秦岭地区林地与草地景观格局变化及其驱动因素

郭少壮,白红英,2,*,孟 清,赵 婷,黄晓月,齐贵增

1 西北大学, 西安 710127 2 陕西省地表系统与环境承载力重点实验室, 西安 710127

景观格局包括景观组成单元的类型、数目以及空间分布,是自然因子和社会因子综合作用于地理空间上的表现结果,一切自然营力和人类活动都将引起景观格局的变化[1- 2],景观格局的特征及其变化又对生态系统的结构、功能和过程产生着重要影响[3- 5]。随着全球气候变化以及人类活动的日益频繁,景观格局受到外界干扰程度越来越大,对景观格局变化驱动力的研究是理解人类活动与景观格局演化关系的基础[6- 7]。因此,研究区域景观格局的动态变化及其驱动因素有助于揭示自然环境与人类社会相互作用的关系,对生态系统演化具有重要意义[8]。

景观格局指数是分析景观格局变化时常用的工具,其简单、方便的特点在景观生态学研究中得到广泛应用[9]。随着地理信息系统(GIS, Geographic Information System)和遥感技术(RS, Remote Sensing)的发展,目前,国内外景观格局变化研究主要采用GIS和RS技术与景观格局指数相结合的方法进行定量和定性的分析[10]。不同学者对于城市、森林、湿地、以及海域为水平的景观格局变化均有研究[11- 12],近年来,随着人口数量和经济水平的快速增长,人类对林地和草地等自然资源的过度以及不合理地开发逐渐增加,林地和草地作为重要的环境资源,是陆地生态系统重要组成部分,其减少将会严重影响区域生态环境质量及生态系统的稳定性和多样性,对于林地与草地景观格局时空演变已成为景观格局研究的热点领域[13- 15],国内外学者已做了大量的单独研究林地与草地景观格局时空演变及其驱动机制。王美玲等[16]分析了长白山保护区森林景观格局动态变化,结果表明长白山保护区及周边林业局景观破碎化程度加重,受人为干扰明显；张韬等[17]研究了辉腾锡勒风电场的建设对草原景观格局的影响,结果表明该地区草原生态系统稳定性下降主要由风机和风机检修路面积增加导致的。

秦岭位于我国中部,被称为中国地理的自然标识[18],是亚热带与暖温带以及湿润与半湿润气候重要的分界线,也是我国自然地理的过渡带及东亚地区生物多样性最丰富的热点地区之一[19],亦是人为活动和气候变化响应的敏感区。秦岭地区主要以林地和草地景观类型为主,以往的研究多集中于小尺度研究,对于秦岭地区大尺度、长序列林地与草地景观格局时空变化及驱动力的研究相对缺少。因此,本文基于1980—2015年Landsat影像数据,提取出秦岭地区林地和草地景观类型空间分布图,利用GIS空间分析和景观格局指数法研究了秦岭地区林地与草地景观分布及其空间格局变化特征,并利用主成分分析和相关系数法对其人为和自然两大驱动因子进行分析,旨在揭示秦岭地区林地与草地景观格局演变特征及其驱动因素,以期为该区生态系统管理和资源的可持续利用提供科学依据和理论支撑。

1 研究区概况

本研究所指的秦岭为狭义的秦岭(图1),位于陕西省南部,渭河以南,汉江以北,东西以陕西省省界为界,地理坐标范围105°28′—111°3′E,32°28′—34°40′N,包括36个县(市、区),总面积达6.37万 km2,约占陕西省总面积的31%。该区海拔范围195—3771.2 m,平均海拔1157.92 m,地势由东向西逐渐升高,北坡陡峭而南坡相对平缓[20]；年均温约为-4—17 ℃,年降水量约为600—1200 mm[21],素有“世界生物基因库”和“天然药库”之称[22]。研究区植被类型非常丰富,秦岭以北以落叶阔叶林为主,以南以常绿阔叶、落叶阔叶混交林为主[18]；生态系统类型以自然生态系统为主,自然生态系统又以陆地生态系统为主,主要包括森林生态系统和草地生态系统。

