三峽庫區(qū)消落帶生境質(zhì)量時(shí)空演變特征及其地形梯度效應(yīng)研究

周啟剛 ， 王 陶 ， 劉栩位 ， 周 浪 ， 彭春花 ， 傅俊越

(1.重慶工商大學(xué) a.公共管理學(xué)院，b.環(huán)境與資源學(xué)院，重慶 400067； 2.生態(tài)環(huán)境空間信息數(shù)據(jù)挖掘與大數(shù)據(jù)集成重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401320)

0 引言

經(jīng)濟(jì)全球化的不斷發(fā)展和人類活動(dòng)的不斷加強(qiáng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能不斷下降、生物多樣性持續(xù)減弱[1]。生物多樣性是生物在其生存環(huán)境發(fā)展過程中所遇到的各種生態(tài)過程的總和，更是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。生物物種繁衍過程中遺傳變異能力以及生物多樣性均可采用生境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行表征[3]。因此，針對(duì)研究區(qū)域生境質(zhì)量演化的研究可對(duì)維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與平衡提供理論依據(jù)。

近年來，人類活動(dòng)以及氣候變化等因素，破壞了三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)平衡。生境質(zhì)量早期研究是在特定區(qū)域?qū)ξ锓N的生境質(zhì)量進(jìn)行研究或者研究不同生境條件下對(duì)同一物種的影響與作用[4-5]。隨著技術(shù)發(fā)展，有學(xué)者提出了新的生境質(zhì)量研究方法，一是利用GIS和RS并引用空間多樣性指數(shù)在土地覆被變化基礎(chǔ)上分析生境質(zhì)量變化[6-9]；二是基于InVEST模型，研究生境質(zhì)量時(shí)空分異特征及其地形梯度效應(yīng)[10-11]。目前，國內(nèi)外對(duì)生境質(zhì)量的研究主要是以流域、海岸帶、城市、丘陵區(qū)等為對(duì)象，基于景觀格局、土地利用以及景觀格局與地形等對(duì)生境質(zhì)量進(jìn)行研究[12-14]。但是大中尺度下生境質(zhì)量的時(shí)空演變的研究還較為缺乏，鮮有學(xué)者研究生境質(zhì)量的梯度效應(yīng)。高程、坡度和地形起伏度是重要的地形因素，從地形梯度方向展開對(duì)生境質(zhì)量的分析，進(jìn)而達(dá)到深入認(rèn)識(shí)生境質(zhì)量時(shí)空分異特征的目的。

消落帶是水陸生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)地帶，受到水位漲落的影響[15]。本研究以三峽庫區(qū)消落帶為研究對(duì)象，通過生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和權(quán)衡的綜合評(píng)估(integrated valuation of ecosystem services and trade-offs，InVEST)模型分析生境質(zhì)量時(shí)空演變特征，采用自然斷點(diǎn)法分析其生境質(zhì)量的優(yōu)劣程度，利用地形位指數(shù)研究生境質(zhì)量的地形梯度效應(yīng)，揭示三峽庫區(qū)消落帶時(shí)空演變規(guī)律及地形梯度效應(yīng)，可為三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)管理提供決策建議，完善三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域

三峽庫區(qū)消落帶位于29°16′N～31°25′N，106°E～110°50′E，面積348.34 km2，涉及26個(gè)區(qū)縣。三峽水庫消落帶(圖1)是因水庫調(diào)度引起水庫水位變動(dòng)，使庫區(qū)周圍土地周期性地出露于水面，形成垂直高差為30 m、長(zhǎng)約600 km的一段濕地生態(tài)系統(tǒng)和陸生生態(tài)系統(tǒng)交替演變的過渡地帶[16-17]。高水位蓄水和運(yùn)行給三峽庫區(qū)消落帶的生態(tài)環(huán)境帶來一定的影響[18]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于Google Earth(https://developers.google.com/earth-engine/datasets/)發(fā)布的高分辨率遙感影像，空間分辨率為2 m×2 m，地理坐標(biāo)系GCS_Krasovsky_1940，投影坐標(biāo)系采用Albers圓錐等面積投影。選擇2010年、2014年、2018年、2020年四期夏季遙感影像數(shù)據(jù)，通過智能化影像分析軟件eCognition，對(duì)基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行面向?qū)ο蠼庾g，再采用人工目視解譯方法提高遙感影像的解譯精度，將研究區(qū)地表覆被類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及未利用地6種類型。DEM數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m×30 m，來源于地理空間云(www.gscloud.cn)。

