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  生态与农村环境学报  2019, Vol. 35 Issue (6): 764-772   DOI: 10.19741/j.issn.1673-4831.2018.0442
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沅江源自然保护区生境质量变化遥感监测
顾羊羊 1, 黄贤峰 2, 邹长新 1, 叶鑫 1, 林乃峰 1, 张卫民 3    
1. 生态环境部南京环境科学研究所, 江苏 南京 210042;
2. 贵州省环境科学研究设计院, 贵州 贵阳 550081;
3. 贵州省黔西南州林业局, 贵州 兴义 562400
摘要:使用遥感技术监测自然保护区生境质量变化情况,对制定差别化的区域生态保护政策具有重要意义。以贵州省沅江源自然保护区为例,基于Landsat影像数据,在Fragstats和InVEST软件支持下分析1990-2018年土地利用变化与景观格局特征,探讨保护区生境质量变化规律,评估自然保护区功能区划合理性并模拟生态保护情景对生境质量的改善效果。结果表明:(1)1990-2018年保护区土地转移主要发生在草地转为林地、耕地转为林地和草地间。土地利用程度综合指数增加,人类活动影响增强,保护区土地利用程度综合指数表现为核心区 < 缓冲区 < 实验区。(2)保护区耕地斑块聚集度提高,人工表面斑块密度增加,景观整体优势斑块连通性增加,破碎化程度降低,林地斑块对景观控制作用增强。(3)29 a间保护区平均生境质量呈现波动增加趋势,生境质量提高8.64%,保护区平均生境质量表现为核心区>缓冲区>实验区。(4)保护区生境质量改善趋势大于退化趋势。定量评估生态保护情景,沅江源自然保护区平均生境质量指数从当前情景的0.88提高到0.90。退耕还林还草工程的实施以及保护区内人类活动增加是保护区生境质量改变的主要原因。
关键词Landsat影像    景观格局    InVEST模型    生境质量    生境贡献率    沅江源自然保护区    
Monitoring Habitat Quality Changes in Yuanjiangyuan Nature Reserve Based on Landsat Images
GU Yang-yang 1, HUANG Xian-feng 2, ZOU Chang-xin 1, YE Xin 1, LIN Nai-feng 1, ZHANG Wei-ming 3    
1. Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Ecology and Environment, Nanjing 210042, China;
2. Guizhou Institute of Environmental Sciences Research and Design, Guiyang 550081, China;
3. Forestry Bureau of Qianxinan Prefecture, Xingyi 562400, China
Abstract: In nature reserve, monitoring habitat quality changes by remote sensing technology is of great significance to regional ecological protection policies making. Taking the Yuanjiangyuan Nature Reserve in Guizhou Province as an example, combining Fragstats 4. 2 with InVEST 3. 4. 4 software, land use changes and landscape patterns were analyzed based on Landsat-5 TM images, Landsat-7 ETM+ images and Landsat-8 OLI images from 1990 to 2018. Then, the habitat quality changes were explored and validity of the functional zoning was assessed. Finally, habitat quality improvement affected by ecological protection scenarios was simulated. Results showed that:from 1990 to 2018, forest, constructed land and wetland in nature reserve increased, while grassland, other types and cultivated land decreased. The land transformation of reserve mainly occurred from grassland to forest, cultivated land to forest and cultivated land to grassland. As integrated degree of land use increased, the impact of human activities was gradually increasing. The integrated degree of land use was in the order of the core area < buffer area < pilot area during the past 29 years. The clumpy of cultivated land and the patch density of artificial land increased in reserve. Increase of landscape advantage of patch connectivity led to decrease of the fragmentation. Forest patch controlled landscape pattern. The average habitat quality showed a fluctuating increase trend from 1990 to 2018, which increased by 8. 64% than those in 1990. The average habitat quality was in the order of the core area > buffer area > pilot area in the past 29 years. The trend of habitat quality improvement was greater than that of degradation in nature reserves. Under the ecological protection scenario, the average habitat quality of the reserve increased from 0. 88 to 0. 90. The implementation of Green for Grain plan and the increase of human activities were the main reasons for the changes of the habitat quality.
Key words: Landsat images    landscape pattern    InVEST model    habitat quality    habitat quality contribution rate    Yuanjiangyuan Nature Reserve    

