澤州獼猴自然保護區(qū)土地利用/覆被及景觀格局變化研究

馬慧慧，于海洋,2，曾春偉，羅　玲，牛峰明

(1.河南理工大學 礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室,河南 焦作 454000； 2. 黃河勘測規(guī)劃設計有限公司,河南 鄭州 450045)

?

澤州獼猴自然保護區(qū)土地利用/覆被及景觀格局變化研究

馬慧慧1，于海洋1,2，曾春偉1，羅玲1，牛峰明1

(1.河南理工大學 礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室,河南 焦作 454000； 2. 黃河勘測規(guī)劃設計有限公司,河南 鄭州 450045)

摘要：文中以2007年第二次全國土地調查和2015年地理國情普查所提供高分辨率地表覆蓋數(shù)據(jù)為主要信息源，采用地理信息系統(tǒng)技術和景觀生態(tài)學數(shù)量分析相結合的方法對 2007—2015年澤州獼猴自然保護區(qū)土地利用/覆被變化(LUCC)、景觀格局變化及其驅動力進行研究分析。結果表明，近8年來，受人為、經(jīng)濟發(fā)展和政策因素影響，澤州獼猴自然保護區(qū)整體景觀破碎度增強，形狀更加規(guī)律化、簡單化，景觀分布聚集度變大，生態(tài)連通性增強，多樣性減少。研究結果為澤州獼猴自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的改善與經(jīng)濟社會的和諧發(fā)展提供參考。

關鍵詞：獼猴自然保護區(qū)；土地利用/覆被；動態(tài)度；景觀格局；驅動力

進入21世紀以來，土地利用/覆被變化(LUCC)已成為全球環(huán)境變化研究的核心和熱點領域[1-2]，也是全球土地可持續(xù)研究的關鍵因素[3]。自然保護區(qū)LUCC的變化不僅可能改變原有保護區(qū)的景觀格局，也可能改變保護區(qū)維持景觀結構與功能的能力，使保護區(qū)自然保護效益日益受到嚴重威脅。之前的研究大部分以遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，以區(qū)域案例為基礎進行[4-7]，很少對自然保護區(qū)第二次全國土地調查和地理國情普查所得高精度數(shù)據(jù)進行研究。本文以澤州獼猴自然保護區(qū)為研究區(qū)，以第二次全國土地調查和地理國情普查所得的高精度數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，對獼猴自然保護區(qū)土地利用/覆被變化(LUCC)、動態(tài)度變化、景觀格局變化及其驅動力[8]進行了分析。

1研究區(qū)概況

澤州獼猴自然保護區(qū)位于山西省太行山南端的晉城市澤州縣境內，地理坐標為35°28′18′′～35°28′39′′N，112°59′8′′～112°58′59′′E，總面積937.75 km2，東起三盤山，西至指柱山，南至河南濟源省界，北至花園嶺,中間有蟒河流過，海拔最高達1 572 m，最低520 m。蟒河一帶冬季溫和，夏季涼爽，年平均氣溫為14 ℃，無霜期180 d，年降水量500～800 mm，空氣濕潤，受季風影響不大，適宜各種動植物生存。

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源與處理

自2007-07-01起，我國開展第二次全國土地調查，首次采用統(tǒng)一的土地利用分類國家標準和政府統(tǒng)一組織、地方實地調查、國家掌控質量的組織模式，并首次采用覆蓋全國遙感影像的調查底圖，實現(xiàn)了圖、數(shù)、實地一致，全面查清了全國土地利用狀況，掌握了各類土地資源家底。地理國情監(jiān)測綜合利用多源遙感數(shù)據(jù)源，采用全色影像和多光譜影像融合處理、光學影像和雷達影像融合處理等技術手段[9]，為高精度地理國情信息獲取提供基礎。同時，針對地理國情普查海量多源遙感影像，采用遙感影像數(shù)據(jù)集群分布式處理技術，集成正射影像自動化處理生產線，包括高效批量影像正射糾正、鑲嵌、融合等，而地表覆蓋信息數(shù)據(jù)采用了計算機自動分類與人工判讀解釋結合的方式[10]，為本文研究澤州獼猴自然保護區(qū)提供高精度的基礎數(shù)據(jù)。

