神農架地區區域景觀格局時空變化分析

楊平仿　邵榮虎　劉官榮　楊林森　鄧龍強

摘要：神農架生態環境特殊、生物多樣性豐富，是中國乃至全球生物多樣性重點保護地區之一。同時，作為中國中部生態旅游熱點地區，神農架生物多樣性保護也面臨嚴峻的挑戰。本研究通過對神農架地區2000年、2010年和2020年的landsat 5、landsat 8遙感影像數據（30 m×30 m分辨率）進行解析，獲得了這3個不同時期研究區的耕地、林地、灌草地、濕地、水體和建設用地等6種不同景觀類型的分布圖及不同景觀類型的時空動態變化特征。結果表明：在這20年內，神農架的主體景觀森林得到了較好地保護，面積基本保持了動態平衡，耕地面積也基本穩定，建筑用地和水體顯著增加，而灌草地則顯著減少，濕地在2010～2020年也顯著減少；且不同景觀類型之間的變化幅度在2000～2010年要顯著大于2010～2020年。因此，在未來應該注意加強對該地區灌草地及濕地的保護，并嚴格限制建設類項目。本研究的結果能夠為神農架地區的生態系統及生物多樣性保護策略的制定提供一定的參考。

關鍵詞：神農架；景觀格局；時空變化

中圖分類號：Q149文獻標識碼：A文章編號：1004-3020（2023）03-0006-08

Analysis on Spatiotemporal Changes of Landscape Pattern in Shennongjia

Yang Pingfang Shao Ronghu Liu Guanrong Yang Linsen Deng Longqiang

（1.School of Life Science，Hubei UniversityWuhan430062；2.Administrative Bureau of Shennongjia National ParkShennongjia442421）

Abstract：With its special ecosystem and abundant biodiversity，Shennongjia is among the priority list for natural protection.Meanwhile，being a hotspot of ecotourism，It is also facing great challenges on its ecosystem and biodiversity protection.In this study，the ArcGIS 10.2 was used to analyze the terrain，and the remote sensing image data of 2000，2010 and 2020 were analyzed to generate the distribution map of different landscapes and their spatiotemporal changes in the time spanning from 2000 to 2020.The results showed that forestry was well protected，and cultivated land were under good control without any expanding.However，construction land and water area were increased along with the decrease of shrub grass land and wetland.The shifts among different landscape types were dramatically decreased from 2010 to 2020 when compared with those from 2000 to 2010.Based on the results，it is necessary to reinforce the protection on shrub grass land and wetland in the future.The whole results might be a good reference for the authority in making suitable management strategy for the protection of ecosystem and biodiversity in Shennongjia.

Key words：Shennongjia；landscape pattern；spatiotemporal change

引言

神農架位于湖北省西部，其地理范圍涵蓋東經109°30′～111°32′，北緯30°13′～32°37′，總面積約2.41萬km²，包括神農架林區、竹溪縣、竹山縣等7個區縣［1］。該地區整體海拔處在3～3 099 m之間，具有中部高，四周低的特點，地貌類型包括構造溶蝕、溶蝕侵蝕、剝蝕侵蝕、堆積等四種［2］。區域內有著名的神農架國家級自然保護區，其森林覆蓋率高達96%，且生態類型豐富，隨著海拔從低到高連續分布著常綠闊葉林、常綠闊葉——落葉混交林、落葉闊葉林、針葉——落葉闊葉混交林、寒溫性常綠針葉林、亞高山灌叢、亞高山草甸等生態系統［3］，是世界上唯一的北亞熱帶常綠闊葉林區。林區生物資源非常豐富，共有維管束植物210科1 186屬3 684種，是中國種子植物特有屬三大分布中心；無脊椎動物4 358種，隸屬于355科2 157屬［3-5］。該地區也是中國17個具有世界意義的生物多樣性關鍵地區之一，在中國乃至全球生物多樣性保護中具有極為重要的意義［6］。

