人類活動對長白山典型區域自然環境的影響

趙建軍，張洪巖，王野喬，2，喬志和，3，候光雷

（1.東北師范大學中國東北資源與環境研究吉林省高等學校重點實驗室，吉林長春 130024；2.羅德島大學自然資源科學系，羅德島金士頓 02881；3.大慶師范學院教務處，黑龍江大慶 163712）

人類活動對長白山典型區域自然環境的影響

趙建軍1，張洪巖1，王野喬1，2，喬志和1，3，候光雷1

（1.東北師范大學中國東北資源與環境研究吉林省高等學校重點實驗室，吉林長春 130024；2.羅德島大學自然資源科學系，羅德島金士頓 02881；3.大慶師范學院教務處，黑龍江大慶 163712）

以1977年MSS、1993年TM和2007年TM三個時期遙感影像為數據基礎，借助遙感和GIS技術以及景觀生態學分析方法，對長白山30年來土地利用／覆被和景觀格局動態時空規律進行了定量分析，并探討了人類活動對其產生的影響程度.結果表明：建設用地、耕地、未利用地、其他植被和林地在30年里都發生了很大的變化.1977—1993年間，林地和水域呈現減少趨勢，耕地、建設用地、未利用地和其他植被呈明顯增加趨勢；1993—2007年林地和耕地面積呈減少趨勢，其他土地覆被類型還呈增加趨勢.建設用地、未利用地和其他植被一直處于增加狀態，雖然1993年之后增加趨勢有所減慢，但是其范圍蔓延到更高海拔地區.在景觀水平上和類型水平上都發生了很大變化，景觀破碎化嚴重，人類活動對研究區土地覆被變化帶來了很大的負面效應，并且在短時期內很難恢復.

長白山；土地利用／覆被變化；景觀格局；動態變化

自從1995年國際地圈生物圈計劃（IGBP）和國際全球環境變化人文因素計劃（IHDP）聯合提出土地利用／土地覆被變化（land use and land cover change，LUCC）研究計劃以來，LUCC一直是全球環境變化的重要組成部分和主要原因之一［1］.LUCC不僅帶來地表景觀結構的巨大變化，而且影響景觀的物質循環和能量流動，對區域生物多樣性和重要生態過程影響深刻［1－3］.

景觀是人類生活的載體，區域景觀格局的動態變化會引起區域生態功能流動［3］.LUCC著重探討景觀格局的度量變化，生態效應則側重評價景觀生態系統的功能變化，屬景觀過程研究.景觀格局分析中的多樣性、破碎度、聚集度等景觀指數，可在一定程度上從空間格局反映景觀功能的變化［4－8］.

長白山地區地形復雜，受非地帶性因素影響較大，同時又受自然和人文等因素的雙重影響.其獨特的地質地貌形態和豐富的物種，形成了獨特的自然景觀.但隨著人類活動的影響，該地區出現了一系列生態環境問題，如圖們江流域的水質污染、耕地和建設用地大面積增加、土壤肥力下降、原始森林的面積銳減、瀕臨滅絕物種種類增多、水土流失加劇等，使其LUCC和景觀格局發生了重大變化［9－10］.

中國已經在長白山建立了自然保護區，但人類活動對長白山地區的影響仍然很強烈.目前已有學者對長白山地區LUCC和景觀生態方面進行了研究［5，8］，但這些研究的時間為多在2000年以前，沒有定量分析其變化特征，對近10年來的變化分析較少，并且研究范圍局限于北坡和西坡，沒有從整體上將兩者結合起來研究，而近10年來當地的人類開發強度明顯增強.因此，有必要選擇典型區域研究人類活動對其帶來的影響.

