師君銀,馬勇剛,許仲林

(1.新疆大學(xué)地理與遙感學(xué)院,烏魯木齊 830017;2.新疆大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,烏魯木齊 830017;3.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830017;4.新疆精河溫帶荒漠生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測(cè)研究站,新疆 精河 833300)

【研究意義】生境質(zhì)量(Habitat quality)是指生態(tài)系統(tǒng)為物種提供適宜生存條件的能力,可在一定程度上反映生物多樣性和生態(tài)服務(wù)的水平[1-2],它的高低也能表征區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量健康程度[3]。研究表明,土地利用變化是新疆生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值變化的直接驅(qū)動(dòng)因素[4],土地利用的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)變化會(huì)影響區(qū)域生境質(zhì)量的分布格局和功能,因此生境質(zhì)量的變化與土地利用變化密切相關(guān)[5]。歸一化植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index, NDVI)代表植被生長(zhǎng)狀態(tài)的好壞,是植被動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的常用指標(biāo)[6],也被用作生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè);葉面積指數(shù)(Leaf Area Index, LAI)是指示生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要參數(shù),常被用來(lái)評(píng)估區(qū)域內(nèi)的植被變化情況[7],一般來(lái)說(shuō),LAI下降能夠從側(cè)面體現(xiàn)植被的退化和生境的下降[8];植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(Net primary production, NPP)能夠反映自然植被的生物量和生產(chǎn)能力[9],也是可以供生態(tài)系統(tǒng)中其他生物利用的能量[10]。InVEST模型可以依據(jù)土地利用數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域生境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià),但在西北內(nèi)陸干旱區(qū)應(yīng)用研究的深度不足,直接采用此模型對(duì)研究區(qū)生境質(zhì)量進(jìn)行模擬,缺少相應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其準(zhǔn)確性和合理性進(jìn)行驗(yàn)證?？κ驳貐^(qū)作為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶上的重要節(jié)點(diǎn)區(qū)域,是我國(guó)向西對(duì)外開(kāi)放發(fā)展的橋頭堡,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市擴(kuò)張,土地利用的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度發(fā)生深度變化,導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境逐步惡化,生境趨于破碎、退化甚至消失,嚴(yán)重威脅區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全,影響人類(lèi)健康。作為“北方防沙帶”上的重要區(qū)域,喀什地區(qū)生境的好壞對(duì)國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施和當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活會(huì)產(chǎn)生深刻影響?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】當(dāng)前,利用空間分析方法評(píng)估和模擬區(qū)域的生境質(zhì)量變化是景觀生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。相關(guān)研究采用的策略主要有基于景觀指標(biāo)體系的評(píng)估和采用模型模擬評(píng)價(jià)2種,前者通過(guò)實(shí)地調(diào)查獲取研究區(qū)生境質(zhì)量相關(guān)參數(shù)并據(jù)此進(jìn)行生境質(zhì)量評(píng)估[11-13],后者基于土地利用數(shù)據(jù)采用模型評(píng)估區(qū)域生境質(zhì)量[14-20]。這2種方案中,基于InVEST模型的策略操作更簡(jiǎn)便,得到較廣泛的應(yīng)用,是當(dāng)前基于土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行生境質(zhì)量評(píng)估的重要手段?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前大都以單一的生態(tài)模型或者單一植被指數(shù)進(jìn)行生境變化的研究,而將生態(tài)模型與植被指數(shù)相結(jié)合,探討模型的適用性鮮有報(bào)道。近年來(lái),經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展,同時(shí)新型城鎮(zhèn)化也持續(xù)推進(jìn),新疆部分區(qū)域的土地利用/覆被發(fā)生了較大變化[21-23],在南疆尤其明顯,這可能對(duì)區(qū)域生境質(zhì)量產(chǎn)生影響。然而,目前并無(wú)研究關(guān)注此區(qū)域土地利用變化導(dǎo)致的生境質(zhì)量變化。本研究采用長(zhǎng)時(shí)間序列植被指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)喀什地區(qū)的生境變化情況,嘗試將植被指數(shù)與生態(tài)模型相結(jié)合,對(duì)比分析二者的一致性,探討InVEST模型的適用性?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】選取南疆喀什地區(qū),基于5期土地利用數(shù)據(jù),利用InVEST模型生境質(zhì)量模塊,結(jié)合植被指數(shù)數(shù)據(jù),對(duì)2000—2020年喀什地區(qū)的生境變化作出評(píng)價(jià),以期準(zhǔn)確評(píng)估區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況,該研究不僅能為干旱區(qū)土地利用變化對(duì)生境的影響機(jī)制提供必要參考,也有助于制定環(huán)境脆弱區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和利用策略。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

