江 純，高 偉，呂文凱，薛祥海，吳若楠

(1.湖南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081；2.湖南師范大學(xué)地理空間大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410081)

生境質(zhì)量是指生態(tài)系統(tǒng)提供給生物個體和種群持續(xù)發(fā)展和生存的適宜條件和能力，可以在一定程度上反映區(qū)域生物多樣性狀況[1-2]。近幾十年來，隨著人類活動的日益加劇，生境破碎、物種滅絕以及外來物種入侵越來越嚴重[3-4]。因此，人類活動引起的因土地利用變化所導(dǎo)致的生境質(zhì)量改變的問題已經(jīng)引起了國際社會的高度關(guān)注[5]，深入研究土地利用變化對生境質(zhì)量的影響對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前，生境質(zhì)量評估方法大致分為兩類：一類是通過構(gòu)建生境質(zhì)量指標體系來進行評估。該方法在小尺度區(qū)域范圍內(nèi)的評估精度高，但在大、中尺度區(qū)域范圍內(nèi)的評估效果不佳[6]，而且一般側(cè)重于生境適宜性評價[7]，忽略了現(xiàn)有威脅源等影響因素[8]。另一類是基于模型的方法對生境質(zhì)量進行評價。隨著遙感和GIS技術(shù)的發(fā)展，這類方法雖在小尺度區(qū)域范圍內(nèi)評價精度稍遜于指標體系法[9]，但更適用于不同時間和空間尺度[6]，同時具有成本低、數(shù)據(jù)易獲取[5]等優(yōu)勢。常用模型主要有InVEST模型[10]、HIS模型[11]、MAXENT模型[12]等。其中，InVEST模型參數(shù)調(diào)整靈活[13]、操作簡單和結(jié)果可靠性強[14]，且考慮了現(xiàn)有威脅源等因素[8]，是目前較為成熟且應(yīng)用最多的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型[5，15-16]。如Baral等[17]運用InVEST模型評估了澳大利亞地區(qū)生境質(zhì)量，并探討了其生物多樣性與其他生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)之間的關(guān)系；Sallustio等[18]利用InVEST模型對意大利自然保護區(qū)生境質(zhì)量進行了評估；張學(xué)儒等[19]在CA-Markov模型模擬得到的土地利用數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用InVEST模型重建了泛長三角地區(qū)生境質(zhì)量空間格局；Zhu等[20]應(yīng)用InVEST模型對杭州市生境質(zhì)量進行了探究，并分析了其時空模式變化特征。以上研究豐富了生境質(zhì)量研究成果，也在一定程度上體現(xiàn)了InVEST模型在各種區(qū)域尺度的可靠性和適用性。

湖南省作為長江經(jīng)濟帶戰(zhàn)略環(huán)境試點省份之一，于2020年率先完成“三線一單”(生態(tài)保護紅線、環(huán)境質(zhì)量底線、資源利用上線和生態(tài)環(huán)境準入清單)編制與成果發(fā)布[21]。其中《生態(tài)保護紅線劃定技術(shù)指南》明確指出，生態(tài)保護紅線是保障和維護國家生態(tài)安全的底線和生命線。為響應(yīng)國家號召，湖南省于2018年印發(fā)《生態(tài)保護紅線》，生態(tài)保護紅線(以下簡稱生態(tài)紅線)區(qū)劃定面積為4.28萬km2，約占湖南省國土總面積的五分之一，其空間分布整體呈現(xiàn)“一湖三山四水”的格局[22]。為了評估湖南省2018年生態(tài)紅線劃定前后紅線區(qū)生境質(zhì)量，本研究選取該區(qū)域2015、2018、2021年土地利用數(shù)據(jù)，利用InVEST模型對湖南省生態(tài)紅線區(qū)生境質(zhì)量進行評估，以揭示土地利用變化對該地區(qū)生境質(zhì)量的影響，為后續(xù)的生態(tài)維護和生態(tài)修復(fù)工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

