胡 靜, 唐雪海, 黃慶豐, 劉魯霞, 吳文友, 儲 勇

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園林學(xué)院, 安徽 合肥 230036; 2.鷂落坪國家級自然保護區(qū)管委會, 安徽 岳西 246600)

自然保護區(qū)是生物多樣性和自.然資源環(huán)境就地保護的主要載體，是野生動植物的寶貴棲息地，是保護生物多樣性，維護國家生態(tài)安全最有效的措施之一[1-2]。土地利用時空格局變化對自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生重要影響，也是造成保護區(qū)內(nèi)生物多樣性變化的主要驅(qū)動力[3]。關(guān)于自然保護區(qū)的土地格局變化研究也日益受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。如Rawat等[4]、Gautam等[5]分別使用最大似然法對Landsat影像進行分類，從而研究印度Hawalbagh地區(qū)、尼泊爾山區(qū)土地動態(tài)變化；焦明等[6]采用目視判讀與實地調(diào)查相結(jié)合的方法對Landsat影像進行分類，研究甘肅子午嶺保護區(qū)的土地利用變化；宋偉宏等[7]、春蘭等[8]采用決策樹分類的方法對TM影像進行分類，從而研究祁連山自然保護區(qū)、諾爾自然保護區(qū)的土地利用/覆被時空變化特征；寧立新等[9]采用最大似然法提取4期土地利用信息，進而對江蘇海岸帶地區(qū)土地利用變化進行分析。

鷂落坪自然保護區(qū)是安徽省第一個以保護森林生態(tài)系統(tǒng)為目的的國家級自然保護區(qū)，通過退耕還林、封山育林等措施在森林資源、生物多樣性保護等方面取得顯著成效，森林覆蓋率達90%以上。近年來，伴隨地方經(jīng)濟和旅游業(yè)的發(fā)展，保護區(qū)土地利用格局不可避免的發(fā)生一些變化，為及時了解保護區(qū)土地利用格局變化及其特征，合理制定保護區(qū)土地保護利用策略，有必要開展鷂落坪自然保護區(qū)土地利用格局研究。但保護區(qū)已有的研究報道主要涉及生態(tài)評價[10]、生物多樣性[11-12]、旅游資源評價[13]等方面,缺少關(guān)于土地利用動態(tài)格局變化方面的研究。為此，本文選用1994，2002，2012，2017年4期遙感影像數(shù)據(jù)，對比分析20 a來鷂落坪自然保護區(qū)的土地利用格局變化，闡明保護區(qū)土地利用格局時空變化特征及其影響因子，其研究成果對優(yōu)化保護區(qū)土地利用格局，提升保護區(qū)管護效果具有重要意義[14]。

1 研究區(qū)概況

鷂落坪自然保護建于1991年，1994年晉升為國家級保護區(qū)，主要保護對象為亞熱帶常綠落葉闊葉混交林，位于安徽省岳西縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°02′—116°11′，北緯30°57′—31°01′，總面積123 km2。該保護區(qū)屬于大別山主峰分水嶺主段，地貌類型復(fù)雜多樣，地勢南高北低；屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風(fēng)氣候區(qū)，空氣濕潤，氣溫較低，年均氣溫僅為12.7 ℃，年平均降雨量為1 400～2 000 mm；主要土壤類型為山地棕壤、黃棕壤、草甸土和水稻土；保護區(qū)區(qū)內(nèi)動植物資源十分豐富，擁有大別山地區(qū)保存較為完好的代表性森林生態(tài)系統(tǒng)以及國家級保護瀕危動植物，如香果樹(Emmempteryshenryri)、金錢松(Pseudolarixamabilis)、大別山五針?biāo)?Pinusdabeshanensis)、大鯢(Andriasdavidianus)等，是同緯度地區(qū)不可多得的天然物種基因庫。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

