神農(nóng)架林區(qū)景觀格局時(shí)空演變及其驅(qū)動(dòng)力分析

曹嘉鑠，鄧政宇，胡遠(yuǎn)東，吳 妍

（1. 東北林業(yè)大學(xué) 園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 東北林業(yè)大學(xué) 黑龍江省寒地園林植物種質(zhì)資源開發(fā)與景觀生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040）

景觀格局反映景觀要素在空間結(jié)構(gòu)上的特征，可以從不同尺度討論要素間的相互作用與生態(tài)效應(yīng)[1]，是景觀異質(zhì)性的外在表征。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于景觀格局的研究主要分為2個(gè)方面，即景觀格局的空間質(zhì)異性與時(shí)間異質(zhì)性研究[2]。景觀異質(zhì)性在空間上的表達(dá)往往是復(fù)雜而連續(xù)的，因此以遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)等方法結(jié)合景觀格局指數(shù)進(jìn)行討論，有助于實(shí)現(xiàn)格局演變的可視化。在景觀生態(tài)學(xué)中，認(rèn)為土地即景觀[1]。據(jù)以往研究來(lái)看，土地利用變化可以反映景觀格局演變過(guò)程，將土地利用同生態(tài)環(huán)境與自然資源系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行探討，成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[3?4]。伴隨3S技術(shù)的快速發(fā)展，土地利用的空間分異研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，土地利用結(jié)構(gòu)分析已應(yīng)用到城市及山區(qū)用地空間擴(kuò)展[5]、景觀組分在地形梯度上的分異[6]、濕地格局分異[7]等諸多方面。神農(nóng)架林區(qū)位于中國(guó)地勢(shì)二、三階梯過(guò)渡地帶，是中國(guó)重要的氣候敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱地帶[8]。20世紀(jì)六七十年代間，由于不合理開發(fā)導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境遭嚴(yán)重破壞，林區(qū)政府開始探索綠色可持續(xù)發(fā)展模式[9]。本研究將基于多源數(shù)據(jù)，對(duì)神農(nóng)架林區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的組成及其時(shí)空演變特征與驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行探討，以探究20世紀(jì)90年代以來(lái)森林保護(hù)工程的成效，同時(shí)為林區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究提供參考。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

神農(nóng)架林區(qū)地處鄂西北山區(qū)，是中國(guó)唯一以“林區(qū)”命名的行政區(qū)劃，總面積約3 215.80 km2。林區(qū)地處 31°15′～31°57′N，109°56′～110°58′E，西南部以近東西向的山脈為主，其中最高峰神農(nóng)頂高 3 105.4 m，是華中地區(qū)最高點(diǎn)[10]。神農(nóng)架林區(qū)是中國(guó)東西植物區(qū)系的交匯地帶和南北植物區(qū)系的過(guò)渡地帶，其亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)是全球中緯度地區(qū)唯一保存完好的地區(qū)，擁有世界上最為豐富的生物多樣性[11]，是具有全球意義的基因庫(kù)，被稱為“綠色奇跡”，林區(qū)內(nèi)包括森林、灌叢、草甸和濕地等各類生態(tài)系統(tǒng)，具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土等重要生態(tài)環(huán)境服務(wù)價(jià)值[12]。近年來(lái)，以旅游業(yè)為主體的第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2018年全區(qū)旅游收入達(dá)57.29億元，林區(qū)內(nèi)建設(shè)用地規(guī)模大幅擴(kuò)張，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有所升高。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

以1996、2007、2018年Landsat遙感影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，影像空間分辨率為30 m，選取每個(gè)年份植被狀態(tài)良好的2景影像，影像的云量均低于2%；相關(guān)規(guī)劃資料詳見表1。

表1 數(shù)據(jù)資料來(lái)源統(tǒng)計(jì)Table 1 Data source statistics

在ENVI 5.3.1軟件中對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)對(duì)遙感影像的目視判讀和對(duì)研究區(qū)域的實(shí)地調(diào)查，采用最大似然法對(duì)遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類。根據(jù)研究目的，結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21 010?2017《土地利用現(xiàn)狀分類》，將神農(nóng)架林區(qū)土地劃分為林地、草地、建設(shè)用地、耕地和水域等五大類。利用Erdas Imagine 2015軟件計(jì)算解譯精度，結(jié)果顯示3個(gè)年份Kappa系數(shù)都達(dá)85%以上，符合研究需要。

