陳 艷,吳 睿,馬月偉①,馮小鶴,潘健峰,陳玉美

(1.西南林業(yè)大學(xué)地理與生態(tài)旅游學(xué)院,云南 昆明 650224;2.云南師范大學(xué)地理學(xué)部,云南 昆明 650500)

生境質(zhì)量是指自然環(huán)境為個體或種群提供適宜生存條件的能力[1],取決于生境對人類土地利用和土地利用強(qiáng)度的可接近性[2]。近年來,城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展推動了城市空間的不斷擴(kuò)張,大量農(nóng)用地、生態(tài)用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地,直接導(dǎo)致生境斑塊的破碎化和減少,在一定程度上威脅了以縣域?yàn)橹黧w單元的中小型城鎮(zhèn)的環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3-5]。因此,開展區(qū)域生境質(zhì)量評價,分析影響土地覆被變化的自然和人文驅(qū)動因素,探究生境質(zhì)量的時空分異特征與變化趨勢,對維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的完整性、緩和人地矛盾、構(gòu)建生態(tài)安全格局具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前,國內(nèi)外關(guān)于生境質(zhì)量評估的常用方法以指標(biāo)法[6]、實(shí)地調(diào)查法[7]、生物模型法[8]為主,其中以InVEST模型為代表的生物模型法具有傳統(tǒng)方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn),被廣泛運(yùn)用于各種尺度的生境質(zhì)量研究中[9]。如劉方田等[10]基于InVEST模型定量評估新疆兵團(tuán)與非兵團(tuán)的生境質(zhì)量,并分析兩者的時空分布異同。HU等[11]采用InVEST模型分析了城市人居環(huán)境質(zhì)量的空間分異特征,通過Geodeector軟件探討了不同網(wǎng)格尺度下生境質(zhì)量的驅(qū)動機(jī)制。DAI等[12]借助InVEST生境質(zhì)量模型識別了三峽庫區(qū)的重要生態(tài)源,構(gòu)建了研究區(qū)的生態(tài)安全格局。已有研究為認(rèn)識土地覆被變化過程對生境質(zhì)量的影響提供了良好的基礎(chǔ)。但是,現(xiàn)有研究在未來時段土地覆被變化的驅(qū)動因素分析及多情景下生態(tài)脆弱區(qū)自然生境的時空變化及趨勢等方面還有待進(jìn)一步完善。將土地利用模擬模型與InVEST模型相結(jié)合,一方面可以實(shí)現(xiàn)未來土地覆被的空間分布預(yù)測,另一方面可以對多情景下區(qū)域生境質(zhì)量的動態(tài)變化進(jìn)行模擬。當(dāng)前土地利用模擬模型以CA-Markov(Cellular Automata-Markov)、FLUS(Future Land Use Simulation)、PLUS(Patch-Generating Land Use Simulation)等模型為主[13],相較于其他模型,PLUS模型更關(guān)注生態(tài)用地(森林或草地)變化的模擬,可以更精確地反映以林草地為主的自然用地的斑塊變化，分析各個驅(qū)動因素因子對城市發(fā)展的影響,但已有成果中鮮有將PLUS、Markov、InVEST模型三者相耦合,模擬生態(tài)脆弱區(qū)多情景下因土地覆被變化引起的生境質(zhì)量時空分異變化的研究。

喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變異敏感度高,災(zāi)變承受能力低,環(huán)境容量小,是典型的生態(tài)脆弱地區(qū)[14]。云南省石林縣境內(nèi)約有三分之二的喀斯特地貌,石漠化面積廣布,該地生態(tài)環(huán)境極其脆弱,長期以來受人類不合理的社會經(jīng)濟(jì)活動影響,植被破壞、土地退化、水土流失等問題引起的喀斯特石漠化已嚴(yán)重阻礙了石林縣社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展[15]。鑒于此,該研究以石林縣為例,基于2000、2010和2020年土地利用數(shù)據(jù),借助土地利用模擬(PLUS)模型預(yù)測2030年石林縣多情景下土地利用的空間變化,運(yùn)用InVEST模型分析研究區(qū)生境質(zhì)量的演變趨勢及特征,以期為石林縣土地資源的合理配置、生態(tài)環(huán)境管護(hù)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