考慮到土地利用動態(tài)變化數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實時性及科學(xué)性，本文以鷂落坪1994年晉升國家級保護區(qū)為起始年限，選取1994，2002的landsat5 TM數(shù)據(jù)，2012年Landsat7 ETM+以及2017年Landsat-8OLI共4期同一時段遙感影像，所用數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。4景遙感影像均采用7—9月份植被長勢旺盛、云層覆蓋程度低且時相相近的數(shù)據(jù)。輔助資料有保護區(qū)的2017年的高分二號影像數(shù)據(jù)、2013年保護區(qū)二類調(diào)查數(shù)據(jù)、保護區(qū)內(nèi)科考報告等數(shù)據(jù)。使用ENVI 5.3平臺對4期遙感影像進行條帶修復(fù)、幾何校正、大氣校正、圖像增強等影像處理，在預(yù)處理結(jié)束后進行多景影像拼接，形成研究區(qū)完整的遙感影像圖，最后利用鷂落坪自然保護區(qū)的行政邊界對其進行裁剪，分別得到4期研究區(qū)的遙感影像。

2.2 土地利用信息的提取

利用經(jīng)過預(yù)處理后的4期遙感影像，采用監(jiān)督分類(最大似然法)與人工交互式解譯相結(jié)合的方法，提取鷂落坪自然保護區(qū)土地利用信息，土地利用類型劃分參照《土地利用現(xiàn)狀分類》國家標(biāo)準(zhǔn)，包括居民地、耕地、林地、水域、園地和其他(無法解譯)共6類。在分類后進行人工目視糾正錯分的區(qū)域，最后分類結(jié)果的精度為81%以上，Kappa系數(shù)均大于0.7，分類效果良好，遙感影像分類精度可以滿足后期的分析要求。將處理完的圖像轉(zhuǎn)入到ArcGIS 10.2中，利用2017年高分二號影像繪制道路圖層，通過刪減的方式得到1994，2002和2012年3期的道路圖層，最后將道路圖層與之前處理的圖像相疊加，制作出鷂落坪4個時期的土地利用分類圖(附圖7)。

2.3 土地利用動態(tài)變化分析方法

2.3.1 土地利用單一動態(tài)度 土地利用變化率可以直觀地表達某種土地利用類型在一定時間范圍內(nèi)的數(shù)量變化情況。土地利用單一動態(tài)度的計算公式如下[15]：

(1)

式中：K——研究時段內(nèi)某一土地利用類型的年平均變化率；Ua——土地利用類型在研究末期的面積；Ub——某土地利用類型在研究初期的面積；T——研究時段長，以年為單位。

2.3.2 土地利用綜合動態(tài)度 綜合土地利用動態(tài)度可以反映某一土地利用類型在一定時間內(nèi)的變化速度，它是刻畫土地利用類型變化速度區(qū)域差異的指標(biāo)。綜合土地利用動態(tài)度計算公式為[15]：

(2)

式中：LUi——初期第i類土地利用類型面積； ΔLUi-j——一定時間段內(nèi)第i類土地類型轉(zhuǎn)化為非i類土地利用類型面積的絕對值；LC——土地利用年變化率。

2.3.3 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 土地利用的轉(zhuǎn)移矩陣就是通過同一個研究區(qū)域不同時間序列的土地覆蓋變化的關(guān)系，求一個二維矩陣的過程[16]。在矩陣中，行表示土地利用類型的轉(zhuǎn)入面積，列表示土地利用面積的轉(zhuǎn)出面積。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)形式為：

(3)

式中：Sij——k時期第i種土地類型轉(zhuǎn)化為(k+1)時期第j種土地利用類型的面積；n——土地利用類型總數(shù)。

在ArcGIS 10.2平臺下，對解譯好的4期土地利用數(shù)據(jù)進行疊加分析，采用GIS空間分析方法和數(shù)理統(tǒng)計方法，在Excel中對數(shù)據(jù)進行處理后得到4期土地利用變化的轉(zhuǎn)移矩陣，從而確定1994—2017年土地利用相互轉(zhuǎn)變的數(shù)量和方向。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用面積變化

