鄧楚雄, 郭方圓, 黃棟良, 李忠武,*

基于INVEST模型的洞庭湖區(qū)土地利用景觀格局對(duì)生境質(zhì)量的影響研究

鄧楚雄1, 郭方圓1, 黃棟良2, 李忠武1,*

1. 湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 長沙 410081 2. 湖南省國土資源規(guī)劃院, 長沙 430111

生境質(zhì)量是區(qū)域生物多樣性維持能力的重要表征, 土地利用變化是引起景觀格局和生境質(zhì)量變化的主要原因, 揭示土地利用及景觀格局變化下生境質(zhì)量的時(shí)空演變規(guī)律能為生物多樣性保護(hù)提供參考依據(jù)。以洞庭湖區(qū)為研究對(duì)象, 基于1995、2000、2005、2010、2015、2018年6期遙感解譯數(shù)據(jù), 采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、景觀格局指數(shù)及INVEST模型等方法, 分析近年來洞庭湖區(qū)土地利用和景觀破碎度變化對(duì)生境質(zhì)量的影響。結(jié)果表明: (1)研究區(qū)段內(nèi), 洞庭湖區(qū)濕地、建設(shè)用地增加比例為0.5%、44%, 耕地、林地減少比例為2.7%、1.6%; (2)耕地、林地破碎度都有所增加, 濕地的破碎度呈現(xiàn)“升高-降低-升高”的N型”波動(dòng)趨勢(shì); (3)時(shí)間上看, 六個(gè)不同時(shí)期洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量分別為0.563、0.561、0.562、0.563、0.556、0.554, 經(jīng)歷了“降低-升高-降低”的“倒N型”波動(dòng)趨勢(shì), 生境質(zhì)量的提高與濕地的大量轉(zhuǎn)入以及濕地破碎度的降低有關(guān), 生境質(zhì)量的降低與城鎮(zhèn)開發(fā)占用大量耕地、林地以及主要生境類型(耕地、林地、草地)破碎度增加有關(guān); (4)空間上看, 生境質(zhì)量與景觀破碎度的變化范圍大致相同, 景觀破碎度增加的地區(qū), 生境質(zhì)量明顯降低。1995—2010年生境質(zhì)量的變化主要體現(xiàn)在湖體附近包括岳陽市市區(qū)、華容縣、沅江市、南縣、湘陰縣, 2010—2018年生境質(zhì)量的變化體現(xiàn)在各縣市城鎮(zhèn)用地附近; (5)處理好“三生空間”之間的關(guān)系, 實(shí)施嚴(yán)格的濕地保護(hù)措施, 促進(jìn)湖區(qū)生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展, 是提高洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量的必由之路。

生境質(zhì)量; 土地利用變化; 景觀格局; 洞庭湖區(qū)

0 前言

生境質(zhì)量是生物多樣性維持能力的重要表征, 體現(xiàn)了區(qū)域生態(tài)環(huán)境為生物生存提供適宜條件的能力[1]。土地利用/土地覆被變化與生態(tài)環(huán)境變化息息相關(guān), 它的變化一方面可以改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供應(yīng)水平[2], 從而對(duì)生物生存條件造成影響, 另一方面會(huì)導(dǎo)致生境斑塊空間格局變化, 使得生物棲息地轉(zhuǎn)化、退化與破碎化[3], 進(jìn)而對(duì)生境斑塊的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)產(chǎn)生影響[4], 20世紀(jì)以來中國的城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程加快, 經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展, 人地矛盾日益凸顯, 人類對(duì)土地資源的過度開發(fā)對(duì)生物多樣性造成了嚴(yán)重的威脅。因此, 開展生境質(zhì)量對(duì)土地利用變化的響應(yīng)研究, 對(duì)協(xié)調(diào)好土地利用與生態(tài)保護(hù)之間的關(guān)系, 促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展意義重大。

