任卓琳 陈文南

(长安大学土地工程学院，陕西 西安 710054)

生境质量作为生态环境的本质特征，探索分析其时空分异演变规律，可以为区域生物多样性水平维护提供科学依据。目前，国内外对生境质量评估的研究主要聚焦于构建指标体系、基于模型模拟2方面。指标体系法采用实地调查建立指标体系对生境质量进行评价往往需要大量的人力物力，难以开展长时间的数据分析，研究区多为小区域或单一物种栖息地。模型评估法主要有IDSIRI生物多样性模块[1]、生境适宜性HIS模型[2]和InVEST模型[3，4]等，InVEST模型所需数据易获取、操作相对简单、可视化程度高、评估较准确，所以较为广泛地应用于相关研究中。

从区域角度看，延安市是林木覆盖区域至草地覆盖区域间的过渡地带，也被称为“生态危机带”，这一区域生态敏感性较高，生态系统极易退化。并且随着城市的扩张、建设用地的增加、矿业的开采等造成的水土流失、环境污染、地质灾害等给延安市生境质量带来了更大的压力。因此，本文综合已有研究成果，以延安市为研究区，利用InVEST模型中的生境质量模块，基于土地利用数据对2009年和2019年2个时段模拟延安市生境质量指数，评估其生境质量变化情况，分析2009—2019年延安市生境质量时空演变规律，以期为延安市生态环境保护与恢复、构建山水林田湖草生命共同体提供理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

延安市地处陕北黄土高原丘陵沟壑区，地势西北高东南低，属暖温带半湿润易旱气候区。依托资源禀赋，能源化工业发展较好。2019年末，全市常住人口225.57万人，城镇化率64.07%；全市生产总值1663.89亿元，占全省的6.45%。经济发展与环境保护不平衡，植被退化、矿区开采、道路硬化等导致生境环境脆弱。

1.2 数据来源

2009年和2019年2期土地利用数据来源于延安市自然资源局，通过ArcGIS 10.2软件转换为栅格数据。重分类为耕地、园地、林地、草地、水域、建设用地及其他土地7种类型。

1.3 研究方法

1.3.1 InVEST模型

InVEST模型生境质量模块通过生境质量指数表征生境质量状况，值越大生境质量越好。计算公式：

式中，Dxj为j类生境中栅格x的生境退化指数；r为威胁因子；R为威胁因子数量；y为威胁因子r所在栅格单元；Yr为威胁因子r的栅格数量；Wr为威胁因子r的权重；irxy为威胁因子r的最大影响距离；βx为生境抗干扰水平；Sjr为j类生境对威胁因子r敏感程度；Qxj为生境质量指数；Hj为生境适宜性；k为半饱和常数；Z为模型转换系数[5]。

本研究将耕地、城镇村及工矿用地、交通运输用地和裸土地作为生境威胁因子，并结合延安市实际情况对参数进行赋值，见表1、表2。

表1 胁迫因子权重与影响距离

表2 不同土地利用类型的生境适宜性以及对胁迫因子的敏感性

1.3.2 地学信息图谱

地学信息图谱是一种地理时空方法论，能够定量表达时空分布及其结构状况表征[6]。利用地图代数运算与图谱代码融合的空间分析方法，合成生境质量转移图谱，同时利用地图代数减运算得到延安市2009—2019年生境质量变化强度图谱，为正表示生境蔓延，为负表示生境萎缩。

2 结果与分析

2.1 延安市生境质量变化分析

利用相等间隔法将延安市生境质量[0，1]由低到高分为低[0～0.2)、较低[0.2～0.4)、中[0.4～0.6)、较高[0.6～0.8)、高[0.8～1.0]5个区间，并将此编码为1、2、3、4、5，得到生境质量空间分布图，见图1。时间上，延安市2009—2019年各级生境质量总体呈稳定状态，变化幅度不大，见表3。2009年、2019年中等和高等生境质量占比较多，较低状态占比少。2009—2019年，中等生境质量降幅1.25%，低级和较低增幅较大，分别为6.47%和8.45%，较高和高级增幅相对较小，分别为0.93%和0.87%。中等生境缩减而两极生境微增，延安市生境两极分化趋势有所增强。空间上，2009—2019年延安市生境质量整体分布为北低南高。北部吴起县、志丹县、安塞区、宝塔区、延川县和延长县生境质量整体偏低，各等级生境质量分布较为零散，所占面积广袤；该区域水土流失严重，易发生地质灾害，且人为活动较多，能源、工业、人口、建设等对生态产生较大影响，生境威胁源分布密集。富县东部、黄龙县东部和洛川县生境质量多为中等，且呈集中连片分布；该区域属黄土塬农业区，人为干扰力度较为稳定，对生境质量影响程度相对较小且较稳定。黄龙县、宜川县、黄陵县西部和富县西部为生境质量较高区域，集中分布明显，该区域人为活动较少，分布有多个水源涵养区，生物多样性丰富。总的来说，2009—2019年延安市生境质量水平整体处于高等状态，且从2009—2019年略有增加，这意味着延安市生境质量朝着好的方向发展。延安市位于黄土高原南部，生态环境脆弱，在21世纪社会经济高速发展的时代，延安市区域土地利用方式及建设强度等不断增加，不可避免地破坏局部环境，但随着退耕还林、矿山环境整治、生态环境保护等措施的提出与实施，区域生境质量逐渐在向良性循环发展。