研究LUCC可以從土地覆蓋類型和數量上定量分析人類活動對其產生的影響，研究景觀變化可以從不同斑塊間的作用關系角度分析人類活動對其產生的影響.因此，將LUCC和景觀格局結合起來，從整體上揭示人類活動對長白山景觀格局動態變化特征及生態環境效應的影響具有十分重要的意義.本文對長白山30年來的LUCC和景觀格局進行了定量分析，探討了人類活動對該地區LUCC和景觀格局變化產生的影響，從宏觀上揭示了該地區的景觀格局動態變化和生態環境效益［11－13］，為該地區的生態環境保護和自然資源可持續發展提供了依據.

1 研究區概況

長白山位于吉林省東南部，是中國東北地區最高的山體，也是圖們江、鴨綠江、松花江三江的發源地，擁有東北亞溫帶地區譜系最多的山地垂直帶系統，是一個高度敏感的地區.其獨特的地質地貌過程、季風氣候的影響、山體屏障的作用、地形因素制約等對長白山自然景觀的形成起了主導作用.長白山錐體擁有我國溫帶乃至東北亞地區譜系最多的山地垂直帶，與其周圍廣大中山、低山生態系統一起構成我國東北地區和東北亞地區最重要的生態屏障，其景觀特征和環境地位多年來一直為科學界和社會各界所特別關注，于1980年被列入聯合國國際生物圈保護區.

為了反映人類活動對長白山自然保護區內外的影響，以及對比中國和朝鮮近30年來對該地區的影響程度，以長白山火山椎體為中心、50 km為半徑的圓形典型區域作為研究區.研究區涵蓋了整個長白山自然保護區以及中國的和龍市、安圖縣、撫松縣、臨江市、長白縣和朝鮮的兩道江的部分地區，總面積達785 400 hm2.地理位置為東經127°25＇～128°40＇、北緯41°32＇～42°28＇，海拔659～2 691 m.

2 研究方法

以1977年的MSS、1993年的TM、2007年的TM為數據源，運用遙感和GIS方法，并結合了景觀生態學和統計分析方法.首先，借助GIS軟件，對長白山地區遙感影像進行了處理和解譯，從中獲取三期的土地利用類型數據和土地利用空間格局信息，與統計數據進行擬和分析；其次，采用土地利用動態度，分析土地利用／覆被動態變化，以及不同海拔、坡度的LUCC變化特征，并利用景觀空間格局分析軟件計算其景觀指數，分析不同時段研究區景觀格局時空變化特征.定量分析了人類活動對研究區內LUCC和景觀格局變化的影響特征.

2.1 數據來源及處理

本研究的數據源為遙感信息源和非遙感息源.根據研究內容、地表景觀的季相差異及衛星影像的質量，選取了三個時間段的遙感數據，分別為2007年10月2日和1993年5月28日的TM數據，1977年9月26日的MSS數據.非遙感信息源包括1∶5萬地形圖、行政區劃圖，吉林省1∶50萬土地利用圖、地貌圖，野外考察采集的GPS數據和圖片等資料.

根據本研究的目標，結合長白山地區特點，將研究區土地覆蓋類型劃分為：建設用地（城鎮用地、農村居民用地、工交建設用地），耕地（水田和旱田），水域（河流、湖泊、水庫、坑塘、冰川、積雪），未利用地（沙地、鹽堿地、沼澤地、裸土、裸巖），其他植被（草地、灌木林、疏林、低密度植被），針葉林和針闊混交林.

以1∶5萬地形圖數據為參考坐標，投影方式統一采用Gauss－Kruger投影，對三期遙感圖像進行配準和幾何精糾正，經驗證，誤差小于1個像元，可以滿足研究需要.通過對圖像進行采樣，并對樣本精度進行訓練學習，使樣本學習精度大于85%，滿足分類要求.遙感數據處理過程采用監督分類中的最大似然法.對分類的圖像進行分類后處理，然后進行再分類，把沒有劃分的土地覆蓋類型使用專家知識合理分配到相應類別中，得到1977年、1993年、2007年的土地覆蓋類型圖（見圖1）［11］.其精度分別為77.8%，82.7%，86.3%，最后將分類柵格圖轉化為Grid格式.