2 研究方法

2.1 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣用于描述不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)移情況，能反映研究時(shí)間段內(nèi)土地利用類型轉(zhuǎn)移的數(shù)量與方向[13?15]。其通用公式為

式(1)中：Aij為土地面積；n為土地利用類型數(shù)；i、j為轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型。

2.2 景觀格局分布重心模型

景觀格局分布的重心模型用于研究景觀格局在空間上的分布情況，而多年份數(shù)據(jù)的疊加則可以反映景觀格局重心在不同時(shí)刻的遷移變化，是過(guò)程研究中重要的表征指標(biāo)[16?17]。

重心坐標(biāo)計(jì)算公式為：

重心距離遷移公式為：

式(2)～(4)中：Xt、Yt為研究區(qū)域內(nèi)某一景觀類型在時(shí)間t的重心坐標(biāo)；Dti為t時(shí)刻研究區(qū)域內(nèi)第i個(gè)斑塊的面積；Xi和Yi表示研究區(qū)域的坐標(biāo)；D為某一景觀類型的重心在t1和t2時(shí)間段內(nèi)移動(dòng)的距離。

2.3 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)是描述景觀變化的一種定量研究方法，是景觀格局結(jié)構(gòu)組成與空間配置信息的集中反映[18?20]。選取8個(gè)對(duì)于景觀結(jié)構(gòu)變化較為敏感的指數(shù)：斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、散布與并列指數(shù)(IJI)、聚合度指數(shù)(AI)、分離度指數(shù)(SPLIT)、景觀分割指數(shù)(DIVISION)、內(nèi)聚力指數(shù)(COHESION)與香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)，采用移動(dòng)窗口法[21?22]，在Fragstats軟件中每次移動(dòng)1個(gè)柵格，以900 m大小的移動(dòng)窗口，計(jì)算得到研究區(qū)域各指數(shù)的空間分布，分析神農(nóng)架林區(qū)景觀格局破碎化及多樣性特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化特征

從圖1和表2可以看出：林地是研究區(qū)域最主要的用地類型，占林區(qū)總面積的90%以上，22 a間，林地面積累計(jì)增加39.34 km2，森林覆蓋度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)；草地與耕地面積總體上呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；建設(shè)用地面積持續(xù)增加，近10 a間增速比較明顯，2018年研究區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地面積與1996年相比增加43.55 km2，這與該地區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)和旅游的大力發(fā)展有關(guān)；水域面積累計(jì)增加6.75 km2。

圖1 1996、2007、2018年神農(nóng)架林區(qū)土地覆被類型分類示意圖Figure 1 Land cover types in Shennongjia Forestry District basin in 1996, 2007, 2018

表2 1996、2007、2018 年神農(nóng)架林區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)表Table 2 Land use structure in Shennongjia Forestry District basin in 1996, 2007, 2018

3.2 土地利用轉(zhuǎn)移過(guò)程

由表3可知：1996?2007年，林地轉(zhuǎn)移為其他類型景觀的面積變化量最大，主要轉(zhuǎn)移為耕地和草地，轉(zhuǎn)出面積分別為49.29和23.47 km2，而轉(zhuǎn)移為林地最多的景觀類型也是耕地和草地，由此可知林地與耕地、草地間相互轉(zhuǎn)移關(guān)系密切，90%以上的新增建設(shè)用地由林地和耕地轉(zhuǎn)化而來(lái)。

表3 1996?2007 年、2007?2018 年、1996?2018 年神農(nóng)架林區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Land use transfer matrix in Shennongjia Forestry District of 1996?2007, 2007?2018 and 1996?2018

2007?2018年，林地仍然是轉(zhuǎn)移面積最大的景觀類型，主要轉(zhuǎn)移為耕地和建設(shè)用地，轉(zhuǎn)移面積分別為17.38和15.31 km2，表明神農(nóng)架林區(qū)在城鎮(zhèn)化建設(shè)及旅游業(yè)發(fā)展過(guò)程中，仍存在以占用林地作為代價(jià)進(jìn)行開發(fā)建設(shè)的現(xiàn)象；林地與耕地、草地間仍保持著密切的相互轉(zhuǎn)移關(guān)系，而林地的轉(zhuǎn)出面積減少37.05 km2，轉(zhuǎn)入面積增加27.66 km2，林地的總面積增加趨勢(shì)顯著。