圖1 研究區(qū)域

1.3 研究方法

1.3.1InVEST生境質(zhì)量評(píng)估模型。InVEST模型是美國自然資本項(xiàng)目組開發(fā)的、用于評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能量及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值、支持生態(tài)系統(tǒng)管理和決策的一套模型系統(tǒng), 包括陸地、淡水和海洋三大類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估模型。其中包括生境質(zhì)量、產(chǎn)水量、土壤保持等模塊[19-21]。本研究基于InVEST模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行地表覆被利用信息和威脅因子的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)計(jì)算，可直觀反映研究區(qū)覆被利用類型動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境帶來的影響。覆被利用的強(qiáng)度增大將會(huì)導(dǎo)致威脅因子的數(shù)量和強(qiáng)度的增加，從而致使其周邊區(qū)域生境退化。將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量視為一個(gè)變量，量化分析威脅因子的強(qiáng)度以及各覆被利用類型對(duì)威脅因子的敏感度，同時(shí)考慮威脅因子的影響范圍及空間權(quán)重等因素，繼而表征生物多樣性的豐富性[22-24]。

InVEST模型將為生命有機(jī)體提供生存和繁衍所需資源的空間定義為生境[25]。本研究考慮到消落帶區(qū)域內(nèi)同時(shí)存在建設(shè)用地、道路用地、耕地等三類人為活動(dòng)較為頻繁的土地覆被類型，并將對(duì)該區(qū)域產(chǎn)生不同程度的干擾，因此，把這三類土地覆被類型設(shè)定為威脅因子，其余的不同地類代表各類生境。模塊通過計(jì)算威脅因子對(duì)生境帶來的負(fù)面作用，表示該生境的退化狀態(tài)，通過生態(tài)環(huán)境的適宜情況和退化程度計(jì)算生境質(zhì)量，應(yīng)用InVEST模型計(jì)算[26]，公式如下：

式中：Qxj為地類j中附加單元x的生境質(zhì)量指數(shù)；Hj為地類j的生境適宜度；Dxj為地類j中體積單元x的生境退化度；K為半飽和系數(shù)，一般設(shè)置為生境退化程度為每年的1/2；z為轉(zhuǎn)換系數(shù)，按照InVEST模型指導(dǎo)手冊(cè)的推薦值，設(shè)置為2.5。生境質(zhì)量得分值域?yàn)?～1(生境適宜度最高時(shí)生境質(zhì)量得分為1,最低時(shí)為0)。

為了使模型運(yùn)行結(jié)果更貼近三峽庫區(qū)消落帶生境質(zhì)量的實(shí)際狀況，對(duì)生境質(zhì)量模塊的各類參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)InVEST模型使用手冊(cè)，參考專家建議，結(jié)合前人研究[25-29]，確定威脅因子影響和生境敏感度的賦值(表1，表2)。

表1 威脅因子參數(shù)Tab.1 Threat factor parameters

表2 生境類型對(duì)威脅因子的敏感度Tab.2 Sensitivity of habitat types to threat factor

1.3.2地形位指數(shù)。單一坡度或高程的空間分析對(duì)地形特征的表征不夠全面，需要借助地形位指數(shù)，復(fù)合分析空間任何一點(diǎn)的坡度和高程，對(duì)地形特征進(jìn)行描述[30-31],計(jì)算公式為：

式中：T為地形位指數(shù)；E為任何一點(diǎn)的高程值；Ex為研究區(qū)內(nèi)的高程平均值；S為任何一點(diǎn)的坡度值；Sx為該點(diǎn)所在研究區(qū)內(nèi)的坡度平均值。地形位指數(shù)越大，代表的坡度越大、高程值越高；反之地形位指數(shù)越小，代表的坡度越小、高程值越低[32]。

