、水域146.21 km2、建設用地93.71 km2。其中城鎮(zhèn)工礦等建設用地主要在地形位指數(shù)較低的夷陵城區(qū)、興山縣城、巴東縣城及其周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)、秭歸縣與夷陵區(qū)交界處的三峽大壩附近等（圖2）。從三峽工程建設以來，該區(qū)域土地覆被受到不同程度的人類活動干擾。1995－2000年，三峽工程動工開建，建設用地面積小幅增加，部分林地被開墾為耕地，水域和草地面積略有減少。2000－2005年，三峽工程開始蓄水導致部分其他地類轉變?yōu)樗颍渲兄饕愋蜑榱值兀▓D3），該時期建設用地凈減少率最大。2005－2010年，三峽工程全面建成開始運營，這一時期庫區(qū)湖北段人口增加，第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值減少，第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比增加幅度較大，工程建設導致非農(nóng)經(jīng)濟增長較快。

在宜昌市夷陵城區(qū)、興山縣城周邊和巴東縣南部清江下游的水布埡、三峽大壩工程所在的三斗坪等鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設用地面積增加。同時伴隨著退耕還林還草政策的實施，耕地面積大量減少。2010－2015年，三峽工程進入全面運營階段，第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重較為穩(wěn)定，第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值比重緩慢上升。與上一時段相比，由于退耕還林還草進入后期階段，耕地面積持續(xù)減少但幅度降低，林地和草地面積略有下降，建設占用耕地和林地幅度有所增加。主要為省道國道的建設以及鄉(xiāng)村道路改擴建等交通基礎設施的增加，集中在巴東北部的長江上游附近以及夷陵城區(qū)東南方向。2015－2020年，水域和建設用地面積減少，耕地小幅度增加，主要由林草地轉化而來，增加區(qū)域主要集中在興山縣南部?？傮w來說，近25 a來，隨著三峽大壩的建成及庫區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，建設用地和水域大幅擴張；耕地面積小幅增加，主要由林地轉化而來，林草地面積小幅減少。

3.2 三峽庫區(qū)湖北段生境質量時空變化特征分析

運行InVEST模型的生境質量模塊，得到三峽庫區(qū)湖北段5期生境質量的空間分布圖（圖4）。

為便于對比分析，參考有關學者的研究[28-30]并結合研究區(qū)的特點，采用等間距分級法，將生境質量指數(shù)劃分為4個區(qū)間：0～0.25，0.25～0.5，0.5～0.75，0.75～1，并據(jù)此將生境質量劃分為低，較低，中和高 4個級別。從表4可以看出，三峽庫區(qū)湖北段生境質量水平總體較高，生境質量處于高等級的土地面積達80%以上。

表4 三峽庫區(qū)湖北段不同年份各等級生境質量面積Table 4 Area of habitat quality in Hubei section of the Three Gorges Reservoir Region in different years km2

由表4可知，1995－2000三峽工程一期移民期間，低等級生境質量保持穩(wěn)定，高等級質量生境質量面積略有減少，較低等級生境質量面積減少了740.72 km2，中等級生境質量面積增加了901.42 km2。隨著移民搬遷人口的減少，部分地區(qū)生境質量有所提高。2000－2005年三峽庫區(qū)湖北段在水庫蓄水期間，低等級和高等級生境質量面積基本不變。中等級生境質量面積減少了903.63 km2，較低等級生境質量面積增加了887.33 km2，說明部分地區(qū)由中等級生境質量退化為較低等級。生境質量退化主要發(fā)生在興山縣東部、巴東縣南部、夷陵區(qū)的北部和東南部城鎮(zhèn)化地區(qū)。2005－2015年，庫區(qū)中等級生境質量面積較為穩(wěn)定。變化主要表現(xiàn)為較低等級的生境向低或高等級的雙向變化。較低等級減少了108.35 km2，但低和高等級生境質量面積分別增加了55.74、56.81 km2。生境質量退化的具體位置為三峽工程所在的三斗坪鎮(zhèn)以及茅坪鎮(zhèn)、巴東縣南部、巴東縣北部長江附近以及夷陵城區(qū)東南部地勢平坦開闊、區(qū)位條件較好的區(qū)域。隨著三峽大壩和人口遷移帶來的二三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，建設占用耕地，而耕地占用林草地，較低等級生境質量生境退化為低等級。生境質量改善區(qū)域主要位于興山縣南部地區(qū)，由于退耕還林還草使少量較低生境質量區(qū)域轉化為高生境質量區(qū)域。2015－2020年，中等級和低等級生境質量面積基本不變。在巴東縣南部，少量林地轉化為耕地導致高等級生境質量退化為較低等級?？偟膩碚f，近25 a，庫區(qū)生境質量水平總體較高但略有退化，主要為少量高等級生境質量退化，低等級和較低等級生境質量的增加。

