拉萨市城关区近50年城市扩展过程对自然生境质量的综合影响研究

　　摘要：拉萨市城关区建设用地紧邻拉鲁湿地国家级自然保护区，导致城市发展与自然生境保护间的矛盾十分突出。全面揭示该地区城市扩展过程对自然生境质量的影响对于优化城市景观格局、保护生物多样性具有重要意义。为此，定量评价了该地区1968—2019年城市扩展过程对自然生境质量的综合影响。首先，基于锁眼卫星遥感数据、Landsat系列遥感影像和GoogleEarth遥感数据获取了该地区土地利用/覆盖变化信息。然后，结合空间叠加和模型模拟量化了城市扩展过程对自然生境质量的影响。结果表明，拉萨市城关区近50年城市扩展过程不断加快，城镇建设用地面积从9.82km2增加到67.71km2，增加了近6倍。城市扩展过程导致自然生境质量加速下降，近50年下降了8.14%。自然生境质量同时受到城市扩展过程的直接影响和间接影响。在各类自然生境中，林地和湿地的生境质量下降尤为明显，分别下降了80.20%和41.03%。其中，林地主要被城镇建设用地直接占用，湿地则主要受城市扩展过程的间接影响。因此，需要同时关注城市扩展过程对自然生境的直接占用和间接影响，采取有效措施协调城市建设与生物多样性保护，促进区域可持续发展。

　　关键词：青藏高原;旱区;城市景观可持续性;生态系统服务;遥感;InVEST模型;生物多样性

　　城市扩展过程是指由于土地利用方式的改变，导致空间上城市规模的扩大，使得非城市土地转化为城市土地的过程[1]。自然生境质量是指森林、草地和湿地等自然生境能够提供适合于物种与种群的资源与环境的能力，对于维持和提高区域生物多样性至关重要[2]。伴随着全球正在经历的快速城市化进程，城市扩展过程已经成为影响自然生境质量的重要因素[3⁃4]。一方面，城市扩展过程会通过改变当地的土地利用/覆盖情况直接导致自然生境的丧失和破碎化[5]。

　　环境工程论文：红树林人工湿地-养殖耦合系统构建与净化效果

　　另一方面，城市扩展过程还会通过加剧环境污染与人类活动干扰、增加自然资源占用量和促进外来物种入侵间接造成自然生境质量下降[6⁃7]。近年来，已有研究在全球、国家和局地尺度上评价了城市扩展过程对自然生境质量的影响[8]。这些研究均表明，虽然在全球和国家尺度上城市扩展过程对自然生境质量的影响还较小，但在部分快速城市化热点地区和生物多样性保护热点地区，城市扩展过程对自然生境质量的影响已不可忽视[3，5，9]。因此，深入理解这些热点地区城市扩展过程对自然生境质量影响的格局、过程和机制对于当地的生物多样性保护和可持续发展具有重要意义。拉萨市城关区不仅是青藏高原主要的城市化地区，而且是至关重要的高寒湿地保护地[10⁃12]。

　　作为西藏自治区行政中心，拉萨市城关区在西部大开发、新型城镇化和“一带一路”倡议的带动下，正在经历快速的城市化进程[13⁃14]。城镇人口从1980年的38.63万增长到了2018年的55.44万，增长了近50%;城镇建设用地面积也随之快速增加[15]。该区域内的拉鲁湿地国家级自然保护区是青藏高原重要的高寒湿地生态系统保护区，蕴藏着大量珍贵的野生动植物资源[16]。随着城镇建设用地的不断扩张，拉鲁湿地面积不断萎缩，已经从历史上超过1000hm2下降到2005年设立国家级自然保护区时的核心面积660hm2[17]。

　　目前，区域内建设用地已经紧邻保护区，致使该地区成为青藏高原城市扩展与生物多样性保护之间矛盾最为突出的地区。量化该地区城市扩展过程对自然生境质量的综合影响是优化城市扩展格局和生物多样性保护策略的基础，有助于实现当地乃至整个青藏高原生态文明建设。目前，已有学者在拉萨市城关区开展了城市扩展过程对自然生境影响评估的相关研究工作。例如，张镱锂等[12]基于地形图与多源遥感数据获取了该地区1951—1999年土地利用信息，分析了城市扩展过程对自然生境的占用情况。次仁等[18]分析了距城市距离与拉鲁湿地的鸟类生物多样性之间的关系。