2 結(jié)果與分析

2.1 三峽庫區(qū)消落帶生境質(zhì)量時(shí)空變化特征

2.1.1生境質(zhì)量時(shí)序變化分析。生境質(zhì)量指數(shù)為0～1連續(xù)變化的值，值越接近于1，生境質(zhì)量越好[33]。利用自然斷點(diǎn)法將四期生境質(zhì)量指數(shù)運(yùn)算結(jié)果分為差、較差、中等、良好、優(yōu)，并統(tǒng)計(jì)各個(gè)等級(jí)生境的面積占比及生境質(zhì)量指數(shù)的均值(表3)?？傮w上三峽庫區(qū)消落帶生境質(zhì)量指數(shù)呈略有波動(dòng)的上升趨勢(shì)。在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)，生境質(zhì)量等級(jí)面積占比呈現(xiàn)兩極高、中間低的特征。良好和優(yōu)等級(jí)的生境質(zhì)量面積占比總和在四期中均穩(wěn)定達(dá)到60%以上，四期指數(shù)均值都在中等級(jí)別，充分表明三峽庫區(qū)消落帶生境質(zhì)量整體水平較高。

2.1.2生境質(zhì)量空間變化分析。研究區(qū)域跨度較大并具有特殊的圖譜特征，較難反映其空間分布規(guī)律。借鑒《三峽庫區(qū)近、中期農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展總體規(guī)劃》的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，將三峽庫區(qū)劃分為庫首、庫腹、庫尾3個(gè)區(qū)(圖2)[33]。將庫首、庫腹、庫尾范圍與生境質(zhì)量指數(shù)疊加，采用分區(qū)統(tǒng)計(jì)其平均值(表4)。2010年庫首生境質(zhì)量指數(shù)最高，該區(qū)域林地和水域等高生境適宜度斑塊較為集中。2014年庫首、庫腹及庫尾生境質(zhì)量高低序列不變，庫尾生境質(zhì)量指數(shù)均值上升幅度明顯。2018年三峽庫區(qū)庫首、庫尾生境質(zhì)量指數(shù)均保持穩(wěn)定，而庫腹生境質(zhì)量有小幅下降。2020年三峽庫區(qū)庫首生境質(zhì)量仍保持穩(wěn)定，庫腹生境質(zhì)量有一定上升，而庫尾生境質(zhì)量出現(xiàn)較明顯下降。

表3 2010年、2014年、2018年、2020年三峽庫區(qū)消落帶生境質(zhì)量等級(jí)及面積占比

圖2 三峽庫區(qū)庫首、庫腹、庫尾

表4 2010年、2014年、2018年、2020年 三峽庫區(qū)庫首、庫腹、庫尾生境質(zhì)量變化

2.1.3生境質(zhì)量時(shí)空變化分析。為了更直觀地反映三峽庫區(qū)消落帶生境質(zhì)量的時(shí)空分異特征，對(duì)四期生境質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行差值分析，同樣采用自然斷點(diǎn)法將其劃分為五類(表5)。由表5可知，穩(wěn)定型生境質(zhì)量面積始終占據(jù)主導(dǎo)地位?？焖偻嘶瘏^(qū)域面積占比較小，緩慢退化區(qū)面積占比不斷下降，而緩慢改善和快速改善面積占比都為先下降后上升。

表5 2010—2020年三峽庫區(qū) 消落帶生境質(zhì)量面積占比變化 %

2.2 生境質(zhì)量的地形梯度效應(yīng)分析

2.2.1三峽庫區(qū)消落帶地形特征分析?；贒EM數(shù)據(jù)得到三峽庫區(qū)地形特征，從空間分布上高程由庫尾至庫首逐步遞減，庫尾高程最高(表6)。坡度由庫尾至庫首逐步遞增，高程和坡度的最大值與均值相差幅度極大，局部地區(qū)具有高程高、坡度大等地形特征。

