王 丞,劉 懿,解宜興,周韶輝,陳家法

(湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)事務中心,湖南 張家界 427400)

土地利用是人類根據土地自然屬性,按照特定需求,對土地進行各類性質的經營管理與治理活動,反映了人類活動與自然變化之間的相互影響和交互作用[1]。隨著人類社會經濟持續(xù)快速發(fā)展與資源配置的不斷增強,區(qū)域土地利用的格局、強度和深度均持續(xù)變化,對區(qū)域生境產生較大沖擊[2];其可能導致土地斑塊空間結構與組成要素改變,對生境斑塊之間的物質循環(huán)與能量流動過程產生影響,進而引起區(qū)域生境質量的改變,影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能[3-4]。生境質量是在一定時空中生態(tài)系統(tǒng)提供適宜個體與種群持續(xù)發(fā)展與生存條件的能力,其變化反映了生態(tài)系統(tǒng)健康與穩(wěn)定狀況,對生態(tài)系統(tǒng)維持生物多樣性水平至關重要[4]。因此,研究生境質量對土地利用變化的響應,對協(xié)調區(qū)域土地利用與生態(tài)保護關系,以及土地管理政策的制訂具有重要意義。

目前,生境質量的評估方法主要分為兩類:一是基于模型評價,如InVEST模型[5]、HSI模型[6]和SolVES模型[7]等;二是基于指標體系的構建[8]。其中,InVSET模型因具有數據獲取方便、定量評估流程簡單和模型體系構建較為完善的特點,被廣泛應用于不同流域、區(qū)域、城市的土地利用和生境質量變化研究[9]。例如,李勝鵬等[10]利用該模型分析了福建省30年的生境質量演變規(guī)律與時空演化特征;吳健生等[11]通過模擬3種不同建設用地擴張情景下的生境質量變化特征,為未來長江三角洲地區(qū)的城市增長劃定了潛在邊界;劉園等[5]評估了長江中游經濟帶生境質量的時空特征,利用回歸分析、地形位置指數揭示了生境質量的地形梯度效應?？梢?在不同的地理空間尺度和時間動態(tài)上,InVEST模型有助于深入認識生境質量時空演變機制和有效開展生態(tài)系統(tǒng)管理。

湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)位于全國內陸生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)內[12],是長江中游的重要水源地,對區(qū)域生物多樣性維持與生態(tài)環(huán)境保護起到重要作用,在氣候調節(jié)、水源涵養(yǎng)和土壤治理等方面具有較高的生態(tài)系統(tǒng)服務價值[13]。該保護區(qū)范圍以線條型分布貫穿于整個張家界市,無緩沖屏障保護,與人類活動區(qū)鄰接,造成保護區(qū)保護工作與當地經濟建設和生產生活沖突頻發(fā),在阻礙當地經濟發(fā)展的同時,也反向影響著保護區(qū)大鯢(Andriasdavidianus)及其他野生動物的生存繁衍與自然生境的生態(tài)完整性。因此,大鯢保護區(qū)外圍地帶的土地利用類型演變必將深刻影響保護區(qū)內的資源、環(huán)境和生態(tài),對其生境質量產生負面影響[14]。

基于此,該研究將湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)500 m緩沖帶(以下簡稱“大鯢保護區(qū)”)及張家界市劃為研究區(qū),從可提供野生動物棲息的自然生境角度出發(fā),分別選取3期土地利用類型數據,采用InVEST模型對研究區(qū)生境質量進行評估,揭示土地利用變化下生境質量時空演變特征,明晰不同生境質量的野生動物自然棲息地分布格局,以期為研究區(qū)未來生境質量改善、生物多樣性保護和可持續(xù)發(fā)展提供科學參考。

1 研究地概況

張家界市位于湖南省西北部,地勢西北高東南低,轄永定區(qū)、武陵源區(qū)、桑植縣和慈利縣,地理坐標為28°52′ N ～29°48′ N,109°40′ E～111°20′ E,總面積約為9 533 km2(圖1)。

