張宏靜 靳勇超 竇紅亮 陳旭升 李 義 朱洪強*

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學研究生學院，長春，130118；2.東北林業(yè)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(nóng)業(yè)大學動物科技學院，長春，130118；4.康平新望農(nóng)牧有限公司，沈陽，110000)

土地利用和景觀格局變化是導致區(qū)域生物多樣性變化的重要因素[1-2]，也是研究全球環(huán)境變化的重要內(nèi)容[3-4]。土地利用變化是外界影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境的直接表現(xiàn)[3，5]，其具有顯著的時空動態(tài)變化特征[6]，同時土地利用變化也是影響物種棲息地質(zhì)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(jié)構組合特征[8]，景觀格局變化能掌握區(qū)域內(nèi)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(qū)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(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)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(qū)是保護自然資源、維護生物多樣性和維持生態(tài)平衡最直接有效的途徑之一[14-16]。自然保護區(qū)的建立對于減緩區(qū)域內(nèi)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(qū)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(qū)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(qū)的健康持續(xù)發(fā)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(qū)(以下簡稱“老爺嶺保護區(qū)”)于2011年建立為省級自然保護區(qū)，2014年晉升為國家級自然保護區(qū)。該自然保護區(qū)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(tài)系統(tǒng)。目前對老爺嶺保護區(qū)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(qū)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(tài)廊道[25]，東北虎的生存受自然保護區(qū)土地利用變化的影響[26]。研究老爺嶺保護區(qū)的土地利用和景觀格局變化，對老爺嶺保護區(qū)掌握現(xiàn)階段東北虎的保護現(xiàn)狀、保護區(qū)的保護成效情況和未來要如何更好地發(fā)展等問題具有重要意義。本研究以老爺嶺保護區(qū)1999、2009和2019年覆蓋全區(qū)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(qū)時空動態(tài)與生態(tài)系統(tǒng)的變化情況，以期為老爺嶺保護區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護與管理工作提供決策參考和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

老爺嶺保護區(qū)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(nèi)的綏陽林業(yè)局，東側(cè)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(qū)內(nèi)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(shù)據(jù)來源

本研究選取1999、2009和2019年3個時間節(jié)點用以比較老爺嶺保護區(qū)不同時期的土地利用和景觀格局變化。為保證數(shù)據(jù)的一致性與結(jié)果的可比性，研究選用覆蓋全區(qū)3期時相一致的遙感影像數(shù)據(jù)，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(shù)字地球研究所下的遙感共享平臺Landsat 7/8衛(wèi)星的全波段影像(http：//ids.ceode. ac.cn/query.html)；數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http：//www.gscloud.cn)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

將1999、2009和2019年的遙感影像作為本研究的基礎數(shù)據(jù)源，以DEM數(shù)據(jù)和實地訓練區(qū)為參考。利用ENVI 5.3.1軟件對數(shù)據(jù)進行波段合成、幾何校正和圖像裁剪等預處理，并進行監(jiān)督分類和人工目視解譯糾正。解譯過程中結(jié)合老爺嶺保護區(qū)的實際景觀類型特點，將保護區(qū)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(shù)據(jù)進行柵格計算(raster calculator)和統(tǒng)計等處理，得到研究區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)。最后采用FRAGSTATS 4.2軟件計算研究區(qū)的景觀指數(shù)。

1.2.3 研究區(qū)土地利用及動態(tài)度

針對本研究區(qū)土地利用變化的具體情況，基于遙感解譯所得數(shù)據(jù)，從以下3個方面開展研究：(1)分析自然保護區(qū)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(qū)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(qū)的土地利用變化趨勢，以及20年來該研究區(qū)土地利用的轉(zhuǎn)變情況。

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

(1)

式中，K為研究時段內(nèi)某土地利用類型的動態(tài)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(shù)。

1.2.4 研究區(qū)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(shù)量NP、斑塊密度PD、平均斑塊面積MPS、平均形狀指數(shù)MSI、聚合度指數(shù)AI、香農(nóng)多樣性指數(shù)SHDI與連接度指數(shù)COHESION，共計7個指標來分析研究區(qū)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(xù)表1

2 結(jié)果與分析

2.1 保護區(qū)土地利用變化

老爺嶺保護區(qū)主要的土地利用類型為林地，約占保護區(qū)總面積的95%。1999—2019年，老爺嶺保護區(qū)內(nèi)的林地面積基本呈穩(wěn)定趨勢，動態(tài)度指數(shù)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(tài)度指數(shù)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(qū)1999—2019年土地利用動態(tài)度變化

