神農(nóng)架林區(qū)人類活動與生境質(zhì)量的空間關(guān)系

周 婷,陳萬旭,李江風(fēng),*,梁加樂

1 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)公共管理學(xué)院,武漢 430074 2 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地理與信息工程學(xué)院,武漢 430078 3 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)空間規(guī)劃與人地系統(tǒng)模擬研究中心,武漢 430078

全球范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境的變化預(yù)示著人類世的到來,工業(yè)化、城市化進(jìn)程不斷加快,人類改造自然界的規(guī)模和力度不斷增強(qiáng),人類活動對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)和空間變化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響,嚴(yán)重干擾了區(qū)域生境質(zhì)量[1-2]。在此背景下,探索區(qū)域人類活動與生境質(zhì)量間的關(guān)系,逐漸成為相關(guān)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)議題[3-4]。

生境是指提供物種生存繁育資源與條件的空間。生境質(zhì)量則是指生態(tài)環(huán)境在一定的時間和空間能夠提供物種生存繁衍適宜條件的能力,其作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的一項重要功能,是提升人類福祉的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5-7]。評估區(qū)域生境質(zhì)量,不僅可以識別該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的變化及驅(qū)動力,還可以為改善區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供科學(xué)依據(jù)[8]。關(guān)于生境質(zhì)量的評價方法,一方面根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)類型屬性進(jìn)行評價,如Homyack運(yùn)用生理度量法對野生脊椎動物的生境質(zhì)量進(jìn)行評價,Billionnet等運(yùn)用數(shù)學(xué)優(yōu)化法對自然保護(hù)區(qū)景觀破碎化、遺傳多樣性維持等方面進(jìn)行研究[9]；一方面根據(jù)研究尺度進(jìn)行評價,對于大尺度區(qū)域,如祝萍等采取遙感技術(shù)識別全國典型自然保護(hù)區(qū)的土地利用變化和植被覆蓋等因素[10],對于中小尺度區(qū)域,如王瓊等采用層次分析法對蒲河流域生境質(zhì)量進(jìn)行綜合評價[11]；此外,隨著3S技術(shù)和生態(tài)模型的發(fā)展,區(qū)域生境質(zhì)量評估趨于定量化、模型化和空間化,如王玉等運(yùn)用SolVES模型分析濕地森林公園生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[12],劉振生等運(yùn)用MAXENT模型結(jié)合土地利用、地形等驅(qū)動因子對賀蘭山巖羊生境適宜性進(jìn)行了探討[13]。根據(jù)以往研究發(fā)現(xiàn),InVEST模型的生境質(zhì)量模塊(Habitat Quality Model),在對區(qū)域生境質(zhì)量動態(tài)評估和時空變化分析方面更具代表性[14-15],是當(dāng)前較為成熟且應(yīng)用廣泛的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型[16]。

人類活動是指一切人類行為觸及生物圈的過程[3],其通過改變生境退化度,繼而影響生境質(zhì)量[17]。關(guān)于人類活動與生境質(zhì)量關(guān)系研究,部分學(xué)者基于人類活動引起的相關(guān)效應(yīng),由狀態(tài)視角側(cè)面評價人類活動,如以土地利用變化[18-19]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化[20]、多因子狀態(tài)變化[21-22]等展現(xiàn)人類活動強(qiáng)度；部分學(xué)者由壓力視角正面刻畫人類活動,包括基于權(quán)重的多指標(biāo)疊加分析方法和生態(tài)足跡方法[23-25]等。其中多指標(biāo)疊加分析方法運(yùn)用較多,通過建立研究區(qū)人類活動評價體系,由層次分析法[26]、變異系數(shù)法[27-28]等主客觀方法確定指標(biāo)權(quán)重,最后加權(quán)計算人類活動強(qiáng)度。人類足跡指數(shù)(Human footprint index,HFI)的概念是在2002年由Sanderson等提出[18],提供全球尺度上人類活動對陸地生態(tài)環(huán)境影響的分布信息,在人類活動影響評價等方面得到了廣泛的應(yīng)用[3,29]。以人類足跡指數(shù)表征人類活動,能夠彌補(bǔ)以往研究中僅以景觀組分變化或土地利用變化單一指標(biāo)計算的缺陷[23,30],更適用于自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測和管理等方面[3]。關(guān)于人類足跡指數(shù)的測度,Li等通過對人口密度、土地利用強(qiáng)度、放牧強(qiáng)度等指標(biāo)的影響分?jǐn)?shù)在0—10范圍內(nèi)進(jìn)行分配與求和,得出西藏地區(qū)人類足跡指數(shù)[1]；Buckley等在野生動物保護(hù)學(xué)會和國際地球科學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)中心推導(dǎo)的人類足跡指數(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上,選取人口密度、建成區(qū)、夜間人工照明、土地覆蓋、道路等指標(biāo),在0—100范圍內(nèi)計算中國大陸自然保護(hù)區(qū)的人類足跡指數(shù)[17]。以往研究表明,該方法較適用于繪制重點(diǎn)生態(tài)保護(hù)區(qū)域的人類足跡指數(shù)。

