黄土高原位于黄河流域中部, 是中国古代文化的摇篮, 同时也是“人-地”关系矛盾最突出的生态环境脆弱区, 在黄河流域生态保护和高质量发展战略中具有十分重要的地位。延安市是黄土高原最具代表性的城市, 作为21世纪中国规模最大的生态环境建设项目“退耕还林工程”的重点区和示范区, 延安市在退耕还林工程期间, 生态环境显著提升^[1—2], 但是随着工程深入推进, 产生了耕地面积减少, 粮食安全危机等问题^[3—4], 且随着城市发展和红色旅游的兴起, 人口增长和城镇化发展增强了对可利用土地的需求。因此, 针对黄土高原丘陵沟壑区特殊地貌, 为增加耕地面积, 保障粮食安全, 延安市启动了集坝系建设、旧坝修复、盐碱地改造、荒沟闲置土地开发利用和生态建设为一体的治沟造地工程^[1]。

生境质量是指生态系统提供适宜物种生存和持续发展的能力, 是衡量区域生物多样性和生态系统服务价值的重要指标^[5]。土地利用类型在空间上的配置不同, 其生境质量也有所差异。人类活动能够改变土地资源及其利用方式, 土地利用变化对生境斑块之间物质流、能量流的循环过程产生影响, 从而影响区域的生境质量、分布格局和演变特征^[6—7]。随着3S技术的发展, 相比较传统实地调查采样评估生境质量的方法, 模型由于空间分析功能、数据获取、评估精度、动态性等方面的优势, 越来越广泛的应用于生境评价, 如InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型^[8]、SoLVES(Social Values for Ecosystem Services)模型^[9]、ARIES(Artificial Intelligence for Ecosystem Services)模型^[10]等。其中, InVEST模型生境质量模块(Habitat Quality)中基于生境胁迫评估生境质量的方法在生境质量动态评估和时空变化分析方面应用更加广泛^[6]。国外学者多使用模型评估某种野生动物的生境质量^[11—12]；国内学者的相关研究集中在流域^[13—14]、省^[15—16]、城市^[17]、区域^[18—19]尺度的土地利用和生境质量时空变化, 以及人类活动对生境质量的影响^[20]。

有学者指出延安的造地运动会破坏水系和生态系统^[21], 治沟造地工程引起的地下水位变化还会导致土壤盐渍化问题^[22]；但也有研究表明治沟造地项目能显著提升区域植被覆盖率, 改善生态环境^[23], 促进区域生态系统良性演化^[24]。目前前人对治沟造地工程生态环境影响的研究基本围绕项目开展, 工程实施前后区域生境质量是如何变化的？治沟造地与生境质量变化是否存在相关性？这些问题尚不明确。因此, 本文以延安市为研究对象, 基于遥感影像数据, 运用ArcGIS和InVEST模型定量分析了2010—2018年治沟造地前后延安市土地利用和生境质量的时空演变, 剖析治沟造地与区域生境质量变化的关系, 为治沟造地生态效益评价、黄土高原生态保护和高质量发展提供科学依据和决策支撑。

1 研究区概况

延安市(35°20′39″—37°53′31″N, 107°38′59″—110°34′46″E)位于黄土高原腹地, 黄河中游, 东西宽256 km, 南北长236 km, 总面积37037 km²。属半湿润半干旱大陆性季风气候, 冬季寒冷干燥, 夏季炎热多雨, 多年平均降水量为562.1 mm, 7—9月降雨相对集中, 且多暴雨, 易诱发滑坡、水土流失等灾害。全年平均气温9 ℃, 平均无霜期179 d, 农作物一年一熟有余, 两熟不足。延安市属黄土丘陵沟壑区, 地势西北高东南低, 北部以黄土梁峁、沟壑为主, 占全市总面积72%；南部以黄土塬沟壑为主, 占总面积19%；石质山地占总面积9%。“干流深切, 支沟密布”是延安市河流水系分布的主要特征, 境内1000 m以上沟道20889条。区内地形破碎, 沟壑纵横, 冲沟下切强烈, 地形坡度较大, 水土流失严重。延安市辖1区12县、16个街道办事处、84个镇、12个乡, 总人口219万。2020年, 延安市生产总值(GDP)1601.48亿元, 占陕西省的6.1%。

