人類活動及氣候變化影響下伊犁河谷生境質量預測研究

隋 露， 閆志明， 李開放， 何佩恩， 馬英杰， 張汝萃

（1.新疆農業大學公共管理學院（法學院），新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農業大學MPA教育中心，新疆 烏魯木齊 830052；3.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210023）

生境質量是指自然界提供給物種適宜生存條件的能力，它可以體現區域生態系統服務價值的高低，是人類與自然和諧共生的先決條件［1］。隨著新型工業化和城市化建設的深入推進，我國國土空間的開發利用格局發生了劇烈的變化，導致部分地區出現生境破碎化、生態系統服務價值降低及生物多樣性衰減等現象，進而對人類福祉構成了威脅［2-3］。干旱半干旱區作為我國生態系統的重要組成部分，其惡劣的自然地理條件，導致其生境一旦退化將難以修復，這使得我國在生態文明建設過程中對該地域的生態演變狀況需倍加關注［4］。

有研究表明氣候變化和人類活動是引起生境質量演變的主要驅動因素，二者共同作用于土地利用/覆被格局［5］。目前關于生境質量的研究大多圍繞土地利用類型變更展開，隨著土地利用預測模型的出現和逐漸成熟，不少學者開展了未來發展情景下土地利用變化對生境質量影響的研究，為認識土地利用/覆被變化對生境質量的影響奠定了良好的基礎［6-9］。然而，關于生境質量的研究仍存在一些不足。首先，情景設置過程中忽略氣候因素對土地利用/覆被及生境質量的影響。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）研究報告表明人類活動已經引發全球氣候變暖，預計到21 世紀中期這一現象仍將持續，這無疑提升了干旱半干旱區生態保護工作的挑戰［10］。其次，研究發現以往預測中，多情景設置普遍存在土地利用數量需求轉移設置較為隨意、主觀性極強的現象，這將造成生境質量預測結果的不確定性，影響研究成果的實用性［11］。系統動力學（SD）模型可以反映多個復雜系統結構的非線性動態變化及各組件功能之間的相互作用關系，是用于預測未來各種情況下，系統動態行為而建立的結構模型［12-13］。將自上而下預測土地數量需求的SD 模型與自下而上模擬土地空間分布的PLUS 模型相結合，可以更精準地預測研究區未來土地變化趨勢［14］。

伊犁河谷作為新疆對外開放的西大門，在“一帶一路”建設中擁有著巨大的優勢與潛力，因具有豐富的水土、光熱以及礦產資源，使其成為國家重要的農牧業與能源基地［15］。20世紀80年代以來，農牧業的發展、礦產資源的挖掘、旅游業的興起等開發建設活動加劇了對伊犁河谷生態環境的干擾。如何處理生態安全與經濟發展之間的矛盾，已經成為該地區規劃建設亟待解決的問題［16］?；诖?，本文通過耦合SD-PLUS與InVEST模型，預測2035年4種典型氣候情景下（SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5）土地利用/覆被及生境質量時空演變，為伊犁河谷國土資源優化配置及生態環境保護修復提供參考依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

伊犁河谷（80°09′～84°56′E，42°14′～44°50′N）位于中國新疆西北部，隸屬于伊犁哈薩克自治州。該流域北、東、南三面環山，海拔介于532～5741 m，地勢東高西低、東窄西寬，形似朝西開口的喇叭狀［17］（圖1）。伊犁河谷為溫帶大陸性氣候，獨特的地形地貌特征，使其常年受到大西洋水汽的滋養，氣候溫和濕潤。該地區年均氣溫為10.4 ℃，年均降水量為417.6 mm，高海拔區降水量可達1000 mm，擁有著“獨立濕島”的美譽［18］。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 數據來源

