林澤北 王志杰 顏 偉 柳書俊 吳際通

(1.貴陽市森林資源管理站 貴州貴陽 550003；2.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 貴陽 550025)

生境質(zhì)量是指生態(tài)環(huán)境為生物生存提供適宜條件的能力[1][2]，可用于表征區(qū)域地類景觀斑塊生態(tài)適宜性好壞，其數(shù)值大小能夠反映區(qū)域斑塊破碎程度和各景觀斑塊對(duì)生境退化的抗干擾性[3～7]。開展不同尺度生境質(zhì)量研究，是對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)健康識(shí)別、界定和保育的基礎(chǔ)，也是不同尺度生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)與可持續(xù)發(fā)展管理的前提條件，對(duì)制定區(qū)域保育政策具有重要意義[6][7]。目前，生境質(zhì)量評(píng)價(jià)主要采用基于景觀格局的指標(biāo)體系法和基于模型的方法，且后者在預(yù)測未來生境分布及保護(hù)區(qū)選址等方面作用尤為突出[8～12]。模型法最常用的模型是由美國斯坦福大學(xué)、大自然保護(hù)協(xié)會(huì)和世界自然基金共同開發(fā)的InVEST模型(Integrated Valuation of Environmental Services and Tradeoffs)中的Habitat Quality模塊，該模型具有數(shù)據(jù)量需求低、計(jì)算結(jié)果可視化強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于研究縣域[13]、自然保護(hù)區(qū)[14]、流域[7]等不同尺度生境質(zhì)量評(píng)估研究。但目前很少有研究關(guān)注公路景觀帶這一類人類劇烈活動(dòng)區(qū)域生境質(zhì)量狀況。

貴陽市地處黔中腹地，是典型的喀斯特山地城市，地形地貌起伏較大、地塊破碎、山高坡陡[15]。伴隨經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，貴陽市內(nèi)交通干線也越來越多，交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)施密度也在不斷增大，人類活動(dòng)勢(shì)必對(duì)交通干線景觀帶動(dòng)植物生存環(huán)境產(chǎn)生威脅；同時(shí)在退耕還林還草工程影響下，山區(qū)自然植被大量恢復(fù)又提高了其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[16][17]。然而交通干線景觀帶生境質(zhì)量狀況如何？這一科學(xué)問題依然沒有明確答案。

基于此，本研究以貴陽市主要交通干線景觀帶為研究對(duì)象，運(yùn)用GIS技術(shù)和InVEST模型對(duì)其生境質(zhì)量進(jìn)行分析，擬揭示貴陽市主要交通干線景觀帶生境質(zhì)量特征，旨在為交通干線景觀帶生物多樣性保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)保育提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

圖1 研究區(qū)示意圖

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴陽市(106°07′～107°17′E，26°11′～27°22′N)位于黔中腹地，東接龍里、甕安；南靠惠水、長順；西抵貴安新區(qū)、織金；北鄰黔西、金沙、遵義。轄六區(qū)一市三縣，四個(gè)國家級(jí)開發(fā)區(qū)，全市國土總面積8034km2[18][19]。地勢(shì)西南高、東北低，地貌類型復(fù)雜多樣，平均海拔1100m左右[20]，年均氣溫15.3℃左右，年降水量1197～1248mm[18]。森林覆蓋面積達(dá)43.2%。動(dòng)植物資源種類繁多。境內(nèi)川黔、湘黔、黔貴、貴昆等鐵路，廈蓉、蘭海、滬昆等高速以及“三環(huán)十六射”的骨架路網(wǎng)格局等交通干線，奠定了貴陽市西南地區(qū)重要交通樞紐的地位。

1.2 數(shù)據(jù)來源與特征

土地利用矢量數(shù)據(jù)和路網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)來源于貴陽市森林資源管理站2016年《貴陽市主要交通干線專項(xiàng)調(diào)查報(bào)告(2006～2016年)》，其中包括貴陽市轄區(qū)內(nèi)10條城市快速干道、16條高速公路、11條鐵路和4條縣際快速通道共41條交通線路及其兩側(cè)景觀帶范圍(即兩側(cè)山地第一層山脊線以內(nèi)，或平地100米以內(nèi))可綠化土地(包括林地上的跡地、宜林地，耕地中的旱地，未利用地中的裸地和石質(zhì)土地，建設(shè)用地上的邊坡及空地)。其中小班最小區(qū)劃面積不小于667m2。DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)。

