1990—2020年拉萨市生境质量时空演变特征

Analysis on Spatiotemporal Evolution Characteristics of Habitat Quality in the Lhasa From Year 1990 to 2020

摘要

文章基于1990年、2000年、2010年和2020年拉萨市4期土地利用数据，分析了30年间拉萨市土地利用变化以及景观格局指数演变，并利用生态系统服务与权衡的综合评估（InVEST）模型评估了拉萨市生境质量时空演变规律。研究结果表明，1990—2020年间，拉萨市土地利用结构发生显著变化，草地和未利用土地始终占主导地位，耕地与林地增长集中在中部各县，建设用地扩张则以城关区与堆龙德庆区为核心，土地利用转换剧烈；1990—2020年间，拉萨市整体景观趋于规则、均质化，综合反映了生态政策与人类活动对区域景观的深刻重塑；1990—2020年间，拉萨市生境质量总体呈下降趋势，平均生境质量下降3.03%，高质量生境面积显著减少，低质量生境面积持续增加，中部城关区等城镇化区域生境质量退化明显，而外部县区生境质量相对较好。研究结论可以从土地利用的角度为决策者提供拉萨市生境质量优化的参考，也对未来土地利用政策的制定和建设国家生态文明高地目标的实现具有重要意义。

Abstract

The spatiotemporal evolution of habitat quality in the Lhasa City was evaluated based on the land use data of year 1990, 2000 and 2010 by using the Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs (InVEST) model. The results showed that the land use structure in the Lhasa City has undergone significant changes from year 1990 to 2020, with an intense land use conversion. Although grassland and unused land have always being dominated, the growth of arable and forest land was concentrated in the central counties, while the expansion of construction land was centered around the Chengguan District and Duilongdeqing District. The overall landscape of the Lhasa City tended to be regular and homogeneous with a decrease in patch density and an increase in diversity from year 1990 to 2020, which comprehensively reflecting the profound remodeling of the regional landscape by ecological policies and human activities. The overall habitat quality in the Lhasa City showed a downward trend, with an average decrease of 12.34% in habitat quality from year 1990 to 2020. The area of high-quality habitats decreased significantly and the area of low-quality habitats continued to increase. The habitat quality in urbanized central areas such as Chengguan District degraded significantly, while the habitat quality of the external four counties was relatively preferable. The research can provide references for decision-makers to optimize the habitat quality from the perspective of land use, and is of great significance for the formulation of land use policies and the realization of the goal of building a national ecological civilization highland in the future.

Graphical abstract

关键词

生境质量 / 土地利用变化 / InVEST模型 / 拉萨市

Key words

habitat quality / land-use change / InVEST model / Lhasa City

引 言

在人类活动日益频繁的背景下，土地利用变化作为人地关系互动的关键媒介，深刻重塑着生态格局与生态过程，成为驱动生态环境演变的重要力量^[1]。揭示土地利用变化如何影响生态环境，是构建区域生态安全格局、实现土地可持续利用的关键^[2]。景观格局作为土地利用的时空异质性表现，其结构变化受土地利用方式主导，并反过来调控着诸如水土流失等关键生态过程^[3]。但结构分析本身存在局限，无法直接等同于生态价值的判断。为弥补此不足，必须整合生态功能的视角，而生境质量正是衡量生态系统支持功能（尤其是生物多样性）的核心指标，其对土地利用变化的敏感响应机制已被广泛证实^[4-7]。当前生态模型是生境质量研究的主流路径，常用的生态模型包括生态系统服务社会价值模型（Social Values for Ecosystem Services，SolVES）^[8]、电路理论模型（Circuit Theor）^[9]、最大熵模型（Maximum Entropy Models，MaxEnt）^[10]、生态系统人工智能服务模型（Artificial Intelligence for Ecosystem Services，ARIES）^[11]以及生态系统服务与权衡的综合评估模型（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs，InVEST）等。其中，InVEST模型因其数据需求较少、评估精度较高，并能够模拟不同土地覆被情景下生态系统服务的变化，被广泛用于多尺度生境质量评估及其驱动机制解析^[12-16]。因此，基于土地利用变化的动态背景，同步探究景观格局与生境质量，能够从“结构-功能”联动的视角，透彻解析区域生态演变的内在规律，从而为国土空间规划与生态修复工程的有效性评估提供坚实的理论支撑与实践路径。