生態景觀是指由許多不同的生態系統類型所組成的整體。而景觀質量則是構成景觀的生態系統在維持其結構和功能的穩定性，以及抵抗不同的外界干擾等所呈現的狀態。隨著全球氣候變化日益加劇以及人類活動的不斷增強，自然景觀生態系統的結構和功能都受到了極大影響，一些受干擾嚴重的景觀碎片化加速，進而導致生態系統的破壞和生物多樣性的降低。為了充分發揮景觀生態系統的功能，有必要在對景觀的空間結構、功能、相互作用及動態變化規律進行研究的基礎上對區域景觀生態質量進行評價。這種評價既是景觀生態學的主要研究內容，也對實現景觀資源的保護與合理開發利用具有重要的指導意義。近些年來，隨著中國對生態環境保護的重視程度日益加強，一些國家公園、自然保護區相繼建立。為了對這些保護區進行科學有效地管理和保護，中國學者開始對不同保護區內的景觀開展了系統的研究與分析，并在此基礎上對景觀質量進行科學評價。研究內容涵蓋了評價方法與指標的確立、景觀類型及其生態功能、景觀的動態變化特征等，并且已經成功地應用到對不同保護地的景觀評價中。

鑒于神農架極高的生態與生物多樣性研究與保護價值，該地區已經建立了多個自然保護區，神農架國家公園也在規劃之中。因此有必要對神農架地區的生態景觀質量進行全面系統的評價。盡管已有學者對神農架部分區域，如大九湖的景觀格局動態進行了分析［7］，但是還缺少對整個神農架地區的景觀時空格局變化分析。而對神農架地區自然景觀質量現狀及動態變化規律進行系統評價，不僅有利于加強對該地區生態系統及生物多樣性形成與發展規律的認識，也能更好地實現自然景觀的保護，促進人與自然和諧共處。

1研究方法

1.1數據來源

本研究主要基于神農架地區2000年、2010年、2020年的landsat 5、landsat 8遙感影像數據（30 m×30 m分辨率），數據來源于地理空間數據云（www.gscloud.cn）。同時，采用現場調查結合資料數據檢索的方式對遙感數據進行校準。主要參考的資料數據包括：神農架地區自然資源綜合調查報告（2015年）；神農架地區國土資源二次調查數據（2009年）；神農架地區數字高程模型（DEM）；神農架地區2019年森林資源變更調查數據、林斑矢量圖；神農架地區1∶100萬數字土壤圖；神農架地區1∶100萬植被類型圖。

1.2應用的軟件工具及地形數據與遙感數據處理

多光譜影像處理工具選用ESRI公司（美國環境系統研究所）發布的ENVI 5.3軟件平臺，景觀格局指數計算軟件，選用Fragstats 4.3軟件，地形因子分析軟件。采用ArcGIS 10.2軟件，參考黎奕暉的方法［8］進行計算與分析。地形數據處理方面，利用軟件ArcGIS 10.2從獲得的相關多景數字高程模型（DEM）原始數據中提取高程、坡度、坡向因子的相關數據，并在重新分類后進行相應的地理配準、鑲嵌、裁剪獲得計算后的神農架地區DEM，進一步分析得到整個地區的坡度和坡向分析圖。遙感數據處理及景觀分類方面，本研究主要選取神農架地區2000年、2010年和2020年8～9月的多光譜反射影像遙感數據（級別為L1T，云覆蓋率低于5%）。在數據預處理中，直接利用ENVI軟件對Landsat影像數據進行大氣校正、輻射定標、多波段影像合成及裁剪等處理。然后根據圖像的形態、色調及紋理等特征進行不同類型的劃分。在ENVI中利用野外調查數據、森林資源變更調查數據以及Google Earth影像數據進行訓練和樣本驗證，進而建立解譯標識。采用最大似然監督分類法分別計算3期影像數據和實際野外調查數據之間的Kappa系數（0.81～1.00表明接近完全一致）以確定它們的一致性。采用疊加分析的方法，計算景觀類型的轉移。利用遙感數據進行景觀分類，主要參考森林資源變更調查數據及1∶100萬的植被類型分布圖及國家林業和草原局《森林資源規劃設計調查主要技術規定》來確定森林景觀類型。

