黃木易,岳文澤,馮少茹,張嘉暉

1 安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院,合肥 230601 2 浙江大學(xué)土地管理系, 杭州 310058

生境質(zhì)量即生態(tài)環(huán)境為生物生存提供適宜條件的能力[1- 2]。不同優(yōu)劣生境質(zhì)量與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的大小有直接關(guān)系。土地利用的方式、強度和格局將導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化,從而對生物多樣性、生境質(zhì)量產(chǎn)生重要影響,加強生境質(zhì)量評估可在一定程度上反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的優(yōu)劣狀況[3- 4]。因此,加強生境質(zhì)量研究對于生物多樣性保護、生態(tài)安全格局構(gòu)建、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有重要意義,從而促進區(qū)域生態(tài)平衡、系統(tǒng)健康和國土生態(tài)安全等[5- 7]。

作為自然因素之一的地形地貌對景觀格局變化以及城市空間發(fā)展約束作用明顯,將景觀格局指數(shù)與相關(guān)自然要素綜合分析,能更好地解釋景觀過程與自然和社會經(jīng)濟過程的相互關(guān)系[8- 9],同時,地形因子對于生境系統(tǒng)的物質(zhì)交換和能量循環(huán)也會產(chǎn)生重要影響[10]。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在以流域、丘陵區(qū)、海岸帶、城市等為對象進行土地利用變化對生境質(zhì)量影響分析[11- 14]、應(yīng)用InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型進行生境質(zhì)量評估及與景觀格局分析等研究方面取得了豐富的成果[15- 18]?？傮w上,相關(guān)研究對生境質(zhì)量與土地利用、景觀格局,以及景觀格局與地形因子間的探討較多[19- 22],但基于InVEST模型的評估結(jié)果,綜合地形位梯度和景觀格局進行大別山重要生態(tài)功能區(qū)的生境質(zhì)量研究較少。景觀格局對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能影響較大,加強景觀優(yōu)化是維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性的重要手段[23],但景觀格局指數(shù)對生態(tài)過程的指示具有一定的局限性[24]及表達(dá)景觀格局變化的復(fù)雜性[25],加強生境質(zhì)量與景觀格局耦合關(guān)系及地形位梯度效應(yīng)研究有助于揭示生境質(zhì)量的景觀生態(tài)過程效應(yīng)及挖掘生境質(zhì)量的地形信息圖譜。

皖西大別山區(qū)舒城縣是大別山區(qū)東北部、安徽省西部及巢湖流域西南部的生態(tài)敏感和脆弱區(qū),區(qū)域內(nèi)生物資源豐富。精準(zhǔn)扶貧背景下,加強大別山區(qū)生態(tài)安全相關(guān)研究對于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能優(yōu)化、生態(tài)產(chǎn)業(yè)與社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展及生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義[26]。本研究區(qū)作為“東接巢湖流域西連大別山區(qū)”的典型樞紐區(qū)域,1995—2015年間快速發(fā)展時期的生境質(zhì)量狀況如何？生境質(zhì)量是否存在地形梯度變化效應(yīng)？合理的景觀資源配置與調(diào)控是生境質(zhì)量提升的重要途徑,但景觀格局與生境質(zhì)量二者間的耦合關(guān)系及機制是怎樣的？本文針對上述問題開展以下研究：(1)基于InVEST模型和空間分析方法定量評估皖西大別山區(qū)舒城縣生境質(zhì)量及其時空演化規(guī)律；(2)基于地形位梯度分析法揭示生境質(zhì)量隨地形位梯度的變化特征；(3)基于相關(guān)分析方法探討生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)的耦合關(guān)系。最終揭示皖西大別山區(qū)生境質(zhì)量時空演化特征、生境質(zhì)量與景觀格局相關(guān)性及地形梯度效應(yīng)。研究結(jié)果在一定程度上為皖西大別山區(qū)生境質(zhì)量保護、生態(tài)系統(tǒng)管控等提供理論決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

