尹 楠, 王 俊

(西北大学 城市与环境学院， 陕西 西安 710127)

湿地是全球3大生态系统之一，作为湿地因其不可替代的生态环境功能被誉为“地球之肾”和“物种基因库”。它不仅可以提供多种生产、生活资源，而且产生了巨大的环境和经济效益[1]。生境质量是指在一定的时间和空间中生态系统对人类生存繁衍、经济发展的适宜程度，是地域特征的一种主要表现，是生态环境本质属性的客观存在[2]。西安市泾渭湿地自然保护区对该市的气候调节、水质净化、生物多样性维持和社会经济等方面影响重大，随着高陵县撤县建区，保护区逐渐发展成为城中湿地，城市化进程使得保护区面临的人为干扰因素增多，严重影响到了保护区的生态环境质量和生物多样性，因此对保护区的生境质量进行定量评估，对保护区的生态环境保护和生物多样性维持具有重要意义。目前，国内外对生境质量评价的方法已有大量研究，如Christian采用了地面遥感与地下水模拟相结合的方法展开了生境质量评价，孔达等[3]采用景观指数、植被覆盖度指数、土地类型、气候因子等7个指标构建生境评价指标体系，孟岩等[4]采用生物丰度指数、植被覆盖度指数、土地退化指数、水网密度等指标构建生态环境状况指数(EI)模型等。由于生态系统的复杂性及研究者们认识的差异性，当前的研究方法都存在数据需求量大、研究结论不直观等弊端。InVEST模型是由美国斯坦福大学、世界自然基金会(world wildlife fund， WWF)和大自然保护协会(the nature conservancy， TNC)共同开发，旨在权衡发展和保护之间的关系，寻求最优自然资源管理和经济发展模式[5-7]。该模型采用多层级设计，并包含多方面的评估模块，可以对生态系统进行多尺度、多情境的综合评价；从模型功能特点出发，在GIS平台下开发的InVest模型，该模型在应用过程中数据量需求较低，具有很强的空间分析能力,并且估算结果还可以直接在地图上显示，进而使管理者能够在较短时间内对管理区的生态系统进行全面的了解，并快速、准确、有效地采取相应的管理措施及规划[8]。目前，InVest模型已成功运用于美国加利福尼亚州、夏威夷群岛，中美南部的委内瑞拉、哥伦比亚，亚洲印度尼西亚和非洲坦桑尼亚等国家及区域的生态系统服务功能与价值评估研究[9-10]等利用InVEST模型评估了2000—2009年非洲西部加纳和科特迪瓦2个国家的产水量、碳储量、水质净化功能、水土保持功能和生物多样性的变化。Nelson等[11]用lnVEST模型对美国威拉梅特盆地的生物多样性进行了评估，并计算不同生境质量得分下的物种面积关系指数，来分析生境质量与物种多样性之间的关系[12]。国内也有不少学者将InVEST模型参数在修正的基础上应用于研究当中，贾芳芳[13]利用InVEST模型对赣江流域生态系统服务功能进行测定，白健等[14]利用InVEST-Biodiversity模型对闽江流域生境质量变化进行了评价。包玉斌等[15]对黄河湿地自然保护区生境质量进行了评估。徐建宁等[16]采用InVEST模型，从生物多样性的角度出发，对横断山区小江流域的生境质量进行了量化评估，并分析其空间分布特征和区域差异。该模型在我国应用中仍然存在着若干问题。首先，该模型的研发具有一定地域背景，其本地化需建立不断完善的符合区域生态系统服务功能特征的数据库。考虑模型参数的适宜性和正确性，需结合地面调查与实验分析获取实证数据用于各模块相应参数的校验，以提高模型评估精度；其次，模型算法的简化以及应用的局限性均会影响评估结果的精度和不确定性[17]。作为西北地区重要的经济中心，西安市正处于高速的发展阶段，西安市泾渭湿地自然保护区在未来的城市化进程中将逐渐成为城中湿地，所以对保护区的生境质量和生物多样性保护研究显得很有必要，但是自2006年保护区成立以来，有关西安市泾渭湿地自然保护区的生境质量研究尚无。因此，本文采用InVEST生物多样性模型，结合保护区2006—2016土地利用/土地覆被变化情况，对保护区2006和2016年的生境质量进行定量评估，识别出保护区需要保护和关注的重要区域，以期为西安泾渭湿地自然保护区生态环境可持续性发展和土地合理利用开发提供科学合理的参考依据。