湖南省位于長江中游地區(qū)，與江西、廣東、廣西、貴州、湖北等省份接壤，其地理位置為108°47′—114°15′E，24°38′—30°08′N，面積約為21.18×105km2。該地區(qū)以山地、丘陵為主，大體上是“七山二水一分田”的格局[22]。湖南省生態(tài)紅線區(qū)劃定面積為4.28萬km2，占全省國土總面積的20.23%，省內(nèi)各市均有分布。生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、森林覆蓋范圍高的湘西和湘南地區(qū)，以及水域資源豐富的湘北洞庭湖生態(tài)保護區(qū)，是湖南省生態(tài)紅線區(qū)分布的主要地區(qū)，長株潭城市群也有少量生態(tài)紅線區(qū)分布。湖南省生態(tài)紅線區(qū)空間分布具體情況見圖1。

圖1 湖南省生態(tài)紅線區(qū)空間分布Fig.1 Spatial distribution of the ecological red line area in Hunan Province

2 數(shù)據(jù)獲取與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

選擇2015、2018、2021年的土地利用數(shù)據(jù)，對湖南省生態(tài)紅線區(qū)的生境質(zhì)量空間格局及演變特征進行分析。土地利用數(shù)據(jù)來源于武漢大學(xué)的楊杰和黃昕教授團隊的中國30 m逐年土地覆蓋數(shù)據(jù)集(CLCD)(https：//zenodo.org/record/5816591)。湖南省矢量邊界數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//www.resdc.cn)；湖南省生態(tài)紅線區(qū)矢量邊界數(shù)據(jù)來源于湖南省國土資源規(guī)劃院。

2.2 研究方法

2.2.1 生境質(zhì)量模型

采用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估工具InVEST模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Model)中的生境質(zhì)量(Habitat Quality)模塊對湖南省生態(tài)紅線區(qū)生境質(zhì)量進行評估。該模型假設(shè)生境質(zhì)量越高的地區(qū)其生物多樣性越高，生態(tài)服務(wù)能力也越強[9]。生境退化指數(shù)計算公式為[23]：

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中：Dxj為柵格x在地類j的棲息地退化度；R為威脅源數(shù)量；r為威脅源；Yr為柵格地圖上的網(wǎng)格單元集；y為威脅源r中的柵格數(shù)；ωr為不同威脅源r的權(quán)重；ry為威脅源強度；irxy為棲息地與威脅源之間的距離以及威脅源的影響范圍，用指數(shù)或線性距離衰減函數(shù)表示；βx為法律保護度；Sjr為地類j對威脅源r的相對敏感程度；dxy為柵格x和柵格y之間的直線距離；drmax為威脅源r的最大空間影響距離。

根據(jù)生境質(zhì)量退化度Dxj，得到生境質(zhì)量Qxj，其計算公式為[23]：

(4)

式(4)中：Qxj為柵格x在地類j的生境質(zhì)量；Hj為地類j的生境適宜性；z為默認參數(shù)，其取值為2.5；k為半飽和常數(shù)。

本研究根據(jù)湖南省實際情況并結(jié)合文獻[24]，將威脅源劃分為耕地和不透水面。參考已有研究[22，25-26]和InVEST模型手冊[27]，對威脅源的最大影響距離和衰減類型、威脅源的權(quán)重以及棲息地對威脅源的生境適宜度進行賦值(見表1～2)。

表1 威脅源影響距離和權(quán)重Tab.1 Threat source impact distance and weights威脅源最大影響距離/km權(quán)重空間衰減類型耕地20.6線性不透水面50.8指數(shù)

表2 不同土地利用類型生境適宜度及其對威脅源的敏感度Tab.2 Habitat suitability of different land use types and their sensitivity to threat sources地類代碼土地利用類型生境適宜度耕地不透水面1耕地0.50.00.52林地1.00.40.33草地0.90.60.44水體0.90.20.65不透水面0.00.00.06裸地0.00.00.0

2.2.2 土地利用動態(tài)度

土地利用動態(tài)度是指在一定的時間段內(nèi)，土地利用類型及其空間分布變化的程度，包括單一土地利用動態(tài)度(L)和綜合土地利用動態(tài)度(Lc)[28]。單一土地利用動態(tài)度是指特定土地利用類型在一定時間段內(nèi)的變化情況；綜合土地利用動態(tài)度是指多種不同土地利用類型在一定時間段內(nèi)的綜合變化情況。其計算公式分別為：

