神农架地区区域景观格局时空变化分析

杨平仿　邵荣虎　刘官荣　杨林森　邓龙强

摘要：神农架生态环境特殊、生物多样性丰富，是中国乃至全球生物多样性重点保护地区之一。同时，作为中国中部生态旅游热点地区，神农架生物多样性保护也面临严峻的挑战。本研究通过对神农架地区2000年、2010年和2020年的landsat 5、landsat 8遥感影像数据（30 m×30 m分辨率）进行解析，获得了这3个不同时期研究区的耕地、林地、灌草地、湿地、水体和建设用地等6种不同景观类型的分布图及不同景观类型的时空动态变化特征。结果表明：在这20年内，神农架的主体景观森林得到了较好地保护，面积基本保持了动态平衡，耕地面积也基本稳定，建筑用地和水体显著增加，而灌草地则显著减少，湿地在2010～2020年也显著减少；且不同景观类型之间的变化幅度在2000～2010年要显著大于2010～2020年。因此，在未来应该注意加强对该地区灌草地及湿地的保护，并严格限制建设类项目。本研究的结果能够为神农架地区的生态系统及生物多样性保护策略的制定提供一定的参考。

关键词：神农架；景观格局；时空变化

中图分类号：Q149文献标识码：A文章编号：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

神农架位于湖北省西部，其地理范围涵盖东经109°30′～111°32′，北纬30°13′～32°37′，总面积约2.41万km²，包括神农架林区、竹溪县、竹山县等7个区县［1］。该地区整体海拔处在3～3 099 m之间，具有中部高，四周低的特点，地貌类型包括构造溶蚀、溶蚀侵蚀、剥蚀侵蚀、堆积等四种［2］。区域内有著名的神农架国家级自然保护区，其森林覆盖率高达96%，且生态类型丰富，随着海拔从低到高连续分布着常绿阔叶林、常绿阔叶——落叶混交林、落叶阔叶林、针叶——落叶阔叶混交林、寒温性常绿针叶林、亚高山灌丛、亚高山草甸等生态系统［3］，是世界上唯一的北亚热带常绿阔叶林区。林区生物资源非常丰富，共有维管束植物210科1 186属3 684种，是中国种子植物特有属三大分布中心；无脊椎动物4 358种，隶属于355科2 157属［3-5］。该地区也是中国17个具有世界意义的生物多样性关键地区之一，在中国乃至全球生物多样性保护中具有极为重要的意义［6］。

生态景观是指由许多不同的生态系统类型所组成的整体。而景观质量则是构成景观的生态系统在维持其结构和功能的稳定性，以及抵抗不同的外界干扰等所呈現的状态。随着全球气候变化日益加剧以及人类活动的不断增强，自然景观生态系统的结构和功能都受到了极大影响，一些受干扰严重的景观碎片化加速，进而导致生态系统的破坏和生物多样性的降低。为了充分发挥景观生态系统的功能，有必要在对景观的空间结构、功能、相互作用及动态变化规律进行研究的基础上对区域景观生态质量进行评价。这种评价既是景观生态学的主要研究内容，也对实现景观资源的保护与合理开发利用具有重要的指导意义。近些年来，随着中国对生态环境保护的重视程度日益加强，一些国家公园、自然保护区相继建立。为了对这些保护区进行科学有效地管理和保护，中国学者开始对不同保护区内的景观开展了系统的研究与分析，并在此基础上对景观质量进行科学评价。研究内容涵盖了评价方法与指标的确立、景观类型及其生态功能、景观的动态变化特征等，并且已经成功地应用到对不同保护地的景观评价中。

鉴于神农架极高的生态与生物多样性研究与保护价值，该地区已经建立了多个自然保护区，神农架国家公园也在规划之中。因此有必要对神农架地区的生态景观质量进行全面系统的评价。尽管已有学者对神农架部分区域，如大九湖的景观格局动态进行了分析［7］，但是还缺少对整个神农架地区的景观时空格局变化分析。而对神农架地区自然景观质量现状及动态变化规律进行系统评价，不仅有利于加强对该地区生态系统及生物多样性形成与发展规律的认识，也能更好地实现自然景观的保护，促进人与自然和谐共处。