本文將2007年第二次土地調查和2015年地理國情普查所獲得的高精度地表覆蓋信息數(shù)據(jù)納入到ArcGIS中，利用疊置分析工具將兩期數(shù)據(jù)進行疊加得到土地利用類型變化表和土地轉移矩陣表，利用ArcGIS將矢量數(shù)據(jù)轉化為柵格數(shù)據(jù)，并將柵格數(shù)據(jù)輸入Fragstats 4.2中計算得到各類景觀格局指數(shù)變化，最后對所得數(shù)據(jù)進行對比分析。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用分類系統(tǒng)變化

由于2007年與2015年對土地利用分類不相同，為了使各時期的土地利用變化具有可比性，需要對兩個時期土地利用類型進行統(tǒng)一分類，按照第一次全國地理國情普查總體方案中地表覆蓋分類方法進行分類，將獼猴保護區(qū)土地劃分為8大類，即：耕地、園地、林地、草地、道路、水域、建筑用地和未利用地，分類結果如圖1所示。

圖1　澤州獼猴自然保護區(qū)土地利用狀況

2.2.2各土地利用類型面積轉移矩陣

土地利用類型面積轉移矩陣[11]是表示土地利用面積數(shù)量變化最有效的方法，通過轉移矩陣可以清晰地表示兩個時期不同土地利用類型間的面積相互轉移數(shù)量，其轉化率為

(1)

其中：Pij為研究期內土地利用類型i轉移為土地利用類型j的面積轉移概率；Aij為土地利用類型i轉移為土地利用類型j的面積(km2)，Ai為土地利用類型i在研究期內的轉移面積(km2)。

應用兩時期土地利用變化圖生成的新的屬性數(shù)據(jù)，提取某一類用地向其他類型用地轉移的面積數(shù)據(jù)，與總變化率進行的概率計算，進而生成轉移矩陣。

2.2.3景觀空間格局分析

對景觀格局的研究一直以來都是人們關注的熱門話題[12-13]，對景觀格局進行定量分析[14]是研究整個格局與過程相互關系的基礎，主要反映在景觀指數(shù)的變化上，景觀指數(shù)能在不同水平上反映出不同格局的空間特征。本文在分析景觀密度指數(shù)時，選取了斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊占景觀面積比例(LPI)、平均斑塊面積(AREA_MN)等4個指標；在分析景觀形狀指數(shù)時，選取了平均斑塊分維度(FRAC_MN)、面積加權的平均形狀因子(SHAPE_AM)等2個指標；在分析景觀聚集度指數(shù)時，選取了平均最近距離(ENN_MN)、蔓延度(CONTAG)、散布與并列指數(shù)(IJI)、斑塊結合度(COHESION)、分離度指數(shù)(SPLIT)等5個指標；在分析多樣性指數(shù)時，選取了香農多樣性指標(SHDI)、香農均勻度指數(shù)(SHEI)等2個指標。各指標具體計算方法及含義詳見文獻[15-17]。

3研究結果與分析

3.1土地利用/覆被變化及其動態(tài)度分析

土地利用動態(tài)度指研究區(qū)內一定時間范圍內某種土地利用類型的數(shù)量變化。分為單一土地利用動態(tài)度和綜合土地利用動態(tài)度。動態(tài)度只定量表示研究期間各地類的變化( 增加或減少) 幅度或快慢，是一個相對值，僅代表在某一特定時間內某一土地利用類型的相對變化速度。

(2)

