黑龍江老爺嶺東北虎國家級自然保護區土地利用與景觀格局變化研究

張宏靜 靳勇超 竇紅亮 陳旭升 李 義 朱洪強*

(1.吉林農業大學研究生學院，長春，130118；2.東北林業大學，哈爾濱，150040，世界自然基金會(瑞士)北京代表處，長春，130028；3.吉林農業大學動物科技學院，長春，130118；4.康平新望農牧有限公司，沈陽，110000)

土地利用和景觀格局變化是導致區域生物多樣性變化的重要因素[1-2]，也是研究全球環境變化的重要內容[3-4]。土地利用變化是外界影響區域生態環境的直接表現[3，5]，其具有顯著的時空動態變化特征[6]，同時土地利用變化也是影響物種棲息地質量的重要原因之一[7]；景觀格局是指各類景觀要素的空間結構組合特征[8]，景觀格局變化能掌握區域內各景觀要素的變化過程[9]。近年來，隨著人類活動對土地利用的增加，導致區域物種棲息地破碎化程度加劇[10-11]，生物多樣性不斷喪失[12]。因此，開展土地利用和景觀格局變化研究對區域內的生態環境及生物多樣性保護工作具有重要意義[13]。

建立自然保護區是保護自然資源、維護生物多樣性和維持生態平衡最直接有效的途徑之一[14-16]。自然保護區的建立對于減緩區域內的土地利用程度和景觀破碎化有著積極的作用[17]。土地利用和景觀格局變化影響著自然保護區物種棲息地與生物多樣性的變化[18-19]，開展土地利用和景觀格局變化研究對自然保護區土地利用的管理與景觀破碎化的降低具有重要意義[20]，同時也對保障自然保護區的健康持續發展提供重要參考[21]。

黑龍江老爺嶺東北虎國家級自然保護區(以下簡稱“老爺嶺保護區”)于2011年建立為省級自然保護區，2014年晉升為國家級自然保護區。該自然保護區的主要保護對象是東北虎(Pantheratigrisaltaica)、東北豹(Pantherapardusorientalis)等珍稀瀕危野生動植物和森林生態系統。目前對老爺嶺保護區的研究主要是梅花鹿(Cervusnippon)種群研究[22]、獸類多樣性研究[23]和有蹄類食物資源研究等方面[24-25]，對其土地利用和景觀格局變化的研究還未開展。老爺嶺保護區位于中國和俄羅斯兩國邊境處，是東北虎等野生動物重要的生態廊道[25]，東北虎的生存受自然保護區土地利用變化的影響[26]。研究老爺嶺保護區的土地利用和景觀格局變化，對老爺嶺保護區掌握現階段東北虎的保護現狀、保護區的保護成效情況和未來要如何更好地發展等問題具有重要意義。本研究以老爺嶺保護區1999、2009和2019年覆蓋全區的遙感影像為基礎，利用GIS技術等手段，探究這20年來老爺嶺保護區時空動態與生態系統的變化情況，以期為老爺嶺保護區的生態環境保護與管理工作提供決策參考和理論依據。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

老爺嶺保護區地處長白山支脈老爺嶺南部，位于黑龍江省牡丹江市東寧縣境內的綏陽林業局，東側與俄羅斯相鄰，海拔高度為303—955 m，總面積712.78 km2，地理坐標為：130°47′42.15″—131°18′51.22″E，43°24′39.88″—43°49′6.64″N。屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫2.9℃左右，年平均降雨量513.2 mm。老爺嶺保護區內有紅松(Pinuskoraiensis)和東北紅豆杉(Taxuscuspidata)等高等植物119科606種，以及東北虎和梅花鹿等主要獸類7科14種。

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源

本研究選取1999、2009和2019年3個時間節點用以比較老爺嶺保護區不同時期的土地利用和景觀格局變化。為保證數據的一致性與結果的可比性，研究選用覆蓋全區3期時相一致的遙感影像數據，且每期選用春秋兩季各一幅影像用于校準解譯，影像來源于中國科學院遙感與數字地球研究所下的遙感共享平臺Landsat 7/8衛星的全波段影像(http：//ids.ceode. ac.cn/query.html)；數字高程模型(DEM)數據來源于地理空間數據云(http：//www.gscloud.cn)。

