基于人工景觀格局變化的升金湖自然保護區空間近鄰效應研究

賈艷艷,唐曉嵐,2*,唐芳林,楊 陽

1.南京林業大學風景園林學院,江蘇 南京 210037

2.南京林業大學 中國特色生態文明建設與林業發展研究院,江蘇 南京 210037

3.國家林業和草原局昆明勘察設計院,云南 昆明 650216

自然保護區是生物多樣性保護的核心區域，是推進生態文明、建設美麗中國的重要載體[1]。截至2017 年底，我國建立各種類型、不同級別的自然保護區共2750 個（其中國家級自然保護區474個），總面積達147×106hm2，占國土面積的15.31%[2]，對保存自然本底、維護生態系統穩定和改善生態環境發揮著重要作用。關于自然保護區的研究多集中于自然保護區對國家公園分區及土地利用管理的啟示[3]、自然保護區功能區劃評價[4]、自然保護區社區參與保護與管理模式[5]、不同類型自然保護區保護成效評估[6-8]等，也有學者對國家級自然保護區與非保護區的土地覆蓋轉換開展了研究[9]，但關于保護地外圍區域與其自身生態環境相互關系的影響研究相對較少。

空間近鄰效應是經濟地理學理論，是指區域內各種經濟活動之間或各區域之間的空間位置關系對其相互聯系所產生的影響[10]。已有研究表明自然保護地同樣存在空間近鄰效應[11,12]，劉方正等[13]基于人工地物時空變化評估了沙坡頭國家級自然保護區與其周邊區域的空間近鄰效應，表明保護區周邊人工地物占比逐漸增加，以距保護區5 km 區域尤為突出；左丹丹等[14]以斑塊密度、最大斑塊指數和蔓延度指數等景觀格局指數為指標，分析了若爾蓋保護區的空間鄰近效應和保護成效，表明保護區鄰近區比保護區內部和距離保護區更遠區域受到的人類干擾更強。因此，揭示保護地的空間近鄰效應有助于推動自然保護地內與外圍近鄰區域整體性管理與保護。

升金湖自然保護區是以保護淡水湖泊濕地生態系統和珍稀、瀕危鳥類為主體的濕地類型保護區，具有重要的生態服務功能和價值。但近年來，由于升金湖周邊地區社會經濟的發展，土地利用情況發生了改變，濕地圍墾、圍網養殖等人類干擾有所增加，保護區生態環境問題日益突出。目前，圍繞升金湖自然保護區的研究多集中于人類活動對保護區土地利用狀況影響[15]、保護區濕地生態系統服務價值動態變化[16]、保護區濕地景觀格局與水位關系[17]、保護區土地利用生態風險評價[18]、濕地動態變化對越冬鶴類種群的影響[19]等方面。已有研究均是針對升金湖保護區自身景觀，而關于其周邊近鄰區域景觀格局變化與升金湖保護區的關系研究較少。本文以升金湖自然保護區為實證對象，著眼于其外圍區域，定量分析保護區周邊近鄰區域人工景觀格局演變與保護區的空間近鄰效應，明確保護區核心影響范圍，以針對性地加強監管和保護，對于限制或控制保護區周邊開發建設提供一定理論基礎，對避免保護地“孤島化”現象起到一定支撐作用。

1 研究區概況

升金湖自然保護區位于安徽省池州市東至縣與貴池區境內，瀕臨長江南岸，地處116°55′～117°15′E，30°15′～30°30′N（圖1），屬亞熱帶季風氣候，夏季炎熱潮濕、冬季寒冷干燥，年平均氣溫16.14℃，年均降雨量1600 mm，年均蒸發量757.5 mm，平均無霜期240 d。升金湖四周地形多樣，湖岸曲折、湖汊眾多，其東南岸屬九華山山脈的一部分，為低山丘陵，以林草景觀為主；西北岸屬沿江沖積平原，為平原圩畈，以耕地為主；總面積33340 hm2，其中核心區10150 hm2，緩沖區10300 hm2，實驗區12890 hm2。保護區有鳥類142 種，有白鸛、黑鸛、白頭鶴、白鶴等國家重點保護野生動物22 種，也是生態系統十分完整的重要濕地[20]，于1986 年經安徽省政府批準建立省級自然保護區，1997 年經國務院批準為國家級自然保護區和國家4A 級景區，2015 年升金湖入編《國際重要濕地名錄》，是安徽省境內唯一以珍稀越冬水鳥為主要保護對象的國家級自然保護區，也是中國東部大型水禽重要的越冬地和遷徙停歇地。