喀什地區(qū)地處西北干旱區(qū),是全國(guó)八大生態(tài)脆弱區(qū)之一,也是“絲綢之路”經(jīng)濟(jì)帶的重要節(jié)點(diǎn)。其東部為塔克拉瑪大沙漠,東、西、南部依次聳立著天山山脈、帕米爾高原、喀喇昆侖山脈,地勢(shì)由西南向東北傾斜,海拔高度差異較大;獨(dú)特的地形地貌造成喀什地區(qū)干旱少雨,年平均降雨量116.8 mm,年均溫10.98～12.99 ℃,沙塵頻發(fā),是典型的溫帶荒漠景觀;喀什地區(qū)河流基本發(fā)源于高山冰雪,水資源總量少,受溫度、降水影響時(shí)空分布不均勻;特殊的區(qū)位條件和復(fù)雜的自然條件決定了喀什地區(qū)生態(tài)安全的重要性。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用的DEM數(shù)據(jù)(30 m柵格數(shù)據(jù))下載于中國(guó)科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http：//www.gscloud.cn);研究區(qū)土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(2000年、2005年、2010年、2015年、2020年共5期)分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地以及未利用地6大類(lèi),下載于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http：//www.resdc.cn);歸一化植被指數(shù)NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)NASA網(wǎng)站：MODIS Web(https：//modis.gsfc.nasa.gov/data/)的MOD13Q1數(shù)據(jù),時(shí)間分辨率為16 d,空間分辨率為250 m,采用最大值合成法(Maximum value composite, MVC)合成數(shù)據(jù);葉面積指數(shù)LAI采用國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)-國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//www.geodata.cn/)的GLASS產(chǎn)品,版本號(hào)為V60,時(shí)間分辨率為1 a,空間分辨率為500 m;凈初級(jí)生產(chǎn)量NPP來(lái)源于美國(guó)NASA網(wǎng)站[MODIS Web(https：//modis.gsfc.nasa.gov/data/)]的MOD17A3數(shù)據(jù),時(shí)間分辨率為1 a,空間分辨率為500 m;經(jīng)過(guò)批量拼接、轉(zhuǎn)換投影等預(yù)處理操作,對(duì)拼接后的影像進(jìn)行批量裁剪得到喀什地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列植被指數(shù)數(shù)據(jù)。

1.3 土地利用變化分析

利用空間分析技術(shù),基于馬爾科夫模型[24]構(gòu)建喀什地區(qū)2000—2020年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,土地利用轉(zhuǎn)移矩陣采用ArcGIS軟件對(duì)每一期土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行空間運(yùn)算得到,用以量化不同土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)移概率,其可具體反映土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征,表達(dá)各土地利用類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)移方向。

(1)

式中,Sij為研究初期與研究末期的土地利用狀態(tài),n為土地利用的類(lèi)型數(shù)。

1.4 生境質(zhì)量變化分析

在InVEST模型生境質(zhì)量模塊(Habitat quality model)中,被視為威脅源的土地利用類(lèi)型變化可能會(huì)造成生境質(zhì)量的變化[25-27],輸入模型運(yùn)行所需要的各項(xiàng)參數(shù),模型自動(dòng)計(jì)算,實(shí)現(xiàn)對(duì)生境質(zhì)量的分析。

通過(guò)計(jì)算威脅源對(duì)生境的負(fù)面影響,可以得到生境退化度,綜合計(jì)算得到生境質(zhì)量。生境對(duì)威脅因子越敏感,該因子對(duì)生境退化的影響越大,假定柵格x處土地利用方式為y,則該柵格處的生境退化度Dxy可表示為：

(2)

