莫素芬，胡寶清

(1.南寧師范大學(xué),北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點實驗室，廣西地表過程與智能模擬重點實驗室，廣西南寧 530001；2.南寧師范大學(xué)自然資源與測繪學(xué)院，廣西南寧 530001)

0 引言

景觀格局是指景觀的空間格局，它是景觀異質(zhì)性的重要體現(xiàn)[1，2]。人類活動干擾、多種自然因素和生物因素共同影響著景觀斑塊的形狀、面積、密度、聚散性和多樣性等[3]，同時影響著景觀生態(tài)過程及物質(zhì)能量的流動，最終決定景觀格局的變化[4-6]。隨著人類活動范圍不斷擴大和愈加頻繁，自然景觀逐漸被人造景觀所替代，導(dǎo)致景觀格局發(fā)生明顯變化。當前，景觀格局與人為干擾度變化已成為生態(tài)領(lǐng)域的研究前沿和熱點[7,8]，而優(yōu)化景觀格局，改善生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展尤為重要。人類活動是影響景觀格局最為突出的因素，通過分析景觀格局與人為干擾度的時空差異特征，對優(yōu)化區(qū)域景觀格局、保護和管理區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者已對景觀格局與人為干擾度的變化特征開展大量研究并取得許多成果。呂金霞等[9]采用移動窗口景觀指數(shù)法，揭示濕地景觀格局分布和人類活動干擾有良好的對應(yīng)關(guān)系。劉佳琦等[10]利用人為干擾度模型，揭示人類干擾強度時空分異特征，探究黃河三角洲景觀格局對人類干擾活動的響應(yīng)。劉富強等[11]通過計算景觀指數(shù)和構(gòu)建人為干擾度指標，揭示人為干擾度變化是影響景觀格局變化的重要驅(qū)動因素之一?，F(xiàn)有對景觀格局與人為干擾度的研究多以濕地、流域、自然保護區(qū)為研究對象[12-14]，這些研究對象都較為常規(guī)，很少有學(xué)者對山江海過渡性國土空間的景觀格局進行研究。過渡性國土空間由過渡性地理空間衍生，是指因地形地貌起伏、土地利用變化與覆被變化等呈現(xiàn)出不同結(jié)構(gòu)、功能和特征的異質(zhì)性國土空間，表現(xiàn)出特有的時空差異性和演變規(guī)律[15]。山江海過渡性國土空間是由高山-低山丘陵-濱海平原組成，江河貫穿整個國土空間，且由高向低傾斜的過渡性特殊空間。因此，本研究以桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)這種典型和特殊的山江海過渡性國土空間為研究對象，采用移動窗口法分析2000-2020年區(qū)域內(nèi)過渡性景觀格局時空差異和不同時期人為干擾度對過渡性景觀格局的影響，合理定量人為干擾程度，豐富有關(guān)景觀格局的研究成果，同時為該區(qū)域景觀格局優(yōu)化、生態(tài)文明建設(shè)、區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展等提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)位于廣西的西北-西南部，北與貴州省接壤，南臨北部灣，西與云南省和越南接壤，東與河池等市接壤，介于20°26′-25°07′E和104°28′-109°56′N之間，具體位置如圖1所示。桂西南喀斯特主要分布在百色市和崇左市，北部灣地區(qū)主要是指南寧市、防城港市、北海市、欽州市，桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)是由這6個地級市組成的，涉及43個縣(市、區(qū))，統(tǒng)計年鑒上的總面積約為96 756 km2，約占廣西總面積的40.72%。該研究區(qū)地形地貌復(fù)雜多樣，地勢大致上自西北向東南傾斜，由西北部云貴高原(亦是典型喀斯特山區(qū))過渡到低山丘陵再過渡到濱海平原，形成一條狹長的、由云貴高原-山地丘陵-濱海平原組成，左江、右江等江河貫穿其中的山江海過渡帶，構(gòu)成桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)過渡性國土空間。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降雨量由北部灣沿海地區(qū)向內(nèi)陸遞減，河網(wǎng)密布，水資源豐富。研究區(qū)正處于經(jīng)濟快速發(fā)展時期，截至2018年底，地區(qū)生產(chǎn)總值達到9 422.25億元，占廣西區(qū)的46.24%，戶籍年末總?cè)丝跀?shù)2 136.35萬人。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究采用我國研制的2000年、2010年和2020年30 m全球地表覆蓋數(shù)據(jù)GlobeLand30，該數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心(http://www.ngcc.cn/ngcc/)。采用原數(shù)據(jù)已分好的10個一級類型，而該研究區(qū)包含耕地、草地、林地、灌木地、水體、人造地表、濕地和裸地8種類型，總體精度在83.5%以上，能滿足研究需求。所涉及的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《廣西統(tǒng)計年鑒》。

