神農架林區景觀格局時空演變及其驅動力分析

曹嘉鑠，鄧政宇，胡遠東，吳 妍

（1. 東北林業大學 園林學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 東北林業大學 黑龍江省寒地園林植物種質資源開發與景觀生態修復重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040）

景觀格局反映景觀要素在空間結構上的特征，可以從不同尺度討論要素間的相互作用與生態效應[1]，是景觀異質性的外在表征。目前，國內外學者對于景觀格局的研究主要分為2個方面，即景觀格局的空間質異性與時間異質性研究[2]。景觀異質性在空間上的表達往往是復雜而連續的，因此以遙感(RS)和地理信息系統(GIS)等方法結合景觀格局指數進行討論，有助于實現格局演變的可視化。在景觀生態學中，認為土地即景觀[1]。據以往研究來看，土地利用變化可以反映景觀格局演變過程，將土地利用同生態環境與自然資源系統相結合進行探討，成為國內外研究的熱點問題[3?4]。伴隨3S技術的快速發展，土地利用的空間分異研究取得了長足的進展，土地利用結構分析已應用到城市及山區用地空間擴展[5]、景觀組分在地形梯度上的分異[6]、濕地格局分異[7]等諸多方面。神農架林區位于中國地勢二、三階梯過渡地帶，是中國重要的氣候敏感區和生態環境脆弱地帶[8]。20世紀六七十年代間，由于不合理開發導致區域生態環境遭嚴重破壞，林區政府開始探索綠色可持續發展模式[9]。本研究將基于多源數據，對神農架林區土地利用結構的組成及其時空演變特征與驅動力進行探討，以探究20世紀90年代以來森林保護工程的成效，同時為林區的生態系統健康評價研究提供參考。

1 研究區域概況與數據來源

1.1 研究區域概況

神農架林區地處鄂西北山區，是中國唯一以“林區”命名的行政區劃，總面積約3 215.80 km2。林區地處 31°15′～31°57′N，109°56′～110°58′E，西南部以近東西向的山脈為主，其中最高峰神農頂高 3 105.4 m，是華中地區最高點[10]。神農架林區是中國東西植物區系的交匯地帶和南北植物區系的過渡地帶，其亞熱帶森林生態系統是全球中緯度地區唯一保存完好的地區，擁有世界上最為豐富的生物多樣性[11]，是具有全球意義的基因庫，被稱為“綠色奇跡”，林區內包括森林、灌叢、草甸和濕地等各類生態系統，具有調節氣候、涵養水源、保持水土等重要生態環境服務價值[12]。近年來，以旅游業為主體的第三產業發展迅速，2018年全區旅游收入達57.29億元，林區內建設用地規模大幅擴張，生態風險有所升高。

1.2 數據來源與處理

以1996、2007、2018年Landsat遙感影像為數據基礎，影像空間分辨率為30 m，選取每個年份植被狀態良好的2景影像，影像的云量均低于2%；相關規劃資料詳見表1。

表1 數據資料來源統計Table 1 Data source statistics

在ENVI 5.3.1軟件中對遙感影像進行預處理，通過對遙感影像的目視判讀和對研究區域的實地調查，采用最大似然法對遙感影像進行監督分類。根據研究目的，結合國家標準GB/T 21 010?2017《土地利用現狀分類》，將神農架林區土地劃分為林地、草地、建設用地、耕地和水域等五大類。利用Erdas Imagine 2015軟件計算解譯精度，結果顯示3個年份Kappa系數都達85%以上，符合研究需要。

2 研究方法

2.1 土地利用轉移矩陣

土地利用轉移矩陣用于描述不同土地利用類型之間的轉移情況，能反映研究時間段內土地利用類型轉移的數量與方向[13?15]。其通用公式為

式(1)中：Aij為土地面積；n為土地利用類型數；i、j為轉移前后的土地利用類型。

2.2 景觀格局分布重心模型

景觀格局分布的重心模型用于研究景觀格局在空間上的分布情況，而多年份數據的疊加則可以反映景觀格局重心在不同時刻的遷移變化，是過程研究中重要的表征指標[16?17]。

