山東省自然保護地整合優化前后景觀格局變化及其驅動力分析

李 云,崔曉偉*,陶江坤,劉志偉,邵 飛,張文昌,鄭 敏,王富海

（1.國家林業和草原局國家公園規劃研究中心,云南昆明650031;2.國家林業和草原局昆明勘察設計院,云南昆明650031;3.山東省林業保護和發展服務中心，山東濟南250014;4.山東泰和規劃設計有限公司,山東威海264209;5.同圓設計集團股份有限公司，山東濟南250014;6.濟南新綠豪設計有限公司,山東濟南250000）

我國自然保護地經過60 多年的建設和管理，通過設立數量眾多、類型豐富、功能多樣的各類自然保護地，形成了以自然保護區為主體的自然保護地體系，對我國生物多樣性保護、自然遺產保存、生態環境質量改善以及維護國家生態安全方面發揮了至關重要作用[1-3]。但早期很多自然保護地的邊界劃定技術水平有限，加上經濟社會不斷發展，導致很多城鎮建成區、村莊、永久基本農田、礦業權甚至是城市開發區被劃入自然保護地，帶來大量的歷史遺留問題，造成部分地區生態保護和社會經濟發展矛盾突出[4-5]。因此，根據2020年3月自然資源部國家林業和草原局聯合印發《關于做好自然保護區范圍及功能分區優化調整前期有關工作的函》（以下簡稱“71 號函”）相關要求，開展自然保護地整合優化工作，通過調整自然保護地的邊界范圍，重新劃定生態空間、生產空間和生活空間的范圍，將保護地價值低、對生態系統功能影響不大、人類活動頻繁以及經濟發展重要的區域調出保護地，實現生態保護與社會經濟的協調發展目標。

景觀格局指大小和形狀不同的景觀組分在空間上的排列組合，是各種自然因素和人為活動在不同時空尺度上綜合作用的最終結果[6]。自然保護地整合優化為解決歷史遺留問題，對原有自然保護地邊界范圍進行調整導致保護地內土地利用變化，土地利用變化則直接或間接地改變著景觀生態系統的結構和功能，進而影響地表各種景觀過程[7-8]。通過對土地利用變化分析自然保護地景觀格局變化情況，有利于發現自然保護地景觀多樣化、聚集度、破碎度的時空變化情況[9]；同時，利用景觀格局指數還能衡量人類干擾強度，構建人類干擾強度與生境質量的時空變化關系[10]；此外，采用景觀格局指數和空間近鄰效應評估技術相結合的方法，定量分析自然保護區的空間近鄰效應變化趨勢[11]。近年來，有學者將景觀格局指數與社會經濟發展指數構建關系模型，定量化探討區域景觀格局變化的驅動力。我國現有關于自然保護地景觀格局變化分析的研究都是基于長時間土地利用變化為基礎的景觀格局變化分析，而在同一時期內，對自然保護地內矛盾沖突問題解決后造成的景觀格局變化的研究尚未開展。因此，本研究以山東省自然保護地整合優化封庫數據為基礎，利用2020年土地利用現狀為基礎數據，通過GIS疊置功能和Fragstats 4.1 景觀分析方法，對比分析全省自然保護地整合優化前后景觀格局變化特征，構建景觀格局指數與矛盾沖突問題的相關性模型，探討矛盾沖突問題調整對自然保護地景觀格局變化的貢獻率，以期為自然保護地建設管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

山東省地處黃河下游，是我國東部沿海省份之一，位于東經114°36′-122°43′、北緯34°25′-38°23′之間，全省平均海拔57 m，氣候屬暖溫帶季風氣候類型。降水集中，雨熱同季，春秋短暫，冬夏較長。年平均氣溫11℃-14℃，全省氣溫地區差異東西大于南北。整合優化前，山東省自然保護地共計488 個，凈占地面積166.42 萬hm2，自然保護地內涉及城鎮建成區總面積3.68 萬hm2，永久基本農田14.21 萬hm2，人工集體商品林總面積11.10 萬hm2，開發區總面積3.77 萬hm2，村莊總面積1.81 萬hm2，礦業權總面積78.91 萬hm2，生態保護與社會經濟發展矛盾問題突出；整合優化后，解決了全省自然保護地內70.65%的城鎮建成區、95.00%的永久基本農田、81.79%集體人工商品林、10.95%的礦業權和61.27%的開發區和91.77%的村莊等現實沖突問題，有利于促進生態保護與經濟社會協調發展，但其自然保護地內景觀格局變化情況尚待進一步研究。

