林奕伶, 馬長迪, 劉吉平

(吉林師范大學(xué) 資源保護與利用研究所, 吉林 四平 136000)

目前，對“自然性”這一概念還沒有明確的定義，可將其理解為未受人類干擾的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)，也可理解為當(dāng)前狀態(tài)與原始狀態(tài)的差異[1]。國內(nèi)外針對“自然性”這一特性已開展了部分研究，如馮澤深[2]、張棟[3]、張敏[4]、占昕[5]等利用層次分析法，分別對雁棲河、潮河、河北山區(qū)森林、閩江河口濕地保護區(qū)等地的自然性進行定量研究。前人的研究方法主要為層次分析法，研究對象多數(shù)為河流和森林等生態(tài)系統(tǒng)，而對景觀自然性的研究較少。景觀的自然性及其評價是景觀管理和自然保護的重要課題[6]，也可作為生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和景觀規(guī)劃的參考[7-10]。如何選擇科學(xué)的研究方法、構(gòu)建合理的評價指標體系對景觀自然性進行評價是目前需要解決的問題。

層次分析法是一種定性與定量結(jié)合的賦權(quán)方法，但存在主觀性過強的缺點。為了兼顧主觀賦權(quán)與客觀賦權(quán)，本文在層次分析法的基礎(chǔ)上引用了信息熵模型，利用綜合評價法進行權(quán)重賦值，可以在一定程度上減少因主觀成分過強或數(shù)據(jù)差異過大而產(chǎn)生的誤差。松嫩平原地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，抗干擾能力差。近年來人類對自然環(huán)境的影響逐漸加強，導(dǎo)致松嫩平原生態(tài)環(huán)境的進一步惡化，主要表現(xiàn)為土地沙化和濕地鹽漬化[11]。本文以松嫩平原西部為研究區(qū)域，對松嫩平原西部的景觀自然性及其動態(tài)變化進行研究，探究松嫩平原的景觀自然性可以作為人類開發(fā)、改造自然環(huán)境的依據(jù)和診斷，從而引導(dǎo)人類更加科學(xué)、有效地保護自然。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

松嫩平原西部坐標為43°59′—48°33′E，121°37′—126°39′N(圖1)，總面積為1.01×105km2，氣候為中溫帶大陸性半濕潤半干旱季風(fēng)氣候，地貌類型以山前傾斜平原、低平原以及部分河谷平原為主[12]。主要土地利用類型為森林、草地、濕地、農(nóng)田，優(yōu)勢景觀為農(nóng)田景觀。土壤類型主要為黑土、黑鈣土、栗鈣土、草甸土、鹽堿土、風(fēng)沙土以及沼澤土[13]。主要植被類型為虎尾草群落、堿茅群落、蘆葦群落以及羊草群落[14]，植被覆蓋率較高。主要城市包括白城市、松原市、大慶市、齊齊哈爾市。人口總數(shù)為1 731萬人(2015年)，人口密度較大。經(jīng)濟發(fā)展水平較高，GDP總量為8 155億元(2015年)。產(chǎn)業(yè)以農(nóng)業(yè)、制造業(yè)為主，是我國重要的商品糧基地。1981年至今依次設(shè)立了莫莫格、向海、扎龍、大布蘇狼牙壩、查干湖5個國家級自然保護區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理過程

本文以探究松嫩平原西部不同區(qū)域景觀自然性狀態(tài)為目的，采用網(wǎng)格分析法，考慮到網(wǎng)格劃分過小時，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過大，而網(wǎng)格劃分較大時會導(dǎo)致計算結(jié)果粗略。景觀尺度一般劃分為4個尺度等級，即1～106 km2為小尺度，106～1 010 km2為中尺度，1 010～1 012 km2為大尺度，大于1 012 km2為巨尺度。為兼顧科學(xué)性和可操作性，參考相關(guān)文獻[15]，利用ArcGIS 10.2軟件將研究區(qū)劃分為155個網(wǎng)格單元。網(wǎng)格大小為625 km2，研究區(qū)邊界地區(qū)的網(wǎng)格面積略大或略小于625 km2。本文的景觀尺度處于中尺度，能表示具體區(qū)域的變化，是松嫩平原西部較為適宜的景觀自然性評價尺度。

圖1 研究區(qū)位置

土地利用數(shù)據(jù)來源于1985年、2000年、2015年的Landsat TM/OLI遙感數(shù)據(jù)。首先利用ENVI軟件對遙感影像的5，4，3波段進行標準假彩色合成，并對合成的遙感影像進行前期處理。然后用1∶10萬地形圖對其進行糾正。最后對其進行目視解譯并提取耕地、林地、草地、濕地等土地利用類型。采用抽樣統(tǒng)計精度驗證法，在野外設(shè)立驗證點，并結(jié)合高分辨率遙感影像對解譯結(jié)果進行檢驗，最終解譯精度達到90.7%以上，基本可以滿足本文的研究需求。

