謝怡凡, 姚順波, 鄧元杰, 賈 磊, 李園園, 高 晴

延安市退耕還林(草)工程對(duì)生境質(zhì)量時(shí)空格局的影響*

謝怡凡, 姚順波**, 鄧元杰, 賈 磊, 李園園, 高 晴

(西北農(nóng)林科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院/資源經(jīng)濟(jì)與環(huán)境管理研究中心 楊凌 712100)

評(píng)估退耕還林(草)工程后生境質(zhì)量的時(shí)空演化特征, 對(duì)指導(dǎo)下一輪生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施以及協(xié)調(diào)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。該研究以退耕還林(草)先行試點(diǎn)的陜西省延安市為研究對(duì)象, 以土地利用/覆被數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 運(yùn)用InVEST模型評(píng)估延安市2000年、2008年和2015年生境質(zhì)量; 結(jié)合空間探索性分析方法, 探討生境質(zhì)量的時(shí)空演變格局及其驅(qū)動(dòng)因素。結(jié)果如下: 1)2000—2015年延安市土地利用變化在退耕還林(草)工程驅(qū)動(dòng)下以耕地向林地和草地的轉(zhuǎn)移為主要特征, 林地和草地面積在研究期內(nèi)增加顯著。2)延安市2015年生境質(zhì)量整體較好, 空間上呈現(xiàn)南高北低的格局, 且研究期內(nèi)呈上升趨勢(shì), 區(qū)域平均生境指數(shù)由2000年的0.69增加到2015年的0.71。3)區(qū)域生境質(zhì)量表現(xiàn)出顯著的正向全局空間自相關(guān), 且空間聚類分異特征明顯; 南部的黃陵縣和黃龍縣等森林資源豐富地區(qū)主要呈現(xiàn)出高高集聚特征, 而低低集聚區(qū)和高低集聚區(qū)交叉分布集中在北部寶塔區(qū)、子長縣、安塞縣、吳起縣等城鎮(zhèn)及其周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。4)退耕還林(草)工程對(duì)區(qū)域生境質(zhì)量提升有顯著推動(dòng)作用, 因此可以通過優(yōu)化土地利用格局和結(jié)構(gòu), 尤其是林地草地, 構(gòu)建生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)平衡的政策體系, 針對(duì)區(qū)域生態(tài)問題系統(tǒng)地提高區(qū)域生境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

退耕還林(草); 生境質(zhì)量; 土地利用變化; InVEST模型; 延安市

當(dāng)前, 不同規(guī)模和強(qiáng)度的人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)格局、結(jié)構(gòu)和功能造成了強(qiáng)烈沖擊[1-2], 特別是土地利用方式和強(qiáng)度的改變會(huì)通過改變生態(tài)系統(tǒng)格局與結(jié)構(gòu)、改變生境質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)過程, 削弱生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[3-5], 生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)刻不容緩。生境質(zhì)量作為衡量生態(tài)系統(tǒng)提供適宜物種生存和繁衍棲息地能力的重要指標(biāo)[6], 同時(shí)也反映與人類息息相關(guān)的生存環(huán)境的優(yōu)劣程度[7], 而不同優(yōu)劣生境質(zhì)量與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的大小有直接關(guān)系, 加強(qiáng)對(duì)其評(píng)估能在一定程度上反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的優(yōu)劣狀況。因此, 研究區(qū)域生境質(zhì)量時(shí)空變化及其對(duì)生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)措施的響應(yīng), 對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域生物多樣性和生態(tài)環(huán)境狀況有重大意義, 也可為構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局和土地可持續(xù)利用提供科學(xué)基礎(chǔ)[8-9]。

國內(nèi)外學(xué)者目前對(duì)于生境質(zhì)量的研究主要分為兩類: 一類是針對(duì)特定物種, 結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù), 獲取特定區(qū)域的生境質(zhì)量參數(shù), 構(gòu)建評(píng)價(jià)體系進(jìn)而對(duì)較小區(qū)域的生境進(jìn)行評(píng)估[10-12]; 另一類是借助生態(tài)評(píng)估模型, 如InVEST模型、ARIES模型、SolVES模型、HIS模型[13-16]等對(duì)區(qū)域生境質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)估, 其中InVEST模型由于數(shù)據(jù)需求不多, 便于進(jìn)行多尺度的空間分析, 成為目前最為廣泛使用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估模型之一。包玉斌等[17]對(duì)黃河濕地保護(hù)區(qū)的生境進(jìn)行評(píng)估, 并探討了土地利用變化對(duì)生境的影響, 保護(hù)區(qū)生境呈現(xiàn)一定程度的退化與建設(shè)用地?cái)U(kuò)張和濕地減少有關(guān)。鐘莉娜等[18]基于土地整治工程前后的土地利用格局變化對(duì)大安市的生境質(zhì)量進(jìn)行探究, 研究表明土地整治活動(dòng)前后生境質(zhì)量會(huì)隨著耕地、鹽堿地及草地面積和格局的變化而改變。任涵等[19]在探究太行山淇河流域典型山地地貌下的生境質(zhì)量時(shí), 進(jìn)一步探討了生境質(zhì)量對(duì)地形起伏的響應(yīng), 平坦區(qū)和微起伏區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)較低, 而中起伏區(qū)和小起伏區(qū)則以高度重要生境質(zhì)量為主。王惠等[20]基于地理加權(quán)回歸, 探究生境質(zhì)量對(duì)各個(gè)地類變化的空間響應(yīng), 結(jié)果表明林地和草地同生境質(zhì)量變化呈正相關(guān)關(guān)系, 而耕地和建設(shè)用地則相反, 區(qū)域主導(dǎo)地類不同導(dǎo)致生境質(zhì)量變化呈現(xiàn)空間異質(zhì)性。以上研究對(duì)區(qū)域生境質(zhì)量空間異質(zhì)性的關(guān)注較少, 使得研究結(jié)論對(duì)區(qū)域生境的空間關(guān)系缺乏應(yīng)有的解釋力, 而借助空間探索性分析方法對(duì)格網(wǎng)尺度下區(qū)域生境質(zhì)量的空間格局演變及其空間集聚特征的研究鮮有考慮退耕還林(草)工程實(shí)施背景, 因此值得進(jìn)一步挖掘。

