南水北調中線工程水源區生境質量時空演變與驅動力研究

何慶芳 梁俊紅 楊 柳

（湖北師范大學，湖北 黃石 435000）

生境質量是指生態系統為個體和種群的可持續發展與生存提供合適條件的能力。生境質量在一定程度上反映了區域生物多樣性和生態系統健康的狀況，并在維持生物多樣性方面發揮著重要作用。隨著人類活動的增加，對生態環境的干擾日益加劇，嚴重影響和改變了生態環境的現狀，擾亂了生鏡質量。加強對生境質量的研究，對生物多樣性保護、生態安全格局構建和生態系統服務功能的實現具有重要意義，同時有利于促進區域生態平衡、生態系統健康發展和國家生態安全等。目前生境質量評價方法主要有2 種，一種是采用熵權法、主成分分析法、層次分析法和價值評估方法等來評估生境質量，如鄭可君等[1]采用本地價值評估、活力指數和威脅因子及威脅強度，客觀、科學地對生境質量進行了評估；另一種是模型法，其中運用最成熟最廣泛的是InVEST 模型。InVEST 模型具有造價低、評估結果準確以及空間可視化等特點[2]。

南水北調中線工程水源區隸屬湖北、河南兩省，地處漢江上游，南陽盆地中西部，面積約為3.9 萬km2。地勢南北及西部高，東部低，主要地形為河谷平地、山間盆地、丘陵和山地。區內盛行亞熱帶季風，降水豐富，河流眾多，人口及城鎮密集。研究區內丹江口水庫作為南水北調中線工程核心水源區，是國家級重要水源保護地[3]。目前，對南水北調中線工程水源區生境質量的研究較少?；诖?，本研究采用InVEST 模型，借助地理探測器（地理探測器是分析數據空間異質性的有力工具，可用于定量分析單個驅動因子及因子交互對因變量的解釋力度[4]），揭示南水北調中線工程水源區2000—2020 年的生境質量時空分布特征及驅動因素，以期為保護水源區生物多樣性和生態安全，實現區域生態和經濟高質量發展提供理論依據與參考。

1 研究方法

1.1 土地利用類型動態度

土地利用類型動態度是衡量不同時期人類活動對土地利用改造程度的指標，可以反映研究區內土地利用類型數量的變化速度[5]，包括單一土地利用類型動態度和綜合土地利用類型動態度。

1.1.1 單一土地利用類型動態度

式中：Aa、Ab分別為研究期初和研究期末某一種土地利用類型的數量；T為研究時段，a；K為研究時段內某種土地利用類型動態度[6]，%。

1.1.2 綜合土地利用類型動態度

式中：LUi為監測起始時間第i類土地利用類型面積，km2；ΔLUi-j為監測時段內第i類土地利用類型轉為非j類土地利用類型面積的絕對值，km2；T為監測時段，a。當T的時段設定為“年”時，LC 為該研究區土地利用類型年變化率，%[7]。

1.2 InVEST 模型

本研究運用InVEST3.12 模型中的Habitat Quality模塊，確定威脅因子為水田、旱地、城鎮用地、農村居民點和其他建設用地。權重分別設置成0、0.5、1、0.7 和0.5。最大影響距離為1km、1km、10km、2km、1km，衰減類型前三個為線性衰減，后兩個為指數衰減。同時確定生境對威脅因子的敏感度（見表1），生成生境質量分布圖（見圖1）[8]。生境質量值的范圍是0～1，生境質量值越大代表生態環境越好。計算公式為

圖1 研究區2000—2020 年生境質量分布情況

表1 不同土地利用類型對威脅因子的敏感度

式中：Qxj為土地利用類型j中柵格x的生境質量值；Hj為土地利用類型j的生境適應比重；z為尺度常數，一般取值為2.5；k為半飽和常數；dxy為柵格x、y之間的距離；drmax為柵格y（威脅因子r中的柵格）中的威脅因子r（生境威脅因子）對柵格x的影響[9]；Dxj為生境在脅迫壓力下表現出退化的程度，為生境退化度指數[10-12]。

1.3 地理探測器

地理探測器(geographical detector)是由王勁峰等[4]提出的一種探測空間分異性，揭示其背后驅動因子的一種統計學方法。本研究共選取自然因素（高程、坡度、氣溫、降水、NDVI）與社會經濟因素（GDP、人口密度、人類活動強度）共8 個因子進行分析。