近年來關(guān)于生境質(zhì)量的評(píng)估方法主要有HIS模型, INVEST模型中的habitat quality模塊, SolVES模型[5-7]等, INVEST模型因數(shù)據(jù)獲取較為容易且體系構(gòu)建較為完善而廣泛應(yīng)用到生境質(zhì)量評(píng)估中來, 在探討土地利用變化對(duì)生境質(zhì)量的影響方面取得了豐富的研究成果。劉春芳[8]等以榆中縣為例, 分析了近20年生境質(zhì)量的演變規(guī)律, 并運(yùn)用地理探測(cè)器探索了生境質(zhì)量的影響機(jī)制; 吳建生[9]等將INVEST模型與ArcGIS結(jié)合, 分別評(píng)估了長江三角洲地區(qū)在獨(dú)立規(guī)劃、建設(shè)用地指標(biāo)再分配、區(qū)域一體化發(fā)展三種情境下的生境質(zhì)量, 并劃定了未來時(shí)期長江三角洲地區(qū)的城市增長邊界; 韓艷莉[10]等運(yùn)用INVEST模型分析了青海湖流域生境質(zhì)量的演變特征, 并揭示了土地利用變化對(duì)生境質(zhì)量的影響。

已有研究大多從退耕還林[11]、土地整治[12]、城鎮(zhèn)擴(kuò)張[13]等特定情景出發(fā)分析區(qū)域土地利用變化對(duì)生境質(zhì)量的影響, 在此基礎(chǔ)上部分研究還引入了景觀格局指數(shù)從時(shí)間尺度上探討了景觀格局變化與生境質(zhì)量之間的關(guān)系[14-17]。這些成果為土地利用變化與生境質(zhì)量關(guān)系的研究提供了新思路, 但忽視了景觀格局在空間上的變化對(duì)生境質(zhì)量影響的考量, 使得土地利用導(dǎo)致的景觀格局變化與生境質(zhì)量在空間上的變化關(guān)系較為模糊。鑒于此, 本文以我國典型的湖區(qū)-洞庭湖為研究對(duì)象, 采用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和景觀格局指數(shù)從時(shí)間尺度測(cè)度各土地利用類型在不同時(shí)期的面積轉(zhuǎn)移特征、破碎度變化特征, 從空間尺度測(cè)度景觀破碎度變化特征, 運(yùn)用INVEST模型評(píng)估生境質(zhì)量, 進(jìn)而分析土地利用景觀格局變化對(duì)生境質(zhì)量的影響, 以期能為新時(shí)期洞庭湖區(qū)生態(tài)保護(hù)及土地利用優(yōu)化調(diào)控提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

洞庭湖區(qū)位于長江中游以南, 主要位于湖南省北部, 部分位于湖北省南部, 本文的研究對(duì)象為洞庭湖區(qū)湖南省部分, 具體包括岳陽市的全部轄區(qū), 益陽市的南縣、沅江市、資陽區(qū)、赫山區(qū)、大通湖區(qū), 常德市的安鄉(xiāng)縣、漢壽縣、臨澧縣、澧縣、桃源縣、津市市、武陵區(qū)、鼎城區(qū), 長沙市的望城區(qū), 土地總面積3.56×104km2。

洞庭湖區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)濕潤地區(qū), 氣候年內(nèi)變化較大, 夏季酷熱, 冬季寒冷, 春秋雨水較多, 平均海拔高度99.52 m, 地勢(shì)由中部向東西兩側(cè)逐漸升高, 土地覆被從湖區(qū)中部由濕地、耕地、城鎮(zhèn)用地、林地依次向四周更替。

圖1 洞庭湖區(qū)地理位置及高程

Figure 1 Location and elevation of Dongting Lake area

洞庭湖是中國重要的蓄水湖泊, 湖區(qū)是著名的“魚米之鄉(xiāng)”, 農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)雄厚。洞庭湖分為東洞庭湖、西洞庭湖、南洞庭湖, 由于其特殊的生態(tài)環(huán)境孕育了豐富的生物資源, 為了保護(hù)洞庭湖區(qū)生物多樣性成立了國家級(jí)東洞庭湖自然保護(hù)區(qū), 保護(hù)區(qū)內(nèi)鳥類高達(dá)338種, 其中包括國家一級(jí)保護(hù)鳥類7種, 國家二級(jí)保護(hù)鳥類45種; 淡水魚類117種; 野生和歸化植物1186種。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的1995、2000、2005、2010、2015、2018年來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心制作的中國遙感影像解譯數(shù)據(jù), 柵格分辨率為30 m×30 m, 該數(shù)據(jù)將土地覆被數(shù)據(jù)劃分為6個(gè)一級(jí)類型和17個(gè)二級(jí)類型。本文根據(jù)研究需要并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)將一級(jí)類型重新劃分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、濕地, 二級(jí)地類不變(表1)。DEM高程數(shù)據(jù)下載自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/), 分辨率為30 m×30 m。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