拉萨市是保障国家生态安全的战略屏障，是青藏高原生态保护和高质量发展重点区^[17-19]。厘清拉萨市土地利用动态与生境质量演变的响应机制，研究拉萨市生境质量时空演变特征迫在眉睫。基于此，本研究以拉萨市为研究区，基于1990年、2000年、2010年、2020年4期土地利用变化数据，针对高寒脆弱区的生态本底，通过连续30年土地利用变化分析，揭示人类活动-土地利用-生境质量动态响应过程，借助InVEST模型的空间输出能力，识别生境质量的空间分异与退化热点，为拉萨市国土空间格局优化与生态保护修复提供科学依据，推动高原区域生态管理从宏观治理向精细调控迈进。

1 研究地点与研究方法

1.1 研究区概况

拉萨市地处西藏中部，平均海拔3 650 m，总面积为2.964万km²，拉萨市现辖3区5县。拉萨市自然资源丰富，独特的高原温带半干旱季风气候塑造了鲜明的环境特征，辐射强，日照时间长，年日照时数在3 000小时以上；气候干湿季分明，冬春干旱风大，超过90%的降水集中在6至9月，多夜雨；年平均气温低，昼夜温差大^[20]。近年来，拉萨市城镇用地的扩张、交通基础设施的建设以及部分地区草地过度放牧等，占用和分割原有高寒草原，导致植被结构简化，自然植被覆盖度下降，加剧了生境破碎^[21,22]。在生态保护红线区内优化土地利用与维护生态空间格局能有效提升生境连通性与生态系统服务能力^[23]。

1.2 数据来源

拉萨市土地利用数据来源于1990年、2000年、2010年和2020年4期的中国土地覆被数据集（空间分辨率30 m）。将原始数据重分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地共6个类型。DEM数字高程模型（分辨率30 m）取自地理空间数据云。道路等基础地理数据则由全国地理信息资源目录服务系统（https://www.web-map.cn/）获取。

1.3 研究方法

1.3.1 景观格局指数

景观格局指数是用于描述景观的空间结构特征、组成特征及其变化的统计指标，能够系统揭示地表空间特征的结构性演变规律与动态趋势，为生态系统研究、水土资源优化配置及环境保护策略制定提供重要的空间量化依据^[24]。本研究利用Fragstats 4.2软件选取斑块密度（Patch Density，PD）、景观形状指数（Landscape Shape Index，LSI）、香浓多样性指数（Shannon's Diversity Index，SHDI）和景观蔓延度指数（Contagion Index，CONTAG）4种景观格局指数评价整体景观格局，采用斑块密度（PD）、最大斑块指数（Largest Patch Index，LPI）、景观形状指数（LSI）、凝聚度（Cohesion Index，COHESION）、分离度（Division Index，DIVISION）、聚合度（Aggregation Index，AI）评价各类型景观格局。

1.3.2 生境质量

本研究采用InVEST模型中的生境质量模块进行评估。生境质量模块所计算的生境质量指数，是一个综合表征特定土地利用类型对生物栖息适宜度及所受外部威胁程度的核心指标，是评估区域生境状况的有效工具^[25]。

Q_{xj}=H_j\left[\mathrm{1}-\left(\frac{D_{xj}^z}{D_{xj}^z+k^{\mathrm{2}}}\right)\right]（1）

式中，Q_xj 为第j种景观类型x栅格单元的生境质量指数，指数越大代表生境质量越好，说明这种环境的生态系统越稳定，反之亦然；H_j 为第j种景观类型的生境适宜性程度，取值范围为[0,1]；k表示半饱和常数，一般取生境退化度指数的50%；z表示归一化常数，一般设置为2.5；D_xj 为生境退化度指数，表示生境受胁迫压力后表现出的退化程度，其公式如下：