大別山片區(qū)位于鄂豫皖三省交叉處,是中國二十五個重點生態(tài)功能區(qū)之一[27- 28]。皖西大別山(即安徽省境內(nèi)大別山西部區(qū)域)與湖北、河南兩省相鄰。該區(qū)域主要包括金寨縣、舒城縣、岳西縣、霍山縣的全部地區(qū)和六安市轄區(qū)的部分地區(qū),區(qū)域內(nèi)旅游資源豐富,也是中國著名的紅色旅游景區(qū)之一。該地區(qū)以中低山和丘陵地貌為主,屬于北亞熱帶溫暖濕潤季風(fēng)性氣候,年平均氣溫14—16 ℃,年平均降雨量1100—1450 mm,年平均日照時數(shù)2000—2200 h,海拔最高為1748 m,是安徽省內(nèi)長江和淮河流域的分水嶺。據(jù)全國第二次水土流失遙感調(diào)查,各縣區(qū)水土流失等生態(tài)問題較為突出,是典型的生態(tài)脆弱區(qū)[29]。本研究區(qū)位于皖西大別山區(qū)的東南部、巢湖流域西南部的舒城縣(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置及空間采樣網(wǎng)格Fig.1 Scope and location of study area and net sampling

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)的數(shù)據(jù)來源包括1995、2005和2015年土地利用數(shù)據(jù)(30 m分辨率)；DEM數(shù)據(jù)(格式為GRID的SRTM數(shù)字高程數(shù)據(jù),分辨率30 m)等數(shù)據(jù)(均來源于中科院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,http://www.resdc.cn/)。其中,土地利用數(shù)據(jù)是按“中國土地利用/土地覆蓋遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)”采用三級分類,本研究區(qū)土地景觀類型的二級類為13種,分別為11水田、12旱地、21有林地、22灌木森、23疏林地、31高覆蓋度草地、41河渠、43水庫坑塘、46灘地、51城鎮(zhèn)用地、52農(nóng)村居民點、53其他建設(shè)用地、66裸巖石質(zhì)地。

1.3 研究方法

1.3.1基于InVEST模型的生境質(zhì)量計算

InVEST模型是通過結(jié)合景觀類型敏感性和外界威脅強度計算生境質(zhì)量,根據(jù)生境質(zhì)量的優(yōu)劣來評估生物多樣性服務(wù)功能[30]。地理學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中基于InVEST模型進行土地利用變化與區(qū)域生境質(zhì)量評價研究已有豐富的成果。植物生態(tài)學(xué)、獸類生態(tài)學(xué)或鳥類生態(tài)學(xué)等傾向于針對區(qū)域特定物種及種群等為對象,開展生物多樣性服務(wù)功能的生境質(zhì)量[31- 32]。本研究對象是評估生境質(zhì)量的優(yōu)劣,其主要基于InVEST 3.6.0中的Habitat Quality模塊計算生境質(zhì)量指數(shù),從而反映提供生物多樣性服務(wù)的功能(InVEST模型假設(shè)生境質(zhì)量好的地區(qū),其生物多樣性也高)。生境質(zhì)量指數(shù)是對區(qū)域土地利用類型的生境適宜性和生境退化程度狀況進行評價的一個無量綱綜合性指標(biāo),計算公式如下[15,33- 35]：

(1)

式中,Qxj為第j種景觀類型x柵格單元的生境質(zhì)量指數(shù)；Hj為第j種景觀類型的生境適宜性分值,取值范圍為0—1；z為尺度常數(shù),一般取2.5；k為半飽和常數(shù),由用戶根據(jù)使用數(shù)據(jù)的分辨率自定義；Dxj為生境退化程度指數(shù),表示生境受脅迫壓力后表現(xiàn)出退化的程度,公式[15,33- 35]如下：

(2)

式中,R為脅迫因子數(shù)量；Yr為脅迫因子的柵格單元總數(shù)；ωr為權(quán)重；ry為柵格單元上的脅迫因子個數(shù)；βx為柵格x的可達(dá)性水平(法律保護度水平,如嚴(yán)格保護區(qū),則取值1；如為收獲型保護取值0；中間保護水平的可賦值0—1之間)；Sjr表示景觀j對脅迫因子的敏感性,取值范圍為0—1；irxy為脅迫因子的影響距離,可分為按照線性和指數(shù)衰退來計算[15,33- 35]。

irxy=1-(dxy/drmax)irxy=exp(-(2.99/drmax)dxy)