表6 庫首、庫腹和庫尾消落帶地形特征均值

地形位指數(shù)能綜合表征區(qū)域的地形分布狀況。根據(jù)公式計(jì)算三峽庫區(qū)消落帶地形位指數(shù)為0.164～1.354，采用自然斷點(diǎn)法劃分為5個(gè)梯度等級(jí)(圖3)：Ⅰ級(jí)(<0.439)、Ⅱ級(jí)(0.439～0.560)、Ⅲ級(jí)(0.560～0.687)、Ⅳ級(jí)(0.687～0.841)、Ⅴ級(jí)(0.841～1.354)。由圖3看出，研究區(qū)以Ⅱ級(jí)梯度等級(jí)為主，面積占30%；Ⅰ級(jí)、Ⅲ級(jí)次之，Ⅴ級(jí)最少。地形位指數(shù)與坡度的空間變化趨勢(shì)一致，仍保持從庫尾至庫首逐步遞增，表明坡度對(duì)地形位指數(shù)影響較大。

2.2.2地表覆被的地形梯度效應(yīng)分析。三峽庫區(qū)消落帶的地表覆被類型中水域面積最大(表7)。研究區(qū)本身存在常年淹沒或出露的情況，而出露部分的地表覆被以裸地和耕地為主?？傮w上，耕地、林地、裸地在不同地形梯度等級(jí)的占比均減少，而草地、水域、建設(shè)用地在各梯度等級(jí)上呈增加態(tài)勢(shì)(表8)。地形位越高的位置，地表覆被之間的變化幅度就越小。

圖3 不同地形梯度等級(jí)面積占比變化Fig.3 Area proportion of different terrain gradient grades

表7 2010年不同地形梯度等級(jí)的地表覆被率 %

2.2.3生境質(zhì)量的地形梯度效應(yīng)。利用分區(qū)統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算不同地形位等級(jí)的生境質(zhì)量平均值(圖4)。由圖4可知，隨著地形梯度等級(jí)的上升，生境質(zhì)量整體呈上升趨勢(shì)。但在Ⅱ級(jí)時(shí)，生境質(zhì)量降低。由于耕地與建設(shè)用地集中于平緩的梯度等級(jí)，因此，在Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)中的占比較高；地表覆被中水域減少，林地面積減少較少，草地面積增加，生境適宜度較好的地表覆被類型面積在梯度等級(jí)由Ⅰ級(jí)升至Ⅱ級(jí)的過程中減少，生境質(zhì)量總體降低。

從三峽庫區(qū)消落帶不同梯度等級(jí)的生境質(zhì)量差值分析結(jié)果(圖5)可知，各梯度等級(jí)生境質(zhì)量總體有所上升。2010—2020年生境質(zhì)量隨梯度等級(jí)變化的波動(dòng)曲線中Ⅲ級(jí)梯度是拐點(diǎn)。結(jié)合地表覆被變化數(shù)據(jù)可知，Ⅱ級(jí)與Ⅰ級(jí)退耕還草工程實(shí)施效果最為明顯，同時(shí)低等級(jí)梯度區(qū)域多處于消落帶與長(zhǎng)江交界處，其他地類向高生境適宜度的水域轉(zhuǎn)換更為頻繁，因而水域增大幅度隨梯度等級(jí)上升而下降；而低梯度等級(jí)區(qū)域更適于人類生活和從事生產(chǎn)活動(dòng)，隨著地形梯度增加，建設(shè)用地增加幅度逐漸減小。因此，Ⅲ級(jí)梯度區(qū)域?yàn)樯迟|(zhì)量增長(zhǎng)幅度先減小后增大的拐點(diǎn)，此處生境質(zhì)量下降幅度最大。