神農(nóng)架林區(qū)擁有全球30°N地區(qū)唯一保持完好的亞熱帶森林系統(tǒng),具有極高的生物多樣性價值。先后建立了國家級自然保護(hù)區(qū)、國家森林公園等,并于2016年成為國家公園試點(diǎn)之一,在生態(tài)文明建設(shè)中走在全國前列。近年來,經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展,尤其是以旅游業(yè)為主體的第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,人類活動的日益頻繁對神農(nóng)架林區(qū)的生境質(zhì)量和生態(tài)安全構(gòu)成一系列威脅,包括城鎮(zhèn)化進(jìn)程中生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化、生物多樣性喪失、大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)下生產(chǎn)、生活污染等。探討自然環(huán)境與人類社會生存與發(fā)展的相互作用,對于神農(nóng)架林區(qū)人地關(guān)系協(xié)調(diào)與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[31-33]。1995—2015年神農(nóng)架林區(qū)人類活動與生境質(zhì)量狀況如何？神農(nóng)架林區(qū)人類活動與生境質(zhì)量是否存在空間相關(guān)性？人類活動如何影響林區(qū)生境質(zhì)量？本研究針對上述問題,將神農(nóng)架林區(qū)視為生境,采用1km×1km的格網(wǎng)作為評估神農(nóng)架林區(qū)人類活動與生境質(zhì)量的基本單元,借助InVEST模型,定量評估1995—2015年神農(nóng)架林區(qū)生境質(zhì)量的時空變化,通過多指標(biāo)疊加分析法繪制1995—2015年神農(nóng)架林區(qū)人類足跡指數(shù),最后利用雙變量空間自相關(guān)和地理加權(quán)回歸模型,探測神農(nóng)架林區(qū)人類活動與生境質(zhì)量的空間關(guān)系以及人類活動對生境質(zhì)量的影響,旨在為神農(nóng)架林區(qū)保護(hù)區(qū)管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

神農(nóng)架林區(qū)地處湖北省西部(109°56′—110°58′E、31°15′—31°75′N)(圖1),土地總面積3253km2。其屬于北亞熱帶季風(fēng)性氣候,四季分明,降水充沛,氣候水平、垂直分帶明顯。年日照時數(shù)1858.3h,年降水量800—2500mm,年蒸發(fā)量500—800mm。神農(nóng)架林區(qū)生物資源豐富,處于東亞東、西兩大植物區(qū)系的交匯地,原始森林保存較完好,涵蓋3700余種植物類型,森林覆蓋率達(dá)90%左右；動物種類達(dá)1000余種,其中金錢豹、金絲猴等國家重點(diǎn)保護(hù)動物達(dá)79種,占湖北全省數(shù)量的72%。由于神農(nóng)架林區(qū)在生物多樣性、生態(tài)價值等方面具備世界獨(dú)特性,成為中國第一個榮膺“聯(lián)合國教科文組織世界自然遺產(chǎn)”、“世界地質(zhì)公園”、“人與生物圈自然保護(hù)區(qū)”三個名錄的遺產(chǎn)地。

圖1 神農(nóng)架林區(qū)地區(qū)位置與高程圖

1995—2015年神農(nóng)架林區(qū)國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)平均年增長率超過9%,至2015年,神農(nóng)架林區(qū)旅游接待人數(shù)為878.3萬人次,城鎮(zhèn)化率達(dá)48.31%。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速,土地利用也隨之改變,人類活動給區(qū)域生境質(zhì)量帶來巨大影響。神農(nóng)架林區(qū)作為中國乃至世界重要的生態(tài)屏障,探索其人類活動與生境質(zhì)量的空間關(guān)系以及人類活動對生境質(zhì)量的影響程度,對于生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會的協(xié)同發(fā)展具有重要的借鑒和指導(dǎo)意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究涉及到的神農(nóng)架林區(qū)1995、2000、2005、2010、2015年共5期的土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)(空間分辨率為30m×30m)以及1995、2000、2005、2010、2015年共5期的人口、道路、夜間燈光數(shù)據(jù)(空間分辨率為1km×1km)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)。神農(nóng)架林區(qū)旅游景點(diǎn)數(shù)據(jù)來源于神農(nóng)架林區(qū)政府門戶網(wǎng)站(http://www.snj.gov.cn/)。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)全國1∶400萬數(shù)據(jù)庫。本文采用ArcGIS 10.2中漁網(wǎng)工具(Fishnet)生成1km×1km的格網(wǎng),作為測度神農(nóng)架林區(qū)人類活動與生境質(zhì)量的基本單元。