式中,r表示威脅源;Yr為威脅源r的柵格數(shù);wr為各威脅源權(quán)重;ry表示威脅源r是否來(lái)源于柵格y;βx是威脅源x柵格的可達(dá)性;Sjr表示j類(lèi)生境對(duì)于威脅源r的敏感性;irxy為生境與威脅源之間的距離函數(shù),分線性(Linear,L)和指數(shù)(Exponential,E)函數(shù)表達(dá)式分別為：

(3)

(4)

根據(jù)上述公式,則某地x處土地覆被類(lèi)型j的生境質(zhì)量(Qxj)為：

(5)

式中,Hj為j類(lèi)土地利用類(lèi)型的生境適宜度;Dxj為j類(lèi)生境在柵格x處受到的威脅程度;z是常數(shù),默認(rèn)值為2.5;k是半飽和系數(shù),默認(rèn)為0.5。

棲息地質(zhì)量由棲息地質(zhì)量指數(shù)衡量,該指數(shù)介于0～1,該值越高,棲息地質(zhì)量越好。

在參考InVEST模型指南[28]、相關(guān)研究[2, 29-30]及相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医ㄗh的基礎(chǔ)上,綜合考慮喀什地區(qū)實(shí)際,將人類(lèi)活動(dòng)集中且劇烈或本底質(zhì)量較差的土地利用類(lèi)型設(shè)為威脅源因子,因此將區(qū)域內(nèi)所有建筑用地(城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地)、耕地及未利用地作為威脅源因子,按照影響程度不同確定參數(shù),設(shè)計(jì)生境質(zhì)量模塊參數(shù)(表1～2)。

表1 威脅因子量

表2 生境適宜度及敏感性參數(shù)

1.5 一元線性回歸分析及顯著性檢驗(yàn)

一元線性回歸分析可以模擬每個(gè)柵格的變化趨勢(shì),是研究植被變化趨勢(shì)的常用方法[31]。本研究視年份為自變量,NDVI、LAI、NPP為因變量,利用最小二乘法,綜合分析區(qū)域內(nèi)植被指數(shù)的時(shí)空演變趨勢(shì),公式為：

(6)

式中,當(dāng)Slope大于0時(shí),表示植被指數(shù)值增加,反之則為減少,同時(shí)Slope值的大小也決定了植被變化的速率;t表示研究年份數(shù);Mn表示某柵格第n年的植被指數(shù)值。

為進(jìn)一步判斷變化程度是否顯著,采用P值檢驗(yàn)法[31]對(duì)趨勢(shì)結(jié)果進(jìn)行顯著性分析,當(dāng)P>0.05時(shí)無(wú)顯著意義;當(dāng)P<0.05為有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,P<0.01為極顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 喀什地區(qū)土地利用變化

基于喀什地區(qū)5期土地利用數(shù)據(jù),得到2000—2020年各土地利用類(lèi)型面積變化由大到小排序?yàn)椋焊?草地>未利用地>水域>林地>建設(shè)用地(圖2)。其中耕地面積增加0.41×104km2;建設(shè)用地面積增加0.04×104km2;未利用地面積減少0.14×104km2;草地面積在2010年后明顯減少(減少0.18×104km2);水域面積自2000年以來(lái)共減少0.07×104km2;林地面積在2010年前呈減少趨勢(shì)(減少0.06×104km2),2010年后保持穩(wěn)定,與已有的研究結(jié)果相同[4, 32]?？κ驳貐^(qū)土地利用方式主要以未利用地、草地、耕地為主,除耕地與建設(shè)用地之外,其他各類(lèi)用地面積均有不同程度的減少,主要原因是研究期內(nèi)人口增長(zhǎng)和城市擴(kuò)張導(dǎo)致耕地和建設(shè)用地需求增加,有利經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展;同時(shí),社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)人口集聚效應(yīng),這種集聚又進(jìn)而刺激耕地和建設(shè)用地需求的增長(zhǎng),二者之間的耦合關(guān)系主導(dǎo)了喀什地區(qū)土地利用的動(dòng)態(tài)變化。