1.3 方法

1.3.1 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)高度濃縮景觀格局的信息[16]，可用于定量表達生態(tài)過程與景觀格局間的關(guān)系[17]。景觀格局指數(shù)的種類繁多，包括破碎化指數(shù)、多樣性指數(shù)、聚集度指數(shù)等[18]。參考前人研究成果[19-21]以及結(jié)合研究區(qū)的實際情況，在景觀格局層面上分別從面積、密度、形狀、聚散性和多樣性這5種類型中選取指數(shù)，以便從不同角度定量反映研究區(qū)近20年景觀格局的變化。具體景觀格局指數(shù)與含義如表1所示,利用Fragstats4.2軟件計算各指數(shù)。

表1 景觀格局指數(shù)與含義Table 1 Landscape pattern index and its meaning

1.3.2 移動窗口法

為呈現(xiàn)2000-2020年研究區(qū)景觀指數(shù)的空間差異，采用移動窗口法研究景觀指數(shù)的空間差異。移動窗口法已成功應(yīng)用于礦區(qū)景觀格局時空演變和遼河平原區(qū)農(nóng)田景觀異質(zhì)性的研究[24,25]。因此，參考前人研究成果[26，27]和研究區(qū)的范圍，利用ArcGIS10.2軟件將窗口設(shè)置為30 km×30 km，從研究區(qū)的左上角依次開始移動生成網(wǎng)格，共生成148個網(wǎng)格。利用Fragstats4.2依次計算3個時期每個網(wǎng)格的景觀指數(shù)，并將其值賦值給中心柵格，在ArcGIS10.2中實現(xiàn)不同時期各景觀指數(shù)的可視化，得到研究區(qū)不同時期各景觀指數(shù)的空間分布圖。

1.3.3 人為干擾度

通過參考文獻[5-7,9,28]，并結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的8種景觀類型，依次進行人為干擾度指數(shù)賦值，結(jié)果如表2所示。

表2 景觀類型人為干擾度指數(shù)賦值Table 2 Human disturbance index assignment of landscape types

網(wǎng)格單元的人為干擾度計算公式為

(1)

式中：D為某個網(wǎng)格單元的人為干擾度，無單位；Hi

為第i類景觀的干擾度指數(shù)，無單位；Si為第i類景觀的面積，參考單位為km2；S為網(wǎng)格單元總面積，參考單位為km2。

通過公式(1)依次計算3期148個網(wǎng)格單元的人為干擾度，利用SPSS20計算人為干擾度與各景觀指數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù)，分析2000-2020年桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)景觀格局變化對人為干擾的響應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)景觀指數(shù)的時間變化分析

從表3可看出，2000-2020年期間研究區(qū)的PD先增大后減小，由2000年的8.383 3增加到2010年的9.302 4，再減少到2020年的8.885 9。由于PD越大，單位面積斑塊數(shù)越多，景觀破碎化程度越高，因此出現(xiàn)以上變化情況的主要原因是2000-2010年社會經(jīng)濟發(fā)展速度較慢，土地利用粗放和規(guī)劃滯后，難以形成規(guī)模利用，導(dǎo)致景觀破碎化程度高；而2010-2020年社會經(jīng)濟發(fā)展相對較快，土地資源稀缺，促使土地集約利用，推進舊城改造和建設(shè)高標準農(nóng)田等，景觀格局破碎化程度有所減弱。AREA_MN呈先減小后增大的趨勢，AREA_MN的值越小景觀越破碎，與PD所反映的景觀格局破碎化程度一致。研究區(qū)SHAPE_AM呈先增大后減小的趨勢，說明2000-2010年該區(qū)域的斑塊形狀比2010-2020年的斑塊形狀更復(fù)雜且不規(guī)則，其中，2010年SHAPE_AM高達93.108 6，景觀格局最為復(fù)雜，但經(jīng)過20年的變化,該研究區(qū)的SHAPE_AM差不多又恢復(fù)到2000年的水平。CONTAG呈減小趨勢，減小幅度約為2，說明景觀中較小的斑塊數(shù)增多，斑塊類型分散，優(yōu)勢斑塊連通性變差。SHDI呈增大的趨勢，說明桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)景觀類型逐漸呈均衡化趨勢分布。

