任卓琳 陳文南

(長(zhǎng)安大學(xué)土地工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

生境質(zhì)量作為生態(tài)環(huán)境的本質(zhì)特征，探索分析其時(shí)空分異演變規(guī)律，可以為區(qū)域生物多樣性水平維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)生境質(zhì)量評(píng)估的研究主要聚焦于構(gòu)建指標(biāo)體系、基于模型模擬2方面。指標(biāo)體系法采用實(shí)地調(diào)查建立指標(biāo)體系對(duì)生境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)往往需要大量的人力物力，難以開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)分析，研究區(qū)多為小區(qū)域或單一物種棲息地。模型評(píng)估法主要有IDSIRI生物多樣性模塊[1]、生境適宜性HIS模型[2]和InVEST模型[3，4]等，InVEST模型所需數(shù)據(jù)易獲取、操作相對(duì)簡(jiǎn)單、可視化程度高、評(píng)估較準(zhǔn)確，所以較為廣泛地應(yīng)用于相關(guān)研究中。

從區(qū)域角度看，延安市是林木覆蓋區(qū)域至草地覆蓋區(qū)域間的過(guò)渡地帶，也被稱(chēng)為“生態(tài)危機(jī)帶”，這一區(qū)域生態(tài)敏感性較高，生態(tài)系統(tǒng)極易退化。并且隨著城市的擴(kuò)張、建設(shè)用地的增加、礦業(yè)的開(kāi)采等造成的水土流失、環(huán)境污染、地質(zhì)災(zāi)害等給延安市生境質(zhì)量帶來(lái)了更大的壓力。因此，本文綜合已有研究成果，以延安市為研究區(qū)，利用InVEST模型中的生境質(zhì)量模塊，基于土地利用數(shù)據(jù)對(duì)2009年和2019年2個(gè)時(shí)段模擬延安市生境質(zhì)量指數(shù)，評(píng)估其生境質(zhì)量變化情況，分析2009—2019年延安市生境質(zhì)量時(shí)空演變規(guī)律，以期為延安市生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)、構(gòu)建山水林田湖草生命共同體提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

延安市地處陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地勢(shì)西北高東南低，屬暖溫帶半濕潤(rùn)易旱氣候區(qū)。依托資源稟賦，能源化工業(yè)發(fā)展較好。2019年末，全市常住人口225.57萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率64.07%；全市生產(chǎn)總值1663.89億元，占全省的6.45%。經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)不平衡，植被退化、礦區(qū)開(kāi)采、道路硬化等導(dǎo)致生境環(huán)境脆弱。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

2009年和2019年2期土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于延安市自然資源局，通過(guò)ArcGIS 10.2軟件轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)。重分類(lèi)為耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及其他土地7種類(lèi)型。

1.3 研究方法

1.3.1 InVEST模型

InVEST模型生境質(zhì)量模塊通過(guò)生境質(zhì)量指數(shù)表征生境質(zhì)量狀況，值越大生境質(zhì)量越好。計(jì)算公式：

式中，Dxj為j類(lèi)生境中柵格x的生境退化指數(shù)；r為威脅因子；R為威脅因子數(shù)量；y為威脅因子r所在柵格單元；Yr為威脅因子r的柵格數(shù)量；Wr為威脅因子r的權(quán)重；irxy為威脅因子r的最大影響距離；βx為生境抗干擾水平；Sjr為j類(lèi)生境對(duì)威脅因子r敏感程度；Qxj為生境質(zhì)量指數(shù)；Hj為生境適宜性；k為半飽和常數(shù)；Z為模型轉(zhuǎn)換系數(shù)[5]。

本研究將耕地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地和裸土地作為生境威脅因子，并結(jié)合延安市實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行賦值，見(jiàn)表1、表2。