由附圖7和表1可知，1994，2002，2012和2017年各土地利用類型中林地的面積最大，分別為11 087.8，11 181.5，11 316.3和11 354.4 hm2，分別占總面積的89.9%，90.7%，91.8%，92.1%；其次是耕地面積，其面積分別為780.8，668.4，522.2和493.2 hm2，占總面積的6.3%，5.4%，4.2%，4.0%；園地面積分別為196.8，229.5，253.1和261.4 hm2，占總面積1.6%，1.8%，2.0%，2.1%；居民地面積分別為59.8，64.0，68.8和69.2 hm2，除水域外所占面積最少，占總面積0.5%，0.5%，0.6%，0.6%。總體上看，林地是研究區(qū)內(nèi)分布最為廣泛的土地利用類型，約占研究區(qū)總面積90%左右，而居民地和水域所占比例較小，兩者面積之和約占研究區(qū)總面積1%。

表1 鷂落坪自然保護區(qū)1994-2017年土地利用面積變化

3.2 土地利用動態(tài)分析

3.2.1 動態(tài)度分析 由表2—3可知，鷂落坪自然保護區(qū)1994—2002年405.5 hm2地物發(fā)生變化，占保護區(qū)總面積的3.3%，其中園地、居民地、林地面積比較于1994年分別增加了16.6%，7.0%，0.8%；耕地、水域、其他用地面積分別減少了14.4%，6.0%，10%。

期間園地、耕地、其他用地面積變化速度相對較大，分別為2.1%，1.8%和1.2%，而居民地、林地和水域動態(tài)度分別僅為0.9%，0.1%，0.8%。

表2 鷂落坪自然保護區(qū)1994-2017年土地面積變化及比例

表3鷂落坪自然保護區(qū)1994-2017年土地利用類型動態(tài)度%

時 段 園地耕地居民地林地水域其他1994—2002年2.1-1.80.90.1-0.8-1.22002—2012年1.0-2.20.80.1 0.7-1.62012—2017年0.7-1.10.10.1-2.8-1.71994—2017年1.4-1.60.70.1-0.6-1.3

2002—2012年，253.0 hm2地物發(fā)生變化，占保護區(qū)總面積的2.1%，其中園地、居民地、林地、水域?qū)Ρ?002年分別增長了10.3%，7.5%，1.2%，7.4%；耕地、其他用地面積分別減少了21.9%，16.1%。期間園地、其他用地的變化速度相對較大，分別為1.0%和1.6%，耕地的面積進一步減小，其動態(tài)度為2.2%；林地和居民地面積持續(xù)增加，水域面積由減少轉(zhuǎn)為增加，變化速度不大，動態(tài)度為0.7%。2012—2017年，73.0 hm2地物發(fā)生變化，占保護區(qū)總面積的0.6%，其中園地、居民地、林地比2012年分別增長了3.3%，0.6%，0.3%；耕地、水域、其他面積相比分別減少了5.6%，14.0%，8.4%。期間園地和居民地面積持續(xù)增加，增加速度相對于前十年有所下降，動態(tài)度分別為0.7%和0.1%，其中耕地、水域面積有前10 a的增加轉(zhuǎn)化為減少，動態(tài)度分別為1.1%和2.8%，其他面積持續(xù)減少，動態(tài)度為1.7%。1994—2017年，共有554.4 hm2地物發(fā)生變化，占保護區(qū)總面積的4.5%，其中園地、林地及居民地比1994年分別增長了32.8%，2.4%，15.7%；耕地、水域、其他面積相比分別減少了36.8%，13.2%，30.8%。1994—2002年、2002—2012年以及2012—2017年土地利用綜合動態(tài)度分別為0.41%，0.26%，0.07%。這20 a來，整體呈現(xiàn)出園地、林地、居民地面積增加，耕地、其他面積減少的趨勢，水域變化不明顯。