延安市治沟造地工程于2010年在宝塔区和子长、延川两县先行试点, 2012年9月被列入国家土地整治重大项目给予支持, 2013年11月正式批复^[25]。项目涉及全市13个县区, 共197个子项目, 集中实施在2013—2017年, 完成建设规模36986.22 hm², 新增耕地7848.72 hm², 建成高标准农田28233.29 hm², 完成投资36.64亿元(表 1)。同时, 2010年延安市退耕还林工程已进入成果巩固阶段, 全市森林覆盖率达36.6%, 区域生态环境得到很大恢复。2013年, 延安市启动新一轮退耕还林工程, 计划逐步将25°以上坡耕地全部退耕还林, 实现陡坡全绿化、林草全覆盖。

2 数据来源与研究方法 2.1 数据来源

延安市2010、2018两期土地利用现状遥感监测数据(分辨率均为30 m)来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)。其中, 2010年数据由LandsatTM遥感影像数据解译而成, 2018年数据用Landsat 8遥感影像数据解译而成。按照刘纪远等^[26]建立的LUCC分类系统, 将土地利用类型分为6个一级分类和18个二级类型。治沟造地工程规模数据来自延安市治沟造地领导小组办公室。

2.2 研究方法 2.2.1 生境质量

采用InVEST模型Habitat Quality模块对延安市治沟造地前后生境质量进行评估。该模型利用每种地类威胁的相对影响、生境类型对每一种威胁的相对敏感性, 生境栅格与威胁源之间的距离, 用生境质量作为连接生物多样性与不同土地覆被类型之间的指标。首先计算生境退化度^[8]：

(1)

(2)

(3)

式中：D_xj为生境类型 j中x栅格的生境退化度；R为威胁因子个数；Y_r为威胁因子的栅格个数；W_r为威胁因子r的权重；r_y为栅格y的胁迫值；i_rxy为栅格y的威胁因子r_y对栅格x的胁迫水平；β_x为威胁因子对栅格 x的可达性(本文不考虑法律保护程度因子, 因此将β_x设为1)；S_jr为生境类型 j对威胁因子r的敏感度；d_xy为栅格x(生境)与栅格y(威胁因子)的直线距离；d_rmax为威胁因子r的最大胁迫距离。生境退化度介于0—1之间, 值越大退化程度越明显。

生境质量计算公式：

(4)

式中：Q_xj为生境类型j中x栅格的生境质量指数；D_xj为生境类型j中栅格 x所受胁迫水平；k为半饱和系数, 一般设置为生境退化程度最大值的1/2, z为模型默认参数, 值为2.5；H_j为生境类型 j的生境适宜度, 取值在0—1之间；生境质量值在0—1之间, 值越高生境质量越好。

根据模型参数值设置原则^[5]、相关文献^[15—18]以及熟悉该区域专家的建议, 将受人类活动干扰大的城镇用地、农村居民点、耕地、工矿交通用地及裸地定为威胁因子, 生境质量威胁因子影响距离、权重以及各土地利用类型对生境威胁因子的敏感度具体数据见表 2、3。

2.2.2 空间自相关分析

空间自相关是对空间临近的区域单元属性值相似程度和空间关联模式的定量描述, 用于揭示相邻地域间某种地理现象在空间上的分布特征以及变量间的聚集程度, 分为全局空间自相关和局部空间自相关。本文用这两种分析方法进一步探讨延安市生境质量在空间上的分布规律。