表1 脅迫因子權(quán)重與影響距離

表2 不同土地利用類(lèi)型的生境適宜性以及對(duì)脅迫因子的敏感性

1.3.2 地學(xué)信息圖譜

地學(xué)信息圖譜是一種地理時(shí)空方法論，能夠定量表達(dá)時(shí)空分布及其結(jié)構(gòu)狀況表征[6]。利用地圖代數(shù)運(yùn)算與圖譜代碼融合的空間分析方法，合成生境質(zhì)量轉(zhuǎn)移圖譜，同時(shí)利用地圖代數(shù)減運(yùn)算得到延安市2009—2019年生境質(zhì)量變化強(qiáng)度圖譜，為正表示生境蔓延，為負(fù)表示生境萎縮。

2 結(jié)果與分析

2.1 延安市生境質(zhì)量變化分析

利用相等間隔法將延安市生境質(zhì)量[0，1]由低到高分為低[0～0.2)、較低[0.2～0.4)、中[0.4～0.6)、較高[0.6～0.8)、高[0.8～1.0]5個(gè)區(qū)間，并將此編碼為1、2、3、4、5，得到生境質(zhì)量空間分布圖，見(jiàn)圖1。時(shí)間上，延安市2009—2019年各級(jí)生境質(zhì)量總體呈穩(wěn)定狀態(tài)，變化幅度不大，見(jiàn)表3。2009年、2019年中等和高等生境質(zhì)量占比較多，較低狀態(tài)占比少。2009—2019年，中等生境質(zhì)量降幅1.25%，低級(jí)和較低增幅較大，分別為6.47%和8.45%，較高和高級(jí)增幅相對(duì)較小，分別為0.93%和0.87%。中等生境縮減而兩極生境微增，延安市生境兩極分化趨勢(shì)有所增強(qiáng)?？臻g上，2009—2019年延安市生境質(zhì)量整體分布為北低南高。北部吳起縣、志丹縣、安塞區(qū)、寶塔區(qū)、延川縣和延長(zhǎng)縣生境質(zhì)量整體偏低，各等級(jí)生境質(zhì)量分布較為零散，所占面積廣袤；該區(qū)域水土流失嚴(yán)重，易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，且人為活動(dòng)較多，能源、工業(yè)、人口、建設(shè)等對(duì)生態(tài)產(chǎn)生較大影響，生境威脅源分布密集。富縣東部、黃龍縣東部和洛川縣生境質(zhì)量多為中等，且呈集中連片分布；該區(qū)域?qū)冱S土塬農(nóng)業(yè)區(qū)，人為干擾力度較為穩(wěn)定，對(duì)生境質(zhì)量影響程度相對(duì)較小且較穩(wěn)定。黃龍縣、宜川縣、黃陵縣西部和富縣西部為生境質(zhì)量較高區(qū)域，集中分布明顯，該區(qū)域人為活動(dòng)較少，分布有多個(gè)水源涵養(yǎng)區(qū)，生物多樣性豐富?？偟膩?lái)說(shuō)，2009—2019年延安市生境質(zhì)量水平整體處于高等狀態(tài)，且從2009—2019年略有增加，這意味著延安市生境質(zhì)量朝著好的方向發(fā)展。延安市位于黃土高原南部，生態(tài)環(huán)境脆弱，在21世紀(jì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)代，延安市區(qū)域土地利用方式及建設(shè)強(qiáng)度等不斷增加，不可避免地破壞局部環(huán)境，但隨著退耕還林、礦山環(huán)境整治、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等措施的提出與實(shí)施，區(qū)域生境質(zhì)量逐漸在向良性循環(huán)發(fā)展。

表3 2009—2019年延安市各級(jí)生境質(zhì)量狀態(tài)

圖1 2009—2019年延安市生境質(zhì)量空間分布

2.2 延安市生境質(zhì)量圖譜轉(zhuǎn)移分析

2.2.1 圖譜轉(zhuǎn)移數(shù)量分析

2009—2019年延安市生境質(zhì)量圖譜轉(zhuǎn)移分析共生成25類(lèi)圖譜，未發(fā)生變化的圖譜(編碼11、22、33、44、55)占69.83%。穩(wěn)定圖譜中，高→高(編碼55)占比81.61%，較低→較低(編碼11)僅占0.0018%。