1.2.2 數據處理

將1999、2009和2019年的遙感影像作為本研究的基礎數據源，以DEM數據和實地訓練區為參考。利用ENVI 5.3.1軟件對數據進行波段合成、幾何校正和圖像裁剪等預處理，并進行監督分類和人工目視解譯糾正。解譯過程中結合老爺嶺保護區的實際景觀類型特點，將保護區土地利用類型劃分為8類：落葉闊葉林、針闊混交林、落葉針葉林、常綠針葉林、灌木林、耕地、建設用地和水體。再用ArcGIS 10.2軟件對解譯數據進行柵格計算(raster calculator)和統計等處理，得到研究區的土地利用數據。最后采用FRAGSTATS 4.2軟件計算研究區的景觀指數。

1.2.3 研究區土地利用及動態度

針對本研究區土地利用變化的具體情況，基于遙感解譯所得數據，從以下3個方面開展研究：(1)分析自然保護區1999—2009年的土地利用變化情況，探究這一時期土地利用變化的主要因素；(2)比較老爺嶺保護區建立前(2009年)與建立后(2019年)的土地利用變化情況；(3)分析1999—2019年自然保護區的土地利用變化趨勢，以及20年來該研究區土地利用的轉變情況。

利用ArcGIS 10.2軟件統計研究區各地類土地利用面積和轉移矩陣的特征[27]，以此分析研究區各地類間變化的過程和程度。通過土地利用動態度模型[28]分析研究區各地類土地利用的變化程度，動態度指數(K)計算公式：

(1)

式中，K為研究時段內某土地利用類型的動態度；Ub和Ua分別為研究期前和研究期后期某種土地利用類型的面積(km2)；T為研究時段的間隔年數。

1.2.4 研究區景觀格局變化

本研究從斑塊水平和景觀水平上選取斑塊數量NP、斑塊密度PD、平均斑塊面積MPS、平均形狀指數MSI、聚合度指數AI、香農多樣性指數SHDI與連接度指數COHESION，共計7個指標來分析研究區的景觀格局變化[8，29-30]。各指標均由FRAGSTATS 4.2軟件計算，計算公式如表1所示。

表1 景觀格局相關指標

續表1

2 結果與分析

2.1 保護區土地利用變化

老爺嶺保護區主要的土地利用類型為林地，約占保護區總面積的95%。1999—2019年，老爺嶺保護區內的林地面積基本呈穩定趨勢，動態度指數為-0.017。其中常綠針葉林和落葉闊葉林面積增加較多，為109.90 km2(K=3.05)和69.79 km2(K=1.57)；落葉針葉林的變化最大，動態度指數為7.70%；而針闊混交林和灌木林呈減少趨勢，分別減少了171.28 km2和16.27 km2。耕地和建設用地呈增加趨勢，分別為2.21 km2和0.11 km2(圖1，表2)。

表2 老爺嶺保護區1999—2019年土地利用動態度變化

從土地利用轉移矩陣的結果來看(表3)，1999—2019年老爺嶺保護區內的土地有286.23 km2發生了轉移，轉移土地的面積占自然保護區的40.16%。其中，占1999年老爺嶺保護區主體之一的針闊混交林(38.39%)發生轉移的面積最多(194.23 km2)，主要轉變為了常綠針葉林(102.56 km2)和落葉闊葉林(76.37 km2)；此外，耕地和建設用地主要由針闊混交林和灌木林轉變而來。

表3 老爺嶺保護區1999—2019年土地利用轉移特征

2.2 保護區景觀格局變化

從老爺嶺保護區的景觀水平來看(表4)，1999—2019年，老爺嶺保護區總體呈破碎化趨勢。其中NP、PD和COHESION指數呈增加趨勢，分別增加了11.53%、11.53%和0.01%。MPS和SHDI指數呈減少趨勢，分別減少了10.32%和8.06%。此外，各指數在1999—2009年的變化程度相較于2009—2019年的變化程度更大。

