王琦琨， 武 瑋， 楊雪琪， 桑國慶

（濟南大學水利與環(huán)境學院，山東 濟南 250022）

隨著人口增長和城鎮(zhèn)化發(fā)展加速，使得土地利用格局發(fā)生顯著變化，區(qū)域景觀高度破碎化，空間異質(zhì)性明顯，進而造成自然生境破碎、生物棲息地受損，生境質(zhì)量面臨嚴峻考驗［1-2］。生境質(zhì)量是生態(tài)系統(tǒng)為個體與種群提供可持續(xù)生存發(fā)展的能力［3］，較高的生境質(zhì)量有利于實現(xiàn)生物多樣性的恢復和保護，是區(qū)域生態(tài)安全的重要保障［4］。因此，探究生境質(zhì)量的時空演變規(guī)律，識別影響生境質(zhì)量的主要驅(qū)動因子，有助于制定科學的可持續(xù)發(fā)展對策，對保護生物多樣性和穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義［5］。

目前，評價生境質(zhì)量的方法主要有兩大類，第一類是基于實地調(diào)查數(shù)據(jù)和物種分布模型預測特定物種生境的變化，該方法需花費巨大的人力和物力，更適合較小尺度的研究；第二類是利用生境質(zhì)量模型對生境進行評估，常用模型有適宜性模型［6］、多尺度集成模型［7］和InVEST模型［8］等，其中InVEST模型根據(jù)土地利用變化對生境質(zhì)量進行評價，具有數(shù)據(jù)收集方便、操作簡單和結果可視化等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到了廣泛的應用［9］。生境質(zhì)量受自然環(huán)境、地理區(qū)位和社會經(jīng)濟等多個因素的影響，而地理探測器是分析各種現(xiàn)象的驅(qū)動力與影響因子以及多因子交互作用的有效方法［10］，廣泛應用于土地利用變化、環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟等多個領域。已有研究多從省域、流域和縣域等尺度評估生境質(zhì)量［11-13］，對于具有明顯空間地域性特征的省域來說，其內(nèi)部不同分區(qū)生境質(zhì)量演化的影響因素及其作用機制更為復雜，因此有必要從不同空間尺度研究省域生境質(zhì)量時空演變及驅(qū)動機制。

陜西省南北跨度較大，自南向北分為陜南地區(qū)、關中地區(qū)和陜北地區(qū)，受地理位置和經(jīng)濟社會發(fā)展等影響，三大地區(qū)的地形、植被、氣候、水文等要素存在顯著差異，其生境質(zhì)量也具有典型的空間異質(zhì)性，因此從區(qū)域尺度探究生境質(zhì)量時空演變并識別主要驅(qū)動因子，對陜西省區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要的指導意義。本研究利用InVEST模型評價陜南、陜北和關中三大地區(qū)的生境質(zhì)量變化，并采用地理探測器識別引起生境變化的主要驅(qū)動因子，以期為全省和地區(qū)生態(tài)文明建設提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西省位于105°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N，是我國西北地區(qū)主要經(jīng)濟中心，下設10 個地級市107 個縣市區(qū)，總面積為2.056×105km2。全省南北跨度大，自北向南分為陜北、關中和陜南3 個地區(qū)（圖1）。陜北地區(qū)主要為黃土高原區(qū)，海拔在900～1900 m，為半干旱季風氣候，年均氣溫為8～12 ℃［14］；該區(qū)域降水量少，主要分布有榆林和延安2個城市，榆林位于農(nóng)牧交錯帶，植被稀疏，是典型的生態(tài)脆弱區(qū)和生態(tài)治理重點區(qū)域；延安南部森林覆蓋率較高，是重要的生態(tài)功能區(qū)。關中地區(qū)以平原為主，海拔在460～850 m，為溫帶季風氣候，年均氣溫為12～13 ℃，年降水量為500～800 mm［15］；該區(qū)域是陜西省的主要經(jīng)濟、政治和文化中心，自東向西分布有西安、咸陽和寶雞等多個大中型城市，人口密集，是城鎮(zhèn)和工農(nóng)業(yè)發(fā)展的集中區(qū)。陜南地區(qū)主要為秦巴山區(qū)，以山地為主，海拔在1000～3000 m，為亞熱帶季風氣候，年均氣溫為14～16 ℃，年降水量為800～1000 mm［16］；該區(qū)域降水量大、植被茂密，是全省主要的林區(qū)和重要的生態(tài)屏障，承擔著水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護等多種生態(tài)功能。由于陜西省特殊的地理位置和自然環(huán)境，形成了自北向南典型的地理分布和生態(tài)格局。