2 研究方法

2.1 生境質(zhì)量

InVEST模型生境質(zhì)量模塊是結(jié)合區(qū)域景觀類型信息,以土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對威脅因子影響和土地利用類型對威脅因子的敏感性進(jìn)行評估,以表征區(qū)域生境質(zhì)量的優(yōu)劣[6],計算公式如下：

(1)

式中,Qxj表示土地利用類型j中柵格x的生境質(zhì)量指數(shù)；Hj表示土地利用類型j的生境適應(yīng)度；Dxj表示土地利用類型j中柵格x的受威脅度；k常數(shù)為半飽和常數(shù),z為常數(shù)2.5,受威脅度Dxj由以下公式計算可得：

(2)

式中,r為威脅因子；y是r威脅柵格總數(shù)；Yr為r威脅因子中的一組威脅柵格數(shù)；wr為威脅因子r的權(quán)重；ry為柵格y的威脅因子值；irxy為威脅柵格y的威脅因子ry對柵格x的威脅度；βx為柵格x的可達(dá)性水平；Sjr是土地利用類型j對于威脅因子r的敏感度；dxy為柵格x與y的直線距離；drmax為威脅因子r的最大作用距離,irxy由以下公式計算可得：

(3)

(4)

根據(jù)神農(nóng)架林區(qū)實際狀況,結(jié)合陳妍等[7]、南箔等[34]、馮舒等[35]在相關(guān)研究中共同選取的耕地、交通用地、居民點(diǎn)、裸地等相關(guān)威脅因子,最終確定了水田、旱地、道路、城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地和未利用地為研究區(qū)生境質(zhì)量的威脅因子,并參照專家建議確定威脅因子最大影響距離、權(quán)重以及衰減類型(表1)。

表1 神農(nóng)架林區(qū)威脅因子及其最大影響距離、權(quán)重及衰減類型

基于景觀生態(tài)學(xué)當(dāng)中維持生物多樣性的基本原則,結(jié)合InVEST模型推薦的參考值以及包玉斌等[5]、劉春芳等[6]、許學(xué)工等[36]學(xué)者的研究成果,確定將研究區(qū)土地利用類型的生境適宜度取值范圍設(shè)置為0—1,在該范圍內(nèi)數(shù)值越大,表示該環(huán)境的生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定,對應(yīng)的生境質(zhì)量值越高(表2)。

生本理念是為學(xué)生好學(xué)而設(shè)計的教育，所以在閱讀教學(xué)中，務(wù)必要圍繞著學(xué)生的閱讀興趣，閱讀障礙，閱讀技巧和質(zhì)量開展。教師要深入理解生本理念的重要內(nèi)涵，不斷在閱讀教學(xué)實踐中總結(jié)經(jīng)驗，切實提升初中生的閱讀水平。

表2 神農(nóng)架林區(qū)土地利用類型生境適宜度及其對威脅因子敏感性

2.2 人類足跡指數(shù)

基于人類足跡指數(shù)方法,根據(jù)神農(nóng)架林區(qū)區(qū)域發(fā)展特征,結(jié)合數(shù)據(jù)可得性,最終選取了人口密度、土地利用轉(zhuǎn)變、通達(dá)性、旅游景點(diǎn)(區(qū))、電力基礎(chǔ)設(shè)施5種類型的人類活動表征因子,并將每種因子影響力的分?jǐn)?shù)值設(shè)置在0—1范圍內(nèi)。同時參照胡志斌等[27]對人類活動強(qiáng)度的計算方法,依據(jù)各因子對不同距離環(huán)境擾動程度的差異建立多環(huán)緩沖區(qū),根據(jù)專家打分對每個緩沖區(qū)分別進(jìn)行影響力賦值。以旅游景點(diǎn)(區(qū))因子為例,以表1中其他建設(shè)用地的最大影響距離4.0km為依據(jù),分別建立0km,0—1km,1—2km,2—3km和3—4km緩沖區(qū),綜合專家打分對其影響力賦值分別為0.9,0.7,0.5,0.3和0.1,最后進(jìn)行加權(quán)求和。按照上述過程分別計算土地利用指數(shù)、人口密度、夜間燈光以及交通通達(dá)度,將處理后的各個因子進(jìn)行疊加處理,計算得出1995—2015年神農(nóng)架林區(qū)人類足跡指數(shù),以顯示該時間序列區(qū)域性的人類活動。