图1 研究区位置Fig.1 The location of the study area

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究采用中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn)提供的陕西省1∶10万土地利用数据,空间分辨率为30 m,共包括1980年、1990年、2000年、2005年、2010年、2015年6期影像,该数据将研究区划分为林地、草地、耕地、建设用地、水域、未利用地6大类型,以此提取出研究区林地和草地景观类型,林地包括有林地、灌木林地、疏林地和其他林地,草地包括高覆盖度草地、中覆盖度草地和低覆盖度草地。其中高覆盖度草地指覆盖度>50%的天然草地、改良草地和割草地,此类草地一般水分条件较好,草被生长茂密；中覆盖度草地指覆盖度在20%—50%间的天然草地和改良草地,此类草地一般水分不足,草被较稀疏；低覆盖度草地指覆盖度在5%—20%的天然草地,此类草地水分缺乏,草被稀疏,牧业利用条件差。

气象数据来源于陕西省气象局；总人口数量和国民生产总值(GDP)数据来源于陕西省统计年鉴；DEM数据来源于国家测绘局,分辨率为25 m×25 m；坡度、地形起伏度均由DEM提取所得。

2.2 研究方法

2.2.1景观格局指数分析法

本研究依据研究区景观类型特征和景观格局指数的生态学意义[2],分别从斑块类型水平上和景观水平上选取不同景观指数。斑块类型水平上选取了最大斑块指数(LPI, Largest patch index)、景观形状指数(LSI, Landscape shape index)、斑块密度(PD, Patch density)、聚集指数(AI, Aggregation index)4种指数,从景观水平上选取了景观形状指数(LSI)、蔓延度(CONTAG, Contagion index)、聚集指数(AI)、香农多样性(SHDI, Shannon′s diversity index)4种指数。林地和草地景观格局指数运用Fragstats 4.2软件分别采用标准法和移动窗口法进行计算。

2.2.2相关性分析

基于林地和草地景观格局指数空间分布图及海拔、坡度、地形起伏度等地形环境因子分布图,利用ArcGIS 10.2中的band collection statistics方法,分别计算秦岭地区林地和草地景观格局指数与不同地形环境因子的相关系数,分析景观格局指数与地形环境因子的相关性。

2.2.3人为干扰度的构建

为了分析人为干扰度对秦岭地区林地和草地的综合影响,根据前人的研究成果[23],结合研究区景观分类系统[24],基于地表覆盖面积权重构建秦岭地区人为干扰度指数[23- 25]。人为干扰计算公式如下[26]：

式中,M代表人为干扰度；n为统计单元内景观类型个数；Hi为第i类景观类型对应的干扰指数；S为统计单元的总面积；Si为统计单元内第i类景观类型面积。

2.2.4驱动力分析

为了探讨人类活动及气候影响因素对秦岭地区林地和草地景观格局变化的影响机制,人类活动主要考虑了总人口数量、GDP、耕地面积、建设用地面积、人为干扰度等因素,气候驱动力主要考虑了温度和降水,并利用主成分分析法以及线性相关性对引起景观格局变化的因素进行筛选。

3 结果与分析

3.1 秦岭地区林地与草地分布状况

1980—2015年秦岭地区林地与草地空间分布如图2所示。截至2015年,秦岭地区林地和草地总面积为45917.45 km2,占研究区总面积的72.06%,其中有林地面积为13685.67 km2,占林地和草地总面积的29.80%,其次为高覆盖度草地和中覆盖度草地,分别占比为22.11%、21.97%,其他林地和低覆盖度草地分布面积相对较小,分别占比为0.38%和3.38%。秦岭地区地势由东向西逐渐升高,北坡陡峭而南坡相对平缓[21],结合秦岭地区地形地貌特征,林地与草地空间上具有明显的地形分布差异性,其中林地主要分布于研究区中西部,海拔较高且坡度较大,草地主要分布于研究区东南部,秦岭北坡的西安市以及南坡的汉中市地区林地和草地分布明显较少,此区域海拔较低且地势相对平坦,人类开发利用的强度较高。综合表明秦岭地区林地和草地空间格局与地形地貌存在较大的相关性。

图2 1980—2015年秦岭地区林地和草地景观类型分布图Fig.2 The spatial distribution of woodland and grassland in Qinling Mountains from 1980 to 2015

3.2 秦岭地区林地与草地景观动态变化特征

1980—2015年秦岭地区林地和草地面积变化趋势如图3所示。35年来,林地和草地总面积呈减少趋势,净减少了309.44 km2。林地4种类型中,有林地、灌木林地、疏林地和其他林地的面积呈不同程度的增加趋势,共增加了201.23 km2；草地中,高覆盖度草地、中覆盖度草地和低覆盖度草地面积均呈减少趋势,共减少了510.68 km2,表明草地减少占林地和草地总面积变化的主导地位。