圖1 陜西省地形示意圖Fig.1 Topographic map of Shaanxi Province

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

影響生境質(zhì)量變化的因素較多，其中氣候、地形和植被等是主要的自然環(huán)境因素，人口經(jīng)濟和土地利用則是主要的社會經(jīng)濟因素［17-20］。結合研究區(qū)現(xiàn)狀和數(shù)據(jù)可獲取性，本研究選取了自然環(huán)境和社會經(jīng)濟作為一級指標，選取6個二級指標和13個三級指標作為生境質(zhì)量的影響因子。將指標進行柵格化處理，并按1 km 網(wǎng)格進行重采樣，得到205600個評價單元構成地理探測器驅(qū)動因子集。數(shù)據(jù)系列分別來自2000 年、2010 年和2020 年，詳細指標、數(shù)據(jù)來源及處理方法［21-23］如表1所示。

表1 生境質(zhì)量主要影響因子Tab.1 Main influencing variables on habitat quality

1.3 研究方法

1.3.1 InVEST 模型 采用InVEST 模型中的生境質(zhì)量模塊進行評估，該模塊基于土地利用數(shù)據(jù)以及生物多樣性的威脅因素等計算生境質(zhì)量［24］。結合研究區(qū)現(xiàn)狀及已有文獻［13］，選擇受人類活動影響較大的工礦用地、交通用地、農(nóng)村用地、城鎮(zhèn)用地、旱地和水田作為脅迫因子，建立土地利用類型和脅迫因子的敏感度關系（表2），結合不同生境與脅迫因子的距離、權重和衰退方式（表3）計算生境質(zhì)量指數(shù)，該指數(shù)在0～1之間，數(shù)值越大，表示生境越好。利用自然斷點法［25］將生境質(zhì)量劃分為［0,0.16］、（0.16,0.43］、（0.43,0.60］、（0.60,0.77］和（0.77,1］5 個等級，分別代表低、較低、中等、較高和高生境質(zhì)量。生境質(zhì)量指數(shù)計算公式和原理見相關文獻［26］。采用泰爾指數(shù)定量分析地區(qū)的空間差異性和不均衡性，指數(shù)越大，表示空間差異性越大，具體指數(shù)公式見文獻［27］。

表2 不同土地利用類型對脅迫因子的敏感度Tab.2 Sensitivity of different land use types to stress factors

表3 脅迫因子及其脅迫距離、權重和衰退方式Tab.3 Stress factors,stress distance,weight and decline mode

1.3.2 地理探測器 地理探測器是探測空間分異性并揭示驅(qū)動因子的一種統(tǒng)計學方法，本研究主要采用因子探測和交互作用探測分析不同因子對生境質(zhì)量的解釋力［10］，并識別主要驅(qū)動因子。因子探測主要分析自變量X對因變量Y的影響程度，解釋力用q值表示，計算公式如下：

層和全區(qū)Y的方差。

2 結果與分析

2.1 生境質(zhì)量時空變化特征

陜西省2000 年、2010 年和2020 年生境質(zhì)量指數(shù)依次為：0.487、0.477 和0.509，均為中等生境質(zhì)量水平，且呈現(xiàn)微弱上升趨勢，陜南和陜北地區(qū)生境質(zhì)量分別提升了4%和8%，關中地區(qū)下降了10%。整體來看，2010年之后全省生境質(zhì)量的變化程度大于2010 年前，區(qū)域尺度變化大于全省尺度（表4）。從不同生境質(zhì)量占比來看，全省3 個年度不同生境質(zhì)量面積變化不大，均以較低、較高和中等生境質(zhì)量為主，三者占總面積的82%左右，較低和中等生境質(zhì)量呈現(xiàn)減少趨勢，較高生境質(zhì)量呈增加趨勢，高和低生境質(zhì)量均呈增加趨勢，但前者增速遠大于后者，說明生境質(zhì)量逐漸得到改善。

表4 2000—2020年陜西省及各地區(qū)生境質(zhì)量面積占比Tab.4 Proportion of habitat quality area in Shaanxi Province and the region from 2000 to 2020