HFI(i)=landuse(i)+popden(i)+tourismpoint(i)+nightlight(i)+road(i)

(5)

式中,HFI(i)代表人類足跡指數(shù),landuse(i)代表土地利用指數(shù),popden(i)代表人口密度,tourismpoint(i)代表賦值量化后的旅游景點(diǎn)(區(qū))指數(shù),nightlight(i)代表賦值量化后的夜間燈光指數(shù),road(i)代表賦值量化后的交通通達(dá)度。

2.3 雙變量空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析的核心功能是探索某屬性在空間上的分布特征以及變量間的聚集程度,一般通過全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)對空間關(guān)聯(lián)進(jìn)行度量和檢驗。全局Moran′sI指數(shù)是驗證相關(guān)屬性值在研究區(qū)域的空間分布集聚趨勢的全局自相關(guān)計量[37-38]。計算公式如下：

(6)

式中,xi和xj為協(xié)調(diào)效率的觀測值；Wij為i和j的權(quán)重連接矩陣；全局Moran′sI取值一般為-1—1,若其小于0,則表明空間單元不具備相似屬性,分布離散；若其趨于0,則表明空間單元隨機(jī)分布；若其大于0,則表明空間單元屬性呈正相關(guān)。

根據(jù)Anselin等的研究，基于雙變量空間自相關(guān)探索人類活動與生境質(zhì)量的空間關(guān)系[38]。雙變量空間自相關(guān)分析得出的Moran′sI指數(shù)的計算公式如下：

(7)

根據(jù)Local Moran′sI指數(shù),計算結(jié)果中高-高類型表示高生境質(zhì)量和高人類活動類型區(qū),低-低類型表示低生境質(zhì)量和低人類活動類型區(qū),高-低類型表示高生境質(zhì)量和低人類活動類型區(qū),低-高類型表示低生境質(zhì)量和高人類活動類型區(qū)。

2.4 地理加權(quán)回歸模型分析

研究采用地理加權(quán)回歸模型以測度1995—2015年神農(nóng)架林區(qū)1km格網(wǎng)尺度下的人類活動對生境質(zhì)量的影響程度。地理加權(quán)回歸模型作為一種局域回歸模型,是建立在傳統(tǒng)回歸模型(OLS)基礎(chǔ)上的對參數(shù)進(jìn)行估計的一種空間分析技術(shù),能夠允許研究過程中直接模擬不同空間的非平穩(wěn)性,反映不同地理位置變量對該區(qū)域的影響程度[39]。其模型結(jié)構(gòu)計算公式如下：

yi=β0(ui+vi)+∑kβk(ui+vi)xik+εi

(8)

3 結(jié)果與分析

3.1 生境質(zhì)量時空特征

運(yùn)用InVEST模型的生境質(zhì)量模塊,得到神農(nóng)架林區(qū)生境質(zhì)量分級表(表3)和神農(nóng)架林區(qū)生境質(zhì)量分布圖(圖2),利用ArcGIS 10.2的自然斷點(diǎn)法對研究結(jié)果進(jìn)行5個等級的劃分,即低、較低、中等、較高、高。

表3 1995—2015年神農(nóng)架林區(qū)生境質(zhì)量分級表/%

圖2 1995—2015年神農(nóng)架林區(qū)生境質(zhì)量空間分布圖

從時間尺度上看,1995—2015年間神農(nóng)架林區(qū)生境質(zhì)量整體較高,且大部分地區(qū)生境質(zhì)量相對穩(wěn)定,少見大面積的顯著變化,但研究區(qū)中西部(紅坪鎮(zhèn))、東北部(陽日鎮(zhèn))、東部(新華鎮(zhèn))等區(qū)域均存在小面積范圍的波動。如1995—2015年間,由于城鎮(zhèn)化程度加深和旅游業(yè)的發(fā)展,道路及建設(shè)用地逐漸增多,導(dǎo)致陽日鎮(zhèn)部分區(qū)域生境質(zhì)量逐漸降低；2010—2015年間,紅坪鎮(zhèn)神農(nóng)架機(jī)場的建設(shè)導(dǎo)致周邊區(qū)域生境質(zhì)量顯著降低。

