秦嶺地區林地與草地景觀格局變化及其驅動因素

郭少壯,白紅英,2,*,孟 清,趙 婷,黃曉月,齊貴增

1 西北大學, 西安 710127 2 陜西省地表系統與環境承載力重點實驗室, 西安 710127

景觀格局包括景觀組成單元的類型、數目以及空間分布,是自然因子和社會因子綜合作用于地理空間上的表現結果,一切自然營力和人類活動都將引起景觀格局的變化[1- 2],景觀格局的特征及其變化又對生態系統的結構、功能和過程產生著重要影響[3- 5]。隨著全球氣候變化以及人類活動的日益頻繁,景觀格局受到外界干擾程度越來越大,對景觀格局變化驅動力的研究是理解人類活動與景觀格局演化關系的基礎[6- 7]。因此,研究區域景觀格局的動態變化及其驅動因素有助于揭示自然環境與人類社會相互作用的關系,對生態系統演化具有重要意義[8]。

景觀格局指數是分析景觀格局變化時常用的工具,其簡單、方便的特點在景觀生態學研究中得到廣泛應用[9]。隨著地理信息系統(GIS, Geographic Information System)和遙感技術(RS, Remote Sensing)的發展,目前,國內外景觀格局變化研究主要采用GIS和RS技術與景觀格局指數相結合的方法進行定量和定性的分析[10]。不同學者對于城市、森林、濕地、以及海域為水平的景觀格局變化均有研究[11- 12],近年來,隨著人口數量和經濟水平的快速增長,人類對林地和草地等自然資源的過度以及不合理地開發逐漸增加,林地和草地作為重要的環境資源,是陸地生態系統重要組成部分,其減少將會嚴重影響區域生態環境質量及生態系統的穩定性和多樣性,對于林地與草地景觀格局時空演變已成為景觀格局研究的熱點領域[13- 15],國內外學者已做了大量的單獨研究林地與草地景觀格局時空演變及其驅動機制。王美玲等[16]分析了長白山保護區森林景觀格局動態變化,結果表明長白山保護區及周邊林業局景觀破碎化程度加重,受人為干擾明顯；張韜等[17]研究了輝騰錫勒風電場的建設對草原景觀格局的影響,結果表明該地區草原生態系統穩定性下降主要由風機和風機檢修路面積增加導致的。

秦嶺位于我國中部,被稱為中國地理的自然標識[18],是亞熱帶與暖溫帶以及濕潤與半濕潤氣候重要的分界線,也是我國自然地理的過渡帶及東亞地區生物多樣性最豐富的熱點地區之一[19],亦是人為活動和氣候變化響應的敏感區。秦嶺地區主要以林地和草地景觀類型為主,以往的研究多集中于小尺度研究,對于秦嶺地區大尺度、長序列林地與草地景觀格局時空變化及驅動力的研究相對缺少。因此,本文基于1980—2015年Landsat影像數據,提取出秦嶺地區林地和草地景觀類型空間分布圖,利用GIS空間分析和景觀格局指數法研究了秦嶺地區林地與草地景觀分布及其空間格局變化特征,并利用主成分分析和相關系數法對其人為和自然兩大驅動因子進行分析,旨在揭示秦嶺地區林地與草地景觀格局演變特征及其驅動因素,以期為該區生態系統管理和資源的可持續利用提供科學依據和理論支撐。

1 研究區概況

本研究所指的秦嶺為狹義的秦嶺(圖1),位于陜西省南部,渭河以南,漢江以北,東西以陜西省省界為界,地理坐標范圍105°28′—111°3′E,32°28′—34°40′N,包括36個縣(市、區),總面積達6.37萬 km2,約占陜西省總面積的31%。該區海拔范圍195—3771.2 m,平均海拔1157.92 m,地勢由東向西逐漸升高,北坡陡峭而南坡相對平緩[20]；年均溫約為-4—17 ℃,年降水量約為600—1200 mm[21],素有“世界生物基因庫”和“天然藥庫”之稱[22]。研究區植被類型非常豐富,秦嶺以北以落葉闊葉林為主,以南以常綠闊葉、落葉闊葉混交林為主[18]；生態系統類型以自然生態系統為主,自然生態系統又以陸地生態系統為主,主要包括森林生態系統和草地生態系統。