借助ArcGIS空間分析功能中的相交工具, 將1995、2000、2005、2010、2015、2018年六期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加, 構(gòu)建土地利用轉(zhuǎn)移矩陣, 分析洞庭湖區(qū)各個(gè)時(shí)期內(nèi)每種地類的流入、流出去向及面積大小。

2.2.2 景觀格局指數(shù)

采用Fragstats從類型和景觀水平計(jì)算相關(guān)景觀格局指數(shù), 分析洞庭湖區(qū)景觀破碎度變化情況。類型水平選取斑塊數(shù)量(NP)、平均斑塊面積(MPS)、斑塊面積比例(PLAND), 分析不同生境類型破碎度變化情況; 景觀水平上, 本文運(yùn)用移動(dòng)窗口法采用3000 m的移動(dòng)半徑對(duì)洞庭湖區(qū)的斑塊數(shù)量(NP)、分離度指數(shù)(SPLIT)、最大斑塊指數(shù)(LPI)進(jìn)行分析, 繪制景觀破碎度空間分布圖, 為進(jìn)一步探討景觀格局與生境質(zhì)量空間變化的關(guān)系提供依據(jù)。景觀格局指數(shù)的選取見相關(guān)參考文獻(xiàn)[18-21]。

表1 洞庭湖區(qū)土地利用分類體系

2.2.3 生境質(zhì)量評(píng)估模型

生境質(zhì)量評(píng)估方法選用由美國自然資本項(xiàng)目組開發(fā)的INVEST模型, 該模型是通過模擬不同土地覆被情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化情況來支持環(huán)境決策的模型系統(tǒng)[22]。INVEST模型的habitat quality模塊用于評(píng)估生境質(zhì)量, 該模塊主要通過土地覆被數(shù)據(jù)以及生物多樣性威脅因素來測(cè)算相應(yīng)柵格內(nèi)的生境質(zhì)量。

模型首先需要對(duì)不同土地利用類型的生境適宜性進(jìn)行定義, 每種土地利用類型的生境適宜性從0—1表示, 其中0代表不具備生物生存的條件, 1代表生境適宜性極高。

每種生境類型的生境適宜性都會(huì)受到相應(yīng)土地利用類型的影響, 對(duì)生境適宜性產(chǎn)生威脅的因素定義為脅迫因子。洞庭湖區(qū)是典型的農(nóng)業(yè)區(qū), 農(nóng)業(yè)發(fā)展及非農(nóng)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)區(qū)域生境質(zhì)量影響程度較大, 因此本文選取耕地、建制鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)作為脅迫因子, 在選擇脅迫因子之后需要對(duì)脅迫因子的權(quán)重進(jìn)行賦權(quán), 其權(quán)重大小體現(xiàn)了對(duì)生境類型的干擾強(qiáng)度。脅迫因子對(duì)生境類型的干擾強(qiáng)度隨著距離的增加而減小, 通常模型可以選擇線性或者指數(shù)這兩種衰減函數(shù)來描述威脅在空間上的衰減方式, 因此還需要設(shè)置每個(gè)脅迫因子的最大作用距離。每種生境類型對(duì)脅迫因子的響應(yīng)都有所差異即每種生境類型對(duì)每個(gè)脅迫因子的敏感性都不同, 對(duì)每種生境類型關(guān)于每個(gè)脅迫因子的敏感性設(shè)置從0—1的數(shù)值, 數(shù)值越高代表對(duì)脅迫因子越敏感。關(guān)于生境適宜性、脅迫因子權(quán)重以及最大脅迫距離、生境類型對(duì)脅迫因子的敏感性等相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表2、表3, 相關(guān)參數(shù)的選取主要參考同類研究[23-25]及INVEST模型使用手冊(cè), 并根據(jù)研究區(qū)的特殊性做出調(diào)整。本文將研究區(qū)域中的耕地、林地、草地、濕地設(shè)定為能夠?yàn)樯锷嫣峁l件的生境, 目前已有的研究大部分將濕地、林地的生適宜值設(shè)置為1, 而由于本文的研究區(qū)域?yàn)楹^(qū), 濕地的功能更為重要, 因此將濕地生境適宜性設(shè)置為最高, 林地、草地、耕地依次降低。