　　税燕萍等[19]评估了该地区1995—2015年城镇建设用地增加对自然生境质量的影响。已有研究为认识该地区城市扩展过程对自然生境的影响提供了良好的基础。但是，现有研究在获取长时间序列的城市扩展过程信息以及综合评估城市扩展过程对自然生境的综合影响等方面还有待进一步完善。长时间序列遥感数据和生境模型的结合应用，为全面评估该地区城市扩展过程对自然生境的影响提供了新途径。锁眼卫星提供1960—1975年期间全色波段、空间分辨率为1.8m至12.2m的高分辨率遥感影像数据，能反映清晰的地物光谱信息、纹理特征和空间分布情况[20]。

　　在1995年免费向公众开放后，该套数据已经在1960年代湿地的空间恢复、土地利用/覆盖信息提取等方面得到了较好的应用[21⁃23]。1970年代至今的Landsat系列遥感影像和近期具有米级空间分辨率的GoogleEarth遥感影像也可用于准确识别城市与自然生境范围[24⁃25]。

　　此外，InVEST(IntegratedValuationofEnvironmentalServicesandTradeoffs)模型的生境质量模块也被广泛用于城市扩展过程对自然生境质量综合影响的评价研究中[9，26]。因此结合锁眼卫星遥感数据、Landsat系列遥感数据、GoogleEarth遥感数据与InVEST模型能实现近50年城市扩展过程对自然生境质量的综合影响评估。

　　本研究目的是揭示拉萨市城关区近50年城市扩展过程对自然生境质量的综合影响。拟回答以下3个科学问题：(1)该地区近50年城市扩展过程对自然生境质量影响的时空动态是怎样的?(2)不同自然生境受到的影响有何差异?(3)该地区城市扩展过程导致的自然生境质量下降会对哪些物种的生存构成威胁?为了回答上述问题，首先结合锁眼卫星、Landsat和GoogleEarth遥感影像量化区域土地利用/覆盖变化情况。其次，基于InVEST模型中的生境质量模块模拟量化城市扩展过程对自然生境质量的直接和间接影响。最后，进一步分析了自然生境质量下降对区域生物多样性带来的威胁。

　　1研究区和数据

　　1.1研究区

　　本文研究区为拉萨市城关区(东经91°06′至91°56′，北纬29°24′至29°36′)，位于青藏高原腹地拉萨河下游，总面积520.51km2。当地平均海拔3650m，是世界上海拔最高的城市之一。区域地势北南高、中间低，南北为山地;中部为雅鲁藏布江支流拉萨河中游河谷平原，地势平坦。该地区为高原温带半干旱季风气候，年平均气温7.8℃，年均降水量200—510mm，全年日照时长3000小时以上，被称为“日光城”[12]。

　　拉鲁湿地国家级自然保护区位于研究区西北部，总面积1220hm2，核心面积660hm2，是当地重要的自然生境[17]。1980—2018年，拉萨市城关区总人口从38.63万增长到55.44万，增长了43.52%[15]，是青藏高原地区主要的人口聚集区。

　　1.2数据

　　研究所用数据主要包括遥感影像数据、物种数据以及地理信息辅助数据。遥感影像数据包括锁眼卫星数据、Landsat系列遥感数据、GoogleEarth遥感数据。其中，锁眼卫星数据来自北京揽宇方圆信息技术有限公司，空间分辨率为2.7m，已进行几何校正和正射校正，用于提取拉萨市城关区1968年土地利用信息。

　　Landsat系列遥感数据来自于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台，空间分辨率为30m，用于提取区域1984、1990、2000、2010年土地利用信息。GoogleEarth遥感数据来自于谷歌地球，空间分辨率为1.91m，用于提取2019年土地利用信息。此外，物种分布数据来自国际自然保护联盟濒危物种红色名录(IUCNRedListofThreatenedSpecies)。研究区的行政边界、行政中心等基础地理信息辅助数据来源于国家基础地理信息中心。为了保证数据一致性，所有栅格数据采用Albers等积圆锥投影并重采样至30m分辨率。

　　2方法

　　2.1量化区域自然生境质量空间格局

　　首先，通过目视解译，基于1968—2019年间的6期(1968年、1984年、1990年、2000年、2010年、2019年)遥感数据获取城镇建设用地、农村建设用地、耕地、沼泽、林地、河漫滩、草地和水体等8类土地利用/覆盖信息。

