南水北調(diào)中線工程水源區(qū)生境質(zhì)量時空演變與驅(qū)動力研究

何慶芳 梁俊紅 楊 柳

（湖北師范大學(xué)，湖北 黃石 435000）

生境質(zhì)量是指生態(tài)系統(tǒng)為個體和種群的可持續(xù)發(fā)展與生存提供合適條件的能力。生境質(zhì)量在一定程度上反映了區(qū)域生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)健康的狀況，并在維持生物多樣性方面發(fā)揮著重要作用。隨著人類活動的增加，對生態(tài)環(huán)境的干擾日益加劇，嚴(yán)重影響和改變了生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀，擾亂了生鏡質(zhì)量。加強對生境質(zhì)量的研究，對生物多樣性保護、生態(tài)安全格局構(gòu)建和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的實現(xiàn)具有重要意義，同時有利于促進區(qū)域生態(tài)平衡、生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展和國家生態(tài)安全等。目前生境質(zhì)量評價方法主要有2 種，一種是采用熵權(quán)法、主成分分析法、層次分析法和價值評估方法等來評估生境質(zhì)量，如鄭可君等[1]采用本地價值評估、活力指數(shù)和威脅因子及威脅強度，客觀、科學(xué)地對生境質(zhì)量進行了評估；另一種是模型法，其中運用最成熟最廣泛的是InVEST 模型。InVEST 模型具有造價低、評估結(jié)果準(zhǔn)確以及空間可視化等特點[2]。

南水北調(diào)中線工程水源區(qū)隸屬湖北、河南兩省，地處漢江上游，南陽盆地中西部，面積約為3.9 萬km2。地勢南北及西部高，東部低，主要地形為河谷平地、山間盆地、丘陵和山地。區(qū)內(nèi)盛行亞熱帶季風(fēng)，降水豐富，河流眾多，人口及城鎮(zhèn)密集。研究區(qū)內(nèi)丹江口水庫作為南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)，是國家級重要水源保護地[3]。目前，對南水北調(diào)中線工程水源區(qū)生境質(zhì)量的研究較少。基于此，本研究采用InVEST 模型，借助地理探測器（地理探測器是分析數(shù)據(jù)空間異質(zhì)性的有力工具，可用于定量分析單個驅(qū)動因子及因子交互對因變量的解釋力度[4]），揭示南水北調(diào)中線工程水源區(qū)2000—2020 年的生境質(zhì)量時空分布特征及驅(qū)動因素，以期為保護水源區(qū)生物多樣性和生態(tài)安全，實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)和經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展提供理論依據(jù)與參考。

1 研究方法

1.1 土地利用類型動態(tài)度

土地利用類型動態(tài)度是衡量不同時期人類活動對土地利用改造程度的指標(biāo)，可以反映研究區(qū)內(nèi)土地利用類型數(shù)量的變化速度[5]，包括單一土地利用類型動態(tài)度和綜合土地利用類型動態(tài)度。

1.1.1 單一土地利用類型動態(tài)度

式中：Aa、Ab分別為研究期初和研究期末某一種土地利用類型的數(shù)量；T為研究時段，a；K為研究時段內(nèi)某種土地利用類型動態(tài)度[6]，%。

1.1.2 綜合土地利用類型動態(tài)度

式中：LUi為監(jiān)測起始時間第i類土地利用類型面積，km2；ΔLUi-j為監(jiān)測時段內(nèi)第i類土地利用類型轉(zhuǎn)為非j類土地利用類型面積的絕對值，km2；T為監(jiān)測時段，a。當(dāng)T的時段設(shè)定為“年”時，LC 為該研究區(qū)土地利用類型年變化率，%[7]。

1.2 InVEST 模型

本研究運用InVEST3.12 模型中的Habitat Quality模塊，確定威脅因子為水田、旱地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點和其他建設(shè)用地。權(quán)重分別設(shè)置成0、0.5、1、0.7 和0.5。最大影響距離為1km、1km、10km、2km、1km，衰減類型前三個為線性衰減，后兩個為指數(shù)衰減。同時確定生境對威脅因子的敏感度（見表1），生成生境質(zhì)量分布圖（見圖1）[8]。生境質(zhì)量值的范圍是0～1，生境質(zhì)量值越大代表生態(tài)環(huán)境越好。計算公式為

圖1 研究區(qū)2000—2020 年生境質(zhì)量分布情況

表1 不同土地利用類型對威脅因子的敏感度

式中：Qxj為土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量值；Hj為土地利用類型j的生境適應(yīng)比重；z為尺度常數(shù)，一般取值為2.5；k為半飽和常數(shù)；dxy為柵格x、y之間的距離；drmax為柵格y（威脅因子r中的柵格）中的威脅因子r（生境威脅因子）對柵格x的影響[9]；Dxj為生境在脅迫壓力下表現(xiàn)出退化的程度，為生境退化度指數(shù)[10-12]。

1.3 地理探測器

地理探測器(geographical detector)是由王勁峰等[4]提出的一種探測空間分異性，揭示其背后驅(qū)動因子的一種統(tǒng)計學(xué)方法。本研究共選取自然因素（高程、坡度、氣溫、降水、NDVI）與社會經(jīng)濟因素（GDP、人口密度、人類活動強度）共8 個因子進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用類型時空變化分析