表2 脅迫因子權(quán)重及最大影響距離

表3 洞庭湖區(qū)土地利用類型的生境適宜性及其對(duì)脅迫因子的敏感性程度

生境質(zhì)量的具體計(jì)算公式如下:

式中:Q為生境類型中柵格的生境質(zhì)量;D為生境類型中柵格所受到的干擾程度;為半飽和常數(shù), 通常取Q試運(yùn)行一次后得到的最大值的一半,H為生境類型的生境適宜性。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用變化分析

從各土地利用類型面積占比來看(圖2), 耕地、林地、濕地為洞庭湖區(qū)主要土地利用類型, 其中耕地所占比重最大, 約占區(qū)域土地總面積的45%左右, 林地面積約占35%左右, 濕地面積約占13%左右。就各土地利用類型面積變化而言, 耕地面積經(jīng)過小幅增長后持續(xù)下降, 1995—2000年洞庭湖區(qū)耕地面積由15581.76 km2增長到15635.80 km2, 增長率為0.35%, 2000—2018年耕地面積連續(xù)減少至15149.17 km2, 減少率為3.11%; 林地面積不斷減少, 由1995年的13248.45 km2減少到2018年的13024.45 km2, 減少率為1.69%; 濕地面積波動(dòng)變化, 總體略有增加, 1995—2000年減少104.11 km2, 2000—2005年增加150.90 km2, 2005—2018年減少17.28 km2, 研究期內(nèi)增加29.51 km2, 增加率為0.53%; 建設(shè)用地面積先慢后快穩(wěn)步增長, 研究期內(nèi)增加617.72 km2, 增加率為79.22%; 草地面積占比小, 總體變化不大。

從土地利用轉(zhuǎn)移來看, 耕地與濕地、耕地與林地相互轉(zhuǎn)化及耕地與林地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地是研究期內(nèi)洞庭湖區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移的主要特征(表4)。1995—2018年, 有47706 hm2耕地轉(zhuǎn)化為濕地, 占濕地轉(zhuǎn)入總面積的89%, 有44763 hm2的濕地轉(zhuǎn)化為耕地, 占耕地轉(zhuǎn)入總面積的69%; 有20759 hm2耕地轉(zhuǎn)化為林地, 占林地轉(zhuǎn)入總面積的82%, 有15229 hm2林地轉(zhuǎn)化為耕地, 占耕地轉(zhuǎn)入總面積的24%; 有38646 hm2耕地和26392 hm2林地轉(zhuǎn)化建設(shè)用地, 分別占建設(shè)用地轉(zhuǎn)入總面積的56%、38%。分階段來看, 1995—2000年, 洞庭湖區(qū)轉(zhuǎn)入面積最大的土地利用類型為耕地、建設(shè)用地, 其中耕地的轉(zhuǎn)入來源主要為林地、濕地, 轉(zhuǎn)入面積分別為2107 hm2、28579 hm2, 分別占林地、濕地轉(zhuǎn)出總面積的33%、87%, 建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入來源主要是耕地、林地, 轉(zhuǎn)入面積分別為4251 hm2、1890 hm2, 分別占耕地、林地轉(zhuǎn)出面積的16%、30%。2000—2010年, 建設(shè)用地、林地、濕地成為主要的轉(zhuǎn)入土地利用類型, 其中建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入主要來源依舊是耕地和林地, 且耕地、林地較上一時(shí)期轉(zhuǎn)入建設(shè)用地的面積分別增加105%、247%, 林地、濕地的轉(zhuǎn)入主要來源于耕地, 轉(zhuǎn)入面積分別為2096 hm2、12136 hm2。2010—2018年有288.88 hm2耕地和197.84 hm2林地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地, 分別占耕地和林地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地總面積的68%、70%, 轉(zhuǎn)入面積較2000—2010年轉(zhuǎn)入建設(shè)用地的面積分別增加330%、300%。