云南省是中國喀斯特的主要分區(qū)之一,以云南石林為主的喀斯特地貌相對典型,該地的巖溶石漠化問題突出(圖1)。石林縣(24°30′～25°03′ N,103°10′～103°41′ E)位于云貴高原滇中腹地,是“云南省巖溶地區(qū)石漠化綜合治理試點(diǎn)縣”。全縣地勢東高西低,略呈階梯狀下降,以喀斯特(巖溶)、山地、盆地為主要地貌類型,全縣總面積約為1 719 km2,其中喀斯特土地面積占總面積的58.62%,石漠化土地面積為286.55 km2,土地石漠化和水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重[16]。氣候類型為低緯高原山地季風(fēng)氣候,干濕季分明,冬干夏雨,年均降水量為939.5 mm,年平均氣溫達(dá)16.3 ℃。

石林縣的植被群落簡單、生態(tài)環(huán)境脆弱,土層稀薄,石漠化在該地均有不同程度的發(fā)生。2020年該地國內(nèi)生產(chǎn)總值達(dá)117.07億元,常住人口約24.08萬人,城鎮(zhèn)化率45.1%。近年來,不合理的人類活動致使該地的環(huán)境問題時有發(fā)生,因此選擇石林縣為研究區(qū),具有較好的典型性和代表性。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

2000、2010、2020年土地利用/覆被數(shù)據(jù)均來自Globeland 30全球地表覆被數(shù)據(jù)庫(http:∥www.globallandcover.com)提供的分辨率為30 m的柵格數(shù)據(jù)集,數(shù)據(jù)總體精度超過80%[17]。2030年土地利用數(shù)據(jù)在參考2020年土地利用/覆被數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行情景模擬獲取。驅(qū)動因子數(shù)據(jù)集包括高程、坡度、年均降水、年均氣溫、GDP、人口密度、距道路距離、距鐵路距離、夜光遙感、土壤類型,其中DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn),坡度數(shù)據(jù)來自于DEM數(shù)據(jù)的提取,分辨率為30 m。年降水量由國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥geodata.cn)提供,分辨率為1 km。夜光燈光遙感數(shù)據(jù)來源于2013—2021年的NPP-VIIRS夜間燈光數(shù)據(jù)(https:∥payneinstitute.mines.edu/eog),分辨率為1 km。年均溫、GDP、土壤類型來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn),分辨率為1 km。人口密度來源于Worldpop,分辨率為1 km。道路和鐵路數(shù)據(jù)來源于全國地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(https:∥www.webmap.cn)。以上數(shù)據(jù)均根據(jù)PLUS模型數(shù)據(jù)輸入要求進(jìn)行設(shè)置。

圖1 研究區(qū)位置示意Fig.1 Diagram of the location of the study area

2.2 研究方法

2.2.1單一及綜合土地利用動態(tài)度

單一土地利用動態(tài)度用以反映某種土地利用類型面積在研究時段內(nèi)的變化速率。具體計(jì)算公式如下:

(1)

式(1)中,k為某時段內(nèi)某土地利用類型的動態(tài)度;Ua為某種土地利用類型在研究期初的面積,km2;Ub為某種土地利用類型在研究期末的面積,km2;T為研究時長,a。

綜合土地利用動態(tài)度用以表征區(qū)域內(nèi)所有土地利用類型在研究期間的面積變化速率。具體計(jì)算公式如下:

(2)

式(2)中,Si為第i類土地類型研究期初面積,km2;ΔSi-j為第i類土地利用類型期初到期末轉(zhuǎn)化為其他用地類型的面積之和,km2。

2.2.2InVEST生境質(zhì)量模型

生境質(zhì)量模型用于衡量區(qū)域內(nèi)的生物多樣性程度[18]。研究采用InVEST模型Habitat Quality模塊評估生境質(zhì)量的大小。公式[19]如下:

(3)