生境質(zhì)量變化的圖譜有20類(lèi)，占圖譜變化總量的30.17%，見(jiàn)表4。其中，前14類(lèi)占圖譜變化總量的9.58%，且低階向高階轉(zhuǎn)換總量小于高階向低階轉(zhuǎn)換總量，生境質(zhì)量惡化，但變化比率均較小，總面積為1007.14km2；后6類(lèi)占圖譜變化總量的90.42%，較高和高2種等級(jí)間的相互轉(zhuǎn)換最明顯，占生境質(zhì)量變化總量的49.33%，較高轉(zhuǎn)向高的變化率為25.81%，大于高向較高轉(zhuǎn)換的總量，表明生境質(zhì)量改善量大于惡化量。此外，中和較高、中和高之間，中轉(zhuǎn)向較高的變化率7.64%大于較高轉(zhuǎn)向中的變化率3.71%，中轉(zhuǎn)向高的變化率17.12%大于高轉(zhuǎn)向中的變化率12.62%，生境質(zhì)量均向好的方向發(fā)展?？傮w來(lái)說(shuō)，低階向高階轉(zhuǎn)換占圖譜變化總量的53.74%，大于高階向低階轉(zhuǎn)換總量，質(zhì)量向好的圖譜單元呈現(xiàn)凈增長(zhǎng)，區(qū)域生境質(zhì)量整體在向較好的方向發(fā)展。

表4 2009—2019年延安市生境質(zhì)量轉(zhuǎn)移情況

2.2.2 圖譜轉(zhuǎn)移空間分析

2009—2019年延安市生境質(zhì)量變化圖譜在空間上存在著較為明顯的區(qū)域差異性，見(jiàn)圖2a，北部變化明顯高于南部。其中，生境質(zhì)量好轉(zhuǎn)的圖譜主要是較高→高、中→高和中→較高，主要分布于吳起縣、志丹縣、子長(zhǎng)縣、延川縣、延長(zhǎng)縣、安塞區(qū)和寶塔區(qū)等廣袤的北部區(qū)域，主要是由于近年來(lái)水土流失礦山環(huán)境治理以及生態(tài)環(huán)境修復(fù)取得了一定成效，尤其是自退耕還林及封山育林政策實(shí)施以來(lái)，延安市北部植被覆蓋率得到了大幅度提升，區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善。生境質(zhì)量變差的圖譜主要是高→低、較高→低和中→低，主要位于各縣區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心以及各個(gè)交通要道，土地利用方式轉(zhuǎn)換頻繁，礦業(yè)開(kāi)采及施工建設(shè)等人為活動(dòng)較為劇烈，對(duì)生態(tài)環(huán)境威脅較為明顯，導(dǎo)致了生境質(zhì)量的下降。未發(fā)生變化的圖譜是高→高、較高→較高和中→中，主要分布于中南部區(qū)域，這些區(qū)域多位于自然保護(hù)地和重點(diǎn)農(nóng)業(yè)發(fā)展地，人為干擾力度小而穩(wěn)定，不易對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生劇烈影響。

