阿勒泰地区生境质量的时空演变及其驱动因素.pdf
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1、DOI:10.12171/j.10001522.20230189阿勒泰地区生境质量的时空演变及其驱动因素卢梦1王鹤松1,2荀雪2(1.北京林业大学生态与自然保护学院,北京100083;2.新疆农业大学林学与风景园林学院,新疆,乌鲁木齐830052)摘要:【目的】揭示阿勒泰地区生境质量时空变化特征及其驱动机制,为当地生态环境保护和可持续发展提供科学支撑。【方法】基于 19902021 年逐年土地利用数据,运用 ArcGIS 和InVEST 模型定量分析了阿勒泰地区土地利用和生境质量的时空变化特征,并探究生境质量指数的驱动因子。【结果】(1)阿勒泰地区土地利用类型以裸地和草地为主,主要分布于中部和
2、南部,森林主要分布在研究区西北部,19902021 年土地利用类型发生较大的变化,主要表现为裸地和草地之间的相互转化以及二者转化为耕地、森林和建筑用地,其间草地面积大幅度下降,而耕地、森林、建筑用地面积有较大上升。(2)空间格局上,阿勒泰地区的生境质量呈现出西北和北部地区高、南部地区低的空间特征,生境质量高值区主要分布在西北部森林、草地以及水体区域,低值区主要分布在南部裸地区域。同时,19902021 年间生境质量平均值由0.513 降至 0.508。(3)土地利用程度和潜在蒸散发是驱动阿勒泰地区生境质量的两个主要因子,二者均与生境质量呈现显著负相关关系,年均温及年降水量与生境质量的相关性则较
3、弱。【结论】阿勒泰地区生境质量整体呈轻度下降趋势,且与土地利用程度显著相关。未来应继续推进林草生态治理,优化土地利用结构。研究结果有助于增进对当地生境质量长时间序列动态变化过程的理解,可为阿勒泰地区以及其他西北干旱区的生态建设和产业发展评估提供决策支持。关键词:阿勒泰地区;土地利用变化;InVEST 模型;生境质量;驱动因子中图分类号:S732文献标志码:A文章编号:10001522(2024)03002713引文格式:卢梦,王鹤松,荀雪.阿勒泰地区生境质量的时空演变及其驱动因素 J.北京林业大学学报,2024,46(3):2739.LuMeng,WangHesong,XunXue.Spati
4、al-temporalevolutionofhabitatqualityinAltayareaanditsdrivingfactorsJ.JournalofBeijingForestryUniversity,2024,46(3):2739.Spatial-temporal evolution of habitat quality in Altay area and its driving factorsLuMeng1WangHesong1,2XunXue2(1.SchoolofEcologyandNatureConservation,BeijingForestryUniversity,Beij
5、ing100083,China;2.CollegeofForestryandLandscapeArchitecture,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi830052,Xinjiang,China)Abstract:ObjectiveTheobjectiveofthisstudywastorevealthespatial-temporalevolutionanddrivingfactors of habitat quality in Altay area,and to provide scientific supports for ecological
6、environmentprotectionandsustainabledevelopment.MethodUsingayear-by-yearland-usedatasetrangingfrom1990to2021,ArcGISandInVESTmodelswereemployedtoevaluatethehabitatquality,andexplorethedrivingfactorsofhabitatqualityindex.Result(1)Barelandandgrasslandweredominantland-usetypes,mainlydistributedinthecentr
7、alandsouthernareas.Whileforestsweremainlydistributedinthenorthernpartofthestudyarea.From1990to2021,therewasasignificantchangeinland-usetypes,mainlyoccurredbetweenbarelandandgrassland,bothofthemweretransferredtocropland,forestsandbuild-upareas.Theareaofgrasslanddecreasedsignificantly,whiletheareasofc
8、ropland,forest,andbuild-upareasincreasedsignificantly.(2)Intermsofspatialpattern,thehabitatqualityinAltayareawashighinthenorthwestandthenorthregion,andlowinthesoutheastandthesouthregion.Theareaswithhighhabitatqualitywere收稿日期:20230728修回日期:20230915基金项目:科技部第三次新疆综合科学考察项目(2021xjkk0600),国家自然科学基金项目(4226501