表8 2010—2020年不同 地形梯度等級(jí)的地表覆被率變化 %

圖4 三峽庫區(qū)消落帶不同梯度等級(jí)的生境質(zhì)量均值

圖5 三峽庫區(qū)消落帶不同梯度等級(jí)的生境質(zhì)量差值分析

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

(1)三峽庫區(qū)消落帶區(qū)域總體生境質(zhì)量略有上升，上升幅度較小。各等級(jí)生境面積占比呈現(xiàn)兩極高、中間低的特征。生境質(zhì)量變化水平在2010—2020年呈“庫首穩(wěn)定—庫腹波動(dòng)—庫尾下降”的空間格局，重慶市對(duì)兩江四岸消落帶的生態(tài)治理使得三峽庫區(qū)消落帶生境質(zhì)量保持總體穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，同時(shí)庫尾區(qū)域的人為活動(dòng)會(huì)加劇對(duì)消落帶生境的威脅。

(2)2010年、2014年、2018年、2020年四期研究結(jié)果顯示，三峽庫區(qū)消落帶生境質(zhì)量在不同地形梯度的變化趨勢(shì)基本一致，呈先下降后上升、上升幅度隨梯度等級(jí)增加相應(yīng)上升的總體趨勢(shì)，林地面積占比隨梯度等級(jí)上升、建設(shè)用地隨梯度等級(jí)下降是主要原因?？傮w上，各梯度等級(jí)生境質(zhì)量均有上升，上升幅度呈波動(dòng)曲線，Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)梯度退耕還草護(hù)林工程取得進(jìn)展，生境質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，同時(shí)也應(yīng)警惕在這兩類梯度上不斷加劇的人為活動(dòng)將對(duì)消落帶生境質(zhì)量帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 討論

(1)本研究選取三峽庫區(qū)消落帶為研究區(qū)，采用消落帶出露時(shí)的高分辨率遙感影像作為解譯原始數(shù)據(jù)，三峽庫區(qū)消落帶的范圍確定為水位線145～175 m的區(qū)域。由于研究區(qū)自身影響，水位線145 m和175 m重合導(dǎo)致局部區(qū)域無消落帶存在，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出狹長(zhǎng)和斷帶的情況，因此，可結(jié)合消落帶岸線一定范圍內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行深入研究以彌補(bǔ)不足。

(2)Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)地形梯度生境質(zhì)量處于較低位置，也是人為活動(dòng)的高發(fā)區(qū)域，部分區(qū)縣因城市化的加速推進(jìn)，屢屢發(fā)生侵占城市建成區(qū)邊緣消落帶的現(xiàn)象，雖然目前消落帶生境質(zhì)量總體有所好轉(zhuǎn)，但仍需警惕這一現(xiàn)象的發(fā)生。因此，應(yīng)在退耕還林還草生態(tài)工程實(shí)施取得一定成效的前提下，對(duì)消落帶開展有針對(duì)性的生態(tài)治理行動(dòng)。特別是針對(duì)位于城市建成區(qū)邊緣的消落帶，脆弱敏感的生態(tài)系統(tǒng)更易受到人為活動(dòng)影響和威脅，可因地制宜地進(jìn)行耐淹植物種植、濕地公園示范區(qū)建設(shè)等與生態(tài)系統(tǒng)親和性、適宜性較高的生態(tài)恢復(fù)工程，維持消落帶內(nèi)部健康的生態(tài)狀況，保障長(zhǎng)江兩岸的生態(tài)安全。

(3)本研究結(jié)合地表覆被數(shù)據(jù)從垂直空間剖析生境質(zhì)量在不同地形梯度等級(jí)的變化趨勢(shì)與分布特征，研究成果可為三峽庫區(qū)消落帶生物多樣性保護(hù)提供理論支撐。InVEST模型雖然提供了一種可快速量化生境質(zhì)量的有效方法，但仍存在一定的不足，主要表現(xiàn)為模型在估算過程中只考慮到各單一威脅因子對(duì)生境斑塊的脅迫，忽略了各威脅因子對(duì)生境的協(xié)同影響；另外現(xiàn)階段對(duì)相關(guān)機(jī)理研究較為缺乏，直接使用專家賦值法獲得的威脅因子敏感度也存在一定主觀性，今后研究可針對(duì)各威脅因子對(duì)生境的綜合脅迫作用機(jī)理進(jìn)一步展開。