其中：K為研究時段區(qū)域某一種土地利用類型變化率；Ua，Ub分別表示研究時段開始與結束時該土地利用類型的面積，T為研究時段[4]。

3.1.1土地利用變化和動態(tài)度分析

運用上述理論依據(jù)得出，2007—2015年土地利用變化情況及其動態(tài)度，如表1、圖2所示。從這兩期數(shù)據(jù)可知，占主導地位的林地面積增加量最大，增加了272.20 km2，動態(tài)度為6.6%，草地面積減少量最大，減少了226.31 km2，動態(tài)度為-10.63%。道路面積變化幅度最大，其動態(tài)度為36.14%。其次，水域的減少幅度和園地的增加幅度也是比較大，耕地和建設用地則有小幅度的減少，未利用地基本保持沒變。

表1　澤州獼猴自然保護區(qū)土地利用/覆被面積和動態(tài)度變化

圖2　澤州獼猴自然保護區(qū)各地物類型面積及百分比

3.1.2各土地利用/覆被類型相互轉移變化分析

運用ArcGIS軟件空間分析功能，將兩個時期的土地利用現(xiàn)狀圖進行疊置分析，得到研究區(qū)兩個時期各土地利用類型面積的相互轉移情況如表2所示。各土地利用類型間的轉移情況分為轉入、轉移和不變三部分。在2007—2015年間，林地的轉入量最大，草地的轉移量最大，而各類型不變部分的比例卻很小。林地的巨大比例正促進自然保護區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，也同時穩(wěn)固了整個自然保護區(qū)生態(tài)平衡。

表2　澤州獼猴自然保護區(qū)各地物類型面積轉移矩陣　km2

3.2景觀格局指數(shù)變化分析

3.2.1景觀面積和密度指數(shù)分析

景觀面積和密度指數(shù)(見表3)分析如下：

1)從研究區(qū)各地類斑塊數(shù)量和斑塊密度來看，2007年斑塊數(shù)量最多斑塊密度最大的景觀類型為耕地，其次為草地、建設用地和林地。2015年斑塊數(shù)量最多和斑塊密度最大的景觀類型為道路，其次為草地、林地和耕地。所有景觀類型的斑塊數(shù)量和斑塊密度變化都特別大，這與8年來該保護區(qū)的人類活動和經(jīng)濟發(fā)展有直接關系，導致景觀破碎化程度急劇加重。從最大斑塊占景觀面積比例(LPI)來看，2007年和2015年林地的LPI都最大，并且，林地的LPI從2007年的10.45%增加到2015年的30.08%，說明了這段時期里林地在該區(qū)域內面積上呈增大、空間上呈連片的趨勢；然而，草地的LPI卻從2007年的5.16%減少到2013年的0.06%，減少幅度達到98.83%，表明了大面積的連片草地面積上在縮小、空間上被分割。從平均斑塊面積來看，所有景觀類型都呈現(xiàn)減少趨勢，多樣性指數(shù)下降，并呈整體同化的趨勢。

2)8年來，整體斑塊數(shù)量增多，斑塊密度變大，平均斑塊面積減小，說明整體景觀更加破碎。

表3　各景觀類型面積和密度指數(shù)變化

續(xù)表3

3.2.2景觀形狀指數(shù)分析

本文采用了平均斑塊分維度(FRAC_MN)來分析景觀形狀特征，F(xiàn)RAC_MN描述斑塊幾何形狀的復雜程度，形狀越簡單，越有規(guī)律，越趨于1。從圖3可以清楚地看出，8年來，園地、草地和建設用地的FRAC_MN基本保持沒變，其他景觀類型都有所下降，并都更接近于1，其中道路下降最大，說明除園地、草地和建設用地在形狀上沒有什么變化外，其他類型在形狀上都有所簡單化，并且也更有規(guī)律性，尤其是道路，到2015年道路形狀已經(jīng)變的特別簡單，也特別有規(guī)律可循。從整體景觀來看，面積加權的平均形狀因子(見表4)變大，說明整體景觀變得更加有規(guī)律，更加簡單化。

