生态学报  2018, Vol. 38 Issue (24): 8946-8954

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税燕萍, 卢慧婷, 王慧芳, 严岩, 吴钢.
SHUI Yanping, LU Huiting, WANG Huifang, YAN Yan, WU Gang.
基于土地覆盖和NDVI变化的拉萨河流域生境质量评估
Assessment of habitat quality on the basis of land cover and NDVI changes in Lhasa River Basin
生态学报. 2018, 38(24): 8946-8954
Acta Ecologica Sinica. 2018, 38(24): 8946-8954
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201806141331

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收稿日期: 2018-06-14
修订日期: 2018-12-10
基于土地覆盖和NDVI变化的拉萨河流域生境质量评估
税燕萍1 , 卢慧婷2,3 , 王慧芳2,3 , 严岩2 , 吴钢2     
1. 西藏自治区环境保护厅, 拉萨 850000;
2. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085;
3. 中国科学院大学资源与环境学院, 北京 100049
摘要: 气候变化和人类活动导致的土地覆盖和植被变化都会对生境质量产生影响。青藏高原是众多珍稀高原动植物的栖息地,具有重要的生物多样性维持价值。拉萨河流域是青藏高原经济最发达、人口最密集的核心地区,人类活动对生境质量带来的胁迫和压力持续增加。为揭示近些年来土地覆盖和植被变化对拉萨河流域生境质量的影响,选择生长季NDVI作为植被变化的指示因子,通过对不同植被类型各年份的生境适宜度进行修正,利用InVEST模型评估了拉萨河流域1990-2015年的生境质量时空变化。研究结果表明,1990-2015年拉萨河流域土地覆盖变化整体相对较小,其中人工表面和湿地面积增幅相对较大,分别为82.65%和32.40%;土地覆盖变化的转移方向主要为稀疏草地转化为草原和草甸、耕地转化为人工表面以及冰川/积雪转化为荒地。植被变化方面,1990-2000年,除流域中上游的裸岩、裸土地区和念青唐古拉山地区外,流域NDVI整体有较显著上升;而2000年以后略有下降。从生境质量的空间分布来看,高质量生境主要分布在流域下游、念青唐古拉山南侧河谷地区以及拉萨河源头等地区,低质量生境主要分布在拉萨市市辖区及周边、林周县县城及周边,以及流域中上游的荒地等地区。从时间变化上来看,1990-2000年,拉萨河流域整体生境质量指数从0.51上升到0.57;2010年和2015年整体生境质量指数分别为0.56和0.55,较2000年略有下降。相比于土地覆盖变化,NDVI对生境质量变化的影响更为显著。
关键词: 生境质量     土地覆盖变化     InVEST模型     NDVI     青藏高原    
Assessment of habitat quality on the basis of land cover and NDVI changes in Lhasa River Basin
SHUI Yanping 1, LU Huiting 2,3, WANG Huifang 2,3, YAN Yan 2, WU Gang 2     
1. Environmental Protection Bureau of Tibet Autonomous Region, Lhasa 850000, China;
2. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
3. College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Changes in land cover and vegetation driven by climate change and human activities can both affect habitat quality. Qinghai-Tibet Plateau has very high biodiversity and provides a habitat for numerous wildlife species. The Lhasa River Basin, located in the southern part of the Tibetan Plateau, is where human activities are very intense, increasing the threat and pressure on habitat quality. To analyze the effects of land cover and vegetation changes on the habitat quality of Lhasa River Basin, we selected growing season (from June to October) Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) as the index for vegetation condition to adjust the suitability index of different vegetation types and then assessed habitat quality change in Lhasa River Basin from 1990 to 2015 by using the InVEST model. Results showed that the overall change in land cover in Lhasa River Basin was relatively small, except for the sharp increase in artificial surface and wetland (increased by 82.65% and 32.40%, respectively). The main land-cover transfer directions were from sparse grassland to meadow and steppe, farmland to artificial surface, and ice/snow to barren land. Except for the barren land in the upper and middle regions of the basin as well as Nyenchen Tanglha Mountain, overall NDVI showed a significant increase from 1990 to 2000, and then a slight decrease thereafter. From the perspective of spatial distribution, the high habitat quality areas were distributed throughout the valley of the Nyenchen Tanglha Mountain as well as downstream and headstream of Lhasa River. The low habitat quality areas were mainly located at the construction sites of Lhasa City and Linzhou County and their surrounding areas, along with the barren land located in the upper and middle regions of the basin. From the perspective of temporal changes, the average habitat quality index increased significantly from 0.51 in 1990 to 0.57 in 2000; the average habitat quality indices of 2010 and 2015 were 0.56 and 0.55, respectively, and they showed a slight decrease when compared with the value in 2000. When compared with land cover change, the NDVI change had more significant effects on habitat quality in the study region.
Key Words: habitat quality     land cover change     InVEST     NDVI     Qinghai-Tibet Platean    