2 結果與分析

2.1 土地利用類型時空變化分析

由圖2 可知，2000—2020 年研究區土地利用類型以林地為主，分別占研究區的69.52%、69.47%、69.35%、69.17%、69.27%；然后是耕地，2000—2020年平均占比為17.34%；然后是草地（10.52%）、水域（1.97%）、建設用地（0.82%）、未利用地（平均面積1.59km2）。從空間上看，林地分布在水源區的北部、西部、南部大部分區域；耕地集中分布在西北、東北和西南地區；水域分布在東部地區（丹江口市附近）；建設用地集中分布在中部和東北部。主要是因為研究區大部分區域海拔較高，山區廣布，人口集中分布在平原、盆地地區以及河流湖泊附近，因此造就了現狀土地利用空間分布格局。研究區2000—2020 年不同類型土地利用面積見表2。

圖2 研究區2000—2020 年土地利用類型情況

表2 研究區2000—2020 年不同類型土地利用面積 單位： km2

由表3 可知，水源區2000—2020 年綜合土地利用動態度較低，為0.07%，呈現先增加后下降的趨勢。其中，2010—2015 年綜合土地利用動態度增長幅度最大，增加到了0.10%。2000—2020 年，未利用地的單一土地利用動態度最大，均值為9.71%，其次為建設用地（3.37%）、水域（2.06%），最低為耕地（-0.32%）；林地的土地利用動態度變化不大，相對穩定。主要原因是隨著水源區人口的增加、經濟的發展、城鎮化進程的加快，對未利用地和建設用地的需求增加。

表3 研究區2000—2020 年土地利用動態度 單位：%

2.2 生境質量時空變化特征

從時間上看，2000—2020 年水源區總體生境質量較好，但呈現先上升后下降趨勢，由0.7224 下降到0.7166（見表4），生境質量標準差呈現顯著上升趨勢，這表明柵格單元之間的生境質量差異在擴大。從空間上看，水源區的生境質量總體呈現由南向北、由西向東遞減的趨勢，見圖1。由表5 可知，水源區的生境質量等級分級中，高等級生境質量占比最大，平均占比為60.6%，其分布態勢與林地的分布一致，集中分布在巴東縣、丹鳳縣、興山縣和神農架區等地區，中等級生境質量與耕地分布高度相似，低等級生境質量分布與建設用地分布密切相關，這說明建設用地的擴張是生境質量惡化的最重要的因素。建設用地聚集了大量的人口、農田和城鎮，高強度的土地開發與利用加劇了生態環境的破壞程度。近20 年來，低等級的生境質量區域在逐漸擴張，呈現由點到面的轉變過程，見圖1。

表4 2000—2020 年生境質量統計

表5 2000—2020 年生境質量等級面積 單位： km2

由表6 可知，生境質量等級轉移的總面積為1773.41km2，占研究區總面積的4.5%，主要是中等級與高等級之間的轉變，生境質量向好轉移的面積為1000.58km2，占研究區總面積的2.5%；生境質量向差轉移的面積為772.83km2，占研究區總面積的2%。由此可見，生境質量變好的區域大于變差的區域，這與推行退耕還林、退田還湖的生態保護措施有極大的關系，同時也說明水源區在開發時注重對生態環境的保護。

表6 2000—2020 年生境質量等級轉移面積單位： km2

2.3 生境質量驅動力分析

從因子解釋力q值來看（見圖3），降序排列為人類活動強度（26.52%）＞高程（13.97%）＞NDVI（13.75%）＞坡度（12.62%）＞年平均氣溫（11.38%）＞人口密度（9.41%）＞年平均降水量（6.18%）＞GDP（6.16%），主導因子為人類活動強度、高程、NDVI?？偟膩碚f，自然因素的解釋力整體呈波動下降趨勢；社會經濟因素呈波動上升趨勢。

圖3 生境質量不同影響因子解釋力

3 結 語

本研究基于InVEST 模型的評估結果，綜合運用ArcGIS 軟件及地理探測器對研究區生境質量時空演變特征驅動因素進行定量化分析，可為研究區域的生態文明建設與生態環境可持續發展提供理論支撐和依據。但也存在一定的不足，InVEST 模型的結果具有一定的主觀性，因此在今后的研究中可以進行實地調查以確定更科學準確的參數，也可以結合多種因素對區域生境質量進行量化。