重心坐標計算公式為：

重心距離遷移公式為：

式(2)～(4)中：Xt、Yt為研究區域內某一景觀類型在時間t的重心坐標；Dti為t時刻研究區域內第i個斑塊的面積；Xi和Yi表示研究區域的坐標；D為某一景觀類型的重心在t1和t2時間段內移動的距離。

2.3 景觀格局指數

景觀格局指數是描述景觀變化的一種定量研究方法，是景觀格局結構組成與空間配置信息的集中反映[18?20]。選取8個對于景觀結構變化較為敏感的指數：斑塊數(NP)、最大斑塊指數(LPI)、散布與并列指數(IJI)、聚合度指數(AI)、分離度指數(SPLIT)、景觀分割指數(DIVISION)、內聚力指數(COHESION)與香農多樣性指數(SHDI)，采用移動窗口法[21?22]，在Fragstats軟件中每次移動1個柵格，以900 m大小的移動窗口，計算得到研究區域各指數的空間分布，分析神農架林區景觀格局破碎化及多樣性特征。

3 結果與分析

3.1 土地利用結構變化特征

從圖1和表2可以看出：林地是研究區域最主要的用地類型，占林區總面積的90%以上，22 a間，林地面積累計增加39.34 km2，森林覆蓋度呈現增長趨勢；草地與耕地面積總體上呈現減少趨勢；建設用地面積持續增加，近10 a間增速比較明顯，2018年研究區域內建設用地面積與1996年相比增加43.55 km2，這與該地區城鎮化建設和旅游的大力發展有關；水域面積累計增加6.75 km2。

圖1 1996、2007、2018年神農架林區土地覆被類型分類示意圖Figure 1 Land cover types in Shennongjia Forestry District basin in 1996, 2007, 2018

表2 1996、2007、2018 年神農架林區土地利用結構表Table 2 Land use structure in Shennongjia Forestry District basin in 1996, 2007, 2018

3.2 土地利用轉移過程

由表3可知：1996?2007年，林地轉移為其他類型景觀的面積變化量最大，主要轉移為耕地和草地，轉出面積分別為49.29和23.47 km2，而轉移為林地最多的景觀類型也是耕地和草地，由此可知林地與耕地、草地間相互轉移關系密切，90%以上的新增建設用地由林地和耕地轉化而來。

表3 1996?2007 年、2007?2018 年、1996?2018 年神農架林區土地利用轉移矩陣Table 3 Land use transfer matrix in Shennongjia Forestry District of 1996?2007, 2007?2018 and 1996?2018

2007?2018年，林地仍然是轉移面積最大的景觀類型，主要轉移為耕地和建設用地，轉移面積分別為17.38和15.31 km2，表明神農架林區在城鎮化建設及旅游業發展過程中，仍存在以占用林地作為代價進行開發建設的現象；林地與耕地、草地間仍保持著密切的相互轉移關系，而林地的轉出面積減少37.05 km2，轉入面積增加27.66 km2，林地的總面積增加趨勢顯著。

3.3 景觀格局分布重心轉移變化

通過ArcGIS計算，得到1996、2007和2018年神農架林區各個用地類型景觀格局分布重心轉移的距離、速度和方向(表4)。1996?2018年，研究區域內水域和建設用地重心遷移明顯，水域重心在研究時段內持續向西南方向遷移，累計遷移11 745.64 m，其中，1996?2007年遷移速度較快，為829.11 m·a?1，主要是由于大九湖濕地恢復與水庫修建導致的；建設用地重心向西南方向遷移10 752.54 m，說明神農架林區的建設向西南發展，尤其是2016年進入國家公園發展的新時代，其范圍劃定也與建設用地重心的遷移方向相印證；林地具有向東擴張趨勢，其重心在研究時間內向東南方向移動5 594.52 m。