本文使用的1980—2020 年土地利用、人口密度、GDP、年均氣溫、年均降水量、河流、道路數據來源于中科院資源環境數據中心（http://www.resdc.cn/）；高程數據來源于地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn/）；社會經濟數據來源于《新疆統計年鑒》《伊犁哈薩克自治州統計年鑒》；未來人口、地區生產總值、城鎮化率數據來源于共享社會經濟路徑（SSPs）人口和經濟格點化數據集及中國省級城鎮化率預測數據集中的共享研究成果［19-20］；未來氣溫和降水數據來源于CMIP6 氣候數據集（https://esgfnode.llnl.gov/search/cmip6/）中北京氣象中心發布的BCC-CSM2-MR模式。

1.3 研究方法

1.3.1 系統動力學（SD）模型SD 模型將研究區域視為一個相對獨立的地域系統，在Vensim軟件的幫助下實現系統的仿真模擬。在借鑒前人經驗［21-22］的基礎上，構建適合伊犁河谷的仿真模型。如圖2 所示，本研究設計的仿真模型由經濟、人口、氣候及土地利用子系統4部分構成。該模型根據系統內部存在的信息反饋機制，建立各子系統之間的因果關系，通過反復調試輔助變量和水平變量間的作用關系，確定系統流圖及數學方程式。模擬構成分為2步，第一步為利用收集到的2010—2020年歷史數據進行模型檢驗；第二步為在精度達到要求的基礎上，預測2020—2035年多情景下土地利用數量需求。

圖2 系統動力學（SD）模型結構Fig.2 SD model structure

1.3.2 斑塊生成土地利用模擬（PLUS）模型PLUS模型是由網格斑塊生成的土地利用變化模擬模型，它可以更好地探究各地類變化的誘因，模擬幾米范圍內土地利用斑塊層面的變化。該模型包括土地擴張分析策略（LEAS）和基于多類隨機斑塊種子的元胞自動機（CARS）2個模塊［23-24］，LEAS模塊可以對2 期土地利用變化之間的擴張部分進行提取和分析，并結合隨機森林算法則挖掘各地類的發展概率和各驅動因素貢獻率；CARS 模塊結合隨機種子生成和閾值遞減機制，模擬發展概率約束下的斑塊自動生成。在PLUS 模型中，使用LEAS 模塊分析2015—2020 年的土地擴張情況；然后根據2015—2020年各地類的轉移規律設置領域權重。

1.3.3 氣候情景設置氣候情景是一種特殊的設定，它基于一系列科學假設，合理地描述了未來氣候狀況的時空分布。第六次國際耦合模式比較計劃將共享社會經濟路徑（SSPs）與最新的人為排放趨勢（RCPs）結合，預測了未來氣候變化趨勢，為預測未來氣候變化情景下生境質量的演變提供了可能性［25-26］（表1）。

表1 氣候情景描述Tab.1 Description of climate scenarios

1.3.4 生境質量評估本研究應用InVEST模型中的Habitat quality 模塊生成棲息地質量圖，反映伊犁河谷生境質量狀況［27］，計算公式如下：

式中：Qxj為地類j在空間單元x處的生境指數；Hj為地類j的生境適宜性；z為模型默認值；k為半飽和參數；Dxj為地類j在空間單元x處的生境脅迫水平，計算公式如下：

式中：R為威脅因子；Yr為威脅因子r的數量；wr為威脅因子r的權重；ry為空間單元y中威脅因子r的數量；irxy為空間單元y中威脅因子r對空間單元x的影響；βx為空間單元x受保護程度；Sjr為地類j對威脅因子r的敏感程度。

本研究選取受人類活動干擾較大的耕地、建設用地、未利用地、鐵路及高速公路作為威脅因子，并結合前人經驗［28-29］設定威脅因子及各地類生境適宜性等參數，具體見表2、表3。