全局空间自相关分析可以判别区域整体生态质量的空间关联情况, 用于描述生境质量在整个区域上有无集聚效应, 本文利用Moran′s I指数来探究延安市空间相关性, 其计算公式为^[27]：

(5)

式中, x_i和x_j为协调效率的观测值；W_ij为i 和j 的权重连接矩阵；Moran′s I的值介于-1—1之间, 大于0表示空间单元属性呈正相关, 反之表示负相关, 值越大表示相关程度越高；趋于0, 则表明空间单元随机分布。

局部空间自相关可以识别局部相邻区域间要素和属性的关联模式, 本文采用Anselin^[28]提出的空间关系局域指标LISA (Local indicators of spatial associations) 来识别延安市每个栅格的生境质量与其周围栅格生境质量的空间差异程度及其显著性水平, 揭示生境质量在空间上同一属性值的集聚和离散特征。其计算公式为：

(6)

式中：z_i、z_j分别为区域i、j上观测值的标准化。

LISA集聚分析将生境质量的空间格局分为5种类型, 即H-H (高高集聚, 生境质量高值聚集)、H-L (高低聚集, 生境质量高值被周围低值包围)、L-H (低高聚集, 生境质量低值被周围高值包围)、L-L (低低集聚, 生境质量低值聚集) 和NS (不显著, 不存在显著的空间集聚现象), 其中, H-H和L-L为正相关类型, H-L和L-H为负相关类型。

3 结果与分析 3.1 延安市土地利用动态变化特征

由表 4可以看出, 草地、林地和耕地是延安市土地利用面积最大的类型, 比例分别约为47%, 26%和25%, 三者面积占延安市总面积的99%以上。其中林地主要分布在延安市西南和东南两侧黄陵、黄龙、宜川、富县几个区县, 耕地在子长、宝塔、洛川三县分布较为集中, 草地同时分布在全市各个区县(图 1)。二级分类中, 面积最大的是草地中的中覆盖草地、耕地中的旱地和林地中的疏林地。

从2010—2018年延安市土地利用类型面积变化来看, 主要为耕地、林地、草地三者互相转化。林地、建设用地、未利用地及水域面积均有增加, 其中疏林地面积增加最大, 为139.22 km²；草地、耕地面积有所减少, 其中高覆盖草地面积下降最多, 为145.92 km²。从土地利用变化比例来看, 研究时段未利用地面积增加幅度最大, 为118.3%, 其次为建设用地19.96%(表 4)。研究期间, 延安市各类用地面积维持在相对稳定的状态。随着经济的快速增长, 建设用地有了较大幅度的增加, 但占延安市面积比例不到1%, 土地开发强度控制在合理范围内。

3.2 延安市生境质量时空变化特征 3.2.1 时间变化

基于InVEST模型的生境质量模块得到延安市2010年和2018年的生境质量空间分布图, 利用ArcGIS的等间法将研究结果划分为低(0, 0.2)、较低(0.2, 0.4)、中等(0.4, 0.6)、较高(0.6, 0.8)、高(0.8, 1)5个等级(图 2), 各生境质量等级的土地面积见表 5。

从时间尺度上看, 2010和2018延安市生境质量平均值分别为0.5914和0.5906, 生境情况处于中等水平, 8年间生境质量呈现下降的趋势, 降幅为1.4%。生境质量指数的标准差从0.2511上升至0.2521, 表明生境质量在空间上差异在扩大。由表 5可以看出, 较高等级生境质量面积最大, 占到研究区面积的一半以上, 其次是低等级生境质量, 占比26%左右, 高和中等两个级别各占约12%和10%, 较低等级生境质量占比小于1%。2010— 2018年间, 较高、中等和低等级生境质量面积有较小程度的变化。低等级生境质量面积趋于上升, 增长了0.12%, 较高和中等等级的生境质量面积趋于下降, 分别下降0.05%和0.09%。总体来讲, 由于组成延安市主要土地利用类型的草地、林地和耕地的比例较为稳定, 全市整体生境质量变化较小。