圖1 研究區位置示意圖 審圖號:GS(2016)2882.Fig.1 Location of study area

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

數據選用1995、2005 和2015 年的安徽省土地利用/覆被數據，空間分辨率為30 m，來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn）。在ArcGIS10.2 中以升金湖國家級自然保護區邊界為基準，以外擴20 km 為研究范圍[13,21-23]，用該矢量圖去裁剪1995、2005 和2015 年的安徽省土地利用/覆被數據，得到研究區三個時期的土地利用類型。土地覆被變化是定量評估保護區內部和外部結構及其景觀格局變化的基礎，而分析人工景觀格局變化可以有效識別區域內人類活動的強度和來源[13]，將研究區土地利用類型分為人工景觀（指能反映人類活動強度的景觀類型）和自然景觀2 大類，具體分為耕地、建設用地、林地、草地、濕地、裸地6 種類型，見圖2 和表1。

圖2 1995、2005 和2015 年研究區景觀類型及樣帶分布Fig.2 Landscape types and belt distribution of the study area in 1995,2005 and 2015

表1 研究區景觀分類Table 1 Landscape classification of the study area

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局指數 景觀格局指數是高度濃縮景觀格局信息的簡單定量指標，反映景觀結構特征和空間格局的變化[24]。參考相關研究成果[14,25]，選取部分類型水平指數表征研究區景觀格局變化特征，包括斑塊面積（CA）、斑塊所占景觀面積比例（PLAND）、斑塊數（NP）、平均斑塊面積（MPS）、最大斑塊指數（LPI）、景觀形狀指數（LSI）、聚合度指數（AI）。NP 和MPS 表征景觀破碎度，LPI反映景觀的優勢類型，LSI 表示斑塊邊緣形狀的發育程度，其值越大，景觀形狀越不規則，AI 表征景觀要素空間分布的聚集性或離散性，其具體計算公式見參考文獻[24]。

2.2.2 空間近鄰效應評估技術1）環狀樣帶劃分 在ArcGIS10.2 軟件中運用鄰域分析—緩沖區分析功能，以1 km 為間距遞增（i，i=1，2，…，20）沿升金湖自然保護區邊界向外圍構建樣帶，共建立距保護區邊界為1 km、2 km、…、20 km 的20 個環狀樣帶（圖2），并將環狀樣帶分別與研究區1995、2005 和2015 年的景觀類型圖疊加，獲得各環狀樣帶內的景觀類型圖，即成功構建評估空間。

2）空間近鄰效應評估模型 將研究區三個時期各環狀樣帶的景觀類型圖導入Fragstats4.2 軟件，計算出每一個樣帶內各景觀類型面積，進而分別統計每一個時期20 個環狀樣帶內人工景觀的面積占比（Ri），計算公式[13]為：

式中，Ri表示距升金湖國家級自然保護區邊界為i距離的環狀區域（即第i樣帶內）人工景觀面積占該環狀樣帶總面積的比值；Ai、Mi分別表示第i樣帶內的人工景觀面積、總面積。

3）趨勢檢驗 空間近鄰效應趨勢分析與檢驗選用Mann-Kendall（M-K）方法，該方法是一種非參數統計檢驗方法，用于判斷變化趨勢的顯著性，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾[26]，定量化程度高，計算方便。已經在氣候變化[27]、降雨徑流[28]時空演變等研究中得到廣泛應用。

其中，Rj和Ri分別表示距保護區邊界j和i距離區域內（即第j和第i個樣帶）的人工景觀面積占比；n表示距離序列的長度；sign是符號函數；Var(S)為S的方差。趨勢變化的顯著性水平用統計量Z值評價，Z的取值范圍為（-∞,+∞），其為正值時，表示上升趨勢；負值時，表示下降趨勢。將統計量Z通過95%的置信水平（|Z|>1.96）劃分為顯著變化趨勢[26]，Z通過99%的置信水平（|Z|>2.58）劃分為極顯著變化趨勢；|Z|≤1.96 為變化趨勢不顯著[13]。M-K 檢驗統計量Z的計算通過Matlab 軟件編程實現。