以城市和农田扩张为代表的土地利用/覆盖方式的改变所造成的生境破碎、退化和丧失已被认为是生物多样性丧失的最大驱动力[1-3]。近年来已有许多学者利用景观格局指标、HSI模型[4-5]、IDRISI模型[6-7]、InVEST模型[8-11]等不同方法评估了土地利用/覆盖变化对生物多样性和生境质量的影响。然而, 已有研究中较少考虑植被状况对生境质量的影响。诸多研究表明, 植被状况与生境适宜性具有显著相关关系, 如朱冰润[12]通过主成分分析表明白琵鹭种群繁殖生境选择与植被高度、密度成正相关;张佰莲等[13]通过Logistic回归分析表明生境类型对白头鹤活动分布的影响作用最大, 其次是植被指数。目前, 已有少数研究将NDVI作为评价生境质量的指标之一[14-15], 或对NDVI与生境质量变化的关系进行研究[16]

拉萨河流域位于雅鲁藏布江中游, 拥有丰富的高原动植物资源和典型的高寒湿地生态系统。其中, 流域内拥有国家Ⅰ级重点保护动物胡兀鹫、黑颈鹤、金鵰等7种, Ⅱ级重点保护动物彩鹳、黑鸢、高山兀鹫、雪豹等共22种。流域内拥有包括雅鲁藏布江中游河谷黑颈鹤国家级自然保护区、麦地卡湿地国家级自然保护区、拉鲁湿地国家级自然保护区等多个国家级和地方级自然保护区[17]。同时, 拉萨河流域也是西藏自治区经济最发达、人口最密集的核心地区;拉萨河畔的拉萨市, 是自治区的首府, 也是自治区的政治、经济、文化及宗教中心。在青藏高原气候变化的背景下[18-20], 随着拉萨河流域城镇化和旅游业的快速发展, 流域生物多样性保护所面临的压力也逐渐加大。

本研究在分析拉萨河流域土地覆盖和NDVI变化的基础上, 选择生长季(6—10月)NDVI作为植被状况的指示因子, 对InVEST生境质量模型中各植被类型的生境适宜度进行修正, 评估了拉萨河流域1990—2015年生境质量变化, 并对生境质量变化及其原因进行了分析和讨论, 以期为拉萨河流域的生物多样性保护和生态规划提供理论支持。

1 研究区概况

拉萨河发为雅鲁藏布江的一级支流, 流域范围为29°20'—31°15'N, 90°05'—93°20'E(图 1), 面积约为3.26万km2。拉萨河流域平均海拔高程约4500 m, 年平均气温为-7.1—9.2℃, 年均降水量为340—700 mm, 且降水年内分布极不均匀, 约90%的降水集中在6—9月。流域内的生态系统类型以高山草甸和高寒草原为主[21]

图 1 拉萨河流域高程图 Fig. 1 Elevation map of Lhasa River Basin
2 数据与方法 2.1 数据来源与处理

1990年、2000年、2010年和2015年4期土地覆盖数据(30 m)和NDVI月值数据(250 m)来自中国科学院遥感与数字地球研究所。DEM数据(30 m)来自中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)。结合拉萨河流域实际情况, 建立土地覆盖类型二级分类体系, 包括10个一级类别和28个二级类别, 如表 1所示。

表 1 土地覆盖分类体系 Table 1 Land cover classification system
一级分类Class 1 二级分类Class 2 一级分类Class 1 二级分类Class 2
林地Forest 针阔混交林 荒地Barren land 裸岩
落叶阔叶林 裸土
常绿针叶林 沙漠
稀疏林 盐碱地
乔木园地 人工表面Artificial surface 建设用地
乔木绿地 交通用地
灌木Shrub 常绿针叶灌木 工矿用地
落叶阔叶灌木 湿地Wetland 乔木湿地
草甸Meadow 高寒草甸 灌木湿地
草原Steppe 温性草原 草本湿地
高寒草原 湖泊
草本绿地 水库
稀疏草地Sparse grassland 稀疏草地 河流
耕地Farmland 旱地 冰川/积雪Ice/snow 冰川/永久积雪
2.2 生境质量评估方法