圖1 研究區分類圖像

2.2 土地利用動態度

土地利用動態度是以抽象的數學語言定量表述特定研究范圍內土地利用動態變化的速率.它可以定量描述區域土地利用變化的速度，是反映區域土地利用變化的一個重要指標.其公式表示為：

式中：K為研究時段內某一土地利用類型的動態度；Zia為某種土地類型變化前的面積；Zib為某種土地類型變化后的面積；T為變化的時間間隔.

2.3 景觀格局指數

景觀格局分析軟件FRAGSTATS可以計算60多種景觀指標，由于一些景觀指標之間具有高度相關性，結合1977－2007年30年間長白山地區土地利用格局的變化，本文在景觀水平上選取斑塊數（number of patches，NP），最大斑塊面積指數（largest patch index，LPI），邊緣總長（total edge，TE），邊緣密度（edge density，ED），蔓延度指數（contagion index，CONTAG），景觀多樣性指數（Shannon's diversity index，SHDI），景觀均勻度指數（Shannon's evenness index，SHEI）等指標；在類型水平上選擇斑塊面積（total（class）area，CA），景觀百分比（percentage of landscape，PLAND），斑塊密度（patch density，PD），景觀形狀指數（landscape shape index，LSI），常規景觀形狀指數（normalized landscape shape index，NLSI）等指標，進行景觀格局分析.

3 結果與分析

3.1 土地利用／覆被動態變化分析

（1）研究區整體變化分析.長白山地區土地利用動態度的計算結果見表1.

表1 1977—2007年研究區土地利用動態度統計表

從表1可以看出，在1977—1993年間，針闊混交林和水域呈負向變化，其他呈正向變化.水域發生變化的主要原因是不同時相長白山的積雪變化造成的，所以暫不考慮.面積變化較大的分別是針葉林和針闊混交林.從動態度上看，其他植被和未利用地變化最大，動態度值分別為5.523 2%和4.671 3%.這兩種土地覆被類型都是環境惡化的表征.可見在此期間人類活動干擾非常大，導致耕地、建設用地、未利用地、其他植被增加，林地大量減少.在此期間林地減少了115 507.74 hm2，占總面積的14.71%；建設用地和耕地面積增加了21 058.56 hm2，占總面積的2.68%；未利用地面積和其他植被面積增加了947 07.06 hm2，占總面積的12.06%.在1993—2007時間段內耕地、針葉林和林地總和呈負向變化，其他土地覆被類型呈正向變化，說明在此期間耕地和林地處于減少狀態.而建設用地、未利用地及其他植被還處于增加狀態.面積變化最大的為林地、未利用地和其他植被.從土地利用動態度上看，整體上都較前一時期變小，其中針葉林、針闊混交林、水域和未利用地動態度值分別為－1.644 6%，1.124 0%，1.163 1%，1.242 2%.由于水域變化基數較少，所以反映在動態度上面比較強烈，這主要是因為受季節影響比較明顯，在不同時相影像上變化較大.在此期間耕地面積減少了1 197.77 hm2，占總面積的0.15%.主要是與90年代中國提出的退耕還林的政策有關，但是對于研究面積來說這些變化影響不大，林地反而還處于下降狀態，林地減少面積為18 795.63 hm2，占總面積的2.39%，但是下降速度較前一個時期減緩，土地利用動態度由前一時期的－1.171 8%變為－0.268 2%.

1977—1993年間建設用地面積增加了37.6%，耕地增加了39.61%，未利用地增加了74.74%，其他植被增加了88.37%，而林地減少了18.75%.引起以上變化的主要原因是長白山地區以農林業為主，隨著人口的增加和經濟的發展，耕地、建設用地面積大幅度增加，同時對森林的過度采伐造成林地大面積減少，一些土地覆被類型（主要為林地）轉換未利用地（主要為裸地）和其他植被（主要為草地和低密度植被）等.1993—2007年間建設用地增加了12.41%，未利用地增加了17.39%，其他植被增加了4.71%，耕地減少了4.81%，林地減少了3.75%.主要原因是1993年之后受退耕還林政策等因素的影響，有部分耕地、未利用地和其他植被轉化為林地，林地減少速度明顯低于前期.1977—2007年間長白山地區土地利用方式發生了明顯變化，林地主要轉化為建設用地、耕地、未利用地和其他植被.無論是從數量上還是從速度上看都強于1993年之前，LUCC在1993年之前變化速度較快，之后減緩，說明研究區內土地覆被變化已經由急劇變化的時期轉到緩慢變化時期.