為充分了解喀什地區(qū)各類(lèi)型土地之間的空間結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移方向的變化,利用ArcGIS構(gòu)建了2000—2005年、2005—2010年、2010—2015年、2015—2020年、2000—2020年5個(gè)時(shí)段的土地利用轉(zhuǎn)移弦圖(圖3)。2000—2020年耕地轉(zhuǎn)入的主要組成為草地和未利用地,而轉(zhuǎn)出的部分主要變?yōu)椴莸睾徒ㄔO(shè)用地;2000—2005年,除小部分林地、草地、未利用地向耕地轉(zhuǎn)化外,其余各類(lèi)用地變化均不明顯;2005—2010年,耕地向其他5個(gè)種類(lèi)的用地都有轉(zhuǎn)出;林地主要向耕地、草地及未利用地轉(zhuǎn)化;草地主要向耕地與未利用地轉(zhuǎn)化;水域主要向未利用地轉(zhuǎn)出,小部分轉(zhuǎn)化為耕地和草地;建設(shè)用地增加面積主要由耕地轉(zhuǎn)入而來(lái);未利用地主要轉(zhuǎn)化為草地,小部分轉(zhuǎn)化為耕地、林地及水域;2010—2015年,草地和未利用地向耕地轉(zhuǎn)入,其余各類(lèi)型土地之間轉(zhuǎn)化不明顯;2015—2020年,草地和未利用地向耕地轉(zhuǎn)入;水域與草地間有相互轉(zhuǎn)化,同時(shí)水域也向未利用地轉(zhuǎn)出;小部分耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。

圖2 2000—2020年喀什地區(qū)土地利用類(lèi)型Fig.2 Land use types of Kashgar from 2000 to 2020

表3 2000—2020年喀什地區(qū)生境質(zhì)量等級(jí)分類(lèi)

2.2 喀什地區(qū)的生境質(zhì)量

將喀什地區(qū)生境質(zhì)量運(yùn)用自然斷點(diǎn)法劃分為差(0～0.297)、較差(0.297～0.696)、一般(0.696～0.797)、較好(0.797～0.895)、好(0.895～1)5個(gè)等級(jí)(圖4),并統(tǒng)計(jì)各區(qū)間的柵格數(shù)計(jì)算各等級(jí)面積占比(表3)。對(duì)比得到生境質(zhì)量與LUCC分布基本一致,生境質(zhì)量差的區(qū)域呈點(diǎn)狀,零星分布在喀什地區(qū)內(nèi),中心城區(qū)生境質(zhì)量最低,總體呈從中心城區(qū)向外圍蔓延趨勢(shì),與喀什地區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地向外擴(kuò)張占用其他土地的空間趨勢(shì)基本一致;生境質(zhì)量較差的區(qū)域占比最高,以塔里木盆地西緣與葉爾羌河流域等地最明顯,這些區(qū)域以未利用地和耕地分布最廣;生境質(zhì)量一般區(qū)域與草地分布區(qū)在空間上具有一致性;生境質(zhì)量較好和好的區(qū)域主要集中在西南部山區(qū)與葉爾羌河河谷地帶,土地利用類(lèi)型主要是林地、水域以及草地。

2000—2020年,喀什地區(qū)生境質(zhì)量均值都低于0.5,生境質(zhì)量整體較差,并呈下降趨勢(shì)(圖5)。

圖4 2000—2020年喀什地區(qū)生境質(zhì)量Fig.4 Habitat quality in the Kashgar from 2000 to 2020

圖5 2000—2020年喀什地區(qū)生境質(zhì)量面積占比Fig.5 Proportion of habitat quality in Kashgar from 2000 to 2020

2000—2020年,喀什地區(qū)生境質(zhì)量低等級(jí)區(qū)域面積增加,高等級(jí)區(qū)域面積減少。生境質(zhì)量差的區(qū)域面積持續(xù)增加,占比增加0.39%;較差的區(qū)域在5個(gè)等級(jí)中占比最高,2000—2020年均超過(guò)64%,且面積占比增加2.19%,增幅最高;生境質(zhì)量一般區(qū)域的面積占比波動(dòng)上升,較好的面積占比下降1.24%,好的面積占比下降2.11%。