3.2.2 空间变化

从空间分布上看, 延安市生境质量表现出明显的空间分异特征, 生境质量分布与土地利用类型分布大体一致, 林地分布区域的生境质量较高, 耕地和建设用地集中分布区域生境质量较低。为进一步探究延安市不同区域生境质量变化, 根据延安市行政区划, 将不同等级生境质量面积按照不同区县统计(表 6)。生境质量较高的区县为黄陵、黄龙、宜川、富县, 这几个县分布在延安市东南和西南部, 均为陕西省五大林区, 雨水相对充沛, 自然条件较好, 林草覆盖率高, 生境适宜性高, 且有众多自然保护区, 是全省重要的生态保护和水源涵养区, 因此生境质量普遍较高。生境质量较低的区县为子长县、安塞县、延川县、吴起县和洛川县。子长、安塞、延川、吴起四县分布于延安市北部, 该区域为高原温带半干旱区, 降雨量低, 自然环境及植被覆盖率相对较差, 以中低覆盖度草地及耕地分布较广, 为延安市生境质量主要的低值区；而洛川虽然自然条件较好, 但海拔较低的河谷耕种条件好, 生境质量更容易受到人类干扰, 因此生境质量也较差。

2010—2018年间延安市生境质量空间分布格局较为类似, 除延长和宜川两县外, 其他区县生境质量都有降低的趋势。生境质量降低最显著区域为宝塔区, 与城市扩张区域基本重合, 因为城镇化程度加深和旅游业的发展, 宝塔区城市中心建设用地逐渐增多, 一部分中等质量和较高质量的生境区域转化为低质量, 所以生境质量指数降低。黄陵、富县、洛川和黄龙几县也有相当幅度的下降, 这一区域主要分布在延安市南部, 基本由于较高质量的生境面积减少, 低质量的生境面积增加, 导致整体生境质量下降。其余县域生境质量相对稳定, 变化幅度较小。

3.3 空间自相关分析

利用ArcGIS软件计算研究区生境质量的Moran′s I指数, 延安市2010和2018年Moran′s I指数分别为0.2719(P=0, Z＝93)和0.2410(P=0, Z＝92), 表明延安市生境质量具有一定空间正相关性, 在空间上存在聚集特征, 即生境质量较高的区域倾向于与其他生境质量较高的区域毗邻, 而生境质量较低的区域倾向与其他生境质量较低的区域毗邻。2018年Moran′s I指数比2010年有所降低, 表明生境质量的空间集聚程度有分散的趋势。

根据生境质量LISA集聚分析(图 3), 延安市“H-H”集聚区域面积占全市面积的10.86%, 连片分布于延安西南部的林区, 该区域生境质量普遍较好, 因此出现高值聚集, 其他呈不连续的片、点状分布于全市；“L-L”集聚区面积占5.93%, 主要呈密集点状分布于西北部生境质量低值区的吴起县以及东部的延长、延川两县；“H-L”聚集区占比为5.89%, 大部分位于志丹、安塞、子长三县；“L-H”聚集区占比较小，为4.85%, 未出现明显的集中分布。从时间变化来看, 2010—2018年, “H-H”集聚区增加0.77%, 在黄龙县北部聚集范围增加, 而在西南部的黄陵县、富县聚集面积减小；“L-L”集聚区增加0.72%, 主要增加在东部延川、延长、宜川几县；“H-L”聚集区减少了0.9%, 主要在西南部黄陵县、富县交界处减少；“L-H”聚集区研究期间上升了1.32%, 集中出现在宝塔区城镇附近, 这一区域因城市建设、资源开发等人类活动对生境的威胁, 而导致生境呈点状退化。