研究區在30年間建設用地、未利用地和其他植被一直處于增加狀態，耕地處于先增后減的狀態，而林地總和一直處于減少狀態.雖然人類干擾引起的變化（如耕地、建設用地）不大，但是人類活動所引起的負面效應（如土地覆蓋退化的裸地和低密度植被等）影響卻非常大.可見人類活動會帶來一些生態環境變化，并且在短時期內難以恢復.

（2）不同海拔和坡度變化分析.建設用地和耕地變化是人類活動的直接表征，從不同海拔分析建設用地變化特征、不同坡度分析耕地變化特征具有重要意義.

為了評價建設用地變化隨海拔變化的關系，我們把研究區內DEM按100 m間隔劃分成不同等級［14］，計算三個時期建設用地面積變化與海拔的關系（見圖2A）.由圖2可知，建設用地面積一直在增加.三年間在海拔大于1 000 m以上的建設用地面積分別由1977年的1 246.95 hm2，增加到1993年的4 432.38 hm2，再到2007年的6 141.50 hm2.在1977年海拔大于2 000 m以上的建設用地趨于0，但是到1993年和2007年都發生了不同程度的增加.

我們把坡度按5°間隔將研究區劃分成不同等級，研究耕地和坡度的變化關系（見圖2B）.可以看出坡度在10°左右曲線發生了交叉變化，由原來的先增后減趨勢轉化為一直增加狀態；大于20°的耕地數量一直處于增加狀態，由1977年的441 hm2，增加到1993年的3 710 hm2，再增加到2007年的6 244 hm2.由2008年10份研究區的實地考察可知，這些變化主要是因朝鮮地區將坡度較小的地區耕地廢棄，轉化為荒地、裸地等未利用地或者低密度植被類型所致.

圖2 不同海拔和坡度的土地面積變化

雖然耕地總面積減少了，但建設用地不僅總面積一直在增加，而且在海拔大于1 000 m的地區分別由1977年的1 246.95 hm2，增加到1993年的4 432.38 hm2，再增加到2007年的6 141.50 hm2.因此，人類在高海拔地區的干擾活動一直在加劇.

3.2 景觀格局空間變化特征分析

（1）景觀水平上景觀格局分析.對長白山地區1977年、1993年和2007年三個時相內用土地覆蓋分類結果及景觀格局指數進行了統計，結果見表2.

通過對景觀格局指數的對比分析可以看出，景觀斑塊數（NP）由1977年的39 512個減少到1993年的15 176個，再減少到2007年的13 140個.最大斑塊指數（LPI）反映了最大斑塊對整個類型和景觀的影響程度.研究區LPI由1977年的33.03%到1993年的20.97%，再到2007年的25.31%，表明在1977—1993年研究區優勢景觀類型面積比例下降，對景觀控制作用減弱，景觀類型變得更加復雜，到2007年有所回升.邊緣總長（TE）和邊緣密度（ED）從1977—1993年都處于增加趨勢，說明在人類活動的干擾下，各種土地覆蓋類型變得更加不規則.表明大的景觀類型被切割成更多小的景觀類型，降低了景觀的連通性，使景觀類型趨于破碎化.

表2 1977—2007年長白山地區景觀水平上景觀格局指數

蔓延度指數（CONTAG）從1977年的58.20%減少到1993年的50.88%，再減少到2007年的49.68%，蔓延度指數下降說明景觀的空間連接性下降，景觀要素空間分布不均衡，優勢斑塊比例下降，斑塊分布更加分散.