表2 威脅因子影響距離及權重Tab.2 Impact distance and weight of threat factors

表3 生境適宜性及敏感度Tab.3 Habitat suitability and sensitivity

2 結果與分析

2.1 SD-PLUS集成模型精度檢驗

SD模型模擬結果顯示，2020年各類變量的模擬值與實際值之間的相對誤差控制在±3%以內（表4），這表明該模型具有較高的模擬精度，可以有效地預測研究區土地利用結構變化。將模擬得出的各類土地需求柵格數輸入PLUS 模型中，得到2020年伊犁河谷土地利用空間分布模擬結果（圖3）。PLUS模擬結果總準確率為0.97，Kappa系數為0.94，FOM 值為0.10，模擬結果的分布特征與河谷范圍內的實際分布高度吻合，所選的3 個局部地區在土地利用類型的空間分布上也表現出高度的一致性。以上結果表明，SD-PLUS 集成模型所構建的系統流圖、數學方程式、各類用地的發展概率及驅動因素符合伊犁河谷地區的實際情況，可以有效地呈現研究區域土地利用動態，適用于伊犁河谷地區未來土地利用/覆被變化的建模。

表4 SD模型模擬精度檢驗Tab.4 SD model simulation accuracy check

圖3 2020年實際與模擬土地利用類型分布Fig.3 Distributions of actual and simulated land use types in 2020

2.2 伊犁河谷土地利用/覆被演變

伊犁河谷土地利用/覆被類型以草地、耕地、林地為主，三者面積約占研究區總面積的85%左右。1980—2020年，伊犁河谷各地類面積呈現“4增2減”的變化趨勢。其中，耕地、建設用地、未利用地、水域面積分別提升了2793.30 km2、383.75 km2、295.14 km2、83.70 km2；草地、林地面積分別降低了3324.82 km2、231.07 km2。40 a 間，伊犁河谷土地轉移面積為6002.29 km2，其中草地轉出面積最大，占轉出比例的71.42%，草地分別向耕地、未利用地、建設用地、水域面 積 轉 移 了3516.12 km2、255.03 km2、202.37 km2、153.43 km2，這說明草地為該4類用地面積增加的主要貢獻主體（表5）。此外，值得注意的是，受“三山夾兩谷”獨特地形地貌特征的影響，導致該地區適宜人類開發建設的面積有限，40 a 間建設用地在擴張的過程中蠶食了高達295.04 km2的城郊優質農田。

表5 1980—2020年各地類面積轉移矩陣Tab.5 Area transfer matrix by land type from 1980 to 2020

SD-PLUS 集成模型預測結果顯示，未來15 a 間耕地、林地、草地面積主要呈現下降趨勢，水域、建設用地、未利用地面積主要呈現上升趨勢（圖4）。SSP1-2.6情景下，林地、草地、水域此類生態用地面積占比大于其他3 種情景，該情景下未利用地得到有效開發，建設用地面積增長最為緩慢。SSP5-8.5情景下，生態用地面積下降幅度最大，建設用地面積驟增，大肆采礦、無節制的燃燒化石燃料等人類盲目擴張活動，導致南北天山永久冰川消融、雪線提升，水域、未利用地面積大幅增加。與上述2種情景相比，SSP2-4.5情景與當前發展模式類似，SSP3-7.0情景注重局部地區優先發展，這2種情景下各類用地面積變化介于SSP1-2.6情景與SSP5-8.5情景2種極端氣候情景之間，波動相對較小。

2.3 伊犁河谷生境質量評估

將SD 模型預測的各種發展情景下土地利用數量需求輸入PLUS 模型中，以可視化呈現伊犁河谷2035年多情景下土地利用演變。在InVEST 模型中輸入處理好的土地利用及威脅源圖層、威脅源及生境適宜性表格、半飽和參數等數據，以評估伊犁河谷生境質量演變狀況。生境指數值域介于[0,1]之間，指數越大代表其生境質量越好。根據研究區實際情況，將其生境評估結果劃分為4個等級，分別為生境低值區（0.0～0.3）、較低值區（0.3～0.6）、較高值區（0.6～0.9）、高值區（0.9～1.0）。

整體上來看，伊犁河谷生境質量狀況較好，生境等級以較高值區為主，占據研究區總面積的60%左右（表6）。從時間尺度上看，1980、1990、2000、2010、2020 年伊犁河谷生境指數均值分別為0.7581、0.7398、0.7331、0.7216、0.7209，呈現持續下降的趨勢。從空間尺度上來看，伊犁河谷生境質量成條帶狀嵌套式分布（圖5a～e）。生境等級的高低