3.4 生境质量与治沟造地指标的相关分析

基于皮尔逊相关系数, 本文采用SPSS 18.0软件, 对延安市13个区县治沟造地工程实施规模数据(表 1)与生境质量变化值(表 6)进行相关性分析。结果表明(表 7), 2010—2018年, 治沟造地工程对延安市不同区县生境质量变化的影响存在差异, 其中建设规模、高标准农田建设规模与投资金额与生境质量变化呈一定的负相关关系(P < 0.1), 项目个数和新增耕地面积与生境质量变化无显著相关性。相关分析表明治沟造地工程对生境质量有一定的负面影响。随着工程实施人为扰动和土地利用方式的变化, 不可避免引起生境质量的下降。但是整体来看, 延安市生境质量变化幅度不大。

从延安市治沟造地规模和生境质量分布中可以看出, 延安市由于各区县生境特征不同, 在生态保护、粮食安全及经济发展中承担着不同的角色, 治沟造地工程的实施重点及其对生境质量变化的影响也有差异。宝塔区是延安市的市政府所在区域, 承担着城市政治和经济发展的任务, 快速城镇化使得该区域大量耕地被建设用地占用, 需要实施治沟造地集约发展农业, 提高经济和人口承载能力；因此宝塔区是延安市实施治沟造地面积最大、新增耕地最多、建设高标准农田最多的区域, 工程实施加之城市建设, 使宝塔区成为生境质量下降最为显著的区域；东部子长、延川、延长几县地势较为低缓, 有较为适宜发展农业的地形基础，但目前未发挥出粮食生产的潜力，因此实施治沟造地面积较大, 且以改善土地质量、提高农产品产量为目标实施, 新增高标准农田面积较大单位投资较多, 但不会大规模改变土地利用类型, 因此生境质量变化较小；延安市南部, 尤其是黄陵、黄龙两县是重要的生态功能地区, 其主要任务是保护生态, 涵养水源, 创造生态产品和价值, 这一区域以集中连片林地为主, 虽然治沟造地实施规模不大, 新增耕地少, 但景观的破碎化仍引起了生境质量一定程度的下降；北部的吴起、志丹、安塞几县生态环境本底条件不好, 实施治沟造地的主要目标在于有效提高农业基础设施水平, 全力保障和改善民生, 因此生境质量仅小幅下降。

4 讨论 4.1 延安市土地利用和生境质量变化

与退耕还林时期相比^[29], 8年来, 延安市土地利用类型维持在较稳定的动态变化中, 生境质量虽然有下降的趋势, 但幅度不大。2010年起, 退耕还林工程进入成果巩固阶段, 实施力度小于上一时期, 同时治沟造地工程开始大规模开展, 使得这一时期的农业用地和生态用地做到了较好的协调, 在一定程度上保障了延安各种用地资源的平衡。这与侯孟阳等^[30]研究结果中预测的延安市耕地与草地林地达到平衡状态的结果一致。这一时期, 延安市GDP从2010年的885.42亿元增加到2018年的1558.91亿元, 经济社会快速发展, 尤其是随着红色旅游的兴起, 第三产业产值增长了176.8%^[31], 而建设用地扩张在城市发展中往往必不可免, 相比较黄土高原其他区域^[32—33], 延安市的城市扩张保持在可控范围内, 没有出现大面积的生境质量退化。

土地整治等人类活动通过对土地资源及其利用方式进行再组织和再分配, 作用于区域生态系统, 进而改变区域生境质量及其分布格局和功能^[6]。虽然治沟造地工程实施过程中对土地的扰动及生境破碎化对项目区的生境质量产生了负面影响, 但通过田块整合、水资源调控、改善农田基础设施和农业生产条件、合理调整种植结构等措施, 科学优化土地利用格局和结构, 减弱了这种负面影响。钟丽娜^[6]、单薇^[34]等对土地整治后的生境质量研究也表明, 通过对土壤的改良和景观格局的优化, 最终改善了项目区整体的生境质量, 在整治完成3—5年后, 生境质量开始逐渐好转。

