天目山林區景觀格局時空變化及驅動因素分析

俞 飛，李智勇

（1.中國林業科學研究院 林業科技信息研究所，北京 100091；2.浙江農林大學 林業與生物技術學院，浙江 杭州 311300）

南方集體林區是中國重要林區之一。2000年以來，是中國經濟高速發展的時期，也是退耕還林和集體林權改革等政策開始推行和實施的階段。在經濟和政策的雙重作用下，南方集體林區的土地利用產生了較為明顯的變化，并引起了學界的關注。魯亞楠等[1]研究了1980-2015年南方10省1市集體林的土地利用動態特征，發現耕地、草地面積減少，城鄉建設用地顯著增加，林地面積少量增加，而且2000年后土地利用類型變化速率明顯加快。李明詩等[2]對浙江余杭地區的集體林進行研究后發現：雖然該地區的森林面積總體變化不大，但是森林破碎化程度一直加劇，可能造成近交衰敗、能量傳遞和物質流動失衡、外來物種入侵加劇等生態后果[3]。可見對于南方集體林，不僅需要關注其森林面積的變化，還需要重視其景觀格局的變化，以及這些變化引起的生態功能變化。浙江天目山地區森林覆蓋率在80%以上，以集體林為主。隨著市場需求的變化，樹種類型發生了較大的變化，因此本研究以天目山保護區的國有林為對照，對集體林區近20 a的景觀格局變化特征進行研究，以期為集體林社區的經濟發展和生態環境建設提供思路。

1 研究區概況

研究區為浙江省杭州市臨安區天目山鎮(30°17′23″～30°24′39″N，119°23′31″～119°30′31″E)境內的保護區國有林(面積約984 hm2)和周邊社區的集體林(面積約7 801 hm2)，該區屬中亞熱帶季風氣候，年均降水量為1 822 mm，年均氣溫為8.9～15.8 ℃。保護區內擁有常綠闊葉林和落葉闊葉林等6個保護良好的原生植被類型；社區森林以常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、杉木Cunninghamia lanceolata林、竹林、山核桃Carya cathayensis林等次生林和人工林為主[4]。

2 研究方法

2.1 數據來源

航空和遙感影像數據分別來源于SPOT 5.0(2000年2月，分辨率2.5 m×2.5 m)、QuickBird(2010年12月，分辨率0.6 m×0.6 m)和WorldView(2017年11月，分辨率0.5 m×0.5 m)。森林資源二類調查數據來源于臨安區林業局。行政界線及道路分布圖來源于杭州市規劃和自然資源局臨安分局。2018年5-6月通過研究區居民走訪和實地考察，對解譯結果進行實地驗證，并獲取其他研究相關資料。

2.2 數據處理

2.2.1 景觀分類和遙感影像解譯 根據天目山的實際狀況以及研究目的，并參照土地利用現狀分類國家標準(GB/T 2010-2017)，將研究區劃分為10種景觀類型。具體分類情況見表1。使用ArcGIS 10.1軟件將遙感影像、森林資源二類調查數據及行政邊界統一投影到CGCS2000坐標系，再根據遙感影像進行人工目視解譯，最后根據實地調查數據對解譯結果進行修正。

表1 景觀類型劃分Table 1 Standard for classification of landscape types

2.2.2 景觀類型面積轉移矩陣和景觀格局指數計算 在ArcGIS 10.1軟件中將相鄰時段的遙感解譯結果進行空間疊加和統計分析，即可得到2000-2010年和2010-2017年這2個時段研究區景觀類型面積轉移狀況[5]。景觀格局分析選取景觀邊緣密度、景觀形狀指數、蔓延度、香農多樣性指數、香農均勻度指數、斑塊密度、最大斑塊指數、平均邊緣面積比和斑塊結合度等指標，使用Fragstats 4.0軟件進行計算。