生境质量能够有效反映区域生物多样性维持能力的高低。评估生境质量是制定有效的生物多样性保护措施的基础。生境质量主要受土地利用/覆被变化影响,比如大型工程建设[1]、城市规模扩张[2-3]、耕地面积增加[4]等。生境质量评估方法主要有基于景观格局指数的指标体系法[5]和基于数学模型的方法[6-7]。王巍淇等[5]基于土地利用景观指标构建生态风险指数,分析云南省生态风险时空变化。闫瑞强等[8]采用生境适宜性等指数评估雅鲁藏布江地区黑颈鹤生境适宜性。以上方法对研究区调查数据要求较高,针对保护区多年生境质量评估较难执行。近年来InVEST⁃Habitat Quality模型由于数据容易获取、无需野外详细物种调查、能够快速评估区域生境质量等优点,已经被广泛运用于生境质量评价[7, 9]。该模型可以将土地利用/覆被类型与胁迫源联系起来,通过估算威胁源对生境的负作用来计算生境质量。国外学者通过InVEST模型评估流域生境质量并预测不同保护情景对生境质量的影响[9]。刘智方等[10]运用InVEST模型研究福建省土地利用变化对生境质量的影响。自然保护区物种资源丰富,可以有效保护区域生物多样性,促进物质流、能流及信息流的传递。我国从1956年开始进行自然保护区建设,由于野外调查数据和相关统计信息严重缺乏,难以用传统方法对生境质量进行科学评估。遥感影像具有时效性、覆盖面积广、真实性、获取方便等特点[11-12]。美国国家航空航天局自1972年7月23日起共发射8颗陆地卫星(Landsat系列),已经对地球进行46 a遥感监测,并成功运用于城市规划、生态环境、防灾减灾等领域[13]。包玉斌等[14]基于InVEST模型计算黄河湿地自然保护区生境质量变化并分析影响因素。黄贤峰等[12]通过多期遥感影像对喀斯特自然保护区生境质量进行监测。目前采用遥感影像对自然保护区生境质量进行长期监测的研究较少,同时自然保护区生态质量的变化过程、趋势及驱动力尚不清楚,严重影响了自然保护区功能划定、持续保护及动态管理。

笔者以贵州省沅江源自然保护区为例,基于4期Landsat系列影像数据,通过人机交互式解译获得土地利用数据,运用Fragstats 4. 2和InVEST 3. 4. 4软件分析1990—2018年保护区土地利用变化与景观格局特征,探讨保护区生境质量动态过程,并模拟生态保护情景下的生境质量变化趋势,解析生境变化的驱动力,以期为自然保护区功能区划合理性评价提供依据,为自然保护区科学管理提供决策支持。

1 研究区概况

贵州沅江源省级自然保护区位于黔南布依族苗族自治州都匀市西北部。2018年都匀市政府拟将螺丝壳自然保护区和斗篷山自然保护区整合并建设沅江源自然保护区。该自然保护区位于北纬26° 13'12″ ~ 26° 24'18″,东经107° 19'29″ ~ 107° 26'51″,保护区总面积87. 96 km2图 1)。保护区平均海拔1 200~1 500 m,土壤以黄壤为主,石灰土次之。研究区属中亚热带季风气候区,年平均气温16. 1℃,≥10 ℃积温在4 800. 2~5 710. 8 ℃范围内。年日照时数为1 200 h左右,年降水量为868. 6~ 1 443. 9 mm,保护区降水充沛,但时空分布不均。由于水热条件较好,区内生物多样性丰富。保护区主要森林植被为以壳斗科(Fagaceae)、樟科(Lauraceae)、山茶科(Theaceae)、蔷薇科(Rosaceae)、槭树科(Aceraceae)等为代表的地带性常绿阔叶林和山地常绿落叶阔叶混交林,以及次生性喀斯特非地带性常绿落叶阔叶混交林、灌木灌丛林。