陜西省延安市位于黃土高原中南部, 其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能對(duì)人類活動(dòng)敏感, 生境質(zhì)量也更容易受到威脅。延安市自1999年以來實(shí)施了大規(guī)模的退耕還林(草)工程, 并取得了顯著成效[21-22], 區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)得到明顯改善。本文在退耕還林(草)工程實(shí)施的背景下, 利用InVEST模型評(píng)估延安市退耕還林(草)工程實(shí)施后2000年、2008年和2015年的生境質(zhì)量, 并結(jié)合空間探索性分析方法進(jìn)一步研究生境的時(shí)空演變格局和空間聚類特征, 不僅為新一輪生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù), 同時(shí)對(duì)構(gòu)建區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全格局和土地資源可持續(xù)利用有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

延安市(35°21′~37°31′N、107°41′~110°31′E)位于陜西省北部, 黃土高原的中南部, 北接榆林, 南鄰咸陽、渭南和銅川3市, 東西分別與甘肅省和山西省相連, 總面積為3.7×104km2。延安市屬于暖溫帶半濕潤易旱氣候區(qū), 年均氣溫7.7~10.6 ℃, 年均降雨量500 mm左右, 北部為黃土丘陵溝壑區(qū), 南部為黃土高原溝壑區(qū), 地形地貌多以黃土塬梁峁及丘陵溝壑為主, 地勢(shì)西北高東南低, 平均海拔1 200 m左右(圖1)。境內(nèi)自然資源豐富, 分布有大量煤礦、石油、天然氣、鐵礦等礦產(chǎn)資源, 南部森林覆蓋度較高, 是重要生態(tài)功能區(qū)。長期以來隨著人口數(shù)量增加、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展, 區(qū)域內(nèi)土地利用方式和強(qiáng)度變化劇烈, 人地關(guān)系日益緊張, 對(duì)生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力。

退耕還林(草)工程作為國家重大生態(tài)修復(fù)工程, 自1999年在四川、甘肅、陜西試點(diǎn)以來, 取得了巨大成效。根據(jù)國家林業(yè)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示, 1999—2018年全國累計(jì)實(shí)施退耕還林0.27億hm2, 退耕區(qū)森林覆蓋率平均提高4個(gè)百分點(diǎn), 林草植被大幅增加, 生態(tài)狀況顯著改善。延安市自1999年實(shí)施退耕還林(草)工程以來, 累計(jì)完成退耕還林面積71.83萬hm2, 被譽(yù)為全國退耕還林(草)第一市。截止到2018年, 延安市森林資源規(guī)模不斷擴(kuò)大, 森林覆蓋率由33.5%增加到52.5%, 植被覆蓋度由46.0%提高到81.3%, 風(fēng)沙危害和水土流失得到有效遏制, 生態(tài)狀況顯著改善。

圖1 延安市高程圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

退耕還林(草)工程自1999年開始大規(guī)模退耕還林, 由2008年開始進(jìn)入工程的成果鞏固和維持管護(hù)階段, 鑒于此本研究選取2000年、2008年、2015年土地利用覆被數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。

研究區(qū)2000年、2008年和2015年3期土地利用數(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), 空間分辨率為30 m×30 m, 空間參考系統(tǒng)為Krasovsky_1940_Albers。該數(shù)據(jù)經(jīng)過實(shí)地調(diào)研驗(yàn)證, 解譯總精度達(dá)85%以上, 滿足廣域土地利用研究需求。研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn), 延安市行政矢量邊界來源于國家基礎(chǔ)信息中心的1∶100萬地理數(shù)據(jù)庫(http://www.gscloud.cn)。生境模塊中威脅因子數(shù)據(jù)根據(jù)需要由土地利用數(shù)據(jù)重分類獲取。此外2015年交通道路數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn), 2000年和2008年交通道路數(shù)據(jù)根據(jù)延安市公路交通網(wǎng)規(guī)劃以及延安市統(tǒng)計(jì)年鑒中各主要交通路網(wǎng)修建時(shí)期修正2015年數(shù)據(jù)而得。根據(jù)以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在ArcGIS平臺(tái)運(yùn)算獲取得到土地利用和生境質(zhì)量時(shí)空變化數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 生境質(zhì)量評(píng)估模塊

InVEST模型中的生境質(zhì)量模塊是結(jié)合土地利用覆被和生物多樣性威脅因素的信息, 生成生境質(zhì)量地圖和生境退化度地圖。

生境質(zhì)量指數(shù)反映在威脅因子的影響下生境質(zhì)量的好壞, 取值范圍為0~1, 高值表示地塊生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定, 生境質(zhì)量好, 反之地塊的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定, 生態(tài)環(huán)境易遭破壞。計(jì)算公式為:

式中:Q是土地利用類型中柵格的生境質(zhì)量指數(shù);H是土地利用類型的生境適度;D是土地利用類型中柵格的生境退化度;為半飽和常數(shù), 一般取退化度最大值的一半;為歸一化常量, 通常取模型默認(rèn)參數(shù)值。

生境退化度指數(shù)反映該類型柵格單元受威脅因子的影響程度, 分值越高說明受威脅因子的影響越大, 退化程度越高。計(jì)算公式為:

式中:是威脅因子,是威脅因子的個(gè)數(shù);是威脅因子的柵格數(shù),Y是威脅因子所占柵格總數(shù);w是威脅因子的權(quán)重, 表明某一威脅因子對(duì)生境的影響程度, 取值為0~1;r為柵格的威脅因子值,i為r對(duì)生境柵格的威脅程度;β為柵格的可達(dá)性水平, 取值為0~1, 值越接近1表示越容易到達(dá), 本研究默認(rèn)研究區(qū)任意單元柵格均為1;S是土地利用類型對(duì)威脅因子的敏感性, 取值為0~1, 值越接近1代表越敏感;d是柵格與柵格之間的直線距離;dmax代表威脅因子的最大影響距離。

根據(jù)類似地區(qū)的研究[17,19]和研究區(qū)的實(shí)際情況, 結(jié)合模型的操作手冊(cè)將耕地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、交通用地定義為威脅源, 而將林地、草地、水域定義為提供生境的土地類型。一般人工地類(建設(shè)用地)生境適宜性最低, 而天然地類(林地、草地)生境適應(yīng)性最高[19-20]。本文根據(jù)模型推薦值以及參考相關(guān)文獻(xiàn)[17-19]的模型參數(shù), 確定本研究的4類威脅源的權(quán)重、最大影響距離和衰退類型見表1, 以及不同生境對(duì)威脅源的敏感程度(敏感度在0~1, 0表示對(duì)威脅源不敏感, 值越高越敏感)見表2。此外在選擇威脅源數(shù)據(jù)時(shí)使用大于研究區(qū)的土地利用數(shù)據(jù), 一定程度上克服了以往研究[19-20]中邊緣地區(qū)生境評(píng)估不精確的問題。

表1 研究區(qū)威脅源最大影響距離、權(quán)重和衰減類型

1.3.2 空間探索性分析方法

空間探索性分析方法(ESDA)是一系列空間數(shù)據(jù)分析方法和技術(shù)的集合, 其核心在于探究研究對(duì)象的空間分布規(guī)律和其空間關(guān)聯(lián)模式(趨同或異質(zhì))。一般有兩類指標(biāo)來檢驗(yàn)和度量, 其中全局指標(biāo)反映的是某種屬性值在整個(gè)研究區(qū)域的空間關(guān)聯(lián)模式, 而局域指標(biāo)用于反映對(duì)同一屬性值某個(gè)區(qū)域單元和周圍單元相近或差異的程度[23]。

1)全局空間自相關(guān)

全局空間自相關(guān)是度量和檢驗(yàn)研究對(duì)象在整個(gè)區(qū)域內(nèi)的空間關(guān)聯(lián)情況的指標(biāo), 一般用Moran’s和Geary’s等指標(biāo)和方法來衡量全局自相關(guān)。本研究在ArcGIS10.2平臺(tái)上采用全局Moran’s指標(biāo)來檢驗(yàn)和度量格網(wǎng)尺度下延安市生境質(zhì)量的空間關(guān)聯(lián)性, 其計(jì)算公式[24]如下:

表2 研究區(qū)不同地類生境適宜度及其對(duì)威脅因子的敏感程度

2)局部空間自相關(guān)

局部空間自相關(guān)是用來度量每個(gè)區(qū)域單元與周邊區(qū)域單元的局部空間關(guān)聯(lián)和空間差異程度。主要方法包括:G統(tǒng)計(jì)量、Moran散點(diǎn)圖、空間聯(lián)系的局部指標(biāo)(LISA)。其中Moran散點(diǎn)圖可以直觀地反映區(qū)域單元與其鄰近單元的空間聯(lián)系形式, 但無法反映區(qū)域單元屬性值在空間的聚集程度; 而由Anselin[25]提出的空間自相關(guān)局部指標(biāo)(local indicators of spatial association)能夠進(jìn)一步衡量區(qū)域單元與周邊區(qū)域的屬性值之間的顯著空間聚集程度, 其計(jì)算公式為:

式中:I是區(qū)域的局部自相關(guān)指標(biāo)值,為區(qū)域單元總數(shù), 其余符號(hào)同公式(5)。當(dāng)局域Moran’s通過顯著性檢驗(yàn)時(shí), 表明某區(qū)域單元同屬性值相似的鄰近區(qū)域單元形成了空間集聚。一般有4種集聚形式: 高高集聚(HH)、低低集聚(LL)、高低集聚(HL)和低高集聚(LH)。

本研究中使用ArcGIS 10.2平臺(tái)進(jìn)行延安市生境質(zhì)量LISA集聚圖的處理。同時(shí), 由于空間探索性分析中需要用到矢量數(shù)據(jù), 先將由InVEST模型獲取的延安市生境質(zhì)量柵格圖在ArcGIS 10.2平臺(tái)中轉(zhuǎn)換為2 km×2 km的格網(wǎng), 格網(wǎng)尺度根據(jù)前人類似地區(qū)[22]和反復(fù)試驗(yàn)確定而來, 再進(jìn)行生境質(zhì)量的空間集聚研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移變化分析