圖3　各景觀類型平均斑塊分維度變化

3.2.3景觀聚集指數(shù)分析

1)分離度分析 。 散布與并列指數(shù)(IJI)是描述景觀分離度的指數(shù)之一，其取值越小，說明與該景觀類型相鄰的其它類型越少，當IJI =100時，說明該類型與其它所有類型完全、等量相鄰(見表5)。

①從景觀各地物類型來看，2007年的IJI指數(shù)排序為道路>園地>未利用地>林地>建設用地>水域>草地>耕地，說明道路、園地的分布聚集度高，彼此鄰近，IJI值較高。而耕地由于受人類活動的影響，分布很有規(guī)律，與之鄰接的斑塊類型基本上受人類活動的影響，IJI值最小。自然斑塊類型未利用地、林地、建設用地、水域與其他斑塊類型的鄰接少，受自然條件的制約。從分離度指數(shù)(SPLIT)來看，園地、道路的分布分散，分離度大，然而草地、林地分布比較集中，分離度較小。2015年的IJI指數(shù)排序為林地>建設用地>園地>草地>水域>道路>耕地>未利用地，說明林地、建設用地的分布聚集度高，彼此鄰近，IJI值較高。而未利用地由于受人類活動的影響，分布較為分散，IJI值最小。未利用地和園地的分離度較大。②從整體景觀來看，平均最近距離減小，總地物類型分離度減小，IJI值變大，蔓延度增加，整體景觀分布聚集度變大，彼此臨近，逐漸向具有多種要素的密集格局演變。

2)連通性分析。斑塊結合度指數(shù)(COHESION)是對各斑塊類型的物理連通性的描述。由表5可見，從2007年到2015年，林地的COHESION都最高，接近100，說明林地一直是獼猴保護區(qū)的最主要的景觀類型，連通性最好。而2007年園地的COHESION最低，說明園地的分布相對分散，空間連接性較低。2015年，道路的COHESION最低，說明道路的分布相對分散，空間連接性較低。從整體景觀來看，8年來COHESION增加，說明整體景觀分布比較密集，連通性增強，正趨于由連通性較好的某種優(yōu)勢斑塊類型組成。

表4　各景觀類型聚集指數(shù)與多樣性指數(shù)變化

表5　各景觀類型聚集指數(shù)變化

3.2.4景觀多樣性指數(shù)分析

多樣性指數(shù)是土地利用類型的多樣性和復雜性的度量，多樣性指數(shù)的高低反映了土地利用類型的多少以及各類型所占比例的變化。均度指數(shù)描述不同的土地利用類型分配的均勻程度。8年內景觀的多樣性指數(shù)(SHDI)和均勻度指數(shù)(SHEI)分別由1.12和0.54減少到0.65和0. 31(見表4)，說明該區(qū)的景觀異質性在減少，景觀類型有向單元化方向發(fā)展的趨勢，區(qū)域景觀格局愈來愈受少數(shù)斑塊所控制。同時還可以看出，景觀的多樣性減少，復雜度降低，且均勻度減弱。

3.3景觀格局動態(tài)變化驅動因子

1)人類活動驅動。 伴隨著澤州獼猴自然保護區(qū)旅游向著社會化、大眾化發(fā)展，旅游需求更加多樣性、個性化，這對目前該保護區(qū)旅游業(yè)的粗放型增長方式提出了挑戰(zhàn)。隨著保護區(qū)接待游客量的增加，勢必對其自然資源和生態(tài)環(huán)境造成破壞，從2007—2015年的景觀變化可以明顯看出，人類活動對該保護區(qū)造成很大的影響，主要表現(xiàn)在，游客量的日趨增加直接導致整體景觀在研究期內的破碎化加重、蔓延度增加、聚集度變大。此外，近幾年人口大量的外遷，同時也導致建設用地與耕地面積的減少。