式(3)中,Qxj為生境類型j中x柵格的生境質(zhì)量指數(shù);Dxjz為土地利用類型j中柵格x的生境退化度；Hj為生境類型j的生境適宜度;k為半飽和常數(shù),取最大生境退化度的一半,默認(rèn)值為0.05;z為歸一化常量,默認(rèn)值為2.5。采用自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)生境質(zhì)量劃分為差(Ⅰ)、較差(Ⅱ)、一般(Ⅲ)、良好(Ⅳ)、優(yōu)(Ⅴ)5個等級。選取耕地、距公路距離、距鐵路距離、建設(shè)用地作為影響生境質(zhì)量的脅迫源,每種地類的生境適宜性得分及威脅源的敏感度參數(shù)、威脅源權(quán)值、最大影響距離將參考用戶手冊、文獻(xiàn)[20-22]以及研究區(qū)實(shí)際情況確定(表1～2)。

表1 威脅源權(quán)重值和最大影響距離

表2 生境適宜性及各生境類型對威脅源的敏感度

2.2.3PLUS模型

選用PLUS模型進(jìn)行未來土地利用情景模擬，該模型可運(yùn)用于分析引起土地?cái)U(kuò)張的驅(qū)動因素和預(yù)測土地利用的斑塊級演化[23]。PLUS模型主要由用地?cái)U(kuò)張分析(LEAS)模塊和多類型隨機(jī)斑塊種子(CARS)模塊構(gòu)成，其中LEAS模塊基于隨機(jī)森林算法(RFC)獲取各類用地的發(fā)展概率法則，而CARS模塊則可以實(shí)現(xiàn)對未來土地利用景觀的模擬預(yù)測[24]。該集成模型可以較為精準(zhǔn)地識別土地利用類型變化與社會、自然等驅(qū)動因素之間的復(fù)雜關(guān)系，進(jìn)而獲取更精準(zhǔn)的用地變化信息[25]。

首先，基于2000—2020年土地利用數(shù)據(jù)，從自然、社會、可達(dá)性3個方面選取驅(qū)動因子數(shù)據(jù)集，其中自然驅(qū)動因子數(shù)據(jù)集由高程、坡度、土壤類型、年均溫、年均降水等構(gòu)成；社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動因子數(shù)據(jù)集由GDP、人口密度、夜間燈光等構(gòu)成；可達(dá)性數(shù)據(jù)集由距公路距離、距鐵路距離構(gòu)成。其次，采用LEAS模塊提取不同驅(qū)動因素影響下2000—2010年和2010—2020年的景觀類型發(fā)展概率。最后運(yùn)用CARS模塊對研究區(qū)的土地利用變化進(jìn)行模擬預(yù)測。

2.2.4情景設(shè)置

參照文獻(xiàn)[26-27]，根據(jù)研究區(qū)的土地利用轉(zhuǎn)移規(guī)律,結(jié)合石林縣的發(fā)展現(xiàn)狀及“十四五”規(guī)劃進(jìn)行設(shè)置,以2020年為基準(zhǔn)情景(baseline scenario,BS),延續(xù)2010—2020年土地利用轉(zhuǎn)移概率，設(shè)置自然發(fā)展情景、生態(tài)保護(hù)情景、統(tǒng)籌發(fā)展情景3種不同的發(fā)展情景,模擬2030年研究區(qū)的土地利用空間分布。情景設(shè)定如下:

情景一:自然發(fā)展情景(business-as-usual,BaU)。在該情景下,以2020年土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ),不改變土地轉(zhuǎn)移的流向和流速,不考慮土地利用的決策規(guī)劃,根據(jù)2010—2020年的土地利用轉(zhuǎn)移概率及轉(zhuǎn)移矩陣,設(shè)置2030年的土地利用空間分布條件。

情景二:生態(tài)保護(hù)情景(ecological protection,EP)。在該情景下,以生態(tài)保護(hù)為首要目標(biāo),堅(jiān)持嚴(yán)格的生態(tài)保護(hù)政策。此情景中將會加強(qiáng)對生態(tài)用地的保護(hù),將耕地、林地向人造地表的轉(zhuǎn)移概率降低40%,灌木地、水域、草地向人造地表的轉(zhuǎn)移概率降低20%,人造地表向林地的轉(zhuǎn)移概率增加20%。將區(qū)域內(nèi)的濕地、灌木地、林地、草地作為限制條件,約束其隨意轉(zhuǎn)換。

