1990—2019年南山國(guó)家公園土地利用及總體景觀格局動(dòng)態(tài)變化

楊雅麗,曹福祥

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410128）

土地覆蓋是指地球表層的自然屬性和生物物理屬性，土地利用是指土地的使用狀況[1]。土地利用/覆蓋變化是造成全球變化的重要原因[2]。隨著景觀生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)和方法在土地利用/覆被變化研究與應(yīng)用的深入[3]，景觀格局逐漸成為土地利用變化研究的重要分析手段[4],景觀格局是自然因素和社會(huì)因素共同作用的結(jié)果[5]。根據(jù)相同土地利用類型具有相似景觀格局特征的原理，應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)分析方法，可以定量地描述不同土地利用類型的景觀格局特征[6]。許多學(xué)者利用土地轉(zhuǎn)移矩陣及景觀格局指數(shù)等方法探究研究區(qū)域土地利用及景觀格局特征變化規(guī)律，并為研究區(qū)域提供相應(yīng)的規(guī)劃和保護(hù)策略[3、7-9]。

聚焦南山國(guó)家公園景觀格局的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，研究試點(diǎn)前后生態(tài)環(huán)境是否改善，是反證國(guó)家公園的設(shè)立是否優(yōu)化當(dāng)?shù)鼐坝^格局的佐證。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，可為當(dāng)?shù)卣峁┖罄m(xù)保護(hù)南山國(guó)家公園的相關(guān)策略，繼續(xù)深化保護(hù)，也為其他地區(qū)建立以國(guó)家公園為主體的自然保護(hù)地模型提供實(shí)踐范例支撐。

1 研究區(qū)域概況

南山國(guó)家公園位于湖南省邵陽(yáng)市城步苗族自治縣，占城步苗族自治縣總面積的1/4，北連武岡、南鄰廣西、東接新寧、西接通道，涵蓋儒林鎮(zhèn)、茅坪鎮(zhèn)、汀坪鄉(xiāng)等區(qū)域。國(guó)家公園體制始于美國(guó)黃石國(guó)家公園，設(shè)立國(guó)家公園此舉也是在國(guó)土空間規(guī)劃大趨勢(shì)之下，整合國(guó)土自然資源。湖南南山國(guó)家公園囊括原南山風(fēng)景名勝區(qū)、金童山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)等若干保護(hù)地，涵蓋草甸、湖泊、河流、濕地等多種景觀類型，生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多樣，種質(zhì)資源豐富、自然資源代表性和典型性突出、自然景觀和人文景觀獨(dú)特，是長(zhǎng)江中下游地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障。境內(nèi)包括國(guó)家Ⅰ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生生物7 種（植物4 種，動(dòng)物3 種），國(guó)家Ⅱ級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生生物56 種（植物22 種，動(dòng)物34 種），代表有銀杉、資源冷杉[10]、白頸長(zhǎng)尾雉、林麝[11]等國(guó)家一、二級(jí)保護(hù)動(dòng)植物；在第6 次全國(guó)人口普查的結(jié)果表示，在城步的常住人口中，有苗、漢、侗等24 個(gè)民族，占總?cè)丝诘?2.47%，由此所呈現(xiàn)的多民族交融的人文景觀也是大有不同。

圖1 研究區(qū)區(qū)位示意圖Figure 1 Schematic diagram of the location of the study area

國(guó)家發(fā)改委及相關(guān)部門于2015年聯(lián)合印發(fā)了《建立國(guó)家公園體制試點(diǎn)方案》，同年，湖南省確定在邵陽(yáng)市城步縣境內(nèi)開(kāi)展國(guó)家公園體制試點(diǎn)，并編寫了試點(diǎn)實(shí)施方案，第二年獲國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)批復(fù)通過(guò)。在相關(guān)政策方面，研究區(qū)全面推行林長(zhǎng)制、實(shí)施生態(tài)移民政策、設(shè)立生態(tài)扶貧專項(xiàng)資金等，在基礎(chǔ)設(shè)施方面，搭建智慧管理系統(tǒng)平臺(tái)等建設(shè)項(xiàng)目等，在生態(tài)旅游方面，打造“南山品牌”、推進(jìn)紅色文化景點(diǎn)建設(shè)等。