1.3地形分布指數計算

本研究采用俞紅等人的方法［9］按公式：P=（Aie/Ai）/（Ae/A）定量化分析景觀類型在不同地形上的分布特征。

式中，A表示神農架地區總面積；e為地形因子的等級；Ae為神農架地區e等級地形的面積；Ai是i類景觀類型的總面積；Aie為e等級地形中i類景觀類型的面積。計算得到的P值為i類景觀類型出現的頻率；P值越大，表示該景觀類型在e等級地形中優勢度越高。

2結果與分析

2.1景觀格局總體變化分析

根據本研究應用的方法對2000年、2010年和2020年3個時期的影像數據分析，可以確定神農架地區主要存在6種景觀類型，分別是耕地、林地、灌草地、濕地、水體和建設用地。結合野外樣點調查以及谷歌地圖數據對3期影像分類結果進行驗證，計算得出2000年、2010年和2020年的Kappa系數分別為0.85、0.87和0.91，表明影像數據與樣點調查之間具有高度的一致性，符合標準。因此，將影像數據導入ArcGIS中整理即可得到神農架地區景觀類型斑塊分布矢量圖（圖1）。同時，計算出不同景觀類型的面積（表1）。

林地是神農架地區最主要的生態景觀類型，占該地區總面積的82%左右；耕地則為占地面積第二的景觀類型，約為14.5%左右（表1）。由圖1可知，耕地主要分布在該地區西北和東南部的邊緣地帶。2000～2010年，林地面積增加了約352 km²，而2010～2020年，林地面積減少了135 km²；同期，耕地面積也呈現與林地面積相同的先增加后降低，但后期減少的面積相對前期增加面積較小的趨勢?？傮w上，與2000年相比，林地和耕地面積在2020年均呈現一定程度的增加（分別增加了216.71 km²和52.39 km²）。灌草地是占地面積第三的景觀類型，也是區域內景觀面積變化最大的類型，2000～2020年，一共減少了485.49 km²，占其自身總面積的50%以上。與2000年相比，水體和建設用地面積分別增加了160.47 km²和58.48 km²，且增加趨勢明顯（分別增加了303%和86%）。濕地是神農架區域內面積最小的景觀類型，僅占不到0.03%。盡管2000～2010年，濕地面積呈現增加的趨勢，但到2020年又明顯降低，僅為2000年的46.32%。

2.2景觀類型轉移分析

在ArcGIS中采用疊加分析的方法計算得到2000～2010年和2010～2020年神農架地區景觀類型轉移的具體數據如表2和表3所示。在2000～2010年，研究區內共有1 678.90 km²的景觀發生了類型的轉移，而在2010～2020年至今這一數據為971.63 km²。

2000～2010年，林地和耕地轉入增加量最大，分別達902.18 km²和581.39 km²。其中，林地增加量主要來自灌草地，其次是耕地；耕地增加量主要來源是林地和灌草地。轉出量最大的為灌草地，達598.37 km²；其次為林地，轉出面積549.99 km²；再次為耕地，為505.98 km²。從凈變化量來看，灌草地急劇減少，凈減少面積達506.09 km²；林地是凈增加面積最大的景觀類型，10年間面積凈增加352.19 km²，其次是耕地和水體，期間面積分別凈增加75.42 km²和60.32 km²。同期，濕地和建設用地景觀面積均呈現凈增加，但增加面積相對有限。

