近30年嫩江流域生境质量变化及其驱动力分析

艾 昕，李 航，孙 丽

(哈尔滨师范大学 地理科学学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

1 引言

自21世纪初，生态环境愈趋严峻，全世界的生态系统服务功能以及服务价值都在不断地下降，严重地影响到了各个国家经济的可持续的健康发展。现在人们已经开始逐渐的意识到了生态系统服务的重要性，但是如何合理地利用生态系统所提供的价值，以及怎样保护生态环境，均是需要研究的问题[1，2]。在世界生境质量持续下降的背景下，生境质量及其服务已成为世界热点问题。随着如今社会经济的高速发展，对生境质量的评估已成为社会经济可持续发展的迫切需要。嫩江流域作为人们赖以生存的生态系统，其拥有众多支流、江心岛屿、航运和水库、引水灌区工程都容纳了大量服务价值。然而，近年来随着该区域人类的剧烈活动，导致了一系列的生境问题，另外黑龙江的嫩江地区分布着许多农牧产业，但是近年来黑龙江省为了响应政府政策号召，力求为国家提供更加优质、产量高的商品粮，使得黑龙江省做出了许多的应对方案，比如：土地整理、修建了很多大型灌溉渠、不断地开垦以增大耕地量、引嫩水利工程，增大了嫩江流域内生态环境的保护难度。一旦土地利用的面积发生变化，相对应的将影响嫩江流域的生境质量[7]，因此，开展长期的生境质量变化分析并且研究其驱动力对该地生境的影响重要性对嫩江流域生态环境的可持续健康发展具有重要意义。

2 研究区概况

嫩江流域的地理坐标为119°12′～127°54′E，44°02′～51°42′N。全长1490 km，占松花江流域52%的面积29.7万 km2。嫩江始于大兴安岭的伊勒呼里山，经过黑河、呼伦贝尔，白城市等县市，并入松花江，是松花江最大支流[20]。嫩江流域径流，除春季会有少量的冰雪融水外，主要来自大气降水[7]。嫩江流域位于中国东北松嫩平原的农牧交错带。中国在松嫩平原拥有许多大型的商品粮基地，富产玉米、土豆、大豆、水稻、小米、大米、高粱、甜菜、瓜子和亚麻[7]。

3 数据与方法

3.1 数据来源

根据中国科学院资源与环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)资料，从中国科学院资源环境科学数据中心选取1 km分辨率的嫩江流域的土地利用遥感监测数据集中选取1980、2000和2015年3期的土地利用数据。

3.2 数据处理

(1)将栅格大小统一设置为30 m，对1980年、2000年以及2015这3个主要时期嫩江流域的土地利用数据，统一进行采集和处理。运用ArcGIS把这些数据进行属性表统计计算、栅格计算和裁剪等方式进行处理，通过ArcGIS软件绘制了1990、2000和2015年3个时期的遥感影像图 ，运用面向对象分类方法获取该区域植被覆被与土地利用空间分布数据，可以直观地了解近 30年来嫩江流域植被覆盖和土地利用的时空格局变化特征，从而得知嫩江流域各子流域近30年生境质量的变化和生境退化程度，并对影响嫩江流域生境质量状态的主要环境背景因子进行研究，由此寻找到引起嫩江流域生境质量发生改变的主要因素。以该流域生境质量变化及其驱动力分析为目标，采用模型为In VEST 模型(该模型是由斯坦福大学、WWW(世界自然基金会)创立的)中的生境质量模块对嫩江流域进行生境质量评估，InVEST-HabitatQuality模型是通过建立土地利用/土地覆被与威胁因子间的联系,同时也考虑不同威胁因子的影响距离不同及空间权重等因素,计算嫩江流域的生境质量,由此分析该区域生境质量的变化,寻找其变化的主要驱动力。

(2)设置威胁因子的影响距离表。该模型中，通过此影响距离表可以直接的在空间上反映所选取的威胁因子对该流域生境质量的影响。可通过下式求得威胁因子的影响程度：

irxy=1-(dxy/dmax)iflinear,or

irxy=exp[-(2.99/dmaxdxy)]ifexponential

(1)

