廬山自然保護區及其周邊土地利用變化分析1)

徐 滿 鄭景明 張 青 鄒 琴 鐘道生

(省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室(北京林業大學)，北京，100083)(江西省廬山自然保護區管理局)

土地利用及其格局的變化對生態系統的結構和功能均產生重要的影響，在其變化過程中的土地退化、生境轉移及破碎化是導致全球生物多樣性喪失的主要驅動因素［1－2］。自然保護區在減緩土地變化、保護生境及生物多樣性方面具有重要作用［3－4］，我國自然保護區建設雖然起步較晚，但自上世紀90年代以來發展迅速，根據2010年統計結果，全國已建有各級自然保護區2 538個，總面積達14 894萬hm2，占國土面積的 15.47%［5］。近年來，許多學者提出了保護生境和物種與解決經濟貧困協調發展的戰略［6］，使得有更多的因素影響保護區的景觀格局，加大了對保護區環境質量評價的難度。國內外對保護區環境質量及保護效益的評價多是借助遙感影像，采用定量的方法，從時間尺度上對保護區某一時間段的土地利用變化格局進行研究［7－13］;另外在空間尺度上，從保護區內外景觀變化角度對保護區的保護效益進行研究，但此類文章在國內還不多見。本文以廬山自然保護區為研究對象，綜合了上述兩種研究方法，運用3S技術，使用巢式分析法對廬山自然保護區及其周邊近10 a的土地利用變化，包括土地利用的面積變化、轉換模式及景觀格局變化進行分析，評價保護區生態經濟綜合效益，為保護區合理利用、管理土地資源提供科學依據。

1 研究區概況

廬山自然保護區位于江西省九江市北部，地處長江南岸，鄱陽湖的西畔，地理坐標介于115°50'～116°10'E，29°28'～29°45'N。保護區于1981 年經江西省人民政府批轉建立，大體以廬山山麓環山公路為界，面積約31 182.03 hm2，是一座以亞熱帶森林生態體統及自然歷史遺跡為主要保護對象的綜合性自然保護區。保護區具典型的地壘式斷塊山構造地貌、冰蝕地貌和流水地貌疊加而成的復合地貌，海拔23～1 474 m。保護區內生態系統及物種多樣性水平很高，有鄉土野生維管束植物241科2 269種，其中蕨類植物40科260種、裸子植物6科12種、被子植物195科1 997種，分別占江西省蕨類、裸子、被子植物種數的 64.80%、41.38%、48.86%［14］。

2 數據與方法

2.1 數據源及數據預處理

以2000年Landsat7 ETM及2009年的Landsat5 TM同一時期的遙感影像為數據源來研究保護區內外的土地利用變化。以經過正射糾正的2009年spot5遙感影像為基礎進行幾何校正和坐標轉換，其中幾何精校正采用二次多項式，像元重采樣采用雙線性內插值法。以環山公路為邊界對保護區影像進行剪切。選取4、5、3波段進行組合，形成假彩色圖像，根據野外建立的解譯標志，利用最大似然監督分類與傳統目視解譯相結合的方法對影像進行分類，獲取兩個時段研究區的土地利用圖。

2.2 保護區外圍區域的選取

國內外越來越多的學者對保護區內外的景觀格局變化進行對比研究［15－18］，以期更好的分析和評估保護區的保護效應，主要利用巢式設計方法，借助地理信息系統對保護區建立距離不等的緩沖區域。本文在對保護區建立緩沖區域時，考慮行政區的問題及影像的可獲取范圍，建立了位于九江市域范圍內的最大緩沖圈層，具體如圖1:以矢量化的2009年SPOT遙感影像中的環山公路為廬山保護區的邊界，并用該邊界向外建立8 km的緩沖區域。

圖1 巢式分析設置

2.3 土地利用類型的劃分及景觀格局指標的選取

從景觀尺度對研究區土地利用進行動態研究，是研究全球變化的重要組成部分，同時也是景觀生態學中格局－過程研究的核心內容之一［19］，根據國家土地利用分類標準，綜合考慮遙感影像的特征及研究區土地使用目的和利用現狀，將廬山保護區及其外圍區域的土地利用劃分為8類:耕地、針葉林、闊葉林、針葉闊混交林、灌草叢、建筑用地、裸巖/裸地、水域。

景觀格局指數是反映景觀結構組成和空間配置特征的量化指標，合適的景觀指數對于景觀格局分析的合理性有重要影響［20－23］。從景觀的面積、形狀、破碎化、多樣化等方面的數量分配情況和空間格局分布特征對研究區土地利用變化特征進行度量，選取的景觀格局指數，各指數的計算用FRAGSTATS 3.3軟件完成。