從空間尺度上看,神農(nóng)架林區(qū)生境質(zhì)量等級以中、高等級為主,總體上分布較為零散。60%以上的區(qū)域都處于較高等級和高等級生境質(zhì)量,多分布在研究區(qū)中部海拔較高的林地和草地；約20%的區(qū)域處于中等級生境質(zhì)量,以道路用地沿線為主及部分耕地,多呈條帶狀分布；約13%的區(qū)域處于較低等級和低等級生境質(zhì)量,主要是以農(nóng)村居民點(diǎn)和城鎮(zhèn)用地為主的建設(shè)用地。

3.2 人類足跡指數(shù)時空特征

在ArcGIS 10.2中利用自然斷點(diǎn)法將人類足跡指數(shù)結(jié)果分為5個等級,即低、較低、中等、較高、高,得到神農(nóng)架人類足跡指數(shù)分級表(表4)和神農(nóng)架人類足跡分布圖(圖3)。

圖3 1995—2015年神農(nóng)架林區(qū)人類足跡指數(shù)空間分布圖

表4 1995—2015年神農(nóng)架林區(qū)人類足跡指數(shù)分級表/%

從時間尺度上看,1995—2015年間神農(nóng)架林區(qū)人類足跡指數(shù)呈現(xiàn)“兩極分化”的趨勢,高人類足跡區(qū)域不斷擴(kuò)大,占比從3.68%波動增加至5.52%,而低人類足跡區(qū)域也不斷增加,占比從10.77%增加至26.07%。以人類活動強(qiáng)度最大的松柏鎮(zhèn)、陽日鎮(zhèn)兩個鎮(zhèn)區(qū)為例,1995—2015年間人類足跡指數(shù)逐漸升高,且呈現(xiàn)擴(kuò)張態(tài)勢,表明這兩個鎮(zhèn)區(qū)作為林區(qū)的中心城鎮(zhèn),伴隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,人類活動強(qiáng)度越來越大。相反地,研究區(qū)西部,即以神農(nóng)架自然保護(hù)區(qū)為主體的區(qū)域,隨著對自然保護(hù)區(qū)管理力度的不斷加強(qiáng),人類足跡指數(shù)呈萎縮態(tài)勢。

從空間尺度上看,神農(nóng)架林區(qū)西部區(qū)域人類足跡指數(shù)偏低,東部區(qū)域人類足跡指數(shù)偏高,主要道路沿線人類足跡指數(shù)偏高。高人類足跡區(qū)域占比較少，在3%—5%左右,主要分布在松柏、陽日、木魚三鎮(zhèn),其中松柏鎮(zhèn)是林區(qū)政府所在地,木魚鎮(zhèn)是林區(qū)旅游接待服務(wù)中心,人類活動相對密集。較高人類足跡區(qū)域占比在13%—18%左右,主要分布在九湖鎮(zhèn)、下谷坪鎮(zhèn)以及林區(qū)主要道路沿線。中等人類足跡區(qū)域占比在20%左右,主要是林區(qū)主要道路沿線緩沖區(qū)。較低人類足跡區(qū)域和低人類足跡區(qū)域占比最高,保持在50%以上,以林區(qū)的林地、草地等為主,尤其是神農(nóng)架自然保護(hù)區(qū)及其周邊區(qū)域。

3.3 人類活動與生境質(zhì)量空間相關(guān)性分析

基于GeoDa 095i軟件,采用queen contiguity空間矩陣,測度出1995—2015年間神農(nóng)架林區(qū)1km格網(wǎng)尺度下人類活動與生境質(zhì)量的雙變量全局空間自相關(guān)Moran′sI指數(shù),分別為-0.179、-0.212、-0.213、-0.216和-0.215,且在0.001水平上顯著。1995—2015年間,研究區(qū)人類活動與生境質(zhì)量之間具有顯著的空間負(fù)相關(guān),表明人類活動強(qiáng)度的加大會導(dǎo)致生境質(zhì)量的惡化。雙變量空間自相關(guān)檢驗表明人類活動與生境質(zhì)量之間具有顯著的空間依賴效應(yīng),1995—2015年間產(chǎn)生了顯著負(fù)向外部性。這表明研究期間神農(nóng)架林區(qū)人類活動強(qiáng)度的加大,包括建設(shè)用地的擴(kuò)張、旅游活動的增多等,對于林區(qū)生境質(zhì)量產(chǎn)生了劇烈的擾動。