圖1 研究區位置Fig.1 The location of the study area

2 數據與方法

2.1 數據來源

本研究采用中國科學院資源環境科學數據中心(http://www.resdc.cn)提供的陜西省1∶10萬土地利用數據,空間分辨率為30 m,共包括1980年、1990年、2000年、2005年、2010年、2015年6期影像,該數據將研究區劃分為林地、草地、耕地、建設用地、水域、未利用地6大類型,以此提取出研究區林地和草地景觀類型,林地包括有林地、灌木林地、疏林地和其他林地,草地包括高覆蓋度草地、中覆蓋度草地和低覆蓋度草地。其中高覆蓋度草地指覆蓋度>50%的天然草地、改良草地和割草地,此類草地一般水分條件較好,草被生長茂密；中覆蓋度草地指覆蓋度在20%—50%間的天然草地和改良草地,此類草地一般水分不足,草被較稀疏；低覆蓋度草地指覆蓋度在5%—20%的天然草地,此類草地水分缺乏,草被稀疏,牧業利用條件差。

氣象數據來源于陜西省氣象局；總人口數量和國民生產總值(GDP)數據來源于陜西省統計年鑒；DEM數據來源于國家測繪局,分辨率為25 m×25 m；坡度、地形起伏度均由DEM提取所得。

2.2 研究方法

2.2.1景觀格局指數分析法

本研究依據研究區景觀類型特征和景觀格局指數的生態學意義[2],分別從斑塊類型水平上和景觀水平上選取不同景觀指數。斑塊類型水平上選取了最大斑塊指數(LPI, Largest patch index)、景觀形狀指數(LSI, Landscape shape index)、斑塊密度(PD, Patch density)、聚集指數(AI, Aggregation index)4種指數,從景觀水平上選取了景觀形狀指數(LSI)、蔓延度(CONTAG, Contagion index)、聚集指數(AI)、香農多樣性(SHDI, Shannon′s diversity index)4種指數。林地和草地景觀格局指數運用Fragstats 4.2軟件分別采用標準法和移動窗口法進行計算。

2.2.2相關性分析

基于林地和草地景觀格局指數空間分布圖及海拔、坡度、地形起伏度等地形環境因子分布圖,利用ArcGIS 10.2中的band collection statistics方法,分別計算秦嶺地區林地和草地景觀格局指數與不同地形環境因子的相關系數,分析景觀格局指數與地形環境因子的相關性。

2.2.3人為干擾度的構建

為了分析人為干擾度對秦嶺地區林地和草地的綜合影響,根據前人的研究成果[23],結合研究區景觀分類系統[24],基于地表覆蓋面積權重構建秦嶺地區人為干擾度指數[23- 25]。人為干擾計算公式如下[26]：

式中,M代表人為干擾度；n為統計單元內景觀類型個數；Hi為第i類景觀類型對應的干擾指數；S為統計單元的總面積；Si為統計單元內第i類景觀類型面積。

2.2.4驅動力分析

為了探討人類活動及氣候影響因素對秦嶺地區林地和草地景觀格局變化的影響機制,人類活動主要考慮了總人口數量、GDP、耕地面積、建設用地面積、人為干擾度等因素,氣候驅動力主要考慮了溫度和降水,并利用主成分分析法以及線性相關性對引起景觀格局變化的因素進行篩選。

3 結果與分析

3.1 秦嶺地區林地與草地分布狀況

1980—2015年秦嶺地區林地與草地空間分布如圖2所示。截至2015年,秦嶺地區林地和草地總面積為45917.45 km2,占研究區總面積的72.06%,其中有林地面積為13685.67 km2,占林地和草地總面積的29.80%,其次為高覆蓋度草地和中覆蓋度草地,分別占比為22.11%、21.97%,其他林地和低覆蓋度草地分布面積相對較小,分別占比為0.38%和3.38%。秦嶺地區地勢由東向西逐漸升高,北坡陡峭而南坡相對平緩[21],結合秦嶺地區地形地貌特征,林地與草地空間上具有明顯的地形分布差異性,其中林地主要分布于研究區中西部,海拔較高且坡度較大,草地主要分布于研究區東南部,秦嶺北坡的西安市以及南坡的漢中市地區林地和草地分布明顯較少,此區域海拔較低且地勢相對平坦,人類開發利用的強度較高。綜合表明秦嶺地區林地和草地空間格局與地形地貌存在較大的相關性。

圖2 1980—2015年秦嶺地區林地和草地景觀類型分布圖Fig.2 The spatial distribution of woodland and grassland in Qinling Mountains from 1980 to 2015

3.2 秦嶺地區林地與草地景觀動態變化特征

1980—2015年秦嶺地區林地和草地面積變化趨勢如圖3所示。35年來,林地和草地總面積呈減少趨勢,凈減少了309.44 km2。林地4種類型中,有林地、灌木林地、疏林地和其他林地的面積呈不同程度的增加趨勢,共增加了201.23 km2；草地中,高覆蓋度草地、中覆蓋度草地和低覆蓋度草地面積均呈減少趨勢,共減少了510.68 km2,表明草地減少占林地和草地總面積變化的主導地位。