1.2 景觀格局指數選取

景觀格局指數是對景觀格局組成、分布破碎化程度的定量表現，是研究景觀格局動態變化的重要參考之一。本研究從類型和景觀2 個層面選取景觀格局指數，描述景觀的連續性，景觀生態學中的景觀面積度量指標、景觀形狀度量指標、景觀聚集度量指標和景觀多樣性度量等指標研究山東省自然保護地整合優化前后的動態變化情況。本研究分別從類型和景觀2個水平上選擇景觀破碎度（patch density，PD）、景觀斑塊類型比（percentage of landscape，PLAND）、最大斑塊類型指數（largest patch index，LPI）、斑塊平均面積（mean patch space，MPS）、蔓延度指數（contagion index，CONTAG）、聚集度（aggregation index，AI）、景觀形狀指數（landscape shape index，LSI）、散布與并列指數（interspersion juxtaposition index，IJI）香農多樣性指數（shannon′s diversity index，SHDI）等9 個指標，各指數的計算公式和生態學意義參見文獻[8,12]。

1.3 基礎數據預處理

本研究以山東省2019-2020年Landsat 8 OLI遙感影像為主要數據源，分辨率均為30 m，為保障數據質量，下載使用云量在5%以內的影像，數據下載自https://glovis.usgs.gov/。根據《第三次全國土地調查土地分類》的相關要求，為便于統計和計算景觀格局指數，本研究在12 個一級分類基礎上按照土地利用類型的相似性，將土地利用類型劃分為農用地、林地、草地、建設用地、水利及水利設施用地以及其他用地等6 大類，在Ecognition 8.0 軟件分類的基礎上，根據“國土三調”的成果作為精度驗證依據，如果精度較低，則重新調整分類規則和指標閾值，直至滿足要求，通過Fragstats 4.1 軟件計算各景觀格局指數。在獲取景觀格局指數后，借鑒區域土地利用變化類型生態貢獻率的統計方法[13-15]，分析景觀格局指數與矛盾沖突數據（包括城鎮建成區、永久基本農田、人工集體商品林、礦業權、開發區和村莊等）的關系，定量化分析自然保護地景觀格局變化的主要驅動因子。貢獻率的具體計算公式如下：

CI=[(Lt+1-Lt)/Lt]*(Ci/Ta)

式中CI 為貢獻率，Lt代表整合優化前景觀格局指數，Lt+1代表整合優化后景觀格局指數，Ci為整合優化前第i 種矛盾沖突的面積變化值，Ta為整合優化前后矛盾沖突變化總面積。

2 結果與分析

2.1 景觀類型水平分析

景觀類型水平的指數變化情況反映了各景觀類型的空間分布特征，自然保護地整合優化前后景觀類型變化，可反映出自然保護地整合優化對自然資源的空間組合情況。結果表明，山東省自然保護地整合優化后，從景觀類型面積上來看，景觀斑塊類型比 （PLAND）除水域及水利設施增加外（19.66%），其他類型都降低，尤其是農用地（-71.65%）和建設用地（60.95%）下降最顯著；最大斑塊類型指數（LPI）顯示農用地（80.33%）和建設用地（39.14%）顯著降低，水域及水利設施用地顯著增加（69.34%）；平均斑塊（MPS）結果顯示農用地（-57.14%）和建設用地（-10.41%）降低外，其他類型均增加，其中水域及水利設施和林地增幅最大，分別增加203.99%和130.42%；從景觀類型的形狀和空間分別破碎度情況來看，景觀形狀指數（LSI）均呈下降趨勢，其中建設用地（47.53%）、水域及水利設施 （32.26%）和農用地 （31.35%）和林地（26.48%）變化相對較大；所有景觀類型空間分布上破碎度（PD）都顯著降低，其中水域及水利設施用地和林地均顯示降低，分別降低60.64%和57.34%；空間聚集度（AI）除農用地（-9.64%）外，其他景觀類型均有小幅增加，但各類的散布與并列指數（IJI）顯示林地（11.13%）和水域及水利設施用地（6.37%）有增加外，其他各類型的連接度都降低（見表1）。

表1 景觀類型水平指數變化特征

2.2 景觀格局水平分析

景觀格局水平指數主要反映景觀總體時空分布特征，本研究通過對比景觀破碎度（PD）、景觀最大斑塊類型指數（LPI）、景觀形狀指數（LSI）、蔓延度指數（CONTAG）、散布與并列指數（IJI）、聚集度（AI）和香農多樣性指數（SHDI）等指數變化特征，分析山東省自然保護地整合優化前后的景觀變化情況。結果表明，自然保護地整合優化后，全省自然保護地景觀格局的破碎度顯著降低，從7.97 下降到3.99，降低49.93%；景觀最大斑塊類型指數（LPI）顯著增加，從11.10 上升到18.79，增幅69.34%；景觀的空間連通度指數蔓延度指數（CONTAG）、散布與并列指數（IJI）均增加，分別增加22.71%和2.94%，同時景觀斑塊的空間聚集度 （AI）也從89.46 增加到93.71，增幅4.75%。然而，自然保護地的景觀形狀指數（LSI）顯著降低，從158.84 降低到111.78，降幅29.62%，同時香農多樣性指數（SHDI）也顯著降低，從1.16 降為0.88，降幅為24.06%（見表2）。