D_{xj}={\displaystyle \sum _{r=\mathrm{1}}^{\mathrm{R}}}{\displaystyle \sum _{y=\mathrm{1}}^{{\mathrm{Y}}_{\mathrm{r}}}}\left(W_r/{\sum }_{r=\mathrm{1}}^R{W}_{\mathrm{r}}\right)r_y{i}_{rxy}{\beta }_x{S}_{jr}（2）

式中，R为威胁源的数量；W_r 为权重；Y_r 为威胁源的栅格个数；r_y 为栅格单元上的威胁源数量；β_x 为威胁源对栅格x的可达性，越接近1表示越容易达到；S_jr 为土地利用类型i对威胁源j的敏感程度，越接近1表示越敏感；i_rxy 为威胁源所能影响的范围^[26]。

不同生境类型对外界威胁的敏感性遵循生态保护的一般规律，即自然环境对外界威胁最为敏感，半人工环境次之，而人工环境则较不敏感或基本不受影响^[27]。城镇用地、农村居民地、其他建设用地及道路是典型的人工环境，它们集中体现了人为干扰对生境与生物多样性的威胁，故被界定为威胁源。同时，耕地作为半人工环境，也对生态系统构成一定威胁，故同样设为威胁因子。同时，各地类的生境适宜性从高至低依次为：林地、草地、水域、耕地、未利用地、建设用地，其中建设用地人类活动密集，几乎不具备生态栖息功能，将其生境适宜性设置为0^[28]。参考《InVEST模型用户手册》以及苏敬等^[29]、刘佳依等^[30]、李胜鹏等^[31]、包玉斌等^[32]以及傅春等^[33]的相关研究成果，并结合拉萨市实际情况进行调整与修正，对各威胁因子的最大影响距离、权重以及不同生境类型的适宜度和胁迫因子敏感度进行赋值（表2和表3）。

2 结果与分析

2.1 土地利用分析

通过比较1990年、2000年、2010年、2020年拉萨市土地利用变化统计数据可知（图2），拉萨市的主要土地利用类型为草地与未利用土地，其次是林地、水域和耕地，最后是建设用地。1990年拉萨市草地面积最大，为20 918.22 km²；其次是未利用土地，为4 996.76 km²；以上2种类型占全市面积的87.31%。耕地、林地、水域以及建设用地面积较小，分别占全市总面积的2.42%、4.22%、5.87%以及0.16%。1990—2000年拉萨市耕地、草地、水域、未利用土地面积减少，林地和建设用地面积增加，但变化幅度不大。2000—2010年拉萨市草地减少21.71%，林地增加174.13%，耕地增加50.47%。2010—2020年拉萨市建设开发密集，建设用地增加199.11%。30年间，拉萨市草地减少21.97%，耕地增加38.50%，林地增加179.61%，水域增加17.43%，建设用地增加291.38%，未利用土地增加32.55%。由图3可知，30年间，拉萨市各类用地的变化在空间上呈现出明显的区域分异：耕地的增加主要集中于中部的林周县、墨竹工卡县、城关区、堆龙德庆区及曲水县；林地的增长则高度集中在墨竹工卡县与林周县；而建设用地的扩张则以城关区与堆龙德庆区为核心区域。

为全面理解拉萨市土地利用在这一时期内变化的结构特征，构建了土地利用转移矩阵。如图4所示，1990—2000年拉萨市土地利用类型区域趋于稳定。2000—2010年，各地类的转化极为剧烈，耕地有24.86%转换为草地，有10.57%转换为林地；56.06%的林地转换为草地；14.74%的草地转换为未利用土地；13.88%的水域转换为未利用土地；25.61%的建设用地转换为耕地；25.20%的未利用土地转换为草地。总体来说，30年间，6种地类的转变均较为剧烈，耕地的46.34%、林地的67.36%、草地的32.51%、水域的19.69%、建设用地的51.51%以及未利用土地的36.33%向其他地类转化。由于拉萨市草地面积较广，其他地类的来源也主要由草地转化，如耕地51.29%来源于草地转化，有2 021.85 km²林地由草地转化，占林地总面积的80.56%，建设用地的变化最为剧烈，建设用地的主要来源为草地与耕地。