1.3 研究方法

InVEST模型是通過結(jié)合土地利用類型敏感性和外界威脅強(qiáng)度計(jì)算生境質(zhì)量[21][22]，其生境質(zhì)量模塊將生境質(zhì)量視為一個(gè)變量，量化分析威脅源的強(qiáng)度及各土地利用類型對(duì)威脅源的脅迫因子敏感度，同時(shí)考慮脅迫因子等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[7][22][23][24]。該模塊反映了人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成的影響，即區(qū)域受到人類活動(dòng)的干擾越低，其生境質(zhì)量越好，生物多樣性水平亦高，反之亦然[24][25]。其計(jì)算公式如下：

式中，Qxj為土地利用類型j中的柵格x的生境質(zhì)量；Hj為土地利用類型j的生境適合性，當(dāng)僅從宏觀角度研究生境而不涉及物種時(shí)，常采用二分法定義Hj值；z為歸一化常數(shù)，一般取值2.5；Dxj為土地利用類型j中柵格x受脅迫水平；k為半飽和常數(shù)，通常取Dxj最大值的一半；z為常數(shù)；R為生境脅迫因子；y為生境脅迫因子r的所有柵格單元；Yr是生境脅迫因子所占柵格數(shù)，取值0～1；irxy為柵格y的脅迫因子r值ry對(duì)生境柵格x的脅迫水平；βx為柵格x的可達(dá)性水平，取值0～1，1表示極容易到達(dá)；Sjr為生境類型j對(duì)脅迫因子r的敏感性，取值為0～1，該值越接近1，表示越敏感；dxy為柵格單元x與柵格單元y之間的直線距離；drmax為脅迫因子r的最大影響距離。本研究在InVEST模型手冊(cè)[26]及相關(guān)研究基礎(chǔ)上[7][27][28]，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況來確定相關(guān)參數(shù)數(shù)值，見表1和表2。

表1 威脅因子的最大影響距離及其權(quán)重

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用與生境質(zhì)量空間分布

由表2可知：研究區(qū)土地利用類型以建筑用地、耕地和喬木林地為主，三者面積分別為149.93km2、66.54km2和55.88km2，共占研究區(qū)總面積的81.87%；特殊灌木林地和交通用地面積分別為28.20km2和25.97km2，二者分別占研究區(qū)總面積的8.48%和7.81%；其它各土地利用類型總面積僅6.17km2，僅占研究區(qū)總面積的1.85%。

將研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)、威脅源數(shù)據(jù)、威脅因子的最大影響距離及其權(quán)重表和生境適宜度及其對(duì)不同威脅因子的敏感度表輸入InVEST模型的Habitat Quality模塊，計(jì)算得到貴陽市主要交通干線景觀帶生境質(zhì)量空間分布圖(圖2a)，利用ArcGIS10.5軟件Reclass工具采用等間距法將研究區(qū)生境質(zhì)量分為：0～0.2低等級(jí)、0.2～0.4較低等級(jí)、0.4～0.6中等等級(jí)、0.6～0.8較高等級(jí)、0.8～1.0高等級(jí)5個(gè)級(jí)別(圖2b)。統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)不同生境質(zhì)量等級(jí)面積及占比(表3)，結(jié)合圖2可知，貴陽市主要交通干線景觀帶生境質(zhì)量指數(shù)位于0～0.90之間，平均生境質(zhì)量指數(shù)為0.28，整體生境質(zhì)量較低。生境質(zhì)量高值區(qū)主要分布在研究區(qū)北部區(qū)域。不同生境質(zhì)量等級(jí)以低等級(jí)和較低等級(jí)為主，二者面積分別為180.66km2和20.59km2，分別占研究區(qū)總面積的54.30%和20.59%，這主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)建筑用地、交通用地和耕地等生境適宜度較低的非自然生境面積較大。高等級(jí)和較高等級(jí)生境質(zhì)量面積分別為54.61 km2和28.59 km2，分別占研究區(qū)總面積的8.59%和16.42%，中等等級(jí)生境質(zhì)量面積最小，僅為0.33km2，僅占研究區(qū)總面積的0.10%。