從空間分布來看（圖2a），全省生境質(zhì)量呈現(xiàn)南北高中部低的分布格局，三大地區(qū)的主要生境質(zhì)量類型占比差距較大。陜南地區(qū)以較高生境質(zhì)量最多，主要位于森林覆蓋率較高的秦嶺山區(qū)，其次是較低、中等和高生境質(zhì)量，三者占比相差不大，較低生境質(zhì)量主要位于漢中、安康等城市區(qū)域，低生境質(zhì)量占比極少；陜北地區(qū)以較低生境質(zhì)量占絕對優(yōu)勢，主要位于榆林東部和南部，其次是中等生境質(zhì)量，較高生境質(zhì)量在2010 年后顯著增加，達到20.08%，高生境質(zhì)量和低生境質(zhì)量占比很少；關中地區(qū)以較低生境質(zhì)量占比最高，集中分布在西安、寶雞和咸陽等城市中心，其次是高和較高生境質(zhì)量，中等和低生境質(zhì)量占比較少。根據(jù)泰爾指數(shù)計算結果（圖2b），20 a內(nèi)全省和地區(qū)間泰爾指數(shù)均呈上升趨勢，分別上升了18.64%和32.16%，地區(qū)間泰爾指數(shù)變化較大，尤其是2020 年，而地區(qū)內(nèi)差異很小，表明全省和生境質(zhì)量的空間差異性的擴張主要與地區(qū)間空間差異有關；關中地區(qū)的泰爾指數(shù)略大于陜南地區(qū)，大于陜北地區(qū)，表明關中地區(qū)內(nèi)部生境質(zhì)量空間差異性最大，其次是陜南地區(qū)，陜北地區(qū)空間差異性較小。

圖2 2020年陜西省生境質(zhì)量空間分布（a）及2000—2020年陜西省生境質(zhì)量泰爾指數(shù)（b）Fig.2 Spatial distribution of habitat quality in Shaanxi Province in 2020(a)and Spatial Index of habitat quality in Shaanxi Province from 2000 to 2020(b)

2.2 生境質(zhì)量變化主要驅(qū)動因子分析

通過地理探測器分析得到單因子對生境質(zhì)量變化的解釋力（圖3），根據(jù)顯著性檢驗結果（P＜0.01）可知，受空間尺度影響，不同因子對生境質(zhì)量的解釋程度存在差異。綜合3 a平均值，對陜北地區(qū)解釋力較高的因子依次為：NDVI、土地利用強度、LAI、NPP和年降水量，關中地區(qū)主要因子依次為:土地利用強度、NDVI、LAI、起伏度、NPP 和地形位，陜南地區(qū)主要因子是土地利用強度，降水、氣溫、人口密度和GDP的解釋力反而不高。相對三大地區(qū)，全省尺度的單因子解釋力下降，前6 個因子依次為：LAI、地形位、起伏度、NDVI、土地利用強度和NPP，氣候等其他因子解釋力小于0.15。綜合來看，土地利用、植被因子和地形因子是影響全省和三大地區(qū)生境質(zhì)量的主要因子，但在省尺度下植被因子和地形因子的作用高于土地利用，而區(qū)域尺度下土地利用較強。隨著時間推移，省尺度下地形因子q值相對穩(wěn)定，但植被因子和土地利用呈下降趨勢，區(qū)域尺度下土地利用q值明顯上升。由此可見，土地利用是影響三大地區(qū)生境質(zhì)量的首要驅(qū)動因子，而植被和地形因子對陜北地區(qū)和關中地區(qū)的影響同樣不可忽視，氣候因子和人口等經(jīng)濟社會因子影響較小。

圖3 2000—2020年全省及三大地區(qū)各因子解釋力Fig.3 Explanatory power of factors in province and three regions during 2000 to 2020