從土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的結(jié)果來看(表3)，1999—2019年老爺嶺保護區(qū)內(nèi)的土地有286.23 km2發(fā)生了轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移土地的面積占自然保護區(qū)的40.16%。其中，占1999年老爺嶺保護區(qū)主體之一的針闊混交林(38.39%)發(fā)生轉(zhuǎn)移的面積最多(194.23 km2)，主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱顺＞G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(zhuǎn)變而來。

表3 老爺嶺保護區(qū)1999—2019年土地利用轉(zhuǎn)移特征

2.2 保護區(qū)景觀格局變化

從老爺嶺保護區(qū)的景觀水平來看(表4)，1999—2019年，老爺嶺保護區(qū)總體呈破碎化趨勢。其中NP、PD和COHESION指數(shù)呈增加趨勢，分別增加了11.53%、11.53%和0.01%。MPS和SHDI指數(shù)呈減少趨勢，分別減少了10.32%和8.06%。此外，各指數(shù)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(qū)景觀水平指數(shù)統(tǒng)計

從老爺嶺保護區(qū)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(qū)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(qū)制定管理規(guī)劃的重要指導[20-21]。本研究以老爺嶺保護區(qū)建立前后20年的土地利用數(shù)據(jù)為基礎，利用土地轉(zhuǎn)移矩陣和動態(tài)度指數(shù)來分析自然保護區(qū)的土地利用變化情況；選用斑塊數(shù)量、斑塊密度等7個景觀指標來分析自然保護區(qū)的景觀格局變化趨勢。研究結(jié)果可為老爺嶺保護區(qū)的土地管理和物種棲息地保護提供重要依據(jù)。

林地約占老爺嶺保護區(qū)的95%，是自然保護區(qū)主要的土地利用類型。1999—2019年老爺嶺保護區(qū)內(nèi)共有286.23 km2(40.16%)的土地發(fā)生轉(zhuǎn)移，但林地面積整體呈穩(wěn)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(qū)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(qū)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(qū)的建設用地和耕地呈增加趨勢，主要是當?shù)卣畬ψ匀槐Ｗo區(qū)內(nèi)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(zhuǎn)為農(nóng)業(yè)種植[36]，增加了耕地的使用量。1999—2019年自然保護區(qū)景觀斑塊數(shù)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(qū)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(shù)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(wěn)定。此外，從時間梯度來看，各指數(shù)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(qū)的建立均對自然保護區(qū)內(nèi)的土地利用與生態(tài)環(huán)境變化起到了積極促進的作用，但總體來說自然保護區(qū)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(qū)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(qū)內(nèi)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(qū)內(nèi)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(diào)減了木材采伐量，并未停止采伐[36]，使得自然保護區(qū)林地面積減少。但從景觀水平的香農(nóng)多樣性指數(shù)和連接度指數(shù)來看，自然保護區(qū)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(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境變化有積極促進的作用[37]。老爺嶺保護區(qū)建立前后的10年(2009—2019年)，自然保護區(qū)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(shù)趨于穩(wěn)定，其余各景觀指標均顯示自然保護區(qū)的景觀破碎化程度呈下降趨勢，說明老爺嶺保護區(qū)的建立降低了區(qū)域內(nèi)的人為干擾，促進了自然保護區(qū)非林地向林地的轉(zhuǎn)換，減輕了自然保護區(qū)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(qū)保護成效的直觀表現(xiàn)[18]，自然保護區(qū)在保護與發(fā)展之間存在矛盾[40]，正確處理好自然保護區(qū)保護與發(fā)展間的關系至關重要[41]?；诒敬窝芯康慕Y(jié)果，對未來老爺嶺保護區(qū)的工作開展提出建議：(1)加強林地變化監(jiān)測，掌握自然保護區(qū)內(nèi)各土地利用類型的變化趨勢。(2)科學規(guī)劃土地利用方式，協(xié)調(diào)好保護與發(fā)展之間的關系，保障自然保護區(qū)的景觀破碎化呈正向發(fā)展。(3)結(jié)合老爺嶺保護區(qū)自身的資源優(yōu)勢，積極拓展特色產(chǎn)業(yè)，對自然保護區(qū)內(nèi)原有的農(nóng)耕生產(chǎn)方式進行合理轉(zhuǎn)變。