1995—2015年間,高-低類型(高生境質(zhì)量和低人類活動類型區(qū))是神農(nóng)架林區(qū)最主要的關(guān)系類型(圖4)。其主要分布在神農(nóng)架林區(qū)中西部的高海拔地區(qū),尤其是神農(nóng)架自然保護(hù)區(qū)和神農(nóng)架生物保護(hù)區(qū)分布較顯著,相關(guān)的保護(hù)與管理政策為維持高生境質(zhì)量奠定了重要基礎(chǔ)；低-高類型(低生境質(zhì)量和高人類活動類型區(qū))分布范圍也相對較大。其主要分布在林區(qū)地勢較為平緩的地區(qū),包括主要行政區(qū)(如松柏鎮(zhèn)、陽日鎮(zhèn)、木魚鎮(zhèn)和新華鎮(zhèn))周邊；高-高類型(高生境質(zhì)量和高人類活動類型區(qū))和低-低類型(低生境質(zhì)量和低人類活動類型區(qū))在神農(nóng)架林區(qū)也有出現(xiàn),但數(shù)量相對較少。其中,高-高類型主要分布在高生境質(zhì)量邊緣地區(qū),如自然保護(hù)區(qū)沿邊道路附近,在道路交通的建設(shè)過程中,盡管沿線附近的生境質(zhì)量受到一定的影響,但在邊坡綠化等相應(yīng)的保護(hù)措施下,生境質(zhì)量得到了較為充分的維持和保護(hù)。

圖4 1995—2015年神農(nóng)架林區(qū)1km格網(wǎng)尺度人類足跡指數(shù)與生境質(zhì)量空間LISA聚類圖

3.4 人類活動對生境質(zhì)量影響的空間分異特征

研究利用ArcGIS 10.2分別進(jìn)行了最小二乘法模型和地理加權(quán)回歸模型的分析,得到的AICc值分別為-2124.328和-4217.234。當(dāng)最小二乘法模型和地理加權(quán)回歸模型AICc值的差值大于3時,表示地理加權(quán)回歸模型的模擬結(jié)果更加合理[39],本研究中二者差值為2092.906,表明地理加權(quán)回歸模型的結(jié)果優(yōu)于最小二乘法模型的結(jié)果。同時地理加權(quán)回歸模型的R2也明顯增加至0.552,進(jìn)一步表明選取地理加權(quán)回歸模型擬合結(jié)果更適用于本次研究(圖5)。

圖5 1995—2015年神農(nóng)架林區(qū)1km格網(wǎng)尺度人類足跡指數(shù)回歸系數(shù)空間分布圖

從時間尺度上看,1995—2015年間神農(nóng)架林區(qū)人類足跡指數(shù)對生境質(zhì)量的負(fù)面影響愈加顯著,回歸系數(shù)從1995年的0.017波動降低至2015年的-0.027,負(fù)面影響區(qū)域占比從1995年的61.266%逐漸升至2015年的71.095%,表明隨著人類活動強(qiáng)度和廣度的增加,神農(nóng)架林區(qū)的生境質(zhì)量受到的負(fù)面影響程度逐漸加深。然而下谷坪東北部,即神農(nóng)頂旅游景區(qū)周邊,從1995—2015年一直保持正相關(guān)關(guān)系,且正相關(guān)效應(yīng)逐漸加深,回歸系數(shù)分布在0.032—0.093之間,說明該區(qū)域人類活動影響下的生境質(zhì)量呈上升趨勢,由于該旅游景區(qū)作為神農(nóng)架的“王牌”景區(qū),對周邊環(huán)境的水平要求較高,開發(fā)建設(shè)過程中人為地進(jìn)行生態(tài)環(huán)境的改善,包括林地草地恢復(fù)、居住區(qū)移民搬遷等,對生境質(zhì)量起到了一定的保護(hù)作用。

從空間尺度上看,人類活動對生境質(zhì)量影響的空間差異較大,系數(shù)值整體上呈現(xiàn)出中間低邊緣高的特征,且中間大范圍區(qū)域為負(fù)值,邊緣及中間部分小范圍區(qū)域為正值,表明人類活動對生境質(zhì)量的影響以負(fù)面效應(yīng)為主。這主要由于神農(nóng)架林區(qū)中部地區(qū)的地類以林地和草地為主,而林草地自然本底較為脆弱,對于人類活動的影響更為敏感,導(dǎo)致中部地區(qū)負(fù)相關(guān)關(guān)系更為顯著。其中紅坪鎮(zhèn)西部,即塔坪原始森林周邊區(qū)域的負(fù)面效應(yīng)較明顯,回歸系數(shù)分布在-0.528—-0.399之間,說明在該區(qū)域人類活動引起的生境質(zhì)量下降幅度更大,由于該地區(qū)農(nóng)業(yè)活動較頻繁,煙葉種植等人類活動因素對于林地的干擾較為明顯。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