3 結果與分析

3.1 景觀格局總體特征

表2 研究區類型水平景觀指數Table 2 Type level landscape index of the study area

由表2 分析可知，1995～2015 年，耕地是研究區的優勢景觀，但面積持續減少，斑塊數和景觀形狀指數不斷增加、平均斑塊面積不斷減少，說明耕地景觀的破碎度不斷增強、景觀形狀趨于復雜，人類干擾強度在不斷加強；最大斑塊指數和聚合度指數呈下降趨勢，表明耕地在景觀中的優勢度減弱，空間分布趨于離散。林地面積不斷減少，主要分布在長江北岸緊鄰安慶市區域（圖2），斑塊數、景觀形狀指數增加，平均斑塊面積和聚合度指數減小，林地景觀趨于破碎化、復雜化和離散化。20年間，草地和濕地景觀面積有所減少，但變化不顯著。建設用地面積增加顯著，由1995 年的3.8299%增加到2015 年的5.3356%，增長率為39.31%；斑塊數顯著減少，平均斑塊面積、最大斑塊指數和聚合度指數持續增加，景觀形狀指數總體呈減少趨勢，說明建設用地在景觀格局中的優勢度、集聚性不斷增強。

1995～2015 年間，建設用地增加了5177.88 hm2，從圖2 可知主要集中分布在升金湖自然保護區外圍西北部區域，即距保護區邊界約6 km 之外的長江北岸區域，該區域是安慶市城區所在地，隨著城市化發展城區不斷擴張。研究區總人工景觀面積僅增加了638.19 hm2，主要是由于景觀占比最大的耕地減少了4539.69 hm2。但伴隨年限增長，由于城市化建設和旅游業的發展，較能體現人類開發利用強度的建設用地不斷增加、景觀格局不斷擴大，并逐漸由分散向集聚成片分布演變，人類活動影響不斷增強。

3.2 空間近鄰效應分析

為了研究升金湖國家級自然保護區的空間近鄰效應與變化趨勢，以保護區邊界為基準按照1 km帶寬所得到的環狀樣帶為基礎，分別提取1995、2005 和2015 年對應的各人工景觀面積占比，繪制成圖3 所示的時空變化趨勢圖。

圖3 1995～2015 年研究區人工景觀空間近鄰效應趨勢圖Fig.3 Trend of space neighborhood effect of artificial landscape of study area from 1995 to 2015

分析圖3（a）可知，總的人工景觀面積占比（包括耕地和建設用地）、耕地面積占比在3 個時期的變化趨勢均相同，即隨著距自然保護區距離的增加，均呈快速降低、顯著升高和再次下降且趨于穩定的三區間特征；第1、2 區間的拐點即距離自然保護區邊界6 km 處，恰好對應長江所在區域，說明以長江為界，伴隨距長江距離的增加人工景觀基本呈對稱增加趨勢，江北這種增加趨勢在距離長江4 km 處出現拐點，即進入第3 區間后，人工景觀占比開始下降；以自然保護區為核心所體現的近鄰效應主要體現在第1 區間，即距自然保護區越近，耕地等人工景觀的占比越高；需要說明的是，在三個時期總的人工景觀占比無顯著變化，耕地占比隨時間的推移整體呈下降趨勢。在分析各時期各樣帶人工景觀占比時發現，耕地的面積占比變化趨勢和總的人工景觀占比變化趨勢相同，主要是因為耕地在研究區中的比例較大，遠高于建設用地；然而，建設用地賦存的人為活動對自然保護區的近鄰干擾效應更加顯著，因此單獨分析建設用地占比的時空變化趨勢，如圖3（b）所示。由圖3（b）可明顯看出，在距離自然保護區0～5 km 范圍內，建設用地的占比呈較低水平，但2015 年較1995、2005 年有一顯著增長，直接反應近20 年升金湖自然保護區空間近鄰效應顯著增強；在6～10 km區間，建設用地占比變化趨勢與圖3（a）所示的耕地和總的人工景觀占比呈相同變化趨勢，即各人工景觀均呈增長趨勢，這實際上體現為長江的近鄰效應；10 km 以外區域，建設用地、耕地及總的人工景觀再次呈現相同的變化趨勢，即下降且趨于穩定。

綜合對圖3（a）、（b）的對比分析可知，建設用地占比與耕地和總人工景觀占比的主要區別在于0～5 km 區間范圍，即在該區域的長江效應已被自然保護區的空間近鄰效應掩蓋，可以認為升金湖自然保護區核心影響區為距保護區邊界0～5 km 范圍的環狀區域。

3.3 基于M-K 趨勢檢驗的空間近鄰效應驗證

由人工景觀空間近鄰效應M-K 統計量Z值的檢驗結果（表3）可知，在升金湖自然保護區外圍1～20 km，各年份不同人工景觀的空間近鄰效應均表現出不同顯著性水平的變化趨勢。對于總人工景觀，1995、2005 和2015 年三個時期，在第1、2、3 區間均分別呈現極顯著性下降趨勢、極顯著性上升趨勢和極顯著性下降趨勢，對應的Z值分別為-2.63、2.63 和-3.27。對于耕地，在第1 區間內，三個時期均為極顯著性下降趨勢，Z值均為-2.63；第2 區間的空間近鄰效應上升趨勢均通過了95%置信水平的檢驗，為顯著性上升趨勢；在第3 區間，1995 和2015 年的空間近鄰效應下降趨勢通過了99%置信水平檢驗，2005 年的Z值為-2.18，表現出顯著性下降趨勢。