　　通过实地考察和混淆矩阵分析，对目视解译提取的土地利用/覆盖数据进行精度验证。首先，笔者于2020年夏季进行了实地考察，分别在城镇建设用地、林地、湿地(包括沼泽、河漫滩和水体)和草地等土地利用类型中选取了118个、40个、60个、43个样本点，获取了真实的土地利用/覆盖信息。其次，在实地考察的基础上对分类结果进行精度验证。结果表明，全区2019年的数据分类总体精度为92.80%，Kappa系数为0.90。

　　其中，城镇建设用地生产者精度为93.22%，用户精度为95.65%;林地的生产者精度为90.00%，用户精度为76.60%;湿地生产者精度为97.67%，用户精度为97.67%;草地生产者精度为90.48%，用户精度为98.28%。由此可见，获取的拉萨市城关区土地利用/覆盖数据准确性较高。然后，参考国际自然保护联盟发布的生境分类标准[27]，选取林地、草地、沼泽、河漫滩、水体作为自然生境，城镇建设用地作为威胁源[9]。

　　2.2评估区域城市扩展过程对自然生境质量的影响

　　通过量化城市扩展过程对自然生境质量的总影响、城市扩展过程对自然生境质量的直接与间接影响等三个方面，综合评估拉萨市城关区城市扩展过程对区域自然生境质量的影响。城市扩展过程对自然生境质量的总影响是指城市扩展过程导致的自然生境质量变化率[30]。

　　2.3评估区域生境质量变化对生物多样性的影响

　　通过统计区域内城镇建设用地最大影响范围内物种的分布情况评估拉萨市城关区生境质量变化对生物多样性的影响。物种分布数据来自国际自然保护联盟濒危物种红色名录，其给出了全球12万余种物种的潜在空间分布范围、适宜生境和濒危程度等信息。

　　参考He等[3]的研究，通过空间叠加的方式筛选出拉萨市城关区城镇建设用地最大影响范围内可能存在的物种，统计了物种名称、物种类型、受威胁情况、适宜的生境类型和是否为本地种等关键信息，进而量化了各物种潜在分布范围内自然生境质量受城市扩展过程的影响情况。以上方法通过IDL语言编程、Python语言编程和ArcGIS10.2软件操作实现。

　　3结果

　　3.1区域

　　1968年自然生境质量空间格局拉萨市城关区自然生境面积大，生境质量整体水平中等。1968年，拉萨市城关区自然生境面积为476.58km2，占区域总面积的91.57%;自然生境质量为0.60，属于中等水平。

　　其中，高质量自然生境面积为20.12km2，占全区自然生境总面积的4.22%，主要分布在区域城镇建设用地的南北两侧，多为河流、沼泽和林地。较高质量的自然生境面积为305.31km2，占全区自然生境总面积的64.10%，主要分布在远离城市区域的南北两侧山地和拉萨河两岸，多为草地与河漫滩。中等质量的自然生境面积为151.18km2，占全区自然生境总面积的31.71%，分布在靠近城市的城关区南北两侧，以草地为主。3.2区域1968—2019年城市扩展过程拉萨市城关区城镇建设用地呈指数型增长。

　　1968—2019年，全区城镇建设用地总面积从9.82km2增长到的67.71km2，增长了6.91倍，年均增长1.14km2。在1968—1984年期间，城市扩展过程相对缓慢。全区城镇建设用地面积增加了10.58km2，增长率为108.16%，年均增长0.66km2。而在2010—2019年，该区城镇建设用地迅速增加，增加了23.20km2，增长率为391.10%，年均增长2.58km2。

　　相比1968—1984年，2010—2019年的城镇建设用地增长速度增加了3.91倍。从空间上看，拉萨市城关区的城镇建设用地主要在拉萨河北岸呈“倒L形”分布。1968—1984年城镇建设用地主要向西、北方向扩展，1984—2000年城镇建设用地转为向西扩展，2000—2019年城镇建设用地沿着拉萨河向东、北方向扩展。

　　4讨论

　　4.1长时间序列遥感数据与InVEST模型

　　为评估城市扩展过程对自然生境质量的综合影响提供了可靠途径现有用于评估城市扩展过程对自然生境质量影响的数据主要为实地调查数据与短时间序列遥感数据[32⁃34]。其中，实地调查数据需要依赖可靠的数据获取方式和获取地点。因此，实地调查数据具有高花费、短时间、小范围等缺陷。更重要的是，青藏高原地区缺乏大量的实地调查数据。短时间序列遥感数据只能反映近期的城市扩展过程，无法获得长时间序列城市扩展信息与自然生境本底情况[8]。