圖1 湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)及張家界市位置示意

張家界市境內地勢西北高,沿澧水向東南傾斜,地貌構造復雜,地表起伏大,溪河兩岸多為高山深谷,相對高差超過1 800 m。該地屬中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū),雨量充沛,光熱充足,自然風光獨特且豐富。張家界大鯢國家級自然保護區(qū)涉及張家界市域總面積為14 275 hm2,涵蓋張家界市76%的水域,水系以澧水為主[15]。保護區(qū)內溶洞、暗河、泉水等眾多,水生生物極其豐富,是中國大鯢的重要種源地。

2 數據與方法

2.1 數據來源及預處理

2000、2010和2020年3期張家界市土地利用數據來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數據中心數據平臺(http:∥www.resdc.cn),空間分辨率為30 m[16]。湖南張家界大鯢國家級自然保護區(qū)500 m緩沖帶通過ArcGIS 10.2平臺進行緩沖區(qū)分析與提取分析獲得。土地利用類型參照徐新良等[17]3級分類標準劃分,研究區(qū)內有耕地、草地、林地、水域和建設用地5種一級地類,以及水田、旱地、有林地、灌木林地、疏林地、其他林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、河渠、湖泊、水庫坑塘、灘地、城鎮(zhèn)用地、農村居民點和其他建設用地16種二級地類(表1)。

表1 土地利用類型的生境適宜性及對不同威脅源的敏感度

表2 生境威脅源及相關參數

2.2 InVSET模型生境質量模塊

InVSET模型由美國自然資本項目組開發(fā),旨在通過模擬不同土地覆被情景下生態(tài)系統(tǒng)服務變化情況,以反映土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)服務功能的影響[18]。其中,生境質量模塊是通過土地覆被數據與生物多樣性威脅信息來測算對應柵格的生境質量值,用于表征研究區(qū)生境質量狀況[18]。生境質量實質上是指生態(tài)系統(tǒng)能夠提供物種生存繁衍條件的潛在能力,通常采用生境質量指數表征,區(qū)域生境質量指數越大,表示生境質量越好,具體公式為

(1)

式(1)中,Qxi為第i種土地類型x柵格單元生境質量指數;Hi為第i種土地類型的生境適宜性分值,取值范圍為0～1;z為歸一化常量,一般取值為2.5;k為半飽和常數,由用戶根據所使用數據的分辨率自定義;Dxi為生境退化程度指數,表示生境受脅迫壓力后表現出退化的程度,其計算公式為

(2)

式(2)中,R為威脅因子;Yr為威脅因子在地類圖層中的柵格單元個數;wr為威脅因子權重;ry為柵格y的威脅因子強度;irxy為柵格y的威脅因子值ry對生境柵格x的威脅水平;βx為柵格x的通行可達性水平;Sir為生境類型i對威脅因子r的敏感程度。

運行生境質量模塊需要對脅迫因子、土地利用類型生境適宜性和對脅迫因子的敏感度進行設定。依據InVSET模型手冊[18]和景觀生態(tài)學基本原則[19],結合大鯢保護區(qū)及張家界實際地理環(huán)境,參照同類研究[5,10-11]將人類活動劇烈的建設用地、耕地、農村居民點等作為非生境的威脅源,并根據地區(qū)具體情況對威脅源的最大影響距離及權重、不同類型生境的適宜度及各生境對模型威脅因子的敏感性進行調整(表1～2)。為便于判斷研究區(qū)生境質量變化,參照相關研究劃分標準[20],利用自然斷點法將柵格生境質量分為極差(0～0.2)、差(>0.2～0.4)、中(>0.4～0.6)、良(>0.6～0.8)和優(yōu)(>0.8～1.0)5個等級。