(3)

式中,dxy為柵格x與y間的線性距離；drmax是威脅因子r的最大作用距離。

該模塊中需輸入的參數(shù)主要有當(dāng)前土地景觀類型圖、區(qū)域主要生境脅迫因子、脅迫源因子權(quán)重和影響距離、景觀類型對威脅源的敏感性程度參數(shù)等數(shù)據(jù)。本研究在InVEST模型手冊[33]及相關(guān)研究[15,34- 35]基礎(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)的實際來確定相關(guān)參數(shù)數(shù)值,并設(shè)計HabitatQuality模塊輸入?yún)?shù)表(表1和表2)。

表1 各類型景觀對威脅因子的敏感度

本文將水田、旱地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點和其他建設(shè)用地五類低生境適宜性的景觀類型列為威脅因子

表2 研究區(qū)威脅因子權(quán)重

1.3.2網(wǎng)格法空間采樣

皖西大別山舒城縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元的平均面積為100.38 km2,為了在更小單元尺度上進行景觀格局與生境質(zhì)量耦合分析,本文基于ArcGIS 10.2利用網(wǎng)格化方法對研究區(qū)進行2 km×2 km的幅度采樣,共形成606個網(wǎng)格,然后基于2 km幅度進行景觀格局與生境質(zhì)量關(guān)系分析。在分區(qū)對比分析中,將研究區(qū)劃分為北、中和南部區(qū)域,分別提取相應(yīng)網(wǎng)格單元的生境質(zhì)量,并與對應(yīng)網(wǎng)格單元水平的景觀格局指數(shù)進行相關(guān)性分析,探討生境質(zhì)量與景觀格局之間的相互關(guān)系。

1.3.3景觀格局指數(shù)計算

本文利用Patch Analysis模塊進行景觀格局指數(shù)計算,主要分析研究區(qū)和各個網(wǎng)格單元的景觀水平格局指數(shù)。通過對比分析,最終選擇五類12個指數(shù)。主要有：(1)密度大小及差異指標(biāo)：斑塊數(shù)目(Number of Patches, NumP)、平均斑塊面積(Mean Patch Size, MPS)、斑塊大小變異系數(shù)(Patch Size Coefficient of Variance, PSCoV)；(2)面積-邊緣指標(biāo)：最大斑塊指數(shù)(Largest Patch Index, LPI)、邊緣密度(Edge Density, ED)；(3)形狀指標(biāo)：面積加權(quán)平均斑塊分維指數(shù)(Area Weighted Mean Patch Fractal Dimension, AWMPFD)、景觀形狀指數(shù)(Landscape Shape Index, LSI)；(4)多樣性指標(biāo)：香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon′s Diversity Index, SDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(Shannon′s Evenness Index, SEI)、景觀豐度(Patch Richness, PR)；(5)核心區(qū)指標(biāo)：核心斑塊密度(Core Area Density, CAD)、平均核心斑塊面積(Mean Core Area, MCA)。

1.3.4地形位指數(shù)和分布指數(shù)計算

研究區(qū)地形地貌較為復(fù)雜,考慮到地形對土地利用、景觀格局及生態(tài)環(huán)境的影響較大[23- 24],本文引入地形位指數(shù),對生境質(zhì)量指數(shù)和生境退化程度的空間分布特征進行定量探討。計算公式[36- 37]為：

(4)

研究地形因素對景觀格局的影響可簡化為不同地形位梯度上各種景觀類型的分布頻率[38]。為了消除地形梯度下生境質(zhì)量、生境退化區(qū)域面積之間的量綱差異,利用分布指數(shù)來探討生境質(zhì)量、生境退化在不同地形位指數(shù)梯度上的分布特征。本研究將地形位指數(shù)分為15級,分別探討不同對象隨地形位梯度變化特征。分布指數(shù)公式[38]為：

P=(Aie/Ai)/(Ae/A)

(5)