與研究區土地利用/覆被類型有著密切的聯系，生境質量高值區及較高值區主要分布在植被覆蓋度高的林草地區域，這些地區往往地形崎嶇，受人類活動干擾少，生境質量較好；生境質量低值區及較低值區主要分布在河谷城市群、南北天山冰川積雪覆蓋區及沖擊平原耕作區，這些地區受人類活動影響較大，資源環境相對脆弱。

表6 伊犁河谷生境指數統計Tab.6 Habitat index statistics of the Ili River Valley

圖5 1980—2035年伊犁河谷生境質量分布Fig.5 Habitat quality distributions of the Ili River Valley from 1980 to 2035

耦合SD-PLUS 模型與InVEST 模型預測伊犁河谷未來生境質量（圖5f～i），研究結果顯示該區域2035年不同氣候情景下，生境指數均值皆呈下降態勢，不同發展情景下生境指數均值排序分別為：SSP1-2.6>SSP2-4.5>SSP3-7.0>SSP5-8.5。與2020年相比，SSP1-2.6 情景下，生境均值下降最少為0.0005，生境質量高值區面積提升0.2%，生境低值區面積低于其他3種發展情景；SSP2-4.5情景下，生境均值下降0.0068，生境高值區比例與2020 年持平，生境低值區比例僅高于SSP1-2.6 情景；SSP3-7.0 情景下，生境均值下降較為顯著達0.0094，較高值區比例下降高達0.89%，較低值區比例僅次于SSP5-8.5 情景；SSP5-8.5 情景下，生境均值下降最為顯著達0.0141，相較其他3種發展情景，該情景下生境高值區比例最低，生境低值區比例最高。

2.4 伊犁河谷生境退化研究

生境退化是指由人類活動及自然因素引起的生境質量下降和支撐生物群落能力減弱的現象，其作為生境質量的度量指標，對于維持區域生物多樣性和促進經濟社會發展具有重要影響。為準確定位伊犁河谷生境退化區，本文運用ArcGIS 10.8中柵格計算器工具，將兩期生境質量柵格圖層疊加分析，得到伊犁河谷一定時域內的生境質量退化圖。如圖6所示，1980—2020年，伊犁河谷大部分區域生境質量較為穩定，科古琴山-博羅克努山南麓及哈爾克他烏山-那拉提山北麓地區受地形條件影響，降雨豐沛，植被生長旺盛，受人類活動影響較小，生境退化不明顯。生境退化顯著區主要分布在伊犁河-鞏乃斯河流及特克斯河流谷地的農業耕作帶，其中“伊-霍”城市群生境退化聚集程度較高，可克達拉市工業園區的大量建設導致其生境退化最為嚴重；鞏留縣東北部及新源縣西北部地區農牧業的發展超出了自然資源的承載力，使得其生境質量下降也較為明顯。此外，昭蘇縣天馬養殖業及旅游業的發展，也為當地生態環境的保護造成了一定的壓力。

圖6 1980—2020年伊犁河谷生境質量演變Fig.6 Habitat quality evolution of the Ili River Valley from 1980 to 2020