圖2 1995—2018年洞庭湖區(qū)土地利用變化情況

Figure 2 The change of landuse in Dongting Lake area from 1995 to 2018

3.2 景觀格局指數(shù)變化分析

類型水平上的3個(gè)景觀格局指數(shù)變化如圖3所示?？偟膩砜? 林地、耕地和濕地三種主要生境的破碎度增加, 草地的破碎度變化不大, 可忽略。1995—2018年, 林地和耕地的NP分別增加891、548, MPS分別降低143.08 、57.80 , PLAND分別降低0.61、1.22, 林地和耕地破碎化程度顯著增強(qiáng); 濕地的NP增加401, MPS降低9.95 , PLAND提高0.08, 濕地破碎化趨勢(shì)明顯。階段性變化而言, 濕地的破碎度變化在各個(gè)時(shí)期有所差異, 1995—2000年, 濕地的NP增加, MPS和PLAND分別減小8 、0.29, 濕地破碎度增加, 2000—2010年濕地破碎度逐漸減小, 主要體現(xiàn)在這一時(shí)期濕地的NP減少13, MPS和PLAND分別增加1.32、0.42, 2010年以后濕地的NP值又有所回升, 增加了328,而MPS和PLAND分別減少5.8 和0.05, 總的來看, 濕地的破碎度在1995—2000年增加, 2000—2010年減小, 2010年以后濕地破碎度繼續(xù)增加。

表4 1995—2018年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 (hm2)

圖3 1995—2018年洞庭湖區(qū)類型水平上的景觀指數(shù)

Figure 3 Indices of landscape at the level of Dongting Lake area from 1995 to 2018

景觀水平上的3個(gè)景觀格局指數(shù)變化如圖4所示。從景觀破碎度空間分布圖來看(圖4), 洞庭湖區(qū)斑塊數(shù)量(NP)由中部向東西兩側(cè)先遞增后遞減, 最大斑塊指數(shù)(LPI)的空間分布特征與NP相反,LPI的高值區(qū)主要分布在中部的濕地、耕地以及東西兩側(cè)的林地, 低值區(qū)主要分布在由中部平原區(qū)向東西兩側(cè)山地過渡的丘陵地帶, 這一區(qū)域耕地與林地的分布較中部平原地區(qū)更為分散, 分離度(SPLIT)的空間分布特征與LPI相反, 分離度越高表示斑塊空間集聚程度越低, 景觀破碎度越大, 根據(jù)各個(gè)指數(shù)的空間分布特征可以總結(jié)出景觀破碎度由中部向東西兩側(cè)逐漸變高后又逐漸降低, 這一變化趨勢(shì)與地形地勢(shì)所決定的土地利用類型有關(guān), 中部以流域?yàn)橹? 地勢(shì)由中部向東西兩側(cè)變高, 土地利用類型趨于多樣化, 破碎度由此增加, 洞庭湖區(qū)東西兩側(cè)以山地為主, 土地利用類型以林地和園地為主, 人類干擾相對(duì)較少, 因此景觀破碎度較低。1995—2018年, 景觀破碎度的變化主要體現(xiàn)在湖體及各縣市的城鎮(zhèn)用地附近, 主要原因可能與湖體面積的增減變化及建設(shè)用地?cái)U(kuò)張有關(guān)。

3.3 洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量時(shí)空演變特征

運(yùn)用INVEST模型分別計(jì)算出1995、2000、2005、2010、2015和2018年洞庭湖區(qū)各柵格的生境質(zhì)量, 在ArcGIS軟件中按照自然斷點(diǎn)法將柵格生境質(zhì)量分為四個(gè)等級(jí), 即: 較差(0—0.2)、一般(0.2—0.4)、良好(0.4—0.8)和好(0.8—0.1), 洞庭湖區(qū)6個(gè)年份不同等級(jí)生境質(zhì)量的柵格占比見表5。根據(jù)柵格生境質(zhì)量計(jì)算得到1995、2000、2005、2010、2015和2018年洞庭湖區(qū)的生境質(zhì)量值, 分別為0.563、0.561、0.562、0.563、0.556、0.554?？傮w而言, 1995—2018年洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量呈現(xiàn)出“降低-升高-降低”的“倒N”變化趨勢(shì)。

分階段來看, 1995—2000年洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量有所下降, 具體表現(xiàn)為“良好”等級(jí)以上的生境柵格數(shù)量下降了0.37個(gè)百分點(diǎn)。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表明, 1995—2000年有28759 hm2和3844 hm2的濕地分別轉(zhuǎn)化為耕地和草地, 有2017 hm2林地轉(zhuǎn)化為耕地, 濕地和林地面積分別減少了1041 hm2、4080 hm2; 類型水平上的景觀格局指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示, 1995—2000年洞庭湖區(qū)主要生境類型濕地、林地破碎度都有所增加。上世紀(jì)90年代以來大規(guī)模的圍湖造田、1996年洞庭湖洪水、1998年長江流域特大洪水導(dǎo)致的大量泥沙淤積等[26]使得濕地面積不同程度地減少、破碎度增加, 東西兩翼低丘區(qū)毀林開荒使得林地破碎度增加, 因此這一時(shí)期洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量有所下降。