研究區(qū)主要以中山地貌為主，地貌特征兼有山地、丘陵、湖泊、河流、崗地、溶洞等，地勢(shì)高低錯(cuò)落，主要呈南高北低之勢(shì)，其中山地占整個(gè)研究區(qū)面積90%以上，地勢(shì)復(fù)雜；研究區(qū)屬中亞熱帶山地氣候，立體氣候顯著，局部小氣候效應(yīng)明顯，常形成逆溫效應(yīng)，多表現(xiàn)為山腰氣溫反比山腳高，區(qū)內(nèi)溝谷溪河縱橫，儲(chǔ)水構(gòu)造多樣，其中巫水為區(qū)內(nèi)最大河流，并包括白云湖、大坪水庫(kù)、茅坪水庫(kù)、深沖河水庫(kù)等重要的水源涵養(yǎng)地。年平均氣溫約為18℃，年平均降雨量約為1400mm，平均2 分鐘風(fēng)速約為2.5m/s。

2 研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本研究主要選取Landsat TM/Landsat ETM/Landsat OIL 多光譜影像，選擇1990-2019年間涵蓋研究區(qū)完整區(qū)域的少云或無(wú)云同一季節(jié)影像。所選時(shí)段云量較少，植被生長(zhǎng)茂盛，地物分界明顯，便于解譯。10年為1期，共4 期，周期29年。遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局網(wǎng)站（https://glovis.usgs.gov/）。本文基于支持向量機(jī)[12]，結(jié)合監(jiān)督分類進(jìn)行土地利用分類。參考湖南南山國(guó)家公園科考報(bào)告、統(tǒng)計(jì)年鑒等輔助信息，經(jīng)輻射定標(biāo)、大氣校正、波段運(yùn)算等處理手段。結(jié)合土地資源及其利用屬性并實(shí)地調(diào)研驗(yàn)證，將土地類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及其他用地六大類。利用混淆矩陣模型進(jìn)行精度計(jì)算，總體分類精度均大于85%，滿足誤差精度要求。

2.2 土地利用各類型面積變化

圖2 1990 至2019年間各類型土地利用面積Figure 2 Land use area of various types from 1990 to 2019

圖3 1990 至2019年間各類型土地利用面積占比Figure 3 Various types from 1990 to 2019 proportion of land use area

2.3 土地利用分類

圖4 1990、2000、2010、2019年土地利用分類圖Figure 4 Classification of land use in 1990, 2000, 2010 and 2019

通過(guò)研究區(qū)單一土地利用動(dòng)態(tài)度可知（表1），1990—2000年間水域動(dòng)態(tài)變化度最大 （20.06%），其次為耕地 （3.88%）；2000—2010年間其他用地動(dòng)態(tài)度最大（2.61%），其次為耕地 （-1.64%）；2010—2019年間其他用地動(dòng)態(tài)變化度最大（-6.23%），其次為建設(shè)用地（3.25%）。通過(guò)研究區(qū)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度數(shù)據(jù)可知，變化速率相比，1990—2000年＞2010—2019年＞2000—2010年。

表1 南山國(guó)家公園土地利用動(dòng)態(tài)度Table 1 Land use dynamics of Nanshan national park

1990—2019年土地利用類型動(dòng)態(tài)度表明，水域＞其他用地＞建設(shè)用地＞耕地＞草地＞林地。1990—2019年間總體而言，水域變化的增長(zhǎng)速度最快、其他用地變化的減少速度最快；其中，水域的變化呈現(xiàn)迅速遞增，后平緩增加，再平穩(wěn)減少，水域在1990—2000年間增加速度最快；草地、耕地的變化呈現(xiàn)平穩(wěn)增加后持續(xù)下降的趨勢(shì)，且草地、耕地在2010—2019 間減少速度最快；建設(shè)用地、林地的變化呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且建設(shè)用地、林地在2010—2019年間增長(zhǎng)速度最快；其他用地的變化呈現(xiàn)波動(dòng)狀，表現(xiàn)為先迅速減少，后平緩增加，再迅速減少，其他用地在2010—2019年間減少速度最快。

2.4 土地轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣是研究區(qū)域土地利用變化的重要指數(shù)，可以全面而具體地刻畫(huà)區(qū)域土地利用變化的結(jié)構(gòu)特征與各用地類型變化的方向[13]。并可以反映某一區(qū)域某一時(shí)段期初和期末各個(gè)景觀類型面積之間相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過(guò)程信息，其中不僅包括靜態(tài)的某時(shí)間點(diǎn)的各景觀類型面積數(shù)據(jù)，還含有更為豐富的期初各景觀類型面積轉(zhuǎn)出和期末各景觀類型面積轉(zhuǎn)入的信息[14]。

其表達(dá)式為：

圖5 1990-2000、2000-2010、2010-2019、1990-2019 土地轉(zhuǎn)移矩陣模型Figure 5 Land transfer matrix models of 1990-2000, 2000-2010, 2010-2019, and 1990-2019