式中,P為分布指數(shù)；Aie為第i級生境質(zhì)量、生境退化在第e級地形位梯度內(nèi)的面積；Ai為第i級生境質(zhì)量、生境退化類型總面積；Ae表示第e級地形位梯度內(nèi)的總面積；A表示研究區(qū)總面積；當(dāng)計算5級生境質(zhì)量和生境退化的地形位梯度分布指數(shù)時,i=5；e=15,表示地形位指數(shù)的梯度級數(shù)。P值越大,表明某級對象在該級地形位梯度內(nèi)的優(yōu)勢越明顯。當(dāng)P大于1時,表明其處于優(yōu)勢地位；反之則處于劣勢[39]。

1.3.5空間數(shù)據(jù)探索及熱點分析

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)景觀格局與生境質(zhì)量時空演變特征

2.1.1研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)及景觀格局指數(shù)變化

1995—2015年皖西大別山區(qū)舒城縣景觀結(jié)構(gòu)和格局變化分析表明,近20年來,舒城縣主要景觀類型的面積變化表現(xiàn)為“三降兩升”,即農(nóng)地、林地、水域呈下降趨勢,草地、建設(shè)用地呈上升趨勢。景觀格局分析表明,研究區(qū)景觀斑塊數(shù)目下降5.12%、平均斑塊面積上升5.4%、斑塊大小變異系數(shù)下降3.83%、邊緣密度上升2.1%、香農(nóng)多樣性指數(shù)上升1.96%、香農(nóng)均勻度指數(shù)上升1.75%、核心斑塊密度上升1.64%、平均核心斑塊面積下降1.8%、景觀形狀指數(shù)上升2.12%。各主要景觀類型結(jié)構(gòu)及格局指數(shù)變化來看：(1)農(nóng)地景觀總面積下降2.44%,景觀格局變化較大,主要表現(xiàn)在斑塊數(shù)目增加50%,平均斑塊面積下降34.96%,斑塊大小變異系數(shù)上升22.24%；(2)林地景觀的總面積下降率為0.12%,景觀格局指數(shù)變化不大,表明舒城縣近20年來的森林保護較為良好,植被完整性也較高,林地生態(tài)系統(tǒng)也相對較為穩(wěn)定；(3)水域景觀總面積下降0.36%,景觀斑塊數(shù)上升,平均斑塊面積下降；(4)建設(shè)用地景觀總面積變化最大,近20年來增加34.64%。其景觀格局指數(shù)的變化顯著,其中斑塊數(shù)目下降率14.46%,平均斑塊面積上升率57.01%,斑塊大小變異系數(shù)上升率為115.78%,平均核心斑塊面積上升率為48.24%,最大斑塊指數(shù)上升率為209.09%?？傮w上,作為研究區(qū)重要生態(tài)型景觀的林地、水域面積下降和建設(shè)用地大幅上升,以及相應(yīng)景觀格局變化會對研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的功能產(chǎn)生一定影響。

2.1.2研究區(qū)生境變化時空特征

基于InVEST模型對研究區(qū)1995—2015年的生境變化進行評估。結(jié)果表明：研究區(qū)北部主要為生境質(zhì)量指數(shù)低級區(qū),南部主要為高級區(qū),中部主要為混合等級區(qū),空間分布特征明顯。近20年來,生境質(zhì)量低等級區(qū)在逐漸擴張(圖2)；生境退化的重點區(qū)域主要位于研究區(qū)中部及城鎮(zhèn)周邊范圍,退化中等及以上區(qū)域在研究區(qū)北部蔓延擴展至東北部(圖3)。時序變化統(tǒng)計分析表明：生境質(zhì)量指數(shù)在1995、2005、2015年平均值分別為0.6392、0.6385和0.6356,表明生境質(zhì)量在逐漸下降；生境質(zhì)量指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差從0.3307上升至0.3353(表3),表明空間上柵格單元之間的生境質(zhì)量差異在擴大。生境退化程度的空間統(tǒng)計表明,1995、2005和2015年平均值分別為0.0133、0.0136和0.0142,生境退化程度的最大值也由0.1469上升至0.1540(表3),表明生境退化在蔓延同時,其強度也在逐漸增加。