1研究方法

1.1数据来源

本研究主要基于神农架地区2000年、2010年、2020年的landsat 5、landsat 8遥感影像数据（30 m×30 m分辨率），数据来源于地理空间数据云（www.gscloud.cn）。同时，采用现场调查结合资料数据检索的方式对遥感数据进行校准。主要参考的资料数据包括：神农架地区自然资源综合调查报告（2015年）；神农架地区国土资源二次调查数据（2009年）；神农架地区数字高程模型（DEM）；神农架地区2019年森林资源变更调查数据、林斑矢量图；神农架地区1∶100万数字土壤图；神农架地区1∶100万植被类型图。

1.2应用的软件工具及地形数据与遥感数据处理

多光谱影像处理工具选用ESRI公司（美国环境系统研究所）发布的ENVI 5.3软件平台，景观格局指数计算软件，选用Fragstats 4.3软件，地形因子分析软件。采用ArcGIS 10.2软件，参考黎奕晖的方法［8］进行计算与分析。地形数据处理方面，利用软件ArcGIS 10.2从获得的相关多景数字高程模型（DEM）原始数据中提取高程、坡度、坡向因子的相关数据，并在重新分类后进行相应的地理配准、镶嵌、裁剪获得计算后的神农架地区DEM，进一步分析得到整个地区的坡度和坡向分析图。遥感数据处理及景观分类方面，本研究主要选取神农架地区2000年、2010年和2020年8～9月的多光谱反射影像遥感数据（级别为L1T，云覆盖率低于5%）。在数据预处理中，直接利用ENVI软件对Landsat影像数据进行大气校正、辐射定标、多波段影像合成及裁剪等处理。然后根据图像的形态、色调及纹理等特征进行不同类型的划分。在ENVI中利用野外调查数据、森林资源变更调查数据以及Google Earth影像数据进行训练和样本验证，进而建立解译标识。采用最大似然监督分类法分别计算3期影像数据和实际野外调查数据之间的Kappa系数（0.81～1.00表明接近完全一致）以确定它们的一致性。采用叠加分析的方法，计算景观类型的转移。利用遥感数据进行景观分类，主要参考森林资源变更调查数据及1∶100万的植被类型分布图及国家林业和草原局《森林资源规划设计调查主要技术规定》来确定森林景观类型。

1.3地形分布指数计算

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

式中，A表示神农架地区总面积；e为地形因子的等级；Ae为神农架地区e等级地形的面积；Ai是i类景观类型的总面积；Aie为e等级地形中i类景观类型的面积。计算得到的P值为i类景观类型出现的频率；P值越大，表示该景观类型在e等级地形中优势度越高。

2结果与分析

2.1景观格局总体变化分析

根据本研究應用的方法对2000年、2010年和2020年3个时期的影像数据分析，可以确定神农架地区主要存在6种景观类型，分别是耕地、林地、灌草地、湿地、水体和建设用地。结合野外样点调查以及谷歌地图数据对3期影像分类结果进行验证，计算得出2000年、2010年和2020年的Kappa系数分别为0.85、0.87和0.91，表明影像数据与样点调查之间具有高度的一致性，符合标准。因此，将影像数据导入ArcGIS中整理即可得到神农架地区景观类型斑块分布矢量图（图1）。同时，计算出不同景观类型的面积（表1）。

林地是神农架地区最主要的生态景观类型，占该地区总面积的82%左右；耕地则为占地面积第二的景观类型，约为14.5%左右（表1）。由图1可知，耕地主要分布在该地区西北和东南部的边缘地带。2000～2010年，林地面积增加了约352 km²，而2010～2020年，林地面积减少了135 km²；同期，耕地面积也呈现与林地面积相同的先增加后降低，但后期减少的面积相对前期增加面积较小的趋势。总体上，与2000年相比，林地和耕地面积在2020年均呈现一定程度的增加（分别增加了216.71 km²和52.39 km²）。灌草地是占地面积第三的景观类型，也是区域内景观面积变化最大的类型，2000～2020年，一共减少了485.49 km²，占其自身总面积的50%以上。与2000年相比，水体和建设用地面积分别增加了160.47 km²和58.48 km²，且增加趋势明显（分别增加了303%和86%）。湿地是神农架区域内面积最小的景观类型，仅占不到0.03%。尽管2000～2010年，湿地面积呈现增加的趋势，但到2020年又明显降低，仅为2000年的46.32%。