1 研究区概况

西安市泾渭湿地自然保护区位于西安市东北，地跨西安市未央区、灞桥区和高陵区，东起西韩路渭河大桥，西至西铜路渭河大桥，南以草临路灞河大桥为界，北至渭、泾河北岸台塬以上200 m。地理位置介于108°57′47″—109°06′07″E，34°23′55″—34°28′26″N，东西长13 km，南北宽1～3.5 km，呈Y形带状分布，总面积3 029.83 hm2。保护区海拔358～440 m，地形起伏度不大，是典型的河流地貌特征，主要包括渭河、泾河和灞河的平水位河道、沿渭河两岸断续分布的一级阶地、河漫滩和渭河北岸高陵区境内的黄土台塬。气候属于暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均气温13.3 ℃，全年降水集中在6—8月，多年平均降水量589.4 mm。保护区境内以陆生和水生维管植物为主，包括乔木、灌木、藤本、陆生草本、水生草本、寄生草本等6种生活型，其中陆生植物498中，水生植物43种，建群和优势植物以湿生植物和中生植物为主。保护区境内植被可以划分为灌丛植被型、草丛植被型、沼泽植被型和水生植被型等4种植被型。区内有国家Ⅱ级重点保护野生植物物种1种(野大豆)和陕西省地方重点保护植物物种2种(穗状狐尾藻、绶草)。因此，区内灌草丛植被和湿地是主要的生境。保护区范围内共有鸟类179种，共有湿地鸟类11目21科79种，占目前陕西省湿地鸟类总数121种的65.29%，国家重点保护鸟类23种，占陕西省分布的国家Ⅰ，Ⅱ级重点保护鸟类56种的41.07%。其中，Ⅰ级重点保护物种4种，分别是黑鹳，东方白鹳，金鵰，大鸨，Ⅱ级重点保护物种有卷羽鹈鹕，白琵鹭，鸿雁，大天鹅等19种[18]。区内生活在河流水体、水库坑塘、水渠岸边、草木沼泽和河滩草丛的鸟类种类和数量最多。因此，湿地和灌草丛植被是鸟类的主要栖息地，同时也是两栖爬行类和鱼类的重要生境，对维持保护区内生物多样性起到了决定性作用。

2 数据来源与处理

本文研究的基础数据有： ①基础地理数据。包括西安市边界和西安泾渭湿地自然保护区矢量边界，西安市边界数据通过Global Administrative Area官方网站下载。由于官方未发布保护区矢量边界范围，本文通过对保护区实地踏勘以及野外GPS点作为边界信息参照点，最终确定边界范围。 ②土地利用数据。包括2006和2016年两期土地利用/土地覆类型，在美国USGS官方网站下载Landsat4-5TM和Landsat 8 OLI遥感影像(像元大小30 m×30 m,轨道号为127036，时间分别为2006年6月19号和2016年6月17号，云量少于10%)。影像通过大气校正、几何校正，最终得到标准影像。分类软件采用德国eCognition 8.7，分类方法采用面向对象分类提取，由于保护区面积较小，影像在经过eCognition 8.7分割之后，分割斑块均质，在分类过程中对二级地类阔叶林、灌木林以及灌草丛地和草地的提取主要是依据NDVI植被指数、野外实地踏勘和Google earth高分辨率卫星影像和历史影像进行分类验证，最终获得土地利用/土地覆数据。根据保护区实际情况建立土地利用二级分类体系(表1)

表1 土地利用分类体系

3 研究方法

3.1 InVEST模型

InVEST模型的生物多样性模型结合景观类型敏感性和外界威胁强度，得到生境质量的分布，并根据生境质量的优劣，评估生物多样性维持状况[19]。该模型基于美国Esri公司的ArcGIS 10.2平台，模拟不同土地覆盖对生态环境质量好坏的影响，本研究所使用的是该模型最新版本InVEST 3.4.0，此版本包括海岸线脆弱性、生境质量、固碳、土壤侵蚀、水质、农作物产品等一系列模块，本文选取的是“生境质量”子模块。保护生境质量的首要目标就是维持生物多样性。针对西安泾渭湿地自然保护区的生态环境特点，本文利用InVEST生物多样性模块，结合土地利用和生物多样性威胁因素信息得到生境质量结果图，用于定性的分析和评价保护区生态环境和生物多样性保护状况。模型认为生物物种丰富，自然环境条件好，受威胁源影响较低的地区，其生境质量就高。该生境质量的概念实际上是生态系统能够提供物种生存繁衍条件的潜在能力。