3 結果與分析

3.1 土地利用變化特征

2000—2020年,張家界市和大鯢保護區(qū)主要地類為林地、耕地和草地,3者面積合計占土地總面積的95%以上,基本構成該地區(qū)的景觀基質。20年間,兩地土地利用變化表現一致,建設用地、水域和草地變化較大,林地和耕地面積基本保持穩(wěn)定(圖2)。其中,兩地建設用地的擴張均超過1倍:張家界市建設用地面積增加40.94 km2,占原建設用地面積的107.71%;大鯢保護區(qū)500 m緩沖帶面積增加27.64 km2,占原建設用地面積的125.58%。

以-49.55為例,其為2000—2010年間草地減少面積(km2),線條指向草地面積轉化的方向,線條寬度為轉化面積的大小。

2000—2010年和2010—2020年土地利用轉移表現相似,在張家界市和大鯢保護區(qū)均表現為草地、耕地和林地之間的相互轉化,以及耕地與林地轉化為建設用地與水域,反映了兩者土地利用轉移的主要特征(圖2)。20年間,張家界市和大鯢保護區(qū)建設用地和水域新增面積主要來源于耕地和林地,分別占建設用地新增面積的93.62%和92.14%,占水域新增面積的87.30%和89.90%;減少的草地面積主要轉為耕地和林地,分別占草地轉移面積的96.53%和91.77%。

總體上,張家界市和大鯢保護區(qū)地類較為穩(wěn)定,土地轉移程度不高,分別有92.73%和93.58%的土地面積未發(fā)生地類轉換(圖2)。期間,草地、耕地和林地相互轉化零散分布于整個張家界市(圖3);新增的建設用地面積主要來源于城鎮(zhèn)擴張,占用面積集中分布于原城鎮(zhèn)區(qū)外圍的耕地、林地和草地,且隨著距城市中心距離的增加,占用面積逐漸減少;新增的水域面積主要來源于張家界市數個水電站的修筑[21],建壩抬升水位淹沒其他土地類型,增加了水域面積。

圖3 2000—2020年張家界市和大鯢保護區(qū)500 m緩沖帶土地轉移空間分布

3.2 生境質量時空演變特征

在空間格局上,張家界市和大鯢保護區(qū)優(yōu)生境質量區(qū)域主要分布于地區(qū)上部、中心和右下部(圖4),部分與張家界市自然保護地相重疊[22],如左上方的八大公山國家級自然保護區(qū)、中心區(qū)域的張家界國家級森林公園等,因其受到嚴格保護,生境質量普遍較高。差生境質量區(qū)域則呈現一個三角環(huán)圈(圖4),土地類型以永定區(qū)、桑植縣和慈利縣等城市建成區(qū),以及城鎮(zhèn)周邊農耕地和澧水下游平原連片農耕地為主[23]。

在時間格局上,大鯢保護區(qū)生境質量20年間下降1.48%,無顯著差異;張家界市生境質量20年間下降1.86%,呈顯著差異(圖5)。2000—2010年,張家界市多處生境質量出現大面積升降(圖6)。綜合土地利用變化來看,這一時期因全國“天然林保護工程”“退耕還林”等生態(tài)保護政策的落實,林地面積有所增加,故生境質量上升。同時,由于耕地、建設用地面積增加,部分林地向草地、耕地轉移,以及由于自然或人為原因造成植被退化,進而造成生境適宜度較高的景觀類型面積減少,生境質量下降。2010—2020年,張家界市全域生境質量連片略微下降。這一時期,由于道路等基礎建設與村莊、耕地、園地等景觀增加,減少了周邊生境適宜度較高的景觀面積,造成生境質量連片略微下降。