2.2.3 景觀格局變化驅動力分析 在景觀形成過程中，人類活動具有很大的影響。本研究主要從政策、市場和道路3方面對研究區的土地利用和景觀格局的變化進行分析。

3 結果與分析

3.1 景觀總體動態變化特征

3.1.1 時間動態變化特征 生態林是保護區的主體景觀，竹林次之，山核桃林是面積最小的森林類型。其他景觀類型面積占比均非常低。2000-2010年，保護區生態林面積減少了10.95 hm2，道路面積增加了5.12 hm2，建筑用地面積增長了3.44 hm2。2010-2017年，生態林面積增加了83.36 hm2，竹林和山核桃林面積分別減少了34.87和50.35 hm2，建筑用地等面積變化較小(圖1和表2)。社區生態林面積比例比保護區面積低12%～20%；竹林面積比例約20%；山核桃林排名第3位，但是面積逐年增加。2000-2010年，生態林面積減少了242.98 hm2，竹林、山核桃林面積分別增加了47.37和275.67 hm2，建筑用地和道路面積分別增加了24.86和36.50 hm2。2010-2017年，生態林面積減少了127.89 hm2，竹林和茶園面積分別減少了125.74和38.05 hm2，山核桃林和香榧林面積分別增加了189.88和16.63 hm2，建筑用地和道路面積分別增加了50.55和9.03 hm2。

圖1 2000-2017年研究區景觀格局時空變化示意圖Figure 1 Spatial and temporal changes of landscape pattern from 2000 to 2017

3.1.2 空間動態變化特征 生態林占據了保護區的絕大部分區域，竹林主要集中在海拔350～900 m的游步道附近，建筑等主要分布在低海拔的景區服務中心一帶。社區中竹林等經濟林以各種形狀和組合方式鑲嵌在生態林中。竹林大部分集中分布于研究區的南部，呈塊狀分布，結合度非常高。山核桃林也主要分布于道路兩側。建筑和耕地主要沿著道路呈線狀分布。

3.2 景觀類型面積轉移

由表3可知：2000-2010年，保護區的景觀類型變化特征為生態林向竹林、建筑用地和道路轉化，轉化面積分別為1.84、3.55和4.89 hm2；竹林向道路轉化，轉化面積分別為0.23 hm2。由表4可知：2010-2017年，保護區的景觀類型變化特征為竹林、山核桃林、建筑用地向生態林轉化，轉化面積分別為31.87、50.35和0.53 hm2。

表3 2000-2010年保護區景觀類型面積轉移矩陣Table 3 Area transfer matrix in reserve from 2000 to 2010

表4 2010-2017年保護區景觀類型面積轉移矩陣Table 4 Area transfer matrix in reserve from 2010 to 2017

2000-2010年社區的景觀類型變化特征為生態林向竹林、山核桃林、建筑用地和道路轉化；竹林景觀向山核桃林、香榧林、茶園、建筑用地和道路轉化；耕地向竹林、山核桃、建筑用地和道路轉化(表5)。2010-2017年的景觀類型變化特征為生態林向竹林、山核桃林、香榧林和道路轉化；竹林景觀向山核桃林、香榧林、建筑用地、道路和耕地轉化；茶園向竹林、山核桃林和道路轉化；一部分耕地向建筑用地轉化(表6)。

3.3 景觀格局變化

3.3.1 類型斑塊水平的演化 保護區近20 a的景觀格局整體變化不大，社區的景觀破碎化程度則一直加劇(表7)。社區生態林的優勢地位一直在下降，與保護區的演化趨勢相反。社區各景觀類型斑塊密度均顯著高于保護區，而且生態林、竹林、山核桃、香榧的斑塊密度逐步增長。生態林、竹林的最大斑塊指數逐步下降，山核桃林、香榧的最大斑塊指數逐步上升。除了茶園以外，幾乎所有景觀類型的平均邊緣面積比都呈上升趨勢。生態林和竹林的斑塊結合度呈下降趨勢，山核桃和建筑用地呈上升趨勢。

表5 2000-2010年社區景觀類型面積轉移矩陣Table 5 Area transfer matrix in communities from 2000 to 2010

表6 2010-2017年社區景觀類型面積轉移矩陣Table 6 Area transfer matrix in communities from 2010 to 2017

3.3.2 景觀水平的變化 近20 a保護區整體呈現生態林優勢地位上升的趨勢，而社區則整體呈現形狀趨于復雜，景觀異質性程度升高，生態林聚集度和優勢度下降，各景觀類型的分布趨于勻質化的趨勢，具體表現為社區景觀邊緣密度、景觀形狀指數、香農多樣性指數和均勻度指數均逐漸上升，而蔓延度逐漸下降(表8)。

3.4 驅動力分析

3.4.1 政策因素的影響 保護區內的生態林受到嚴格保護，基礎設施建設也有嚴格的限制，這是其景觀格局變化遠低于社區的政策因素。而且2010年以來，保護區對毛竹林進行了有規劃的采伐和撫育，竹林面積顯著下降，采伐跡地逐漸演替為生態林。而社區因為沒有嚴格的保護政策，景觀格局受到較強的人為影響。