通過交互作用分析得到（圖4），除陜南地區(qū)2000年土地利用強度與其他因子、陜北地區(qū)的路網(wǎng)密度和到市中心距離與地形位呈非線性減弱外，其他地區(qū)各因子間交互作用均大于單因子影響，表現(xiàn)為雙因子增強和非線性增強，說明各因子之間均呈現(xiàn)協(xié)同增強的特征。全省尺度下，2000—2020年植被因子和地形因子與其他因子的交互作用最強，q均值均為0.34，土地利用和其他因子交互作用略低，q均值為0.33。從地區(qū)尺度看，土地利用與其他因子交互作用最強，陜南、陜北和關中地區(qū)的q均值分別為0.44、0.49和0.67，其次是植被因子與其他因子交互作用，三大地區(qū)的q均值分別為0.20、0.39和0.56，第三是地形因子與其他因子交互作用，三大地區(qū)的q均值為0.21、0.47和0.23。從交互前后解釋力變化程度來看，氣候因子和到縣中心距離與其他因子交互后變化程度最大，省尺度下由交互前的0.09 和0.12變?yōu)榻换ズ蟮?.26和0.24，地區(qū)尺度下q均值由交互前的0.1 和0.04 增大到交互后的0.27 和0.29。自2000—2020年，省尺度下各因子之間的交互作用變化不大，區(qū)域尺度下土地利用強度與其他因子的交互作用均呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢，植被因子、地形因子與其他因子的交互作用較為穩(wěn)定，而氣候因子和交通區(qū)位與其他因子結合后解釋力明顯上升也會影響生境質(zhì)量。

圖4 全省及其三大地區(qū)主要交互因子解釋力Fig.4 Explanatory power of main interaction factors in the province and its three regions

3 討論

影響生境質(zhì)量的因子較多，其中土地利用是影響全省和三大地區(qū)生境質(zhì)量的首要驅(qū)動因子，結合生境質(zhì)量評價結果，全省生境質(zhì)量具有明顯的區(qū)域差異，這與土地利用類型分布具有較大的一致性。低生境質(zhì)量主要分布在西安市城區(qū)、漢中市漢臺區(qū)等城鎮(zhèn)用地區(qū)，耕地面積較大的關中平原區(qū)則為較低生境質(zhì)量，高質(zhì)量生境主要分布在秦嶺山區(qū)，森林覆蓋率較高。自2000—2020年，土地利用強度對三大地區(qū)生境質(zhì)量的解釋力變大，說明人類活動導致的土地利用變化對生境質(zhì)量影響逐漸加強。但是，土地利用強度對全省生境質(zhì)量的解釋力卻有所減弱，這主要與退耕還林和城市擴張的“雙向”作用有關［28］。2000—2020 年以西安為中心的關中城市群高速擴張，對鄰近地區(qū)產(chǎn)生“虹吸效應”，致使大量林草地和耕地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)居民用地，導致關中地區(qū)生境質(zhì)量變差［29］。而陜南和陜北地區(qū)大力開展“封山育林”、“退耕還林”等生態(tài)修復工程，大量耕地轉(zhuǎn)化為林草地，使得生境質(zhì)量變好，因此全省不同地區(qū)的生境質(zhì)量向好和退化的趨勢共存?！半p向”作用下，陜西省2020 年城鎮(zhèn)居民用地較2000 年增加了96.18%，但是生境質(zhì)量上升了4.5%，主要是封山育林等生態(tài)修復措施彌補了城市群擴張對生境的負面影響，也證明了退耕還林是保護生境質(zhì)量的有效手段，而城市區(qū)域如何在經(jīng)濟發(fā)展的同時修復受損生境，也是城市發(fā)展亟需解決的問題。LAI和NDVI也是影響全省生境質(zhì)量的第二類驅(qū)動因子，該類指數(shù)是反映植被生長狀態(tài)的重要參數(shù)，受到氣候變化和人類活動的雙向影響［30］。氣候變暖的環(huán)境延長了植物生長周期，加速了土壤有機質(zhì)的分解，導致植物生長加快［31］，而退耕還林政策和農(nóng)業(yè)水平提高等人類活動加速了植被恢復［32］。但氣溫升高蒸發(fā)量增大又導致水資源短缺問題加劇，進而制約植被生長［33］，城鎮(zhèn)化等人類活動侵占大量的耕地、林草地，也導致植被覆蓋度下降，謝寶妮［34］研究得出，氣候變化對NDVI 增加的貢獻率達到70%。由此可見，降水和氣溫等氣候因子雖然對生境質(zhì)量空間異質(zhì)性解釋力不高，但通過影響植被變化也間接影響生境質(zhì)量。此外，高程和坡度等地形因子是影響全省生境質(zhì)量的第三類驅(qū)動因子，主要通過限制人類活動影響生境質(zhì)量［31］。本研究發(fā)現(xiàn)，高程超過1400 m的秦嶺山區(qū)植被覆蓋率高，且地形較陡，人類活動小，生境質(zhì)量較好；高程500～1000 m 的區(qū)域內(nèi)分布有西安、寶雞、漢中等大中型城市，人類活動強度大，多為低生境質(zhì)量；高程1000 m 區(qū)域內(nèi)有沙化較為嚴重的毛烏素沙地，因此生境質(zhì)量較低，這與Wu等［35］的研究結果基本一致。