生境退化度反映生境質(zhì)量下降程度,通過(guò)自然斷點(diǎn)法劃分為輕度退化(0～0.009)、中度退化(0.009～0.027)、較高度退化(0.027～0.048)、高度退化(0.048～0.072)、嚴(yán)重退化(0.072～1.000)5個(gè)等級(jí)(圖6)。喀什地區(qū)生境退化度值較低,生境處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)比生境退化度與LUCC可知,生境退化度高的區(qū)域主要是建設(shè)用地、耕地、水域、草地等。喀什地區(qū)西北部喀什噶爾河流域、中部葉爾羌河流域生境退化相對(duì)嚴(yán)重,流域邊緣區(qū)域生態(tài)退化也較明顯;喀什地區(qū)東部塔里木盆地邊緣、西南部山區(qū)地帶生境退化程度較輕。

圖6 2000—2020年喀什地區(qū)生境退化度Fig.6 Habitat degradation degree in Kashgar from 2000 to 2020

圖7 2000—2020年喀什地區(qū)植被指數(shù)均值及空間變化趨勢(shì)Fig.7 Mean value and spatial trend of LAI in the Kashgar from 2000 to 2020

2.3 喀什地區(qū)的植被指數(shù)特征

首先對(duì)植被指數(shù)多年均值進(jìn)行計(jì)算,分析其在空間上的分布特征,為進(jìn)一步分析植被指數(shù)在時(shí)間空間上的變化趨勢(shì),采用一元線性回歸對(duì)喀什地區(qū)2000—2020年植被指數(shù)的空間變化進(jìn)行分析,喀什地區(qū)整體植被指數(shù)值較低且在空間分布上具有明顯差異性,NDVI多年均值(圖7-a)最高僅為0.83,LAI多年均值(圖7-b)僅為2.92,NPP多年均值(圖7-c)最高為492.17 g·C/m2,植被蓋度較低;植被指數(shù)的高值區(qū)主要分布在葉爾羌河流域和喀什噶爾河流域及南部山前地帶,以上區(qū)域也是研究區(qū)林地草地及耕地等植被較為集中的區(qū)域;低值區(qū)分布最廣、占比大,主要分布于喀什地區(qū)的廣大沙漠及南部山區(qū)冰雪覆蓋的區(qū)域,這部分區(qū)域主要分布著喀什地區(qū)大面積的未利用地。

根據(jù)趨勢(shì)分析及P值檢驗(yàn)對(duì)空間變化趨勢(shì)進(jìn)行分類(lèi),并對(duì)各類(lèi)柵格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表4)?？κ驳貐^(qū)植被嚴(yán)重退化面積占比較少,均低于1%,且植被退化區(qū)域空間分布較一致,主要分布在喀什市城鎮(zhèn)周邊及葉爾羌河流域沿岸部分地區(qū);NDVI與LAI發(fā)生輕微退化的區(qū)域分布大致相同且占比較小,分別為0.55%和1.20%,而NPP發(fā)生輕微退化的區(qū)域占比高于前兩者,為10.90%,主要位于喀什地區(qū)南部山區(qū)山前地帶及流域周邊地區(qū);植被指數(shù)無(wú)變化的區(qū)域面積占比最大,主要分布在喀什地區(qū)的大片未利用地及南部山區(qū)地帶;植被指數(shù)明顯改善的區(qū)域面積占比由大到小依次為NDVI(10.86%)、LAI(9.53%)、NPP(1.04%),且NDVI與LAI明顯提高的區(qū)域空間分布較一致,主要位于葉爾羌河與喀什噶爾河流域,NPP明顯升高的區(qū)域占比較小且分布于南部山區(qū)。