式(1)中，irxy表示威胁因子影响程度的大小；dmax表示威胁因子作用的最大距离；dxy表示两个地类x，y之间的距离。

(3)确定针对不同的土地利用类型对不同的威胁因子的敏感度。不同的威胁因子对生境质量的敏感程度不同，不仅要考虑威胁因子对这类生境类型的影响距离，还要考虑不同的生境类型对不同的威胁源的敏感度。In VEST 模型中的生境质量模块的基本评价单元就是栅格。生境质量模块的成功运行需要严格按要求输入以下5种数据：3个时期嫩江流域的土地利用的栅格数据(Current Land Cover(Raster))、生态威胁因子栅格数据集(Folder Containing Threat Raster(required))、威胁因子量表(Threats Data)、威胁可达性矢量图层(Accessibility to Threats(vector))、不同的土地利用类型对各生态威胁因子的敏感度(Sensitivity of Land Cover Type to Each Threat, File(CSV))。因为每一地类有着不同的生境适宜性，并且对受生态威胁的敏感程度差异也不同。根据中国科学院资源与环境科学数据中心中的土地分类体系，本研究中选取的二级地类包括草地、湖泊、盐碱地沟渠等自然栖息地类型，农村居民点、城市土地、水田、旱地等人工栖息地类型。评估栖息地适宜性指数(栖息地)和敏感性，数值范围为0～1。

(4)参照 In VEST 模型使用指南有关基本原理，把天然地类过渡到人工地类对威胁因子的敏感程度按由高到低原则来划定以及具体到嫩江流域交通状况、社会经济发展水平和实地调研综合分析，对研究区土地覆被类型对各生态威胁因子的敏感度进行赋值(表1)，敏感度的取值范围为0～1,1表示该土地利用类型对本研究所选取的威胁因子具有极高的敏感度，反之则无敏感度；并且在敏感度量表中，要求针对每一个土地利用类型都要相应的给其进行一个生境适宜度评分，范围在0～1之间，1表示该土地利用类型有最高的生境适宜度，反之则具有最低的生境适宜度。由于本研究中二级生态系统类型的种类较多，故将属于自然生态系统类型的生境适宜度设为1，非自然生态系统类型的生境适宜度设为 0。InVEST-Habitat Quality模型运行结果为0～1的栅格连续值,即为生境质量指数(Q)。本文根据嫩江流域的实际情况,将水田、旱地、城镇用地、农村居民点、盐碱地、水库坑塘定义为威胁因子,其影响范围及权重、生境适宜度、生境对威胁因子的敏感程度等参数，并结合相关文献[7～14]，生成了威胁因子量表(表 2)。

表1 土地覆被类型对各生态威胁因子的敏感度

续表1

表2 威胁因子量

(5)运用InVEST成功输出3个时期嫩江流域生境质量文件后，利用ArcGIS获得了嫩江流域3个时期的生境质量评分的图层，可以直观地观察到嫩江流域的生境质量变化情况，利用ArcGIS分析嫩江流域生境质量变化情况，统一图例并进行对比。本文将嫩江流域生境质量分成极重要、较重要、中等重要、一般重要这4个等级见图1～3,并运用ARCGIS中以表格显示分区统计的工具来进一步分析嫩江子流域的生境质量变化情况，并且由此分析嫩江流域生境质量的差异性及其时空格局演变规律。

图1 1980年嫩江流域生境质量分级

图2 2000年嫩江流域生境质量分级

图3 2015年嫩江流域生境质量分级

4 结果分析

4.1 嫩江流域生境质量变化分析

1980年该流域生境质量指数平均值为0.7784,其中等级为极重要的栅格数占全流域的49.42%，较重要的栅格数为27.57%;2000年流域生境质量指数平均值降低到0.7759,等级为优的栅格数占比下降到46．64%等级为良的栅格数占比下降到22.79%;2015年嫩江流域生境质量指数平均值为0．7744,较2000年还呈下降趋势,等级为优的栅格数占比下降到44.53%,等级为良的栅格数占比下降到19．25%。

分析出嫩江流域生境质量整体趋势后，运用ArcGIS输出3个时期嫩江流域的子流域生境质量图表，做出总结归纳(表3)并输出1980～2015年嫩江子流域生境质量平均值变化统计柱状图(图4,图5)。发现总体上甘河以及固固河水库以上这2个子流域生境质量最好，但是下降趋势较为明显；阿伦河、塔河至江桥区间和江桥至白沙滩区这3个子流域在1980～2015年期间生境质量下降幅度较大，其中江桥至白沙滩区生境质量下降最为明显；其他子流域的变化趋势平缓。