圖6 2000—2020年張家界市(A和B)和大鯢保護區(qū)(C和D)生境質量的空間變化特征

在大鯢保護區(qū),核心區(qū)主要分布于澧水支流上游,部分鑲嵌于其他保護地內,保存有較好的森林自然生態(tài)系統(tǒng),受人類干擾較少,故生境質量最高(圖5);實驗區(qū)主要分布于城鎮(zhèn)區(qū)、農耕地和村莊等人類活動集中區(qū),受人類干擾嚴重,故生境質量最低。2000—2020年,大鯢保護區(qū)核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)生境質量均呈現下降趨勢。從綜合土地利用變化來看,核心區(qū)生境質量降低主要受周圍道路建設、水電站修筑等基礎設施建設與游客旅游觀光造成的林地、草地斑塊退化影響,實驗區(qū)和緩沖區(qū)生境質量降低主要受城鎮(zhèn)建設與農耕地擴張等城鎮(zhèn)化進程的影響[14]。

在地形梯度上,隨坡度和海拔的升高,保護區(qū)生境質量上升;在人口密度梯度上,隨人口密度的升高,保護區(qū)生境質量下降(圖7)?？梢?保護區(qū)地形對生境質量的空間分布格局具有重要作用,崎嶇的地形限制了人類活動,保證了山區(qū)林地的留存與生長,相應的生境質量較高。而地勢平坦的低海拔區(qū)域多是城鎮(zhèn)區(qū)、村莊、耕地等人類景觀,是人類開展生產活動的集中區(qū),不適宜生物生存,相應的生境質量較低。

ns表示無顯著差異;*表示P<0.05;***表示P<0.01。

4 討論與結論

4.1 討論

2000—2020年,研究區(qū)整體的土地利用變化不大,有92%的地類保持不變,林地為優(yōu)勢地類,表明該地區(qū)以森林景觀占優(yōu)(圖2)。1982年,隨著我國第一個國家森林公園——張家界國家森林公園的建立,張家界市著重開展了自然生態(tài)環(huán)境保護工作,陸續(xù)建立了23個不同等級的保護地[22],對該地區(qū)自然景觀進行嚴格保護,加強了張家界市自然土地類型的保留。但隨著“山峻、峰奇、水秀、峽幽、洞美”的自然資源享譽世界,以旅游業(yè)為主體的經濟發(fā)展形式在張家界市形成,全市圍繞旅游業(yè)的建設開發(fā)項目發(fā)展迅猛,自然風光景點的索道、游步道、旅游公路、觀景臺和旅游度假村等基礎設施建設與居民生產生活需求使得區(qū)域各地的生境質量零星衰減[20,23]。據統(tǒng)計,2019年張家界市接待游客0.8億余人次,旅游收入超過900億元,旅游人次較2002年增長近10倍,旅游收入增長近30倍,使得樹木茂盛、植被覆蓋度高、自然生態(tài)系統(tǒng)完整的各類保護地內人類足跡廣布,導致其自然生境受人類干擾劇烈,對諸多生物及其棲息地生境保護影響嚴重[24]。因此,在生境保護與生態(tài)系統(tǒng)維護上,土地利用模式應結合地區(qū)環(huán)境承載力和適宜性評價,統(tǒng)籌好旅游發(fā)展與生態(tài)保護兩者之間的關系。

在自然保護區(qū)內,自然生態(tài)系統(tǒng)與景觀結構的完整性對保護區(qū)物種生存極為重要[25]。由于大鯢保護區(qū)“開放式”的分布于張家界市,導致其部分區(qū)域暴露于建設用地和農耕地內,受人類干擾嚴重,造成棲息地退化和破碎化,對保護區(qū)生物多樣性保護與生態(tài)系統(tǒng)維護危害極大。如水電站的修筑[21],使得水域周圍濕地、草地被淹沒,改變了原有濕地水生環(huán)境,阻礙了物種交流;沿岸的城鎮(zhèn)擴張、道路建設等,阻斷了自然景觀的連接,且存在高強度的人類活動,嚴重破壞了保護區(qū)的自然生態(tài)系統(tǒng)。雖然大鯢保護區(qū)仍有大部分區(qū)域存在于森林生態(tài)系統(tǒng)完整的林地中,但張家界市旅游經濟的蓬勃發(fā)展仍持續(xù)影響著大鯢保護區(qū)生境質量變化。一方面,自然景觀開發(fā)及相關基礎設施建設會造成沿途地表植被破壞,擾亂原生景觀格局,造成區(qū)域生境質量下降;另一方面,長期的旅游活動還會持續(xù)對該區(qū)域的水資源、野生動物、植被和土壤等自然資源造成不利影響[26]。因此,在大鯢保護區(qū)生態(tài)保護中,針對保護區(qū)不同地域的生境特征和差異性,決策者需要對區(qū)域內部做出調整并制定相應的優(yōu)化策略。