表2 生境適宜度及其對(duì)不同威脅因子的敏感度和各土地利用類型面積及其占比

圖2 貴陽市主要交通干線景觀帶生境質(zhì)量空間分布圖

表3 貴陽市主要交通干線景觀帶不同等級(jí)生境質(zhì)量面積及占比

2.2 不同交通干線生境質(zhì)量空間分布

統(tǒng)計(jì)分析不同交通干線景觀帶不同生境質(zhì)量面積占比及平均生境質(zhì)量指數(shù)(表4)可知：在各鐵路干線中，中心鐵路、成貴鐵路和貴開鐵路景觀帶的生境質(zhì)量最高，其平均生境質(zhì)量指數(shù)均大于0.40，屬于中等等級(jí)，其較高等級(jí)和高等級(jí)之和均占各自類型總面積的35%以上；貴陽樞紐線、貴廣高鐵、滬昆鐵路和開陽磷礦專用鐵路景觀帶的平均生境質(zhì)量指數(shù)在0.17～0.18之間，屬于低等級(jí)，生境質(zhì)量最差。各高速公路干線中，以貴黔高速和貴翁高速景觀帶的生境質(zhì)量最高，其生境質(zhì)量指數(shù)均大于0.35，屬較低等級(jí)，其較高等級(jí)和高等級(jí)之和均占各自類型總面積的27%以上，其它7條高速公路干線景觀帶的平均生境質(zhì)量指數(shù)均小于0.20，屬于低等級(jí)；G210、貴安通道、都織高速和貴新高速景觀帶平均生境質(zhì)量指數(shù)在0.04～0.18之間，屬于低等級(jí)，生境質(zhì)量較差。各城際快速通道干線中，以機(jī)場路、北二環(huán)和西二環(huán)景觀帶的生境質(zhì)量最高，其生境質(zhì)量指數(shù)均大于0.23，屬較低等級(jí)，其較高等級(jí)和高等級(jí)之和均占各系類型總面積的22%以上；其它7條道路景觀帶平均生境質(zhì)量指數(shù)在0.07～0.17之間，屬低等級(jí)，其中花溪大道和甲秀南路景觀帶的生境質(zhì)量最差。縣際高速通道中，除貴龍大道景觀帶的平均生境質(zhì)量指數(shù)僅為0.12，屬低等級(jí)外；其它3條道路景觀帶的平均生境質(zhì)量指數(shù)均大于0.21，屬較低等級(jí)。

總體上，41條交通干線景觀帶平均生境質(zhì)量介于0.04～0.54之間，3條交通干線景觀帶平均生境質(zhì)量為中等等級(jí)，22條為較低等級(jí)，16條為低等級(jí)。其中，鐵路干線景觀帶受人為活動(dòng)干擾相對(duì)較小，高速公路次之，縣際和城市快速通道較大，故鐵路干線景觀帶生境質(zhì)量最好，高速公路次之，縣級(jí)快速通道較差，城市快速通道最差。

表4 不同交通干線景觀帶不同生境質(zhì)量面積占比及平均生境質(zhì)量指數(shù)

(續(xù)表4)

2.3 不同交通干線景觀帶生境質(zhì)量在不同坡度、不同土地利用類型的特征

按照水利部頒布的巖溶地區(qū)水土流失治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(SL 461-2009)將坡度分為<5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°等6個(gè)等級(jí)。統(tǒng)計(jì)分析不同坡度不同生境質(zhì)量面積占比及平均生境質(zhì)量指數(shù)(表5)可知：坡度<5°和5°～8°生境質(zhì)量以低等級(jí)和較低等級(jí)為主，二者共占各自類型總面積的78%以上；坡度8°～15°生境質(zhì)量以低等級(jí)、較低等級(jí)和高等級(jí)為主，共占該類型總面積的88%以上；坡度15°～25°、25°～35°和>35°生境質(zhì)量以低等級(jí)、較高等級(jí)和高等級(jí)為主，三者共占各自類型總面積的82%以上。結(jié)合平均生境質(zhì)量指數(shù)來看，隨著坡度的增大，平均生境質(zhì)量指數(shù)呈持續(xù)升高趨勢(shì)，即坡度越大交通干線景觀帶的生境質(zhì)量越好。這反映了人類活動(dòng)對(duì)交通干線景觀帶生態(tài)系統(tǒng)的干擾主要發(fā)生在坡度較平緩的區(qū)域。

表5 不同坡度不同生境質(zhì)量面積占比及平均生境質(zhì)量指數(shù)

表6 不同土地利用類型不同生境質(zhì)量等級(jí)面積占比(%)