图 1 研究区区位图 Fig. 1 Location of the study area
2 研究方法 2.1 数据来源与处理

选用中高分辨率的Landsat系列遥感影像(来源http://glovis.usgs.gov)研究沅江源自然保护区生境质量动态变化。为获取研究区1990—2018年间生境质量的动态变化,选取1990、2000、2010和2018年4个不同时期作为代表年份,每个时期选择2景云量覆盖率较低影像(表 1)。根据文献[15],将研究区土地覆被类型分为林地、草地、湿地、耕地、人工表面和其他用地。利用ENVI 5. 1遥感软件对4个时期的遥感影像进行裁剪和重采样等预处理。根据实地采样结合纹理信息[16],采用支持向量机分类方法对影像分布进行监督分类,然后通过人工目视判读方式对错分的类型进行校正,最终得到研究区4期土地覆被类型结果。

表 1 遥感影像信息 Table 1 Remote sensing information
2.2 土地利用程度

土地利用程度综合指数可以有效反映人类活动对区域土地利用变化的影响水平[17]。其计算公式为

$ I=100 \times A_{i} \times B_{i}, $ (1)
$ \Delta I_{b-a}=I_{b}-I_{a}=\sum\limits_{i=1}^{n} A_{i} \times B_{i b}-\sum\limits_{i=1}^{n} A_{i} \times B_{i a} \times 100。$ (2)

式(1)~(2)中,I为研究区的土地利用程度综合指数;Ai为第i级土地利用程度分级指数,取值详见文献[18];Bi为第i级土地利用程度面积占比;ΔIb-a为土地利用程度综合变化指数,正值表示该区域b时间土地利用程度指数大于a时间,否则相反;IaIb分别为时间a和时间b对应的第i等级土地利用程度面积占比。

2.3 景观格局指数

景观格局指数反映了景观要素在空间格局上形状、比例和空间配置等特征。根据需要在类型水平上选取斑块面积比例(PLAND)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、聚集度(CLUMPY),在景观水平上选取斑块数(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、蔓延度(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)。景观指数的计算方式及意义见文献[19-20]。

2.4 生境质量模型

选用InVEST模型中Habitat Quality模块估算研究区生境质量[21]。假设生境为不同土地利用类型(即林地、草地、湿地、耕地、农村居民点、交通用地和裸土/裸岩),同时将交通用地、耕地和农村居民点作为生境威胁源。生境退化度计算公式[22]

$ D_{x j}=\sum\limits_{r=1}^{R} \sum\limits_{y=1}^{Y_{r}}\left(\omega_{r} / \sum\limits_{r=1}^{R} \omega_{r}\right) \times r_{y} \times i_{r_{r y}} \times \beta_{x} \times S_{j r}, $ (3)
$ i_{r x y}=1-d_{x y} / d_{r, \max }。$ (4)

式(3)~(4)中,Dxj为土地利用类型j中栅格x的生境退化度;r为生境的威胁源;y为威胁源r中的栅格;ωr为不同威胁源的权重;dxy为栅格x(生境)与栅格y(威胁源)的距离;dr,max为威胁源r的影响范围;ry为威胁源强度;irxy为威胁源对生境每个栅格的影响;βx为生境抗干扰水平;Sjr为每种生境对不同威胁源的相对敏感度。假设威胁源的影响随距离增加呈现线性衰减趋势。

基于生境退化度Dxj值,生境质量计算公式为

$ Q_{x j}=H_{j} \times\left[1-D_{x j}^{z} /\left(D_{x j} z+k^{z}\right)\right]。$ (5)

