泽州猕猴自然保护区土地利用/覆被及景观格局变化研究

马慧慧，于海洋,2，曾春伟，罗　玲，牛峰明

(1.河南理工大学 矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室,河南 焦作 454000； 2. 黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450045)



泽州猕猴自然保护区土地利用/覆被及景观格局变化研究

马慧慧1，于海洋1,2，曾春伟1，罗玲1，牛峰明1

(1.河南理工大学 矿山空间信息技术国家测绘地理信息局重点实验室,河南 焦作 454000； 2. 黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450045)

摘要：文中以2007年第二次全国土地调查和2015年地理国情普查所提供高分辨率地表覆盖数据为主要信息源，采用地理信息系统技术和景观生态学数量分析相结合的方法对 2007—2015年泽州猕猴自然保护区土地利用/覆被变化(LUCC)、景观格局变化及其驱动力进行研究分析。结果表明，近8年来，受人为、经济发展和政策因素影响，泽州猕猴自然保护区整体景观破碎度增强，形状更加规律化、简单化，景观分布聚集度变大，生态连通性增强，多样性减少。研究结果为泽州猕猴自然保护区生态系统的健康发展、生态环境的改善与经济社会的和谐发展提供参考。

关键词：猕猴自然保护区；土地利用/覆被；动态度；景观格局；驱动力

进入21世纪以来，土地利用/覆被变化(LUCC)已成为全球环境变化研究的核心和热点领域[1-2]，也是全球土地可持续研究的关键因素[3]。自然保护区LUCC的变化不仅可能改变原有保护区的景观格局，也可能改变保护区维持景观结构与功能的能力，使保护区自然保护效益日益受到严重威胁。之前的研究大部分以遥感数据为数据源，以区域案例为基础进行[4-7]，很少对自然保护区第二次全国土地调查和地理国情普查所得高精度数据进行研究。本文以泽州猕猴自然保护区为研究区，以第二次全国土地调查和地理国情普查所得的高精度数据为数据源，对猕猴自然保护区土地利用/覆被变化(LUCC)、动态度变化、景观格局变化及其驱动力[8]进行了分析。

1研究区概况

泽州猕猴自然保护区位于山西省太行山南端的晋城市泽州县境内，地理坐标为35°28′18′′～35°28′39′′N，112°59′8′′～112°58′59′′E，总面积937.75 km2，东起三盘山，西至指柱山，南至河南济源省界，北至花园岭,中间有蟒河流过，海拔最高达1 572 m，最低520 m。蟒河一带冬季温和，夏季凉爽，年平均气温为14 ℃，无霜期180 d，年降水量500～800 mm，空气湿润，受季风影响不大，适宜各种动植物生存。

2数据来源与研究方法

2.1数据来源与处理

自2007-07-01起，我国开展第二次全国土地调查，首次采用统一的土地利用分类国家标准和政府统一组织、地方实地调查、国家掌控质量的组织模式，并首次采用覆盖全国遥感影像的调查底图，实现了图、数、实地一致，全面查清了全国土地利用状况，掌握了各类土地资源家底。地理国情监测综合利用多源遥感数据源，采用全色影像和多光谱影像融合处理、光学影像和雷达影像融合处理等技术手段[9]，为高精度地理国情信息获取提供基础。同时，针对地理国情普查海量多源遥感影像，采用遥感影像数据集群分布式处理技术，集成正射影像自动化处理生产线，包括高效批量影像正射纠正、镶嵌、融合等，而地表覆盖信息数据采用了计算机自动分类与人工判读解释结合的方式[10]，为本文研究泽州猕猴自然保护区提供高精度的基础数据。

本文将2007年第二次土地调查和2015年地理国情普查所获得的高精度地表覆盖信息数据纳入到ArcGIS中，利用叠置分析工具将两期数据进行叠加得到土地利用类型变化表和土地转移矩阵表，利用ArcGIS将矢量数据转化为栅格数据，并将栅格数据输入Fragstats 4.2中计算得到各类景观格局指数变化，最后对所得数据进行对比分析。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用分类系统变化