4.2 治沟造地背景下延安市生态与经济的协同发展

黄土高原在过去相当长的时间里是中国生态环境最为脆弱的区域之一, 当时区域发展的重点是遏制水土流失、改善生态环境。通过十多年的生态治理, 生态环境显著提高^[35], 但耕地面积以平均每年10%的速度持续减少, 同时食物生产能力下降了16%^[36], 粮食生产供应不足极有可能威胁到退耕还林的成果。随着社会经济的发展和人口的增长, 人地矛盾不断增大。因此区域发展不能单单追求生境质量的提高, 必须同时权衡生态保护、粮食安全和经济发展多重目标。

经济效益是土地生态质量的重要组成, 经济增长能够推动产业发展及升级, 进而提高地区的生态效率, 有利于保护地区的生态环境^[37]。如果单纯在生态保护建设中做出经济发展的牺牲, 也会引发产业结构不合理、生态效率低下。因此, 延安市根据不同区域的生境特征与差异, 以及角色、功能和定位, 有针对性地进行开发与保护, 通过对土地利用格局的改变, 合理规划土地利用, 防止经济发展带来的环境恶化, 在保证生境质量较为稳定的同时, 有效缓解了区域内耕地面积大幅下降、食物生产能力不足的现状, 保证了耕地红线和粮食安全, 平衡了生态保护与农民生计的冲突, 实现了生态安全与粮食安全、高质量发展和生态保护之间的平衡关系。未来应该进一步因地制宜制定相应的优化策略, 通过绿色产业体系发展经济, 加强生态红线区域的环境保护, 防止经济发展引起的环境恶化, 促进地区生态、经济、社会的最优权衡。

4.3 展望

本研究基于InVEST模型对延安市生境质量时空演变进行分析, 既能得出定量分析结果, 也能将生境质量结果可视化分析, 同时将延安市主要的土地利用类型进行了二级共18个分类, 详细的计算了生境质量指数, 有利于得出更加细化的生境质量变化, 为黄土高原生态保护和高质量发展制定科学政策提供依据。研究的不足及未来需要改进的方面主要有：(1)仅分析评价了治沟造地工程与工程背景下延安市各区县生境质量变化之间的相关关系, 缺少治沟造地区域的空间表达, 下一步, 在获取治沟造地项目空间信息的基础上, 利用空间分析手段得出治沟造地与生境质量的关系, 为科学评价治沟造地生态效益提供更有效的理论依据；(2)未考虑土地质量提升对区域生境质量的影响。下一步, 进一步结合实际调研数据, 综合考虑耕地质量, 深入分析治沟造地对项目区生境质量及其他生态系统服务功能如水源涵养、土壤保持等的影响, 为这一区域其他生态建设项目的实施提供借鉴和参考。

5 结论

(1) 延安市的土地利用类型主要为草地、林地和耕地, 三者面积占延安市总面积的99%以上, 二级分类中面积最大的是草地中的中覆盖草地、耕地中的旱地和林地中的疏林地。2010—2018年间延安市土地利用变化处于较稳定状态, 主要为耕地、林地、草地三者互相转化。

(2) 延安市2010和2018生境质量平均值分别为0.5914和0.5906, 处于中等水平, 较高等级生境质量面积占50%以上, 呈现东南和西南高, 北部较低的分布格局；2010—2018年间, 延安市生境质量下降了1.4%, 无剧烈变化, 宝塔区生境质量由于城市扩张降低最为显著。

(3) 延安市生境质量具有一定的空间聚集性, “H-H”集聚区主要位于西南部林区, “L-L”集聚区主要位于西北部的吴起县以及东部的延长、宜川两县；2010—2018年间生境质量的空间集聚程度有分散的趋势, 中部呈现较大的点状退化。

(4) 治沟造地工程对延安市生境质量有一定的负面影响, 由于各区县的生境特征不同, 治沟造地工程的实施重点及其对生境质量变化的影响有差异。