瀏陽(yáng)市自然保護(hù)地整合優(yōu)化前后土地利用及景觀格局變化分析

韋志飛，曹 慧

(1.湖南省國(guó)土資源規(guī)劃院，湖南長(zhǎng)沙 410007；2.湖南地科院規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410007)

我國(guó)自然保護(hù)地經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，產(chǎn)生了自然保護(hù)地邊界范圍交叉重疊、自然生態(tài)區(qū)域被人為割裂等問(wèn)題，導(dǎo)致保護(hù)不足或保護(hù)過(guò)度、保護(hù)與發(fā)展不協(xié)調(diào)等矛盾[1-2]?！蛾P(guān)于做好自然保護(hù)區(qū)范圍及功能分區(qū)優(yōu)化調(diào)整前期有關(guān)工作的函》下發(fā)后，自然保護(hù)地整合優(yōu)化工作陸續(xù)啟動(dòng)。景觀格局是指景觀組成單元的類型、數(shù)量及空間分布與配置等空間結(jié)構(gòu)特征[3]，反映景觀空間異質(zhì)性，在維持區(qū)域生態(tài)功能方面具有重要作用[4]。自然生態(tài)系統(tǒng)是許多景觀生態(tài)學(xué)者感興趣的研究對(duì)象，其中自然保護(hù)地是景觀格局重要的研究對(duì)象[3]。尤其國(guó)家公園體制的建立，強(qiáng)調(diào)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)原真性、完整性的保護(hù)，連通性在形成多類型保護(hù)地統(tǒng)籌和網(wǎng)絡(luò)化管理中被頻繁提及，其中景觀連通性又可以通過(guò)分析景觀格局來(lái)衡量[5]。自然保護(hù)地整合優(yōu)化改變了原有自然保護(hù)地邊界范圍，土地利用類型組成和空間結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化，進(jìn)而影響地表各種景觀過(guò)程[6-7]。通過(guò)對(duì)自然保護(hù)地整合優(yōu)化前后景觀格局進(jìn)行定量研究，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)景觀破碎度、聚集度、異質(zhì)性、連通性等變化[8-9]，為自然保護(hù)地整合優(yōu)化成果評(píng)估以及整合優(yōu)化后自然保護(hù)地的科學(xué)管理提供科學(xué)依據(jù)[10]。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況瀏陽(yáng)市位于湖南省東部的湘贛交界地帶，地處幕阜—羅霄山系北段，地理坐標(biāo)為113°10′～114°15′E、27°51′～28°34′N，土地總面積4 998.74 km2。屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫17.4 ℃，平均降水量1 680.0 mm，海拔37.5～1 607.9 m。整合優(yōu)化前共19處自然保護(hù)地，其中8處獨(dú)立的縣級(jí)自然保護(hù)區(qū)未落圖，2處縣級(jí)自然保護(hù)區(qū)完全重疊于大圍山省級(jí)自然保護(hù)區(qū)，1處縣級(jí)自然保護(hù)區(qū)完全重疊于瀏陽(yáng)河國(guó)家濕地公園和獅子山省級(jí)森林公園。整合優(yōu)化后調(diào)整為7處自然保護(hù)地，包含1處自然保護(hù)區(qū)和6處自然公園。整合優(yōu)化前后自然保護(hù)地見圖1(不含未落圖和完全重疊的11處縣級(jí)自然保護(hù)區(qū))、圖2。

圖1 整合優(yōu)化前已落圖自然保護(hù)地Fig.1 Natural protected areas that have been mapped before integration and optimization

圖2 整合優(yōu)化后自然保護(hù)地Fig.2 Natural protected areas after integration and optimization

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理自然保護(hù)地?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于瀏陽(yáng)市自然保護(hù)地整合優(yōu)化成果，土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于瀏陽(yáng)市第三次全國(guó)土地調(diào)查(國(guó)土三調(diào))成果數(shù)據(jù)。利用ArcGIS 10.2提取整合優(yōu)化前后自然保護(hù)地范圍內(nèi)的國(guó)土三調(diào)數(shù)據(jù)，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)分別將整合優(yōu)化前后自然保護(hù)地范圍內(nèi)的土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和其他土地共7個(gè)土地利用類型。在ArcGIS 10.2中將整合優(yōu)化前后自然保護(hù)地范圍內(nèi)土地利用矢量數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)為5、10、30、60、90、120、150、180、210、240、270、300 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)，分析確定最佳研究粒度[11]，并在Fragstats 4.2中選擇8鄰規(guī)則計(jì)算各景觀指數(shù)。