3 結果與分析

3.1 土地利用總體特征及變化

2000年及2009年廬山自然保護區及其外圍圈層的土地利用圖見圖2所示。從景觀構成上看，耕地、闊葉林、針葉林、針闊混交林、灌草叢、建筑用地、裸巖/裸地、水域均是保護區內外景觀的基本構成單元，但是各土地利用類型在保護區內外的空間結構及變化特征卻不盡相同(表1)。在保護區31 182.03 hm2的范圍內，闊葉林是最主要的景觀組分，其次是灌草叢、針葉林、針闊混交林、耕地，建筑用地、裸巖/裸地、水域的面積比例最少。保護區外圍總面積為84 337.74 hm2，耕地是保護區外圍最主要的土地利用類型，其次是水域、灌草叢和建筑用地，針葉林、闊葉林、針闊混交林、裸地/裸巖面積比例為最小。

表1 2000—2009年廬山自然保護區及外圍圈層景觀構成

對保護區內外土地利用的面積變化情況加以對比分析發現，在研究時間內發生了不同程度的變化，在保護區，闊葉林、灌草叢、耕地的面積減少，闊葉林面積百分比由2000年的38.36%減少到2009年的35.43%，其主導景觀地位被削弱;灌草叢面積減少幅度最大為1 670.40 hm2，面積百分比由2000年的20.27%減少到2009年的14.91%，它的次級優勢地位被針葉林及針闊葉混交林取代，兩者減少的面積與針葉林、針闊葉混交林的總增加面積相當。在面積增加的土地利用類型中，針闊混交林面積變化幅度最大，增加了2 220.32 hm2，使之一躍成為廬山自然保護區的第三大景觀類型;針葉林面積變化了642.51 hm2，成為保護區的第二大景觀類型;建筑用地面積雖僅增加了55.53 hm2，但依然要引起重視，因為保護區在發展生態旅游而進行的基礎設施建設和道路修繕的過程中不可避免的會帶來生態和景觀的破壞;水域面積變化幅度最小，為20.52 hm2。在保護區外圍，耕地、灌草叢、裸巖/裸地、針闊混交林的面積減少，其中耕地面積減少幅度為2 692.26 hm2，面積百分比由2000年的40.08%減少到2009年的36.88%，優勢地位弱化;其次，灌草叢面積減少了2 369.52 hm2，面積百分比由2000年的14.52%下降到2009年的11.71%;裸巖/裸地面積減少了1 412.46 hm2，是2000年鄱陽湖枯水期河床裸露而2009水位恢復使得裸露河床被水體覆蓋;針闊混交林面積減少了494.19 hm2，面積變化幅度最小。面積增加的土地利用類型依次為水體、建筑用地、闊葉林、針葉林，其中水域面積增加幅度為保護區外圍圈層所有土地利用類型面積變化幅度之最，為3 484.62 hm2;建筑用地的面積增加了1 322.28 hm2，相對于保護區建筑面積的增加，保護區外圍建筑用地面積的增加幅度大，應該給予重視。

圖2 廬山自然保護區及外圍圈層土地利用圖

3.2 土地利用類型轉移分析

轉移矩陣有助于了解研究初期各土地利用類型的流失去向及研究末期土地類型的來源，反映研究時段內各土地利用類型的轉移變化情況［24］。在ArcGIS9.2中，將研究區兩時期的土地利用圖進行空間疊加運算得到2000—2009年各土地利用類型的轉移矩陣(表2和表3)。

(1)耕地的轉換。在保護區，耕地的轉出率為40.21%，有1 348.56 hm2的耕地轉變為其它土地利用類型，其主要轉出方向為灌草叢、林地及建筑用地，分別占轉出總量的 53.14%、26.19%、17.08%;與此同時，其它地類也向耕地發生轉變，其中以灌草叢、建筑用地、林地轉入量最多，分別占總轉入量的49.66%、27.16%及17.80%。在保護區外圍，盡管耕地面積有66.60%得到有效保留，但其轉出的面積卻高達11 288.79 hm2，占保護區外圍所有地類土地轉移總量的32.93%，耕地向其它地類轉出的比例相當，轉出為其它地類大小依次為灌草叢、建筑用地、水域、林地及裸巖/裸地;其它地類轉入為耕地的總面積為8 596.53 hm2，其中灌草叢的轉入量最大，為轉入總量的39.24%，其次是建筑用地的27.51%、裸巖/裸地的15.77%、林地的13.35%。說明，保護區內外在進行生態退耕的過程中也進行著毀林開荒、破壞生態的活動，耕地在保護區主要向林地、灌草叢方向轉化，而在保護區外圍因為經濟發展和城鎮化建設使其向建筑用地轉移的比率很高。