草地、林地、耕地是延安市土地利用類型中的主導(dǎo)地類, 三者面積之和占總面積的比例超過90%(圖2)。2000—2015年, 受退耕還林(草)工程的影響, 延安市耕地面積在15年間持續(xù)下降, 面積比例從2000年31.78%下降到2015年25.64%; 而林地和草地面積則持續(xù)增加, 面積比例分別從2000年的24.45%和42.98%增加到2015年的26.72%和46.67%; 同時(shí)建設(shè)用地也快速擴(kuò)張, 15年間增加了一半之多; 水體面積保持穩(wěn)定, 未利用地面積先下降后上升。

根據(jù)2000—2008年、2008—2015年和2000—2015年延安市土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3), 進(jìn)一步探究延安市各地類之間轉(zhuǎn)移情況可得: 2000—2015年延安市土地利用轉(zhuǎn)移受退耕還林(草)工程的推動(dòng)集中在耕地、林地、草地這幾個(gè)地類, 并且以耕地向林地和草地轉(zhuǎn)移為主要特征。具體來看2000—2008年, 草地和林地的轉(zhuǎn)入主要來源于耕地, 其中耕地向林地轉(zhuǎn)移面積最大, 為603.91 km2, 耕地向草地轉(zhuǎn)移面積次之, 為422.37 km2; 同時(shí)也有267.9 km2草地轉(zhuǎn)向林地; 建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入主要來源于耕地和草地, 耕地轉(zhuǎn)入占主要部分。2008—2015年, 也是耕地作為林地和草地主要轉(zhuǎn)入來源, 不同的是耕地轉(zhuǎn)向草地面積大幅增加, 達(dá)1 577.73 km2, 而耕地轉(zhuǎn)向林地面積相比前一時(shí)期有大幅度減少, 與退耕還林(草)工程進(jìn)入鞏固管護(hù)期相吻合; 同時(shí)耕地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)入面積相較于2000—2008年增加顯著, 而水域和未利用地面積基數(shù)較小同時(shí)轉(zhuǎn)移難度相對(duì)較大, 因此整體變化幅度較小。

圖2 2000年、2008年和2015年延安土地利用類型面積百分比

總體而言, 退耕還林(草)工程通過改變地表覆蓋類型, 來改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)格局和結(jié)構(gòu), 從而進(jìn)一步影響生態(tài)系統(tǒng)功能和生境質(zhì)量, 具體來看工程通過推動(dòng)耕地向林地和草地轉(zhuǎn)化, 從而使可提供生境的土地斑塊增加, 有利于區(qū)域生境質(zhì)量的改善, 同時(shí)不可忽視的是建設(shè)用地占用耕地和草地不斷擴(kuò)增帶來的生態(tài)環(huán)境壓力。

表3 2000— 2015年延安土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

2.2 生境質(zhì)量時(shí)空變化

根據(jù)InVEST模型生成的3期延安市生境質(zhì)量柵格圖層, 可知延安市生境質(zhì)量的時(shí)空分布在2000—2015年間發(fā)生顯著變化; 高生境質(zhì)量的區(qū)域多集中在林地和草地分布的區(qū)域, 而低生境質(zhì)量的區(qū)域則與建設(shè)用地, 尤其是城鎮(zhèn)用地的分布相匹配。從表4可以看出, 就2015年延安市生境質(zhì)量而言, 平均生境質(zhì)量指數(shù)達(dá)0.71, 整體生境質(zhì)量較高; 中度重要生境以上面積比例近75%, 其中極重要生境面積比例為22.03%。從空間分布來看(圖3), 南部縣區(qū)如黃陵縣、黃龍縣和富縣生境質(zhì)量較高, 以極重要生境為主要特征; 而北部縣區(qū)吳起縣、志丹縣、安塞縣、子長縣等主要以中度重要生境為主, 而高度和極重要生境在上述縣區(qū)分布也較為集中, 主要是退耕還林工程實(shí)施的重點(diǎn)縣區(qū)。

表4 2000年、2008年和2015年延安生境質(zhì)量等級(jí)面積變化表

2.2.1 生境質(zhì)量時(shí)間變化

利用ArcGIS 10.2中自然斷點(diǎn)法的分類, 將延安市生境質(zhì)量劃分為較差生境(0~0.3)、一般生境(0.3~0.5)、中度重要生境(0.5~0.7)、高度重要生境(0.7~0.9)和極重要生境(0.9~1.0)5個(gè)等級(jí)來進(jìn)一步探究延安市各等級(jí)生境質(zhì)量的時(shí)間變化情況。

總體來看, 延安市2000—2015年生境質(zhì)量較好, 中度重要生境以上面積均在70%左右, 且呈逐漸改善上升趨勢(shì); 根據(jù)ArcGIS 10.2分類數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示, 2000年、2008年、2015年延安市生境質(zhì)量指數(shù)的平均值分別為0.69、0.70、0.71, 而一般生境面積下降明顯。

2000—2008年, 生境質(zhì)量等級(jí)在一般以下的總面積呈下降趨勢(shì), 但較差生境面積有所增加, 極重要和高度重要生境面積均有增加, 其中極重要生境面積增加顯著, 達(dá)781.41 km2; 同該時(shí)期林地面積增加情況相吻合, 而林地作為提供優(yōu)質(zhì)生境的地類, 其面積增加則促進(jìn)生境質(zhì)量的提升, 說明這一時(shí)期退耕還林工程的實(shí)施有利于延安市生態(tài)環(huán)境的改善。