　　结合锁眼卫星数据、Landsat遥感数据和GoogleEarth遥感数据能够弥补上述数据的不足。具有2.7m空间分辨率的锁眼卫星高分遥感影像可以清晰展现地物的光谱、纹理特征和空间分布情况，因此可以使用该数据准确识别区域的自然生境和城市建成区范围[20，35]。例如，Brinkmann等[21]使用锁眼卫星数据恢复了1960年西非四个城市地区的土地利用情况。Hepcan等[36]通过锁眼卫星数据与航片恢复了1963年土耳其伊兹密尔地区的土地利用情况。刘志锋等[23]基于锁眼卫星数据提取了1964年图们江下游地区湿地分布情况。

　　Landsat系列遥感影像和具有米级空间分辨率的GoogleEarth遥感影像也可用于准确识别城市与自然生境范围。例如，牛振国等[25]基于Landsat系列遥感影像和GoogleEarth遥感影像提取了2000年中国湿地的分布范围。Gong等[24]基于Landsat系列遥感影像和GoogleEarth遥感影像提取出了中国1978—2017年城市不透水面分布范围。

　　结合以上三类遥感数据能够准确量化长时间序列城市扩展过程和揭示历史自然生境质量本底信息。此外，InVEST模型生境质量模块可以同时量化城市扩展过程对生境质量的直接影响和间接影响。模型通过结合土地覆被和生物多样性威胁因素的信息生成生境质量地图，土地利用/覆被变化会导致自然生境的减少和邻近生境的退化[37]，其中，自然生境减少为直接影响，邻近生境退化的边缘效应即为间接影响。因此，InVEST模型生境质量模块可以通过评估生境适宜性变化和生境受威胁程度变化同时量化直接和间接影响[37]。

　　例如，韩艳莉等[28]基于InVEST模型模拟结果发现2005—2015年青海湖流域内的建成区和交通用地面积增加直接占用了自然生境，最终导致自然生境质量不断下降。税燕萍等[19]以拉萨河流域为例，使用InVEST模型量化了城市扩展过程对自然生境的间接影响，研究发现，1995—2015年间拉萨河流域内社会经济发展间接影响导致当地自然生境质量下降。综上所述，本文基于锁眼卫星影像、Landsat系列遥感影像和GoogleEarth遥感影像长时间序列遥感数据，结合InVEST模型的生境质量模块同时量化直接影响和间接影响，能够全面地揭示拉萨市城关区长时间尺度的城市扩展过程对区域自然生境质量的影响。

　　4.2拉萨市城关区城市扩展过程导致的自然生境质量下降已对生物多样性造成威胁

　　拉萨市城关区的自然生境对于生物多样性保护、当地生态系统的维持等具有重要作用。紧邻拉萨城镇建设用地的拉鲁湿地国家级自然保护区是青藏高原十分重要的高寒湿地保护区。

　　作为雅鲁藏布江最大的支流，拉萨河有25km长的河道在研究区内横穿而过。研究表明，拉鲁湿地内有针尾鸭(Anasacuta)、斑嘴鸭(Anaszonorhyncha)、斑头雁(Anserindicus)等鸟类62种，拉萨河内有包括拉萨裂腹鱼(Racomawaltoni)、尖裸鲤(Oxygymnocyprisstewarti)、双须叶须鱼(Ptychobarbusdipogon)等鱼类24种[16，38]。城市扩展过程导致的自然生境质量下降已经对当地物种生存造成了威胁。区域内鸟类和哺乳类生物主要的栖息地为湿地，而城市扩展过程对区域湿地造成了严重的影响。

　　本文发现，1968—2019年，拉鲁湿地生境质量从0.90下降到0.40，下降了55.42%。已有学者在拉鲁湿地开展了相关研究，也得到了类似的发现。例如，刘晓曼等[17]研究表明发现，由于人类活动加剧等的影响，拉鲁湿地面积在1989—2009年期间从942.45hm2下降到685.33hm2，减少了27.30%。