2) 經(jīng)濟發(fā)展驅動。 為了促進經(jīng)濟的發(fā)展，對于以旅游產業(yè)為主的地區(qū)來講，該研究區(qū)動植物棲息地的保護與面積的擴大將是其發(fā)展的關鍵。到2015年，研究區(qū)林地面積的急劇增加，整個景觀形狀規(guī)律化，多樣性減少，復雜度降低，也將是經(jīng)濟發(fā)展驅動的一大趨勢。其中，經(jīng)濟發(fā)展也將促進該研究區(qū)園地和道路面積的大幅度提升。

3) 政策驅動。 研究期內，林地大面積的增加，耕地和草地大面積的減少，其中，林地的增加量與草地的減少量都是最大，導致這一現(xiàn)象的主要原因就是政策的驅動。早在2005年之前，縣鎮(zhèn)政府就十分重視該旅游風景區(qū)的發(fā)展，一系列優(yōu)惠政策的提出對該生態(tài)景區(qū)的發(fā)展產生巨大推動力。《太原市“十一五”規(guī)劃綱要》中，旅游業(yè)被列為九大優(yōu)勢產業(yè)之一。特別是早在 20 世紀 90 年代提出，從2002年開始實施的退耕還林、綠化與封山育林等大量的國家級造林工程政策，更是導致林地大面積增加，耕地和草地面積減少的最主要原因。因此，在國家政策的強制調控下，獼猴保護區(qū)的林地才得以保護，并且在其基礎之上面積又有所增加。

4 結論

本文以我國第二次全國土地調查和地理國情普查所得的高精度數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，對澤州獼猴自然保護區(qū)進行了研究， 主要結論如下：

1)2007—2015年間，澤州獼猴自然保護區(qū)LUCC的總體變化趨勢是林地大面積增加，草地大面積減少，道路大幅度增加，且動態(tài)度最大。并且在研究期內，各地類轉出量以轉為林地為主，其中，草地轉為林地的比例最大，占草地總轉出量的91%，此外，林地轉化為其他各地類的比例也很大。

2)景觀在研究期內也發(fā)生了顯著變化，總的來說，整個研究區(qū)景觀的整體斑塊數(shù)量增多，斑塊密度變大，平均斑塊面積減小，景觀破碎度增強。面積加權的平均形狀因子變大，整體景觀形狀變得更加有規(guī)律，更加簡單化。平均最近距離減小，分離度減小，散布與并列指數(shù)值變大，蔓延度增加，景觀分布聚集度變大，彼此臨近，逐漸向具有多種要素的密集格局演變。斑塊結合度增加，連通性增強。景觀的多樣性減少，復雜度降低，且均勻度減弱。

3)受人為活動、經(jīng)濟發(fā)展和政策驅動的影響，獼猴保護區(qū)景觀格局發(fā)生了明顯變化，林地的大面積增加，耕地和草地大面積減少，道路的大幅度增加都是其驅動的結果。其中，人為活動在獼猴保護區(qū)的土地利用景觀格局變化過程中起到關鍵性作用，然而政策因素起到了至關重要的作用。

參考文獻

[1]MOONEY H A,DURAIAPPAH A,LARIGAUDERIE A. Evolution of natural and social science interactions in global change research programs[J].PNAS,2013,110(1): 3665-3672.

[2]STERLING S M,DUCHARNE A,POLCHER J. The impact of global land-cover change on the terrestrial water cycle[J]. Nature Climate Change,2012,3(4): 385-390.

[3]劉紀遠,匡文慧,張增祥,等. 20世紀80年代末以來中國土地利用變化的基本特征與空間格局[J]. 地理學報,2014，69(1): 3-14.

[4]毛蔣興,李志剛,閆小培,等. 深圳土地利用時空變化與地形因子的關系研究[J]. 地理與地理信息科學,2008,24(2): 71-76.

[5]孫倩,塔西甫拉提·特依拜,張飛,等. 渭干河-庫車河三角洲綠洲土地利用/覆被時空變化遙感研究[J]. 生態(tài)學報,2012，32(10): 3252-3265.