表2 景觀格局水平指數變化特征

2.3 景觀格局變化驅動力分析

整合優化前后景觀格局指數的變化反應了自然保護地整合優化后區域景觀的變化情況，不同矛盾沖突區域的調整對景觀的影響各異（表3）。景觀格局指數的變化主要受到永久基本農田、人工集體商品林和礦業權的調整影響較大。具體指數來說，3類矛盾對景觀破碎度 （PD）變化的貢獻率分別為0.18、0.12 和0.11；景觀最大斑塊類型指數（LPI）變化的貢獻率分別為0.25、0.17 和0.16； 景觀形狀指數（LSI）變化的貢獻率分別為0.11、0.07 和0.07；蔓延度指數（CONTAG）變化的貢獻率為0.08、0.05 和0.05；散布與并列指數（IJI）變化貢獻率都是0.01；空間聚集度 （AI）的變化貢獻率為0.02、0.01 和0.01；香農多樣性指數（SHDI）變化的貢獻率分別為0.09、0.06 和0.06。其他3 類矛盾問題 （城鎮建成區、開發區和村莊）調整對景觀格局指數的影響相對較小。

表3 矛盾沖突面積對景觀格局變化貢獻率

3 討論

在自然保護地整合優化過程中，解決歷史遺留問題及矛盾沖突是造成自然保護地內土地利用變化的主要因素，土地利用類型的變化直接改變了景觀生態系統的結構和功能，進而將影響自然保護地的景觀過程[12]。山東省自然保護地整合優化工作一方面滿足 《關于在國土空間規劃中統籌劃定落實三條控制線的指導意見》（以下簡稱 “指導意見”）的管控要求[16]，另一方面，也是緩解生態保護與社會經濟發展矛盾問題和解決歷史遺留問題的需求。

根據“指導意見”基本原則中“科學劃定落實三條控制線，做到不交叉不重疊不沖突”的要求[16]，將山東省自然保護地與城鎮建成區、永久基本農田等進行優化調整。山東省自然保護地整合優化前后永久基本農田面積變化約13 萬hm2，變化率為94.98%，自然保護地內城鎮建成區調出2 萬多hm2，變化率70.42%。基本解決了自然保護地的生態保護紅線與永久基本農田、城鎮建成區重疊問題；同時，從面積統計來看，永久基本農田調出和因調整永久基本農田導致的破碎化圖斑面積顯著大于城鎮建成區，因此也說明了永久基本農田調整對自然保護地景觀格局變化貢獻率（0.18）顯著高于城鎮建成區（0.03）的貢獻率。

山東省自然保護地內各類矛盾沖突問題中，影響社會經濟發展的重要矛盾問題主要是人工集體商品林和礦業權，其中人工集體商品林和礦業權用地分別調出9 萬和8 萬多hm2，但人工集體商品林和礦業權調出面積的占比差異較大，分別為81.81%和10.49%。人工集體商品林和礦業權的調整對區域的社會經濟發展具有促進作用，有效緩解全省生態保護與社會經濟發展的矛盾沖突問題的同時，也對自然保護地景觀格局產生了較大影響，兩類矛盾調整對山東省自然保護地景觀格局變化的貢獻率分別為0.12 和0.11，說明影響自然保護地景觀格局變化的主要因素是人工集體商品林和礦業權調出面積的占比，而對原有矛盾問題變化率沒有顯著關系。

除了以上矛盾沖突外，自然保護地內的開發區和村莊是其他歷史遺留問題，但是開發區僅存在部分自然保護地內，其調整對自然保護地內景觀格局和景觀指數變化貢獻率較小，對全省自然保護地景觀格局影響不明顯；村莊調出的面積雖然相對其他矛盾問題較小，但其對自然保護地景觀的破碎度影響（0.03）與城鎮建成區（0.03）和開發區（0.03）相當，主要因為村莊相對城鎮建成區和開發區在自然保護地內的分布更為分散，調出面積雖然不多但斑塊數量較多，進而造成其對景觀破碎度影響較大的結果。

4 結論

山東省自然保護地矛盾沖突問題的調整是造成自然保護地景觀格局變化的重要驅動因素。從景觀類型上看，由于永久基本農田的調整，導致自然保護地內農用地的斑塊面積、空間連接度等顯著降低，但其景觀破碎度也降低；城鎮建成區、開發區、村莊等矛盾的調整，使自然保護地內建設用地破碎度和連接度降低，但聚集度卻增加；人工集體商品林調整后，林地景觀類型破碎度降低，但最大斑塊面積及空間連通性和聚集度均增加；礦業權分布在林地、草地以及灘涂等區域，礦業權調整對景觀類型的是綜合性的，從單一的景觀類型角度沒有顯著的影響。景觀格局水平結果顯示，景觀格局的變化主要與各類矛盾沖突問題調出面積有關，調出面積較大的矛盾沖突對景觀格局變化的貢獻率則越大，村莊由于其零散分布的特征，調整面積雖然較小，但對景觀格局破碎度的貢獻率與城鎮建成區和開發區基本一致。研究結果表明，自然保護地內的永久基本農田、人工集體商品林和礦業權的調整是導致景觀格局變化的主要驅動因素。