3.3 基于地形梯度的三峽庫區(qū)湖北段生境質量時空變化

由圖5可知，在低地形位（1,2級地形位）上呈優(yōu)勢分布的為低等級和較低等級生境質量，且低等級的生境質量在1級地形位上分布更占優(yōu)勢。在中高（3，4，5級）地形位上，呈優(yōu)勢分布的為中等級和高等級的生境質量。近 25 a，庫區(qū)低等級和高等級生境質量在不同地形位上的分布基本穩(wěn)定，較低和中等生境質量不同地形位上分布略有變化。1995－2000年，較低等級生境質量在低地形位上的優(yōu)勢增加，2000－2020年較低等級生境質量從低地形位逐漸向中高地形位蔓延，中等級生境質量在高地形位上的優(yōu)勢有所提高。

由于三峽庫區(qū)開發(fā)建設活動和局部耕地開墾，低地形位的連片城鎮(zhèn)化地區(qū)與工程建設區(qū)、中地形位零散分布的耕地開墾區(qū)的生境質量有所退化。具體而言，在三峽工程動工開建至一期移民結束，由于移民搬遷部分地區(qū)生境質量略有改善。而后隨著三峽工程的持續(xù)建設和庫區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，人類活動逐漸由低地形位向高地形位蔓延。生境質量低和較低區(qū)域的面積增加并在中低地形位保持主導，較低等級生境質量逐漸向中高等級地形位蔓延，中等級生境質量在中低地形位上的面積縮減，高等級生境質量始終在高地形位上占據(jù)主導且相對穩(wěn)定。

3.4 生境質量對土地利用變化的響應

為了識別土地利用變化與生境質量變化的空間響應模式，本研究根據(jù)三峽工程建設節(jié)點，選取 1995－2000（一期移民結束）、2000－2010（三峽工程建設階段）、2010－2020（三峽工程投入運營）三個時間段，將三峽庫區(qū)湖北段生境質量柵格數(shù)據(jù)和土地利用柵格數(shù)據(jù)劃分成3 000 m×3 000 m的格網(wǎng)，以生境質量指數(shù)變化值為因變量，根據(jù)研究區(qū)土地利用變化情況選擇耕地、林地和建設用地的面積變化量為解釋變量，并通過了共線性檢驗，利用GWR模型對土地利用變化下生境質量的響應進行空間分析，相關參數(shù)的設置及結果見表5。1995－2000、2000－2010和2010－2020年數(shù)據(jù)的模型擬合優(yōu)度均處于較高水平，說明GWR模型的擬合結果較優(yōu)。

表5 GWR模型參數(shù)估計及檢驗結果Table 5 GWR model parameter estimation and test results

從圖6可以看出，生境質量變化對不同地類變化的響應具有空間差異。生境質量變化與耕地面積變化主要呈負相關。1995－2000年，耕地變化與生境質量變化相關性最強的地區(qū)為中低地形位的夷陵區(qū)中部。該地區(qū)耕地增加主要由林草地轉化而來，導致生境質量退化。2000－2010年，負相關性最強的地方在高地形位的興山縣北部、中地形位的巴東縣南部野三關等鄉(xiāng)鎮(zhèn)、低地形位的巴東縣城周邊和三峽大壩附近，少量林草地開墾為耕地，生境質量退化明顯。2010－2020年，耕地面積變化與生境質量變化負相關性強的區(qū)域與上一階段大致相同，但這些區(qū)域生境質量由于退耕還林還草有所提高。

生境質量變化與建設用地變化在空間上主要呈現(xiàn)負相關。1995－2000年，建設用地變化與生境質量變化相關性較強的區(qū)域主要為興山縣大部分地區(qū)，該地區(qū)雖少數(shù)林草地轉化為建設用地，但生境質量對建設用地變化敏感，生境質量退化較明顯。2000－2010年，建設用地變化與生境質量變化強相關的區(qū)域為高地形位的興山縣北部、低地形位的巴東縣城周邊和三峽大壩附近，是工程建設及城鎮(zhèn)擴張導致建設用地增加的主要區(qū)域。2010－2020年，巴東縣南部野山關等鄉(xiāng)鎮(zhèn)、興山縣北部、巴東縣城周邊以及三峽大壩附近，建設用地持續(xù)擴張，生境質量退化明顯。