總體上,由于北部區(qū)域內(nèi)主要以農(nóng)地和城鎮(zhèn)用地為主,生境質(zhì)量相對較差,隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展,生境質(zhì)量下降和退化程度加強,并以城鎮(zhèn)區(qū)域為核心呈輻射方式分布和擴散(圖2、圖3)。特別是隨著巢湖流域、皖江城市帶及合肥市經(jīng)濟圈的輻射帶動,整個研究區(qū)的城市擴張向東北方向延伸,與生境質(zhì)量降低擴散趨勢一致；而中部和南部區(qū)域主要以林地為主,植被覆蓋較高,生境質(zhì)量良好,且變化相對穩(wěn)定。

圖2 研究區(qū)生境質(zhì)量時空分布特征(1995—2015年)Fig.2 Spatial-temporal distribution characteristics of habitat quality from 1995 to 2015

圖3 研究區(qū)生境退化時空分布特征(1995—2015年)Fig.3 Spatial-temporal distribution characteristics of habitat degradation from 1995 to 2015

表3 研究區(qū)生境質(zhì)量及生境退化空間統(tǒng)計

Table 3 Spatial statistics of habitat quality and degradation in the study area

年份Year生境質(zhì)量統(tǒng)計參數(shù)Statistical parameters of habitat quality生境退化程度統(tǒng)計參數(shù)Statistical parameters of habitat degradation degree最小值最大值平均值標(biāo)準(zhǔn)差最小值最大值平均值標(biāo)準(zhǔn)差1995010.63920.330700.14690.01330.01822005010.63850.331700.14780.01360.01832015010.63560.335300.15400.01420.0185

2.2 生境變化的空間探索及相關(guān)性分析

2.2.1生境質(zhì)量變化空間分布特征探索分析

空間熱點探索可揭示生境質(zhì)量在空間上的分布特征,為了進一步探討生境質(zhì)量和退化程度在空間上的分布規(guī)律,本文對網(wǎng)格化生境質(zhì)量空間分布特征進行全局Moran′sI和熱點分析。研究表明,研究區(qū)生境質(zhì)量和生境退化程度在空間上表現(xiàn)出明顯的集聚分布特征(圖4)?？臻g數(shù)據(jù)探索描述性統(tǒng)計參數(shù)顯示,1995—2015年,生境質(zhì)量全局Moran′sI指數(shù)均接近0.9,Z值遠(yuǎn)大于1.96,表現(xiàn)出顯著的空間集聚特征,但全局Moran′sI由1995年的0.8962下降為2015年的0.8944,表明生境質(zhì)量集聚有分散的趨勢；1995—2015年,生境退化程度的Moran′sI指數(shù)均接近0.7,也呈現(xiàn)顯著的空間集聚性,但Moran′sI由1995年的0.6698上升為2015年的0.6860(表4),表明生境退化的空間集聚有進一步集中的趨勢。

熱點分析能展現(xiàn)變量在空間上的冷熱點區(qū)域。以2015年為例,研究表明,生境質(zhì)量和生境退化程度在空間中具有明顯的空間冷熱點分布特征。如生境質(zhì)量在研究區(qū)北部主要以冷點和較冷點區(qū)分布為主,且以冷點區(qū)占主導(dǎo)；研究區(qū)南部主要以次熱點和熱點區(qū)為主；中部區(qū)域不顯著。生境退化熱點區(qū)主要分布在中北部的中心區(qū)；退化冷點區(qū)分布在南部的邊緣區(qū)(圖4)。

圖4 生境質(zhì)量和生境退化程度熱點分析Fig.4 Study on hot spots of habitat quality and habitat degradation

表4 空間數(shù)據(jù)探索描述性統(tǒng)計變量

Table 4 Spatial data explore descriptive statistical parameters

年份Year生境質(zhì)量空間探索Spatial exploration of habitat quality生境退化程度空間探索Spatial exploration of habitat degradation degreeMoran′s IZ-scoreP-value閾值Moran′s IZ-scoreP-value閾值19950.896230.34710.00001.960.669822.75380.00001.9620050.895930.33880.00001.960.673822.88810.00001.9620150.894430.28970.00001.960.686023.29870.00001.96

