1990—2019年南山国家公园土地利用及总体景观格局动态变化

杨雅丽,曹福祥

（湖南农业大学风景园林与艺术设计学院，湖南 长沙410128）

土地覆盖是指地球表层的自然属性和生物物理属性，土地利用是指土地的使用状况[1]。土地利用/覆盖变化是造成全球变化的重要原因[2]。随着景观生态学的观点和方法在土地利用/覆被变化研究与应用的深入[3]，景观格局逐渐成为土地利用变化研究的重要分析手段[4],景观格局是自然因素和社会因素共同作用的结果[5]。根据相同土地利用类型具有相似景观格局特征的原理，应用景观生态学分析方法，可以定量地描述不同土地利用类型的景观格局特征[6]。许多学者利用土地转移矩阵及景观格局指数等方法探究研究区域土地利用及景观格局特征变化规律，并为研究区域提供相应的规划和保护策略[3、7-9]。

聚焦南山国家公园景观格局的时空动态变化，研究试点前后生态环境是否改善，是反证国家公园的设立是否优化当地景观格局的佐证。从长远来看，可为当地政府提供后续保护南山国家公园的相关策略，继续深化保护，也为其他地区建立以国家公园为主体的自然保护地模型提供实践范例支撑。

1 研究区域概况

南山国家公园位于湖南省邵阳市城步苗族自治县，占城步苗族自治县总面积的1/4，北连武冈、南邻广西、东接新宁、西接通道，涵盖儒林镇、茅坪镇、汀坪乡等区域。国家公园体制始于美国黄石国家公园，设立国家公园此举也是在国土空间规划大趋势之下，整合国土自然资源。湖南南山国家公园囊括原南山风景名胜区、金童山国家级自然保护区等若干保护地，涵盖草甸、湖泊、河流、湿地等多种景观类型，生态系统复杂多样，种质资源丰富、自然资源代表性和典型性突出、自然景观和人文景观独特，是长江中下游地区重要的生态安全屏障。境内包括国家Ⅰ级重点保护野生生物7 种（植物4 种，动物3 种），国家Ⅱ级重点保护野生生物56 种（植物22 种，动物34 种），代表有银杉、资源冷杉[10]、白颈长尾雉、林麝[11]等国家一、二级保护动植物；在第6 次全国人口普查的结果表示，在城步的常住人口中，有苗、汉、侗等24 个民族，占总人口的62.47%，由此所呈现的多民族交融的人文景观也是大有不同。

图1 研究区区位示意图Figure 1 Schematic diagram of the location of the study area

国家发改委及相关部门于2015年联合印发了《建立国家公园体制试点方案》，同年，湖南省确定在邵阳市城步县境内开展国家公园体制试点，并编写了试点实施方案，第二年获国家发展和改革委员会批复通过。在相关政策方面，研究区全面推行林长制、实施生态移民政策、设立生态扶贫专项资金等，在基础设施方面，搭建智慧管理系统平台等建设项目等，在生态旅游方面，打造“南山品牌”、推进红色文化景点建设等。

研究区主要以中山地貌为主，地貌特征兼有山地、丘陵、湖泊、河流、岗地、溶洞等，地势高低错落，主要呈南高北低之势，其中山地占整个研究区面积90%以上，地势复杂；研究区属中亚热带山地气候，立体气候显著，局部小气候效应明显，常形成逆温效应，多表现为山腰气温反比山脚高，区内沟谷溪河纵横，储水构造多样，其中巫水为区内最大河流，并包括白云湖、大坪水库、茅坪水库、深冲河水库等重要的水源涵养地。年平均气温约为18℃，年平均降雨量约为1400mm，平均2 分钟风速约为2.5m/s。

2 研究方法

2.1 遥感数据来源及处理

本研究主要选取Landsat TM/Landsat ETM/Landsat OIL 多光谱影像，选择1990-2019年间涵盖研究区完整区域的少云或无云同一季节影像。所选时段云量较少，植被生长茂盛，地物分界明显，便于解译。10年为1期，共4 期，周期29年。遥感影像数据来源于美国地质勘探局网站（https://glovis.usgs.gov/）。本文基于支持向量机[12]，结合监督分类进行土地利用分类。参考湖南南山国家公园科考报告、统计年鉴等辅助信息，经辐射定标、大气校正、波段运算等处理手段。结合土地资源及其利用属性并实地调研验证，将土地类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地及其他用地六大类。利用混淆矩阵模型进行精度计算，总体分类精度均大于85%，满足误差精度要求。