2.4 喀什地區(qū)植被指數(shù)與生境質(zhì)量變化一致性

對(duì)比植被指數(shù)與生境質(zhì)量及生境退化度的空間分布特征及空間變化趨勢(shì),NDVI與LAI的空間變化趨勢(shì)(圖7-d、7-e)與模型運(yùn)行結(jié)果(圖4、圖6)在空間分布上具有較高的一致性。NDVI與LAI值低且植被蓋度未發(fā)生明顯改變的區(qū)域,生境質(zhì)量等級(jí)也較差,且生境退化度也較低;在流域及人口較集中的城市附近,是植被發(fā)生嚴(yán)重退化的主要區(qū)域,生境退化度也較高,生境質(zhì)量值低。由此可鑒,在環(huán)境較好的流域附近及人口密度大的部分區(qū)域存在大量破壞生態(tài)的行為,在這些區(qū)域開(kāi)展植被恢復(fù)和生態(tài)重建,對(duì)干旱綠洲地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。而NPP的變化趨勢(shì)(圖7-f)與生境模型運(yùn)行結(jié)果(圖4、圖6)在空間分布上具有差異。植被發(fā)生嚴(yán)重退化的區(qū)域除城市周邊與葉爾羌河流域外,NPP結(jié)果顯示南部山前地帶也發(fā)生明顯退化,這一區(qū)域在模型運(yùn)行的生境質(zhì)量結(jié)果中顯示為好與較好2個(gè)等級(jí);NPP結(jié)果顯示植被發(fā)生輕微退化的區(qū)域大部分為生境質(zhì)量等級(jí)較好與一般兩類(lèi),且發(fā)生退化的面積明顯高于模型運(yùn)行產(chǎn)生的生境質(zhì)量退化結(jié)果。同時(shí)NDVI與LAI 2種植被指數(shù)在空間變化趨勢(shì)上基本一致,而NPP的空間變化趨勢(shì)與前兩者存在差異,這是因?yàn)镹DVI和LAI數(shù)據(jù)都由最大值合成而來(lái),可能在趨勢(shì)分析中更具有敏感性,而NPP是年產(chǎn)品[33,3種數(shù)據(jù)來(lái)源的不同及產(chǎn)品數(shù)據(jù)的精度也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響[34];研究表明,新疆NPP與蒸發(fā)量之間有明顯的負(fù)相關(guān)[35],而喀什地區(qū)氣候干燥、蒸發(fā)量大,致使NPP值與其他植被指數(shù)存在差異可能有一定關(guān)系。

表4 2000—2020年喀什地區(qū)植被變化趨勢(shì)占比

相比不同之處,植被指數(shù)空間變化趨勢(shì)發(fā)生改善的區(qū)域包含喀什地區(qū)內(nèi)的耕地,一方面,耕地中的植被由于受人工影響較大,種植密度較高,彌補(bǔ)了其季節(jié)性的劣勢(shì)[36],使耕地的相關(guān)指數(shù)值較高;另一方面,種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整也會(huì)導(dǎo)致植被指數(shù)值上升。在模型參數(shù)的設(shè)定中,耕地常年受人類(lèi)活動(dòng)影響較劇烈,通常會(huì)將其視為威脅因子,因此在模型運(yùn)行的結(jié)果中,耕地生境水平較低。2種方法在研究原理上存在區(qū)別,植被指數(shù)變化趨勢(shì)僅代表植被的長(zhǎng)勢(shì)變化,忽略了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生境變化的負(fù)面影響。InVEST模型僅以土地利用方式為評(píng)價(jià)基礎(chǔ),在各類(lèi)型用地內(nèi)部動(dòng)態(tài)變化的捕捉上還存在缺陷,即時(shí)性較弱。

3 討 論

3.1 喀什地區(qū)土地利用變化的影響因素

2000—2020年,喀什地區(qū)土地利用方式主要以未利用地、草地、耕地為主,除耕地與建設(shè)用地外,其他各類(lèi)用地面積均有不同程度減少,與已有的研究結(jié)果相同[4, 30]。2000—2020年,喀什地區(qū)人口增長(zhǎng)和城市擴(kuò)張導(dǎo)致耕地和建設(shè)用地需求增加,有利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展;同時(shí),社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)人口集聚效應(yīng),這種集聚又進(jìn)而會(huì)刺激耕地和建設(shè)用地需求增長(zhǎng),二者之間的耦合關(guān)系主導(dǎo)了喀什地區(qū)土地利用的動(dòng)態(tài)變化。