隨著研究區(qū)地理尺度改變，驅(qū)動因子對生境質(zhì)量的解釋力也發(fā)生變化，三大地區(qū)驅(qū)動因子解釋力的方差明顯大于全省，原因是全省尺度均質(zhì)化地區(qū)間驅(qū)動因子的差異，這與劉春芳等［27］的研究結論一致。除土地利用強度外，受地區(qū)自然環(huán)境條件和經(jīng)濟社會發(fā)展的影響，其他驅(qū)動因子存在差異。陜南地區(qū)主要為秦巴山區(qū)，地形整體變化不大，植被覆蓋率整體較高且受氣候變化影響相對較小，因此生境質(zhì)量受地形和植被因子影響較小。陜北干旱區(qū)植被脆弱，對氣候變化響應敏感［36］，同時該地區(qū)也是退耕還林的主要區(qū)域，在氣候和土地政策影響下植被增加明顯。關中地區(qū)南依秦嶺山脈，北臨黃土高原，中部為平原，最大高程差為2000 m［37］，氣候上南北差異較大導致植被類型多樣，中部有關中城市群，人類活動劇烈，因此生境質(zhì)量受自然環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展的共同影響。

在制定生境質(zhì)量保護對策中，需依據(jù)不同地區(qū)制定不同生境質(zhì)量保護策略，從而使整體得到提升。生境質(zhì)量在省尺度和區(qū)域尺度的交互探測中都表現(xiàn)為雙因子增強和非線性增強，表明各因子之間聯(lián)系密切。對于三大地區(qū)來說，土地利用強度與植被指數(shù)和葉面積指數(shù)的交互作用增強，說明以土地利用為代表的經(jīng)濟社會因素與自然環(huán)境因素的疊加作用顯著影響生境質(zhì)量，其中，關中地區(qū)土地利用強度和植被因子交互作用解釋率達0.81 以上。對于陜南地區(qū)，土地利用強度與人口密度和地形位的疊加作用影響次之，說明生境質(zhì)量的影響主要受到土地利用強度與植被因子的共同作用，經(jīng)濟社會因子的內(nèi)部交叉作用影響較低。因此提高該地區(qū)生境質(zhì)量需著重考慮土地利用和植被因子這2個因素。受方法限制本研究僅分析了雙因子疊加對生境質(zhì)量的影響，而多因子對生境質(zhì)量的影響仍需進一步探討。

4 結論

本文基于陜西省2000年、2010年和2020年3期土地利用數(shù)據(jù)，利用InVEST 模型評價分析了全省、陜南、陜北和關中地區(qū)的生境質(zhì)量及時空演變趨勢，并采用地理探測器識別了影響生境質(zhì)量變化的主要驅(qū)動因子。主要結論如下：

（1）全省生境質(zhì)量平均為中等水平，且20 a 間逐漸得到改善。全省生境質(zhì)量呈現(xiàn)顯著的空間分布格局，以陜南地區(qū)質(zhì)量最好，關中地區(qū)最差，陜北地區(qū)居于二者之間。20 a間全省生境質(zhì)量的空間差異性變大，主要受地區(qū)間空間差異影響，三大地區(qū)以陜南地區(qū)和關中地區(qū)差異性較大。

（2）植被因子、地形因子和土地利用強度是影響全省生境質(zhì)量變化的主要驅(qū)動因子，且土地利用強度的影響逐年增強，其余因子逐年減弱。三大地區(qū)的主要驅(qū)動因子除受土地利用強度影響外，陜北地區(qū)還受植被因子的影響，關中地區(qū)受植被因子和地形因子影響，氣候因子和人口、GDP 等經(jīng)濟社會因子對其影響較小。

（3）雙因子交互作用顯示，省尺度下各因子之間的交互作用變化不大，區(qū)域尺度下土地利用強度與其他因子的交互作用均呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢，植被因子、地形因子與其他因子的交互作用較為穩(wěn)定。氣候因子和到縣中心距離與其他因子交互后變化程度最大也應重點關注。