Figure 4 Spatial distribution map of landscape fragmentation in Dongting Lake area from 1995 to 2018

2000—2010年, 洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量小幅平穩(wěn)回升, 具體表現(xiàn)在“較差”、“一般”等級(jí)的生境柵格數(shù)量基本保持不變, 而“好”等級(jí)的生境柵格數(shù)量增加了0.42個(gè)百分點(diǎn)。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表明, 2000—2010年有12136 hm2耕地和3625 hm2草地轉(zhuǎn)化為濕地, 有2096 hm2耕地轉(zhuǎn)化為林地; 類型水平上的景觀格局指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示, 濕地破碎度在這一時(shí)期有所減小。進(jìn)入21世紀(jì)以來, 湖南省著手實(shí)施“4350工程”(即, 到2015年使洞庭湖恢復(fù)到1949年前的4350 km2以上的湖面), 大范圍實(shí)施“退田還湖”政策, 全面推進(jìn)洞庭湖水域生態(tài)修復(fù)與濕度保護(hù)工作的開展, 使得濕地面積大幅增加、破碎度下降, 高適宜生境面積的增加和破碎度的減小使得生境質(zhì)量有所改善。

2010—2018年, 洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量有較大幅度下降, 具體表現(xiàn)在“較差”等級(jí)的生境柵格數(shù)量增加了0.95個(gè)百分點(diǎn)。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣表明, 2010—2018年有28888 hm2耕地和19784 hm2林地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地, 相比2000—2010年, 耕地、林地轉(zhuǎn)入建設(shè)用地的面積增長三倍多, 濕地的減少一方面因“耕地占補(bǔ)”平衡, 另一方面, 三峽水庫的建成運(yùn)行改變了洞庭湖與長江及四水的關(guān)系, 導(dǎo)致湖泊灘地出露[27], 濕地面積減小; 類型水平上的景觀格局指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示, 2010—2018年耕地、林地、濕地破碎度增加。這一時(shí)期洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量有較大幅度下降的主要原因在于洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)由省級(jí)層面上升到國家戰(zhàn)略的過程中, 以岳陽、常德、益陽三個(gè)區(qū)域中心城市為核心的“點(diǎn)-軸-網(wǎng)”模式的城鎮(zhèn)體系的建設(shè)及以湖區(qū)中心城市為樞紐、環(huán)湖公路為紐帶的綜合交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等占用了大量的林地、耕地, 主要生境類型破碎度增加, 對(duì)生境質(zhì)量產(chǎn)生威脅。

圖5 1995—2018年洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量

Figure 5 Habitat quality in Dongting Lake area from 1995 to 2018

從空間格局上看, 生境質(zhì)量與景觀破碎度的空間分布呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4、圖5), 即生境質(zhì)量由洞庭湖區(qū)中部向東西兩側(cè)逐漸降低后升高, 景觀破碎度由洞庭湖區(qū)中部向東西兩側(cè)逐漸升高后降低。

分階段來看, 1995—2000年生境質(zhì)量降低的區(qū)域主要為東洞庭湖的岳陽市市區(qū)、華容縣和南洞庭湖的沅江市, 景觀水平上, 這些區(qū)域的NP、SPLIT增加, LPI降低, 景觀破碎度增加。耕地和濕地是這些區(qū)域的主要土地利用類型, 大量農(nóng)田分布于湖體周邊, 這一時(shí)期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的主要來源, 為擴(kuò)大農(nóng)業(yè)種植面積而進(jìn)行的大規(guī)模圍湖造田使得湖體面積銳減、景觀破碎度增加, 因而生境質(zhì)量有所下降。