喀什地區(qū)耕地主要由草地和未利用地轉(zhuǎn)化而來(lái),這與當(dāng)?shù)厝丝谠黾訋?lái)的耕地需求量增加密切相關(guān)[37];喀什地區(qū)轉(zhuǎn)出的耕地主要轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸?、建設(shè)用地、林地以及未利用地,其中,轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地的面積達(dá)0.5×103km2,反映出在當(dāng)?shù)乜焖俪擎?zhèn)化建設(shè)過(guò)程中,新增建設(shè)用地的強(qiáng)烈需求,以及對(duì)現(xiàn)有建設(shè)用地周?chē)?、空間緊致分布且具良好城鎮(zhèn)建設(shè)潛力的耕地轉(zhuǎn)換意愿,并且這種意愿在南疆欠發(fā)達(dá)地區(qū)廣泛存在[38-39]。目前,中國(guó)加強(qiáng)了對(duì)耕地的保護(hù),從而保障國(guó)家糧食安全,但對(duì)南疆生態(tài)相對(duì)脆弱的區(qū)域來(lái)說(shuō),在保證糧食安全的前提下,控制耕地占用林地草地,權(quán)衡建設(shè)用地需求與耕地保護(hù)的問(wèn)題上[40],提高土地利用效率,挖掘建設(shè)用地存量,在國(guó)土空間規(guī)劃雙評(píng)價(jià)等一系列科學(xué)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,確立合理的發(fā)展規(guī)模和路徑是解決這一問(wèn)題的核心所在。同時(shí),在水資源約束框架下,發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的同時(shí),要兼顧統(tǒng)籌考慮生態(tài)的可持續(xù)性[41]?？κ驳貐^(qū)耕地轉(zhuǎn)化為林地、草地以及部分未利用地轉(zhuǎn)化為草地顯示出以“退耕還林”“退耕還草”等為代表的生態(tài)保護(hù)策略的初步效果,而國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究證明這種策略將明顯提高區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[42]。林草類(lèi)型與耕地類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)換強(qiáng)度較大,從空間上看,這些區(qū)域主要分布在綠洲外圍和自然水系附近,反映出與環(huán)境本底質(zhì)量和人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)。在這些區(qū)域,如水資源、土壤肥力等難以長(zhǎng)期保障的土地,存在開(kāi)墾后撂荒、邊耕邊棄的現(xiàn)象[22],造成了一些次生鹽漬化、土地沙化等問(wèn)題,因此,研究區(qū)的土地利用政策,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注土地資源粗放利用的嚴(yán)格管控、土地資源的可持續(xù)利用規(guī)劃。

3.2 喀什地區(qū)生境質(zhì)量與植被指數(shù)空間變化影響因素

利用InVEST模型測(cè)算2000—2020年喀什地區(qū)生境質(zhì)量均值為0.47～0.49,屬于生境質(zhì)量分級(jí)中較差一類(lèi),且逐年降低,與前人研究結(jié)論一致[43]。李釗等[44]通過(guò)研究喀什地區(qū)LULC與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值二者的關(guān)系,得到喀什地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值逐年減少,本研究利用InVEST模型進(jìn)行相應(yīng)考察,也得到相似結(jié)果。本研究發(fā)現(xiàn),干旱區(qū)生境質(zhì)量變化與土地利用變化息息相關(guān),植被長(zhǎng)勢(shì)良好、水資源豐富的林地、草地、水域等區(qū)域地區(qū)生境質(zhì)量高,反之生境斑塊破碎、自然環(huán)境惡劣的土地利用類(lèi)型生境質(zhì)量低,這也在其他區(qū)域得到了驗(yàn)證[17, 45-46]。植被退化的區(qū)域主要分布在城市周邊及水域附近,這2個(gè)流域內(nèi)集中了喀什地區(qū)大量的人口及工業(yè)活動(dòng),周邊建設(shè)用地、耕地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致自然植被退化是造成生境質(zhì)量退化的主要原因[23, 43],且隨著時(shí)間變化,退化度高的區(qū)域在空間上也呈現(xiàn)增加趨勢(shì),這也表明生境容易受到人類(lèi)活動(dòng)的影響,因此,在這些重點(diǎn)區(qū)域,要重點(diǎn)協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)建設(shè)的關(guān)系[47]。