3.2.2 土地利用變化過程 分析1994，2002，2012和2017年保護區(qū)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和轉(zhuǎn)入比例結(jié)果詳見表4—5。1994—2002年有7.2 hm2的耕地和26.9 hm2林地轉(zhuǎn)化為園地，分別占園地總轉(zhuǎn)入面積的20.8%，77.6%；有107.1 hm2的林地轉(zhuǎn)化為耕地，占耕地總轉(zhuǎn)入面積的99.2%；有2.1 hm2耕地、2.6 hm2林地和0.7 hm2其他用地轉(zhuǎn)化為居民地，分別占總轉(zhuǎn)入面積的38.8%，48.7%，12.5%；有209.5 hm2耕地，23.7 hm2其他用地轉(zhuǎn)化為林地，占林地總轉(zhuǎn)入面積的86.2%，9.7%；同時有2.9 hm2林地轉(zhuǎn)化為水域，占水域總轉(zhuǎn)入面積的90.6%。此外，有1.3 hm2的耕地和9.8 hm2的林地轉(zhuǎn)化為其他用地，分別占其他用地總轉(zhuǎn)入面積的11.9%，87.4%。

2002—2012年15.8 hm2的耕地和4.4 hm2的林地轉(zhuǎn)入園地，分別占園地總轉(zhuǎn)入面積的66.1%和18.4%。22.0 hm2的林地轉(zhuǎn)向耕地，占耕地總轉(zhuǎn)化面積的92.4%。3.6 hm2耕地和7.9 hm2林地轉(zhuǎn)向居民地，分別占居民地總轉(zhuǎn)化面積27.3%，59.8%。148.5 hm2耕地、21.5 hm2其他用地轉(zhuǎn)化為林地，分別占林地總轉(zhuǎn)化面積83.0%和12.0%。有2.1 hm2耕地，0.9 hm2居民地轉(zhuǎn)向了其他用地，分別占其他用地總轉(zhuǎn)化面積的60.0%，25.7%。其余地類變化不大。耕地和其他面積持續(xù)減少，與2002年各自面積相比分別減少了21.9%，16.1%。2012—2017年林地持續(xù)向園地轉(zhuǎn)變，9.1 hm2林地轉(zhuǎn)向園地，占園地總轉(zhuǎn)化面積的97.8%。有0.8 hm2園地轉(zhuǎn)化為耕地，占耕地總轉(zhuǎn)化面積的88.9%，同時有28.2 hm2的耕地轉(zhuǎn)向林地，占林地總轉(zhuǎn)入面積的52.8%。有11.0 hm2水域和11.7 hm2其他用地轉(zhuǎn)向林地，分別占林地總轉(zhuǎn)入面積的20.6%和21.9%。有2.2 hm2林地、0.6 hm2的水域轉(zhuǎn)向其他用地，分別占其他用地總轉(zhuǎn)入面積的71.0%，19.3%。此外，有少量耕地、林地轉(zhuǎn)向居民地?？傮w上，1994—2017年，林地、園地、居民地面積一直呈現(xiàn)增長的趨勢，增長的速度有所不同，而耕地面積則呈現(xiàn)出減少的趨勢。其中耕地面積主要轉(zhuǎn)向了林地與園地，同時小部分林地轉(zhuǎn)向了耕地與園地，耕地與園地之間也存在小部分的相互轉(zhuǎn)化；有部分的林地向居民地轉(zhuǎn)化，水域、其他用地面積部分也轉(zhuǎn)向了林地、居民地。