2000—2010年, 生境質(zhì)量提高的區(qū)域集中于中部的南縣和南洞庭湖的湘陰縣, 景觀水平上, 這些區(qū)域的NP、SPLIT降低, LPI增加, 景觀破碎度有所下降。南縣和湘陰縣均屬于洞庭湖濕地保護(hù)的核心區(qū), 為保護(hù)生物多樣性, 兩縣陸續(xù)開展了大量濕地保護(hù)工作。這一時(shí)期南縣開展了退田還湖、流域禁漁和資江中上游泥沙源治理等工作, 湘陰縣橫嶺湖濕地保護(hù)與恢復(fù)工程獲得批準(zhǔn)實(shí)施, 這些措施使得濕地面積大幅增加、生物棲息地明顯改善, 因此景觀破碎程度有所下降, 生境質(zhì)量相應(yīng)提升。

2010—2018年, 生境質(zhì)量降低的區(qū)域主要分布在城鎮(zhèn)周邊, 景觀水平上, 這些區(qū)域的NP、SPLIT增加, LPI降低, 景觀破碎度增加。這一時(shí)期是洞庭湖區(qū)城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展階段, 在農(nóng)村居民點(diǎn)不減的現(xiàn)實(shí)情況下, 不具備生境適宜性的城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)張侵占了大量的具有生境適宜性的耕地和林地, 城鎮(zhèn)建設(shè)用地對(duì)耕地、林地?cái)D占切割提高了景觀的破碎度, 導(dǎo)致生境質(zhì)量下降。

4 討論

對(duì)洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量的研究表明, 自然因素導(dǎo)致的濕地脆弱性及經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致的人地矛盾是影響生境質(zhì)量的重要因素, 提高洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量的重要突破口是從土地利用出發(fā), 確定建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的合理范圍, 加大對(duì)未利用地的開發(fā), 減少對(duì)林地、濕地等自然景觀的破壞。從政策角度來看, 應(yīng)加大對(duì)濕地修復(fù)技術(shù)的資金投入, 制定更加嚴(yán)格的濕地和林地保護(hù)措施, 注重政策的連續(xù)性和精準(zhǔn)性。

本文主要從土地利用變化入手, 探討其對(duì)生境質(zhì)量的影響, 運(yùn)用了INVEST模型, 相關(guān)參數(shù)的選取主要來自于同類研究, 參數(shù)的合理性仍需在實(shí)際中得到驗(yàn)證。湖區(qū)是一個(gè)巨大的復(fù)雜的人地關(guān)系系統(tǒng), 其生境質(zhì)量是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的重要表征[28], 由于文章篇幅原因, 本文并未對(duì)景觀格局與生境質(zhì)量做空間上的定量分析, 對(duì)生境質(zhì)量變化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制也需進(jìn)一步完善和深入, 如何從多個(gè)尺度出發(fā), 探討生境質(zhì)量變化的驅(qū)動(dòng)力, 為地區(qū)生物多樣性保護(hù)提供建議是今后主要的努力方向。

5 結(jié)論

本文以長江經(jīng)濟(jì)帶典型湖區(qū)洞庭湖區(qū)為例, 以1995、2000、2005、2010、2015、2018年六期土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 運(yùn)用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣、景觀格局指數(shù)分析了洞庭湖區(qū)土地利用及景觀破碎度變化特征, 運(yùn)用INVEST模型對(duì)生境質(zhì)量進(jìn)行了測(cè)度, 并將土地利用、景觀格局、生境質(zhì)量變化情況分為1995—2000年、2000—2010年、2010—2018年三個(gè)特征時(shí)期, 主要結(jié)論如下:

(1)1995—2018年洞庭湖區(qū)濕地、建設(shè)用地呈現(xiàn)出凈增長趨勢(shì), 增加比例為0.5%、44%, 耕地、林地、減少比例分別為2.7%、1.6%, 土地利用轉(zhuǎn)移主要是耕地與濕地、耕地與林地的雙向轉(zhuǎn)換以及耕地、林地向建設(shè)用地的單向轉(zhuǎn)換。

(2)研究期內(nèi)洞庭湖區(qū)耕地、林地破碎度遞增, 濕地破碎度先增加后遞減后增加。整體景觀破碎度加大, 集聚程度變低, 景觀破碎度由洞庭湖區(qū)中部向兩側(cè)升高后降低, 景觀破碎度的階段性變化主要體現(xiàn)在湖體及各縣市的城鎮(zhèn)用地附近。