情景三:統(tǒng)籌發(fā)展情景(co-development,CD)。此情景主要基于以上2種情況的考慮,假定研究區(qū)在推進(jìn)城鎮(zhèn)化開發(fā)的同時,加強(qiáng)對于生態(tài)源地的保護(hù),以實(shí)現(xiàn)區(qū)域良性發(fā)展、保障人們對城市綠色空間的訴求。此情景中將耕地、林地、灌木地、草地向人造地表轉(zhuǎn)移的概率增加30%,人造地表向林地、草地、灌木地、水域轉(zhuǎn)移概率減少20%。

進(jìn)一步參照文獻(xiàn)[28-29],結(jié)合石林縣的實(shí)際情況對PLUS模型中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,其中隨機(jī)斑塊種子概率設(shè)定為0.5,產(chǎn)生新斑塊種子的最高門檻設(shè)定為0.000 1,領(lǐng)域范圍默認(rèn)值為3,遞減閾值的衰減系數(shù)設(shè)定為0.5,僅在數(shù)量上對不同情景進(jìn)行約束,轉(zhuǎn)移矩陣根據(jù)研究區(qū)歷史土地利用轉(zhuǎn)移情況設(shè)置。將模擬結(jié)果與2020年實(shí)際情況進(jìn)行對比,精度驗(yàn)證計(jì)算kappa系數(shù)為0.77,總體精度為85.59%,表示模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本一致,說明PLUS模型的模擬結(jié)果可信,可用于石林縣生境質(zhì)量的多情景模擬分析研究。

3 結(jié)果與分析

3.1 2000—2020年石林縣土地利用時空演變特征

依據(jù)全球30 m地表覆被類型定義，將研究區(qū)分為6類景觀,由于濕地類型景觀數(shù)量過少,不便于后續(xù)分析[17],故將濕地與水體景觀并為一類(表3)。

2000—2010年,石林縣綜合土地利用程度為0.09%,景觀類型以耕地、林地、草地為主。期間耕地面積減少691.35 hm2,向林地和草地分別轉(zhuǎn)移了1 423.62和3 447 hm2;水域面積約減少1 217.24 hm2,主要轉(zhuǎn)向草地、耕地;人造地表在此期間僅減少10.12 hm2,主要轉(zhuǎn)向耕地。從整體來看,水域面積減少最多,動態(tài)度達(dá)5.61%;草地面積增加最多,動態(tài)度達(dá)0.24%;灌木地面積增加約270.77 hm2,動態(tài)度達(dá)2.76%,主要由林地、耕地、水域轉(zhuǎn)變而來,人造地表面積變化較為穩(wěn)定。

表3 2000—2020年石林縣土地利用動態(tài)度

2010—2020年,石林縣的綜合土地利用程度為0.27%。人造地表面積迅速擴(kuò)張,增加了4 934.43 hm2,主要由耕地、草地轉(zhuǎn)移而來;耕地面積減少最多,主要轉(zhuǎn)向草地和人造地表;其中人造地表的動態(tài)度高達(dá)40.59%,水域的動態(tài)度為6.41%,在此期間人造地表沒有向水域轉(zhuǎn)移,耕地、林地、草地和灌木地較前期均呈波動下降的趨勢,依次下降2573.19、742.23、2 060.01和170.01 hm2;草地約向耕地轉(zhuǎn)移2 484.45 hm2。這反映了城鎮(zhèn)化建設(shè)中人口急速增長,對建設(shè)用地的需求隨之增加。

3.2 2000—2020年石林縣生境質(zhì)量時空演變特征

生境質(zhì)量值域區(qū)間介于[0,1]之間,值越接近1，表明研究區(qū)的生物多樣性越豐富、生境質(zhì)量越高。采用自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)生境劃分為5個等級,2000—2020年生境質(zhì)量的時空分異如圖2所示。

圖2 2000—2020年石林縣生境質(zhì)量時空分異Fig.2 Spatial-temporal differentiation of habitat mass in Shilin County from 2000 to 2020