2.2.2生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)相關(guān)性分析

加強景觀變化與生境質(zhì)量耦合分析對于探究生態(tài)系統(tǒng)功能變化驅(qū)動機制具有重要意義。在以研究區(qū)為整體進行網(wǎng)格化的基礎(chǔ)上,結(jié)合生境質(zhì)量的熱點分布特征,進一步采用分區(qū)法提取研究區(qū)北部、中部和南部網(wǎng)格,分別探討景觀格局指數(shù)與生境質(zhì)量的相關(guān)性。結(jié)果表明,不同區(qū)域的相關(guān)性表現(xiàn)各異,同一種景觀指數(shù)在不同區(qū)域也表現(xiàn)出不同的相關(guān)性質(zhì)和強弱特點,主要和各區(qū)域景觀類型組分及其所形成的景觀格局差異有關(guān),即景觀格局指數(shù)與生境質(zhì)量的關(guān)系主要受到不同區(qū)域的主導(dǎo)優(yōu)勢景觀類型及其格局的影響而呈現(xiàn)不同的相關(guān)性趨勢(圖5)。在研究區(qū)北部區(qū)域,網(wǎng)格單元上的生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)達(dá)到極顯著水平(n=180,ν>150,r0.01=0.208)的僅有LPI、PSCoV、PR和SDI；研究區(qū)中部區(qū)域達(dá)到極顯著水平(n=206,ν>200,r0.01=0.181)的有Nump、MPS、PSCoV、ED、AWMPED、LSI、CAD、MCA、PR和SDI；研究區(qū)南部區(qū)域各項景觀格局指數(shù)與生境質(zhì)量相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平(n=220,ν>200,r0.01=0.181)；研究區(qū)整體網(wǎng)格樣本的相關(guān)性表明,各項指數(shù)也均達(dá)到極顯著水平(n=606,ν>500,r0.01=0.115)。

圖5 整體和分區(qū)的生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)相關(guān)性Fig.5 The correlation between the indices of habitat quality and landscape pattern by different regions LPI: 最大斑塊指數(shù) Largest patch index; NumP: 斑塊數(shù)目 Number of patches; MPS: 平均斑塊面積 Mean patch size; PSCoV: 斑塊大小變異系數(shù) Patch size coefficient of variance; ED: 邊緣密度 Edge density; AWMPFD: 面積加權(quán)平均斑塊分維指數(shù) Area weighted mean patch fractal dimension; LSI: 景觀形狀指數(shù) Landscape shape index; CAD: 核心斑塊密度 Core area density; MCA: 平均核心斑塊面積 Mean core area; PR: 景觀豐度 Patch richness; SDI: 香農(nóng)多樣性指數(shù) Shannon′s diversity index; SEI: 香農(nóng)均勻度指數(shù) Shannon′s evenness index

分析顯示,研究區(qū)北部區(qū)域生境質(zhì)量與LPI、ED、AWMFPD、LSI等指標(biāo)的相關(guān)性與南部區(qū)域的情況趨于相反,主要由于北部區(qū)域以農(nóng)地斑塊和建設(shè)用地斑塊為主,其最大斑塊越大,受到脅迫的生境質(zhì)量就會越差,而適度的形狀差異會增加生態(tài)異質(zhì)性,如農(nóng)地和建設(shè)用地景觀斑塊的適度破碎和分離化,會影響植被凈初級生產(chǎn)力以及生態(tài)景觀的連通性,進而影響生態(tài)系統(tǒng)氣候和氣體調(diào)節(jié)能力、養(yǎng)分保持能力及生態(tài)系統(tǒng)孕育能力；而在以林地為主的區(qū)域,林地斑塊越大,生態(tài)服務(wù)價值越高,而斑塊的減小或綠地斑塊的破碎化和形狀不規(guī)則化會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能的下降,從而影響生境質(zhì)量[42]。其他指數(shù)的相關(guān)性變化也有類似的原因從而表現(xiàn)出不同的相關(guān)性特征。因此,景觀格局對生境質(zhì)量的影響分析表明,生境質(zhì)量與景觀格局二者間的相關(guān)關(guān)系存在一定的區(qū)域差異性,同一景觀格局指數(shù)在不同景觀類型的區(qū)域內(nèi),其相關(guān)系數(shù)的指示性可能相反。因此,基于不同景觀類型的景觀指數(shù)對于生態(tài)過程效應(yīng)預(yù)測的局限性[24]以及景觀指數(shù)表達(dá)景觀格局變化的復(fù)雜性[25],在生境質(zhì)量優(yōu)化過程中的景觀生態(tài)調(diào)控要注意景觀格局指數(shù)與生境質(zhì)量相關(guān)分析中的區(qū)域差異性。