表2 2000—2009年廬山自然保護區景觀轉移矩陣

表3 2000—2009年廬山自然保護區外圍圈層景觀轉移矩陣

(2)闊葉林的轉換。闊葉林面積在保護區有5 440.59 hm2轉變為其它地類，主要轉變為針闊混交林和針葉林，兩者之和占轉出總量的76.75%，另外還有一部分轉為灌草叢，占轉出總量的18.84%;其它地類中，灌草叢向闊葉林轉入量最多，占總轉入量的50.81%，另外針葉林及針闊混交林的轉入量之和占總轉入量的44.91%。保護區外圍，闊葉林轉出面積為2 930.58 hm2，占保護區外圍所有地類土地轉移總量的8.55%，轉出為針闊混交林和針葉林面積之和占轉出總量的47.01%，另外主要轉出為灌草叢和耕地，兩者之和占轉出總量的44.44%;其它地類中，灌草叢向闊葉林轉入量最多，占總轉入量的54.82%。說明闊葉林在保護區主要轉換為針葉林和針闊混交林，而在保護區外圍除了與其它林地類型相互轉化外，有相當一部分轉出為灌草叢和耕地類型。

(3)針葉林的轉換。保護區內，針葉林有2721.60 hm2面積轉換為其它地類，轉出率為49.96%，主要轉出方向為闊葉林、針闊混交林、灌草叢，分別占總轉出量的 44.52%、32.15% 及 17.37%;同時，轉入針葉林的其它地類依次為闊葉林、針闊混交林、灌草叢。針葉林在保護區外圍的轉出率為69.12%，主要轉出為灌草叢、耕地，兩者共占總轉出量的57.56%，另一方面轉出為闊葉林、針闊混交林，兩者之和占總轉出量的27.27%;針葉林主要從針闊混交林、灌草叢、耕地及闊葉林轉化而來，占總轉入量的百分比依次為 31.58%、29.93%、23.06%及13.77%。說明針葉林在保護區外圍轉出程度大于保護區內部，其在保護區主要與其它林地類型進行轉換，而在保護區外圍針葉林正經歷逆行演替過程，向人類干擾強度大的景觀類型轉換，受人類的干擾程度強。

(4)針闊混交林的轉換。針闊混交林在保護區內外的轉出率均較高，分別為65.58%及74.68%。在保護區主要轉出為針葉林和闊葉林，另有一部分轉出為灌草叢，分別占總轉出量的43.49%、42.32%及10.69%，其它地類轉入總量是其轉出總量的2倍多。在保護區外圍，主要轉出為針葉林、闊葉林、灌草叢，在保護區內外的總轉出量與總轉入量相當。針闊混交林在保護區內的積累量大于保護區外圍。

(5)灌草叢的轉換。灌草叢在保護區內外的轉出率很高，分別為67.36%及66.88%。在保護區，主要轉出為闊葉林，占總轉出量的一半以上，其次轉出為針葉林、針闊混交林和耕地;闊葉林、耕地、針葉林轉入量最多，依次為 39.63%、27.71%、18.28%。在保護區外圍區域，主要轉出為耕地，占轉出總量的41.19%，另外有一部分轉出為闊葉林和針葉林。

(6)建筑用地的轉換。建筑用地在保護區總轉出量為563.94 hm2，主要轉出為耕地、林地、灌草叢，分別占總轉出量的 50.40%、23.28% 及 20.35%;其它主要向建筑用地轉入的地類為耕地、林地和灌草叢。在保護區外圍，建筑用地有3 017.34 hm2向外轉出，主要轉出為耕地，占轉出總量的78.37%。

(7)裸巖/裸地的轉換。裸巖/裸地是研究區轉出率最高的土地利用類型，在保護區內外轉出率分別為94.63%及90.74%。在保護區內，主要轉為為耕地和灌草叢，分別占總轉出量的39.68%和30.48%;主要由灌草叢轉入，占總轉入量的46.77%。在保護區外圍，主要轉出為水域和耕地，分別占總轉出量的45.69%及35.71%;主要由耕地和灌草叢轉入，分別占總轉入量的51.68%及22.12%。