大鯢保護區(qū)及張家界市生境質量總體上處于較高水平且下降程度較低,但未來城鎮(zhèn)擴張、旅游開發(fā)等一系列人類干擾因素仍會導致它們的生境質量持續(xù)下降,尤其是大鯢保護區(qū)中緊鄰城鎮(zhèn)與道路等的人類干擾高的水域[15]。因此,決策者如何維持生境質量不退化,恢復大鯢保護區(qū)生物多樣性及其生態(tài)系統(tǒng)健康極為關鍵。未來張家界市在土地利用規(guī)劃與生態(tài)保護工作中需維護好整體經濟與生態(tài)保護的協(xié)調發(fā)展關系,強調城市中自然生態(tài)環(huán)境的營造,配置必要的生態(tài)用地和緩沖林帶,以維護大鯢保護區(qū)涉城鎮(zhèn)水域生境質量與生態(tài)系統(tǒng)安全。重點保護森林、草地等生態(tài)源地,減少建設用地擴張,增加生態(tài)源地的斑塊面積及其相互連通度,使大鯢保護區(qū)及其他生態(tài)源地的自然生態(tài)系統(tǒng)具有自我維持、自我更新的能力,進而提高張家界市整體生境質量。

4.2 結論

以2000、2010和2020年3期土地利用數據為基礎,運用土地利用轉移矩陣,分析了大鯢保護區(qū)及張家界市土地利用變化特征,并基于InVEST模型分析了2000—2020年大鯢保護區(qū)及張家界市生境質量時空演化規(guī)律。主要結論如下:(1)研究區(qū)主要地類為林地,表明該地區(qū)以森林景觀占優(yōu)。20年間,張家界市和大鯢保護區(qū)地類較為穩(wěn)定,土地轉移程度不高,地類變化主要表現為草地、耕地和林地之間的相互轉化,以及建設用地和水域擴張。(2)受地區(qū)經濟發(fā)展與旅游活動等人類活動的影響,研究區(qū)生境質量呈持續(xù)下降趨勢,其中,大鯢保護區(qū)20年間下降1.48%,張家界市20年間下降1.86%。自然生境退化和土地利用類型轉化是影響研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量的重要原因。(3)大鯢保護區(qū)保存有較好的森林自然生態(tài)系統(tǒng),受人類干擾較少的核心區(qū)生境質量最高;位于城鎮(zhèn)區(qū)、農耕地和村莊等人類活動集中區(qū)且受人類干擾嚴重的實驗區(qū)生境質量最低。在地形梯度上,隨坡度和海拔的升高,保護區(qū)生境質量上升;在人口密度梯度上,隨人口密度的升高,保護區(qū)生境質量下降。由于筆者研究中生境質量主要利用相關文獻并結合研究區(qū)實際特征設置InVEST模型參數,必然存在一定的主觀性,其參數驗證及合理性評估值需要深入探討。因此,筆者并未對研究區(qū)生境質量做定量分析,未來研究中生境質量變化的驅動機制研究也需進一步完善和深入,應對地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的各脅迫因子進行實地測算,細化生境質量變化的驅動力,為地區(qū)生物多樣性保護提供更為科學、細致的建議。