2.2 景观格局分析

拉萨市时间尺度上的整体景观格局指数结果及变化如图5所示，1990—2020年间，拉萨市景观格局发生了系统性转变。关键景观指数的变化（PD下降38.36%，LSI下降8.13%，CONTAG下降11.79%，SHDI上升11.8%）表明，拉萨市景观正从原有的复杂、自然化格局，向更为规则、均质化且受人类活动主导的方向演变。值得注意的是，香农多样性指数的上升暗示斑块类型在景观中分布更为均匀，但这是一种在人类干扰下，以牺牲自然生态系统的复杂性和连通性为代价的“均衡”。2010—2020年拉萨市斑块密度（PD）、形状指数（LSI）景观指数呈小幅度增加趋势，表明拉萨市近10年正在经历强烈的景观破碎化过程，同时景观异质性和复杂性显著增加，原有的优势景观基质正在被分割、打碎，同时有新的斑块类型加入，导致整个景观变得更加复杂、多样和破碎。

1990—2020年拉萨市景观类型变化趋势显示（图6）：耕地类型斑块密度（PD）降低58.42%，最大斑块指数（LPI）增长165.55%，景观形状指数（LSI）降低29.27%，表明30年间拉萨市耕地景观格局发生了根本性的优化和重组，从过去破碎、零散、形状复杂的模式转向了集中、连片、形状规整的模式。凝聚度（COHESION）、分离度（DIVISION）与聚合度（AI）指数的微弱波动表明，研究区内耕地长期维持着一种高度聚集、紧密连通且不易被分割的空间分布格局；林地类型斑块密度（PD）先升高后降低，最大斑块指数（LPI）增长5倍，景观形状指数（LSI）先升高后降低，表明林地景观从破碎、复杂的状态转变为高度集中、连片、结构更简单的状态，主要原因可能是西藏生态补偿、“林长制”等政策的全面推行，通过严格保护核心区和有效整合边缘区双管齐下的策略，重塑了拉萨森林景观格局；草地类型斑块密度（PD）降低，最大斑块指数（LPI）、景观形状指数（LSI）持续降低，分离度（DIVISION）增加35%，表明草地生态系统发生了严重的退化、破碎化和功能衰退，这种变化意味着草地的生产能力、防风固沙、水土保持、生物多样性维护等关键生态功能正在显著下降，如果趋势持续，可能导致土地荒漠化等不可逆的后果；水域类型斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、景观形状指数（LSI）升高，其余波动较小，表明核心大水体扩张和边缘小水体新生并存，既有大型水体的“面”上的扩张，也有小型水体的“点”上的增生，导致水域景观的整体复杂程度提高；建设用地斑块密度（PD）下降27%与景观形状指数（LSI）降低9%，标志着零星、不规则的建设斑块得到有效整合，与此同时最大斑块指数（LPI）激增3倍与聚合度（AI）提升4%，则印证了优势建设用地斑块的显著扩张与空间集聚，这一“由散到聚”的格局演变，直观反映了土地集约节约利用政策的显著成效，不仅提升了规模效益与利用效率，也为基础设施共享与管理成本优化奠定了坚实基础；未利用地类型斑块密度（PD）、景观形状指数（LSI）降低，最大斑块指数（LPI）升高，表明未利用地与已利用地的边界被清晰地界定和规整化。

2.3 生境质量分析

1990—2020年拉萨市平均生境质量持续降低。全市平均生境质量从1990年的0.7024减少到2020年的0.6811，30年平均生境质量降低3.03%。为深入解析拉萨市生境质量的空间分异特征，本研究基于InVEST模型的输出结果，利用ArcGIS平台中的相等间隔法，将生境质量指数划分为5个等级：Ⅰ（0\sim0.2），Ⅱ（0.2\sim0.4），Ⅲ（0.4\sim0.6），Ⅳ（0.6\sim0.8），Ⅴ（0.8\sim1）。由表4可知，拉萨市整体生境质量较好，高质量生境区域占比最多，但是30年间占比不断降低。其中，高等级生境（Ⅴ）质量面积不断降低；良好生境（Ⅳ）质量面积先减少后增加；中等生境（Ⅲ）质量面积总体呈增大趋势，但增幅不大；差（Ⅰ）与较差生境（Ⅱ）质量面积持续增加。V等级生境主要分布在大量林地、水域以及部分草地，I等级和Ⅱ等级生境主要分布在建设用地等。