圖4為1980—2015年秦嶺地區林地和草地空間轉移。研究時段內,林地和草地大部分區域未發生轉移變化,區域內整體景觀格局變化相對較小,但以西安市為中心的周邊區域變化最為明顯,主要由于近年來西安市城市化進程的加快,建設用地的持續增加并占用大面積的林地和草地,侵占面積達86.19 km2,僅次于耕地的侵占。林地和草地增加的區域主要呈點狀分布于秦嶺山區,其主要來源于耕地的轉移,由于近年來國家對于秦嶺地區自然生態系統的保護以及退耕還林還草政策的實施,秦嶺山區的耕地多轉化為林地和草地。

圖3 1980—2015年秦嶺地區林地與草地面積變化圖Fig.3 The area change of woodland and grassland in Qinling Mountains from 1980 to 2015

圖4 1980—2015年秦嶺地區林地和草地空間轉移圖Fig.4 The spatial change of woodland and grassland in Qinling Mountains from 1980 to 2015圖a和圖b分別表示林地減少和林地增加的典型樣區,圖c和圖d分別表示草地減少和草地增加的典型樣區

3.3 秦嶺地區林地與草地景觀格局變化特征分析

3.3.1斑塊水平上景觀格局變化特征

圖5為1980—2015年秦嶺地區斑塊水平上各時期景觀格局指數變化趨勢。35年來,各景觀類型斑塊密度整體上呈增加趨勢,表明7種景觀類型的斑塊破碎化程度均有所增加；有林地最大斑塊指數最高,表明有林地是研究區的優勢景觀類型,且在研究區內呈片狀分布；高覆蓋度草地和中覆蓋度草地景觀形狀指數較高,說明高覆蓋度草地和中覆蓋度草地景觀斑塊形狀復雜,且各類的景觀形狀指數呈不同程度的增加,表明秦嶺地區林地和草地斑塊形狀逐漸呈不規則變化趨勢；有林地、灌木林地的聚集指數最大,且變化趨勢相對穩定；其他林地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地聚集指數相對較低且下降幅度較大,表明其空間分布較為分散,破碎化程度增加,連通性降低。

3.3.2景觀水平上景觀格局變化特征

圖6為1980—2015年秦嶺地區景觀類型上各時期景觀格局指數變化趨勢。35年來,秦嶺地區景觀形狀指數、香農多樣性指數呈先增加后下降的趨勢,整體呈增加趨勢,表明林地和草地景觀形狀變得逐漸復雜,景觀異質性和景觀豐富度增加,2005年后有所改善,主要由于秦嶺地區生態環境保護政策的實施以及保護強度的增加,景觀形狀趨于規則,景觀異質性下降；蔓延度和聚集指數整體上呈下降趨勢,表明秦嶺地區林地和草地景觀破碎化程度增加,連接性降低。

圖5 秦嶺地區林地和草地斑塊水平指數變化圖Fig.5 The index variation of woodland and grassland at the patch level in Qinling Mountains

圖6 秦嶺地區林地和草地景觀水平指數變化圖Fig.6 The index variation of woodland and grassland at the landscape level in Qinling Mountains variation

3.3.3基于移動窗口法林地和草地景觀指數空間分異特征

通過移動窗口分析法可以更為直觀地了解秦嶺地區景觀格局的空間分異特征[27],2015年林地和草地景觀格局指數的空間分布如圖7所示。秦嶺地區林地和草地斑塊密度整體相對較低,表明秦嶺地區林地和草地空間分布相對集中,破碎化程度較低,其中草地斑塊密度最大值高于林地,說明草地較林地破碎。林地最大斑塊指數、聚集指數高值區主要集中分布于研究區中西部,低值區主要分布于研究區東部,景觀形狀指數空間分布與之相反,表明研究區中西部林地為優勢景觀類型,景觀形狀較為規則且分布集中連片。草地最大斑塊指數、聚集指數高值區主要呈斑塊狀分布于研究區東南部,景觀形狀指數高值區呈零星狀分布于研究區南部,表明研究區東南部草地分布相對較多,聚集程度相對較高,研究區南部草地斑塊形狀相對不規則。