表3 2000-2020年研究區(qū)景觀格局指數(shù)表Table 3 Landscape pattern index of the study area from 2000 to 2020

2.2 桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)景觀指數(shù)的時空分異

基于移動窗口法的桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)PD空間分布如圖2所示。時間上，2000-2020年研究區(qū)PD變化較為明顯的為西北部，即百色市，所有高值均分布于該區(qū)域；其他區(qū)域隨時間變化不明顯?？臻g上，從研究區(qū)的西北部向東南部依次分布著PD高、中、低值區(qū)，景觀破碎化程度呈現(xiàn)自西北部向東南部減弱的規(guī)律。由此看出，研究區(qū)景觀格局破碎化程度由高到低呈現(xiàn)出喀斯特山區(qū)-低山丘陵-濱海平原的過渡性。

圖2 研究區(qū)斑塊密度(PD)空間分布Fig.2 Spatial distribution of patch density (PD) in the study area

桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)AREA_MN空間分布如圖3所示。時間上，2000-2020年AREA_MN值逐漸趨小，主要表現(xiàn)為研究區(qū)東部的高、中值區(qū)域減少，說明隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類活動促使地表覆被變化，景觀斑塊被分割，平均斑塊面積逐漸減小，景觀格局不斷趨于破碎化。但在研究區(qū)的西北部，AREA_MN隨時間變化非常小。空間上，研究區(qū)內(nèi)約一半的區(qū)域為低值區(qū)，低值區(qū)一直集中分布在西部和北部，與喀斯特山地的分布基本吻合，而高值區(qū)主要分布在東部。

圖3 研究區(qū)平均斑塊面積(AREA_MN)空間分布Fig.3 Spatial distribution of average patch area (AREA_MN) in the study area

桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)SHAPE_AM空間分布如圖4所示。2000-2020年間，研究區(qū)的南部和東部斑塊形狀變化不明顯，而西北部逐漸趨于復(fù)雜化和不規(guī)則化，景觀結(jié)構(gòu)逐漸不穩(wěn)定，這主要是地形地貌和人類活動共同作用的結(jié)果。空間上，SHAPE_AM的高值一直集中分布在研究區(qū)的西北部，說明西北部斑塊形狀最為復(fù)雜且不規(guī)則，而南部和東部區(qū)域斑塊形狀相對規(guī)則、簡單且穩(wěn)定。由此看來，地形地貌是影響景觀斑塊形狀的重要因素之一。

圖4 研究區(qū)面積加權(quán)的平均形狀指數(shù)(SHAPE_AM)空間分布Fig.4 Spatial distribution of area-weighted average-shape index (SHAPE_AM) in the study area

桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)CONTAG空間分布如圖5所示。2000-2020年間研究區(qū)西南部CONTAG變化不明顯，CONTAG中、高值主要集中分布在研究區(qū)的西南部，即崇左市和防城港市，說明這部分區(qū)域分布有連通性較高的優(yōu)勢斑塊，優(yōu)勢斑塊類型主要是種植甘蔗的耕地景觀。在2000年時，研究區(qū)的西北部也分布有CONTAG的中、高值，2010-2020年CONTAG有所下降，說明這部分區(qū)域的景觀連通性降低，優(yōu)勢斑塊逐漸不明顯，景觀趨于破碎化。

圖5 研究區(qū)蔓延度指數(shù)(CONTAG)空間分布Fig.5 Spatial distribution of convergence (CONTAG) in the study area

桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)SHDI空間分布如圖6所示。整體看，2000-2020年間研究區(qū)大部分區(qū)域SHDI為0.76-1.15，SHDI變化最為明顯的是研究區(qū)的西北部，SHDI為1.15的區(qū)域逐漸增多。研究區(qū)SHDI的中、高值主要集中分布在百色市、南寧市、崇左市的部分地區(qū)，以及沿海的部分地區(qū)，表明這些區(qū)域各景觀類型呈均衡化趨勢分布，景觀異質(zhì)性逐漸增強。

