艾 昕，李 航，孫 麗

(哈爾濱師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 引言

自21世紀(jì)初，生態(tài)環(huán)境愈趨嚴(yán)峻，全世界的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以及服務(wù)價(jià)值都在不斷地下降，嚴(yán)重地影響到了各個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)的健康發(fā)展?，F(xiàn)在人們已經(jīng)開(kāi)始逐漸的意識(shí)到了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要性，但是如何合理地利用生態(tài)系統(tǒng)所提供的價(jià)值，以及怎樣保護(hù)生態(tài)環(huán)境，均是需要研究的問(wèn)題[1，2]。在世界生境質(zhì)量持續(xù)下降的背景下，生境質(zhì)量及其服務(wù)已成為世界熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著如今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)生境質(zhì)量的評(píng)估已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。嫩江流域作為人們賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)，其擁有眾多支流、江心島嶼、航運(yùn)和水庫(kù)、引水灌區(qū)工程都容納了大量服務(wù)價(jià)值。然而，近年來(lái)隨著該區(qū)域人類的劇烈活動(dòng)，導(dǎo)致了一系列的生境問(wèn)題，另外黑龍江的嫩江地區(qū)分布著許多農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)，但是近年來(lái)黑龍江省為了響應(yīng)政府政策號(hào)召，力求為國(guó)家提供更加優(yōu)質(zhì)、產(chǎn)量高的商品糧，使得黑龍江省做出了許多的應(yīng)對(duì)方案，比如：土地整理、修建了很多大型灌溉渠、不斷地開(kāi)墾以增大耕地量、引嫩水利工程，增大了嫩江流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)難度。一旦土地利用的面積發(fā)生變化，相對(duì)應(yīng)的將影響嫩江流域的生境質(zhì)量[7]，因此，開(kāi)展長(zhǎng)期的生境質(zhì)量變化分析并且研究其驅(qū)動(dòng)力對(duì)該地生境的影響重要性對(duì)嫩江流域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。

2 研究區(qū)概況

嫩江流域的地理坐標(biāo)為119°12′～127°54′E，44°02′～51°42′N。全長(zhǎng)1490 km，占松花江流域52%的面積29.7萬(wàn) km2。嫩江始于大興安嶺的伊勒呼里山，經(jīng)過(guò)黑河、呼倫貝爾，白城市等縣市，并入松花江，是松花江最大支流[20]。嫩江流域徑流，除春季會(huì)有少量的冰雪融水外，主要來(lái)自大氣降水[7]。嫩江流域位于中國(guó)東北松嫩平原的農(nóng)牧交錯(cuò)帶。中國(guó)在松嫩平原擁有許多大型的商品糧基地，富產(chǎn)玉米、土豆、大豆、水稻、小米、大米、高粱、甜菜、瓜子和亞麻[7]。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)資料，從中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心選取1 km分辨率的嫩江流域的土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中選取1980、2000和2015年3期的土地利用數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

(1)將柵格大小統(tǒng)一設(shè)置為30 m，對(duì)1980年、2000年以及2015這3個(gè)主要時(shí)期嫩江流域的土地利用數(shù)據(jù)，統(tǒng)一進(jìn)行采集和處理。運(yùn)用ArcGIS把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性表統(tǒng)計(jì)計(jì)算、柵格計(jì)算和裁剪等方式進(jìn)行處理，通過(guò)ArcGIS軟件繪制了1990、2000和2015年3個(gè)時(shí)期的遙感影像圖 ，運(yùn)用面向?qū)ο蠓诸惙椒ǐ@取該區(qū)域植被覆被與土地利用空間分布數(shù)據(jù)，可以直觀地了解近 30年來(lái)嫩江流域植被覆蓋和土地利用的時(shí)空格局變化特征，從而得知嫩江流域各子流域近30年生境質(zhì)量的變化和生境退化程度，并對(duì)影響嫩江流域生境質(zhì)量狀態(tài)的主要環(huán)境背景因子進(jìn)行研究，由此尋找到引起嫩江流域生境質(zhì)量發(fā)生改變的主要因素。以該流域生境質(zhì)量變化及其驅(qū)動(dòng)力分析為目標(biāo)，采用模型為In VEST 模型(該模型是由斯坦福大學(xué)、WWW(世界自然基金會(huì))創(chuàng)立的)中的生境質(zhì)量模塊對(duì)嫩江流域進(jìn)行生境質(zhì)量評(píng)估，InVEST-HabitatQuality模型是通過(guò)建立土地利用/土地覆被與威脅因子間的聯(lián)系,同時(shí)也考慮不同威脅因子的影響距離不同及空間權(quán)重等因素,計(jì)算嫩江流域的生境質(zhì)量,由此分析該區(qū)域生境質(zhì)量的變化,尋找其變化的主要驅(qū)動(dòng)力。