2.2景观类型转移分析

在ArcGIS中采用叠加分析的方法计算得到2000～2010年和2010～2020年神农架地区景观类型转移的具体数据如表2和表3所示。在2000～2010年，研究区内共有1 678.90 km²的景观发生了类型的转移，而在2010～2020年至今这一数据为971.63 km²。

2000～2010年，林地和耕地转入增加量最大，分别达902.18 km²和581.39 km²。其中，林地增加量主要来自灌草地，其次是耕地；耕地增加量主要来源是林地和灌草地。转出量最大的为灌草地，达598.37 km²；其次为林地，转出面积549.99 km²；再次为耕地，为505.98 km²。从净变化量来看，灌草地急剧减少，净减少面积达506.09 km²；林地是净增加面积最大的景观类型，10年间面积净增加352.19 km²，其次是耕地和水体，期间面积分别净增加75.42 km²和60.32 km²。同期，湿地和建设用地景观面积均呈现净增加，但增加面积相对有限。

2010～2020年，景观转移总量远低于2000～2010年的总量。但仍存在林地和耕地转入和转出较为频繁的现象。其中，林地转入面积为352.10 km²，而转出面积为487.88 km²；耕地转入面积378.67 km²，转出面积401.68 km²；灌草地转入面积68.32 km²，转出面积47.71 km²。10年间，造成耕地和林地景观总面积净减少的主要原因是水体和建设用地景观扩张以及一些造林区由于土壤侵蚀自然退化为灌草地，使得水体、建设用地和灌草地景观面积净增加的幅度较大。同期，湿地面积保持相对稳定，净变化面积不大。

2.3神农架地区景观垂直分布特征

数字高程模型表明神农架地区处于海拔3～3 100 m之间，其中部地势高，向南北逐渐降低，地形具有较大起伏。为研究各景观的垂直分布特征，本研究按海拔从低到高的顺序，将神农架地区分为A、B、C、D、E、F共6个高程级别。通过相关的数据处理，得到高程分级图（图2）。同时，通过对分级后的面积进行统计和计算，得到高程分级面积及不同高程所占的比例（表4）。从图2和表4中可知研究区的整体海拔主要分布在500～2 000 m的范围内，且各高程级别面积总体呈现正态分布。

为了进一步研究不同景观类型的高程分布特征，利用ArcGIS系统将高程级别图与2000年、2010年、2020年期景观类型分布图进行叠加分析，计算不同高程等级上各景观类型的面积（表5）。可以得知不同景观类型在不同高程的分布比例具有较大的差异。为更好地显示景观的垂直分布特征，得到2000年、2010年和2020年不同高程等级各景观类型的分布指数（图3）。

高程分布指数图可以较好地表达景观的垂直分布特征。由图3和表5可知：耕地面积分布优势度随海拔的增高呈现降低的趋势。这主要受土壤分布及温度等自然因素的影响，耕地主要分布在地势较为平缓的冲积平原处，且农作物的生长受到极端低温限制，随着海拔的增加，温度递减，影响作物的产量。林地在高程分布指数图中大体呈均匀分布，表明林地在所有海拔区域内的分布较为均匀。20年间，林地在不同海拔梯度上的面积占比变化不明显。灌草地的分布优势度在2 500 m以下呈现随着海拔增高而降低的趋势，而海拔一旦超过2 500 m，灌草地分布优势度的急剧增加。主要原因是高海拔地区受到低温、土壤含水量等环境的胁迫，使得高需水量的森林植被生长受限，从而自然演替为需水量较低的灌草植被。湿地和水体主要分布在海拔小于500 m的区域。2000～2010年建设用地的分布主要集中于低海拔地区（500 m以下），随着神农架机场的建设，2010～2020年，2 500 m以上区域建设用地急剧增加，主要是神农架机场建设的原因。

2.4神农架地区景观坡度分布特征

植物的物质能量交换方式受到不同坡度级别的影响，而且土壤、水分等环境条件也因坡度的不同产生变化，进而影响景观类型的分布。在神农架地区，坡度可以分为平坡（＜5°）、缓坡（＞5°～15°）、斜坡（＞15°～25°）、陡坡（＞25°～35°）、急坡（＞35°～45°）和险坡（＞45°）等6个坡度级别，DEM数据经过ArcGIS处理后得到坡度分级图（图4）。