由表3 可直觀看出，建設用地空間近鄰效應M-K 趨勢檢驗統計量Z值的絕對值在1995、2005和2015 年三個時期于第1 區間均小于1.96，屬于變化趨勢不顯著區域，進一步驗證了前述關于升金湖國家自然保護區空間近鄰效應核心影響區范圍為0～5 km 的推論；在第2 區間內，1995 和2005 年的Z值均為2.63，表現為極顯著上升趨勢；在第3 區間，2005 和2015 年的空間近鄰效應表現為極顯著下降趨勢。

表3 人工景觀空間近鄰效應M-K 趨勢檢驗統計量Z 值Table 3 Z value of Mann-Kendall trend test statistic for spatial neighbor effect of artificial landscape

4 討論

在世界上許多保護區周圍未受保護的土地上，土地利用正在擴大和加強，導致保護區內生態功能和生物多樣性變化[29]。人工景觀反映了人類活動對自然生態環境的改造，本文基于土地利用類型變化，關注保護區周邊區域人工景觀格局，以升金湖自然保護區為實證研究，探討其空間近鄰效應，并確定了核心影響范圍。

升金湖的東南區域屬于九華山山脈的一部分，為低山丘陵，自然生態環境優越；通過1995、2005、2015 年三個時期升金湖外圍景觀格局的分析可直觀發現，其東南區域主要是林地、草地等生態用地，景觀格局時空變化不顯著，即升金湖保護區外圍環狀樣帶內用地格局的變化可主要歸因于西北區域人工景觀的增長；而其增長的主要原因是城市化建設和旅游業發展。所在城市池州是皖江城市帶承接產業轉移示范區核心成員之一，經濟發展具有活力，隨著沿江經濟帶發展和城市化進程加快，建設用地不斷擴張，土地利用強度增強；升金湖自1997 年升級為國家級自然保護區以來，每年的游客人數逐漸增加，推動了一些度假莊園、農業示范園等旅游項目建設，并引發了交通、餐飲、住宿等基礎服務設施的建設，雖然帶動了地區經濟發展，但也導致建設用地大量增加；此外，由于設立保護區后對保護區內的人類活動存在管控，致使一些人為活動轉移到保護區周邊區域[14]。

研究認為升金湖自然保護區的空間近鄰效應核心影響區為距保護區邊界5 km 范圍，本案分析所得結論與沙坡頭國家級自然保護區關于核心影響區的研究結論[13]不謀而合，在一定程度上反映出我國自然保護區當前面臨的困境，即保護地正在日益成為孤立的棲息地，而這種“孤島”狀態可能會妨礙其作為一個有效的網絡發揮生態作用[21]。因此在加強自然保護區內部景觀管理和生態環境保護時，必須重視保護區外圍區域景觀格局的變化，尤其是要制定科學的管控措施，限制人類開發建設活動。

5 結論

以1995、2005 和2015 年土地利用/覆蓋數據為基礎，從人工景觀時空演變視角出發，引入景觀格局指數、空間近鄰效應評估技術和M-K 趨勢檢驗方法，分析了升金湖國家級自然保護區及其外圍20 km 區域景觀格局的時空演變特征和基于人工景觀格局變化的空間近鄰效應趨勢特征，得到以下主要結論：1）1995～2015 年，耕地、林地、草地、濕地等生態用地的面積不斷減少、破碎度增強、聚集度減弱；建設用地顯著增長，增加了4539.69 hm2，增長率為39.31%，主要分布在距保護區邊界約6 km 之外的長江北岸區域；近20 年，總人工景觀面積增加了638.19 hm2，人類活動影響不斷增強；2）升金湖自然保護區的空間近鄰效應呈三區間特征，其中耕地和總人工景觀的變化特征是快速降低、顯著升高和再次下降且趨于穩定，建設用地與其不同之處體現在第1 區間，即建設用地在該區間占比相對較低且變化較為平緩（近年占比有上升趨勢），其變化特征恰恰體現為自然保護區的空間近鄰效應，綜合分析認為升金湖自然保護區核心影響區為距保護區邊界5 km 范圍。