表1為秦嶺地區林地和草地景觀格局指數與地形環境因子的相關系數。分析表明,秦嶺地區林地和草地景觀格局指數與海拔的相關性最好,林地最大斑塊指數、聚集指數與海拔呈正相關,斑塊密度、景觀形狀指數與海拔呈負相關,表明隨著海拔的增加,林地的優勢度、斑塊團聚程度增加,景觀形狀復雜程度降低；草地聚集指數與海拔呈正相關,斑塊密度、最大斑塊指數和景觀形狀指數與海拔均呈負相關,表明隨著海拔的增加草地優勢度降低,但景觀形狀趨于規則,斑塊聚集度增加。景觀格局指數與坡度及地形起伏度的相關性具有相似性,林地最大斑塊指數、斑塊形狀指數、聚集指數隨著坡度和地形起伏度的增加而增加,斑塊密度與之相反,表明坡度和地形起伏度越大,林地的優勢度和聚集度越大,而景觀形狀越趨于不規則；草地最大斑塊指數、聚集指數隨著坡度和地形起伏度的增加而增加,斑塊密度和景觀形狀指數隨著坡度和地形起伏度增加而減小,表明隨著坡度和地形起伏度增加,草地優勢程度、聚集程度以及規則化程度均有所增加。綜合表明基于移動窗口法獲得的秦嶺地區林地和草地景觀格局指數空間分布特征明顯,在地形因子作用下呈現一定的地形梯度性。

圖7 2015年秦嶺地區林地與草地景觀格局指數空間分布特征Fig.7 Spatial distribution of woodland and grassland landscape pattern index in Qinling Mountains in 2015

表1 林地和草地景觀格局指數與地形環境因子的相關系數

Table 1 Correlation coefficient between woodland and grassland landscape pattern index and terrain environment variables

地形因子Terrain environment variables林地Woodland草地GrasslandPDLPILSIAIPDLPILSIAI海拔Altitude-0.100.44-0.100.24-0.07-0.04-0.160.07坡度Slope-0.020.160.020.07-0.030.07-0.010.05地形起伏度Relief degree of land surface-0.030.200.010.09-0.030.06-0.020.06

LPI最大斑塊指數,PD斑塊密度;LSI景觀形狀指數;AI聚集指數

3.4 35年來秦嶺地區林地和草地景觀變化驅動因素分析

景觀格局變化是自然驅動因子和人為驅動因子綜合影響的直觀表現[28],按照特征值大于1以及累計貢獻率大于95%的原則提取了前2個主成分,主成分載荷矩陣如表2所示。第1個主成分解釋了總變量的76.92%,第2個主成分解釋了總變量的18.45%,總人口數量、建設用地面積等在第1主成分上的載荷較大,年降水量在第2主成分上的載荷較大,因此將2個主成分分別概括為人為活動干擾因素和氣候因素。

3.4.1人為活動干擾因素分析

圖8為林地和草地總面積與不同驅動因素的相關性,結果表明,秦嶺地區林地和草地總面積的變化趨勢與社會經濟活動密切相關。總面積與GDP、總人口數量、建設用地面積以及人為干擾度呈負相關,其中與GDP、建設用地面積呈顯著負相關(P<0.05),與人為干擾度呈極顯著負相關(P<0.01),而與耕地面積呈不顯著正相關。

表2 主成分載荷矩陣

1980—2015年,秦嶺地區人口數量、GDP、建設用地面積呈顯著增加趨勢,分別從1548萬人、86億元、1013 km2增加到2074萬人、8447億元、1756 km2,基于地表覆蓋面積權重構建的人為干擾度指數從1980年的3.895增加到2015年的3.909(表3),其中總人口數量、GDP、建設用地面積對秦嶺地區林地和草地總面積變化的解釋率R2分別為0.60、0.73和0.79,人為干擾度指數的解釋率為0.91。研究時段內,秦嶺地區林地和草地總面積整體呈減少趨勢,主要由于人口數量的持續增長和經濟的快速發展而引起的,從而促進建設用地的擴建并占用大面積的耕地,為了滿足糧食的供給,林地和草地又轉化為耕地,表現最明顯的區域當屬西安市及周至縣與眉縣的交界處(圖4)。此外秦嶺地區旅游業的發展、道路的擴張等人為干擾活動直接或間接的導致了生態系統被分割、干擾、破壞等影響[29-30],加劇了區域內景觀的破碎化程度。

表3 1980—2015年秦嶺地區驅動因素變化

3.4.2氣候因素分析

由表3可知,1980—2015年秦嶺地區年均溫有明顯的上升趨勢,而年均降水量整體呈波動變化趨勢但基本保持穩定,35年來,林地和草地總面積與溫度呈負相關,與降水呈正相關,但均未達到顯著性(圖8),解釋率R2分別為0.55和0.36。有資料顯示,秦嶺地區植被生長受氣溫和降水共同影響,而對氣溫變化敏感度較高,尤其高海拔區[31],且秦嶺山地林線區NDVI對氣候變化響應也非常敏感[21]。氣溫主要通過蒸發作用影響景觀格局的變化,降水量的波動會對糧食產量造成一定的影響[28],而與人類活動相比,人類活動對秦嶺地區植被變化的影響更為顯著[18]。綜合表明,氣候因素對秦嶺地區景觀格局的影響整體小于人為活動干擾因素。