图4为1980—2015年秦岭地区林地和草地空间转移。研究时段内,林地和草地大部分区域未发生转移变化,区域内整体景观格局变化相对较小,但以西安市为中心的周边区域变化最为明显,主要由于近年来西安市城市化进程的加快,建设用地的持续增加并占用大面积的林地和草地,侵占面积达86.19 km2,仅次于耕地的侵占。林地和草地增加的区域主要呈点状分布于秦岭山区,其主要来源于耕地的转移,由于近年来国家对于秦岭地区自然生态系统的保护以及退耕还林还草政策的实施,秦岭山区的耕地多转化为林地和草地。

图3 1980—2015年秦岭地区林地与草地面积变化图Fig.3 The area change of woodland and grassland in Qinling Mountains from 1980 to 2015

图4 1980—2015年秦岭地区林地和草地空间转移图Fig.4 The spatial change of woodland and grassland in Qinling Mountains from 1980 to 2015图a和图b分别表示林地减少和林地增加的典型样区,图c和图d分别表示草地减少和草地增加的典型样区

3.3 秦岭地区林地与草地景观格局变化特征分析

3.3.1斑块水平上景观格局变化特征

图5为1980—2015年秦岭地区斑块水平上各时期景观格局指数变化趋势。35年来,各景观类型斑块密度整体上呈增加趋势,表明7种景观类型的斑块破碎化程度均有所增加；有林地最大斑块指数最高,表明有林地是研究区的优势景观类型,且在研究区内呈片状分布；高覆盖度草地和中覆盖度草地景观形状指数较高,说明高覆盖度草地和中覆盖度草地景观斑块形状复杂,且各类的景观形状指数呈不同程度的增加,表明秦岭地区林地和草地斑块形状逐渐呈不规则变化趋势；有林地、灌木林地的聚集指数最大,且变化趋势相对稳定；其他林地、中覆盖度草地、低覆盖度草地聚集指数相对较低且下降幅度较大,表明其空间分布较为分散,破碎化程度增加,连通性降低。

3.3.2景观水平上景观格局变化特征

图6为1980—2015年秦岭地区景观类型上各时期景观格局指数变化趋势。35年来,秦岭地区景观形状指数、香农多样性指数呈先增加后下降的趋势,整体呈增加趋势,表明林地和草地景观形状变得逐渐复杂,景观异质性和景观丰富度增加,2005年后有所改善,主要由于秦岭地区生态环境保护政策的实施以及保护强度的增加,景观形状趋于规则,景观异质性下降；蔓延度和聚集指数整体上呈下降趋势,表明秦岭地区林地和草地景观破碎化程度增加,连接性降低。

图5 秦岭地区林地和草地斑块水平指数变化图Fig.5 The index variation of woodland and grassland at the patch level in Qinling Mountains

图6 秦岭地区林地和草地景观水平指数变化图Fig.6 The index variation of woodland and grassland at the landscape level in Qinling Mountains variation

3.3.3基于移动窗口法林地和草地景观指数空间分异特征

通过移动窗口分析法可以更为直观地了解秦岭地区景观格局的空间分异特征[27],2015年林地和草地景观格局指数的空间分布如图7所示。秦岭地区林地和草地斑块密度整体相对较低,表明秦岭地区林地和草地空间分布相对集中,破碎化程度较低,其中草地斑块密度最大值高于林地,说明草地较林地破碎。林地最大斑块指数、聚集指数高值区主要集中分布于研究区中西部,低值区主要分布于研究区东部,景观形状指数空间分布与之相反,表明研究区中西部林地为优势景观类型,景观形状较为规则且分布集中连片。草地最大斑块指数、聚集指数高值区主要呈斑块状分布于研究区东南部,景观形状指数高值区呈零星状分布于研究区南部,表明研究区东南部草地分布相对较多,聚集程度相对较高,研究区南部草地斑块形状相对不规则。