2.2 土地利用各类型面积变化

图2 1990 至2019年间各类型土地利用面积Figure 2 Land use area of various types from 1990 to 2019

图3 1990 至2019年间各类型土地利用面积占比Figure 3 Various types from 1990 to 2019 proportion of land use area

2.3 土地利用分类

图4 1990、2000、2010、2019年土地利用分类图Figure 4 Classification of land use in 1990, 2000, 2010 and 2019

通过研究区单一土地利用动态度可知（表1），1990—2000年间水域动态变化度最大 （20.06%），其次为耕地 （3.88%）；2000—2010年间其他用地动态度最大（2.61%），其次为耕地 （-1.64%）；2010—2019年间其他用地动态变化度最大（-6.23%），其次为建设用地（3.25%）。通过研究区综合土地利用动态度数据可知，变化速率相比，1990—2000年＞2010—2019年＞2000—2010年。

表1 南山国家公园土地利用动态度Table 1 Land use dynamics of Nanshan national park

1990—2019年土地利用类型动态度表明，水域＞其他用地＞建设用地＞耕地＞草地＞林地。1990—2019年间总体而言，水域变化的增长速度最快、其他用地变化的减少速度最快；其中，水域的变化呈现迅速递增，后平缓增加，再平稳减少，水域在1990—2000年间增加速度最快；草地、耕地的变化呈现平稳增加后持续下降的趋势，且草地、耕地在2010—2019 间减少速度最快；建设用地、林地的变化呈现持续增长的趋势，且建设用地、林地在2010—2019年间增长速度最快；其他用地的变化呈现波动状，表现为先迅速减少，后平缓增加，再迅速减少，其他用地在2010—2019年间减少速度最快。

2.4 土地转移矩阵

土地利用类型转移矩阵是研究区域土地利用变化的重要指数，可以全面而具体地刻画区域土地利用变化的结构特征与各用地类型变化的方向[13]。并可以反映某一区域某一时段期初和期末各个景观类型面积之间相互转化的动态过程信息，其中不仅包括静态的某时间点的各景观类型面积数据，还含有更为丰富的期初各景观类型面积转出和期末各景观类型面积转入的信息[14]。

其表达式为：

图5 1990-2000、2000-2010、2010-2019、1990-2019 土地转移矩阵模型Figure 5 Land transfer matrix models of 1990-2000, 2000-2010, 2010-2019, and 1990-2019

由表2 可知，南山国家公园1990—2019年间变化较大的土地利用类型主要特点可概括为：

表2 1990-2019年土地转移矩阵面积（单位：km2）Table 2 Area of Land Transfer Matrix from 1990 to 2019 (Unit: km2)

（1）草地。在此期间，草地面积净减少4.88 km2，转出面积为26.81 km2，主要有22.17 km2草地转化为林地，3.11 km2草地转为其他用地。同时，草地的转入面积为21.93 km2，主要来源是林地和其他用地，面积分别是13.42 km2和7.57 km2。

（2）耕地。在此期间，耕地面积净减少2.50 km2，转出面积为8.84 km2，主要有4.50 km2转为林地，2.26 km2转为建设用地。同时，耕地的转入面积为6.34 km2，主要来源是林地，面积为4.51 km2。

（3）建设用地。在此期间，建设用地面积净增加3.76 km2，转出面积为4.65 km2，主要有3.17 km2转为林地。同时，建设用地的转入面积为8.41 km2，主要来源是林地和耕地，面积分别是4.20 km2和2.26 km2。

（4）林地。在此期间，林地面积净增加23.79 km2，转出面积为28.05 km2，主要有13.42 km2转为草地，4.51 km2转为耕地。同时，林地的转入面积为51.85 km2，主要来源是草地和其他用地，面积分别为22.17 km2和21.40 km2。

（5）其他用地。在此期间，其他用地面积净减少24.55 km2，转出面积为29.71 km2，主要有21.40 km2转为林地，7.57 km2转为草地。同时，其他用地的转入面积为5.17 km2，主要来源是草地，面积主要为3.11 km2。