1.3 景觀格局指數(shù)選取從景觀尺度水平和斑塊類型水平2個(gè)層面選取下述景觀格局指數(shù)，其計(jì)算公式及生態(tài)學(xué)意義參見文獻(xiàn)[12]：①景觀破碎化程度，斑塊數(shù)量(number of patches，NP)、斑塊密度(patch density，PD)、平均斑塊面積(mean patch area，MPA)；②景觀形狀、邊界復(fù)雜程度，景觀形狀指數(shù)(landscape shape index，LSI)、邊緣密度(edge density，ED)；③景觀連通程度,連接度指數(shù)(connectance index，CONNECT)；④景觀要素空間配置特征,聚合度指數(shù)(aggregation index，AI)；⑤景觀異質(zhì)性和類型豐富度,Shannon′s多樣性指數(shù)(Shannon′s diversity index，SHDI)，僅適用于景觀尺度水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用類型組成變化由表1可知，整合優(yōu)化前自然保護(hù)地范圍內(nèi)優(yōu)勢(shì)土地利用類型為林地，其次為水域、草地、耕地和建設(shè)用地，最后為園地和其他土地。整合優(yōu)化后土地利用類型組成發(fā)生了顯著變化，除林地面積增加994.566 4 hm2(增幅2.418%)外，其他土地利用類型面積均減少，耕地和建設(shè)用地減幅較大，其中，耕地減幅最大(-1.386%)，減少230.943 7 hm2；建設(shè)用地減少66.549 6 hm2，減幅 0.428%；水域減少6.787 4 hm2，減幅 0.377%；園地減少 22.982 8 hm2，減幅 0.148%；草地減少1.206 1 hm2，減幅 0.076%；其他土地減少幅度最小，減少0.436 7 hm2，減幅0.003%。

表1 整合優(yōu)化前后土地利用類型組成及變化

整合優(yōu)化后具有較高生態(tài)保護(hù)價(jià)值的林地面積占比提高，各種矛盾沖突問(wèn)題較多的耕地、建設(shè)用地和園地面積占比降低。部分草地和水域穿插分布于耕地和建設(shè)用地周邊，為了避免整合優(yōu)化后自然保護(hù)地景觀出現(xiàn)“孤島”導(dǎo)致過(guò)度破碎化，這部分草地和水域隨耕地和建設(shè)用地調(diào)出自然保護(hù)地范圍。總體上，整合優(yōu)化以調(diào)出矛盾和問(wèn)題集中的土地利用類型為主，并增強(qiáng)了具有較高保護(hù)價(jià)值的林地優(yōu)勢(shì)景觀占比，與“解決矛盾沖突，科學(xué)界定自然保護(hù)區(qū)范圍”相符合。2.2 景觀格局最佳研究粒度通過(guò)對(duì)“1.2”中所提及的不同粒度下自然保護(hù)地整合優(yōu)化前后柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)面積絕對(duì)差進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示(圖3)，粒度小于120 m的面積絕對(duì)差較為穩(wěn)定，當(dāng)粒度大于120 m面積絕對(duì)差波動(dòng)劇烈。在面積絕對(duì)差較為穩(wěn)定的各個(gè)粒度水平下，120 m粒度下的景觀格局指數(shù)計(jì)算速度最快。因此，研究區(qū)景觀格局分析最佳粒度為120 m。

圖3 整合優(yōu)化前后不同粒度下柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)面積絕對(duì)差Fig.3 Absolute difference of area between raster data and vector data at different granularities before and after integration optimization

2.3 景觀尺度水平下景觀指數(shù)變化由表2可知，在景觀尺度水平下，整合優(yōu)化后斑塊數(shù)量(NP)減少24.67%，斑塊密度(PD)降低26.55%，平均斑塊面積(MPA)增加36.14%，表明整合優(yōu)化后自然保護(hù)地景觀的破碎化程度減輕，有利于自然保護(hù)地精細(xì)化管理。景觀形狀指數(shù)(LSI)和邊緣密度(ED)分別降低了1.22%和27.52%，表明整合優(yōu)化后自然保護(hù)地景觀的形狀、邊界復(fù)雜程度降低。連接度指數(shù)(CONNECT)增加了11.77%，表明整合優(yōu)化后自然保護(hù)地景觀的連通性增強(qiáng)。聚合度指數(shù)(AI)增加了1.92%，Shannon’s多樣性指數(shù)(SHDI)降低了17.75%，表明整合優(yōu)化后自然保護(hù)地景觀的聚集度和優(yōu)勢(shì)度增強(qiáng)，優(yōu)勢(shì)景觀增強(qiáng)且更加集中，景觀的異質(zhì)性和類型豐富度降低，驗(yàn)證了整合優(yōu)化工作嚴(yán)格遵循了“保持自然生態(tài)系統(tǒng)完整性和生態(tài)廊道連通性”原則。