从空间格局来看（图7），拉萨市生境质量整体表现为外部4县区（达孜区、林周县、尼木县、墨竹工卡县）的整体生境质量要高于中部4县区（曲水县、当雄县、堆龙德庆区、城关区）。对拉萨市8个县区进行分区统计，2020年生境质量平均值从高到低依次是达孜区、墨竹工卡县、林周县、尼木县、曲水县、当雄县、城关区。其中，城关区V等级高生境质量面积占比从1990年的5.29%增加到2020年的13.78%，Ⅱ等级生境质量面积增长82.04%。相比于其他7个县区，拉萨市城关区一直是高生境质量低洼区，2020年城关区V等级高生境质量仅占拉萨市的0.26%。同时，城关区I等级低生境质量占拉萨市比重有所改善，从1990年的56.91%降至37.86%，表明城关区在生境质量最低的区域实施的环保措施有明显的效果。堆龙德庆区、达孜区、曲水县、林尼木县V等级高生境质量占比波动不大，林周县、墨竹工卡县V等级高生境质量占比出现明显的正增长，而当雄县略有下降。与此同时，当雄县、堆龙德庆区I等级低生境质量面积占比增加幅度较大，该地区生境质量问题不容忽视。林周县、曲水县I等级低生境质量面积占比不断减小，该地区整体生境持续向好。

利用InVEST模型得到拉萨市生境质量的退化情况，1990年、2000年、2010年和2020年拉萨市平均生境退化指数分别为0.0284、0.0287、0.0237和0.0312。生境退化指数与生境质量的潜在受损程度呈正相关，即指数越高，生境质量所面临的负向效应与下降风险也更为显著。拉萨市总体退化度呈增加趋势，与生境质量变化趋势吻合（图8）。将生境退化度指数分为轻度退化区（0\sim0.2）、中度退化区（0.2\sim0.4）和高度退化区（0.4\sim0.76）。从图8可看出，1990—2020年拉萨市生境质量变化表现出显著的空间异质性，高度生境退化区受人类活动影响较大，主要集中在建设用地、道路周边，以堆龙德庆区最为突出。总体来看，30年间拉萨市生境质量较为稳定，但2020年生境退化程度较为严重。

根据对各等级栅格占比的统计，计算得到1990—2020年拉萨市生境退化区的面积与比例，并分析了不同退化等级（轻度、中度、高度）在时段内的变化情况（图9）。结果显示，拉萨市生境总体退化程度在时间上呈上升趋势，空间上变化较为集中。其中，轻度退化区始终占主导地位，各年份占比均保持在96%以上；中度与高度退化区在整体时段内也呈上升态势，但在2010年出现一定回落。进一步分析发现，研究区内建设用地、耕地、未利用地及部分水域等生境质量较低的土地类型，其生境退化程度较高；而林地、草地及部分生境质量较高的耕地与水域，则退化程度较低。总体而言，拉萨市生境退化态势在空间上异质性显著，但全域变化并不剧烈，高度退化区域集中于人类活动密集的城镇建成区与人口聚集带。