景觀多樣性指數（SHDI）是土地利用類型的多樣性和復雜性的度量，多樣性指數的高低反映了土地利用類型的多少以及各類型所占比例的變化［9－10］.SHDI從1977年的1.30增加到1993年1.51，呈增加趨勢，說明研究區景觀多樣化水平有所提高，土地利用向著多樣化方向發展，各種斑塊分配比例趨于均勻發展趨勢.1993年之后比較平穩，稍微有些降低.說明從1993年之后長白山地區景觀類型處于平穩發展趨勢.

景觀均勻度指數（SHEI）1977—1993年呈增加趨勢，說明景觀各組成成分分配均勻程度在增加，景觀類型呈均勻分布趨勢.景觀各個類型所占比例變的較協調，1993年之后變化不大.

從SHDI和SHEI可以看出，1977—1993年間景觀異質性增大，景觀類型有向多元化發展的趨勢，景觀格局受多種斑塊類型影響.景觀類型破碎化程度增加，土地利用類型變得更豐富.1993－2007年間較前變化不大，但是其形式有所好轉.

（2）類型水平上景觀格局分析.從圖3可以看出斑塊面積中林地、未利用地、其他植被占景觀類型的主導地位，分別為1977年的93.35%，1993年的90.70%和2007年的92.53%.其中林地整體上呈先減少后增加趨勢，耕地和其他植被呈先增加后減少的趨勢.建設用地和未利用地一直處于增加趨勢，其他景觀類型變化不大.人口增加和經濟發展的需要，帶來耕地、工礦用地面積增加，表明人類活動干擾因素增強.

景觀百分比是各類型斑塊面積與研究區總面積的比值，表征相應類型在研究區中所占比重.從1977－2007年景觀百分比（見圖3）來看，未利用地變化不大，建設用地、其他植被和林地變化較大.說明主要是在這幾種景觀類型中發生了轉化.

從斑塊密度（見圖3）可以看出，1977—2007年間未利用地斑塊密度一直處于變小狀態，說明其空間分布范圍增加，趨于分散，研究區整體環境質量下降.1977－1993年林地和其他植被處于增加趨勢，說明這兩種斑塊類型分布趨向于集中化，斑塊間距離減小.其他景觀類型變化不大，說明其分布沒有發生明顯變化.1993年之后所有景觀類型斑塊密度變化都有所減緩，其整體趨勢好轉.形狀指數的值越大，其斑塊形狀越趨于復雜.從景觀形狀指數和常規景觀形狀指數可以看出，只有水域形狀指數處于減少趨勢，其他景觀類型都呈增加狀態，常規景觀形狀指數中數值最大的為建設用地、耕地、未利用地和其他植被.

1977—2007年間研究區的景觀水平上邊緣總長、邊緣密度處于增加趨勢，說明斑塊一直處于離散化狀態.最大斑塊面積指數呈先減后增趨勢，說明前一段時間土地利用趨于破碎化發展，后一段時間有所好轉.蔓延度指數處于一直減少趨勢，蔓延度指數變小表明研究區內景觀格局由連接性較差的多種斑塊類型所組成，土地利用格局破碎化，因此30年間一直處于破碎化發展狀態.斑塊水平上，建設用地、未利用地和其他植被變化幅度最大，建設用地斑塊面積、景觀百分比和常規景觀形狀指數一直處于增加狀態，說明人類干擾強度增加；未利用地的斑塊面積、景觀百分比一直處于增加狀態，斑塊密度常規景觀形狀指數一直減少，說明其他類型轉換到未利用地類型，使其面積增加，逐漸成為主導景觀類型，生態狀況變得惡化；其他植被的斑塊面積、景觀百分比、斑塊密度處于先增后減狀態，景觀形狀指數、常規景觀形狀指數一直處于增加狀態，表明轉換的強度增加，不同景觀類型間相互轉化頻繁.