表3 2009—2019年延安市各级生境质量状态

图1 2009—2019年延安市生境质量空间分布

2.2 延安市生境质量图谱转移分析

2.2.1 图谱转移数量分析

2009—2019年延安市生境质量图谱转移分析共生成25类图谱，未发生变化的图谱(编码11、22、33、44、55)占69.83%。稳定图谱中，高→高(编码55)占比81.61%，较低→较低(编码11)仅占0.0018%。

生境质量变化的图谱有20类，占图谱变化总量的30.17%，见表4。其中，前14类占图谱变化总量的9.58%，且低阶向高阶转换总量小于高阶向低阶转换总量，生境质量恶化，但变化比率均较小，总面积为1007.14km2；后6类占图谱变化总量的90.42%，较高和高2种等级间的相互转换最明显，占生境质量变化总量的49.33%，较高转向高的变化率为25.81%，大于高向较高转换的总量，表明生境质量改善量大于恶化量。此外，中和较高、中和高之间，中转向较高的变化率7.64%大于较高转向中的变化率3.71%，中转向高的变化率17.12%大于高转向中的变化率12.62%，生境质量均向好的方向发展。总体来说，低阶向高阶转换占图谱变化总量的53.74%，大于高阶向低阶转换总量，质量向好的图谱单元呈现净增长，区域生境质量整体在向较好的方向发展。

表4 2009—2019年延安市生境质量转移情况

2.2.2 图谱转移空间分析

2009—2019年延安市生境质量变化图谱在空间上存在着较为明显的区域差异性，见图2a，北部变化明显高于南部。其中，生境质量好转的图谱主要是较高→高、中→高和中→较高，主要分布于吴起县、志丹县、子长县、延川县、延长县、安塞区和宝塔区等广袤的北部区域，主要是由于近年来水土流失矿山环境治理以及生态环境修复取得了一定成效，尤其是自退耕还林及封山育林政策实施以来，延安市北部植被覆盖率得到了大幅度提升，区域生态环境得到了明显改善。生境质量变差的图谱主要是高→低、较高→低和中→低，主要位于各县区经济发展中心以及各个交通要道，土地利用方式转换频繁，矿业开采及施工建设等人为活动较为剧烈，对生态环境威胁较为明显，导致了生境质量的下降。未发生变化的图谱是高→高、较高→较高和中→中，主要分布于中南部区域，这些区域多位于自然保护地和重点农业发展地，人为干扰力度小而稳定，不易对生态环境产生剧烈影响。

图2 2009—2019年延安市生境质量转移图谱及变化强度空间分布

2.3 延安市生境质量变化强度分析

对2009年和2019年2期生境质量栅格数据进行地图代数运算，得到延安市生境质量变化强度，见表5。数量上，均衡状态占比69.83%。变化栅格中，初步蔓延与萎缩占比大，分别为10.11%和8.24%，较强蔓延与较强萎缩占比小，分别为0.22%和0.35%。均衡状态占比大，变化总强度蔓延大于萎缩，延安市生境质量总体稳中变好。空间上，见图2b，强萎缩主要位于延安市市区以及各县区中心，21世纪以来，人类活动强度不断增大，导致林地和草地减少，植被覆盖度降低，生境质量出现强萎缩。初步、中等及较强蔓延和萎缩间交叉伴生，主要分布于延安北部、东部以及中南部区域，甘泉县西部和宜川县中部有极为明显的初步蔓延。生境质量蔓延主要是由于相关法规颁布后，矿区生态环境保护取得明显成效，绝大部分废弃矿山转为林地，生态环境得到修复，并且退耕还林、封山育林等措施的实施，一定程度上促进生态环境的改善；生境质量萎缩主要是由于这一区域自然条件复杂，生态环境相对脆弱，经济社会的高速发展促进交通、旅游业以及建筑业的发展，导致部分林草地转为建设用地，一定程度上破坏了生态环境，导致生境质量恶化。但总体来说，二者此消彼涨，相互并存，区域整体生境质量波动较小。均衡态主要位于延安市东南部和西南部，多为自然保护地，受人类干扰力度较小，不易出现生境质量波动。

表5 2009—2019年延安市生境质量变化强度

3 结论

本研究利用InVEST模型估算延安市2009—2019年生境质量，揭示延安市生境质量时空变化特征。

2009—2019年，延安市生境质量总体稳定，整体生境质量处于高等水平且略有提升。由于延安市位于黄土高原中南地区，是林木覆盖区域至草地覆盖区域间的过渡地带，生境质量空间上自北向南逐级递增，以高、较高、中状态为主，低、较低状态较少，两极分化趋势有所增强，与区域社会经济发展、土地利用方式以及自然条件复杂性有着密切的关系。

2009—2019年，延安市生境质量转移图谱以未发生转移的图谱单元为主，生境质量整体未发生明显变化。生境质量发生转移的图谱中，较高和高、中和较高以及中和高之间的转换最为频繁。

2009—2019年，延安市生境质量变化强度不大，数量上以初级变化为主，极端变化极少。空间上北部明显大于南部，各县区经济发展中心变化强度最大，其他强度等级各地区分布不一，但蔓延强度整体大于萎缩强度。

4 讨论

在生态文明建设的背景下，延安市自然条件相对脆弱地区，应更加注重生态环境保护，挖掘城市内部开发潜力，严格控制建设用地扩张。同时，生境质量的萎缩与蔓延与各地区人为活动和自然条件有着密切的关系，各地区应结合实际情况，因地制宜地进行城市规划建设，矿山环境治理以及土地整治与生态修复，保障生境质量向良性方向持续健康发展。此外，对生境质量转移较为频繁的图谱进行监测并采取相应措施，促进其生境质量高质量发展。