2010～2020年，景觀轉移總量遠低于2000～2010年的總量。但仍存在林地和耕地轉入和轉出較為頻繁的現象。其中，林地轉入面積為352.10 km²，而轉出面積為487.88 km²；耕地轉入面積378.67 km²，轉出面積401.68 km²；灌草地轉入面積68.32 km²，轉出面積47.71 km²。10年間，造成耕地和林地景觀總面積凈減少的主要原因是水體和建設用地景觀擴張以及一些造林區由于土壤侵蝕自然退化為灌草地，使得水體、建設用地和灌草地景觀面積凈增加的幅度較大。同期，濕地面積保持相對穩定，凈變化面積不大。

2.3神農架地區景觀垂直分布特征

數字高程模型表明神農架地區處于海拔3～3 100 m之間，其中部地勢高，向南北逐漸降低，地形具有較大起伏。為研究各景觀的垂直分布特征，本研究按海拔從低到高的順序，將神農架地區分為A、B、C、D、E、F共6個高程級別。通過相關的數據處理，得到高程分級圖（圖2）。同時，通過對分級后的面積進行統計和計算，得到高程分級面積及不同高程所占的比例（表4）。從圖2和表4中可知研究區的整體海拔主要分布在500～2 000 m的范圍內，且各高程級別面積總體呈現正態分布。

為了進一步研究不同景觀類型的高程分布特征，利用ArcGIS系統將高程級別圖與2000年、2010年、2020年期景觀類型分布圖進行疊加分析，計算不同高程等級上各景觀類型的面積（表5）?？梢缘弥煌坝^類型在不同高程的分布比例具有較大的差異。為更好地顯示景觀的垂直分布特征，得到2000年、2010年和2020年不同高程等級各景觀類型的分布指數（圖3）。

高程分布指數圖可以較好地表達景觀的垂直分布特征。由圖3和表5可知：耕地面積分布優勢度隨海拔的增高呈現降低的趨勢。這主要受土壤分布及溫度等自然因素的影響，耕地主要分布在地勢較為平緩的沖積平原處，且農作物的生長受到極端低溫限制，隨著海拔的增加，溫度遞減，影響作物的產量。林地在高程分布指數圖中大體呈均勻分布，表明林地在所有海拔區域內的分布較為均勻。20年間，林地在不同海拔梯度上的面積占比變化不明顯。灌草地的分布優勢度在2 500 m以下呈現隨著海拔增高而降低的趨勢，而海拔一旦超過2 500 m，灌草地分布優勢度的急劇增加。主要原因是高海拔地區受到低溫、土壤含水量等環境的脅迫，使得高需水量的森林植被生長受限，從而自然演替為需水量較低的灌草植被。濕地和水體主要分布在海拔小于500 m的區域。2000～2010年建設用地的分布主要集中于低海拔地區（500 m以下），隨著神農架機場的建設，2010～2020年，2 500 m以上區域建設用地急劇增加，主要是神農架機場建設的原因。

2.4神農架地區景觀坡度分布特征

植物的物質能量交換方式受到不同坡度級別的影響，而且土壤、水分等環境條件也因坡度的不同產生變化，進而影響景觀類型的分布。在神農架地區，坡度可以分為平坡（＜5°）、緩坡（＞5°～15°）、斜坡（＞15°～25°）、陡坡（＞25°～35°）、急坡（＞35°～45°）和險坡（＞45°）等6個坡度級別，DEM數據經過ArcGIS處理后得到坡度分級圖（圖4）。

對分級后的各類型坡度的面積進行統計和計算，可以得到各坡度級別的正態分布特征（表6），神農架地區主要為緩坡、斜坡、陡坡3個坡度級別，共占總面積的86.07%。從空間分布角度分析，平坡區域主要分布于河谷沖積平原，與城鎮建設用地的分布呈顯著的正相關關系；而急坡和險坡多集中于海拔較高的山地邊緣。在ArcGI中對3個時期景觀類型分布圖與坡度分級圖進行疊加分析，得到3個時期不同坡度等級各景觀類型的面積分布情況（表7）。