(5)

(6)

式(5)～(6)中：Ua和Ub分別為特定土地利用類型研究初期、末期的面積；LUi為研究初期第i類土地利用類型的總面積；ΔLUi-j為研究期內(nèi)第i類土地利用類型向非第i類(j類)土地利用類型轉(zhuǎn)變的面積變化量，用絕對值表示；T為研究時間段(a)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用轉(zhuǎn)移特征和時空動態(tài)

為全面了解2015—2021年湖南省生態(tài)紅線區(qū)土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建了土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(見表3)。從表3可知，雖然湖南省生態(tài)紅線區(qū)所有土地利用類型的面積都發(fā)生了變化，但林地面積占比一直都為最高。結(jié)合土地轉(zhuǎn)移弦圖(圖2，其中箭頭代表土地轉(zhuǎn)移方向，弧段代表變化程度)進一步分析可知：2015—2018年，耕地面積的凈增加量最多，達144.14 km2，主要由林地和水體轉(zhuǎn)入；其次是不透水面面積的，凈增加量為5.79 km2，大部分由耕地和水體轉(zhuǎn)入；水體面積的凈減少量最多，達103.31 km2；林地面積凈減少了45.85 km2，主要轉(zhuǎn)出為耕地；草地和不透水面的面積變化不明顯，分別凈減少和凈增加了1.35km2和5.79 km2。2018—2021年，湖南省生態(tài)紅線區(qū)所有土地利用類型的面積同樣是耕地面積的凈增加量最多，達136.14 km2，主要由水體和林地轉(zhuǎn)入；水體面積的凈減少量最多，達161.54km2，這也許是由于2020—2021年湖南省經(jīng)歷了較大程度的干旱，導(dǎo)致水域受氣候因素影響較為嚴重；草地面積凈減少了3.94 km2，說明其保護還有待加強；林地面積凈增加了23.1 km2，主要為耕地轉(zhuǎn)入，說明政府在生態(tài)紅線區(qū)執(zhí)行的生態(tài)補償政策取得了初步成效；建設(shè)用地面積凈增加了6.24 km2，比2015—2018年間稍有增加，這可能是因為當(dāng)?shù)卣疄楦纳粕鷳B(tài)紅線區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施，方便當(dāng)?shù)鼐用癯鲂泻徒?jīng)濟發(fā)展增加了道路面積。

表3 2015—2021年湖南省生態(tài)紅線區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Tab.3 Land use transfer matrix of the ecological red line area in Hunan Provincekm2年份用地類型耕地林地草地水體不透水面耕地2 748.87259.331.7356.437.39林地304.7035 028.013.3115.331.842015—2018草地2.683.6212.100.080.09水體156.4115.940.052 307.987.15不透水面5.231.040.044.3755.43耕地2 732.02396.241.8871.3316.44林地375.0934 882.594.8142.283.572018—2021草地2.957.616.430.080.15水體228.4540.980.082 100.1714.54不透水面15.544.020.088.8243.44

圖2 2015—2021年湖南省生態(tài)紅線區(qū)土地轉(zhuǎn)移弦圖Fig.2 String map of land transfer ofthe ecological red line area in Hunan Province from 2015 to 2021

圖3和圖4分別為2015—2021年湖南省生態(tài)紅線區(qū)土地利用的空間分布和各地類的面積變化量。從圖3、圖4中可以看出：2015—2021年湖南省生態(tài)紅線區(qū)各地類面積整體變化不大，但其特征表現(xiàn)為“兩增三減”，即耕地和不透水面面積增加，林地、草地和水體面積減少。土地利用類型以林地為主，其面積都在3.5×104km2以上，達生態(tài)紅線區(qū)總面積的86%以上，廣泛分布于生態(tài)紅線區(qū)內(nèi)。從面積變化幅度而言，不透水面面積增長幅度最大，從2015年的66.11 km2增長至2021年的78.14 km2，年增長率達3.03%；草地面積很小且分布較為零散，相對聚集在林地周圍，面積縮減幅度最大，年下降率達4.75%。