由于2007年与2015年对土地利用分类不相同，为了使各时期的土地利用变化具有可比性，需要对两个时期土地利用类型进行统一分类，按照第一次全国地理国情普查总体方案中地表覆盖分类方法进行分类，将猕猴保护区土地划分为8大类，即：耕地、园地、林地、草地、道路、水域、建筑用地和未利用地，分类结果如图1所示。

图1　泽州猕猴自然保护区土地利用状况

2.2.2各土地利用类型面积转移矩阵

土地利用类型面积转移矩阵[11]是表示土地利用面积数量变化最有效的方法，通过转移矩阵可以清晰地表示两个时期不同土地利用类型间的面积相互转移数量，其转化率为

(1)

其中：Pij为研究期内土地利用类型i转移为土地利用类型j的面积转移概率；Aij为土地利用类型i转移为土地利用类型j的面积(km2)，Ai为土地利用类型i在研究期内的转移面积(km2)。

应用两时期土地利用变化图生成的新的属性数据，提取某一类用地向其他类型用地转移的面积数据，与总变化率进行的概率计算，进而生成转移矩阵。

2.2.3景观空间格局分析

对景观格局的研究一直以来都是人们关注的热门话题[12-13]，对景观格局进行定量分析[14]是研究整个格局与过程相互关系的基础，主要反映在景观指数的变化上，景观指数能在不同水平上反映出不同格局的空间特征。本文在分析景观密度指数时，选取了斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块占景观面积比例(LPI)、平均斑块面积(AREA_MN)等4个指标；在分析景观形状指数时，选取了平均斑块分维度(FRAC_MN)、面积加权的平均形状因子(SHAPE_AM)等2个指标；在分析景观聚集度指数时，选取了平均最近距离(ENN_MN)、蔓延度(CONTAG)、散布与并列指数(IJI)、斑块结合度(COHESION)、分离度指数(SPLIT)等5个指标；在分析多样性指数时，选取了香农多样性指标(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)等2个指标。各指标具体计算方法及含义详见文献[15-17]。

3研究结果与分析

3.1土地利用/覆被变化及其动态度分析

土地利用动态度指研究区内一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化。分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度。动态度只定量表示研究期间各地类的变化( 增加或减少) 幅度或快慢，是一个相对值，仅代表在某一特定时间内某一土地利用类型的相对变化速度。

(2)

其中：K为研究时段区域某一种土地利用类型变化率；Ua，Ub分别表示研究时段开始与结束时该土地利用类型的面积，T为研究时段[4]。

3.1.1土地利用变化和动态度分析

运用上述理论依据得出，2007—2015年土地利用变化情况及其动态度，如表1、图2所示。从这两期数据可知，占主导地位的林地面积增加量最大，增加了272.20 km2，动态度为6.6%，草地面积减少量最大，减少了226.31 km2，动态度为-10.63%。道路面积变化幅度最大，其动态度为36.14%。其次，水域的减少幅度和园地的增加幅度也是比较大，耕地和建设用地则有小幅度的减少，未利用地基本保持没变。

表1　泽州猕猴自然保护区土地利用/覆被面积和动态度变化

图2　泽州猕猴自然保护区各地物类型面积及百分比

3.1.2各土地利用/覆被类型相互转移变化分析

运用ArcGIS软件空间分析功能，将两个时期的土地利用现状图进行叠置分析，得到研究区两个时期各土地利用类型面积的相互转移情况如表2所示。各土地利用类型间的转移情况分为转入、转移和不变三部分。在2007—2015年间，林地的转入量最大，草地的转移量最大，而各类型不变部分的比例却很小。林地的巨大比例正促进自然保护区的可持续发展，也同时稳固了整个自然保护区生态平衡。