式(5)中,Qxj为土地利用类型j中栅格x的生境质量;Hj为土地利用类型j的生境适宜度;k为半饱和常数,取Dxj最大值的一半;z为模型默认参数。

生境模型输入参数根据《InVEST模型指导手册》及文献[7, 21-22]取值,威胁源参数值见表 2,不同生境类型对威胁因子的敏感性参数值见表 3

表 2 威胁源的属性表 Table 2 Threats attribute table

表 3 不同生境类型对威胁因子的敏感性参数值 Table 3 Sensitivity of habitat types to each threat
2.5 土地利用变化类型生境贡献率

土地利用变化类型生境贡献率指某一种土地利用类型发生变化从而导致区域生境质量发生改变的比率[23],其表达式为

$ Q_{\mathrm{ClH}}=\left(Q_{\mathrm{H}, t+1}-Q_{\mathrm{H}, t}\right) \times L / T。$ (6)

式(6)中,QCLH为土地利用变化类型生境贡献率;QH, tQH, t + 1分别为变化初期和末期某种土地利用变化类型的生境质量指数;L为该变化类型面积,km2T为保护区总面积,km2

3 结果与分析 3.1 土地利用变化分析

2018年沅江源自然保护区林地、草地和耕地面积分别为60. 86、18. 97和4. 85 km2,3者占整个保护区面积的96. 27%。其他用地面积为0. 42 km2,占保护区面积比例仅为0. 48%。人工表面(农村居民点和交通用地)和湿地面积分别为2. 72和0. 14 km2,分别占保护区面积的3. 09%和0. 16%。1990— 2018年沅江源自然保护区的林地和人工表面面积呈现增加趋势,草地、其他用地和耕地面积呈现减少趋势。以裸岩、裸土为主的其他用地面积减少量最大,与1990年相比减少92. 29%。对比不同功能分区的土地利用类型面积变化发现,实验区变化较大,核心区和缓冲区变化较小。其中,实验区林地面积增加6. 84 km2,人工表面增加1. 46 km2,草地减少4. 11 km2,其他用地减少3. 61 km2图 2)。

图 2 1990—2018年不同功能分区各土地利用类型面积变化 Fig. 2 Changes of land use areas in different functional zones from 1990 to 2018

研究区土地利用转移桑基图见图 3所示。1990—2000年土地利用转移主要表现为草地转林地、林地转草地、耕地转林地和草地,分别有10. 39 km2草地转为林地,7. 81 km2林地转为草地,3. 74 km2耕地分别转为林地和草地。2000—2010年分别有6. 15 km2草地转为林地,4. 70 km2林地转为草地,3. 72 km2草地转为耕地。2010—2018年土地利用转移主要发生在草地转林地、耕地转草地和林地转草地之间,分别转移13. 72、5. 44和5. 30 km2。总体来看,1990—2018年保护区土地转移主要发生在草地转林地、林地转草地和耕地转林地之间,分别转移14. 79、3. 82和2. 14 km2

图 3 1990—2018年保护区土地利用转移桑基图 Fig. 3 The Sankey diagram of land use transformation in nature reserve from 1990 to 2018
3.2 土地利用程度分析

根据沅江源自然保护区不同功能分区4期土地利用数据,将研究区6种土地利用类型对应的土地利用程度分级指数和各级面积比例带入计算公式,得到1990、2000、2010和2018年保护区土地利用程度综合指数分别为201. 68、205. 89、214. 04和211. 22(表 4)。自然保护区1990—2010年土地利用程度综合指数变化值为12. 36,该时期土地利用综合水平增加,人类活动对保护区土地利用影响逐渐加大,主要表现为草地面积减少,耕地和人工表面面积增加。2010—2018年土地利用程度综合指数变化值为2. 82,土地利用程度综合指数减小,这一时段人类活动对土地利用类型的影响主要表现为林地增加和耕地减少。对比多期不同功能分区土地利用程度综合指数,核心区土地利用程度综合指数最小,其次是缓冲区,实验区最大。