表1为秦岭地区林地和草地景观格局指数与地形环境因子的相关系数。分析表明,秦岭地区林地和草地景观格局指数与海拔的相关性最好,林地最大斑块指数、聚集指数与海拔呈正相关,斑块密度、景观形状指数与海拔呈负相关,表明随着海拔的增加,林地的优势度、斑块团聚程度增加,景观形状复杂程度降低；草地聚集指数与海拔呈正相关,斑块密度、最大斑块指数和景观形状指数与海拔均呈负相关,表明随着海拔的增加草地优势度降低,但景观形状趋于规则,斑块聚集度增加。景观格局指数与坡度及地形起伏度的相关性具有相似性,林地最大斑块指数、斑块形状指数、聚集指数随着坡度和地形起伏度的增加而增加,斑块密度与之相反,表明坡度和地形起伏度越大,林地的优势度和聚集度越大,而景观形状越趋于不规则；草地最大斑块指数、聚集指数随着坡度和地形起伏度的增加而增加,斑块密度和景观形状指数随着坡度和地形起伏度增加而减小,表明随着坡度和地形起伏度增加,草地优势程度、聚集程度以及规则化程度均有所增加。综合表明基于移动窗口法获得的秦岭地区林地和草地景观格局指数空间分布特征明显,在地形因子作用下呈现一定的地形梯度性。

图7 2015年秦岭地区林地与草地景观格局指数空间分布特征Fig.7 Spatial distribution of woodland and grassland landscape pattern index in Qinling Mountains in 2015

表1 林地和草地景观格局指数与地形环境因子的相关系数

Table 1 Correlation coefficient between woodland and grassland landscape pattern index and terrain environment variables

地形因子Terrain environment variables林地Woodland草地GrasslandPDLPILSIAIPDLPILSIAI海拔Altitude-0.100.44-0.100.24-0.07-0.04-0.160.07坡度Slope-0.020.160.020.07-0.030.07-0.010.05地形起伏度Relief degree of land surface-0.030.200.010.09-0.030.06-0.020.06

LPI最大斑块指数,PD斑块密度;LSI景观形状指数;AI聚集指数

3.4 35年来秦岭地区林地和草地景观变化驱动因素分析

景观格局变化是自然驱动因子和人为驱动因子综合影响的直观表现[28],按照特征值大于1以及累计贡献率大于95%的原则提取了前2个主成分,主成分载荷矩阵如表2所示。第1个主成分解释了总变量的76.92%,第2个主成分解释了总变量的18.45%,总人口数量、建设用地面积等在第1主成分上的载荷较大,年降水量在第2主成分上的载荷较大,因此将2个主成分分别概括为人为活动干扰因素和气候因素。

3.4.1人为活动干扰因素分析

图8为林地和草地总面积与不同驱动因素的相关性,结果表明,秦岭地区林地和草地总面积的变化趋势与社会经济活动密切相关。总面积与GDP、总人口数量、建设用地面积以及人为干扰度呈负相关,其中与GDP、建设用地面积呈显著负相关(P<0.05),与人为干扰度呈极显著负相关(P<0.01),而与耕地面积呈不显著正相关。

表2 主成分载荷矩阵

1980—2015年,秦岭地区人口数量、GDP、建设用地面积呈显著增加趋势,分别从1548万人、86亿元、1013 km2增加到2074万人、8447亿元、1756 km2,基于地表覆盖面积权重构建的人为干扰度指数从1980年的3.895增加到2015年的3.909(表3),其中总人口数量、GDP、建设用地面积对秦岭地区林地和草地总面积变化的解释率R2分别为0.60、0.73和0.79,人为干扰度指数的解释率为0.91。研究时段内,秦岭地区林地和草地总面积整体呈减少趋势,主要由于人口数量的持续增长和经济的快速发展而引起的,从而促进建设用地的扩建并占用大面积的耕地,为了满足粮食的供给,林地和草地又转化为耕地,表现最明显的区域当属西安市及周至县与眉县的交界处(图4)。此外秦岭地区旅游业的发展、道路的扩张等人为干扰活动直接或间接的导致了生态系统被分割、干扰、破坏等影响[29-30],加剧了区域内景观的破碎化程度。

表3 1980—2015年秦岭地区驱动因素变化

3.4.2气候因素分析

由表3可知,1980—2015年秦岭地区年均温有明显的上升趋势,而年均降水量整体呈波动变化趋势但基本保持稳定,35年来,林地和草地总面积与温度呈负相关,与降水呈正相关,但均未达到显著性(图8),解释率R2分别为0.55和0.36。有资料显示,秦岭地区植被生长受气温和降水共同影响,而对气温变化敏感度较高,尤其高海拔区[31],且秦岭山地林线区NDVI对气候变化响应也非常敏感[21]。气温主要通过蒸发作用影响景观格局的变化,降水量的波动会对粮食产量造成一定的影响[28],而与人类活动相比,人类活动对秦岭地区植被变化的影响更为显著[18]。综合表明,气候因素对秦岭地区景观格局的影响整体小于人为活动干扰因素。