模型中每个栅格都赋予一种LULC类型，主要分为生境栅格和威胁源栅格两大类，威胁的程度随生境栅格与威胁源距离的增加而减小，因此距离威胁源最近的那些栅格单元将受到较高的影响。同时根据威胁源距离的影响范围，同一生境栅格将会受到不同威胁源的共同威胁，例如，城市、道路、和居民点是某土地利用类型生境质量保持的威胁因素，模型就需要叠加这些威胁影响。生境质量的优劣基于生境质量指数表现出来。

模型采用半饱和函数将一个栅格单元受威胁源影响后的分值解译成生境质量得分值，在LULC类型j中的斑块组x的生境质量由Qxj表示：

(1)

Dxj通过公式(2)运算得到：

(2)

式中：r——威胁因子；R——威胁因子类型总和；y——r威胁因子栅格图上的一组栅格；Yr——r威胁因子栅格图上的所有栅格；ωr——威胁因子所占的权重，范围在0～1；ry——栅格y的威胁因子值，范围在0～1，irxy——威胁因子栅格y的值对生境栅格x的威胁水平；βx——法律保护程度，本文不考虑法律保护程度因子，因此将βx设为1；Sjr——生境类型j对胁迫因子r的敏感性，范围在0～1。

威胁因子r在栅格y处对生境栅格x的影响用irxy表示，用如下公式表达：

irxy=1-dxy/drmax(线性)

(3)

irxy=exp-2.99/drmaxdxy(指数)

(4)

式中：dxy——栅格x到栅格y之间的线性距离；drmax——威胁因子r的最大影响距离(km)。

文中公式(1)—(4)均来自InVEST模型官方使用说明书，对于威胁性因子旱地采用线性函数表达，居住地、工业用地和交通用地采用指数函数表达。

3.2 InVEST生物多样性模型数据获取

模型中涉及到的主要参数有威胁源影响范围及权重、各个地类的生境适宜性和对威胁源的敏感性，参数值分别列在表2—3。表2中威胁源权重值来源于模型推荐的参考值，西安市泾渭湿地自然保护区东西长13 km，南北宽仅1～3.5 km，根据研究区特点以及相关文献[16,20]确定最大威胁距离，表3中参数的确定参考了模型推荐参考值和及文献[14-15，20-21]。表3中生境适宜性以及敏感程度的确定遵循以下原则： ①在自然保护区内湿地和林地作为鸟类、两栖爬行类和鱼类的主要生境栖息地，因此本文将河流、水库/坑塘、草木沼泽的生境适宜性定为0.9，阔叶林和灌木林分别为0.8和0.7，其他生境越接近自然生态系统的适宜性越大，相对复杂的生境类型具有较大的适宜性，因此灌草丛地和草地分别为0.6和0.5，滩地和旱地分别为0.4和0.3；人工环境不具备生境适宜性，所以其余生境类型为0。 ②以模型推荐值为基础，生态系统越复杂，自我修复能力越强，对威胁源因子的敏感性越低，对于不同的生境类型的林地、草地和湿地,按照系统越复杂敏感性相对越低的原则进行相应调整。

表2 威胁源的影响范围及权重

表3 不同土地利用类型对威胁源的相对敏感程度及其生境适宜性

威胁因子表与生境适宜性及对不同威胁源的敏感度程度表均为.csv格式，需要与图层数据内容相对应。

通过分类获得的土地利用/覆盖数据获得两期旱地、居住地、工业用地、交通用地的威胁源图层，在ArcGIS里转为栅格数据，定义与数据源相同投影，栅格大小为30 m×30 m。