3.3 景觀格局分布重心轉(zhuǎn)移變化

通過(guò)ArcGIS計(jì)算，得到1996、2007和2018年神農(nóng)架林區(qū)各個(gè)用地類型景觀格局分布重心轉(zhuǎn)移的距離、速度和方向(表4)。1996?2018年，研究區(qū)域內(nèi)水域和建設(shè)用地重心遷移明顯，水域重心在研究時(shí)段內(nèi)持續(xù)向西南方向遷移，累計(jì)遷移11 745.64 m，其中，1996?2007年遷移速度較快，為829.11 m·a?1，主要是由于大九湖濕地恢復(fù)與水庫(kù)修建導(dǎo)致的；建設(shè)用地重心向西南方向遷移10 752.54 m，說(shuō)明神農(nóng)架林區(qū)的建設(shè)向西南發(fā)展，尤其是2016年進(jìn)入國(guó)家公園發(fā)展的新時(shí)代，其范圍劃定也與建設(shè)用地重心的遷移方向相印證；林地具有向東擴(kuò)張趨勢(shì)，其重心在研究時(shí)間內(nèi)向東南方向移動(dòng)5 594.52 m。

表4 景觀類型轉(zhuǎn)移方向與距離Table 4 Landscape type transfer direction and distance

3.4 景觀格局指數(shù)變化分析

從同年份的同類型景觀比較結(jié)果(表5)來(lái)看：林地斑塊個(gè)數(shù)最少，最大斑塊指數(shù)與內(nèi)聚力指數(shù)均較高，景觀分割指數(shù)小于0.2，說(shuō)明林地斑塊的完整性較好，景觀破碎化程度低，林地為研究區(qū)域的景觀基質(zhì)，而建設(shè)用地和水域等類型則以斑塊或廊道的形式鑲嵌其中。

表5 神農(nóng)架林區(qū) 1996?2018 年景觀格局指數(shù)變化Table 5 Change of landscape pattern index from 1996 to 2018

從不同年份的同類型景觀比較結(jié)果(表5)來(lái)看：林地的景觀破碎化程度先增后減，草地、耕地與水域的景觀破碎化程度與分散程度在研究時(shí)段內(nèi)呈增加趨勢(shì)；人類活動(dòng)使建設(shè)用地不斷增加并向外擴(kuò)張，使其破碎化程度在總體上呈上升趨勢(shì)，但隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，建設(shè)用地景觀類型內(nèi)部也出現(xiàn)了一定程度的整合。

由圖2可見：從整體上看，神農(nóng)架林區(qū)景觀的破碎度有所降低，趨于整合；從局部來(lái)看，東北部區(qū)域與中南部區(qū)域的破碎化程度加劇，建設(shè)用地等人工斑塊的擴(kuò)張導(dǎo)致部分區(qū)域景觀破碎度升高，而景觀多樣性也隨之呈現(xiàn)擴(kuò)散趨勢(shì)；而林區(qū)多年來(lái)封山育林、人工造林、退耕還林等保護(hù)工作的開展，使得部分重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域內(nèi)林地面積持續(xù)增加，在地表覆被類型中占據(jù)主導(dǎo)地位，因此這些區(qū)域內(nèi)景觀多樣性會(huì)呈現(xiàn)一定的降低趨勢(shì)。

圖2 1996?2018年神農(nóng)架林區(qū)景觀破碎化與多樣性空間分布示意圖Figure 2 Landscape fragmentation and diversity index of Shennongjia Forestry District from 1996 to 2018