[6]張婷,侍昊,徐雁南,等. 退耕還林對喀斯特地區(qū)土地利用景觀格局影響的定量化評價[J]. 北京林業(yè)大學學報,2015,37(3): 34-43.

[7]楊斌，王金生. 基于GIS的丘陵區(qū)耕地景觀格局時空演變特征分析[J]. 測繪工程，2014，23(9): 1-4.

[8]楊梅,張廣錄,侯永平. 區(qū)域土地利用變化驅動力研究進展與展望[J]. 地理與地理信息科學,2011,27(1): 95-100.

[9]宋曉紅,張立朝,祿豐年,等. 地理國情普查中多源異構數(shù)據(jù)整合研究[J]. 測繪通報,2014(9): 104-107.

[10] 杜蕾. 遙感影像解譯在地理國情普查中的應用[J]. 測繪工程，2014，23(6): 46-49.

[11] 孫雁,劉志強,王秋兵,等. 1910—2010年沈陽城市土地利用空間結構演變特征[J]. 地理科學進展,2012，31(9): 1204-1211.

[12] PARK S. Spatiotemporal landscape pattern change in response to future urbanisation in Maricopa County,Arizona,USA [J]. Landscape Research,2013,38(5) : 625-648.

[13] GEBMAN B,SANTIAGO V R,JOBBAGY E G. The imprint of humans on landscape patterns and vegetation functioning in the dry subtropics[J]. Global Change Biology,2013,19(2) : 441-458．

[14] GIRIRAJ A,MURTHY M S,BEIERKUHNLEIN C. Evaluating forest fragmentation and its tree community composition in the tropical Southern Western Ghats ( India) from 1973 to 2004 [J]. Environment Monitoring and Assessment,2010,161(1):29-44．

[15] WU J. Effects of changing scale on landscape pattern analysis: scaling relations[J]. Landscape Ecology,2004,19:125-138.

[16] WU J,SHEN W,SUN W,et al. Empirical patterns of the effects of changing scale on landscape metrics[J]. Landscape Ecology,2002,17:761-782.

[17] 鄔建國. 景觀生態(tài)學[M]. 北京: 高等教育出版社,2000.

[責任編輯：劉文霞]

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.10.007

收稿日期：2016-03-01

基金項目：國家自然科學基金資助項目(U1304402)；衛(wèi)星測繪技術與應用國家測繪地理信息局重點實驗室經(jīng)費資助項目(KLAMTA-201405)；河南省高校科技創(chuàng)新團隊支持計劃資助項目(14IRTSTHN026)

作者簡介：馬慧慧(1990-)，女，碩士研究生.

中圖分類號：F301;P237

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)10-0031-07

Research on land use/cover and landscape pattern changein Zezhou Macaque Nature Reserve

MA Huihui1, YU Haiyang1,2, ZENG Chunwei1,LUO Ling1,NIU Fengming1

(1.Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies of NASG, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China；2. Yellow River Engineering Consulting Co, Ltd. Zhengzhou 450045, China)

Abstract：The paper uses the high resolution land cover data provided by the Second National Land Survey in 2007 and the Geographical National Conditional Monitoring in 2015 as the main information sources. By using the method of combination of geographic information system technology and quantitative analysis of landscape ecology, the land use / Cover Change (LUCC), landscape pattern change and driving forces of Zezhou macaque nature reserve from 2007 to 2015 are studied. The results show that, for the past 8 years, influenced by the factors of human, economic development and policy, the degree of the overall landscape fragmentation of Zezhou Macaque Natural Reserve has increased, with more regular and simpler shape, and the distribution of landscape aggregation has become large when the ecological connectivity increases and the diversity decreases. The results provide a reference for the healthy development of the ecological system, the improvement of ecological environment and the harmonious development of economy and society in Zezhou Macaque Nature Reserve.

Key words：Macaque Nature Reserve；land use/cover；dynamic degree；landscape pattern