由表2 可知，南山國(guó)家公園1990—2019年間變化較大的土地利用類型主要特點(diǎn)可概括為：

表2 1990-2019年土地轉(zhuǎn)移矩陣面積（單位：km2）Table 2 Area of Land Transfer Matrix from 1990 to 2019 (Unit: km2)

（1）草地。在此期間，草地面積凈減少4.88 km2，轉(zhuǎn)出面積為26.81 km2，主要有22.17 km2草地轉(zhuǎn)化為林地，3.11 km2草地轉(zhuǎn)為其他用地。同時(shí)，草地的轉(zhuǎn)入面積為21.93 km2，主要來(lái)源是林地和其他用地，面積分別是13.42 km2和7.57 km2。

（2）耕地。在此期間，耕地面積凈減少2.50 km2，轉(zhuǎn)出面積為8.84 km2，主要有4.50 km2轉(zhuǎn)為林地，2.26 km2轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。同時(shí)，耕地的轉(zhuǎn)入面積為6.34 km2，主要來(lái)源是林地，面積為4.51 km2。

（3）建設(shè)用地。在此期間，建設(shè)用地面積凈增加3.76 km2，轉(zhuǎn)出面積為4.65 km2，主要有3.17 km2轉(zhuǎn)為林地。同時(shí)，建設(shè)用地的轉(zhuǎn)入面積為8.41 km2，主要來(lái)源是林地和耕地，面積分別是4.20 km2和2.26 km2。

（4）林地。在此期間，林地面積凈增加23.79 km2，轉(zhuǎn)出面積為28.05 km2，主要有13.42 km2轉(zhuǎn)為草地，4.51 km2轉(zhuǎn)為耕地。同時(shí)，林地的轉(zhuǎn)入面積為51.85 km2，主要來(lái)源是草地和其他用地，面積分別為22.17 km2和21.40 km2。

（5）其他用地。在此期間，其他用地面積凈減少24.55 km2，轉(zhuǎn)出面積為29.71 km2，主要有21.40 km2轉(zhuǎn)為林地，7.57 km2轉(zhuǎn)為草地。同時(shí)，其他用地的轉(zhuǎn)入面積為5.17 km2，主要來(lái)源是草地，面積主要為3.11 km2。

（6）水域。在此期間，水域面積凈增加4.37 km2，轉(zhuǎn)出面積為1.41 km2。林地的轉(zhuǎn)入面積為5.77 km2，主要為林地和耕地，面積分別為3.93 km2和1.68 km2。

3 總體景觀格局變化

3.1 景觀水平景觀指數(shù)的選取

空間分布/景觀格局指數(shù)是高度濃縮的景觀格局信息，是反映景觀結(jié)構(gòu)組成、空間配置特征的簡(jiǎn)單量化指標(biāo)[15]?？梢阅芨玫亟忉屌c理解景觀功能[16]。

3.2 密度大小及差異性分析

由表3 可見(jiàn)，斑塊數(shù)量(NP) 從1990年6445 個(gè)增長(zhǎng)到了2000年的10460 個(gè)，最后減少到2019年的8367，總體呈增加趨勢(shì)；斑塊密度(PD)也隨之變化，由1990年的9.6795 個(gè)增長(zhǎng)到了2000年的15.6777，最后減少到2019年的12.5407 個(gè)，總體呈增加趨勢(shì)，斑塊數(shù)量和斑塊密度的增加說(shuō)明小斑塊數(shù)量減少，小斑塊趨于整合，大斑塊數(shù)量增加，場(chǎng)地破碎化程度減弱，受干擾程度降低，從變化情況來(lái)看，2010—2019年相對(duì)于1990-2000年受干擾程度有所下降、破碎化程度有所緩減，佐證景觀保護(hù)措施有效。

表3 1990-2019 景觀水平景觀格局指數(shù)的選取Table 3 1990-2019 Selection of landscape level landscape pattern index

圖6 1990-2019年景觀格局指數(shù)NP 變化Figure 6 NP change of landscape pattern index from 1990 to 2019

圖7 1990-2019年景觀格局指數(shù)PD 變化Figure 7 Change of PD of landscape pattern index from 1990 to 2019

3.3 面積指標(biāo)

由表3 可見(jiàn)，最大斑塊指數(shù)（LPI）由1990年的81.2542 持續(xù)遞增至2019年的83.79。在景觀中，占主導(dǎo)地位的大面積斑塊占據(jù)的優(yōu)勢(shì)地位逐漸加大，受人為干擾影響程度降低，且大斑塊的主導(dǎo)地位穩(wěn)定，景觀格局則愈加穩(wěn)定。