2008—2015年, 一般生境面積繼續(xù)下降, 而較差生境面積則繼續(xù)增加且相較于前一時(shí)期上升更為明顯, 占總面積百分比提高0.15%, 表明這一時(shí)期人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展使得建設(shè)用地極速擴(kuò)張, 從而使延安市部分局域生境質(zhì)量惡化; 但由于退耕還林(草)工程促進(jìn)了作為提供生境類型的草地和林地增加以及生境適宜性較低的耕地減少, 因而總體上區(qū)域生境質(zhì)量提升。其中, 重要生境面積雖繼續(xù)增加, 但相較于前一階段并不明顯; 高度重要生境面積則繼續(xù)穩(wěn)步上升, 面積比例上升了0.62%。值得注意的是中度重要生境面積在這一時(shí)期增加顯著, 達(dá)1 079.5 km2, 表明這一時(shí)期退耕還林(草)工程的鞏固和管護(hù)起到提升總體生境質(zhì)量的作用, 整個(gè)區(qū)域的生境質(zhì)量有進(jìn)一步的鞏固提升。

2.2.2 生境質(zhì)量空間格局演變特征

1)生境質(zhì)量空間變化

延安市生境質(zhì)量在2000—2015年間總體上呈現(xiàn)南高北低的空間格局, 其中高度重要生境和極重要生境集中分布于西南和東南的連片區(qū)域。該區(qū)域?yàn)樘烊涣謪^(qū)和國家森林公園所在地, 土地覆被類型多為林地和草地, 不易受到威脅源耕地和建設(shè)用地的影響。

2000年, 在北部區(qū)域多為連片的中度重要和一般生境交叉分布。而到2008年, 北部區(qū)域生境質(zhì)量總體提升, 極重要生境和高度重要生境變多且呈連片出現(xiàn), 退耕還林(草)的生態(tài)效果開始顯現(xiàn)。2015年高度重要生境和極重要生境較前一時(shí)期增長放緩, 同時(shí)較差生境隨著時(shí)間的推移呈擴(kuò)張的趨勢(shì), 主要集中在城鎮(zhèn)化建設(shè)的中心, 這些區(qū)域直接受到建設(shè)用地威脅, 生境質(zhì)量低; 而一般生境和中度重要生境主要分布在居民點(diǎn)周邊, 交通路網(wǎng)和山谷之間, 主要用地類型為耕地, 在退耕還林(草)工程的推動(dòng)下轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨戎匾澈蜆O重要生境。

2)生境質(zhì)量的空間探索性分析

利用ArcGIS10.2平臺(tái), 計(jì)算分析延安市2000—2015年3期的生境質(zhì)量的全局Moran’s指數(shù), 得到2000年、2008年和2015年生境質(zhì)量的全局Moran’s分別為0.415、0.369和0.337;值得分分別為77.07、68.67和62.67;值均為0, 均通過0.01顯著性檢驗(yàn), 表明延安市生境質(zhì)量存在顯著的正向空間自相關(guān), 整個(gè)區(qū)域生境質(zhì)量的空間分布在2 km×2 km格網(wǎng)尺度上有顯著的集聚特征。值得注意的是Moran’s指數(shù)逐漸降低, 表明2000—2015年延安市生境質(zhì)量的空間集聚效應(yīng)整體上呈下降趨勢(shì), 但下降趨勢(shì)較弱。

根據(jù)ArcGIS 10.2平臺(tái)計(jì)算得到延安市生境質(zhì)量局部空間自相關(guān)(LISA)的聚類特征結(jié)果(圖4), 在0.95的置信水平下將延安市生境質(zhì)量局部空間集聚特征劃分為5個(gè)類別: 1)高高集聚, 該單元與周圍鄰近單元生境質(zhì)量均較高; 2)低低集聚, 該單元與周圍鄰近單元生境質(zhì)量均較低; 3)高低集聚, 該單元被生境質(zhì)量低于它的單元包圍; 4)低高集聚, 該單元被生境質(zhì)量高于它的單元包圍; 5)不顯著, 即未通過顯著性檢驗(yàn), 不存在明顯的空間自相關(guān)性。由圖4可知, 2000—2015年延安市生境質(zhì)量的空間集聚特征總體上呈現(xiàn)南部高, 北部低的格局, 同時(shí)高高集聚區(qū)同低高集聚區(qū)交互分布于南部, 而低低集聚區(qū)則同高低集聚區(qū)集中分布于北部。而各集聚類型面積在研究期內(nèi)有較為明顯的變化特征(圖5), 2000—2015年高高集聚的總面積持續(xù)下降, 高低集聚總面積持續(xù)上升, 低高集聚總面積在2008年下降后變化不明顯, 低低集聚總面積由2000—2008年上升后, 到2015年又有所下降。

圖3 2000年、2008年和2015年延安市生境質(zhì)量空間分布

生境質(zhì)量指數(shù)0~0.3、0.3~0.5、0.5~0.7、0.7~0.9和0.9~1.0分別表示生境等級(jí)較差生境、一般生境、中度重要生境、高度重要生境和極重要生境。Habitat quality index ranges of 0–0.3, 0.3–0.5, 0.5–0.7, 0.7–0.9 and 0.9–1.0 indicate habitat quality grades of poor habitat, general habitat, moderately important habitat, highly important habitat and most important habitat.