（6）水域。在此期间，水域面积净增加4.37 km2，转出面积为1.41 km2。林地的转入面积为5.77 km2，主要为林地和耕地，面积分别为3.93 km2和1.68 km2。

3 总体景观格局变化

3.1 景观水平景观指数的选取

空间分布/景观格局指数是高度浓缩的景观格局信息，是反映景观结构组成、空间配置特征的简单量化指标[15]。可以能更好地解释与理解景观功能[16]。

3.2 密度大小及差异性分析

由表3 可见，斑块数量(NP) 从1990年6445 个增长到了2000年的10460 个，最后减少到2019年的8367，总体呈增加趋势；斑块密度(PD)也随之变化，由1990年的9.6795 个增长到了2000年的15.6777，最后减少到2019年的12.5407 个，总体呈增加趋势，斑块数量和斑块密度的增加说明小斑块数量减少，小斑块趋于整合，大斑块数量增加，场地破碎化程度减弱，受干扰程度降低，从变化情况来看，2010—2019年相对于1990-2000年受干扰程度有所下降、破碎化程度有所缓减，佐证景观保护措施有效。

表3 1990-2019 景观水平景观格局指数的选取Table 3 1990-2019 Selection of landscape level landscape pattern index

图6 1990-2019年景观格局指数NP 变化Figure 6 NP change of landscape pattern index from 1990 to 2019

图7 1990-2019年景观格局指数PD 变化Figure 7 Change of PD of landscape pattern index from 1990 to 2019

3.3 面积指标

由表3 可见，最大斑块指数（LPI）由1990年的81.2542 持续递增至2019年的83.79。在景观中，占主导地位的大面积斑块占据的优势地位逐渐加大，受人为干扰影响程度降低，且大斑块的主导地位稳定，景观格局则愈加稳定。

3.4 边缘指标

边缘密度(ED)也由1990年的38.218 增加到了2000年的43.9595，最后减少到2019年的32.3038。边界密度总体呈减少趋势，边缘密度指数的降低表示景观（类型）的边缘效应显著，相邻两斑块类型之间的边缘长度减少各斑块的开放性增强，生境之间的可达性增加，同周围斑块的物质能量流通性增强。

图8 1990-2019年景观格局指数LPI 变化Figure 8 change of landscape pattern index LPI from 1990 to 2019

图9 1990-2019年景观格局指数ED 变化Figure 9 Change of landscape pattern index ED from 1990 to 2019

3.5 形状指标

周长面积分维数（PAFRAC）由1990年的1.3489 减少到2000年1.2862，再增加到2010年的1.2923，后减少到2019年的1.2865。总体而言，近30年间，受干扰程度略微下降，但是边界形状仍较复杂。景观类型形状指数(LSI)从1990年28.5107 个增长到了2000年的32.3755 个，后减少到2019年的24.8509 个。景观类型形状指数总体呈减少趋势，表现为斑块往“规则”“简单”趋势发展，侧面反映研究区受人为干扰逐渐减少。

图10 1990-2019年景观格局指数PAFRACFigure 10 Landscape pattern index PAFRAC from 1990 to 2019

图11 1990-2019年景观格局指数LSI 变化变化Figure11 Change of LANDSCAPE pattern index LSI from 1990 to 2019

3.6 景观聚散性分析

景观破碎度指数（SPLIT）从1990年的1.5125 增加到2000年的1.6204，后减少到1.4199；连通度指数(COHESION)从1990年的99.7216 增加到2000年的99.8539，最后增加至2019年的99.8747。总体呈现增加后减少后增加的波动趋势，但整体连通性指数值还是呈现增加态势，反映景观的整体性变高，景观的集合性增强。聚集度指数（AI）从1990年的93.9864 持续增加，至2019年的97.4329，此表现为景观中的小斑块数量减少，小斑块集聚成大斑块，集聚性变强。散布与并列指数（IJI）从1990年的67.6333 持续增加，至2019年的77.2081，此表现为该斑块与其他斑块之间邻接性变高。

图12 1990-2019年景观格局指数SPLIT 变化Figure 12 change of landscape pattern index SPLIT from 1990 to 2019