表 4 1990—2018不同功能分区土地利用程度综合指数 Table 4 The integrated degree of land use change in dif‑ ferent functional zones from 1990 to 2018
3.3 土地利用景观格局变化 3.3.1 景观类型水平特征分析

1990—2018年沅江源自然保护区林地斑块面积比例呈现增加趋势,景观形状指数呈现先减少后增加趋势(表 5)。草地斑块面积比例降低,斑块密度先减少后增加。耕地斑块面积比例先增加后减少,聚集度指数呈现波动增加趋势,保护区内人类开垦使用耕地的形状趋于规则,斑块聚集度提高,斑块的连通性增强。人工表面斑块类型面积呈现增加趋势,斑块密度持续增加,景观形状指数增加。随着居民生活水平提高,实验区道路改扩建,保护区内原有居民房屋维修和生产生活范围扩大,景观破碎化增加。其他用地斑块面积持续降低,裸土/裸岩等其他用地得到有效利用。

表 5 1990—2018年保护区景观类型水平指数 Table 5 Index at landscape class level in different functional zones from 1990 to 2018
3.3.2 景观级别水平特征分析

从景观级别水平来看,保护区景观形状指数在1990—2000年降低幅度达12. 77%,2000—2018年呈现持续增加趋势(表 6)。保护区最大斑块指数和蔓延度在研究期间内呈现上升趋势,19 a间蔓延度上升33. 30%,景观整体优势斑块形成良好的连接,景观破碎化程度较低。香农多样性指数表现为波动降低趋势,香农多样性指数减少表明各景观类型在景观分布中均衡化程度较低,景观异质性减弱。香农均匀度指数减少,说明区域内景观优势度在增加,景观优势类别对景观整体的控制作用在增强,主要是林地斑块面积增加对景观控制作用增强和草地斑块面积减少对景观控制作用减少所致。

表 6 1990—2018年保护区景观级别水平指数 Table 6 Index at landscape level in different functional zones from 1990 to 2018
3.4 生境质量变化分析

沅江源自然保护区平均生境质量指数从1990年的0. 81波动增加到2018年的0. 88,29 a平均生境质量提高8. 64%(表 7),生境质量整体呈现改善趋势。其中实验区平均生境质量指数提高幅度最大,从1990年的0. 76增加到2018年的0. 83,变化率为9. 21%。其次是核心区,从1990年的0. 87增加到2018年的0. 93,变化率为6. 90%。缓冲区平均生境质量指数提高较慢,从1990年的0. 85增加到2018年的0. 89,变化率为4. 71%。总体来看,1990— 2018年保护区核心区平均生境质量最好,其次是缓冲区,最后是实验区。

表 7 1990—2018年不同功能分区平均生境质量变化 Table 7 Changes of average habitat quality in different functional zones from 1990 to 2018
3.5 土地利用变化类型对生境质量的影响

根据土地利用类型变化数据结合式(6)计算各土地利用类型变化对区域生境质量影响的贡献度。由表 8可知,提高沅江源自然保护区生境质量的土地利用变化类型主要发生在草地转林地、其他用地转草地和其他用地转林地之间,转化面积分别为14. 79、2. 23和1. 78 km2,而草地向林地转化的贡献率最高,达2. 88%;此外,耕地转林地、其他用地转耕地和耕地转草地也对保护区生境质量提高有积极作用。降低沅江源自然保护区生境质量的土地利用转型主要发生在林地转草地和草地转耕地之间,转化面积分别为3. 82和2. 08 km2;此外,草地转人工表面以及林地转耕地也可降低保护区生境质量。