InVEST模型中的生境质量模块(Habitat Quality Model)将土地覆盖类型与胁迫因子建立联系, 根据不同生境对胁迫因子的敏感程度, 通过计算生境质量指数来评估不同情景下的生境质量分布和退化情况[11]。Terrado等[22]将该模型中生境质量模块的计算结果与生物多样性的观测结果进行对比, 表明二者之间呈显著的相关关系, 从而证明了该方法的可靠性。

InVEST模型中每个栅格的生境质量由两个因素决定:1)自身作为生境的适宜度, 取值范围介于0—1之间, 1表示该生境具有最高适宜度, 0代表非生境;2)生境退化度, 其计算公式如下:

式中, Qxj为土地覆盖类型j中栅格x的生境质量指数;Hj为土地覆盖类型j中的生境适宜度;Dxjz为土地覆盖类型j中栅格x的生境退化度;z为归一化常量, 通常取值2.5;k为半饱和常数。生境退化度Dxjz的计算公式如下:

式中, r为生境的胁迫因子;y为胁迫因子栅格;wr为胁迫因子r的权重;ry为栅格y的胁迫强度;irxyry对生境栅格x的胁迫水平;βx为栅格x的可达性水平;Sjr为生境类型j对胁迫因子r的敏感度。irxy的计算公式如下:

式中, dxy为栅格x与栅格y之间的直线距离;dr max为胁迫因子r的最大影响距离。

模型中涉及的主要参数包括土地覆盖、胁迫因子图层、各胁迫因子的最大影响距离和距离衰减函数、各胁迫因子的权重、不同土地覆盖类型的生境适宜度及其对胁迫因子的敏感度。其中, 各胁迫因子的最大影响距离、距离衰减函数和权重, 以及各生境类型对胁迫因子的敏感度参考相关文献[9-11]并根据拉萨河流域实际情况以及专家的建议进行赋值, 如表 2表 3所示。

表 2 胁迫因子属性表 Table 2 Threat factor properties
胁迫因子
Threat
最大影响距离/km2
Max-distance
权重
Weight
距离衰减函数
Decay
耕地Farmland 3 0.2 线性
建设用地Settlement 5 0.2 线性
工矿用地Mining/industrial field 5 0.3 线性
交通用地Transportation land 10 0.3 指数

表 3 不同土地覆盖类型的生境适宜度及其对胁迫因子的敏感度 Table 3 Habitat score of different land cover types and their sensitivity to each threat
土地覆盖类型
Land cover type
生境适宜度
Habitat suitability index
生境类型对胁迫因子的敏感度
Sensitivity of habitat types to each threat
1990 2000 2010 2015 耕地
Farmland
建设用地
Settlement
工矿用地
Mining/industrial field
交通用地
Transportation land
林地Forest 0.68 0.95 0.84 0.9 0.8 0.9 0.8 0.8
灌木Shrub 0.97 1 1 1 0.5 0.5 0.6 0.5
草甸Meadow 0.79 0.96 0.93 0.89 0.3 0.3 0.5 0.6
草原Steppe 0.56 0.69 0.68 0.65 0.3 0.3 0.5 0.6
稀疏草地Sparse grassland 0.29 0.35 0.36 0.34 0.3 0.3 0.5 0.5
耕地Farmland 0.25 0.32 0.27 0.27 0.3 0.3 0.5 0.2
荒地Barren land 0 0 0 0 0 0 0 0
人工表面Artificial surface 0 0 0 0 0 0 0 0
湿地Wetland 1 1 1 1 0.7 0.9 0.9 0.6
冰川/积雪Ice/snow 1 1 1 1 0.6 0.8 0.8 0.6

各土地覆盖类型的生境适宜度在参考相关文献[9-11]的基础上, 利用生长季NDVI数据进行修正, 得到各个年份的生境适宜度(表 3), 公式如下:

式中, Hi为第i种土地覆盖类型修正后的生境适宜度, HABITATi为第i种土地覆盖类型的初始生境适宜度, NDVIi为第i种土地覆盖类型当年的生长季NDVI均值。

3 结果与分析 3.1 土地覆盖变化

1990—2015年拉萨河流域土地覆盖的主要变化是人工表面和湿地面积的快速扩张(图 2), 其增幅分别为82.65%和32.40%。此外, 草甸和草原面积分别增加了120.09 km2和88.43 km2, 占流域总面积的0.36%和0.27%;稀疏草地和冰川/积雪面积分别减少了249.63 km2和86.31 km2, 占流域总面积的0.75%和0.26%;其他土地覆盖类型变化较小。

图 2 1990—2015年拉萨河流域土地覆盖分布及其变化 Fig. 2 Land cover distribution and changes of Lhasa River Basin from 1990 to 2015