表4 老爺嶺保護區景觀水平指數統計

從老爺嶺保護區的斑塊水平來看(表5)，在1999—2019年，除常綠針葉林(減少0.26%)和灌木林(減少71.81%)NP值減少以外，其余土地類型NP值都在增加。各土地類型的MPS值變化不大，相對來說，MSI和AI變化更為明顯。MSI中除針闊混交林減少5.04%以外，其余均在增加。而AI值中除落葉闊葉林在增加外(增加0.22%)，其余土地類型的AI值都在減少。

3 討論

土地利用和景觀格局變化研究是自然保護區掌握其空間格局變化特征的重要基礎[9，13]，同時也是自然保護區制定管理規劃的重要指導[20-21]。本研究以老爺嶺保護區建立前后20年的土地利用數據為基礎，利用土地轉移矩陣和動態度指數來分析自然保護區的土地利用變化情況；選用斑塊數量、斑塊密度等7個景觀指標來分析自然保護區的景觀格局變化趨勢。研究結果可為老爺嶺保護區的土地管理和物種棲息地保護提供重要依據。

林地約占老爺嶺保護區的95%，是自然保護區主要的土地利用類型。1999—2019年老爺嶺保護區內共有286.23 km2(40.16%)的土地發生轉移，但林地面積整體呈穩定趨勢變化。林地類型中的常綠針葉林和落葉闊葉林面積增加較多，落葉針葉林的變化最大，針闊混交林和灌木林呈減少趨勢。林地類型中這一系列的變化主要是受自然保護區人工林種植種類和林型間的自然演變影響，其中落葉闊葉林面積的增加對該地區東北虎及其獵物生存的適宜性起積極作用[31-34]。自然保護區的建設用地和耕地呈增加趨勢，主要是當地政府對自然保護區內的公路和林場場部進行了擴建[35]；同時，這一時期正值天保工程實施，平時靠伐木為生的居民開始轉為農業種植[36]，增加了耕地的使用量。1999—2019年自然保護區景觀斑塊數量增多、平均斑塊面積減少，各土地類型間的聚合度也變小，景觀總體呈破碎化趨勢。但自然保護區整體的連接度增強，且除針闊混交林以外各土地類型的平均形狀指數變大，表示其相比較之前更不易受外界因素的影響，各土地類型景觀相對更穩定。此外，從時間梯度來看，各指數在1999—2009年的變化程度相較于2009—2019年的變化程度更大。說明天保工程的實施和老爺嶺保護區的建立均對自然保護區內的土地利用與生態環境變化起到了積極促進的作用，但總體來說自然保護區的建立起到的促進作用更大。1999—2009年，正值天保工程實施，自然保護區林地面積減少2.86 km2，景觀朝著更為破碎化的方向演變。這一時期林地面積減少和景觀趨于破碎化的原因主要有：(1)自然保護區內的黑龍江省道雞圖公路S206擴寬和林場間公路的改修[35]，增加了保護區內的建設用地面積，加劇了景觀破碎化。(2)天保一期工程只是調減了木材采伐量，并未停止采伐[36]，使得自然保護區林地面積減少。但從景觀水平的香農多樣性指數和連接度指數來看，自然保護區整體的斑塊類型分布均衡化變小，各景觀間的連通性增強，說明天保工程對區域內的生態環境變化有積極促進的作用[37]。老爺嶺保護區建立前后的10年(2009—2019年)，自然保護區耕地和建設用地面積減少，林地面積增加，景觀間的連接度指數趨于穩定，其余各景觀指標均顯示自然保護區的景觀破碎化程度呈下降趨勢，說明老爺嶺保護區的建立降低了區域內的人為干擾，促進了自然保護區非林地向林地的轉換，減輕了自然保護區的景觀破碎化程度[16]，使東北虎種群和棲息地得到了有效恢復[38-39]。

土地利用和景觀格局的變化是自然保護區保護成效的直觀表現[18]，自然保護區在保護與發展之間存在矛盾[40]，正確處理好自然保護區保護與發展間的關系至關重要[41]。基于本次研究的結果，對未來老爺嶺保護區的工作開展提出建議：(1)加強林地變化監測，掌握自然保護區內各土地利用類型的變化趨勢。(2)科學規劃土地利用方式，協調好保護與發展之間的關系，保障自然保護區的景觀破碎化呈正向發展。(3)結合老爺嶺保護區自身的資源優勢，積極拓展特色產業，對自然保護區內原有的農耕生產方式進行合理轉變。