　　范丽卿等[39]相关研究表明湿地内分布有5种土著鱼类和7种外来鱼类，随着拉萨城市化过程与人类活动加剧，拉鲁湿地内的土著鱼类数量几近灭绝，外来鱼类成为优势种。田瀚鑫等[40]对拉鲁湿地水质开展的研究发现，区内枯水期水质主要为V类，丰水期水质主要为I和III类，水质污染区位于区内东北部和中南部，靠近城市道路，受到人类活动影响极大。周生灵等[41]研究发现拉鲁湿地猛禽的观察量减少，主要原因在于城市扩展过程导致的湿地周边适宜猛禽营巢的生境持续减少。本研究与相关研究结果均表明拉鲁湿地生境质量的下降对拉鲁湿地内生物多样性造成了严重的威胁。

　　4.3政策启示

　　拉萨市城关区的城市扩展过程对自然生境质量的影响具有三个特征：快速的城市扩展过程导致区域自然生境质量加速下降;在不同自然生境类型中，林地和湿地的生境质量下降幅度大;城市扩展过程对不同自然生境类型的直接和间接影响存在差异，林地主要受到直接影响，湿地主要受到间接影响。

　　本研究在拉萨市城关区发现的现象普遍存在于青藏高原地区。青藏高原自然生境本底相对脆弱，对城市扩展过程等人类活动具有高度敏感性[42⁃46]。Pan等[44]的研究发现，青藏高原地区的城市正在经历加速的城市扩展过程。Wang等[10]研究结果表明，西宁、拉萨、香格里拉和格尔木等地是青藏高原地区快速城市扩展过程的热点地区，这些地区大多分布于青藏高原上的河谷或绿洲地区。同时，这些地区也是湿地和森林广泛分布、生物多样性较为丰富的区域。因此，青藏高原上的城镇发展势必会对湿地和森林生态系统构成严重威胁。

　　4.4未来展望

　　拉萨市城关区位于青藏高原腹地，生态环境本底脆弱，快速的城市扩展过程对当地自然生境带来严重威胁。本文结合长时间序列遥感数据与生境质量模型，全面评估了拉萨市城关区近50年的城市扩展过程对自然生境质量的综合影响，对保护区域生物多样性、促进城市景观可持续、缓解人地矛盾具有参考价值。研究仍存在不足。一方面，在生境质量模型参数设置方面，生境质量赋值与威胁因子权重等均参考现有研究确定，模型参数本地化还需要结合实地考察数据进一步完善。另一方面，没有考虑自然生境斑块破碎化等进一步导致的连通性下降等问题，导致评价结果可能存在低估。

　　另外，在拉萨市城市扩展过程中，当地有关部门采取了植树造林和湿地恢复等一系列措施来提高自然生境质量，在文中还未体现。未来研究将通过多尺度融合与多技术结合，进一步聚焦青藏高原城市扩展过程对自然生境的综合影响评估。通过实地调查、遥感技术、空间统计和模型模拟等多方法结合，结合青藏高原区域特征进行模型本地化处理，预估未来城市扩展过程以及城市周边生态保护与恢复措施对区域自然生境的可能影响，为青藏高原城市景观可持续与生态安全屏障建设提供科学建议。

　　5结论

　　本文结合锁眼卫星、Landsat和GoogleEarth在内的长时间序列遥感数据，应用InVEST模型生境质量模块，有效地评估了拉萨市城关区近50年城市扩展过程对自然生境质量的综合影响。研究区1968—2019年城市扩展过程导致区域自然生境质量加速下降，共下降了8.14%。自然生境质量同时受到城市扩展过程的直接影响和间接影响。在不同自然生境类型中，林地和湿地受到城市扩展过程影响明显，生境质量分别下降了80.20%和41.03%。

　　其中，林地主要被城镇建设用地直接占用，湿地则主要受城市扩展过程的间接影响。该地区城市扩展过程导致的自然生境质量下降已经对16种濒危物种构成了威胁。因此，在青藏高原的城市扩展过程中，需同时关注新增城镇建设用地对林地和湿地的直接占用和间接影响。建议在自然保护区等重要自然生境周边建立缓冲区，在控制缓冲区内城市扩张和人类活动强度的同时积极推行生态恢复措施，协调城市建设与生物多样性保护，以促进区域可持续发展。

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　　作者：聂宇1，2，杨彦敏3，王一航1，2，刘志锋1，2，∗，何春阳1，2，陈歆4

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