根据土地覆盖转移矩阵(表 4), 1990—2015年拉萨河流域土地覆盖的转移方向主要为稀疏草地转化为草原和草甸、耕地转化为人工表面以及冰川/积雪转化为荒地。其中约140 km2的稀疏草地转化为草原, 约326 km2的稀疏草地转化为草甸, 约36 km2的耕地转化为人工表面, 约76 km2的冰川/积雪转化为荒地。此外, 草甸和草原、灌木和草甸之间的转化基本相互抵消。

表 4 1990—2015年拉萨河流域土地覆盖转移矩阵/km2 Table 4 Land cover transfer matrix in Lhasa River Basin from 1990 to 2015
1990年 2015年
林地
Forest
灌木
Shrub
草甸
Meadow
草原
Steppe
稀疏草地
Sparse grassland
耕地
Farmland
荒地
Barren land
人工表面
Artificial surface
湿地
Wetland
冰川/积雪
Ice/Snow
林地Forest 0.07 0.04 0.04 0.05 0.13 0.02 0.44 0.09 0
灌木Shrub 0.07 223.67 69.25 18.37 5.29 0.66 7.36 6.81 0
草甸Meadow 0.07 228.68 458.38 50.47 15.43 2.39 11.36 14.80 0.22
草原Steppe 0.08 67.14 474.17 212.93 17.24 20.89 16.86 22.69 1.74
稀疏草地
Sparse grassland
0.05 19.78 140.50 325.57 5.79 115.44 9.75 17.59 18.07
耕地Farmland 0.83 3.41 8.53 9.86 4.76 0.31 36.00 11.48 0
荒地Barren land 0.03 0.82 26.99 36.73 110.19 0.29 2.81 4.46 17.82
人工表面
Artificial surface
0.44 0.20 6.70 1.71 0.52 0.92 0.06 0.26 0
湿地Wetland 0.07 1.65 7.16 3.93 4.53 0.98 2.50 0.82 0.02
冰川/积雪Ice/Snow 0 0 17.87 10.90 30.37 0.00 75.84 0 0.03
3.2 NDVI变化

研究表明, 受气候变化影响, 青藏高原总体上更加暖湿, 有利于植被生长, 但不同地区空间差异性也较大[23-25]。1990—2015年拉萨河流域植被生长季(6—10月)NDVI变化如图 3所示。1990—2000年, 除流域中上游的裸岩、裸土地区和念青唐古拉山地区外, 拉萨河流域生境质量整体有较大提升;2000年以后整体略有下降, 尤其是拉萨河的源头——麦地卡湿地及其周边地区的NDVI显著下降。

图 3 1990—2015年拉萨河流域植被生长季NDVI变化 Fig. 3 Growing season NDVI of Lhasa River Basin from 1990 to 2015

根据各植被类型生长季(6—10月)NDVI均值统计, 1990—2000年间, 拉萨河流域林地、灌木、草甸和草原等植被类型的NDVI显著上升, 增幅分别为40.20%、17.47%、22.12%、22.75%;2000—2010年间, 林地、灌木和草甸NDVI分别减少10.97%、3.92%、3.52%, 而稀疏草地增加了5.67%;2010—2015年间, 林地NDVI增加了7.10%, 而稀疏草地、草原和草甸分别减少了6.66%、5.16%和4.11%。总的来看, 1990—2000年各植被生长季NDVI显著增长, 平均增幅达24.69%, 而2000年后草甸和草原的生长季NDVI逐渐降低, 呈退化趋势。

3.3 生境质量变化

InVEST模型采用生境质量指数来表征生境质量状况, 其范围为0—1, 值越大表明生境质量越高。通常, 土地利用强度的增加会引起胁迫源地的增加和强度的增强, 从而使其胁迫范围内的生境质量退化[10]。根据模型计算结果(图 4), 流域下游和念青唐古拉山南侧河谷地区以及拉萨河源头地区生境质量较高, 以灌木、草甸和草原等土地覆盖类型为主;拉萨市市辖区和林周县县城周边, 以及流域中上游的荒地等地区生境质量较低;1990—2015年间生境质量空间格局基本未发生变化。从时间变化来看, NDVI对生境质量变化影响较为显著。其中, 1990—2000年, 由于NDVI的上升, 拉萨河流域生境质量也显著提高, 整体生境质量指数从0.51上升到0.57;2010年和2015年整体生境质量指数分别为0.56和0.55, 较2000年略有下降。

图 4 1990—2015年拉萨河流域生境质量空间分布及其变化 Fig. 4 Spatial distribution of habitat quality in Lhasa River Basin from 1990 to 2015