圖6 研究區(qū)香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)空間分布Fig.6 Spatial distribution of Shannon diversity index (SHDI) in the study area

2.3 桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)人為干擾度分析

桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)人為干擾度空間分布如圖7所示。整體上看，人為干擾度的高值主要集中分布于研究區(qū)的中部，低值主要集中分布于四周，呈現(xiàn)中部高，四周低，由中部向四周蔓延減弱的空間格局。2000-2020年研究區(qū)中部和西北部的人為干擾度有所增強，其他區(qū)域變化不大?？臻g上，人為干擾度中、高值主要集中分布在研究區(qū)的中部和東南部，即南寧市、崇左市和北海市，人為干擾度低值主要分布在研究區(qū)的西北部，即百色市境內(nèi)。2010-2020年研究區(qū)西北部的小部分區(qū)域人為干擾度略微降低。人為干擾的強弱與社會經(jīng)濟的發(fā)展、海拔高度密切相關(guān)：社會經(jīng)濟越發(fā)達的地區(qū)景觀格局受人類活動的影響越強，受人為干擾的程度越大；海拔高度越高的地區(qū)人類活動受限，景觀格局受人為干擾的程度越低，2000-2020年研究區(qū)人為干擾度的空間分布情況與實際相符。

圖7 研究區(qū)人為干擾度的空間分布Fig.7 Spatial distribution of human disturbance in the study area

2.4 桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)景觀格局變化與人為干擾的關(guān)系

桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)的人為干擾度與景觀格局指數(shù)Pearon相關(guān)性如表4所示。2000-2020年研究區(qū)的人為干擾度與PD呈負相關(guān)，且2000年在0.05水平上顯著相關(guān)，2010-2020年在0.01水平上顯著相關(guān)，表明桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)PD大的區(qū)域人為干擾程度低。2000-2020年人為干擾度與AREA_MN均不相關(guān)，表明該研究區(qū)內(nèi)平均斑塊面積的變化與人為干擾度的變化無關(guān)。人為干擾度與SHAPE_AM的相關(guān)關(guān)系比較復(fù)雜，表現(xiàn)為2000年不相關(guān)，2010年在0.05水平上顯著相關(guān)，2020年在0.01水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對值呈增加趨勢，說明人為干擾度對面積加權(quán)的平均形狀指數(shù)的影響程度增強。人為干擾度與CONTAG僅2000年在0.01水平上顯著相關(guān)，2010年、2020年則都不相關(guān)。2000-2020年人為干擾度與SHDI呈正相關(guān)，且在0.01水平上顯著相關(guān)，人為干擾程度越強，SHDI數(shù)值越大，說明可以用SHDI來表征人類活動強弱對景觀的影響。由此表明，人類活動的干擾是影響景觀格局的重要驅(qū)動因素之一，桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)人為干擾度對斑塊密度和景觀多樣性的影響程度較為明顯，可用人為干擾度的大小來衡量景觀格局的變化。

表4 人為干擾度與景觀格局指數(shù)相關(guān)性Table 4 Correlation between human disturbance and landscape pattern index

3 討論

人為干擾度由生態(tài)干擾度演變而來，是相對自然度而言，陳愛蓮等[29]最早將其引入我國景觀格局的監(jiān)測與評價。人為干擾度對景觀格局的影響具有區(qū)域性和階段性。如劉吉平等[5]對小三江平原沼澤濕地景觀格局的研究表明，人為干擾度與邊緣密度、最大斑塊指數(shù)呈負相關(guān)，與PD的相關(guān)性時正時負，與周長面積比不相關(guān)；郭少壯等[6]對秦嶺地區(qū)景觀格局的研究表明，人為干擾度與景觀脆弱度、PD和SHDI呈正相關(guān)，與聚集指數(shù)、最大斑塊指數(shù)呈負相關(guān)。而本研究的結(jié)論與其他學(xué)者的結(jié)論有差異，桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)的人為干擾度與PD呈負相關(guān)，與SHDI呈正相關(guān)，與AREA_MN不相關(guān)，與SHAPE_AM由不相關(guān)到負相關(guān)，與CONTAG由負相關(guān)到不相關(guān)。產(chǎn)生不同結(jié)果的原因是本研究以148個網(wǎng)格的景觀格局指數(shù)為樣本，計算不同時期景觀指數(shù)與人為干擾度的Pearson相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明人為干擾度對桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)過渡性景觀格局指數(shù)具有區(qū)域性和階段性的特性。