植被指數(shù)值的高低主要取決于地表覆被類(lèi)型及植被生長(zhǎng)狀況[8],喀什地區(qū)植被指數(shù)的高值區(qū)主要分布在葉爾羌河流域和喀什噶爾河流域,這2個(gè)區(qū)域水資源較充足,為植被的生長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境,而南部山區(qū)海拔高,常年冰雪覆蓋,區(qū)域大部分未利用地,受限于惡劣的自然環(huán)境,植被較稀疏甚至全部為沙漠或礫石,因此植被值低。在喀什地區(qū)的沙漠及南部山區(qū)地帶,由于自然環(huán)境較惡劣,人類(lèi)活動(dòng)較小,在這些區(qū)域內(nèi)人口密度較低,人類(lèi)活動(dòng)較少,因此基本沒(méi)有發(fā)生植被退化;植被改善區(qū)域主要分布在葉爾羌河、喀什噶爾河附近,西南部山前地帶也有明顯改善,在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中,各級(jí)政府逐漸認(rèn)識(shí)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要性,意識(shí)到破壞環(huán)境的嚴(yán)重后果,各級(jí)政府充分發(fā)揮并保障實(shí)施“三北防護(hù)林”體系建設(shè)、“退耕還林還草”等生態(tài)工程,持續(xù)推進(jìn)“河湖長(zhǎng)制”“林長(zhǎng)制”等政策落地,有利于改善當(dāng)?shù)刂脖桓采w狀況。在這些區(qū)域,存在著一定的耕地?cái)U(kuò)張情況,這也在一定程度上增加了當(dāng)?shù)氐闹脖桓采w度。

3.3 模型性能表現(xiàn)

本研究運(yùn)用InVEST模型生境質(zhì)量模塊結(jié)合植被指數(shù)數(shù)據(jù),分析喀什地區(qū)生境的變化,該模型運(yùn)行結(jié)果與NDVI、LAI的變化趨勢(shì)在空間分布上具有較強(qiáng)的一致性,與NPP一致性較弱,這與數(shù)據(jù)類(lèi)型、來(lái)源及模型參數(shù)設(shè)置有一定關(guān)系,詳細(xì)原因還有待進(jìn)一步研究。同時(shí),表明該模型能夠?qū)ρ芯繀^(qū)的生境變化做出較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià),是缺資料區(qū)開(kāi)展生境質(zhì)量評(píng)估的有效模型。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,也有諸多局限性,模型運(yùn)行僅以土地利用變化數(shù)據(jù)作為參考依據(jù),且部分參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)或者模型指導(dǎo)手冊(cè),指標(biāo)選取的不全面性和模型結(jié)構(gòu)的不確定性,可能導(dǎo)致分析結(jié)果存在一定偏差,參數(shù)選取在未來(lái)的研究過(guò)程中還需進(jìn)行驗(yàn)證。本研究將生態(tài)模型與植被指數(shù)相結(jié)合的想法在中國(guó)西北內(nèi)陸干旱區(qū)進(jìn)行了驗(yàn)證,從區(qū)域尺度上研究生境變化。

4 結(jié) 論

(1)時(shí)間上,喀什地區(qū)生境質(zhì)量整體呈下降趨勢(shì)。2000—2020年喀什地區(qū)生境質(zhì)量均值為0.47～0.49,整體較差;就分類(lèi)而言,較差和一般2個(gè)等級(jí)生境質(zhì)量占比最大,總體面積呈上升趨勢(shì);好與較好2個(gè)等級(jí)面積占比小,且逐年下降。

(2)空間上,喀什地區(qū)生境質(zhì)量等級(jí)與土地利用類(lèi)型分布基本一致。西南部山區(qū)及葉爾羌河流域林地和草地類(lèi)型較多、水域面積大,生境質(zhì)量等級(jí)較高;耕地、建設(shè)用地、未利用地聚集的中部地帶生境質(zhì)量等級(jí)低;生態(tài)良好的林地、草地、水域面積都有不同程度減少,是區(qū)域生境質(zhì)量總體下降的主要原因。

(3)生境退化度與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān),生境退化度高的區(qū)域集中在生態(tài)脆弱帶,如城市邊緣和河流附近,呈現(xiàn)出以城市、河流為中心向周?chē)拥目臻g狀態(tài)。生境質(zhì)量等級(jí)分布與土地利用/覆被分布基本一致,土地利用變化極大地影響了研究區(qū)的生境變化。