表2　泽州猕猴自然保护区各地物类型面积转移矩阵　km2

3.2景观格局指数变化分析

3.2.1景观面积和密度指数分析

景观面积和密度指数(见表3)分析如下：

1)从研究区各地类斑块数量和斑块密度来看，2007年斑块数量最多斑块密度最大的景观类型为耕地，其次为草地、建设用地和林地。2015年斑块数量最多和斑块密度最大的景观类型为道路，其次为草地、林地和耕地。所有景观类型的斑块数量和斑块密度变化都特别大，这与8年来该保护区的人类活动和经济发展有直接关系，导致景观破碎化程度急剧加重。从最大斑块占景观面积比例(LPI)来看，2007年和2015年林地的LPI都最大，并且，林地的LPI从2007年的10.45%增加到2015年的30.08%，说明了这段时期里林地在该区域内面积上呈增大、空间上呈连片的趋势；然而，草地的LPI却从2007年的5.16%减少到2013年的0.06%，减少幅度达到98.83%，表明了大面积的连片草地面积上在缩小、空间上被分割。从平均斑块面积来看，所有景观类型都呈现减少趋势，多样性指数下降，并呈整体同化的趋势。

2)8年来，整体斑块数量增多，斑块密度变大，平均斑块面积减小，说明整体景观更加破碎。

表3　各景观类型面积和密度指数变化

续表3

3.2.2景观形状指数分析

本文采用了平均斑块分维度(FRAC_MN)来分析景观形状特征，FRAC_MN描述斑块几何形状的复杂程度，形状越简单，越有规律，越趋于1。从图3可以清楚地看出，8年来，园地、草地和建设用地的FRAC_MN基本保持没变，其他景观类型都有所下降，并都更接近于1，其中道路下降最大，说明除园地、草地和建设用地在形状上没有什么变化外，其他类型在形状上都有所简单化，并且也更有规律性，尤其是道路，到2015年道路形状已经变的特别简单，也特别有规律可循。从整体景观来看，面积加权的平均形状因子(见表4)变大，说明整体景观变得更加有规律，更加简单化。

图3　各景观类型平均斑块分维度变化

3.2.3景观聚集指数分析

1)分离度分析 。 散布与并列指数(IJI)是描述景观分离度的指数之一，其取值越小，说明与该景观类型相邻的其它类型越少，当IJI =100时，说明该类型与其它所有类型完全、等量相邻(见表5)。

①从景观各地物类型来看，2007年的IJI指数排序为道路>园地>未利用地>林地>建设用地>水域>草地>耕地，说明道路、园地的分布聚集度高，彼此邻近，IJI值较高。而耕地由于受人类活动的影响，分布很有规律，与之邻接的斑块类型基本上受人类活动的影响，IJI值最小。自然斑块类型未利用地、林地、建设用地、水域与其他斑块类型的邻接少，受自然条件的制约。从分离度指数(SPLIT)来看，园地、道路的分布分散，分离度大，然而草地、林地分布比较集中，分离度较小。2015年的IJI指数排序为林地>建设用地>园地>草地>水域>道路>耕地>未利用地，说明林地、建设用地的分布聚集度高，彼此邻近，IJI值较高。而未利用地由于受人类活动的影响，分布较为分散，IJI值最小。未利用地和园地的分离度较大。②从整体景观来看，平均最近距离减小，总地物类型分离度减小，IJI值变大，蔓延度增加，整体景观分布聚集度变大，彼此临近，逐渐向具有多种要素的密集格局演变。

2)连通性分析。斑块结合度指数(COHESION)是对各斑块类型的物理连通性的描述。由表5可见，从2007年到2015年，林地的COHESION都最高，接近100，说明林地一直是猕猴保护区的最主要的景观类型，连通性最好。而2007年园地的COHESION最低，说明园地的分布相对分散，空间连接性较低。2015年，道路的COHESION最低，说明道路的分布相对分散，空间连接性较低。从整体景观来看，8年来COHESION增加，说明整体景观分布比较密集，连通性增强，正趋于由连通性较好的某种优势斑块类型组成。