圖3 2015—2021年湖南省生態(tài)紅線區(qū)土地利用的空間分布Fig.3 Spatial distribution of land use in the ecological red line area in Hunan Province from 2015 to 2021

圖4 2015—2021年各地類的面積變化量Fig.4 Changes in class by region from 2015 to 2021

3.2 土地利用動態(tài)度

為研究生態(tài)紅線區(qū)土地利用類型變化速度，根據(jù)表3和公式(5)～(6)，計算了2015—2018年和2018—2021年的生態(tài)紅線區(qū)土地利用動態(tài)度(見表4)。由表4可知，2015—2021年生態(tài)紅線區(qū)土地利用綜合動態(tài)度呈增加的變化趨勢，2018—2021年比2015—2018年增加了0.16%，表明2015—2021年人類活動對土地利用的影響在加強。生態(tài)紅線區(qū)耕地和不透水面的單一土地利用動態(tài)度都持續(xù)增加，但2018—2021年其增幅都在減小，表明生態(tài)紅線區(qū)劃定后各級政府和相關(guān)部門采取的限制耕地和不透水面增長的措施得到了積極的反饋；林地動態(tài)度呈現(xiàn)先減后增的趨勢，說明在生態(tài)紅線區(qū)劃定前的時間段中，由于土地利用政策較為寬松，導(dǎo)致林地受到了破壞，林木被砍伐，而在生態(tài)紅線區(qū)劃定后，林地受到了更好的保護；草地和水體的動態(tài)度變化都呈減少趨勢，與耕地和不透水面的動態(tài)度變化趨勢相反。

表4 2015—2021年生態(tài)紅線區(qū)土地利用動態(tài)度Tab.4 Dynamic index of land use in ecological red line ar-ea from 2015 to 2021 %地類動態(tài)度2015—2018年2018—2021年耕地1.56 1.41 林地-0.04 0.02 草地-2.42 -7.63水體-1.38 -2.26不透水面2.93 2.88綜合動態(tài)度0.340.50

3.3 生境質(zhì)量時空變化

基于InVEST模型中Habitat Quality模塊得到湖南省生態(tài)紅線區(qū)2015、2018、2021年生境質(zhì)量指數(shù)值，該指數(shù)值介于0～1之間，指數(shù)值越接近1，代表生境質(zhì)量越好。為研究土地利用類型變化對生境質(zhì)量的影響，結(jié)合研究區(qū)實際情況，對2015、2018、2021年湖南省生態(tài)紅線區(qū)的生境質(zhì)量數(shù)據(jù)進行分區(qū)統(tǒng)計，將其分成差〔0，0.4〕、中(0.4，0.6〕、良好(0.6，0.9〕和優(yōu)(0.9，1〕等4個等級；同時，將其生境質(zhì)量空間分布情況繪制于圖5，并統(tǒng)計了其各等級生境質(zhì)量區(qū)域面積占比變化情況(見圖6)。

圖5 2015—2021年湖南省生態(tài)紅線區(qū)生境質(zhì)量時空演變格局Fig.5 Temporal and spatial evolution pattern of habitat quality in ecological red line area from 2015 to 2021

圖6 2015—2021年生態(tài)紅線區(qū)各等級生境質(zhì)量區(qū)域面積占比變化Fig.6 Changes in the area proportion of habitat quality in the ecological red line area from 2015 to 2021