圖4 2000年、2008年和2015年延安市生境質(zhì)量空間聚類特征(LISA)

具體來看: 1)高高集聚的區(qū)域主要集中于東南和西南, 這些地區(qū)包括黃陵縣和黃龍縣兩個(gè)林業(yè)大縣, 以及富縣、寶塔區(qū)、宜川縣南部, 這與侯孟陽等[22]所指出的“ESV高高集聚區(qū)”大致吻合。上述區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū), 區(qū)內(nèi)林業(yè)資源、野生動(dòng)植物資源豐富, 高值生境呈集中連片分布。值得注意的是2000—2015年3個(gè)研究期內(nèi), 隨著時(shí)間的推移, 局部高高集聚區(qū)呈破碎化的趨勢(shì), 黃陵縣和黃龍縣域內(nèi)高高集聚的單元逐漸減少, 同時(shí)低高集聚的單元也在減少, 結(jié)合區(qū)域土地利用類型變化情況可知, 這些區(qū)域中建設(shè)用地的擴(kuò)張降低了該區(qū)域生境質(zhì)量高高集聚的完整性, 低值生境單元向外擴(kuò)張, 威脅周邊區(qū)域生境質(zhì)量。因此上述區(qū)域, 尤其是低高集聚單元的周邊區(qū)域, 應(yīng)提前采取生態(tài)防治措施, 加大生境保護(hù)力度。

圖5 2000年、2008年和2015年延安市生境質(zhì)量空間聚類面積變化

2)低低集聚區(qū)主要分散分布在北部地區(qū), 如寶塔區(qū)、安塞縣、吳起縣、子長縣以及南部的洛川縣等, 零星低低集聚單元多為縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)周邊區(qū)域。上述區(qū)域地類主要為耕地和建設(shè)用地, 為主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū), 地形復(fù)雜, 溝壑縱橫, 為典型的黃土丘陵溝壑地貌, 自然因素和人為因素交互, 對(duì)生境威脅較大, 故而呈低低集聚。2008年局部區(qū)域如安塞縣北部、子長縣和延川縣西部低低集聚區(qū)明顯降低, 這些區(qū)域?yàn)橥烁€林(草)的重點(diǎn)區(qū)域, 生境質(zhì)量得到改善,低低集聚減少, 此外低低集聚區(qū)的增加主要集中在城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中連片區(qū), 而城鎮(zhèn)的外擴(kuò)不可避免地使區(qū)域生境質(zhì)量降低從而形成低低集聚。2015年相較于2008年, 低低集聚區(qū)明顯減少, 主要集中在安塞區(qū)中部、寶塔區(qū)東部、吳起縣東南和志丹縣東北區(qū)域, 說明退耕還林(草)成效日益顯著, 前一時(shí)期退耕的林地和草地, 經(jīng)過一段時(shí)期開始顯現(xiàn)生態(tài)效益。

3)低高集聚區(qū)和高低集聚區(qū)分別同高高集聚區(qū)和低低集聚區(qū)交互分布, 其分布相對(duì)較為零散。低高集聚區(qū)主要分布于南部的高高集聚區(qū)域之間, 這些區(qū)域多為城鎮(zhèn)中心, 其建設(shè)用地的擴(kuò)張威脅周圍高值生境, 是區(qū)域周圍生境整體下降, 因此低高集聚面積下降; 高低集聚面積增加, 主要分布于北部區(qū)域, 這些區(qū)域位于水系、林地、草地與建設(shè)用地、耕地交叉相鄰的地帶, 一方面建設(shè)用地增加使更多高值生境受到威脅, 另一方面退耕還林(草)的實(shí)施提高了區(qū)域單元的生境質(zhì)量。

2.3 生境質(zhì)量驅(qū)動(dòng)因素分析

為進(jìn)一步探究生境質(zhì)量時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素, 結(jié)合以往研究中生境質(zhì)量對(duì)土地利用變化的響應(yīng), 將2000年和2015年延安市生境質(zhì)量圖層和土地利用圖層分別在ArcGIS中做柵格運(yùn)算, 得到2000—2015年生境質(zhì)量變化(圖6a)和土地利用變化的空間分布(圖6b)。

由圖6a可知延安市2000—2015年生境質(zhì)量變化顯著, 北部多個(gè)縣區(qū)如子長縣、寶塔區(qū)、志丹縣、安塞區(qū)、吳起縣等生境質(zhì)量提升明顯, 而這些區(qū)域正是退耕還林(草)實(shí)施的重點(diǎn)工程區(qū), 退耕力度大, 吳起縣更是被譽(yù)為退耕還林第一縣, 退耕效果顯著。南部區(qū)域生境質(zhì)量整體上較為穩(wěn)定, 生境質(zhì)量顯著降低的區(qū)域主要集中在寶塔區(qū)市區(qū)中心以及各縣區(qū)的縣城所在地, 城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)使得這些區(qū)域生境質(zhì)量顯著下降。同時(shí), 對(duì)照土地利用轉(zhuǎn)移的空間分布可知, 2000—2015年延安市生境質(zhì)量提高的區(qū)域同耕地轉(zhuǎn)向林地和草地的區(qū)域相吻合, 說明延安市退耕還林(草)工程確實(shí)通過改變土地利用變化的方向和強(qiáng)度, 影響了生態(tài)系統(tǒng)格局和結(jié)構(gòu), 從而間接促進(jìn)了各縣區(qū)生境質(zhì)量的提高, 生態(tài)效益顯著。同時(shí)值得注意的是, 由于林地相較于草地生境適應(yīng)性更高, 因此生境質(zhì)量提升最高的區(qū)域同耕地轉(zhuǎn)向林地區(qū)域相匹配, 由耕地轉(zhuǎn)向草地的區(qū)域生境質(zhì)量提高的相對(duì)較低, 不同土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的異質(zhì)性也對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能和穩(wěn)定有重要作用。此外, 生境質(zhì)量顯著降低的區(qū)域也同建設(shè)用地占用其他地類擴(kuò)張高度吻合, 說明城鎮(zhèn)擴(kuò)張導(dǎo)致的建設(shè)用地對(duì)高質(zhì)量生境的占用對(duì)局域生境質(zhì)量的惡化有顯著促進(jìn)作用。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