3.5 景觀格局演變的人為驅(qū)動(dòng)因素分析

3.5.1 經(jīng)濟(jì)因素 通過(guò)對(duì)神農(nóng)架林區(qū)1996?2018年經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)(圖3)與景觀格局演變特征的分析對(duì)比，可知在開發(fā)歷史較久，受經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與人類活動(dòng)干擾較大的地區(qū)，景觀格局演變較為顯著，如東北部的松柏鎮(zhèn)是神農(nóng)架林區(qū)政府的駐地所在，而中南部的木魚鎮(zhèn)是神農(nóng)架自然保護(hù)區(qū)管理局的駐地，也是神農(nóng)架旅游接待服務(wù)中心，這些區(qū)域的景觀破碎化程度呈現(xiàn)出較為明顯的升高趨勢(shì)。近年來(lái)旅游業(yè)更是逐步成為神農(nóng)架林區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)，2018年林區(qū)的旅游總收入接近57.3億元，約為地區(qū)生產(chǎn)總值的2倍。與此同時(shí)林區(qū)大力開展的旅游配套設(shè)施建設(shè)及房地產(chǎn)項(xiàng)目開發(fā)，使得人工斑塊數(shù)量顯著增加。22 a間林區(qū)建設(shè)用地面積驟增43.56 km2，所占比例由0.11%提升至1.45%。因此，經(jīng)濟(jì)因素對(duì)神農(nóng)架林區(qū)景觀格局的演變具有重要影響。

圖3 1996?2018年神農(nóng)架林區(qū)地區(qū)生產(chǎn)總值與年旅游總收入趨勢(shì)圖Figure 3 Trend of GDP and total tourism revenue change in Shennongjia Forestry District from 1996 to 2018

3.5.2 人口因素 由圖4可見：神農(nóng)架林區(qū)人口數(shù)量出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)；神農(nóng)壇、天生橋、官門山、大九湖在內(nèi)的幾大主要景區(qū)游客接待量逐年上漲，于2018年突破1 587.5萬(wàn)人次。為提高游客接待能力而進(jìn)行的景區(qū)開發(fā)，使得區(qū)域景觀類型發(fā)生顯著變化，1996?2018年，林地累計(jì)向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移25.45 km2，局部空間與生態(tài)環(huán)境所承受的壓力隨之增大。林區(qū)于2014年開展“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)，以村莊布局“減量、聚居”為總體要求，注重農(nóng)村土地資源綜合整治，因此耕地及建設(shè)用地中的住宅用地分布有所整合，但旅游服務(wù)用地的增加仍然造成了景觀破碎化程度的升高。

圖4 1996?2018年神農(nóng)架林區(qū)本地人口數(shù)量與年游客接待量趨勢(shì)圖Figure 4 Local population and annual tourist reception change in Shennongjia Forestry District from 1996 to 2018

3.5.3 政策因素 土地利用結(jié)構(gòu)及變化深受區(qū)域政策影響[23]。20世紀(jì)60?80年代，采取毀林開荒的開發(fā)方式追求經(jīng)濟(jì)效益，神農(nóng)架林區(qū)的生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，森林覆蓋率驟降至63.5%。神農(nóng)架林區(qū)于2000年全面啟動(dòng)天然林資源保護(hù)工程和退耕還林還草工程[24]，研究時(shí)段內(nèi)耕地向林地、草地轉(zhuǎn)移面積超過(guò)65 km2；2003年確立“保護(hù)第一，科學(xué)規(guī)劃，合理開發(fā)，永續(xù)利用”的發(fā)展方針，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境逐步改善，森林覆蓋率達(dá)90%以上；2011年發(fā)布《神農(nóng)架旅游總體規(guī)劃》，加快推進(jìn)神農(nóng)頂、官門山和天生橋景區(qū)配套設(shè)施建設(shè)，區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地面積顯著增長(zhǎng)，同時(shí)也與建設(shè)用地重心向西南遷移相印證；2016年7月，神農(nóng)架被正式列入世界自然遺產(chǎn)名錄，同年11月，神農(nóng)架國(guó)家公園管理局正式成立，標(biāo)志著神農(nóng)架的保護(hù)與管理工作步入國(guó)家公園新時(shí)代[9]。1996?2018年，林區(qū)內(nèi)水域面積累計(jì)增加6.75 km2，其中濕地的生態(tài)恢復(fù)成果得益于大九湖國(guó)家濕地公園的建立，濕地科學(xué)監(jiān)測(cè)與保護(hù)工作在政策的引導(dǎo)下逐漸步入正軌[25?26]。