為使本文的研究成果更具參考價值，本研究使用分區統計工具，將生境質量退化均值按行政單元可視化呈現，并按自然斷點法將生境退化度劃分為5級，分別定義為冷點區、次冷點區、不顯著區、次熱點區、熱點區。SSP1-2.6 情景下，以生境退化冷點區為主，生境退化不明顯。SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5 情景下，生境退化熱點區、次熱點區及次冷點區都有所增加。生態退化熱點區縣域數量占比排名為：SSP5-8.5>SSP3-7.0>SSP2-4.5，其中伊寧市的巴彥岱鎮在以上3 種情景下，均為生境質量退化的熱點區域；霍爾果斯及都拉塔邊境口岸、新源縣的種羊場及公安農場、鞏留縣的牛場及綜合農場等農牧業基地均面臨生境質量退化風險。從縣域上來看，伊寧縣、察布查爾錫伯自治縣、鞏留縣、新源縣、霍城縣生境質量退化較為顯著，尼勒克縣、昭蘇縣、特克斯縣生境質量較為穩定。從生境重心轉移上看（圖7），2035年4種氣候情景下，生境低值區重心及較高值區重心轉移較為明顯，高值區及較低值區重心變幅較小。生境低值區重心及較高值區重心均向東南轉移，SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5 情景下，生境低值重心分別向東南轉移43.83 km、25.24 km、32.24 km、35.57 km；生境較高值區重心分別向東南轉移42.21 km、60.73 km、67.65 km、66.28 km。研究結果表明，伊犁河谷在今后的發展過程中需要加強東南部地區草地生態系統的保護力度，預防人類活動及氣候變化引起的草地退化及生態斑塊破碎化。

圖7 2035年多情景下生境退化及重心轉移Fig.7 Habitat degradation and center of gravity shift under multiple scenarios in 2035

3 討論

3.1 伊犁河谷生境質量的預測研究

構建生境質量評價模型，預測未來不同發展情景下河谷地區生態演變及退化狀況，對當地采取措施預防生態環境惡化具有一定的參考價值。本研究綜合考慮人類活動及氣候因素對生境質量的影響，彌補了當下生境質量預測研究中對氣候變化考慮較少的缺陷。此外，在土地利用預測過程中運用SD-PLUS集成模型，將共享社會經濟路徑下的人口、城鎮化率、地區生產總值及CMIP6 模式下的氣溫、降水等多源數據輸入SD模型。SD模型依據研究區歷史數據構建土地利用反饋機制，實現未來多種氣候情景下，伊犁河谷土地利用數量需求的預測，并將預測結果輸入到PLUS模型中實現土地利用空間分布格局的模擬。SD-PLUS集成模型的結合減少了土地利用預測中各地類轉移量設置的隨意性及不確定性，使得模擬效果更加精準。研究結果表明，1980—2020 年，伊犁河谷地區生境質量持續下降，2035 年4 種典型氣候情景下，生境指數均值皆保持下降趨勢，伊犁河谷地區生態問題不容樂觀，這與朱增云等［28］的研究結果較為一致。

3.2 生境質量對土地利用/覆被變化的響應

伊犁河谷生境質量等級與土地利用類型有著密切的聯系。從生境質量等級空間分布上來看，伊犁河谷生境質量高值及較高值區主要分布在的地形崎嶇的林草地覆被區，低值及較低值區主要分布在人類活動集聚區及南北天山未利用地覆被區。從生境退化度上來看，過去40 a間，退化區主要分布在伊犁河-鞏乃斯河流域及特克斯河流域，這些地區受人類工農業生產活動影響，地類發生轉變進而導致河流沿岸地區生態服務價值降低、生境質量減退。從土地開發強度上來看，伊犁河谷土地開發強度為：SSP5-8.5>SSP3-7.0>SSP2-4.5>SSP1-2.6，研究結果顯示土地的開發強度往往與生境質量呈現負相關，這與楊志鵬等［30］的研究結果具有一致性。從生境質量重心轉移上來看，生境低值區與生境較高值區重心轉移最為明顯，這與研究區南部及東部地區大面積草地退化為未利用地，東南部的生態斑塊破碎化相關，與閆俊杰等［31］的研究結果具有一致性。以上結論從不同角度，充分地證明了土地利用變化對生境質量的影響，由此可見合理地進行伊犁河谷地區國土空間規劃，是改善該地區生境質量的有效途徑。