2.3 生境質(zhì)量及生境退化的地形位梯度分布特征

地形是影響種群分布格局、維持群落多樣性的重要因子[43],研究區(qū)地貌形態(tài)較為復(fù)雜,景觀類型及生境質(zhì)量的空間分布在很大程度上將受到地形的影響。本文在研究區(qū)高程和坡度圖基礎(chǔ)上,根據(jù)式(4)、(5)分別計算出研究區(qū)地形位指數(shù)(圖6)、生境質(zhì)量分布指數(shù)及生境退化分布指數(shù)(圖7),探討生境質(zhì)量、生境退化分布指數(shù)隨地形位指數(shù)梯度變化的分布特征,揭示綜合地形變化對生境質(zhì)量和生境退化空間格局的影響。研究表明,各級生境質(zhì)量和生境退化在地形位梯度上的空間分布呈現(xiàn)較大差異。在地形位梯度第1—3級上,低、較低和中等生境質(zhì)量分布指數(shù)大于1,占絕對優(yōu)勢,而生境退化分布指數(shù)主要以較低退化、較高和高退化為主；在第4級上,中等生境和較高生境質(zhì)量分布指數(shù)大于1,占絕對優(yōu)勢,而生境退化以中等退化和較高退化為主,因此,該地形位梯度上為混合梯度,生境質(zhì)量和生境退化并存；4—7級上,主要以中等生境和高生境質(zhì)量占優(yōu),中等退化和低、較低退化為主；7級以上,高等級生境質(zhì)量持續(xù)上升,占絕對主導(dǎo)優(yōu)勢,而生境退化也主要以低退化為主?？傮w上,在7級以上,高質(zhì)量生境和低退化上升,中等及以下生境質(zhì)量和生境退化指數(shù)隨地形位梯度的增加而逐漸降低,最后趨于平穩(wěn)(圖7)。

圖6 研究區(qū)高程、坡度因子及地形位指數(shù)Fig.6 Elevation, slope and terrain index of the study area

圖7 地形位梯度上的生境質(zhì)量、生境退化分布指數(shù)Fig.7 Distribution indexes of habitat quality and degradation under terrain index gradient

可見,研究區(qū)地形對生境質(zhì)量和生境退化的空間分布格局具有重要作用,其原因主要由于地貌形態(tài)的差異會導(dǎo)致人類活動在空間上對土地利用產(chǎn)生不同的影響[44- 45],從而引起生境質(zhì)量和生境退化程度在空間上的分布上表現(xiàn)出一定的差異。因此,研究區(qū)在生境保護和生態(tài)規(guī)劃調(diào)控中,應(yīng)因地制宜充分考慮地形因子的影響。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

生境質(zhì)量是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平的重要表征,是區(qū)域生態(tài)安全保障和人類福祉提升的關(guān)鍵[12]。國內(nèi)外大量研究采用生態(tài)指標(biāo)法、AHP法和綜合指標(biāo)法等進行生境質(zhì)量評價,但結(jié)果的準(zhǔn)確性、時效性、空間化、精細(xì)化等有待提高[46],不同方法的評價結(jié)果也存在較大差異。隨著定量模型的不斷提出,如ARIES、SolVES、HSI、MIMES、EcoAIM、ESValue模型[47],以及針對中國黃土高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價的SAORES模型[48]等,相關(guān)學(xué)者越來越關(guān)注其在生態(tài)估評中的應(yīng)用,模型定量評估法有利于減小評估差異,從而為生態(tài)系統(tǒng)管理和決策提供更加可靠的依據(jù)[49]。本研究基于InVEST模型的評估結(jié)果,綜合地形位指數(shù)進行大別山典型區(qū)域的生境質(zhì)量與景觀格局耦合及地形梯度效應(yīng)研究,較好地揭示了近20年來研究區(qū)生境質(zhì)量時空演變規(guī)律、與景觀格局耦合關(guān)系及地形梯度效應(yīng)。研究的不足及需要加強的方面主要有：(1)InVEST模型相對較為成熟,在空間表達(dá)、動態(tài)研究等方面優(yōu)于傳統(tǒng)方法[4,50],但計算中的參數(shù)設(shè)置存在一定的主觀性,參數(shù)驗證及合理性評估值得深入探討； (2)將進一步加強斑塊水平景觀指數(shù)及嘗試構(gòu)建新型景觀指數(shù)與生境質(zhì)量的耦合分析,探索生境質(zhì)量變化的景觀生態(tài)過程機制,為生境質(zhì)量優(yōu)化制定生態(tài)管理手段及景觀調(diào)控措施提供更有效的理論依據(jù)。