9、2)。第一作者:卢梦。主要研究方向:生态系统服务功能。Email:地址:100083北京市海淀区清华东路35号北京林业大学生态与自然保护学院。责任作者:王鹤松,博士,教授。主要研究方向:全球变化生态学。Email:地址:同上。本刊网址:http:/;http:/第46卷第3期北京林业大学学报Vol.46,No.32024年3月JOURNALOFBEIJINGFORESTRYUNIVERSITYMar.,2024mainlydistributedintheforestandwatersareasofthenorthwesternpart,andthelowvalueareasweremainly
10、distributedinthebarelandofthesouthernpart.TheaveragevalueofhabitatqualityindexfortheAltay area decreased from 0.513 to 0.508 in 1990 to 2021.(3)The degree of land use and potentialevapotranspirationwerethetwomaindrivingfactorsthathadthehighestimpactonhabitatqualityinthestudy area,both of them showed
11、 significant negative correlations with habitat quality.Both of annualtemperatureandannualprecipitationhadweakcorrelationswithhabitatquality.ConclusionThehabitatqualityofAltayareagenerallyshowedaslightdecreasingtrendandwassignificantlycorrelatedwiththedegreeoflanduse.Infuture,ecologicalgovernanceonf
12、orestandgrasslandshouldbeenhancedandthestructureoflanduseshouldalsobeoptimized.Theresultswillbebenefittoenhancetheunderstandingofthelong-termdynamicchangesinhabitatquality,andtoprovidedecision-makingsupportforecologicalconstruction and industrial development evaluation in the Altay area and other ar
13、id areas in NorthwestChina.Key words:Altayarea;landusechange;InVESTmodel;habitatquality;drivingfactor生境质量是指生态系统为个体和种群提供适宜和可持续生活条件的能力1,是区域生物多样性和生态系统功能的重要反映23,而土地利用/覆盖变化(land-useandland-coverchange,LUCC)是一个由自然、社会和经济组成的复杂系统的变化,从根本上反映了生态系统的变化,反映了人类与生态之间的关系45。研究 LUCC 与生境质量变化之间的关系,是研究分析区域生态环境现状的有效手段6,对维持生
14、态系统的平衡和区域的可持续发展具有重要意义78。目前国内外关于生境质量的评价方法主要包括两种:一是传统的基于实地调查的指标评价法,二是以模型为基础,基于参数建立的模型评价法9。传统的指标评价法,主要是针对小规模范围内的生境,通过实地调查以各类指标作为评价因子构建评估体系,一般具有较高的准确性,但是会耗费大量的人力物力,不适用于大范围的生境质量评价1011。随着计算机技术和 3S 技术的发展,国内外许多学者通过函数模型,以生境特征相关参数建立评价体系进行研究1213,常见的模型有 InVEST 模型14、HIS 模型15、SoLVES 模型16和 Maxent 模型等1718。其中,应用最广泛的
15、是由美国斯坦福大学和相关机构共同研发的 InVEST 模型,该模型具有多模块、多层次的设计形式19,具有可视化强、计算速度快等优点,被广泛应用于不同情景的生境质量评价20。且其在数据获取和处理上较为方便,国内外学者不断扩展区域和时间尺度进行研究,如 Wei 等21对新疆艾比湖流域、Wei 等22对新疆乌苏市、Su 等23对西北干旱区的研究,也证实了该模型的可行性。阿勒泰地区是典型的西北干旱区,生态环境较为脆弱。但在新疆,阿勒泰地区是相对丰水区24,阿尔泰山地森林草原生态功能区被列为国家重点功能区之一,是人与自然和谐相处的生态文明示范区,也是新疆北部天然的生态屏障,极大地保障了新疆北部的生态安全
16、2526。阿尔泰山南坡分布以西伯利亚 落 叶 松(Larix sibirica)、西 伯 利 亚 云 杉(Piceaobovata)和西伯利亚红松(Pinus sibirica)为主要树种组成的天然针叶林,是我国泰加林的集中分布区。比起结构简单的人工林,阿尔泰山南坡天然林发挥着更重要的生态功能,在生物多样性保护、改善生态环境方面具有优势,提高了生态系统的稳定性和适应能力,对维护阿勒泰地区的生态环境发挥着极为重要的作用2728。过去几十年来,在全球气候变化和不合理的人类活动驱使下,LUCC 格局发生变化并带来一系列问题,如开垦采矿、开发旅游业等导致的区域草地退化,耕地、建筑用地扩张导致的生态环境
17、受损等。而阿勒泰地区作为我国重要的天然林区之一,分析该地区林地资源 19902021 年时空变化情况及其所在地区生境质量的时空变化,了解天然林资源保护工程对区域生态系统稳定性的影响,有助于制定科学合理的森林资源管理策略,推进区域生态系统的可持续发展进程。目前针对阿勒泰地区的生境质量和生态系统服务研究较少,且选用资料的时间间隔为 5 年或 10 年,如 Wang 等5和罗万云等25使用时间间隔为 5 年的遥感影像获取土地利用数据,樊影等24和 Fu 等29则通过中国科学院资源与环境科学数据中心获取时间间隔为 10 年土地利用数据,难以充分展现阿勒泰地区生境质量在时间维度上的动态变化,对生境质量指