神農(nóng)架林區(qū)擁有世界級生態(tài)資源,生態(tài)環(huán)境本底良好,然而在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷轉(zhuǎn)變的背景下,人類活動成為影響區(qū)域生境質(zhì)量的主要驅(qū)動力[40]。神農(nóng)架林區(qū)GDP從1995年的10670萬元增長至2015年的209513萬元,社會經(jīng)濟(jì)活動強(qiáng)度愈發(fā)顯著。直到2015年底,神農(nóng)架林區(qū)三次產(chǎn)業(yè)比重為9.4∶36.9∶53.7,以旅游業(yè)為主的第三產(chǎn)業(yè)投資額同比增長23.2%,生產(chǎn)總值達(dá)到103075萬元。神農(nóng)大道、坪阡古鎮(zhèn)等大量旅游基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)設(shè)施的開發(fā)建設(shè)與投入使用,導(dǎo)致建設(shè)用地增加、人類活動密集,影響區(qū)域生境質(zhì)量。

1995—2015年間神農(nóng)架林區(qū)60%以上區(qū)域生境質(zhì)量較高,這與神農(nóng)架林區(qū)的主要用地類型為林草地有關(guān)。林區(qū)中部植被覆蓋率和海拔均較高,人跡罕至,生態(tài)環(huán)境保護(hù)較好,生物多樣性較豐富,該部分區(qū)域則生境質(zhì)量較高；13%左右的區(qū)域生境質(zhì)量較低,即林區(qū)中南部和東北部,包括人口數(shù)量最多的松柏鎮(zhèn)、陽日鎮(zhèn)和木魚鎮(zhèn)三個主要鎮(zhèn)區(qū),產(chǎn)業(yè)活動密集且強(qiáng)度大,對于生態(tài)環(huán)境的影響破壞程度最為劇烈,導(dǎo)致生境質(zhì)量等級較低。1995—2015年間林區(qū)人類足跡指數(shù)西低東高,呈現(xiàn)兩極化趨勢,西部以神農(nóng)架自然保護(hù)區(qū)為主,主要由于被劃定為受嚴(yán)格保護(hù)的區(qū)域,明令禁止耕種、放牧等人類活動；而東部區(qū)域,特別是東北部區(qū)域,城鎮(zhèn)較集中,各類開發(fā)建設(shè)活動逐漸擴(kuò)張,人類活動強(qiáng)度不斷加強(qiáng),人類足跡指數(shù)則隨之增加。

1995—2015年間神農(nóng)架林區(qū)人類活動與生境質(zhì)量雙變量全局空間自相關(guān)Moran′sI指數(shù)分析顯示,林區(qū)人類活動與生境質(zhì)量具有顯著的空間負(fù)相關(guān),隨著人類活動強(qiáng)度的加大,對生境質(zhì)量產(chǎn)生了劇烈的擾動。高-低和高-高類型區(qū)表明生態(tài)環(huán)境管理和保護(hù)意義顯著,而低-低類型區(qū)則需要加強(qiáng)生態(tài)修復(fù),未來可考慮納入嚴(yán)格管理范圍,低-高類型區(qū)可通過適度減少旅游活動,提高土地集約利用度,以提高生境質(zhì)量水平。最后研究引入地理加權(quán)回歸模型,將1995—2015年間人類活動對生境質(zhì)量影響進(jìn)行空間分異分析,得出林區(qū)人類活動對生境質(zhì)量的影響空間差異較大,以負(fù)面效應(yīng)為主,且負(fù)面影響程度不斷加深。神農(nóng)架林區(qū)中部大范圍區(qū)域,人類活動與生境質(zhì)量大致負(fù)相關(guān),主要由于該區(qū)域以林地和草地為主,而且保有大面積的原始森林,然而純天然的環(huán)境更容易受到人類活動的干擾和破壞,開山伐木,墾荒種地等開發(fā)性活動嚴(yán)重造成了生態(tài)退化,降低了神農(nóng)架林區(qū)的生境質(zhì)量；同時也有少數(shù)區(qū)域人類活動對生境質(zhì)量顯示正相關(guān)效應(yīng),這與神農(nóng)架林區(qū)人為進(jìn)行生態(tài)環(huán)境保護(hù)有關(guān),人工建設(shè)生態(tài)廊橋、生態(tài)移民搬遷等人類“退”生物“進(jìn)”的管理政策,對于林區(qū)生境質(zhì)量的保護(hù)與提高提供了保障。未來對神農(nóng)架林區(qū)生境質(zhì)量的保護(hù)與提高可在此回歸分析的基礎(chǔ)上,注意關(guān)注不同區(qū)域的特點(diǎn)與功能,有針對性地進(jìn)行開發(fā)與保護(hù),對負(fù)面效應(yīng)顯著區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格管理把控,通過退耕、集約利用建設(shè)用地等方式,在保持生境質(zhì)量穩(wěn)定的同時,借助人為保護(hù)手段增強(qiáng)生境適宜度,提高區(qū)域生境質(zhì)量。