4 研究结果与分析

4.1 保护区土地利用转移变化分析

保护区主要的土地利用类型有森林、草地、湿地、农田、建设用地和裸地。通过2006—2016年的土地利用现状(图1)及土地利用转移矩阵(表4)，可以得到： ①2006年保护区刚刚成立之初到2016年的10 a间，土地利用变化呈现“一减多增”，其中农田急剧减少，其他土地利用类型均以不同程度增长，增长速度由快到慢依次为草地、建设用地、森林、湿地和裸地。 ②2006—2016年，农田面积变化最为明显，净减少了1 382.35 hm2，主要向草地(772.39 hm2)、湿地(235.80 hm2)、建设用地(193.93 hm2)和森林(148.80 hm2)转移，农田面积大幅度减少得益于保护区成立后的政令法规，使得区内的农田逐渐向能维持生物多样性的复杂生境类型转移。 ③草地、森林和湿地的面积增长显著，其中草地增加面积主要来自农田和湿地，森林主要来自农田、草地和湿地，湿地主要来自草地和农田，保护区内的大面积植树造林工程和保护区管理站的严格控制是森林、湿地和草地面积保持和持续增加的关键。 ④建设用地面积增长相对明显，净增277.54 hm2，甚至超过了森林和草地的增长速度，其面积增长主要来源于农田和草地, 随着保护区的路网和旅游业的发展，使得交通用地的面积增长也比较大。裸地面积未出现大幅度变动。

图1 研究区2006-2016年土地利用现状

土地利用类型2016年面积森林草地湿地农田建设用地裸地2006年合计森林0.002.554.680.000.760.007.99草地49.79324.82270.230.0076.507.95729.29湿地36.54258.05392.590.0035.787.23730.192006年面积农田148.80772.39235.8098.56193.9331.631481.11建设用地7.5219.093.240.2036.160.0066.21裸地0.855.757.430.000.620.2114.862016年合计243.501382.65913.9798.76343.7547.013 029.64

4.2 保护区生境质量

为了判断生境质量的变化情况，InVEST模型采用生境质量指数的大小来表示生境质量的好坏，每个栅格的不同土地利用类型会对应着不同生境质量指数，其值在0～1之间变化，越接近1表示生境质量越好，有利于维持生物多样性。

4.2.1 保护区整体生境质量分析 为了更加清晰直观地显示保护区的生境质量情况，利用ArcGIS里的自动分位法将生境质量指数分为高度生境(0.9～0.69)、中度生境(0.49～0.69)、一般生境(0～0.49)、非生境(0)这4类。同时利用InVEST模型运行出来的两期生境质量图层，在ARCGIS里进行栅格相减计算得到保护区10 a来生境质量变化图(如图2所示)，浅灰色部分表示生境质量退化的区域，灰色的部分表示生境质量未发生变化的地方，深灰色的部分表示生境质量变好的区域。结合InVEST生物多样性模型输出的两期生境质量图层(图3—4，表5)可知，2006年保护区整体生境质量主要集中在中度生境和一般生境，其中一般生境占保护区面积的49.75%，高度生境、中度生境和非生境分别占到23.53%,24.12%和2.60%，保护区平均生境质量指数4.3，最高生境质量指数达到0.89；而到了2016年，生境质量整体明显上升，其中高度生境和中度生境较2006年增长了58%和90%，并且最高生境质量指数上升到0.9，平均生境质量为5.8，与此同时，一般生境面积大幅度下降，值得注意的是非生境的面积增长到了380.06 hm2，占12.54%。

表5 保护区2006-2016年生境质量分布面积和比例

图2 2006-2016年间生境质量变化

图3 2006年保护区生境质量分布

图4 2016年保护区生境质量分布

4.2.2 保护区所在各区生境质量分析 西安市泾渭湿地自然保护区所辖区域涉及到西安市灞桥区、未央区和高陵区，其中高陵区是在2014年撤县建区，保护区在3个区所占面积分别为689.12,729.18和1 161.34 hm2。结合表6(其中生境质量变化表示2016年生境质量较2006年增长率)可知，10 a来保护区所在各区生境质量指数平均值呈现不同幅度的增长趋势，其中增长速度最快的是未央区，同比增长50.01%，未央区范围内浐灞国家湿地公园的建成，提高了保护区内湿地和自然植被的面积，同时范围内耕地面积较少为生境质量的快速增长提供了保障：增长最慢的是灞桥区，只有21.05%，但是灞桥区本来的生境质量基数相较其他2个区较高，增长后仍为最高的0.69。在灞桥区范围内存在较多大面积河流、草木沼泽、草地和水库坑塘，良好的生态环境尤其是为鸟类生存繁衍、迁徙提供了栖息地，但随着灞渭桥车游湿地公园的修建，使得原本保护区的核心区和缓冲区增加了作为威胁源的交通用地，同时引入了大量的人为扰动因素。高陵区排名最后，高陵区所包括保护区范围最大，境内耕地面积较大，生境质量一般，随着保护区的规划建设，境内耕地面积锐减到只剩渭河下游南岸的小部分，在泾渭生态半岛东南侧大片林地为整体生境质量提高贡献较大，与此同时，随着经济发展区内路网密集，相互交错，尤其是在泾渭交汇处内侧的路桥正在建设，毁掉林地和草地并且产生大面积裸地，使得区内生境排名靠后。