18、数的变化趋势和规律的认识还有不足。综上,本研究使用高分辨率长时间序列逐年数据(19902021 年)驱动 InVEST 模型,获取阿勒泰地区逐年生境质量的空间分布,分析在气候与人类活动等驱动因素共同作用下,生境质量的时空变化特征及其影响因素。主要内容包括阿勒泰地区28北京林业大学学报第46卷LUCC 的空间分布特征与类型转换、生境质量的空间格局与时间变化趋势、气候和人类活动因素对生境质量的影响。研究有望为阿勒泰地区生态建设和经济发展提供决策支持,为林区的下一步发展以及生态保护政策的制定提供科学依据。1研究区概况阿勒泰地区位于新疆维吾尔自治区北端,介于85319104E,45004910N 之间
19、,总面积约11.8 万 km2,约占全疆面积的 7%,地处亚洲大陆腹地,地势东北高、西南低,地貌类型复杂多样,主要有山地、草原、沙漠等25。阿勒泰地区属中温带,全区为典型的温带大陆性气候,春旱多风,夏短炎热,秋凉气爽,冬寒漫长,多大风。区域内气候差异明显:中南部平原四季分明,浅山丘陵以上至冰川积雪带以下无明显四季之分,只有冷暖两季之别30。2数据与方法2.1 数据来源19902021 年间的逐年 LUCC 数据来源于武汉大学遥感信息处理研究所的 CLCD 产品(http:/ 30m,该产品包含了9 类地表覆盖类型:耕地、森林、灌木林、草地、水体、冰川积雪、裸地、建筑用地、湿地。气象数据包括年降
20、水量、年均温、年潜在蒸散发量数据,数据分辨率为 1km,来源于国家青藏高原科学数据中心(https:/ 研究方法2.2.1基于 InVEST 模型的生境质量计算本研究对 19902021 年阿勒泰地区的生境质量进行时空演变分析,选用了 InVEST 模型中的子模块生境质量模块。该模块是基于威胁源的影响距离及其空间权重、生境适宜度以及各 LUCC 类型对威胁源的敏感性,对研究区域的生境质量进行评估31。生境质量指数得分(01)表征生境质量状况,数值越高代表生境质量越好,生物多样性越完整,生态结构也更为稳定。在参考相关研究并结合研究区实况,以 0.2 为相等间隔,将生境质量分为低(:00.2)、较
21、低(:0.20.4)、中(:0.40.6)、较高(:0.60.8)和高(:0.81.0)共 5 个等级。Qxj=Hj1DzxjDzxj+Kz(1)Qxj式中:为第 j 种生境类型 x 栅格单元的生境质量HjDxj指数;为第 j 种生境类型的生境适宜度分值,取值范围为 01;z 为尺度常数,一般取 2.5;K 为半饱和常数,由用户根据使用数据的分辨率自定义;为生境退化程度指数,表示生境受到胁迫后表现出退化的程度。Dxj=Rr=1Yry=1(r/Rr=1r)ryirxyxSjr(2)YrrryxSjrirxy式中:R 为威胁源数量;为威胁源的栅格单元总数;为权重;为栅格单元上的威胁源个数;为栅格
22、x 的可达性水平;表示生境 j 对威胁源的敏感性,取值范围为 01;为威胁源的影响距离,可分别按线性衰退和指数衰退来计算。irxy=1dxy/drmax(3)irxy=exp(2.99dxy/drmax)(4)dxydrmax式中:为栅格 x 与 y 间的线性距离;是威胁源 r 的最大作用距离。威胁源表示的是对该区域生境质量影响更为显著、更具破坏性的类型,所以基于研究区 LUCC 的实际情况,选取受人类活动干扰较大的耕地、建设用地以及生境质量较低的裸地作为威胁源。根据InVEST模型推荐数据和前人对阿勒泰地区24,3234以及新疆区域35生境质量的研究成果,获取本地化的指标参数,以确保评估结果
23、的科学性和准确性。详细指标参数见表 1、表 2。表1威胁源属性Tab.1Propertiesofthreatsource威胁源类型Threatsourcetype最大影响距离Max.influencingdistance/km权重Weight空间衰退类型Spatialdecaytype耕地Cropland6.00.6线性Linear建筑用地Build-upland8.00.8指数型Exponential裸地Bareland5.00.7线性Linear表2不同土地利用类型的生境适宜度及其对威胁源的敏感度Tab.2Habitatsuitabilityofdifferentlandusetypesa
24、ndsensitivitytothreatsources土地利用类型Landusetype生境适宜度Habitatsuitability威胁源Threatsource耕地Cropland建筑用地Build-upland裸地Bareland耕地Cropland0.50.000.700.4森林Forest1.00.700.850.5灌木林Shrubland1.00.600.750.4草地Grassland0.80.700.800.7水体waters0.90.450.700.4冰川积雪Snowandice0.00.000.000.0裸地Bareland0.30.400.550.0建筑用地Build-
25、upland0.00.000.000.0湿地Wetland1.00.700.800.5第3期卢梦等:阿勒泰地区生境质量的时空演变及其驱动因素292.2.2线性变化趋势采用一元线性回归趋势分析方法,基于逐像元对 19902021 年阿勒泰地区的生境质量的空间变化进行趋势分析,利用最小二乘法拟合逐像元的斜率,从而计算变化率,最终反映 32 年来该区域生境质量的时空变化特征。计算公式见式(5)。lslope=nni=1iQini=1ini=1Qinni=1i2(ni=1i)2(5)Qiin式中:是第 年的生境质量指数;是总年数,为32;斜率 lslope反映 32 年间生境质量变化趋势,lslope
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