3.4 邊緣指標(biāo)

邊緣密度(ED)也由1990年的38.218 增加到了2000年的43.9595，最后減少到2019年的32.3038。邊界密度總體呈減少趨勢(shì)，邊緣密度指數(shù)的降低表示景觀（類型）的邊緣效應(yīng)顯著，相鄰兩斑塊類型之間的邊緣長(zhǎng)度減少各斑塊的開(kāi)放性增強(qiáng)，生境之間的可達(dá)性增加，同周圍斑塊的物質(zhì)能量流通性增強(qiáng)。

圖8 1990-2019年景觀格局指數(shù)LPI 變化Figure 8 change of landscape pattern index LPI from 1990 to 2019

圖9 1990-2019年景觀格局指數(shù)ED 變化Figure 9 Change of landscape pattern index ED from 1990 to 2019

3.5 形狀指標(biāo)

周長(zhǎng)面積分維數(shù)（PAFRAC）由1990年的1.3489 減少到2000年1.2862，再增加到2010年的1.2923，后減少到2019年的1.2865?？傮w而言，近30年間，受干擾程度略微下降，但是邊界形狀仍較復(fù)雜。景觀類型形狀指數(shù)(LSI)從1990年28.5107 個(gè)增長(zhǎng)到了2000年的32.3755 個(gè)，后減少到2019年的24.8509 個(gè)。景觀類型形狀指數(shù)總體呈減少趨勢(shì)，表現(xiàn)為斑塊往“規(guī)則”“簡(jiǎn)單”趨勢(shì)發(fā)展，側(cè)面反映研究區(qū)受人為干擾逐漸減少。

圖10 1990-2019年景觀格局指數(shù)PAFRACFigure 10 Landscape pattern index PAFRAC from 1990 to 2019

圖11 1990-2019年景觀格局指數(shù)LSI 變化變化Figure11 Change of LANDSCAPE pattern index LSI from 1990 to 2019

3.6 景觀聚散性分析

景觀破碎度指數(shù)（SPLIT）從1990年的1.5125 增加到2000年的1.6204，后減少到1.4199；連通度指數(shù)(COHESION)從1990年的99.7216 增加到2000年的99.8539，最后增加至2019年的99.8747。總體呈現(xiàn)增加后減少后增加的波動(dòng)趨勢(shì)，但整體連通性指數(shù)值還是呈現(xiàn)增加態(tài)勢(shì)，反映景觀的整體性變高，景觀的集合性增強(qiáng)。聚集度指數(shù)（AI）從1990年的93.9864 持續(xù)增加，至2019年的97.4329，此表現(xiàn)為景觀中的小斑塊數(shù)量減少，小斑塊集聚成大斑塊，集聚性變強(qiáng)。散布與并列指數(shù)（IJI）從1990年的67.6333 持續(xù)增加，至2019年的77.2081，此表現(xiàn)為該斑塊與其他斑塊之間鄰接性變高。

圖12 1990-2019年景觀格局指數(shù)SPLIT 變化Figure 12 change of landscape pattern index SPLIT from 1990 to 2019

圖13 1990-2019年景觀格局指數(shù)COHESION 變化Figure 13 Changes of landscape pattern indexes COHESION from 1990 to 2019

圖14 1990-2019年景觀格局指數(shù)AI 變化Figure 14 change of landscape pattern index AI from 1990 to 2019

圖15 1990-2019年景觀格局指數(shù)IJI 變化Figure 15 change of landscape pattern index IJI from 1990 to 2019

3.7 景觀多樣性分析

圖16 1990-2019年景觀格局指數(shù)SHDI 變化Figure 16 change of landscape pattern index SHDI from 1990 to 2019

圖17 1990-2019年景觀格局指數(shù)SHEI 變化Figure 17 change of LANDSCAPE pattern index SHEI from 1990 to 2019

香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）從1990年的0.5955 持續(xù)減少至2019年的0.4918，景觀中的斑塊數(shù)量、斑塊類別略有減少。香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）從1990年的0.3323 持續(xù)減少至2019年的0.2745，景觀中小斑塊數(shù)量減少，優(yōu)勢(shì)斑塊增加，且占主導(dǎo)地位。