(3)從時(shí)間變化上來看, 1995—2000年, 洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量從0.563降低到0.561的主要原因是圍湖造田和毀林開荒造成的大量高適宜性生境(濕地、林地)向低適宜性生境(耕地)的轉(zhuǎn)換; 2000—2010年, 生境質(zhì)量從0.561提高到0.563與退耕還林、退田還湖等生態(tài)工程有關(guān); 2010—2018年生境質(zhì)量從0.563降低到0.554的主要原因是城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程加快導(dǎo)致的建設(shè)用地?cái)U(kuò)張對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生威脅, 此外濕地保護(hù)力度在這一時(shí)間段內(nèi)也有所下降。

(4)從空間變化上看, 生境質(zhì)量受到景觀破碎度增加的威脅, 洞庭湖區(qū)生境質(zhì)量在各個(gè)時(shí)期的變化區(qū)域與景觀破碎度的變化區(qū)域大致相同, 景觀破碎度發(fā)生改變的區(qū)域, 生境質(zhì)量的升降趨勢(shì)也較為明顯。

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Research on the impact of land use and landsacpe pattern on habitat quality in Dongting Lake area based on INVEST model

DENG Chuxiong1, GUO Fangyuan1, HUANG Dongliang2, LI Zhongwu1,*

1. College of Resources and Environmental Science, Hunan Normal University, Changsha 410081, China 2. Hunan Provincial Land and Resources Planning Institute, Changsha 430111, China

Habitat quality is an important indicator of regional biodiversity maintenance capacity. Land use is the main reason of the change of landscape pattern and habitat quality, revealing the spatiotemporal evolution of habitat quality under the change of land use and landscape pattern can provide a reference for biodiversity protection. Taking the Dongting Lake area as the research object, and useing transfer matrix of land use, landscape pattern index and INVEST model to quantitatively analyze the impact of land use and landscape fragmentation on habitat quality in the Dongting Lake area,based on the remote sensing interpretation data of 1995, 2000, 2005, 2010, 2015, 2018. The results show that: (1) In the study section, the increase rates of wetland and construction land in Dongting Lake area are 0.5% and 44%, and the decrease rates of cultivated land and forest land are 2.7% and 1.6%. (2) The degree of fragmentation of cultivated land and forest land has increased, and the degree of fragmentation of wetland has shown an "increasing-decreasing-increasing" "N-type" fluctuation trend. (3) In terms of time, the habitat quality of the Dongting Lake area in six different periods is 0.563, 0.561, 0.562, 0.563, 0.556, 0.554, respectively, experiencing the "inverted-N" fluctuation trend of "decrease-raise-decrease", and the improvement of habitat quality is related to the transfer of wetlands and the decrease of wetland fragmentation. The decrease in habitat quality is related to the large amount of cultivated land and forest land occupied by urban development and the increased fragmentation of the main habitat types (cultivated land, forest land and grassland). (4) From a spatial perspective, the range of change of habitat quality and landscape fragmentation is approximately the same. In areas where landscape fragmentation increases, habitat quality decreases significantly. The changes in habitat quality from 1995 to 2010 were mainly reflected in the vicinity of the lake, including the urban areas of Yueyang City, Huarong County, Yuanjiang City, Nan County, and Xiangyin County. The changes in habitat quality from 2010 to 2018 were reflected in the cities and towns around the county. (5) Dealing with the relationship between the "three-generation space", implementing strict wetland protection measures, and promoting the ecological protection and economic high-quality development of the lake area are the only ways to improve the habitat quality of the Dongting Lake area.

habitat quality; land use change; landscape pattern; Dongting Lake area

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.02.013

X21

A

1008-8873(2021)02-099-12

2020-06-19;

2020-07-07

國家自然科學(xué)基金(U19A2047); 2018年湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(18A044)

鄧楚雄(1974—), 男, 湖南衡陽人, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要研究方向?yàn)橘Y源評(píng)價(jià)與區(qū)域經(jīng)濟(jì), E-mail: dcxppd@163.com?

李忠武, 男, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事土地整治與生態(tài)修復(fù)研究, E-mail: lzw17002@hunnu.edu.cn

鄧楚雄, 郭方圓, 黃棟良, 等. 基于INVEST模型的洞庭湖區(qū)土地利用景觀格局對(duì)生境質(zhì)量的影響研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(2): 99–109.

DENG Chuxiong, GUO Fangyuan, HUANG Dongliang, et al. Research on the impact of land use and landsacpe pattern on habitat quality in Dongting Lake area based on INVEST model[J]. Ecological Science, 2021, 40(2): 99–109.