神農架地區耕地大部分分布于緩坡和斜坡范圍內，且斜坡上的耕地在2000～2010年和2010～2020年均呈增加的趨勢，這在很大程度上不利于該地區的水土保持，遇到大到暴雨容易造成水土流失（表7）。計算2000年、2010年和2020年各景觀類型在不同坡度上的分布優勢度指數（圖5）。整體看，坡度分布指數在平坡區域差異明顯，而在其他坡度等級上整體呈聚攏趨勢，表明神農架區域內各景觀類型在坡度較大的區域分布趨于均衡。

進一步分析各景觀類型。20年間，建設用地在平坡區域范圍內均存在較高的優勢度，而在坡度較陡的范圍內呈現較低的優勢度，表明區域發展十分重視建設用地的擴張需求。濕地景觀在2000～2020年，平坡范圍內的優勢度呈現明顯的增加趨勢，尤其是2000～2010年這10年間，反映出區域對濕地保護的重視。在陡坡、急坡和險坡范圍內，林地均表現出高于其他景觀類型的優勢度，這既說明森林對坡度的適應性良好，也表明在這些區域內森林得到較好的保護和維持。

3結論

生態景觀的評價是景觀生態學的重要研究內容，它主要針對目標區域的整體景觀，研究由不同生態系統組成的整體空間結構與功能、相互作用以及動態變化規律，從而為優化景觀生態結構、合理利用和保護目標生態系統提供理論指導。當前，全球正處于生態環境和生物多樣性保護的關鍵階段。我國政府已經把生態文明建設列為現代化建設的重要目標之一，并于2021年10月在聯合國《生物多樣性公約》第十五次締約方大會上宣布中國將致力于生物多樣性保護的系列舉措。要實現對生態環境和生物多樣性的有效保護，就必須對現有生態景觀及生物多樣性進行系統的研究，了解其動態變化規律，并在此基礎上進行評價，為對其進行分類管理和保護提供理論依據。

神農架地區作為世界上唯一的北亞熱帶常綠闊葉林區，在全球和中國生態系統和生物多樣性保護方面，具有非常重要的意義。在保護的前提下，結合生態景觀格局及豐富的生物多樣性推動科學教育和當地生態旅游經濟，是實現可持續發展和保護的重要途徑。為此，本研究對當地生態景觀格局在過去20年中的時空變化規律進行了系統研究分析。結果表明神農架地區的生態系統和生物多樣性在過去20年內總體上得到了較好地保護，生態景觀系統基本實現了動態平衡。林地是該地區最主要的生態景觀類型，占80%以上的面積，其總面積在2000～2020年有所增加，說明該地區積極推進了植樹造林和封山育林工程，對生態景觀的動態平衡起到了很好的調節作用。且林地景觀類型在不同地形等級的分布指數曲線較為平緩，表明其對各地形等級的適應性較強，因此可以考慮在平緩地帶推進植樹造林，陡坡險坡封山育林。但在2010～2020年，林地面積減少了135 km²，盡管這種減少的比例并不顯著，但由于整個地區次生林偏多，因此，也需要對引起面積減少的主要原因進行細致分析，以避免此類減少的持續發生。同期，作為當地第二大生態景觀類型耕地的面積也有所增加，特別是在緩坡和斜坡地帶，以及部分由林地向耕地的轉變，表明在研究區還存在開荒種地和毀林種地的現象，同時意味著自然生態系統的退化和水土流失風險的增加。因此，有必要嚴格控制坡地開墾，強化利用鄉土樹種植樹造林，適度發展林下經濟。由此可以推知耕地面積增長的原因很大一部分來自毀林開荒，而同期的植樹造林和封山育林政策使得一部分灌草地人為或自然演替為林地。這些研究結果可以為神農架地區制定精準的生態保護措施提供一定的理論指導。

參考文獻

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（編校：唐嵐）