基于土地利用变化的右玉县生境质量时空演变分析

张宪哲，宋雅轩，张 波，黄永胜

（太原师范学院，山西 晋中 030619）

0 引言

基于土地利用变化的多尺度（县域、流域、省域等）、多维度（生境退化度、生境稀缺性、群落生境等）的生境质量时空变化［1］、生态效应定量评估是国内外学者研究热点。其中，评价方法与模型研究是核心内容之一，生境质量定量方法主要包括脆弱度计算、综合指数计算、距离计算、生态足迹等［2］方法；评价模型多采用包括InVEST、MIMES 以及HIS 在内的模型进行生境质量定量表征。其中，InVEST 模型由于其强大的空间计算能力而广泛用于土地利用现状、生态修复等场景下的生境质量评价。

右玉县位于山西省西北边陲，毛乌素沙地前缘，如图1 所示，是京津风沙源治理生态功能区的重要组成部分。县域内以苍头河为首的五大流域具有重要的涵养水源、保持水土等生态功能，而两侧山地则有较高的生态脆弱性。为定量表征右玉县生境质量时空变化，本文基于2000—2020 年间5期土地利用数据，采用InVEST 模型以及空间统计方法，识别生境质量改善与退化区域，以期为生物多样性保护和生态修复提供科学数据支撑。

图1 右玉县地理位置

1 数据源与研究方法

1.1 数据源

本文采用中国科学院资源环境科学与数据中心（http：//www.resdc.cn）的2000、2005、2010、2015和2020 年5 个时间片段且分辨率为30 m 的右玉县土地利用栅格数据，分析生境质量时空演变特征，数据涉及用地类型分为耕地、林地、草地、水域、居民地以及未利用地6 个一级类以及17 个二级类。胁迫因子中的交通数据来源于开源数据OSM（http：//www.openstreetmap.org），经过高分影像解译修正得到各时间片段交通路网空间数据。

1.2 生境质量评价

InVEST 模型以土地利用栅格像元为评价单元计算生境退化指数Dxj，并在此基础上得到生境质量计算式［3］如式（1）所示：

式中：Qxj为土地利用栅格数据的第j个用地类型中第x个栅格的生境质量；Dxj为此栅格的生境退化程度；半饱和系数k默认0.5；Hj为第j个用地类型的生境适宜性，取值区间为0 到1 之间。

结合右玉县自然资源禀赋，将耕地、农村居民点、城镇建设用地、交通用地、其他建设用地以及未利用土地等人类扰动区域作为威胁因子。通过文献［4］，确定胁迫因子如表1 所示，以及各用地类型对其敏感度如表2 所示。

表1 胁迫因子影响范围及权重

表2 各用地类型对胁迫因子敏感度

1.3 生境质量变化趋势

Sen 斜率估计法［5］是一种非参数简单线性回归趋势检验法。其原理为将成点对连线的斜率中值拟合到采样点以实现整体斜率估计，此方法抗噪性较强且广泛用于气候、植被、水资源等趋势估计，如式（2）所示：

式中：β为斜率中值趋势，大于零说明在研究期内生境质量改善趋势，反之说明退化趋势；Median（）为时间序列X=x1，x2，x3…，xn的中位数函数。

2 生境质量时空变化特征分析

将单个土地利用现状栅格像元作为评价单元，基于InVEST 模型的生境质量模块，计算得到右玉县2000、2005、2010、2015、2020 年5 个时间片段的生境质量，并按照自然断点法按照优、良、一般、较差、差共5 个等别进行研究区重采样。

从整体来看，2000—2020 年，右玉县生态环境整体质量较好，如图2 所示，右玉县中部区域的苍头河上、中游流域的生境质量最高，中下游区域受农业生产、经济活动与公路网建设影响，导致生境质量下降。尤其是在县城所在地，随着商贸、服务业发展，城市扩张导致生境破碎度增大、生态功能降低，生境质量退化。其次，县城驻地新城镇以南、以东区域生境质量较高，区域分布有多个森林公园、生态旅游区，林地和草地是该区域主要用地类型，属于高生境质量区域。最后，中部区域逐渐呈现生态环境优势区连片分布特征，得益于南河湾生态系统提质工程、苍头河人工河柳护岸工程等一系列生态工程稳步推进，生态环境得到了全面提升。