從時間尺度分析,2000、2010和2020年石林縣的平均生境質(zhì)量指數(shù)分別為0.472、0.475和0.460,總體上呈下降趨勢。期間石林縣的生境質(zhì)量以較差等級為主,集中分布于鹿阜街道、大可鄉(xiāng),零散分布于各個鄉(xiāng)鎮(zhèn);2000—2010年生境差和較差分布區(qū)的面積呈小幅下降,一般、良好、優(yōu)等級面積均呈上升趨勢,表明生境改善區(qū)實(shí)施的山林禁牧和荒山草坡的退耕(退牧)還林(還草)工程對于環(huán)境修復(fù)具有一定的積極作用[30];2010—2020年較差生境部分轉(zhuǎn)為差,說明人類活動強(qiáng)度及土地利用強(qiáng)度會對局部地區(qū)的生境質(zhì)量造成影響;良好等級的生境面積減少最大,約為2 141.68 hm2,其次為優(yōu)和較差等級;20 a間該地的生境結(jié)構(gòu)大體上表現(xiàn)為較差生境占比最大,差生境增長最快,優(yōu)生境有所減少,一般生境輕微上升,良好生境較為穩(wěn)定。

從空間尺度分析,生境質(zhì)量空間分布與景觀格局具有一致性,這與楊國婷等[31]和宋永永等[32]的研究結(jié)論一致。總體上,石林縣的生境質(zhì)量空間分布格局呈現(xiàn)“點(diǎn)線聯(lián)動”的特征,主要以鹿阜街道為中心,向東北部呈帶狀蔓延;生境較差的地區(qū)呈面狀分布,廣泛分布于鹿阜街道、大可鄉(xiāng)等地,景觀類型以耕地為主。圭山鎮(zhèn)的生境質(zhì)量整體上優(yōu)于其他區(qū)域,景觀類型以林地、草地、灌木地為主,集中分布于研究區(qū)的東南部和東部地區(qū),約占總面積的25%～27%;一般生境的景觀類型以草地和灌木地為主,約占總面積的15%,主要由較差生境轉(zhuǎn)移而來,分布于研究區(qū)中部,集中于西街口鎮(zhèn)東部和長湖鎮(zhèn)北部?？傮w上,石林縣局部區(qū)域人地矛盾激化,生態(tài)環(huán)境問題突出,生態(tài)安全水平有待提高,生態(tài)修復(fù)工程亟待開展。

3.3 石林縣石漠化地區(qū)生境質(zhì)量的特征分析

如表4所示,2000—2020年石漠化地區(qū)的生境質(zhì)量波動下降,其中西街口鎮(zhèn)的石漠化面積最大,約為9 477.49 hm2;大可鄉(xiāng)的石漠化發(fā)生率最低,約1 560.56 hm2;圭山鎮(zhèn)在此期間的生境質(zhì)量較好,鹿阜街道生境水平較差。根據(jù)石漠化程度來看,圭山鎮(zhèn)在2000—2020年各種程度石漠化發(fā)生區(qū)的生境狀況良好,其中重度石漠化區(qū)的生境質(zhì)量高達(dá)0.8，輕度和中度石漠化地區(qū)的生境質(zhì)量介于0.6～0.7之間,這表明盡管該地存在一定數(shù)量的石漠化面積,但是通過封山護(hù)林、育林(草)、改造低效林等工程提高植被覆蓋率,減少人為活動干擾,在一定程度上能夠逆轉(zhuǎn)區(qū)域惡化的趨勢,保障生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。鹿阜街道近年來受城鎮(zhèn)建設(shè)活動頻繁、土地利用強(qiáng)度大等原因,各種程度的石漠化生境質(zhì)量為0.3左右,存在風(fēng)險外溢的問題,未來可能需要較長的植被恢復(fù)期。大可鄉(xiāng)的石漠化面積較少,該地的生態(tài)環(huán)境水平較為穩(wěn)定,其中輕度石漠化地區(qū)的生境質(zhì)量約為0.6,中度石漠化地區(qū)約為0.4,但在2010—2020年生境質(zhì)量波動下降。長湖鎮(zhèn)和西街口鎮(zhèn)的各類石漠化生境質(zhì)量介于0.4～0.5之間,通過合理的生態(tài)保護(hù)措施能夠改善該地的整體環(huán)境狀況。

