南水北调中线工程水源区生境质量时空演变与驱动力研究

何庆芳 梁俊红 杨 柳

（湖北师范大学，湖北 黄石 435000）

生境质量是指生态系统为个体和种群的可持续发展与生存提供合适条件的能力。生境质量在一定程度上反映了区域生物多样性和生态系统健康的状况，并在维持生物多样性方面发挥着重要作用。随着人类活动的增加，对生态环境的干扰日益加剧，严重影响和改变了生态环境的现状，扰乱了生镜质量。加强对生境质量的研究，对生物多样性保护、生态安全格局构建和生态系统服务功能的实现具有重要意义，同时有利于促进区域生态平衡、生态系统健康发展和国家生态安全等。目前生境质量评价方法主要有2 种，一种是采用熵权法、主成分分析法、层次分析法和价值评估方法等来评估生境质量，如郑可君等[1]采用本地价值评估、活力指数和威胁因子及威胁强度，客观、科学地对生境质量进行了评估；另一种是模型法，其中运用最成熟最广泛的是InVEST 模型。InVEST 模型具有造价低、评估结果准确以及空间可视化等特点[2]。

南水北调中线工程水源区隶属湖北、河南两省，地处汉江上游，南阳盆地中西部，面积约为3.9 万km2。地势南北及西部高，东部低，主要地形为河谷平地、山间盆地、丘陵和山地。区内盛行亚热带季风，降水丰富，河流众多，人口及城镇密集。研究区内丹江口水库作为南水北调中线工程核心水源区，是国家级重要水源保护地[3]。目前，对南水北调中线工程水源区生境质量的研究较少。基于此，本研究采用InVEST 模型，借助地理探测器（地理探测器是分析数据空间异质性的有力工具，可用于定量分析单个驱动因子及因子交互对因变量的解释力度[4]），揭示南水北调中线工程水源区2000—2020 年的生境质量时空分布特征及驱动因素，以期为保护水源区生物多样性和生态安全，实现区域生态和经济高质量发展提供理论依据与参考。

1 研究方法

1.1 土地利用类型动态度

土地利用类型动态度是衡量不同时期人类活动对土地利用改造程度的指标，可以反映研究区内土地利用类型数量的变化速度[5]，包括单一土地利用类型动态度和综合土地利用类型动态度。

1.1.1 单一土地利用类型动态度

式中：Aa、Ab分别为研究期初和研究期末某一种土地利用类型的数量；T为研究时段，a；K为研究时段内某种土地利用类型动态度[6]，%。

1.1.2 综合土地利用类型动态度

式中：LUi为监测起始时间第i类土地利用类型面积，km2；ΔLUi-j为监测时段内第i类土地利用类型转为非j类土地利用类型面积的绝对值，km2；T为监测时段，a。当T的时段设定为“年”时，LC 为该研究区土地利用类型年变化率，%[7]。

1.2 InVEST 模型

本研究运用InVEST3.12 模型中的Habitat Quality模块，确定威胁因子为水田、旱地、城镇用地、农村居民点和其他建设用地。权重分别设置成0、0.5、1、0.7 和0.5。最大影响距离为1km、1km、10km、2km、1km，衰减类型前三个为线性衰减，后两个为指数衰减。同时确定生境对威胁因子的敏感度（见表1），生成生境质量分布图（见图1）[8]。生境质量值的范围是0～1，生境质量值越大代表生态环境越好。计算公式为

图1 研究区2000—2020 年生境质量分布情况

表1 不同土地利用类型对威胁因子的敏感度

式中：Qxj为土地利用类型j中栅格x的生境质量值；Hj为土地利用类型j的生境适应比重；z为尺度常数，一般取值为2.5；k为半饱和常数；dxy为栅格x、y之间的距离；drmax为栅格y（威胁因子r中的栅格）中的威胁因子r（生境威胁因子）对栅格x的影响[9]；Dxj为生境在胁迫压力下表现出退化的程度，为生境退化度指数[10-12]。

1.3 地理探测器

地理探测器(geographical detector)是由王劲峰等[4]提出的一种探测空间分异性，揭示其背后驱动因子的一种统计学方法。本研究共选取自然因素（高程、坡度、气温、降水、NDVI）与社会经济因素（GDP、人口密度、人类活动强度）共8 个因子进行分析。