表 8 主要土地利用转移类型及贡献率 Table 8 Major land use transformation and contribution rate

保护区土地利用变化的主要原因是2002年起贵州省全面实行退耕还林还草工程,包括荒山造林、封山育林、改变居民生活方式等措施。截至2018年,沅江源保护区林地面积增加13. 65 km2,其他用地面积减少5. 03 km2,耕地面积减少0. 2 km2,2018年森林覆盖率达69. 19%,生境质量呈现提高趋势。但随着保护区人类活动逐渐增加,29 a间人工表面面积共增加1. 78 km2,该区域生境质量也同步呈现降低趋势。总体而言,沅江源自然保护区生境质量提高与生境质量降低2种趋势同时存在,但生境质量提高的趋势远大于生境质量降低的趋势,保护区生境质量明显提高。

3.6 生态保护情景下生境质量变化

近29 a土地利用类型变化对生境质量影响贡献度的研究表明,保护区采取的退耕还林还草工程、封山育林以及减少柴薪砍伐等措施取得积极成效,但保护区内道路改扩建和耕地面积增加也威胁着保护区的生境质量。因此,有针对性地采取退耕还林还草工程以及控制人类活动规模可以提高生境质量,从而维护区域生物多样性。笔者对生态保护情景进行定义,假设区域人类活动规模维持现状,将地形坡度大于25°以上的耕地全部转为林地,坡度小于25°的耕地转为草地。运用Habitat Quality工具模拟生态保护情景下对自然保护区生境质量的提升效果,结果发现研究区平均生境质量指数从当前情景的0. 88提高到保护情景下的0. 90,平均生境质量指数提高2. 27%,生境质量改善。其中实验区平均生境质量指数改善最明显,从当前情景的0. 83提高到保护情景下的0. 87,而核心区和缓冲区改善幅度较小。

4 讨论与结论 4.1 讨论

研究选用Landsat系列遥感影像数据,识别区域土地利用/覆被变化和景观格局,对自然保护区生境质量变化进行长期监测,并评估不同功能分区生境质量变化情况。结果发现1990—2018年保护区核心区土地利用程度综合指数最小,其次是缓冲区,实验区最大。生境质量为核心区最高,其次是缓冲区,最后是实验区,拟建沅江源自然保护区功能分区划定合理。该研究时间跨度较长,目前能够长期稳定监测地表覆被变化以及被广泛运用的是Land⁃ sat系列遥感影像,高分辨率遥感影像由于时间跨度较短,无法为长时间的地面遥感监测提供适用数据。李艳忠等[16]和王艳芳等[24]均使用Landsat系列卫星影像作为基准数据来源开展相关研究,结果证实Landsat系列影像能够满足自然保护区研究需要。在以后研究中需要引入高分辨率的Sentinel-2卫星和SPOT-5卫星,增加土地利用/覆被的用地类型和提高分类精度。估算生境质量所用的InVEST模型参数设置主要来源于相关参考文献,若能在实地测算实验参数与验证,评估结果将更加科学可靠。

4.2 结论

(1)1990—2018年沅江源自然保护区林地、人工表面和湿地面积呈现增加趋势,草地、其他类型和耕地面积呈现减少趋势。保护区土地转移主要发生在草地转林地、耕地转林地和耕地转草地之间。土地利用程度综合指数增加,当地居民土地利用范围扩大。核心区土地利用程度综合指数最小,其次是缓冲区和实验区。

(2)保护区耕地斑块聚集度提高,人工表面斑块密度增加,其他用地斑块面积持续减少,人类对土地开发强度增加。景观整体优势斑块连通性增加,破碎化程度降低,林地斑块对景观控制作用增强,景观异质性减弱。

(3)1990—2018年保护区平均生境质量提高8. 64%,呈现波动增加趋势,整体生境质量得到改善。29 a间保护区核心区平均生境质量最高,其次是缓冲区,最后是实验区。

(4)保护区生境质量改善的主要原因是退耕还林还草工程实施引起的草地向林地以及其他用地向草地和林地的转化,生境质量退化的主要是保护区内人类活动的增加导致的林地向草地和草地向耕地的转化,生态环境改善趋势大于退化趋势。在生态保护情景下,沅江源自然保护区平均生境质量指数从当前情景的0. 88提高到0. 90,生境质量明显改善。

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