表4 石林縣石漠化地區(qū)的生境質(zhì)量

3.4 多情景模擬下石林縣景觀演化特征

3.4.12030年石林縣景觀格局時空演變特征

基于2010—2020年土地利用數(shù)據(jù),借助PLUS模型，對石林縣2030年在不同發(fā)展情景下的景觀格局進(jìn)行模擬預(yù)測。

2030年,多情景發(fā)展下石林縣的土地利用景觀數(shù)量占比如圖3所示。其中BaU情景下,2030年人造地表增至10 726.56 hm2,約占總面積的5.27%;耕地?cái)?shù)量較基準(zhǔn)情景減少了1 712.34 hm2,主要向人造地表轉(zhuǎn)移,約占總面積的50.78%;除水域、人造地表外的自然生境面積均有所下降。在EP情景下,林地面積增加至41 701.41 hm2,耕地面積較基準(zhǔn)情景減少了533.25 hm2,人造地表增至7 308.45 hm2。在該情景下,石林縣的生態(tài)面積大幅度增加,人造地表面積較其他情景下增加最少。在CD情景下,耕地和草地面積分別減少2 522.43和2 466.09 hm2,占比為50.38%和22.93%,人造地表面積增加3 461.22 hm2,這主要由耕地、草地轉(zhuǎn)移而來。

BS—基準(zhǔn)情景，BaU—自然發(fā)展情景，EP—生態(tài)保護(hù)情景，CD—統(tǒng)籌發(fā)展情景。

基于PLUS模型中的用地?cái)U(kuò)張分析策略(LEAS)模塊梳理驅(qū)動因素對各地類擴(kuò)張的貢獻(xiàn)率(圖4),結(jié)果表明人類活動是該地土地覆被變化的主要驅(qū)動力[33]。其中人為因素包括社會經(jīng)濟(jì)、距離可達(dá)性等是影響耕地、林地、草地等覆被變化的重要因子,人口密度對耕地、林地、草地、人造地表的影響最為顯著,貢獻(xiàn)率依次為20.29%、18.61%、17.01%、27.72%。灌木地對氣溫、坡度等自然因子的反應(yīng)最為敏感,氣溫的貢獻(xiàn)率達(dá)21.64%,氣溫等對土地利用變化驅(qū)動是長期的、較緩慢的、相對穩(wěn)定的[34-35]。以坡度、土壤類型等為主的自然因素對水域的影響最大,公路對水域的影響最小,僅為1.50%。土壤類型對除水域外的其他地類影響最小,這在一定程度上受石林縣本底植被稀疏影響,降雨后表層土壤大量流失,導(dǎo)致地表缺水嚴(yán)重。通過對驅(qū)動因素的梳理分析表明，石林地區(qū)人為干擾破壞占據(jù)主導(dǎo)因素,自然因素在一定程度上對環(huán)境惡化起加劇作用。

圖4 各驅(qū)動因素對土地利用類型的驅(qū)動力Fig.4 The contribution of the drivers to the expansion of the local class

3.4.22030年石林縣多情景下生境質(zhì)量及退化度演變特征

在PLUS模型預(yù)測的2030年土地利用數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用InVEST模型生境質(zhì)量模塊分析2030年石林縣在BaU、EP、CD情景下生境質(zhì)量的變化特征以及對比景觀風(fēng)險(圖5)。