統(tǒng)計(jì)分析不同土地利用類型不同生境質(zhì)量面積占比(表6)可知：從一級(jí)分類來看，林地土地利用類型生境質(zhì)量等級(jí)以高等級(jí)和較高等級(jí)為主，二者共占林地總面積的96.16%，非林地土地利用類型生境質(zhì)量等級(jí)以低等級(jí)和較低等級(jí)為主，二者分別占非林地總面積的72.93%和27.07%。從二級(jí)分類來看，苗圃地、跡地、未利用地和建設(shè)用地生境質(zhì)量均為低等級(jí)；竹林地、未成林造林地、其它宜林地和耕地生境質(zhì)量均為較低等級(jí)；疏林地和造林失敗地生境質(zhì)量均為中等等級(jí)；灌木林生境質(zhì)量均為較高等級(jí)；喬木林地生境質(zhì)量為高等級(jí)；宜林地生境質(zhì)量以中等及以下等級(jí)為主。從三級(jí)分類來看，喬木林地生境質(zhì)量為高等級(jí)；特殊灌木林地和一般灌木林地生境質(zhì)量均為較高等級(jí)；疏林地和造林失敗地生境質(zhì)量均為中等等級(jí)；竹林地、未成林造林地、其他宜林地和耕地生境質(zhì)量均為較低等級(jí)；其它各土地利用類型生境質(zhì)量均為低等級(jí)?？梢园l(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度越高的地區(qū)，其生境質(zhì)量也就相對(duì)較好。

3 結(jié)論與討論

生境質(zhì)量被視為區(qū)域生物多樣性和生態(tài)服務(wù)水平的重要表征和反映，也是區(qū)域生態(tài)安全保障和人類福祉提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，生境質(zhì)量研究長久以來就具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[28]。國內(nèi)外生境質(zhì)量研究方法主要有生態(tài)指標(biāo)法、AHP法和綜合評(píng)價(jià)法等，但結(jié)果的準(zhǔn)確性、時(shí)效性、空間化、精細(xì)化等有待提高[7]，不同評(píng)價(jià)方法的結(jié)果差異較大[22]。隨著SoLVES、HSI、ARIES、MIMES、InVEST等定量模型的出現(xiàn)[7][22][24]，模型評(píng)價(jià)法以其準(zhǔn)確性、時(shí)效性、空間化、精細(xì)化等特點(diǎn)被大量學(xué)者所應(yīng)用。本研究基于InVEST模型對(duì)貴陽市主要交通干線景觀帶生境質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估，并結(jié)合ArcGIS軟件疊加分析了不同交通干線景觀帶生境質(zhì)量在不同坡度、不同土地利用類型的特征，較好的探明了研究區(qū)生境質(zhì)量的特征現(xiàn)狀。

(1)貴陽市交通干線景觀帶土地利用以建筑用地、耕地和喬木林地為主，三者面積分別為149.93km2、66.54km2和55.88km2，共占研究區(qū)總面積的81.87%。貴陽市交通干線景觀帶生境質(zhì)量指數(shù)位于0～0.90之間，平均生境質(zhì)量指數(shù)為0.28，生境質(zhì)量以低等級(jí)和較低等級(jí)為主，二者共占研究區(qū)總面積的74.89%，這主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)建筑用地、交通用地和耕地等生境適宜度較低的非自然生境面積較大。

(2)由于研究區(qū)不同交通干線景觀帶的自然條件和土地利用方式不同，生境質(zhì)量特征也存在差異。從不同交通干線景觀帶一級(jí)分類來看，中心鐵路、成貴鐵路和貴開鐵路的生境質(zhì)量最高，其平均生境質(zhì)量指數(shù)分別為0.54、0.43和0.41；貴新高速、都織高速和花溪大道的生境質(zhì)量最低，其平均生境質(zhì)量指數(shù)分別為0.04、0.06和0.07。從一級(jí)分類來看，鐵路干線景觀帶生境質(zhì)量最好，高速公路次之，縣級(jí)快速通道較差，城市快速通道最差，這主要是因?yàn)殍F路干線景觀帶受人為活動(dòng)干擾相對(duì)較小，高速公路次之，縣際和城市快速通道則受人為活動(dòng)干擾較大。

(3)不同交通干線景觀帶生境質(zhì)量高值區(qū)主要分布在喬木林地、灌木林地等植被覆蓋度高、坡度大，生態(tài)系統(tǒng)干擾因素較小、人為活動(dòng)較弱的生境適宜度較高的區(qū)域。反之，生境質(zhì)量低值區(qū)主要集中在建設(shè)用地、未利用地和跡地等植被覆蓋度低、坡度小、生態(tài)系統(tǒng)干擾因素較大、人為活動(dòng)較強(qiáng)的生境適宜度較低的區(qū)域。