本研究基于InVEST模型對神農(nóng)架林區(qū)生境質(zhì)量進(jìn)行分析,既能得出定量分析結(jié)果,也能將生境質(zhì)量結(jié)果可視化分析,對神農(nóng)架林區(qū)20年長時間序列生境質(zhì)量變化做出快速評價；同時采用人類足跡指數(shù)的方法,在前期研究的基礎(chǔ)上,增加了神農(nóng)架林區(qū)的旅游景點(diǎn)(區(qū))的影響,有利于更加全面地表征研究區(qū)的人類活動；最后研究1km格網(wǎng)尺度下1995—2015年間神農(nóng)架林區(qū)人類活動與生境質(zhì)量的空間關(guān)系以及人類活動對生境質(zhì)量的影響,便于綜合考慮自身格網(wǎng)單元要素及鄰近格網(wǎng)單元或者是更遠(yuǎn)格網(wǎng)單元要素的影響,對于相關(guān)保護(hù)區(qū)的邊界設(shè)定具有指導(dǎo)意義。研究的不足及未來需要改進(jìn)的方面主要有：(1)對于人類足跡指數(shù)的測度,在指標(biāo)疊加過程中的權(quán)重確定方法較為主觀,未來研究可以將主客觀方法相結(jié)合則更為嚴(yán)謹(jǐn)；(2)對于研究尺度設(shè)定,未來可采取多樣化的格網(wǎng)尺度分別對研究區(qū)進(jìn)行對比研究,以探索多尺度下不同變量的相關(guān)關(guān)系,科學(xué)協(xié)調(diào)人類活動與生態(tài)保護(hù)間的關(guān)系,提高生態(tài)保護(hù)規(guī)劃的實施效果。

4.2 結(jié)論

基于神農(nóng)架林區(qū)1995—2015年5期土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù),借助InVEST模型進(jìn)行1995—2015年神農(nóng)架林區(qū)的生境質(zhì)量評估,采用多指標(biāo)疊加分析進(jìn)行1995—2015年人類足跡指數(shù)測度,運(yùn)用雙變量空間自相關(guān)與地理加權(quán)回歸模型,分析并揭示了神農(nóng)架林區(qū)人類活動與生境質(zhì)量的空間關(guān)系以及人類活動對生境質(zhì)量的影響程度。研究結(jié)果如下：

(1)1995—2015年間,神農(nóng)架林區(qū)生境質(zhì)量水平保持較穩(wěn)定,無劇烈變化,但是等級分布總體呈零散狀。神農(nóng)架林區(qū)生境質(zhì)量水平從1995年的0.849降至2015年的0.835,但是在2005—2010年間有略微上升,其中超過60%的區(qū)域處于較高生境質(zhì)量和高生境質(zhì)量類。

(2)1995—2015年間,神農(nóng)架林區(qū)人類足跡指數(shù)變化較大,呈現(xiàn)“兩極化”的發(fā)展趨勢,呈現(xiàn)“西部低,東北高”的空間分布特征,主要道路沿線人類足跡指數(shù)偏高。

(3)1995—2015年間,神農(nóng)架林區(qū)人類活動與生境質(zhì)量之間存在顯著的空間依賴效應(yīng),二者具有顯著的空間負(fù)相關(guān),表明人類活動強(qiáng)度的加大會導(dǎo)致生境質(zhì)量的惡化。其中，神農(nóng)架林區(qū)中部人類活動對生境質(zhì)量的影響以負(fù)面效應(yīng)為主且愈加顯著,局部小范圍區(qū)域顯示正相關(guān)效應(yīng)。