由圖2 可知，2000—2020 年研究區(qū)土地利用類型以林地為主，分別占研究區(qū)的69.52%、69.47%、69.35%、69.17%、69.27%；然后是耕地，2000—2020年平均占比為17.34%；然后是草地（10.52%）、水域（1.97%）、建設(shè)用地（0.82%）、未利用地（平均面積1.59km2）。從空間上看，林地分布在水源區(qū)的北部、西部、南部大部分區(qū)域；耕地集中分布在西北、東北和西南地區(qū)；水域分布在東部地區(qū)（丹江口市附近）；建設(shè)用地集中分布在中部和東北部。主要是因為研究區(qū)大部分區(qū)域海拔較高，山區(qū)廣布，人口集中分布在平原、盆地地區(qū)以及河流湖泊附近，因此造就了現(xiàn)狀土地利用空間分布格局。研究區(qū)2000—2020 年不同類型土地利用面積見表2。

圖2 研究區(qū)2000—2020 年土地利用類型情況

表2 研究區(qū)2000—2020 年不同類型土地利用面積 單位： km2

由表3 可知，水源區(qū)2000—2020 年綜合土地利用動態(tài)度較低，為0.07%，呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。其中，2010—2015 年綜合土地利用動態(tài)度增長幅度最大，增加到了0.10%。2000—2020 年，未利用地的單一土地利用動態(tài)度最大，均值為9.71%，其次為建設(shè)用地（3.37%）、水域（2.06%），最低為耕地（-0.32%）；林地的土地利用動態(tài)度變化不大，相對穩(wěn)定。主要原因是隨著水源區(qū)人口的增加、經(jīng)濟的發(fā)展、城鎮(zhèn)化進程的加快，對未利用地和建設(shè)用地的需求增加。

表3 研究區(qū)2000—2020 年土地利用動態(tài)度 單位：%

2.2 生境質(zhì)量時空變化特征

從時間上看，2000—2020 年水源區(qū)總體生境質(zhì)量較好，但呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，由0.7224 下降到0.7166（見表4），生境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)顯著上升趨勢，這表明柵格單元之間的生境質(zhì)量差異在擴大。從空間上看，水源區(qū)的生境質(zhì)量總體呈現(xiàn)由南向北、由西向東遞減的趨勢，見圖1。由表5 可知，水源區(qū)的生境質(zhì)量等級分級中，高等級生境質(zhì)量占比最大，平均占比為60.6%，其分布態(tài)勢與林地的分布一致，集中分布在巴東縣、丹鳳縣、興山縣和神農(nóng)架區(qū)等地區(qū)，中等級生境質(zhì)量與耕地分布高度相似，低等級生境質(zhì)量分布與建設(shè)用地分布密切相關(guān)，這說明建設(shè)用地的擴張是生境質(zhì)量惡化的最重要的因素。建設(shè)用地聚集了大量的人口、農(nóng)田和城鎮(zhèn)，高強度的土地開發(fā)與利用加劇了生態(tài)環(huán)境的破壞程度。近20 年來，低等級的生境質(zhì)量區(qū)域在逐漸擴張，呈現(xiàn)由點到面的轉(zhuǎn)變過程，見圖1。

表4 2000—2020 年生境質(zhì)量統(tǒng)計

表5 2000—2020 年生境質(zhì)量等級面積 單位： km2

由表6 可知，生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)移的總面積為1773.41km2，占研究區(qū)總面積的4.5%，主要是中等級與高等級之間的轉(zhuǎn)變，生境質(zhì)量向好轉(zhuǎn)移的面積為1000.58km2，占研究區(qū)總面積的2.5%；生境質(zhì)量向差轉(zhuǎn)移的面積為772.83km2，占研究區(qū)總面積的2%。由此可見，生境質(zhì)量變好的區(qū)域大于變差的區(qū)域，這與推行退耕還林、退田還湖的生態(tài)保護措施有極大的關(guān)系，同時也說明水源區(qū)在開發(fā)時注重對生態(tài)環(huán)境的保護。

表6 2000—2020 年生境質(zhì)量等級轉(zhuǎn)移面積單位： km2

2.3 生境質(zhì)量驅(qū)動力分析

從因子解釋力q值來看（見圖3），降序排列為人類活動強度（26.52%）＞高程（13.97%）＞NDVI（13.75%）＞坡度（12.62%）＞年平均氣溫（11.38%）＞人口密度（9.41%）＞年平均降水量（6.18%）＞GDP（6.16%），主導(dǎo)因子為人類活動強度、高程、NDVI?？偟膩碚f，自然因素的解釋力整體呈波動下降趨勢；社會經(jīng)濟因素呈波動上升趨勢。

圖3 生境質(zhì)量不同影響因子解釋力

3 結(jié) 語

本研究基于InVEST 模型的評估結(jié)果，綜合運用ArcGIS 軟件及地理探測器對研究區(qū)生境質(zhì)量時空演變特征驅(qū)動因素進行定量化分析，可為研究區(qū)域的生態(tài)文明建設(shè)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐和依據(jù)。但也存在一定的不足，InVEST 模型的結(jié)果具有一定的主觀性，因此在今后的研究中可以進行實地調(diào)查以確定更科學(xué)準(zhǔn)確的參數(shù)，也可以結(jié)合多種因素對區(qū)域生境質(zhì)量進行量化。