從生境質(zhì)量時空演變格局(圖5)來看：湖南省生態(tài)紅線區(qū)中差等生境質(zhì)量區(qū)域主要分布在岳陽市西北區(qū)域，其原因主要是該地區(qū)有生境適宜性較低的耕地和威脅源不透水面，但其在2015—2021年面積變化不大，且占比非常少(小于0.50%)(見表5)。中等生境質(zhì)量區(qū)域主要分布在湘北洞庭湖區(qū)域，其主要原因是該地區(qū)耕地較多，對生境影響較大；其他地區(qū)也有零星分布。良好生境質(zhì)量區(qū)域在整個生態(tài)紅線區(qū)都有分布，主要分布在洞庭湖水域以及河流地區(qū)。湖南省生態(tài)紅線區(qū)以優(yōu)等生境質(zhì)量區(qū)域為主，優(yōu)等生境質(zhì)量區(qū)域主要分布在南嶺山脈、羅霄—幕阜山脈、武陵—雪峰山脈和南岳衡山。以上區(qū)域地形以山地為主，擁有豐富的林地、草地等生態(tài)資源，是優(yōu)等生境的絕佳載體。湖南省生態(tài)紅線區(qū)優(yōu)等生境質(zhì)量區(qū)域的面積大于差等、中等、良好生境質(zhì)量區(qū)域的面積之和，說明該區(qū)域生境質(zhì)量總體優(yōu)良。

從時間角度來看(見表5)：2015—2021年，湖南省生態(tài)紅線區(qū)平均生境質(zhì)量指數(shù)值分別為0.951、0.949和0.948，呈逐年下降趨勢，但2018—2021年較2015—2018年的下降幅度明顯減小。各不同生境質(zhì)量等級的區(qū)域面積變化平緩，差等生境質(zhì)量區(qū)域的面積占比從0.40%上升到0.42%，中等生境質(zhì)量區(qū)域的面積占比從7.69%上升到8.32%，良好生境質(zhì)量區(qū)域的面積占比從5.96%下降到5.33%，優(yōu)等生境質(zhì)量區(qū)域的面積占比從85.96%下降到85.93%。

表5 2015—2021年生態(tài)紅線區(qū)各等級生境質(zhì)量區(qū)域面積占比Tab.5 The proportion of area for different levels of habi-tat quality in the ecological red line area from 2015 to 2021生境質(zhì)量等級(指數(shù)值)面積占比2015年2018年2021年差〔0,0.4〕0.40%0.41%0.42%中(0.4,0.6〕7.69%8.04%8.32%良好(0.6,0.9〕5.96%5.71%5.33%優(yōu)(0.9,1〕85.96%85.84%85.93%平均生境質(zhì)量指數(shù)值0.9510.9490.948

從2018—2021年和2015—2018年2個不同時段來看(見圖6)：差等生境質(zhì)量區(qū)域的面積占比下降幅度不變；良好生境質(zhì)量區(qū)域的面積占比下降幅度從0.25%增加到0.38%；中等生境質(zhì)量區(qū)域的面積占比上升幅度從0.55%減少到0.28%；優(yōu)等生境質(zhì)量區(qū)域的面積占比由減少0.12%變?yōu)樵黾?.09%；2018年以后，生境質(zhì)量指數(shù)平均值下降幅度明顯減小，從下降0.002降低至下降0.001。以上結(jié)果中雖然各生境質(zhì)量等級的區(qū)域面積占比變化較小，但從生態(tài)環(huán)境的保護與修復(fù)的角度來看，說明湖南省生態(tài)紅線區(qū)劃定以后，政府對生態(tài)紅線區(qū)的管理和保護工作得到了加強，有效遏制了生境質(zhì)量的退化。

根據(jù)InVEST模型運行結(jié)果得到湖南省生態(tài)紅線區(qū)生境退化度空間分布圖。參考文獻[19]，將生境退化度劃分為無退化〔0.000〕、輕度退化(0，0.012〕、中度退化(0.012，0.033〕、高度退化(0.033，0.064〕和嚴重退化(0.064，1.000〕等5個級別(見圖7)。從圖7可以看出：湖南省生態(tài)紅線區(qū)基本都有生境退化的趨勢，以輕度退化為主，輕度退化區(qū)域主要分布在南嶺山脈、羅霄—幕阜山脈、武陵—雪峰山脈和南岳衡山地區(qū)以及湘北洞庭湖區(qū)，其主要原因是林地和水域生境適宜性高從而不易產(chǎn)生退化；中度生境退化度區(qū)域在生態(tài)紅線區(qū)分布廣泛，但分布比較零散，主要分布在山區(qū)和湖泊的外圍地區(qū)，其原因可能主要是這些地區(qū)海拔較低，受人類干擾較大，易產(chǎn)生退化；高度退化和嚴重退化區(qū)域同樣在整個湖南省生態(tài)紅線區(qū)都有分布且分布零散，主要分布在耕地以及中等退化區(qū)域的外圍地區(qū)，其原因主要是這些地區(qū)受人類活動影響很大，如耕地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動可能會導(dǎo)致土地的化學(xué)污染和水土流失等問題，從而降低周邊生境的質(zhì)量；無退化區(qū)域主要分布在岳陽市西北區(qū)域，其原因可能是該地區(qū)的生境早已經(jīng)遭到嚴重破壞，再度退化的可能性較小。