4 結(jié)論

湖南南山國(guó)家公園是國(guó)家首批十個(gè)國(guó)家公園試點(diǎn)之一，是我國(guó)景觀多樣性，資源豐富性的典型代表，是長(zhǎng)江地帶重要的水源涵養(yǎng)地，為調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、碳平衡調(diào)節(jié)[17]、水土調(diào)節(jié)[18]等提供重要支撐作用。但林木砍伐、水利開(kāi)發(fā)、道路擴(kuò)張等人為干擾因素切割了原始生態(tài)斑塊，阻斷了生態(tài)廊道，影響了景觀格局中的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)[19]，導(dǎo)致景觀空間結(jié)構(gòu)單元發(fā)生了一系列變化。

（1）南山國(guó)家公園在1990—2019年期間，土地利用方式的變化，主要表現(xiàn)在林地、水域和建設(shè)用地面積的增加，其他用地、草地和耕地面積的減少。

土地轉(zhuǎn)移矩陣所反映的情況而言，面積凈增加量最多的是林地，主要來(lái)源于草地和其他用地，林地的面積主要是研究區(qū)大力推行“植樹(shù)造林”政策，裸露的其他用地、自然群落的演替使林地逐漸成為一個(gè)整體，并且優(yōu)勢(shì)地位逐漸上升；其次是水域，主要來(lái)源于林地和耕地，主要是因?yàn)榘自坪畮?kù)的挖掘，使原有林地和耕地轉(zhuǎn)為了水域，這也從側(cè)面印證了人為干擾對(duì)景觀格局的影響。

面積凈減少量最多的是其他用地，主要轉(zhuǎn)為草地和林地，其他用地的減少，證明其他用地的土地利用效率加快，自然植被覆蓋率增加；其次是草地，主要轉(zhuǎn)為林地和其他用地，草地轉(zhuǎn)為林地主要是因?yàn)樽匀谎萏妫莸剞D(zhuǎn)為其他用地，主要是由于草地的退化，草場(chǎng)裸露等。

（2）從景觀水平看，南山國(guó)家公園地區(qū)，1990—2019年期間，斑塊數(shù)量及斑塊密度呈迅猛增加后逐漸遞減趨勢(shì)，總體上看，景觀破碎度呈下降趨勢(shì)，聚集度上升；景觀中小斑塊數(shù)量較少，優(yōu)勢(shì)斑塊增加，且占主導(dǎo)地位；景觀多樣性減少；景觀的整體性變高，集合性增強(qiáng)；斑塊與斑塊之間鄰接性變高。

結(jié)合前文土地利用動(dòng)態(tài)變化的判斷結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)知網(wǎng)統(tǒng)計(jì)年鑒官網(wǎng)（https://data.cnki.net/yearbook/）及《2000—2018 中國(guó)縣域統(tǒng)計(jì)年鑒》，可以判斷為1990—2000年之間以第一、二產(chǎn)業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、白云湖水庫(kù)的修建、南山牧場(chǎng)的過(guò)度放牧等對(duì)研究區(qū)的干擾影響較大。2000-2010年間，“植樹(shù)造林”“退耕還林”政策使綠化面積增加，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)開(kāi)始轉(zhuǎn)型為第三產(chǎn)業(yè)為主的旅游業(yè)、服務(wù)業(yè)，對(duì)自然的破壞相對(duì)減少。2010—2019年間，國(guó)家公園體制機(jī)制建立，管理機(jī)制、規(guī)劃建設(shè)的愈加完善，綠化面積持續(xù)增加，生態(tài)狀況相對(duì)恢復(fù)，人為干擾對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響減小，景觀結(jié)構(gòu)趨于平衡。

南山國(guó)家公園處于城步苗族自治縣區(qū)域之內(nèi)，地形地勢(shì)復(fù)雜，在未建立國(guó)家公園之前，各自然保護(hù)地相對(duì)獨(dú)立，人為干擾程度較大，景觀空間結(jié)構(gòu)單元破碎化程度明顯，近年國(guó)家公園體制設(shè)立之后，景觀空間單元的聚合力更強(qiáng)，其他用地利用效率提高，相關(guān)“植樹(shù)造林”“退牧還草”“農(nóng)田集約化”政策的實(shí)施，不僅改善了生態(tài)環(huán)境，也增強(qiáng)了政府實(shí)施力。在以景觀多樣性減少、景觀格局不平衡為顯著特點(diǎn)的景觀格局動(dòng)態(tài)變化背景下, 結(jié)合大中小各個(gè)尺度上的自然生態(tài)系統(tǒng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，在國(guó)土空間規(guī)劃之下，在國(guó)家公園體制之下對(duì)各級(jí)各類自然保護(hù)地實(shí)施系統(tǒng)保護(hù)、宏觀保護(hù)，才是人與自然和諧的根本途徑。