表6 保护区所在区域生境质量指数

4.2.3 保护区土地利用/覆被生境质量分析 土地利用/覆被类型(LULC)与环境变化和人类的生产生活密切相关，LULC不仅带来地表结构的巨大变化，而且影响整个系统的物质循环和能量流动，是导致物种和生态系统有效栖息地破碎和散失的主要过程，对区域生物多样性和重要生态过程影响深刻[22]。如表7所示，根据保护区土地利用/覆盖图、InVEST生物多样性模型的生境质量结果、文献研究和专家意见，结合保护区的生态环境具体情况，将土地利用类型分为天然生境(森林、草地、湿地)和人工生境(农田、建设用地、裸地)。如图3—4所示，颜色接近浅灰色的建设用地(居住地、交通用地、工业用地)表示人类活动频繁并对生态系统的人工干扰能力越强，这些区域本身就不具备生境适宜性，并且作为威胁源存在，造成整个生境的斑块破碎化程度较高，加速生境退化。因此基于土地利用/覆被类型分析天然生境和人工生境的生境质量差异变化和原因是保护区生境质量变化驱动因素的主要突破口。 10 a间，森林的生境质量等级由中等生境(0.6)上升到高度生境(0.72)，面积增长了7.77%，这主要是由于保护区退耕还林，加大了阔叶林和护堤林的种植面积；草地生境维持在中度生境基本不变，但是面积增长了21.55%；湿地生境质量保持在一个较高的水平，但较2006年稍微有所下降，面积增长了6.08%；农田生境质量水平为一般生境，较2006年稍微好转，农田面积下降了45.62%；建设用地的生境质量得分为0，但其面积增加了9.16%，威胁范围和程度越来越强，这说明作为威胁源的建设用地已成为保护区生境质量退化的关键性因素；裸地生境得分一直为0，面积增长了1.06%，其变化影响不大。人工生境向天然生境转移了38.19%，天然生境向人工生境转移了4.2%。

表7 保护区2006-2016各土地利用/土地覆盖类型生境质量及面积比例

5 讨论与结论

湿地自然保护区的生境质量评估对环境可持续发展、生物多样性维持和生态环境保护具有重要意义，本文以保护区刚成立之初到2016年的10 a为时间轴线，基于InVEST(3.4.0)生物多样性的Habitat Quality模块，利用土地利用/土地覆被信息数据，定量的评估保护区生物多样性生态服务功能，运用模型结果的生境质量指数和平均值分析了保护区整体到分区再到土地利用/土地覆被类型的生态环境质量，揭示了保护区存在的主要环境问题，阐明了生态变化的主要原因，对保护区未来的环境保护和发展方向提供了参考。

(1) 保护区2006和2016年整体平均生境质量指数为0.43和0.58，最大生境指数为0.89和0.9，随着10 a间的发展，保护区大部分生境质量明显上升，局部生境质量有所下降，最大生境指数较高，但是整体生境质量中等。

(2) 保护区所在各区2016年生境质量排名从高到低依次为灞桥区(0.69)、未央区(0.63)、高陵区(0.51)。灞桥区和未央区内湿地面积较多，耕地面积稀少，对生境质量的提高贡献较大；高陵区生境较破碎度较高，路网密集、草地面积较大，存在耕地，人为扰动性较强，抗干扰能力较差，加上正在修建的路桥，破坏林地和草地，使得生境质量偏低。

(3) 人工生境包括交通用地、居住地、工业用地和耕地对生态环境的干扰是生境质量下降的主要驱动因素，天然生境包括湿地和森林对保护区生物多样性维持功能贡献较大。保护区土地利用/土地覆被类型中，森林、湿地的生境质量得分较高，但保护区森林面积略显不足。

(4) 要提高保护区生境质量，首先要协调人地关系，减少为了经济发展对自然资源的不合理利用行为，以保护为主、发展为辅的原则，合理开发资源，走可持续发展的道路。

(5) 本研究仅使用了InVEST生物多样性模块进行评价，对保护区内水源涵养、水质净化、碳储量和食物供给等生态系统服务功能还有待进一步研究。