本研究從山江海過渡性國土空間的角度探索桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)景觀格局變化及其對人為干擾的響應(yīng)，豐富了山江海過渡性國土空間景觀格局變化與人為干擾關(guān)系的理論研究成果，為桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)優(yōu)化景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)的保護與管理提供參考依據(jù)。但是，本研究還需要從以下兩個方面進行完善：(1)本研究選取的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)時間間隔為10年，時間間隔較長會忽略一些微小的變化；(2)在選取景觀指數(shù)上主要參考文獻和主觀選取，每個維度只選取一個景觀指數(shù)，不一定都能很好地反映與人為干擾度的關(guān)系。因此，在今后相關(guān)研究中應(yīng)多做幾期研究，縮短數(shù)據(jù)時間間隔；在選取景觀指數(shù)時，盡量多維度選取。

4 結(jié)論

本研究采用我國研制的2000年、2010年和2020年30 m全球地表覆蓋數(shù)據(jù)，基于移動窗口法分析桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)景觀指數(shù)時空變化與人為干擾，主要結(jié)論如下：

(1)2000-2020年，從整體上看桂西南喀斯特-北部灣地區(qū)景觀格局發(fā)生明顯變化。PD和SHAPE_AM呈先增大后減小的趨勢，AREA_MN呈先減小后增大的趨勢，PD和AREA_MN的動態(tài)變化反映景觀格局破碎化程度先增大后減小，斑塊形狀復(fù)雜程度和不規(guī)則程度由強變?nèi)酢ONTAG和SHDI分別呈減小和增大的趨勢，優(yōu)勢斑塊連通性變差。

(2)基于移動窗口法的PD呈現(xiàn)出自研究區(qū)西北部向東南部依次分布著高、中、低值區(qū)，景觀格局破碎化程度呈現(xiàn)出喀斯特山區(qū)-低山丘陵-濱海平原的過渡性；AREA_MN低值區(qū)一直以來主要集中分布在研究區(qū)的西部和北部，高值區(qū)主要分布在東部；SHAPE_AM的高值一直集中分布在研究區(qū)的西北部，西北部景觀斑塊形狀最復(fù)雜且不規(guī)則，而南部和東部區(qū)域景觀斑塊形狀相對簡單和穩(wěn)定，斑塊形狀隨時間變化不明顯；CONTAG的變化相對復(fù)雜，CONTAG的中、高值主要分布在研究區(qū)的西南部，但在2000年研究區(qū)的西北部也有中、高值分布，景觀連通性變化最明顯的是西北部，連通性較好的區(qū)域是西南部；研究區(qū)大部分區(qū)域SHDI為0.76-1.15，SHDI為1.15的區(qū)域逐年增多,各景觀類型呈現(xiàn)均衡化趨勢分布，景觀異質(zhì)性增強。

(3)研究區(qū)內(nèi)人為干擾度高值集中分布于中部，低值集中分布于四周,呈現(xiàn)中部高、四周低，由中部向四周蔓延減弱的空間格局，干擾度逐年增強。人為干擾度與各景觀指數(shù)有不同的相關(guān)性，與PD、SHDI有較好的相關(guān)性，與PD呈負相關(guān)，與SHDI呈正相關(guān)。人為干擾度與AREA_MN不相關(guān)，與SHAPE_AM的相關(guān)關(guān)系比較復(fù)雜，由不相關(guān)轉(zhuǎn)為在0.05水平上顯著相關(guān)再到在0.01水平上顯著相關(guān)，而與CONTAG的相關(guān)性由相關(guān)到不相關(guān)。人為干擾度對PD的影響先增強后減弱，對SHDI的影響先減弱后增強，對SHAPE_AM的影響逐漸增強，對CONTAG的影響減弱，對AREA_MN無影響。