图8 林地和草地总面积与主要驱动因素的相关性Fig.8 Correlation between total area of woodland and grassland and main driving factors

综上所述,秦岭地区景观格局变化受到人为活动干扰因素和气候因素的综合影响,人为活动干扰因素是影响秦岭地区林地和草地变化的主要驱动因素,气候因素次之。另一方面,国家宏观政策对秦岭地区景观格局变化起重要的导向作用,20世纪80年代国家大力提倡经济建设,秦岭地区林地和草地等自然景观遭到严重的破坏,1998年国家启动天然林保护工程,1999年又实施了退耕还林还草政策,秦岭地区积极响应国家宏观政策推进区域生态环境建设及安全保护,如商南县实施“厂防工程”、退耕还林还草以及“天保工程”,略阳县在实施以上政策的基础上还实行了水土保持、珍稀动植物保护等工程[30],直接推动了秦岭地区林地和草地等景观类型面积的变化。

4 结论

以1980—2015年土地利用数据集为数据源,提取出秦岭地区林地和草地景观类型空间分布图,并利用GIS空间分析、景观格局指数及主成分分析法等方法,研究了近35年来秦岭地区林地与草地景观格局时空变化及其驱动因素。主要结论如下：

(1)林地和草地是秦岭地区主要景观类型,约占研究区总面积的72%,其中有林地为优势景观类型,其次为高覆盖度草地和中覆盖度草地,其他林地和低覆盖度草地分布面积相对较小,空间分布与地形地貌存在较大的相关性,林地主要分布于研究区中西部,草地主要分布于研究区东南部；1980—2015年秦岭地区林地和草地总面积整体呈减少趋势,净减少了309.44 km2,草地减少占总面积变化的主导地位；空间变化上,林地和草地整体景观格局变化相对较小,以西安市为中心的周边区域变化最为明显,以向建设用地和耕地转移为主。

(2)景观指数分析表明,秦岭地区林地和草地景观破碎化程度逐渐增加,连通性降低,景观异质性增强且景观形状更为复杂,草地较林地变化明显；空间分布上,基于移动窗口法获得的秦岭地区林地和草地景观格局指数空间分布特征明显,在地形因子作用下呈现一定的地形梯度性,尤其与海拔的相关性最好,其次为地形起伏度和坡度。

(3)人为活动干扰及气候因素的变化共同影响着秦岭地区林地和草地景观格局的变化,人为活动干扰是影响秦岭地区林地和草地景观格局变化的主要驱动因素,其中总人口数量、GDP、建设用地面积及人为干扰度为主要的驱动因素；气候因素对其景观格局变化的影响相对较小,温度和降水对林地和草地总面积变化的解释率R2分别为0.55和0.36；同时国家宏观政策对秦岭地区景观格局变化起重要的导向作用,主要包括天然林保护工程以及退耕还林还草政策。

秦岭是我国中部最重要的生态屏障及全球生物多样性最丰富的地区之一[19],林地和草地是该区主要景观类型,林地和草地面积的减少及其景观的破碎化程度增加将会严重影响该区域生态环境安全性与健康可持续发展。秦岭地区植被垂直带分布特征非常明显,且自身具有良好的完整性,秦岭还是我国南水北调中线工程重要的水源涵养地,具有较好的生态系统水源涵养功能[32- 33],而随着该区建设用地的侵占、道路的扩张等人类活动干扰的增加,将会破环该区生态环境的完整性及连通性,尤其中高海拔生态系统脆弱区及敏感区,植被垂直带分布也会受到一定的影响,从而影响生物多样性及其空间分布格局,并且可能会降低该区域水源涵养能力、净初级生产力以及引起土壤侵蚀、河流污染等一系列环境问题。因此,为了实现该区生态系统保护及青山绿水的发展战略,需要减缓秦岭地区人为活动干扰,尤其秦岭北麓地区人为活动的过度影响,制定合理的资源开发利用政策,并建立生态系统保护红线,维护林地和草地的平衡性及完整性,是实现该区生态系统管理和资源的可持续利用的关键。