2000—2015年延安市生境質(zhì)量呈逐漸上升趨勢(shì)的結(jié)論同侯孟陽等[22]發(fā)現(xiàn)延安市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在退耕還林(草)工程實(shí)施后顯著增長的結(jié)果相吻合, 且生境提高的空間分布同張琨等[26]研究得出的黃土高原地區(qū)在退耕還林工程實(shí)施下土壤保持[27]、水文調(diào)節(jié)等服務(wù)增強(qiáng)區(qū)域一致。其原因在于生境質(zhì)量的提高同具有高生態(tài)適應(yīng)性的林地和草地密切相關(guān)[28], 而林地和草地有具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[29]。2000—2015年延安市退耕還林(草)則有力推動(dòng)了耕地向林地和草地轉(zhuǎn)化, 增加區(qū)域林地和草地面積進(jìn)而提升生境和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

圖6 2000—2015年延安市生境質(zhì)量(a)和土地利用(b)空間變化

延安市生境質(zhì)量的空間分布存在顯著正向空間自相關(guān), 區(qū)域生境質(zhì)量的高低會(huì)顯著影響鄰近區(qū)域生境, 而馬克明等[30]提出應(yīng)從生物多樣性保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)著手, 針對(duì)區(qū)域的生態(tài)問題構(gòu)建能有效改善和持續(xù)控制生態(tài)環(huán)境的區(qū)域生態(tài)空間格局。故針對(duì)高高集聚區(qū), 如黃陵縣和黃龍縣應(yīng)建立絕對(duì)保護(hù)的棲息地核心區(qū), 提升景觀的連接度, 在保護(hù)區(qū)外圍建立生境緩沖區(qū)減緩人類活動(dòng)對(duì)高質(zhì)量生境的影響, 加強(qiáng)其生態(tài)屏障的作用。而北部低低集聚區(qū)和高低集聚區(qū), 如寶塔區(qū)、安塞縣、子長縣等, 一方面應(yīng)優(yōu)化城鎮(zhèn)空間格局, 控制建設(shè)用地增量, 加強(qiáng)農(nóng)村閑置居民點(diǎn)土地整治工作, 降低斑塊破碎度, 同時(shí)在保障基本農(nóng)田的情況下, 發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè), 結(jié)合地形地貌開展治溝造地等鄉(xiāng)村綜合治理工程; 另一方面對(duì)于退耕還林(草)后的林地和草地及其周邊區(qū)域, 可加大退耕力度, 增強(qiáng)后期管護(hù)和鞏固措施, 優(yōu)化區(qū)域林地草地格局, 提高高值生境通達(dá)度。從而通過優(yōu)化土地利用格局, 構(gòu)建生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)平衡的政策體系, 針對(duì)區(qū)域生態(tài)問題系統(tǒng)地提高區(qū)域生境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

本文借助InVEST模型結(jié)合空間探索性分析方法對(duì)延安市生境質(zhì)量的時(shí)空格局演變進(jìn)行評(píng)估, 但存在一些不足之處, 由于數(shù)據(jù)不易獲取, 模型參數(shù)大多借鑒前人類似地區(qū)的研究經(jīng)驗(yàn), 沒有進(jìn)行野外實(shí)地采樣獲取模型參數(shù), 可能會(huì)導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果的不確定性, 但總體趨勢(shì)不會(huì)變動(dòng)。同時(shí)區(qū)域生境還受到自然因素例如自然災(zāi)害、極端天氣等綜合影響。因此, 仍需深入探討的主要問題有: 1)更大區(qū)域上綜合社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、土地利用空間格局以及自然因素的生境質(zhì)量評(píng)估; 2)加強(qiáng)對(duì)影響生境質(zhì)量的機(jī)理研究, 依據(jù)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)獲取物種多樣性及威脅因子的相關(guān)參數(shù), 更加精準(zhǔn)地評(píng)估區(qū)域生境質(zhì)量。