表2 景觀尺度水平下景觀指數(shù)變化

2.4 斑塊類型水平下景觀指數(shù)變化由圖4可知，在斑塊類型水平下，整合優(yōu)化后草地、耕地、建設(shè)用地、林地、水域、園地6類景觀的NP和PD均降低，且耕地、園地、建設(shè)用地的NP和PD降幅較大；耕地和建設(shè)用地的MPA均降低，園地MPA增長(zhǎng)幅度較小，這是由于耕地、建設(shè)用地和園地為主要調(diào)出矛盾景觀類型，部分不可避免的矛盾小斑塊導(dǎo)致其MPA降低或小幅增長(zhǎng)；林地和水域的MPA增長(zhǎng)較大，草地和園地的MPA有所增長(zhǎng)。表明整合優(yōu)化后林地、水域、草地及園地的破碎化程度均減輕。

圖4 斑塊類型水平下景觀指數(shù)變化Fig.4 Landscape index changes at the patch type level

除林地景觀外，其他5類景觀的LSI和ED均降低，其中耕地、建設(shè)用地及園地的LSI和ED降幅較大，這是由于其為主要矛盾景觀類型；林地的LIS增長(zhǎng)了1.30%、ED降低達(dá)23.61%。這表明整合優(yōu)化后除林地景觀形狀稍加復(fù)雜外，其他5類景觀形狀、邊界復(fù)雜程度均降低。林地、水域及草地的CONNECT和AI有所增長(zhǎng)；耕地CONNECT和AI降幅分別達(dá)38.02%和71.20%，這是由于耕地為自然保護(hù)地現(xiàn)實(shí)主要矛盾沖突，其調(diào)出范圍廣、數(shù)量多。這表明整合優(yōu)化后林地、水域及草地等自然景觀的聚集度和連通性增強(qiáng)，耕地優(yōu)勢(shì)度和連通性降低。建設(shè)用地的CONNECT和AI分別增長(zhǎng)了1.54%和8.49%，表明其聚集度和連通性有所增強(qiáng)，這是由于建設(shè)用地為自然保護(hù)地現(xiàn)實(shí)主要矛盾沖突，多數(shù)細(xì)碎且分散的斑塊如建筑物所在斑塊等被調(diào)出自然保護(hù)地，保留的建設(shè)用地多為道路等不可避免的矛盾斑塊。園地的CONNECT增長(zhǎng)了8.79%，AI降低了2.61%，表明其連通性增強(qiáng)，聚集度有所下降。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論通過(guò)對(duì)研究區(qū)整合優(yōu)化前后自然保護(hù)地范圍內(nèi)土地利用類型組成、景觀尺度水平和斑塊類型水平下景觀指數(shù)的變化分析，得出結(jié)論如下：

(1)整合優(yōu)化后土地利用類型組成發(fā)生了顯著變化，優(yōu)勢(shì)景觀林地面積增幅最大，草地、耕地、建設(shè)用地、水域、園地及其他土地面積均減少，其中耕地和建設(shè)用地面積減幅較大。

(2)整合優(yōu)化后景觀尺度水平下景觀的破碎化程度均減輕，景觀的形狀、邊界復(fù)雜度、異質(zhì)性及類型豐富度降低，景觀的聚集度、優(yōu)勢(shì)度及連通性增強(qiáng)。

(3)整合優(yōu)化后斑塊類型水平下林地、水域、草地及園地的破碎化程度均減輕；林地的景觀形狀更加復(fù)雜，草地、耕地、建設(shè)用地、水域及園地的形狀、邊界復(fù)雜程度均降低，其中耕地、建設(shè)用地及園地的降幅較明顯；林地、水域、草地及建設(shè)用地的聚集度和連通性增強(qiáng)，耕地的優(yōu)勢(shì)度和連通性降低，園地的連通性增強(qiáng)、聚集度下降。

3.2 討論從自然保護(hù)地整合優(yōu)化的目的和原則出發(fā)，可從景觀格局角度評(píng)價(jià)自然保護(hù)地整合優(yōu)化成果的科學(xué)合理性。研究區(qū)自然保護(hù)地整合優(yōu)化減少的主要土地利用類型為耕地和建設(shè)用地，同時(shí)優(yōu)勢(shì)景觀林地增幅最大，景觀的破碎化程度減輕，景觀的形狀、邊界復(fù)雜度降低，景觀的聚集度、優(yōu)勢(shì)度及連通性增強(qiáng)，與“解決矛盾沖突，保持自然生態(tài)系統(tǒng)完整性和生態(tài)廊道連通性”等目的原則相符。因此，景觀格局角度下的瀏陽(yáng)市自然保護(hù)地整合優(yōu)化方案總體上科學(xué)合理。

整合優(yōu)化后建設(shè)用地的聚集度和連通性增強(qiáng)，園地的連通性增強(qiáng)，建議針對(duì)未調(diào)出自然保護(hù)地的建設(shè)用地和園地斑塊深入調(diào)研，論證其是否可以進(jìn)一步調(diào)出自然保護(hù)地，從而在保障生態(tài)系統(tǒng)完整性和連通性的前提下最大限度減少人為活動(dòng)較多的土地利用類型。