(2)設(shè)置威脅因子的影響距離表。該模型中，通過(guò)此影響距離表可以直接的在空間上反映所選取的威脅因子對(duì)該流域生境質(zhì)量的影響。可通過(guò)下式求得威脅因子的影響程度：

irxy=1-(dxy/dmax)iflinear,or

irxy=exp[-(2.99/dmaxdxy)]ifexponential

(1)

式(1)中，irxy表示威脅因子影響程度的大?。籨max表示威脅因子作用的最大距離；dxy表示兩個(gè)地類x，y之間的距離。

(3)確定針對(duì)不同的土地利用類型對(duì)不同的威脅因子的敏感度。不同的威脅因子對(duì)生境質(zhì)量的敏感程度不同，不僅要考慮威脅因子對(duì)這類生境類型的影響距離，還要考慮不同的生境類型對(duì)不同的威脅源的敏感度。In VEST 模型中的生境質(zhì)量模塊的基本評(píng)價(jià)單元就是柵格。生境質(zhì)量模塊的成功運(yùn)行需要嚴(yán)格按要求輸入以下5種數(shù)據(jù)：3個(gè)時(shí)期嫩江流域的土地利用的柵格數(shù)據(jù)(Current Land Cover(Raster))、生態(tài)威脅因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)集(Folder Containing Threat Raster(required))、威脅因子量表(Threats Data)、威脅可達(dá)性矢量圖層(Accessibility to Threats(vector))、不同的土地利用類型對(duì)各生態(tài)威脅因子的敏感度(Sensitivity of Land Cover Type to Each Threat, File(CSV))。因?yàn)槊恳坏仡愑兄煌纳尺m宜性，并且對(duì)受生態(tài)威脅的敏感程度差異也不同。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心中的土地分類體系，本研究中選取的二級(jí)地類包括草地、湖泊、鹽堿地溝渠等自然棲息地類型，農(nóng)村居民點(diǎn)、城市土地、水田、旱地等人工棲息地類型。評(píng)估棲息地適宜性指數(shù)(棲息地)和敏感性，數(shù)值范圍為0～1。

(4)參照 In VEST 模型使用指南有關(guān)基本原理，把天然地類過(guò)渡到人工地類對(duì)威脅因子的敏感程度按由高到低原則來(lái)劃定以及具體到嫩江流域交通狀況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和實(shí)地調(diào)研綜合分析，對(duì)研究區(qū)土地覆被類型對(duì)各生態(tài)威脅因子的敏感度進(jìn)行賦值(表1)，敏感度的取值范圍為0～1,1表示該土地利用類型對(duì)本研究所選取的威脅因子具有極高的敏感度，反之則無(wú)敏感度；并且在敏感度量表中，要求針對(duì)每一個(gè)土地利用類型都要相應(yīng)的給其進(jìn)行一個(gè)生境適宜度評(píng)分，范圍在0～1之間，1表示該土地利用類型有最高的生境適宜度，反之則具有最低的生境適宜度。由于本研究中二級(jí)生態(tài)系統(tǒng)類型的種類較多，故將屬于自然生態(tài)系統(tǒng)類型的生境適宜度設(shè)為1，非自然生態(tài)系統(tǒng)類型的生境適宜度設(shè)為 0。InVEST-Habitat Quality模型運(yùn)行結(jié)果為0～1的柵格連續(xù)值,即為生境質(zhì)量指數(shù)(Q)。本文根據(jù)嫩江流域的實(shí)際情況,將水田、旱地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、鹽堿地、水庫(kù)坑塘定義為威脅因子,其影響范圍及權(quán)重、生境適宜度、生境對(duì)威脅因子的敏感程度等參數(shù)，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[7～14]，生成了威脅因子量表(表 2)。

表1 土地覆被類型對(duì)各生態(tài)威脅因子的敏感度

續(xù)表1

表2 威脅因子量

(5)運(yùn)用InVEST成功輸出3個(gè)時(shí)期嫩江流域生境質(zhì)量文件后，利用ArcGIS獲得了嫩江流域3個(gè)時(shí)期的生境質(zhì)量評(píng)分的圖層，可以直觀地觀察到嫩江流域的生境質(zhì)量變化情況，利用ArcGIS分析嫩江流域生境質(zhì)量變化情況，統(tǒng)一圖例并進(jìn)行對(duì)比。本文將嫩江流域生境質(zhì)量分成極重要、較重要、中等重要、一般重要這4個(gè)等級(jí)見(jiàn)圖1～3,并運(yùn)用ARCGIS中以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計(jì)的工具來(lái)進(jìn)一步分析嫩江子流域的生境質(zhì)量變化情況，并且由此分析嫩江流域生境質(zhì)量的差異性及其時(shí)空格局演變規(guī)律。