圖3 長白山地區類型水平上景觀格局指數

4 結論與討論

隨著海拔的增加人類活會漸漸變少，但是在長白山地區由于旅游開發等影響，人類活動干擾較以前有所增強，本文以3S技術為手段結合景觀生態學理論，對長白山包括保護區在內的核心區30年間的LUCC和景觀格局變化進行了定量分析，所得結論如下：

未來研究區的發展整體上趨好，但仍存在很多問題，如景觀破碎度增勢不減、人類活動影響區域向更高海拔和更大坡度地區發展等.建設用地發展到更高海拔地區，耕地在坡度較大的地方也較以前增加，這也使長白山地區面臨更加嚴峻的生態環境問題.

不同時期的管理政策導致了土地利用形式及景觀格局發生重大變化，這些變化在非自然保護區內顯的尤為突出，顯示出中國和朝鮮政策的差異性.研究結果也許不能完全滿足生態管理的需要，因為還有許多未知因素沒有考慮進去，然而，這些結果可以為森林管理和生態環境保護提供一個重要依據.

在對研究區現狀進行深入研究的基礎上，今后工作應側重解決長白山面臨的人類活動干擾的實際問題.朝鮮一側土地利用變化和生態環境狀況也是長白山生態環境研究的重點.

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Study on impact of human activities for natural environment in Changbai Mountain of typical area

ZHAO Jian－jun1，ZHANG Hong－yan1，Wang Ye－qiao1，2，QIAO Zhi－he1，3，Hou Guang－lei1
（1.The High Educational Key Lab of Jilin Province for Resources and Environmental Research of Northeast China，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.Department of Natural Resources Sciences，University of Rhode Island，Kingston RI 02881，United States；3.Dean's Office，Daqing Normal College，Daqing 163712，China）

The main purpose of this paper is to analyze quantitatively in the land use／cover change and landscape patterns of Changbai Mountain region in the past 30 years，observe the characteristics and evolution，investigate the relationships between the human activities of the two countries and LUCC and landscape patterns，reveal the law of its dynamic evolution and ecological－environmental benefits from a macroscopic point of view，and provide scientific basis for environmental and ecological protection and the sustainable use of natural resources.In this paper，the surrounding area of Changbai Mountain Centrum around 7 854 km2was chosen as an study area on LUCC and its ecological environment effect.Based on remote sensing data of MSS in 1977 and TM in 1993 and 2007 of the area，the LUCC and landscape pattern changes in the past 30 years were analyzed through remote sensing and GIS technology combining with the methods of Landscape ecology.Studied the date of three periods of land use and landscape patterns in Changbai Mountain region by calculation and the statistical data by fitting analysis.Some typical landscape indexes chosen of the study area were measured by landscape analysis software to analyze the spatial－temporal changes there.Meanwhile，the dynamic trends of LUCC were analyzed with the land use dynamic index.The results indicated that the LUCC of Changbai Mountain had altered obviously in recent 30 years especially during the first half period.The total areas of woodlands were significantly reduced，which were mainly changed into cultivated lands，lands for construction purposes，other vegetation and some types of unused land.The speed of LUCC slowed down after 1993.This phenomenon can be attribute to that the economic growth mode of the area is agriculture and forestry.Another two considerations in this case were rapid increase in population and unrestrained deforestation.On long－term development perspective，we should redouble our efforts on the protection of Changbai Mountain region against from being destroyed by humans，stick to the combination of resource development and environmental protection，pursue the integration of the economic，social and ecological results，and conduct useful probes for the sustainable economic development.

Changbai Mountain；land use／cover change；the landscape pattern；the dynamic change

P 942

170·4599

A

1000－1832（2011）03－0126－07

2009－11－05

國家重點基礎研究發展計劃（973）項目（2009CB426305）；東北師范大學“十一五”科技創新平臺建設計劃項目（106111065202）；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目.

趙建軍（1982—），男，博士研究生；通訊作者：張洪巖（1963—），男，博士，教授，博士研究生導師，主要從事生態環境遙感監測和GIS應用研究.

方 林）