圖2 2009—2019年延安市生境質(zhì)量轉(zhuǎn)移圖譜及變化強(qiáng)度空間分布

2.3 延安市生境質(zhì)量變化強(qiáng)度分析

對(duì)2009年和2019年2期生境質(zhì)量柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖代數(shù)運(yùn)算，得到延安市生境質(zhì)量變化強(qiáng)度，見(jiàn)表5。數(shù)量上，均衡狀態(tài)占比69.83%。變化柵格中，初步蔓延與萎縮占比大，分別為10.11%和8.24%，較強(qiáng)蔓延與較強(qiáng)萎縮占比小，分別為0.22%和0.35%。均衡狀態(tài)占比大，變化總強(qiáng)度蔓延大于萎縮，延安市生境質(zhì)量總體穩(wěn)中變好?？臻g上，見(jiàn)圖2b，強(qiáng)萎縮主要位于延安市市區(qū)以及各縣區(qū)中心，21世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度不斷增大，導(dǎo)致林地和草地減少，植被覆蓋度降低，生境質(zhì)量出現(xiàn)強(qiáng)萎縮。初步、中等及較強(qiáng)蔓延和萎縮間交叉伴生，主要分布于延安北部、東部以及中南部區(qū)域，甘泉縣西部和宜川縣中部有極為明顯的初步蔓延。生境質(zhì)量蔓延主要是由于相關(guān)法規(guī)頒布后，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)取得明顯成效，絕大部分廢棄礦山轉(zhuǎn)為林地，生態(tài)環(huán)境得到修復(fù)，并且退耕還林、封山育林等措施的實(shí)施，一定程度上促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的改善；生境質(zhì)量萎縮主要是由于這一區(qū)域自然條件復(fù)雜，生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展促進(jìn)交通、旅游業(yè)以及建筑業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)致部分林草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，一定程度上破壞了生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致生境質(zhì)量惡化。但總體來(lái)說(shuō)，二者此消彼漲，相互并存，區(qū)域整體生境質(zhì)量波動(dòng)較小。均衡態(tài)主要位于延安市東南部和西南部，多為自然保護(hù)地，受人類(lèi)干擾力度較小，不易出現(xiàn)生境質(zhì)量波動(dòng)。

表5 2009—2019年延安市生境質(zhì)量變化強(qiáng)度

3 結(jié)論

本研究利用InVEST模型估算延安市2009—2019年生境質(zhì)量，揭示延安市生境質(zhì)量時(shí)空變化特征。

2009—2019年，延安市生境質(zhì)量總體穩(wěn)定，整體生境質(zhì)量處于高等水平且略有提升。由于延安市位于黃土高原中南地區(qū)，是林木覆蓋區(qū)域至草地覆蓋區(qū)域間的過(guò)渡地帶，生境質(zhì)量空間上自北向南逐級(jí)遞增，以高、較高、中狀態(tài)為主，低、較低狀態(tài)較少，兩極分化趨勢(shì)有所增強(qiáng)，與區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、土地利用方式以及自然條件復(fù)雜性有著密切的關(guān)系。

2009—2019年，延安市生境質(zhì)量轉(zhuǎn)移圖譜以未發(fā)生轉(zhuǎn)移的圖譜單元為主，生境質(zhì)量整體未發(fā)生明顯變化。生境質(zhì)量發(fā)生轉(zhuǎn)移的圖譜中，較高和高、中和較高以及中和高之間的轉(zhuǎn)換最為頻繁。

2009—2019年，延安市生境質(zhì)量變化強(qiáng)度不大，數(shù)量上以初級(jí)變化為主，極端變化極少?？臻g上北部明顯大于南部，各縣區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心變化強(qiáng)度最大，其他強(qiáng)度等級(jí)各地區(qū)分布不一，但蔓延強(qiáng)度整體大于萎縮強(qiáng)度。

4 討論

在生態(tài)文明建設(shè)的背景下，延安市自然條件相對(duì)脆弱地區(qū)，應(yīng)更加注重生態(tài)環(huán)境保護(hù)，挖掘城市內(nèi)部開(kāi)發(fā)潛力，嚴(yán)格控制建設(shè)用地?cái)U(kuò)張。同時(shí)，生境質(zhì)量的萎縮與蔓延與各地區(qū)人為活動(dòng)和自然條件有著密切的關(guān)系，各地區(qū)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，因地制宜地進(jìn)行城市規(guī)劃建設(shè)，礦山環(huán)境治理以及土地整治與生態(tài)修復(fù)，保障生境質(zhì)量向良性方向持續(xù)健康發(fā)展。此外，對(duì)生境質(zhì)量轉(zhuǎn)移較為頻繁的圖譜進(jìn)行監(jiān)測(cè)并采取相應(yīng)措施，促進(jìn)其生境質(zhì)量高質(zhì)量發(fā)展。