图13 1990-2019年景观格局指数COHESION 变化Figure 13 Changes of landscape pattern indexes COHESION from 1990 to 2019

图14 1990-2019年景观格局指数AI 变化Figure 14 change of landscape pattern index AI from 1990 to 2019

图15 1990-2019年景观格局指数IJI 变化Figure 15 change of landscape pattern index IJI from 1990 to 2019

3.7 景观多样性分析

图16 1990-2019年景观格局指数SHDI 变化Figure 16 change of landscape pattern index SHDI from 1990 to 2019

图17 1990-2019年景观格局指数SHEI 变化Figure 17 change of LANDSCAPE pattern index SHEI from 1990 to 2019

香农多样性指数（SHDI）从1990年的0.5955 持续减少至2019年的0.4918，景观中的斑块数量、斑块类别略有减少。香农均匀度指数（SHEI）从1990年的0.3323 持续减少至2019年的0.2745，景观中小斑块数量减少，优势斑块增加，且占主导地位。

4 结论

湖南南山国家公园是国家首批十个国家公园试点之一，是我国景观多样性，资源丰富性的典型代表，是长江地带重要的水源涵养地，为调节区域气候、碳平衡调节[17]、水土调节[18]等提供重要支撑作用。但林木砍伐、水利开发、道路扩张等人为干扰因素切割了原始生态斑块，阻断了生态廊道，影响了景观格局中的物质循环、能量流动[19]，导致景观空间结构单元发生了一系列变化。

（1）南山国家公园在1990—2019年期间，土地利用方式的变化，主要表现在林地、水域和建设用地面积的增加，其他用地、草地和耕地面积的减少。

土地转移矩阵所反映的情况而言，面积净增加量最多的是林地，主要来源于草地和其他用地，林地的面积主要是研究区大力推行“植树造林”政策，裸露的其他用地、自然群落的演替使林地逐渐成为一个整体，并且优势地位逐渐上升；其次是水域，主要来源于林地和耕地，主要是因为白云湖水库的挖掘，使原有林地和耕地转为了水域，这也从侧面印证了人为干扰对景观格局的影响。

面积净减少量最多的是其他用地，主要转为草地和林地，其他用地的减少，证明其他用地的土地利用效率加快，自然植被覆盖率增加；其次是草地，主要转为林地和其他用地，草地转为林地主要是因为自然演替，草地转为其他用地，主要是由于草地的退化，草场裸露等。

（2）从景观水平看，南山国家公园地区，1990—2019年期间，斑块数量及斑块密度呈迅猛增加后逐渐递减趋势，总体上看，景观破碎度呈下降趋势，聚集度上升；景观中小斑块数量较少，优势斑块增加，且占主导地位；景观多样性减少；景观的整体性变高，集合性增强；斑块与斑块之间邻接性变高。

结合前文土地利用动态变化的判断结合研究区实际，经济社会统计数据来源于中国知网统计年鉴官网（https://data.cnki.net/yearbook/）及《2000—2018 中国县域统计年鉴》，可以判断为1990—2000年之间以第一、二产业为主的经济结构、白云湖水库的修建、南山牧场的过度放牧等对研究区的干扰影响较大。2000-2010年间，“植树造林”“退耕还林”政策使绿化面积增加，经济结构开始转型为第三产业为主的旅游业、服务业，对自然的破坏相对减少。2010—2019年间，国家公园体制机制建立，管理机制、规划建设的愈加完善，绿化面积持续增加，生态状况相对恢复，人为干扰对生态环境的影响减小，景观结构趋于平衡。

南山国家公园处于城步苗族自治县区域之内，地形地势复杂，在未建立国家公园之前，各自然保护地相对独立，人为干扰程度较大，景观空间结构单元破碎化程度明显，近年国家公园体制设立之后，景观空间单元的聚合力更强，其他用地利用效率提高，相关“植树造林”“退牧还草”“农田集约化”政策的实施，不仅改善了生态环境，也增强了政府实施力。在以景观多样性减少、景观格局不平衡为显著特点的景观格局动态变化背景下, 结合大中小各个尺度上的自然生态系统与社会经济系统，在国土空间规划之下，在国家公园体制之下对各级各类自然保护地实施系统保护、宏观保护，才是人与自然和谐的根本途径。