表4 景觀類型轉移方向與距離Table 4 Landscape type transfer direction and distance

3.4 景觀格局指數變化分析

從同年份的同類型景觀比較結果(表5)來看：林地斑塊個數最少，最大斑塊指數與內聚力指數均較高，景觀分割指數小于0.2，說明林地斑塊的完整性較好，景觀破碎化程度低，林地為研究區域的景觀基質，而建設用地和水域等類型則以斑塊或廊道的形式鑲嵌其中。

表5 神農架林區 1996?2018 年景觀格局指數變化Table 5 Change of landscape pattern index from 1996 to 2018

從不同年份的同類型景觀比較結果(表5)來看：林地的景觀破碎化程度先增后減，草地、耕地與水域的景觀破碎化程度與分散程度在研究時段內呈增加趨勢；人類活動使建設用地不斷增加并向外擴張，使其破碎化程度在總體上呈上升趨勢，但隨著城鎮化的推進，建設用地景觀類型內部也出現了一定程度的整合。

由圖2可見：從整體上看，神農架林區景觀的破碎度有所降低，趨于整合；從局部來看，東北部區域與中南部區域的破碎化程度加劇，建設用地等人工斑塊的擴張導致部分區域景觀破碎度升高，而景觀多樣性也隨之呈現擴散趨勢；而林區多年來封山育林、人工造林、退耕還林等保護工作的開展，使得部分重點保護區域內林地面積持續增加，在地表覆被類型中占據主導地位，因此這些區域內景觀多樣性會呈現一定的降低趨勢。

圖2 1996?2018年神農架林區景觀破碎化與多樣性空間分布示意圖Figure 2 Landscape fragmentation and diversity index of Shennongjia Forestry District from 1996 to 2018

3.5 景觀格局演變的人為驅動因素分析

3.5.1 經濟因素 通過對神農架林區1996?2018年經濟發展數據(圖3)與景觀格局演變特征的分析對比，可知在開發歷史較久，受經濟增長與人類活動干擾較大的地區，景觀格局演變較為顯著，如東北部的松柏鎮是神農架林區政府的駐地所在，而中南部的木魚鎮是神農架自然保護區管理局的駐地，也是神農架旅游接待服務中心，這些區域的景觀破碎化程度呈現出較為明顯的升高趨勢。近年來旅游業更是逐步成為神農架林區的支柱性產業，2018年林區的旅游總收入接近57.3億元，約為地區生產總值的2倍。與此同時林區大力開展的旅游配套設施建設及房地產項目開發，使得人工斑塊數量顯著增加。22 a間林區建設用地面積驟增43.56 km2，所占比例由0.11%提升至1.45%。因此，經濟因素對神農架林區景觀格局的演變具有重要影響。

圖3 1996?2018年神農架林區地區生產總值與年旅游總收入趨勢圖Figure 3 Trend of GDP and total tourism revenue change in Shennongjia Forestry District from 1996 to 2018

3.5.2 人口因素 由圖4可見：神農架林區人口數量出現先增后減的趨勢；神農壇、天生橋、官門山、大九湖在內的幾大主要景區游客接待量逐年上漲，于2018年突破1 587.5萬人次。為提高游客接待能力而進行的景區開發，使得區域景觀類型發生顯著變化，1996?2018年，林地累計向建設用地轉移25.45 km2，局部空間與生態環境所承受的壓力隨之增大。林區于2014年開展“美麗鄉村”建設，以村莊布局“減量、聚居”為總體要求，注重農村土地資源綜合整治，因此耕地及建設用地中的住宅用地分布有所整合，但旅游服務用地的增加仍然造成了景觀破碎化程度的升高。

圖4 1996?2018年神農架林區本地人口數量與年游客接待量趨勢圖Figure 4 Local population and annual tourist reception change in Shennongjia Forestry District from 1996 to 2018