3 讨 论

土地利用格局的转变是生态政策执行最直接的空间体现，由此引发的生境质量演变，则成为衡量相关生态工程实施成效的关键指标^[34]。生境质量是支撑生物多样性与区域可持续发展的关键生态系统服务要素，对其演变进行深入研究，可为环境管理部门制定生态保护策略、优化资源布局提供决策基础^[35]。本研究通过探究景观格局与生境质量，解析拉萨市生态演变的内在规律。结果显示，1990—2000年拉萨市各景观格局指数均无明显变化，生境质量下降幅度也较小，可能原因是该时期拉萨市尚未经历大规模的城市扩张与基础设施建设，主导景观类型（如草地、未利用地）的宏观分布格局与斑块形状未发生结构性改变，生境质量的下滑反映为生态系统内部结构与功能的隐性退化。2000—2010年拉萨市土地利用方式转变剧烈，在强烈的开发建设与不合理的土地利用共同驱动下，拉萨市景观经历了从结构稳定到功能紊乱的转变。高生态价值斑块（林地、水域）的萎缩与退化，人类活动导致的景观破碎化，二者共同作用，引发了生境质量的急剧下降。随着《西藏生态安全屏障保护与建设规划》全面深入推进，“一江两河”流域造林、周边山地绿化等工程持续开展，使得林地大面积增长极大地提升了区域的整体生态本底，有效对冲了其他地类转化带来的生境损失，成功遏制了生境质量整体下降势头，塑造了宏观统计上的稳定。建设用地激增199.11%，其扩张模式很可能是以侵占和分割原有的连续生境为代价，这种边缘侵蚀式的开发，同样会创造更多、更复杂的边界，加剧局部破碎化，表现为这一时期高度生境退化区占比从2010年的0.04%激增至2020年的0.34%。尽管生态建设稳住了大局，但这种区域生境质量“断崖式”下跌，为未来的生态安全埋下了隐患。这种“大局稳定、局部退化”的局面，深刻揭示了在高原脆弱区进行可持续发展所面临的长期性与复杂性。

基于拉萨市不同区域的功能定位与生境特征差异，未来城市发展与生态保护应严格遵循国土空间规划，落实“三区三线”管控要求，推进“山水林田湖草沙”系统治理。针对当雄县、尼木县、曲水县、林周县、墨竹工卡县外围生态功能区，应持续推进退耕还林还草，建立健全生态修复长效机制，优化林草产业结构，因地制宜发展生态经济，增强区域生态功能与可持续发展能力。对于“一城两区”（城关区、达孜区、堆龙德庆区）等核心发展带，应严格划定并落实城镇开发边界，优化林地、草地、耕地与建设用地的空间布局，合理配置生态用地，统筹协调生境质量提升与经济社会发展的关系。建议通过划定城镇开发边界限制建设活动对生境的侵占，构建生态廊道以增强生境连通性，强化低海拔地区生态缓冲区建设，推进土地节约集约利用，优化国土空间开发保护格局，全面提升拉萨市整体生境质量与生态系统服务功能。

4 结 论

（1）1990—2020年间拉萨市土地利用结构发生显著变化。草地和未利用土地虽始终占主导地位，但草地面积减少21.97%，而林地、耕地和建设用地分别增长了179.61%、38.50%和291.38%。空间上，耕地与林地增长集中在中部各县，建设用地扩张则以城关区与堆龙德庆区为核心。土地利用转换剧烈，草地是其他地类的主要来源。

（2）1990—2020年间拉萨市景观格局呈现系统演变。整体景观趋于规则、均质化，斑块密度下降而多样性上升。具体地类中，耕地与林地通过政策引导实现集中连片和结构优化；建设用地呈现集聚发展，反映集约节约用地成效；草地则明显破碎化和功能退化，存在一定生态风险；水域结构复杂性提高，未利用地边界趋于规整，这一格局变化综合反映了生态政策与人类活动对区域景观的深刻重塑。

（3）1990—2020年间拉萨市生境质量总体呈下降趋势，平均生境质量下降3.03%。高质量生境面积显著减少，低质量生境面积持续增加，空间分布呈现明显异质性。中部城关区等城镇化较高区域生境质量退化明显，而外部县区生境质量相对较好。整体的生境质量稳定与生境质量高度退化区的增加，反映出生态保护与城镇化发展间的突出矛盾。生态保护政策虽在一定程度上维持了生境质量的基本稳定，但随着城镇化进程加速，生境保护仍面临严峻挑战。

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基金资助

环喜马拉雅人类活动与区域发展协同创新中心项目(0808/042)