表4　各景观类型聚集指数与多样性指数变化

表5　各景观类型聚集指数变化

3.2.4景观多样性指数分析

多样性指数是土地利用类型的多样性和复杂性的度量，多样性指数的高低反映了土地利用类型的多少以及各类型所占比例的变化。均度指数描述不同的土地利用类型分配的均匀程度。8年内景观的多样性指数(SHDI)和均匀度指数(SHEI)分别由1.12和0.54减少到0.65和0. 31(见表4)，说明该区的景观异质性在减少，景观类型有向单元化方向发展的趋势，区域景观格局愈来愈受少数斑块所控制。同时还可以看出，景观的多样性减少，复杂度降低，且均匀度减弱。

3.3景观格局动态变化驱动因子

1)人类活动驱动。 伴随着泽州猕猴自然保护区旅游向着社会化、大众化发展，旅游需求更加多样性、个性化，这对目前该保护区旅游业的粗放型增长方式提出了挑战。随着保护区接待游客量的增加，势必对其自然资源和生态环境造成破坏，从2007—2015年的景观变化可以明显看出，人类活动对该保护区造成很大的影响，主要表现在，游客量的日趋增加直接导致整体景观在研究期内的破碎化加重、蔓延度增加、聚集度变大。此外，近几年人口大量的外迁，同时也导致建设用地与耕地面积的减少。

2) 经济发展驱动。 为了促进经济的发展，对于以旅游产业为主的地区来讲，该研究区动植物栖息地的保护与面积的扩大将是其发展的关键。到2015年，研究区林地面积的急剧增加，整个景观形状规律化，多样性减少，复杂度降低，也将是经济发展驱动的一大趋势。其中，经济发展也将促进该研究区园地和道路面积的大幅度提升。

3) 政策驱动。 研究期内，林地大面积的增加，耕地和草地大面积的减少，其中，林地的增加量与草地的减少量都是最大，导致这一现象的主要原因就是政策的驱动。早在2005年之前，县镇政府就十分重视该旅游风景区的发展，一系列优惠政策的提出对该生态景区的发展产生巨大推动力。《太原市“十一五”规划纲要》中，旅游业被列为九大优势产业之一。特别是早在 20 世纪 90 年代提出，从2002年开始实施的退耕还林、绿化与封山育林等大量的国家级造林工程政策，更是导致林地大面积增加，耕地和草地面积减少的最主要原因。因此，在国家政策的强制调控下，猕猴保护区的林地才得以保护，并且在其基础之上面积又有所增加。

4 结论

本文以我国第二次全国土地调查和地理国情普查所得的高精度数据为数据源，对泽州猕猴自然保护区进行了研究， 主要结论如下：

1)2007—2015年间，泽州猕猴自然保护区LUCC的总体变化趋势是林地大面积增加，草地大面积减少，道路大幅度增加，且动态度最大。并且在研究期内，各地类转出量以转为林地为主，其中，草地转为林地的比例最大，占草地总转出量的91%，此外，林地转化为其他各地类的比例也很大。

2)景观在研究期内也发生了显著变化，总的来说，整个研究区景观的整体斑块数量增多，斑块密度变大，平均斑块面积减小，景观破碎度增强。面积加权的平均形状因子变大，整体景观形状变得更加有规律，更加简单化。平均最近距离减小，分离度减小，散布与并列指数值变大，蔓延度增加，景观分布聚集度变大，彼此临近，逐渐向具有多种要素的密集格局演变。斑块结合度增加，连通性增强。景观的多样性减少，复杂度降低，且均匀度减弱。

3)受人为活动、经济发展和政策驱动的影响，猕猴保护区景观格局发生了明显变化，林地的大面积增加，耕地和草地大面积减少，道路的大幅度增加都是其驱动的结果。其中，人为活动在猕猴保护区的土地利用景观格局变化过程中起到关键性作用，然而政策因素起到了至关重要的作用。

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[责任编辑：刘文霞]

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.10.007

收稿日期：2016-03-01

基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1304402)；卫星测绘技术与应用国家测绘地理信息局重点实验室经费资助项目(KLAMTA-201405)；河南省高校科技创新团队支持计划资助项目(14IRTSTHN026)

作者简介：马慧慧(1990-)，女，硕士研究生.

中图分类号：F301;P237

文献标识码：A

文章编号：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