2 结果与分析

2.1 土地利用类型时空变化分析

由图2 可知，2000—2020 年研究区土地利用类型以林地为主，分别占研究区的69.52%、69.47%、69.35%、69.17%、69.27%；然后是耕地，2000—2020年平均占比为17.34%；然后是草地（10.52%）、水域（1.97%）、建设用地（0.82%）、未利用地（平均面积1.59km2）。从空间上看，林地分布在水源区的北部、西部、南部大部分区域；耕地集中分布在西北、东北和西南地区；水域分布在东部地区（丹江口市附近）；建设用地集中分布在中部和东北部。主要是因为研究区大部分区域海拔较高，山区广布，人口集中分布在平原、盆地地区以及河流湖泊附近，因此造就了现状土地利用空间分布格局。研究区2000—2020 年不同类型土地利用面积见表2。

图2 研究区2000—2020 年土地利用类型情况

表2 研究区2000—2020 年不同类型土地利用面积 单位： km2

由表3 可知，水源区2000—2020 年综合土地利用动态度较低，为0.07%，呈现先增加后下降的趋势。其中，2010—2015 年综合土地利用动态度增长幅度最大，增加到了0.10%。2000—2020 年，未利用地的单一土地利用动态度最大，均值为9.71%，其次为建设用地（3.37%）、水域（2.06%），最低为耕地（-0.32%）；林地的土地利用动态度变化不大，相对稳定。主要原因是随着水源区人口的增加、经济的发展、城镇化进程的加快，对未利用地和建设用地的需求增加。

表3 研究区2000—2020 年土地利用动态度 单位：%

2.2 生境质量时空变化特征

从时间上看，2000—2020 年水源区总体生境质量较好，但呈现先上升后下降趋势，由0.7224 下降到0.7166（见表4），生境质量标准差呈现显著上升趋势，这表明栅格单元之间的生境质量差异在扩大。从空间上看，水源区的生境质量总体呈现由南向北、由西向东递减的趋势，见图1。由表5 可知，水源区的生境质量等级分级中，高等级生境质量占比最大，平均占比为60.6%，其分布态势与林地的分布一致，集中分布在巴东县、丹凤县、兴山县和神农架区等地区，中等级生境质量与耕地分布高度相似，低等级生境质量分布与建设用地分布密切相关，这说明建设用地的扩张是生境质量恶化的最重要的因素。建设用地聚集了大量的人口、农田和城镇，高强度的土地开发与利用加剧了生态环境的破坏程度。近20 年来，低等级的生境质量区域在逐渐扩张，呈现由点到面的转变过程，见图1。

表4 2000—2020 年生境质量统计

表5 2000—2020 年生境质量等级面积 单位： km2

由表6 可知，生境质量等级转移的总面积为1773.41km2，占研究区总面积的4.5%，主要是中等级与高等级之间的转变，生境质量向好转移的面积为1000.58km2，占研究区总面积的2.5%；生境质量向差转移的面积为772.83km2，占研究区总面积的2%。由此可见，生境质量变好的区域大于变差的区域，这与推行退耕还林、退田还湖的生态保护措施有极大的关系，同时也说明水源区在开发时注重对生态环境的保护。

表6 2000—2020 年生境质量等级转移面积单位： km2

2.3 生境质量驱动力分析

从因子解释力q值来看（见图3），降序排列为人类活动强度（26.52%）＞高程（13.97%）＞NDVI（13.75%）＞坡度（12.62%）＞年平均气温（11.38%）＞人口密度（9.41%）＞年平均降水量（6.18%）＞GDP（6.16%），主导因子为人类活动强度、高程、NDVI。总的来说，自然因素的解释力整体呈波动下降趋势；社会经济因素呈波动上升趋势。

图3 生境质量不同影响因子解释力

3 结 语

本研究基于InVEST 模型的评估结果，综合运用ArcGIS 软件及地理探测器对研究区生境质量时空演变特征驱动因素进行定量化分析，可为研究区域的生态文明建设与生态环境可持续发展提供理论支撑和依据。但也存在一定的不足，InVEST 模型的结果具有一定的主观性，因此在今后的研究中可以进行实地调查以确定更科学准确的参数，也可以结合多种因素对区域生境质量进行量化。