圖8 林地和草地總面積與主要驅動因素的相關性Fig.8 Correlation between total area of woodland and grassland and main driving factors

綜上所述,秦嶺地區景觀格局變化受到人為活動干擾因素和氣候因素的綜合影響,人為活動干擾因素是影響秦嶺地區林地和草地變化的主要驅動因素,氣候因素次之。另一方面,國家宏觀政策對秦嶺地區景觀格局變化起重要的導向作用,20世紀80年代國家大力提倡經濟建設,秦嶺地區林地和草地等自然景觀遭到嚴重的破壞,1998年國家啟動天然林保護工程,1999年又實施了退耕還林還草政策,秦嶺地區積極響應國家宏觀政策推進區域生態環境建設及安全保護,如商南縣實施“廠防工程”、退耕還林還草以及“天保工程”,略陽縣在實施以上政策的基礎上還實行了水土保持、珍稀動植物保護等工程[30],直接推動了秦嶺地區林地和草地等景觀類型面積的變化。

4 結論

以1980—2015年土地利用數據集為數據源,提取出秦嶺地區林地和草地景觀類型空間分布圖,并利用GIS空間分析、景觀格局指數及主成分分析法等方法,研究了近35年來秦嶺地區林地與草地景觀格局時空變化及其驅動因素。主要結論如下：

(1)林地和草地是秦嶺地區主要景觀類型,約占研究區總面積的72%,其中有林地為優勢景觀類型,其次為高覆蓋度草地和中覆蓋度草地,其他林地和低覆蓋度草地分布面積相對較小,空間分布與地形地貌存在較大的相關性,林地主要分布于研究區中西部,草地主要分布于研究區東南部；1980—2015年秦嶺地區林地和草地總面積整體呈減少趨勢,凈減少了309.44 km2,草地減少占總面積變化的主導地位；空間變化上,林地和草地整體景觀格局變化相對較小,以西安市為中心的周邊區域變化最為明顯,以向建設用地和耕地轉移為主。

(2)景觀指數分析表明,秦嶺地區林地和草地景觀破碎化程度逐漸增加,連通性降低,景觀異質性增強且景觀形狀更為復雜,草地較林地變化明顯；空間分布上,基于移動窗口法獲得的秦嶺地區林地和草地景觀格局指數空間分布特征明顯,在地形因子作用下呈現一定的地形梯度性,尤其與海拔的相關性最好,其次為地形起伏度和坡度。

(3)人為活動干擾及氣候因素的變化共同影響著秦嶺地區林地和草地景觀格局的變化,人為活動干擾是影響秦嶺地區林地和草地景觀格局變化的主要驅動因素,其中總人口數量、GDP、建設用地面積及人為干擾度為主要的驅動因素；氣候因素對其景觀格局變化的影響相對較小,溫度和降水對林地和草地總面積變化的解釋率R2分別為0.55和0.36；同時國家宏觀政策對秦嶺地區景觀格局變化起重要的導向作用,主要包括天然林保護工程以及退耕還林還草政策。

秦嶺是我國中部最重要的生態屏障及全球生物多樣性最豐富的地區之一[19],林地和草地是該區主要景觀類型,林地和草地面積的減少及其景觀的破碎化程度增加將會嚴重影響該區域生態環境安全性與健康可持續發展。秦嶺地區植被垂直帶分布特征非常明顯,且自身具有良好的完整性,秦嶺還是我國南水北調中線工程重要的水源涵養地,具有較好的生態系統水源涵養功能[32- 33],而隨著該區建設用地的侵占、道路的擴張等人類活動干擾的增加,將會破環該區生態環境的完整性及連通性,尤其中高海拔生態系統脆弱區及敏感區,植被垂直帶分布也會受到一定的影響,從而影響生物多樣性及其空間分布格局,并且可能會降低該區域水源涵養能力、凈初級生產力以及引起土壤侵蝕、河流污染等一系列環境問題。因此,為了實現該區生態系統保護及青山綠水的發展戰略,需要減緩秦嶺地區人為活動干擾,尤其秦嶺北麓地區人為活動的過度影響,制定合理的資源開發利用政策,并建立生態系統保護紅線,維護林地和草地的平衡性及完整性,是實現該區生態系統管理和資源的可持續利用的關鍵。