圖1 1980年嫩江流域生境質(zhì)量分級(jí)

圖2 2000年嫩江流域生境質(zhì)量分級(jí)

圖3 2015年嫩江流域生境質(zhì)量分級(jí)

4 結(jié)果分析

4.1 嫩江流域生境質(zhì)量變化分析

1980年該流域生境質(zhì)量指數(shù)平均值為0.7784,其中等級(jí)為極重要的柵格數(shù)占全流域的49.42%，較重要的柵格數(shù)為27.57%;2000年流域生境質(zhì)量指數(shù)平均值降低到0.7759,等級(jí)為優(yōu)的柵格數(shù)占比下降到46．64%等級(jí)為良的柵格數(shù)占比下降到22.79%;2015年嫩江流域生境質(zhì)量指數(shù)平均值為0．7744,較2000年還呈下降趨勢(shì),等級(jí)為優(yōu)的柵格數(shù)占比下降到44.53%,等級(jí)為良的柵格數(shù)占比下降到19．25%。

分析出嫩江流域生境質(zhì)量整體趨勢(shì)后，運(yùn)用ArcGIS輸出3個(gè)時(shí)期嫩江流域的子流域生境質(zhì)量圖表，做出總結(jié)歸納(表3)并輸出1980～2015年嫩江子流域生境質(zhì)量平均值變化統(tǒng)計(jì)柱狀圖(圖4,圖5)。發(fā)現(xiàn)總體上甘河以及固固河水庫(kù)以上這2個(gè)子流域生境質(zhì)量最好，但是下降趨勢(shì)較為明顯；阿倫河、塔河至江橋區(qū)間和江橋至白沙灘區(qū)這3個(gè)子流域在1980～2015年期間生境質(zhì)量下降幅度較大，其中江橋至白沙灘區(qū)生境質(zhì)量下降最為明顯；其他子流域的變化趨勢(shì)平緩。

圖4 1980～2015年嫩江子流域生境質(zhì)量平均值變化統(tǒng)計(jì)柱狀

圖5 1980～2015年嫩江子流域生境質(zhì)量平均值變化統(tǒng)計(jì)柱狀

4.2 嫩江流域的生境質(zhì)量變化的驅(qū)動(dòng)力分析

自然環(huán)境因子雖對(duì)嫩江流域生境質(zhì)量變化起著基礎(chǔ)和關(guān)鍵性的作用,但影響趨弱,而社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子和政策因子的影響逐漸增強(qiáng)[7]。并且有研究表明,隨著全球氣候變暖,1979～2015年間嫩江流域平均氣溫傾向率達(dá)0．31 ℃/10a[8～30]。流域內(nèi)氣候變暖導(dǎo)致其積溫增加,物候期提前,作物有效生育期延長(zhǎng),農(nóng)業(yè)耕種有向北、向高海拔地區(qū)不斷擴(kuò)展的趨勢(shì),如黑龍江省將水稻產(chǎn)業(yè)向北推到48°30′N以北的高寒區(qū)[18]。這無(wú)疑會(huì)影響流域西北部縣域的生境質(zhì)量。這與因子檢測(cè)結(jié)果的發(fā)現(xiàn)(平均氣溫對(duì)流域生態(tài)質(zhì)量變化的貢獻(xiàn)率不斷上升)一致。年平均氣溫因素、單位面積GDP和人口密度的協(xié)同增強(qiáng)效果(其數(shù)值增長(zhǎng)最顯著)是造成沿江流域生態(tài)質(zhì)量下降的主要原因。雖然保護(hù)區(qū)面積的單因子貢獻(xiàn)率很小，但是由于與其他因素的相互作用，對(duì)沿江流域的生態(tài)質(zhì)量開(kāi)始產(chǎn)生保護(hù)作用。因此，流域東南部生境惡劣的集合區(qū)縣域(克山縣、拜泉縣、明水縣、安達(dá)市、肇東市、蘭西縣、呼蘭縣、肇源縣、大安縣、乾安縣、前郭爾羅斯蒙古、長(zhǎng)嶺縣、通榆縣)致力于自然保護(hù)，持續(xù)降低生境質(zhì)量必須不影響地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