对分级后的各类型坡度的面积进行统计和计算，可以得到各坡度级别的正态分布特征（表6），神农架地区主要为缓坡、斜坡、陡坡3个坡度级别，共占总面积的86.07%。从空间分布角度分析，平坡区域主要分布于河谷冲积平原，与城镇建设用地的分布呈显著的正相关关系；而急坡和险坡多集中于海拔较高的山地边缘。在ArcGI中对3个时期景观类型分布图与坡度分级图进行叠加分析，得到3个时期不同坡度等级各景观类型的面积分布情况（表7）。

神农架地区耕地大部分分布于缓坡和斜坡范围内，且斜坡上的耕地在2000～2010年和2010～2020年均呈增加的趋势，这在很大程度上不利于该地区的水土保持，遇到大到暴雨容易造成水土流失（表7）。计算2000年、2010年和2020年各景观类型在不同坡度上的分布优势度指数（图5）。整体看，坡度分布指数在平坡区域差异明显，而在其他坡度等级上整体呈聚拢趋势，表明神农架区域内各景观类型在坡度较大的区域分布趋于均衡。

进一步分析各景观类型。20年间，建设用地在平坡区域范围内均存在较高的优势度，而在坡度较陡的范围内呈现较低的优势度，表明区域發展十分重视建设用地的扩张需求。湿地景观在2000～2020年，平坡范围内的优势度呈现明显的增加趋势，尤其是2000～2010年这10年间，反映出区域对湿地保护的重视。在陡坡、急坡和险坡范围内，林地均表现出高于其他景观类型的优势度，这既说明森林对坡度的适应性良好，也表明在这些区域内森林得到较好的保护和维持。

3结论

生态景观的评价是景观生态学的重要研究内容，它主要针对目标区域的整体景观，研究由不同生态系统组成的整体空间结构与功能、相互作用以及动态变化规律，从而为优化景观生态结构、合理利用和保护目标生态系统提供理论指导。当前，全球正处于生态环境和生物多样性保护的关键阶段。我国政府已经把生态文明建设列为现代化建设的重要目标之一，并于2021年10月在联合国《生物多样性公约》第十五次缔约方大会上宣布中国将致力于生物多样性保护的系列举措。要实现对生态环境和生物多样性的有效保护，就必须对现有生态景观及生物多样性进行系统的研究，了解其动态变化规律，并在此基础上进行评价，为对其进行分类管理和保护提供理论依据。

神农架地区作为世界上唯一的北亚热带常绿阔叶林区，在全球和中国生态系统和生物多样性保护方面，具有非常重要的意义。在保护的前提下，结合生态景观格局及丰富的生物多样性推动科学教育和当地生态旅游经济，是实现可持续发展和保护的重要途径。为此，本研究对当地生态景观格局在过去20年中的时空变化规律进行了系统研究分析。结果表明神农架地区的生态系统和生物多样性在过去20年内总体上得到了较好地保护，生态景观系统基本实现了动态平衡。林地是该地区最主要的生态景观类型，占80%以上的面积，其总面积在2000～2020年有所增加，说明该地区积极推进了植树造林和封山育林工程，对生态景观的动态平衡起到了很好的调节作用。且林地景观类型在不同地形等级的分布指数曲线较为平缓，表明其对各地形等级的适应性较强，因此可以考虑在平缓地带推进植树造林，陡坡险坡封山育林。但在2010～2020年，林地面积减少了135 km²，尽管这种减少的比例并不显著，但由于整个地区次生林偏多，因此，也需要对引起面积减少的主要原因进行细致分析，以避免此类减少的持续发生。同期，作为当地第二大生态景观类型耕地的面积也有所增加，特别是在缓坡和斜坡地带，以及部分由林地向耕地的转变，表明在研究区还存在开荒种地和毁林种地的现象，同时意味着自然生态系统的退化和水土流失风险的增加。因此，有必要严格控制坡地开垦，强化利用乡土树种植树造林，适度发展林下经济。由此可以推知耕地面积增长的原因很大一部分来自毁林开荒，而同期的植树造林和封山育林政策使得一部分灌草地人为或自然演替为林地。这些研究结果可以为神农架地区制定精准的生态保护措施提供一定的理论指导。

参考文献

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（编校：唐岚）