(8)水域的轉換。水域在保護區有53.64%得到有效保留，主要轉出為灌草叢、耕地、針葉林和建筑用地，分別占總轉出量的31.05%、23.29%、20.22%、18.05%。在保護區外圍區域，水域為所有地類中最穩定的類型，轉出率僅為5.04%，主要由裸巖/裸地及耕地轉換而來。

3.3 景觀格局變化分析

對比保護區內外景觀整體的斑塊密度(DP)、最大斑塊指數(ILP)、平均斑塊面積(SMP)及邊界密度(DE)指數發現，保護區外圍的景觀破碎化程度要高于保護區內部。由平均斑塊分維數(CFRA)、景觀形狀指數(ILS)、平均斑塊形狀指數(IMS)來考察保護區內外土地利用類型的空間形狀特征，其中平均斑塊分維數(CFRA)在保護區內外大致相當，即保護區內外景觀斑塊邊界的平均分形程度相差不大，但平均斑塊形狀指數指數及ILS指數的大小說明保護區景觀整體的斑塊形狀要比保護區外圍復雜。從景觀的凝結度指數(NCO)看，保護區景觀類型的空間連接程度高于保護區外圍。景觀的蔓延度指數(GCO)在保護區數值較高，說明保護區景觀中的優勢斑塊形成了良好的連通性，即保護區內景觀比保護區外圍景觀聚集。就景觀的多樣性(ISHD)及均勻度指數(ISHE)來看，保護區的多樣性水平和均勻度水平高于其外圍區域。

各景觀指數隨時間的變化情況如表4，由斑塊密度(DP)、最大斑塊指數(ILP)、平均斑塊面積(SMP)、邊界密度(DE)在保護區內外的變化情況可以看出，保護區內景觀破碎化程度輕微加深，而保護區外圍景觀破碎化程度加深顯著。景觀形狀指數(ILS)、平均斑塊形狀指數(IMS)在保護區內減小，在保護區外圍圈層增加，說明廬山自然保護區景觀整體的斑塊形狀的復雜性減弱，而保護區外圍圈層與之相反，并且保護區的變化幅度大于保護區外圍。平均斑塊分維數(CFRA)在研究區域內隨著時間的推移幾乎無變化，說明研究區的斑塊形狀主要取決于自然地貌及自然環境條件。景觀的凝結度指數(NCO)在保護區小幅減小，在保護區外增加，說明保護區景觀類型的空間連通性減小，而保護區外圍圈層景觀類型的空間的連通性增強。蔓延度指數(GCO)在保護區內外均減小，聚集程度變弱，進一步說明保護區內外的景觀破碎化程度加劇。景觀的多樣性(ISHD)及均勻度指數(ISHE)的增加說明在人類和自然綜合作用下，研究區域各土地利用類型在景觀中呈均衡化分布，景觀由某種或某些景觀類型主導的程度減弱。

4 結論與討論

在景觀面積組成及變化上，林地是保護區的主要土地利用類型，其面積百分比由65.31%增加到71.21%、耕地面積減少 302.13 hm2、建筑用地面積增加55.53 hm2是保護區“退耕還林”及為“繁榮旅游”而進行基礎設施建立政策的體現;耕地是保護區外圍的主導地類，面積減少了2 692.26 hm2，是自1998年長江超歷史大汛之后，中共中央國務院做出:“退田還湖，移民建鎮”的決策的體現，另外從建筑用地景觀指標看出:建筑用地的面積增加、斑塊數量減少、破碎化程度變低、形狀指數變復雜、聚集度增加，是保護區外圍實施“移民建鎮”政策以來，拆除原村落，形成以公路為依托的集鎮建設的結果。

從研究區土地利用轉移情況來看，在保護區各種保護措施下，保護區植被正經歷正向次生演替，而保護區外圍，由于大范圍的農業生態、高強度的工業建設、高密度的人口聚集，逆行次生演替過程占主導。景觀水平上，保護區的破碎化程度顯著低于保護區外圍，多樣性指數高于保護區外圍，充分體現了保護區的保護效益。但與此同時，保護區內外景觀的破碎化程度均加深，保護區內外的多樣性和均勻度指數均呈上升趨勢，主導景觀類型闊葉林和耕地地位都得以弱化，景觀受人類干擾的跡象越來越明顯。保護區在2000年常住人口數為12.02萬人，2009年有11.84萬人，而保護區的游客的數量在2000年全年達到26萬人次，2009年僅10月1日到7日旅客數量就超過21萬人，所以保護區內大規模的無序旅游及旅游建設用地的擴展所引起的環境破壞，應引起有關部門重視。

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表4 廬山自然保護區及外圍圈層景觀指數

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