图4 1980～2015年嫩江子流域生境质量平均值变化统计柱状

图5 1980～2015年嫩江子流域生境质量平均值变化统计柱状

4.2 嫩江流域的生境质量变化的驱动力分析

自然环境因子虽对嫩江流域生境质量变化起着基础和关键性的作用,但影响趋弱,而社会经济因子和政策因子的影响逐渐增强[7]。并且有研究表明,随着全球气候变暖,1979～2015年间嫩江流域平均气温倾向率达0．31 ℃/10a[8～30]。流域内气候变暖导致其积温增加,物候期提前,作物有效生育期延长,农业耕种有向北、向高海拔地区不断扩展的趋势,如黑龙江省将水稻产业向北推到48°30′N以北的高寒区[18]。这无疑会影响流域西北部县域的生境质量。这与因子检测结果的发现(平均气温对流域生态质量变化的贡献率不断上升)一致。年平均气温因素、单位面积GDP和人口密度的协同增强效果(其数值增长最显著)是造成沿江流域生态质量下降的主要原因。虽然保护区面积的单因子贡献率很小，但是由于与其他因素的相互作用，对沿江流域的生态质量开始产生保护作用。因此，流域东南部生境恶劣的集合区县域(克山县、拜泉县、明水县、安达市、肇东市、兰西县、呼兰县、肇源县、大安县、乾安县、前郭尔罗斯蒙古、长岭县、通榆县)致力于自然保护，持续降低生境质量必须不影响地区的可持续发展。

4.3 嫩江流域生态系统保护对策建议

总体来看,嫩江流域整体生境质量较为良好,生境质量指数平均值在 0.77 以上。近年来，由于人类活动影响，导致嫩江流域的生境质量等级中的优、良等级的栅格数占嫩江流域总栅格数的比例逐年下降，除极少部分子流域的生境质量略有提高外，嫩江大部分子流域的生境质量也在逐年降低 ，并且生境质量下降趋势趋于明显，则说明嫩江流域的生境质量总体是呈下降趋势的。对比1980～2000 年嫩江流域生境质量的退化趋势,2000～2015年流域内生境质量退化趋势略有增强, 可能由于人类大规模的对自然资源进行开发和利用、保护措施不到位和人们对环保意识不强的影响,嫩江流域生境质量退化趋势日渐明显。

在探究其变化趋势时，在4个自然环境因素中，除平均气温外，各威胁因素对流域生态质量变化的贡献率持续下降。社会经济因素和政策因素的贡献率不断上升。自然环境因素在沿江流域的生态质量变化中发挥着基础和重要的作用，但其影响逐渐减弱，社会经济因素和政策因素的影响不断增强。

针对嫩江流域生境质量呈下降趋势，提出如下对策建议[21～25]：

(1)退耕还林是最关键的一点，因为嫩江流域林地面积的损失主要是被大量开垦为了农用耕地，并且需要嫩江流域的各地政府配合大力开展植树造林活动以扩大林地面积。

(2)杜绝过度放牧现象，应合理放牧，使荒地逐渐恢复为草地，可以建设人工草场，来改善这个问题。

(3)土地的盐碱化使得湿地面积逐年降低，湿地的调节功能是巨大的，被人类亲切的称为地球的“肺”，它对人类的价值是无法估量的。所以最重要的一点就是保护湿地，退耕还湿。希望当地居民提高环保意识，主动去保护、呵护环境。嫩江流域内各地政府应加大对嫩江流域的保护和恢复力度，让我们共同为嫩江流域的生态环境贡献力量，让嫩江流域的生境变得更加美好。

5 结果与讨论

(1)近35年来,流域生境质量指数呈不断下降趋势,由1980年的0．7764,下降到2015年的0．7744,下降速率不断提高。

(2)流域内生境质量高的地区主要分布在嫩江流域的西北部,并且有逐年缩小的趋势。而生境质量较低的地区主要集中分布在流域的东南部，并且有逐年增大的趋势。

(3)人口密度、单位面积GDP及其年均气温因子的协同增强效应,是导致流域生境质量不断下降的主要原因，但在与自然和社会经济因子的交互作用下,自然保护区建设等政策调控因子的保护作用开始显现[7]。

嫩江流域作为重要的生态系统，为当地居民提供着巨大的服务价值，但却没有被重视。使它在提供服务的同时，遭受巨大的伤害。湿地面积的减少给嫩江流域带来了巨大损失，所以保护湿地对保护嫩江流域来说刻不容缓。本文旨在呼吁大家重视嫩江流域生态系统，正视它提供的服务价值。并给人类以警示，希望大家认清现状，重视保护嫩江流域的生态环境。