生境質量變化與林地變化在空間上主要呈現(xiàn)正相關關系。1995－2000年相關性最高的地方為地形位高的興山縣大部分地區(qū)，該地區(qū)少量林地開墾為耕地，生境質量退化。2000－2010年相關性最高的區(qū)域為低地形位的興山縣南部、中高地形位的夷陵區(qū)北部和秭歸縣南部與巴東縣交界處，退耕還林還草使得林地面積增加，生境質量提高。與上一階段相比，2010－2020年相關性較強區(qū)域有所擴大，位于低地形位的巴東縣北部、興山縣南部、夷陵區(qū)北部、秭歸縣南部與巴東縣交界處，主要由于林地開墾為耕地，生境質量退化。從整體來看，建設用地和耕地擴張對生境質量的負向影響先增強后較為穩(wěn)定，林地變化對生境質量的正向影響先減弱后較為穩(wěn)定。

4 結論與討論

本文采用InVEST模型，利用多期土地利用數(shù)據(jù)評估并分析從三峽工程開建以來，庫區(qū)湖北段生境質量的時空演變特征及其地形梯度效應，利用GWR模型從空間上評價不同土地利用變化對生境質量的影響得到以下結論：

1）近25 a來，三峽庫區(qū)湖北段土地利用類型的變化主要為耕地小幅增加，建設用地和水域大幅擴張，林草地小幅減少。其中，1995－2000年，隨著三峽工程的啟動，建設用地面積略有增加；2000－2005年，隨著三峽工程蓄水活動，除水域之外的其他各類用地面積均減少；2005－2010年，隨著工程建設帶來的第二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和城鎮(zhèn)擴張以及退耕還林還草政策的實施，耕地面積急劇減少，建設用地面積大幅度增加；2010－2015年三峽工程全面運營，公路等基礎設施建設導致建設用地持續(xù)擴張，退耕還林政策進入后期耕地減少速度有所放緩；2015－2020年，部分林草地開墾為耕地，土地利用結構較為穩(wěn)定。

2）三峽庫區(qū)湖北段生境質量總體處于較高水平，高等級生境質量的土地面積一直 80%以上，但隨著庫區(qū)開發(fā)建設生境質量略有退化。生境質量的高低大致與地形位呈正相關，其退化主要分布在低地形位。總體來說，低地形位地區(qū)生境質量退化程度較大，中地形位地區(qū)生境質略有退化，高地形位地區(qū)生境質量基本穩(wěn)定。

3）地理加權回歸模型顯示，林地面積的變化與生境質量的變化主要呈正相關，耕地和建設用地面積與生境質量的變化主要呈負相關，但各地類的回歸系數(shù)在空間上存在較大的異質性。生境質量變化對林地變化響應較顯著的地區(qū)為興山縣南部、夷陵區(qū)北部、秭歸縣南部與巴東縣交界處；生境質量變化對耕地變化響應較顯著的地區(qū)為興山縣北部、巴東縣南部野三關鎮(zhèn)以南等鄉(xiāng)鎮(zhèn)、巴東縣城周邊、三峽大壩附近；生境質量變化對建設用地變化響應較顯著的地區(qū)為興山縣北部、巴東縣城周邊、三峽大壩附近。

三峽工程的建設對庫區(qū)的地質、氣候、經(jīng)濟等方面產(chǎn)生了影響，也改變著庫區(qū)的土地利用結構，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成了重要的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)三峽庫區(qū)湖北段生態(tài)環(huán)境脆弱，但由于注重生態(tài)環(huán)境的保護，退耕還林等政策得到了有效的實施，林草地生態(tài)屏障總體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。但低地形位上生境質量退化程度較大，因此要特別關注低地形位生境質量敏感區(qū)域的土地用變化。同時根據(jù)三峽庫區(qū)生境質量在不同地形位對土地利用變化響應特征，在巴東縣南部野三關等鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)應適度控制耕地開墾活動，保護林草地等生態(tài)用地，優(yōu)化土地生態(tài)功能；在興山縣北部、巴東縣城周邊以及三峽大壩附近應限制建設用地擴張和耕地開墾；在興山縣南部、夷陵區(qū)北部、秭歸縣南部與巴東交界處應加強對林草地的保護，以維持生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。未來應在庫區(qū)獨特地理環(huán)境下土地利用與生境質量定量關系、局部生境退化的內在機制研究等方面進一步深化。