3.3 伊犁河谷生態系統管理的建議及展望

作為我國西部大開發的戰略節點，地處于亞歐大陸腹地中部的伊犁河谷，被四周極其干旱的沙漠與戈壁包圍，加強伊犁河谷生態保護修復對筑牢中國西北部生態安全屏障具有重要意義。盡管該地區頒布了《伊犁河谷生態環境保護條例》《伊犁河谷百萬畝生態經濟林建設和生態修復工程規劃》等生態治理規劃條例，但預測結果顯示，2035 年不同氣候情景下，伊犁河谷生境質量仍呈現持續下降趨勢。伊犁河谷生境質量與土地利用/覆被類型密切相關，合理地進行國土資源優化配置是提升該地區生境質量、防范生境退化的有效抓手。為解決該地區草地面積持續下降、建設用地“攤大餅式”擴張、城郊耕地資源被蠶食3 大主要生態問題，伊犁河谷在今后發展過程中需嚴格遵循《伊犁州直國土空間總體規劃（2021—2035 年）》，通過構建河谷及沿邊城鎮發展軸，進一步加強伊寧市、霍爾果斯市、新源縣的區域中心功能，推動國土集聚開發，引導人口和產業的相對集中布局。同時，著重夯實農業強州的空間基礎，加強耕地資源保護，保障糧食生產安全，嚴格執行耕地和永久基本農田保護任務，以防止耕地的“非農化”和“非糧化”，并推進補充耕地儲備庫的整改和提質工作。在草原生態保護方面，繼續實施補助獎勵機制，對草畜平衡、草原禁牧和牧民生產進行獎勵和補助，此外加強對草地退化的動態監測，提升草地覆蓋度和產出能力。

本研究耦合SD-PLUS與InVEST模型，預測伊犁河谷典型氣候情景下土地利用/覆被和生境質量時空格局演變，為伊犁河谷生態環境保護和可持續發展提供依據和參考。然而，本研究也存在著一定的不足。首先，在運用SD模型進行氣候情景預測過程中使用到多源數據，其中未來人口、城鎮化率、地區生產總值、氣溫、降水數據為全球或全國尺度，數據的精確性及數據之間的匹配度有待進一步考量。其次，伊犁河谷地形復雜、地勢起伏較大，根據賈磊等［32］、劉長雨等［33］的研究結果顯示，在山地城市地形梯度效應對生境質量有著絕對性的影響，未來可從地形因子視角探究伊犁河谷生境質量的地形梯度效應，以期為區域生物多樣性保護和生態安全格局構建提供科學參考依據。

4 結論

（1）本文使用SD-PLUS集成模型模擬未來土地利用類型數量和空間演變，其中SD模型在確定土地利用需求時，誤差控制在±3%以內；PLUS 模型模擬結果總準確率為0.97，Kappa 系數為0.94，FOM 值為0.1，說明SD-PLUS模型適用于伊犁河谷未來土地利用/覆被演變及生境質量預測研究。

（2）1980—2020 年，伊犁河谷各地類面積呈現“4 增2 減”的變化趨勢。SD-PLUS 模型預測研究結果顯示，2035 年4 種氣候情景下，伊犁河谷耕地、林地、草地面積主要呈現下降趨勢，水域、建設用地、未利用地面積主要呈現上升趨勢。

（3）伊犁河谷生境質量等級與土地利用/覆被類型密切相關，生境高值區主要分布在林草地覆被區，生境低值區主要分布在人類活動集聚區及南北天山未利用地覆被區。1980—2020年，伊犁河谷生境指數呈現下降趨勢。2035 年4 種氣候情景下，生境指數持續走低，生境指數均值分別為0.7204、0.7141、0.7115、0.7068。

（4）1980—2020 年，伊犁河谷生境退化區主要集中在伊犁河-鞏乃斯河流域及特克斯河流域。2035 年4 種氣候情景下，生境退化程度排名為SSP5-8.5>SSP3-7.0>SSP2-4.5>SSP1-2.6。伊寧市的巴彥岱鎮、霍爾果斯及都拉塔邊境口岸、新源縣的種羊場及公安農場、鞏留縣的牛場及綜合農場等地面臨生境質量退化風險。伊犁河谷今后的發展過程中需預防人類活動及氣候變化引起的草地退化及生態斑塊破碎化，防止生境質量低值及較高值區向東南部轉移。