3.2 結(jié)論

本文基于Invest模型中的生境模塊, 借助ArcGIS平臺(tái)重點(diǎn)探究了退耕還林(草)實(shí)施以來延安市2000年、2008年和2015年生境質(zhì)量的時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)因素, 結(jié)論如下: 1)2000—2015年延安市土地利用變化在退耕還林(草)工程的推動(dòng)下集中表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)向林地和草地。研究期內(nèi)具有高生境適宜度的林地和草地面積增加顯著, 從而促進(jìn)區(qū)域在該時(shí)期生境質(zhì)量的提高。2)延安市截止到2015年, 整體生境質(zhì)量較高, 表現(xiàn)為南高北低的空間格局, 且空間集聚效應(yīng)明顯。2000—2015年生境質(zhì)量持續(xù)上升, 平均生境質(zhì)量指數(shù)由0.69上升到0.71, 區(qū)域生境質(zhì)量整體得到改善。3)空間探索性分析顯示, 2000—2015年延安市生境質(zhì)量在格網(wǎng)尺度下呈顯著的正向空間關(guān)聯(lián)和依存, 區(qū)域局部呈現(xiàn)明顯的空間異質(zhì)性, 生境質(zhì)量呈高高集聚和低高集聚的區(qū)域集中在南部林草資源豐富的黃陵縣和黃龍縣, 應(yīng)繼續(xù)作為生態(tài)保護(hù)的重點(diǎn); 低低集聚區(qū)和高低集聚區(qū)交叉分布集中在北部寶塔區(qū)、子長縣、安塞縣、吳起縣等城鎮(zhèn)及其周邊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū), 應(yīng)加強(qiáng)鞏固生態(tài)修復(fù)成果。4)分析生境質(zhì)量變化對(duì)土地利用變化的響應(yīng)可知, 生境質(zhì)量及其變化同土地利用及其變化顯著相關(guān)。生境質(zhì)量較高的區(qū)域集中在南部以林草地為主要覆被類型的區(qū)域, 北部生境相對(duì)較低, 但局部區(qū)域在退耕還林(草)工程的驅(qū)動(dòng)下內(nèi)生境質(zhì)量顯著提升, 表現(xiàn)為耕地轉(zhuǎn)向林地和草地使得區(qū)域生境改善, 而轉(zhuǎn)向建設(shè)用地時(shí)生境則下降。

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Impact of the ‘Grain for Green’ project on the spatial and temporal pattern of habitat quality in Yan’an City, China*

XIE Yifan, YAO Shunbo**, DENG Yuanjie, JIA Lei, LI Yuanyuan, GAO Qing

(College of Economic Management, Northwest A&F University / Center for Resource Economy and Environmental Management, Yangling 712100, China)

In an attempt to alleviate increasing pressure caused by human activities on the environment, numerous ecological restoration projects have been implemented around the world. The ‘Grain for Green’ project in China is currently the largest and most extensive ecological restoration project globally. Research indicates the substantial investment given to this project has achieved significant ecological benefits. Habitat quality is an important indicator of the ability of an ecosystem to provide sustainable conditions for persistence of individuals and populations. Accordingly, this study aimed to investigate the temporal and spatial patterns of habitat quality in Yan’an City, the piloted research area of the ‘Grain for Green’ project, to identify the impact of the restoration project on the city. Research into the impacts of this project are of great significance for successful implementation of ecological restoration projects moving forward, as well as expanding knowledge on regional ecosystems, and on socio-economic sustainable development. Land use/land cover data of Yan’an City in 2000, 2008, and 2015 were evaluated for the study. The habitat quality index of Yan’an City in 2000, 2008, and 2015 was estimated based on the ArcGIS platform and the InVEST model.The temporal and spatial evolution pattern of habitat quality and its driving factor and spatial clustering characteristics were discussed by using the exploratory spatial data analysis. Our results showed that the main feature of land use change in Yan’an City from 2000 to 2015, driven by the ‘Grain for Green’ project was the conversion of cultivated land to woodland and grassland; the area of woodland and grassland increased significantly in the city during the study period. The habitat quality of Yan’an City in 2015 was relatively good, demonstrating a pattern of high habitat quality in the south, low habitat quality in the north. The habitat quality index showed an upward trend during the study period; the regional average habitat quality index increased from 0.69 in 2000 to 0.71 in 2015. Additionally, habitat quality of the study area as a whole showed significant positive global spatial autocorrelation, and habitat quality, as well as its spatial variation, indicated obvious spatial clustering differentiation characteristics. Forest-rich areas, such as Huangling County and Huanglong County in the south, exhibited predominately high-high agglomeration characteristics highlighting the need for these areas to remain the focus of ecological protection measures. Conversely, low-low and high-low agglomeration areas were found interspersed, and concentrated in the north (i.e., Baota County, Zichang County, Ansai County, Wuqi County, and in other counties as well as agricultural areas of this region); accordingly, ecological restoration in northern areas should be strengthened and consolidated. Our results indicate that the ‘Grain for Green’ project will likely affect the processes and functions of the Yan’an City ecosystem by changing land use patterns and structure. In particular, the increase of forestland and grassland in this area will significantly promote the improvement of regional habitat quality. Therefore, by optimizing land use pattern and structure (in particular forest and grassland habitats) will assist in the development of a more coordinated and balanced policy for ecological protection and economic development in response to regional ecological problems, while systematically improving regional habitat quality and ecosystem stability.

The ‘Grain for Green’ project; Habitat quality; Land use change; InVEST model; Yan’an City

F301.2; X826

10.13930/j.cnki.cjea.190762

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* 林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(201504424)資助

姚順波, 主要研究方向?yàn)榱謽I(yè)政策評(píng)估、資源經(jīng)濟(jì)與環(huán)境管理。E-mail: yaoshunbo@163.com

謝怡凡, 主要研究方向?yàn)橥恋刭Y源管理、資源經(jīng)濟(jì)與環(huán)境管理。E-mail: 15527504128@163.com

2019-10-28

2020-01-16

* This study was supported by the Special Funds for Scientific Research in Forestry Public Welfare Industry of China (201504424).

, E-mail: yaoshunbo@163.com

Oct. 28, 2019;

Jan. 16, 2020