(1)2030年石林縣生境質(zhì)量的均值排序?yàn)镋P情景(0.454)>CD情景(0.439)>BaU情景(0.435)。石林縣的生境質(zhì)量整體較差，這主要是由于石林縣域的地貌特殊、植被資源單一、生態(tài)環(huán)境脆弱。若不約束區(qū)域內(nèi)的城鎮(zhèn)建設(shè)等活動，可能會導(dǎo)致潛在風(fēng)險轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)風(fēng)險，出現(xiàn)嚴(yán)重的環(huán)境退化。在BaU情景下，較差生境部分轉(zhuǎn)為差生境，優(yōu)和良好生境的面積有所減少；CD情景下，該地的生態(tài)風(fēng)險有所擴(kuò)散；在EP情景下，石林縣的生境質(zhì)量高于其他2種情景。該情景下林地、濕地等自然生境的轉(zhuǎn)出受到了嚴(yán)格限制，生態(tài)環(huán)境整體上向優(yōu)發(fā)展。3種情景下石林縣的生境質(zhì)量時空分異具有差異性和同質(zhì)性，其中差異性體現(xiàn)在景觀格局結(jié)構(gòu)引起生境質(zhì)量發(fā)生變化，同質(zhì)性表現(xiàn)為生境質(zhì)量的空間分布特征具有相似性。3種情景下圭山鎮(zhèn)的生境質(zhì)量最好，與該地建有國家森林公園，生態(tài)環(huán)境維護(hù)較好有一定關(guān)系；鹿阜街道出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的生境退化；長湖鎮(zhèn)、西街口鎮(zhèn)、大可鄉(xiāng)3地的生境質(zhì)量整體較為穩(wěn)定。對比3種情景發(fā)現(xiàn)，生態(tài)保護(hù)情景充分考慮了研究區(qū)的自然底質(zhì)，與石林縣當(dāng)前"生態(tài)城鎮(zhèn)"的定位相彌合，更符合該地未來協(xié)調(diào)發(fā)展的生態(tài)發(fā)展需求。

BS—基準(zhǔn)情景，BaU—自然發(fā)展情景，EP—生態(tài)保護(hù)情景，CD—統(tǒng)籌發(fā)展情景。

(2)由表5可知，多情景下石林縣的生境退化程度整體以低為主，占研究區(qū)生境退化度總面積的55.64%～56.60%。其中低退化風(fēng)險區(qū)主要分布于圭山鎮(zhèn)和大可鄉(xiāng)等地，以林地和草地為主要景觀類型；在BaU情景下高退化風(fēng)險區(qū)面積最大，占總面積的5.44%，主要集中于鹿阜街道；在EP情景下，該地生境退化度有所下降，較高和高風(fēng)險區(qū)在3種情景下均最低，占比分別為8.01%和4.08%，通過開展持續(xù)性的植樹造林、封山育林、幼林撫育等生態(tài)工程可降低景觀風(fēng)險；CD情景下，高退化風(fēng)險區(qū)占比為5.52%，較高風(fēng)險區(qū)占比為11.83%，在此情景下需要人為干預(yù)，防止風(fēng)險面擴(kuò)大化；進(jìn)一步分析不同地類的生境退化度和生境質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，在人類活動集中的地區(qū)，土地利用強(qiáng)度過大會加劇景觀斑塊破碎化的程度，而土地分布格局會進(jìn)一步導(dǎo)致各地貌區(qū)生境質(zhì)量及生境退化度的差異性[36]。

表5 不同情景下石林縣的生境退化度比較

4 討論

云南是我國喀斯特地貌的主要分布區(qū),也是世界唯一的亞熱帶高原喀斯特(溶洞)地貌,地貌發(fā)育相對典型、獨(dú)特且完整。與貴州荔波等不同的是,石林縣在中元古代至中奧陶紀(jì)為海洋環(huán)境,處于亞熱帶溫暖濕潤的高原季風(fēng)氣候區(qū),降水集中加劇了巖溶的發(fā)育和侵蝕[36-37]。近年來,因經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,人口劇增、不合理的土地利用等原因制約了當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展[3]。因此,客觀衡量該地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,預(yù)測不同發(fā)展模式下的景觀變化,可以為國土空間資源的合理配置提供理論指導(dǎo),為促進(jìn)生態(tài)脆弱區(qū)的環(huán)境修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