4.3 嫩江流域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)對(duì)策建議

總體來(lái)看,嫩江流域整體生境質(zhì)量較為良好,生境質(zhì)量指數(shù)平均值在 0.77 以上。近年來(lái)，由于人類活動(dòng)影響，導(dǎo)致嫩江流域的生境質(zhì)量等級(jí)中的優(yōu)、良等級(jí)的柵格數(shù)占嫩江流域總柵格數(shù)的比例逐年下降，除極少部分子流域的生境質(zhì)量略有提高外，嫩江大部分子流域的生境質(zhì)量也在逐年降低 ，并且生境質(zhì)量下降趨勢(shì)趨于明顯，則說(shuō)明嫩江流域的生境質(zhì)量總體是呈下降趨勢(shì)的。對(duì)比1980～2000 年嫩江流域生境質(zhì)量的退化趨勢(shì),2000～2015年流域內(nèi)生境質(zhì)量退化趨勢(shì)略有增強(qiáng), 可能由于人類大規(guī)模的對(duì)自然資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)和利用、保護(hù)措施不到位和人們對(duì)環(huán)保意識(shí)不強(qiáng)的影響,嫩江流域生境質(zhì)量退化趨勢(shì)日漸明顯。

在探究其變化趨勢(shì)時(shí)，在4個(gè)自然環(huán)境因素中，除平均氣溫外，各威脅因素對(duì)流域生態(tài)質(zhì)量變化的貢獻(xiàn)率持續(xù)下降。社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和政策因素的貢獻(xiàn)率不斷上升。自然環(huán)境因素在沿江流域的生態(tài)質(zhì)量變化中發(fā)揮著基礎(chǔ)和重要的作用，但其影響逐漸減弱，社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和政策因素的影響不斷增強(qiáng)。

針對(duì)嫩江流域生境質(zhì)量呈下降趨勢(shì)，提出如下對(duì)策建議[21～25]：

(1)退耕還林是最關(guān)鍵的一點(diǎn)，因?yàn)槟劢饔蛄值孛娣e的損失主要是被大量開(kāi)墾為了農(nóng)用耕地，并且需要嫩江流域的各地政府配合大力開(kāi)展植樹(shù)造林活動(dòng)以擴(kuò)大林地面積。

(2)杜絕過(guò)度放牧現(xiàn)象，應(yīng)合理放牧，使荒地逐漸恢復(fù)為草地，可以建設(shè)人工草場(chǎng)，來(lái)改善這個(gè)問(wèn)題。

(3)土地的鹽堿化使得濕地面積逐年降低，濕地的調(diào)節(jié)功能是巨大的，被人類親切的稱為地球的“肺”，它對(duì)人類的價(jià)值是無(wú)法估量的。所以最重要的一點(diǎn)就是保護(hù)濕地，退耕還濕。希望當(dāng)?shù)鼐用裉岣攮h(huán)保意識(shí)，主動(dòng)去保護(hù)、呵護(hù)環(huán)境。嫩江流域內(nèi)各地政府應(yīng)加大對(duì)嫩江流域的保護(hù)和恢復(fù)力度，讓我們共同為嫩江流域的生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)力量，讓嫩江流域的生境變得更加美好。

5 結(jié)果與討論

(1)近35年來(lái),流域生境質(zhì)量指數(shù)呈不斷下降趨勢(shì),由1980年的0．7764,下降到2015年的0．7744,下降速率不斷提高。

(2)流域內(nèi)生境質(zhì)量高的地區(qū)主要分布在嫩江流域的西北部,并且有逐年縮小的趨勢(shì)。而生境質(zhì)量較低的地區(qū)主要集中分布在流域的東南部，并且有逐年增大的趨勢(shì)。

(3)人口密度、單位面積GDP及其年均氣溫因子的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng),是導(dǎo)致流域生境質(zhì)量不斷下降的主要原因，但在與自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子的交互作用下,自然保護(hù)區(qū)建設(shè)等政策調(diào)控因子的保護(hù)作用開(kāi)始顯現(xiàn)[7]。

嫩江流域作為重要的生態(tài)系統(tǒng)，為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┲薮蟮姆?wù)價(jià)值，但卻沒(méi)有被重視。使它在提供服務(wù)的同時(shí)，遭受巨大的傷害。濕地面積的減少給嫩江流域帶來(lái)了巨大損失，所以保護(hù)濕地對(duì)保護(hù)嫩江流域來(lái)說(shuō)刻不容緩。本文旨在呼吁大家重視嫩江流域生態(tài)系統(tǒng)，正視它提供的服務(wù)價(jià)值。并給人類以警示，希望大家認(rèn)清現(xiàn)狀，重視保護(hù)嫩江流域的生態(tài)環(huán)境。