作為“東接生態(tài)文明示范區(qū)巢湖流域西連大別山貧困區(qū)”的典型樞紐區(qū)域,舒城縣是皖西大別山對接巢湖流域和合肥特大城市圈的橋頭堡。近年來,皖西大別山區(qū)正經(jīng)歷城鎮(zhèn)、交通建設(shè)快速發(fā)展時期,不合理的資源利用與開發(fā)方式造成的水土流失現(xiàn)象日益嚴(yán)重[29]。研究表明,1995—2015年間,研究區(qū)日益受到皖江城市帶、巢湖流域和合肥特大城市經(jīng)濟圈輻射帶動,城鎮(zhèn)化在空間上主要沿東北方向拓展,成為土地利用開發(fā)重點區(qū)域,舒城縣生境質(zhì)量隨城市擴張呈下降趨勢。該區(qū)域土地利用模式應(yīng)結(jié)合承載力與適宜性評價,在生境保護與生態(tài)系統(tǒng)管控上,要做好生境質(zhì)量低且退化熱點區(qū)的生態(tài)優(yōu)化、生境質(zhì)量高退化程度冷點區(qū)的生態(tài)保育。特別是在生境質(zhì)量低、退化程度熱點區(qū)的區(qū)域,應(yīng)加強土地利用節(jié)約集約用地,提高土地產(chǎn)出強度,限制以攤大餅的方式拓展城鎮(zhèn)空間。同時,以新型城鎮(zhèn)化為導(dǎo)向,加強城鎮(zhèn)中心區(qū)景觀資源的有效配置來優(yōu)化城鎮(zhèn)土地生態(tài)系統(tǒng)功能,提高城鎮(zhèn)化發(fā)展中的生態(tài)質(zhì)量。

3.2 結(jié)論

本文基于InVEST模型和地形位指數(shù),分析了1995—2015年皖西大別山區(qū)舒城縣的生境質(zhì)量時空演化規(guī)律及其地形效應(yīng),并對生境變化與景觀格局的相關(guān)性進行分析。結(jié)果表明,近20a來,研究區(qū)生境質(zhì)量整體呈持續(xù)下降趨勢,但降幅不大。研究區(qū)生境質(zhì)量和生境退化程度具有顯著空間聚集性,生境質(zhì)量的空間集聚呈分散變化趨勢,而生境退化程度則進一步集中。熱點分析顯示,生境質(zhì)量較差的冷點區(qū)主要分布于研究區(qū)東北部的城鎮(zhèn)及其周邊區(qū)域,質(zhì)量較高的熱點區(qū)主要分布于西南部植被分布區(qū)；其次,研究區(qū)生境質(zhì)量及生境退化分布指數(shù)具有顯著的地形位梯度變化效應(yīng),其中,高生境質(zhì)量分布與林地分布隨地形位梯度上升成主導(dǎo)優(yōu)勢,而低生境質(zhì)量分布與建設(shè)用地和農(nóng)地分布在低地形位梯度上占主導(dǎo)優(yōu)勢；最后,研究區(qū)生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)具有顯著相關(guān)性。分區(qū)對比分析表明,不同區(qū)域由于受景觀構(gòu)成類型等影響,生境質(zhì)量與景觀格局指數(shù)之間的耦合機理較為復(fù)雜。總體上,南部區(qū)域與整個研究區(qū)的二者相關(guān)性表現(xiàn)趨于一致。