圖7 2015—2021年湖南省生態(tài)紅線區(qū)生境退化度時空演變Fig.7 Temporal and spatial evolution of habitat degradation in the ecological red line area of Hunan Province from 2015 to 2021

4 結(jié)論和討論

(1)2015—2021年，湖南省生態(tài)紅線區(qū)土地利用變化特征表現(xiàn)為“兩增三減”，即耕地和不透水面面積增加，林地、草地和水體面積減少。

(2)2015—2021年，湖南省生態(tài)紅線區(qū)土地利用綜合動態(tài)度呈增加的變化趨勢，2018—2021年比2015—2018年增加了0.16%；生態(tài)紅線區(qū)雖然耕地和不透水面的單一土地利用動態(tài)度都持續(xù)增加，但是2018—2021年其增幅都在減小。

(3)湖南省生態(tài)紅線區(qū)以優(yōu)等生境質(zhì)量區(qū)域為主，優(yōu)等生境質(zhì)量區(qū)域面積大于差等、中等、良好生境質(zhì)量區(qū)域的面積之和；2015年、2018年、2021年湖南省生態(tài)紅線區(qū)的平均生境質(zhì)量指數(shù)分別為0.951、0.949和0.948，呈逐年下降趨勢；2018年以后，生境質(zhì)量平均值下降幅度明顯減小，從2015—2018年的下降0.002減緩至2018—2021年的下降0.001；優(yōu)等生境質(zhì)量區(qū)域的面積占比由2015—2018年的減少0.12%變?yōu)?018—2021年的增加0.09%。湖南省生態(tài)紅線區(qū)基本都有生境退化的趨勢，但以輕度退化為主。

湖南省生態(tài)紅線區(qū)2015—2021年生境質(zhì)量指數(shù)平均值呈逐漸減小的趨勢，差等生境質(zhì)量區(qū)域面積有所增加，良好生境質(zhì)量區(qū)域面積縮減的幅度也持續(xù)增大。究其原因，主要與自然因素有關(guān)。由于2020—2021年湖南全省出現(xiàn)了較為嚴重的干旱，從而造成生態(tài)紅線區(qū)水域面積縮減較嚴重、地表水位下降以及植被退化等。但生態(tài)紅線區(qū)2018—2021年的生境質(zhì)量指數(shù)平均值下降幅度相對2015—2018年的有所減小，生態(tài)環(huán)境得到了改善。該研究結(jié)果與李亞嬌等[29]、王燕等[30]、夏楚瑜等[31]的研究結(jié)果相似。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因主要得益于政府采取的相關(guān)保護措施，例如禁止砍伐和退耕還林還草等。因此，在嚴格的生態(tài)保護政策下，適度的人類活動與生境質(zhì)量之間可以形成相互促進的良性互動關(guān)系[32]。

雖前人已對1995—2015年湖南省生境質(zhì)量進行了研究[22，33]，但本研究擴大了研究的時間范圍，針對湖南省生態(tài)紅線區(qū)生境質(zhì)量時空演變再次進行了調(diào)查和分析，填補了湖南省生態(tài)紅線區(qū)生境質(zhì)量評估方面的空白，證實了湖南省生態(tài)紅線政策實施的有效性。這對后續(xù)湖南省生態(tài)紅線區(qū)管理和修復(fù)具有重要意義。