石漠化是制約我國西南喀斯特地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、脫貧攻堅(jiān)的關(guān)鍵因素[38-39],依據(jù)石林縣石漠化狀況開展修復(fù)工程是提高生境質(zhì)量、構(gòu)建生態(tài)安全格局的重要舉措。結(jié)合研究區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來情景下生境質(zhì)量的評價結(jié)果,對石林縣的生態(tài)修復(fù)提出以下建議:(1)針對非石漠化、潛在石漠化發(fā)生區(qū)優(yōu)化石漠化控制紅線、合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),在保證現(xiàn)有生境質(zhì)量的基礎(chǔ)上,充分考慮當(dāng)?shù)匕l(fā)展的正常訴求,嚴(yán)防生境退化風(fēng)險,實(shí)現(xiàn)國土空間資源的高效治理;(2)針對輕度和中度石漠化發(fā)生區(qū)進(jìn)行低效林改造、開展土地整理工程,妥善處理好“經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)”問題;(3)針對重度石漠化發(fā)生區(qū)重點(diǎn)施策,實(shí)施封山護(hù)林,封山育林(草)等工程措施,加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)環(huán)境管控,因地制宜開展生態(tài)修復(fù);(4)針對極重度石漠化發(fā)生區(qū)，必要時在局部地區(qū)需進(jìn)行炸石整地、客土造林等恢復(fù)工程,落實(shí)生態(tài)移民、易地扶貧搬遷等政策,做好“三線優(yōu)化”，堅(jiān)持區(qū)域環(huán)境綜合治理和重點(diǎn)治理相結(jié)合;(5)2030年石林縣發(fā)展模式的選擇一方面應(yīng)根據(jù)石林縣的生態(tài)環(huán)境特征進(jìn)行分區(qū)治理,合理分配產(chǎn)業(yè)格局,另一方面應(yīng)健全區(qū)域安全屏障體系,維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性,構(gòu)筑生態(tài)系統(tǒng)安全格局。此外,通過3種發(fā)展情景的比對發(fā)現(xiàn),生態(tài)保護(hù)發(fā)展情景下石林縣的生境質(zhì)量變化整體較為穩(wěn)定,且更適合石林縣未來的形象定位。

5 結(jié)論

利用PLUS模型預(yù)測2030年石林縣的景觀分布格局,并采用InVEST模型分析了研究區(qū)不同情景下生境質(zhì)量的變化趨勢,進(jìn)一步豐富了喀斯特地區(qū)生境質(zhì)量的研究成果。結(jié)果表明:

(1)從景觀類型來看,2000—2020年石林縣人造地表面積不斷增加,自然生境面積不斷減少,經(jīng)濟(jì)發(fā)展中建設(shè)用地主要通過對耕地、草地的侵占實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張,人口增加刺激了土地利用需求結(jié)構(gòu)的變化,“攤大餅”式的盲目擴(kuò)張會對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成負(fù)面影響。

(2)2000—2020年石林縣的生境質(zhì)量呈下降趨勢,整體上以較差為主,差等級生境面積持續(xù)增長;生境質(zhì)量在空間上存在集聚性,潛在生境退化分布區(qū)與人類活動高強(qiáng)度分區(qū)重疊,不合理的人類活動可能會導(dǎo)致潛在石漠化轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí),未來應(yīng)合理調(diào)整城鎮(zhèn)規(guī)劃及防范重大生態(tài)風(fēng)險。

(3)2030年石林縣多情景下土地景觀結(jié)構(gòu)與2020年相似,LEAS模塊結(jié)果顯示，人為因素是導(dǎo)致石林縣生境質(zhì)量變化的關(guān)鍵要素,而自然因素則助推了生態(tài)環(huán)境的劣變趨勢,氣溫、降水等自然因素對土地變化的響應(yīng)具有滯后性。

(4)2030年石林縣生境質(zhì)量的均值排序?yàn)镋P情景>CD情景>BaU情景,3種情景下景觀空間分布格局相似,但不同情景下生境斑塊面積的大小、破碎化程度、廊道連通性等會影響區(qū)域的生境質(zhì)量,在不同情景下對自然生境進(jìn)行限制并不能從整體上改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,實(shí)際規(guī)劃中應(yīng)考慮從全局出發(fā)。

3種情景下,生態(tài)保護(hù)情景下的生境質(zhì)量最高，生境退化度風(fēng)險最低,通過限制自然生境的轉(zhuǎn)出在一定程度上約束了城鎮(zhèn)用地的擴(kuò)張,生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所提高,能夠有效改善研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。