3.4.2 市場因素的影響 社區的景觀格局變化主要由經濟林的擴張和經濟林樹種的變化引起。竹林、山核桃林、香榧林的擴張導致了生態林面積的逐年下降，竹林向山核桃林和香榧林轉化導致了景觀破碎度和異質性的增加。根據統計年鑒和實地走訪可知，竹產品筍干價格走低，銷售困難，山核桃和香榧干果的需求上升且收益可觀，是引起了經濟林樹種和面積變化的重要原因。

表7 2000-2017年研究區類型水平景觀格局特征Table 7 Evolution of landscape patterns in class level from 2000 to 2017

表8 2000-2017年研究區景觀水平景觀格局特征Table 8 Evolution of landscape patterns in landscape level from 2000 to 2017

3.4.3 道路因素的影響 生態林與經濟林之間的轉化主要發生在道路兩側。這是因為研究區地形多為丘陵地帶，沒有便利的交通就難以運輸生產物資和林產品，所以道路也是社區經濟林面積擴張的重要因素之一。

4 討論

隨著社會經濟水平的提高，人們對森林生態和社會文化功能的需求不斷增加。但是在實際的生產和實踐過程中，森林的生態、經濟和社會價值之間往往存在著此消彼長的權衡關系。人為活動引起的土地利用變化是生態系統服務功能變化的最主要因素。城鎮和道路的建設有助于經濟效益的提升，但是這兩者的擴張會導致生態效益的降低。已有研究表明：土地利用強度的提升會通過增加景觀破碎度導致水土和養分的過量流失，提高生態系統的敏感性和脆弱性[6-8]。例如柳冬青等[9]對隴中黃土丘陵區的研究表明：隨著土地利用強度的增加，該區域生態系統供給服務比例升高，但是調節和支持服務比例逐步降低。生態完整性好、景觀破碎度的區域生態效益更高[10-11]。

本研究發現：近20 a來天目山集體林區的生態林不斷向經濟林轉移，同時經濟林種類也因為市場需求的變化而變化，從毛竹轉向山核桃再轉向香榧，因此土地利用的強度也較高。同時社區的建筑用地和道路面積占比雖然較低，但也在不斷升高。土地利用的變化引起了社區生態林景觀優勢地位的不斷下降，整個林區的景觀破碎度、多樣性和均勻性逐步升高。當地居民的經濟需求是導致這一現象產生的主要原因，道路的擴張是促進這一現象的重要因素。社區土地利用的轉變以及景觀格局的變化很有可能會導致水土流失、生物多樣性下降等一系列的生態問題[12-14]，這不利于社區長期的經濟發展和生態安全，為此有必要探索生態效益與社會經濟效益協同發展的集體林經營機制和措施。

依據森林生態系統經營理念，結合本研究的結果，初步提出以下對策：首先需要明確森林經營的目的是實現人與自然的和諧共處，既滿足當代人的需求又不損害后代人的利益[15]；其次將經營水平從林分尺度轉變為景觀水平，將社區的居民區、農田、道路和森林作為一個整體進行經營，優化利用景觀資源、權衡和協同多種生態系統的服務功能，這可以減少森林生態系統及其與之緊密相連的社區環境和經濟的風險，提升自然資源供給、食物安全和社會發展的長期穩定性，同時還可以提高景觀的文化價值[16-17]。在明確了這2個前提的基礎上，通過政策限制經濟林面積、提高經濟林單位面積效益、退竹換闊等措施實現森林的可持續經營目標。對比保護區可以發現：嚴格的保護政策是保護區景觀格局破碎度遠低于社區的重要原因。因此，在社區也可以出臺相應制度以控制經濟林面積的擴張，避免生態林繼續轉化為經濟林。需要注意的是：①由于集體林土地權屬的問題，政策制定時還應考慮其特殊性和可行性。②政府通過技術支持和引導等手段提高經濟林單位面積效益，例如開展林下經濟、或結合當地的旅游產業開展森林采摘等體驗式旅游形式，以緩解居民為追求經濟收入一味擴大經濟林面積的現象。③本研究還發現：由于自身較強的擴張能力，竹林在人為干擾較少區域仍在繼續自行擴張侵占生態林，因此還需要對這些區域的竹林進行監測，必要時可進行人為砍伐。④道路是促進經濟林擴張的重要條件，但也是人們享受森林生態系統服務的廊道，因此在研究區道路建設過程中，對生態系統影響較大的大型公路修建需要謹慎考慮，建議修建一些特色綠道。