3.5.3 政策因素 土地利用結構及變化深受區域政策影響[23]。20世紀60?80年代，采取毀林開荒的開發方式追求經濟效益，神農架林區的生態環境遭到嚴重破壞，森林覆蓋率驟降至63.5%。神農架林區于2000年全面啟動天然林資源保護工程和退耕還林還草工程[24]，研究時段內耕地向林地、草地轉移面積超過65 km2；2003年確立“保護第一，科學規劃，合理開發，永續利用”的發展方針，促進生態環境逐步改善，森林覆蓋率達90%以上；2011年發布《神農架旅游總體規劃》，加快推進神農頂、官門山和天生橋景區配套設施建設，區域內建設用地面積顯著增長，同時也與建設用地重心向西南遷移相印證；2016年7月，神農架被正式列入世界自然遺產名錄，同年11月，神農架國家公園管理局正式成立，標志著神農架的保護與管理工作步入國家公園新時代[9]。1996?2018年，林區內水域面積累計增加6.75 km2，其中濕地的生態恢復成果得益于大九湖國家濕地公園的建立，濕地科學監測與保護工作在政策的引導下逐漸步入正軌[25?26]。

3.6 景觀格局演變的自然驅動因素分析

相比于社會經濟因素，自然因子的作用在短時間內并非十分顯著，但從長遠時間看，氣候等因子的變化將對區域景觀格局產生重大影響。1996?2018年，神農架林區的林地面積顯著增加，林地主要由耕地和草地轉化而來，除去政策的引導作用，主要依靠自然更新因素完成轉化。近年來，神農架林區年降水量及年平均氣溫均呈較為微弱的增加趨勢[27]，小氣候條件優越，加之林區內土壤有機質含量豐富，為耕地向林地的演替提供了有利條件。

4 討論

1996?2018年，神農架林區森林覆蓋度總體上呈增長趨勢，這與前人研究的結果一致[28]。劉家琰等[29]利用SPOT-VEGETATION數據對林區1998?2013年植被覆蓋度格局變化進行分析，發現植被覆蓋度呈較好增長趨勢，整體變化率為1.45%。水域景觀面積顯著增加，破碎度升高，濕地生態恢復穩中向好，這主要得益于濕地生態保護政策的有效實施，人為因素在過程中起到了決定性作用[24]，在保護優先的政策指導下，林區逐步走上良性循環的綠色發展道路。同時，也有學者對自然因素進行探究，張子一等[30]討論了個別年份受極端氣候與蟲害等自然因素，導致常綠植物受災使其覆蓋度有所下降。

城鎮化的持續推進與旅游產業的迅速發展，造成了人工斑塊對林地、草地等自然景觀類型的侵占，景區內旅游基礎設施的興建，對生態環境造成嚴重的干擾，增大生態壓力。建設用地的擴張促使區域內景觀破碎度與多樣性的增加，生態空間與社會經濟空間融合程度不斷加深。

由于旅游業的發展需求，連通林區內外的交通建設逐年推進。截至2018年林區內公路里程數達2 048.5 km，其中各大景區范圍內公路網建設較為密集，造成林區景觀局部破碎化[31]，導致原本連續的生態廊道網絡出現生態間隙[32]，阻礙生態流的正常流動，降低了生物遷移的安全性。神農架機場位于林區中西部的紅坪鎮，于2014年正式通航，機場的落成使得區域內建設用地與耕地面積驟增，分割并部分取代了原有大面積草地斑塊，強烈的人工干擾可能會降低區域生態系統的穩定性。

5 結論

1996?2018年，神農架林區土地利用結構變化顯著，森林覆蓋度總體上呈現增長趨勢，濕地生態恢復穩中向好。隨著神農架林區對于生態發展政策方針的不斷調整與優化，森林保護工程成效日益顯現，同時也在逐漸改變生態系統的結構和功能。

景觀破碎度在整個研究區域內呈現降低趨勢，表明神農架林區景觀總體上趨于整合，但局部破碎化程度加劇，林區東北部與中南部區域地表覆被逐漸由原本較為整合的林地景觀轉變為多種用地類型共存，林區建設用地的持續擴張，社會經濟空間與生態空間相互融合。人為因素是引起景觀格局變化的主導因素，近年來神農架大力開發的旅游產業造成了人工斑塊對自然景觀的侵占，其他用地類型向建設用地轉化的趨勢較明顯，將對生態系統安全產生威脅。