3.6 景觀格局演變的自然驅(qū)動(dòng)因素分析

相比于社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，自然因子的作用在短時(shí)間內(nèi)并非十分顯著，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)時(shí)間看，氣候等因子的變化將對(duì)區(qū)域景觀格局產(chǎn)生重大影響。1996?2018年，神農(nóng)架林區(qū)的林地面積顯著增加，林地主要由耕地和草地轉(zhuǎn)化而來(lái)，除去政策的引導(dǎo)作用，主要依靠自然更新因素完成轉(zhuǎn)化。近年來(lái)，神農(nóng)架林區(qū)年降水量及年平均氣溫均呈較為微弱的增加趨勢(shì)[27]，小氣候條件優(yōu)越，加之林區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富，為耕地向林地的演替提供了有利條件。

4 討論

1996?2018年，神農(nóng)架林區(qū)森林覆蓋度總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，這與前人研究的結(jié)果一致[28]。劉家琰等[29]利用SPOT-VEGETATION數(shù)據(jù)對(duì)林區(qū)1998?2013年植被覆蓋度格局變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度呈較好增長(zhǎng)趨勢(shì)，整體變化率為1.45%。水域景觀面積顯著增加，破碎度升高，濕地生態(tài)恢復(fù)穩(wěn)中向好，這主要得益于濕地生態(tài)保護(hù)政策的有效實(shí)施，人為因素在過(guò)程中起到了決定性作用[24]，在保護(hù)優(yōu)先的政策指導(dǎo)下，林區(qū)逐步走上良性循環(huán)的綠色發(fā)展道路。同時(shí)，也有學(xué)者對(duì)自然因素進(jìn)行探究，張子一等[30]討論了個(gè)別年份受極端氣候與蟲害等自然因素，導(dǎo)致常綠植物受災(zāi)使其覆蓋度有所下降。

城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進(jìn)與旅游產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，造成了人工斑塊對(duì)林地、草地等自然景觀類型的侵占，景區(qū)內(nèi)旅游基礎(chǔ)設(shè)施的興建，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的干擾，增大生態(tài)壓力。建設(shè)用地的擴(kuò)張促使區(qū)域內(nèi)景觀破碎度與多樣性的增加，生態(tài)空間與社會(huì)經(jīng)濟(jì)空間融合程度不斷加深。

由于旅游業(yè)的發(fā)展需求，連通林區(qū)內(nèi)外的交通建設(shè)逐年推進(jìn)。截至2018年林區(qū)內(nèi)公路里程數(shù)達(dá)2 048.5 km，其中各大景區(qū)范圍內(nèi)公路網(wǎng)建設(shè)較為密集，造成林區(qū)景觀局部破碎化[31]，導(dǎo)致原本連續(xù)的生態(tài)廊道網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)生態(tài)間隙[32]，阻礙生態(tài)流的正常流動(dòng)，降低了生物遷移的安全性。神農(nóng)架機(jī)場(chǎng)位于林區(qū)中西部的紅坪鎮(zhèn)，于2014年正式通航，機(jī)場(chǎng)的落成使得區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地與耕地面積驟增，分割并部分取代了原有大面積草地斑塊，強(qiáng)烈的人工干擾可能會(huì)降低區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

1996?2018年，神農(nóng)架林區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)變化顯著，森林覆蓋度總體上呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，濕地生態(tài)恢復(fù)穩(wěn)中向好。隨著神農(nóng)架林區(qū)對(duì)于生態(tài)發(fā)展政策方針的不斷調(diào)整與優(yōu)化，森林保護(hù)工程成效日益顯現(xiàn)，同時(shí)也在逐漸改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。

景觀破碎度在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，表明神農(nóng)架林區(qū)景觀總體上趨于整合，但局部破碎化程度加劇，林區(qū)東北部與中南部區(qū)域地表覆被逐漸由原本較為整合的林地景觀轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N用地類型共存，林區(qū)建設(shè)用地的持續(xù)擴(kuò)張，社會(huì)經(jīng)濟(jì)空間與生態(tài)空間相互融合。人為因素是引起景觀格局變化的主導(dǎo)因素，近年來(lái)神農(nóng)架大力開發(fā)的旅游產(chǎn)業(yè)造成了人工斑塊對(duì)自然景觀的侵占，其他用地類型向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)較明顯，將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)安全產(chǎn)生威脅。