根据生境质量评估结果, 将拉萨河流域生境质量划分为高、较高、中等、较低和低共5个级别, 对每个级别的面积和占流域总面积的百分比进行统计, 如表 5所示。1990—2015年高生境质量的比例明显增多, 从20.59%增加到45.14%, 面积增加了8003.30 km2;中等生境质量的比例显著减少, 从23.47%减少到0.34%, 面积减少了7540.38 km2;其他等级的生境面积变化相对较小。

表 5 拉萨河流域不同年份各等级生境质量比例 Table 5 Percentage of each habitat level in different years in Lhasa River Basin
评估等级
Valuation level
分值区间
Value interval
1990年 2000年 2010年 2015年
面积
Area/km2
% 面积
Area/km2
% 面积
Area/km2
% 面积
Area/km2
%
低Low 0—0.2 2334.16 7.16 2226.58 6.83 2295.04 7.04 2347.2 7.20
较低Relatively low 0.2—0.4 7879.42 24.17 7996.78 24.53 7931.58 24.33 7700.12 23.62
中等Medium 0.4—0.6 7651.22 23.47 61.94 0.19 65.2 0.20 110.84 0.34
较高Relatively high 0.6—0.8 8022.86 24.61 7654.48 23.48 7638.18 23.43 7703.38 23.63
高High 0.8—1.0 6712.34 20.59 14660.22 44.97 14666.74 44.99 14715.64 45.14
4 讨论与结论

尽管以建设用地为主的人工表面和湿地等土地覆盖类型的面积变化速度较快, 但是整体而言1990—2015年拉萨河流域土地覆盖景观格局变化相对较小, 建设用地、工矿用地、交通用地等生境胁迫因子对生境质量的影响也未发生较大变化, 主要集中分布在拉萨市市辖区、林周县县城及周边地区(图 4)。相比于土地覆盖变化, 在气候变化和人类活动的共同驱动下, 研究期间内拉萨河流域的植被变化更为显著。由于本研究将NDVI作为修正因子对不同植被类型不同时期的生境适宜度进行了修正以期反应植被状况对生境质量的影响, 因此研究区不同植被类型生境适宜度的变化是其生境质量变化的主要原因。以生境适宜度变化较为显著的林地和草甸为例, 1990—2000年林地和草甸的生境适宜度分别从0.68和0.79增加到了0.95和0.96, 2000—2015年略有下降, 分别下降至0.90和0.89, 表明在未受到胁迫因子干扰的情况下, 1990—2000年林地和草甸的生境质量有较大提升, 而2000年以后略有降低。

本研究根据土地覆盖变化, 并选择NDVI数据作为植被状况的指示因子, 通过对不同植被类型各年份的生境适宜度进行修正, 评估了1990—2015年拉萨河流域生境质量的时空变化, 主要结论如下:研究期间内拉萨河流域土地覆盖变化相对较小, 而代表植被状况的NDVI变化较显著;从生境质量的空间分布来看, 高质量生境主要分布在流域下游、念青唐古拉山南侧河谷地区以及拉萨河源头等地区, 以灌木、草甸和草原等土地覆盖类型为主;低质量生境主要分布在拉萨市市辖区、林周县县城及周边, 以及流域中上游的荒地等地区;1990—2015年间生境质量空间格局基本未发生变化;从时间变化上来看, NDVI对生境质量变化影响较为显著。1990—2000年, 由于NDVI的显著上升, 各植被类型的生境适宜度相应增加, 拉萨河流域生境质量也有较大提高, 整体生境质量指数从0.51上升到0.57;2010年和2015年整体生境质量指数分别为0.56和0.55, 相比2000年略有下降。

位于青藏高原雅鲁藏布江中游的拉萨河流域具有重要的生物多样性保护意义, 然而随着气候变化和城镇扩张、旅游业和矿产资源开发等人类活动的加剧, 流域生境质量面临的胁迫和压力还将继续增大。根据本研究结果并结合拉萨河流域的实际情况, 针对流域的生态规划和生物多样性保护提出以下建议:关注流域气候和植被变化, 加强对生态系统的遥感和定位监测以及野外调查;合理规划布局城镇建设用地、道路、农田等, 并加强对自然保护区的规划和管理, 最大限度减少社会经济发展对生境的胁迫;加强对植被的保护与管理, 对植被退化严重的地区开展退化机制和原因的研究, 采取针对性措施进行保护和恢复;对流域内的矿产资源开发活动实施严格的开采许可和监督管理制度, 并对废弃矿地进行生态修复。

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