表4 鷂落坪自然保護區(qū)1994-2017年土地利用矩陣 hm2

表5 1994-2017年鷂落坪自然保護區(qū)土地類型轉(zhuǎn)入比例 %

4 討 論

(1) 1994—2017年鷂落坪自然保護區(qū)內(nèi)土地利用變化較為顯著，但林地面積一直在所有的土地類型中占優(yōu)勢地位，耕地面積、居民用地等地類變化較為劇烈。1994—2012年林地總面積有較大幅度的增加，此后林地面積趨于平穩(wěn)，這與保護區(qū)內(nèi)實施退耕還林、長期的森林生態(tài)系統(tǒng)的保護政策有關(guān)。耕地面積一直呈現(xiàn)減少的趨勢，變化率逐漸減小，其原因除了退耕還林的影響，還與農(nóng)民進城務(wù)工有關(guān)，一些零星低產(chǎn)耕地?zé)o人耕種而形成林地或其他地類。另一方面，園地的面積近十年來呈現(xiàn)出擴張的趨勢，這主要是由于岳西縣產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，茶葉產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，全縣茶園面積大規(guī)模增加[17]。居民用地、道路等建筑用地增加，則與保護區(qū)旅游開發(fā)有關(guān)，但增加的區(qū)域都集中在試驗區(qū)，省道S209和縣道X089兩側(cè)。不同時期水域面積也有一定變化，這與遙感影像的選取的時間有關(guān)，1994和2012年的遙感影像均為7月份，研究區(qū)內(nèi)降水量較為豐富，河流、庫塘處于豐水期，水域面積增加；2002和2017年的遙感影像分別為8月和9月，降水量較少，河流、庫塘水位降低，水域面積減少。

(2) 以中低分辨率遙感影像為數(shù)據(jù)源，采用監(jiān)督分類方法中，最大似然法的分類精度，分類效果高于其他分類器，而且計算時間較短的優(yōu)勢[18-20]。本文采用的是Landsat系列遙感影像進行土地利用分類，有一些地物面積較小，難以進行分類提取，為此，進行了合并處理，歸類到其他地類。由于影像的分辨率低，前期影像質(zhì)量較差等因素，部分地物類型信息不易提取，通過將每一期的影像作為底圖，與土地分類矢量專題圖進行匹配檢查，修正解譯不準(zhǔn)確的信息，盡可能的提高解譯結(jié)果的精度[6]。

(3) 本文主要針對過去時段土地利用變化及其現(xiàn)狀的分析，沒有對未來變化做出相應(yīng)預(yù)測，在之后的研究工作中可采取更高分辨率的遙感影像為研究數(shù)據(jù)源，優(yōu)化解譯工作，繼續(xù)做更深入詳盡的定量分析，在此基礎(chǔ)上，建立起預(yù)測模型，預(yù)測鷂落坪自然保護區(qū)未來的土地利用方式，為保護區(qū)資源保護與利用提供更有力的支持。

5 結(jié) 論

(1) 鷂落坪自然保護區(qū)土地利用類型包括林地、耕地、園地和居民地，自1994年晉升國家級自然保護區(qū)以來，林地面積持續(xù)增加，其占保護區(qū)總面積的比例由1994年的89.9%增加到2017年的92.1%，說明保護區(qū)退耕還林和林地保護成效顯著。

(2) 1994—2017年鷂落坪自然保護區(qū)土地利用變化較為明顯，主要表現(xiàn)為林地面積保持平穩(wěn)增長，而耕地的數(shù)量逐年減少，居民地、園地面積增加，多集中在試驗區(qū)。

(3) 退耕還林和旅游開發(fā)等人類活動是導(dǎo)致該保護區(qū)內(nèi)土地利用變化的直接推動因素。在不同階段，人類活動的影響有所差異，一定程度上表現(xiàn)為各土地利用類型之間的相互轉(zhuǎn)化情況存在差異。為了保護區(qū)未來資源保護與利用，嚴(yán)格實施現(xiàn)有的森林保護政策，同時應(yīng)適當(dāng)?shù)南拗迫藶榛顒樱Ｗo生態(tài)環(huán)境不過分受人類活動干擾，實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。