图2 右玉县2000—2020 年生境质量等别划分

从乡镇来看，生境质量优等区域主要集中于丁家窑乡、白头里乡、威远镇与杨千河乡，其中，威远镇、白头里乡生境质量高，丁家窑乡与杨千河乡则同属苍头河流域，上述区域地表覆盖多为林地与草地，覆盖率高，人类扰动程度低；生境质量良等区域主要分布在牛心堡、右卫镇与高家堡乡，地表覆盖多为草地；生境质量较差的区域主要集中于5 大河流河谷区域，耕地数量多，人类扰动较多，同时区域有国、省道交通干道通过；生境质量差等区域主要集中在新城镇和白头里乡北部，大多为城镇建设用地或城乡接合部的农村居民点，人类活动频繁。

从各等别占比与均值来看，如表3 所示，右玉县2000—2020 年生境质量均值分别为0.613、0.615、0.661、0.656、0.635，生境质量均值稳定在0.6以上，5 个时间片段始终为优大于差的结构，时间序列上呈现先上升后下降但总体改善的格局。优等生境质量占比由25.7% 提高至31.5%，较差等生境质量占比由47.1% 降至38.1%，反映出右玉县生态环境整体质量稳步提升。

表3 右玉县2000—2020 年生境质量面积占比与均值

综上，右玉县城镇建设用地与邻近的农村居民用地对生境质量的破坏程度最高，随着右玉县城镇化发展，生境质量低值区以城市为中心，向四周扩散且不断向外扩张，尤其在新城镇生境质量持续降低且向周边扩张，呈集中连片分布，且大多城乡交错；其次，道路对其周边地区产生巨大影响，生境质量较差区域大多沿道路分布；最后，2000 年及2005 年右玉县生态景观破碎度较高，2005 年后在政策的指引下，退耕还林还草，具有较好生态效应的林地、草地发挥保持水土、涵养水源以及调节气候的作用。

3 生境质量变化趋势分析

根据2000—2020 年生境质量时间序列得到Sen 趋势分析结果，如图3 所示，右玉县生境质量变化趋势呈带状分布，自西向东依次分布为稳定区、改善稳定混合区、退化稳定混合区、改善区。总体上，环右玉县山地用地类型以草地为主，近年来并未发生大规模变化，山地圈层内部丘陵区域经过一系列生态建设以及退耕还林工程实施，目前主要以林地为主，生境质量良好，生境质量退化的区域主要分布在五大河流河谷区域，土地利用方式由林地、草地向耕地转化。

图3 右玉县生境质量变化趋势

依据Sen 斜率计算得到的生境质量变化趋势，2000—2020 年间，标准差从0.252 增加至0.283，各个栅格像元空间差异在扩大。生境退化程度空间统计显示，5 个时间片段的生境质量变化趋势平均值分别为0.034、0.034、0.029、0.029 和0.031，生境退化程度最大值分别为0.098、0.096、0.099、0.099和0.106，其中，967 110 个像元的生境质量产生了变化，退化与改善的像元分别占变化像元的36%和64%，表明生境退化范围在收缩过程中，但其强度反而在增加。

4 结语

本文基于InVEST 模型定量估算右玉县2000—2020 年的生境质量，在此基础上结合Sen 趋势分析法，揭示右玉县生境质量变化趋势。研究结论如下：

1）右玉县2000—2020 年生境质量均值分别为0.613、0.615、0.661、0.656、0.635，时间序列上呈现先上升后下降但总体改善的格局。生境质量优等区域主要集中于丁家窑乡、白头里乡、威远镇与杨千河乡；生境质量良等区域主要分布在丁家堡乡、右卫镇和高家堡乡西部山区；生境质量较差的区域主要集中于五大河流河谷区域；生境质量差等区域主要集中在新城镇中和白头里乡北部。

2）右玉县生境退化与改善像元占比分别为36%和64%，可见整体生境质量趋于改善。生境质量变化趋势呈带状分布，自西向东依次分布为稳定区、改善稳定混合区、退化稳定混合区、改善区。

3）右玉县生境质量变化趋势标准差由0.252 增加至0.283，生境质量变化趋势平均值分别为0.034、0.034、0.029、0.029 和0.031，生境退化程度最大值分别为0.098、0.096、0.099、0.099 和0.106，表明右玉县生境退化范围在收缩过程中，但其强度反而在增加。