道路數(shù)據(jù)來源于1∶50萬黑龍江省、吉林省公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的道路要素圖。人口、GDP數(shù)據(jù)來源于各地區(qū)統(tǒng)計年鑒。利用SPSS軟件對各縣、市的人口、GDP數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，在ArcGIS 10.2中將其與劃分的155個網(wǎng)格進行疊加、計算，最終得到1985—2015年松嫩平原西部各網(wǎng)格的人口密度與GDP數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 構(gòu)建評價指標體系 在參考國內(nèi)外自然性評價的基礎(chǔ)上，以科學(xué)性、整體性、代表性、可量化性、層次性為主要原則，構(gòu)建了以景觀指數(shù)、土地利用類型、人類干擾為主體的綜合評價體系。景觀指數(shù)是對景觀格局進行定量分析的重要工具，研究景觀變化必然要用到相應(yīng)的景觀指數(shù)。土地利用類型也是衡量景觀自然狀態(tài)的重要依據(jù)，土地利用和土地覆蓋變化是影響景觀結(jié)構(gòu)、功能及動態(tài)的最普遍的主導(dǎo)因素之一，同時也是景觀生態(tài)學(xué)和全球生態(tài)學(xué)中極重要和頗具挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域之一[16-17]。由于人類活動對景觀影響的普遍性與深刻性，在作為人類生存環(huán)境的各種景觀中，人類活動對景觀演化起著主導(dǎo)作用[18]，因此在評價指標中加入了人類干擾相關(guān)因素，如人口、GDP等。

評價體系包括目標層(A)、準則層(B)、指標層(C)3個層次。

其中目標層為景觀自然性評價(A)，準則層包括壓力指標(B1)、狀態(tài)指標(B2)、響應(yīng)指標(B3)。在PSR模型的基礎(chǔ)上，向下劃分出13個指標。指標層包括人口(C1)、GDP(C2)、道路密度(C3)、人為干擾度(C4)、景觀多樣性(C5)、景觀均勻度(C6)、破碎化程度(C7)、景觀優(yōu)勢度(C8)、景觀形狀指數(shù)(C9)、景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[19](C10)、連通性(C11)、NDVI指數(shù)(C12)、自然景觀比例(C13)。

1.3.2 評價指標權(quán)重的確定及評價模型的構(gòu)建 本文采用主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法結(jié)合的綜合評價法。

在主觀權(quán)重的確定上，使用的方法是層次分析法(AHP)，本文利用yaahp 0.5.3軟件進行賦值，首先，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)模型確立后構(gòu)建判斷矩陣，采用專家打分法，對各指標的相對重要程度進行對比賦值，賦值方法為1～9標度法。通過層次單排序與層次總排序進行一致性檢驗，4個判斷矩陣CR均小于0.1，通過一致性檢驗。

同時，本文利用信息熵模型計算客觀權(quán)重。1948年，香農(nóng)在熱力學(xué)研究的基礎(chǔ)上提出了信息熵公式，他認為，任何信息都存在冗余，冗余大小與信息中每個符號(數(shù)字、字母或單詞)的出現(xiàn)概率或者說不確定性有關(guān)。信息熵模型的基本思想為：評價因子差異程度的大小能夠反映該因子在整個綜合評價體系中的地位，而評價因子差異程度的大小可以利用信息熵進行度量[20]。

分別利用層次分析法和信息熵模型計算出評價指標的主觀權(quán)重、客觀權(quán)重。最后利用綜合評價法將二者進行結(jié)合，公式為

W=αw主觀權(quán)重+(1-α)w客觀權(quán)重

式中：W為綜合權(quán)重值。其中；0≤α≤1，本文中取α=0.7。

計算后得到的綜合權(quán)重見表1，其中權(quán)重值較高的指標有破碎化程度、景觀優(yōu)勢度、自然景觀比例、GDP。

確定綜合權(quán)重后，利用多因子加權(quán)評價模型對松嫩平原西部景觀自然性進行分析，計算公式為：

式中：N為景觀自然性值；Wi為因子i的綜合權(quán)重值；Pi為標準化處理后第i項指標的評價值。

表1 綜合評價法所得權(quán)重值

2 結(jié)果與分析

2.1 松嫩平原西部景觀自然性評價

從整體上看，1985年、2000年、2015年松嫩平原西部的景觀自然性分別為0.313 7，0.278 1，0.269 8，呈不斷降低趨勢，1985—2000年下降率為11%，2000—2015年下降率為3%(圖2)。下降的主要原因是壓力指標的變化，1985—2000年、2000—2015年兩個時期的壓力指標分別上升了47%，9%(圖2)。而壓力指標中增長最快的是GDP指標，兩個時期的GDP增長率分別為749%和368%。其次為響應(yīng)指標的變化，1985—2000年、2000—2015年兩個時期的響應(yīng)指標分別下降了7.77%，1.30%。

圖2 1985-2015年各指標及景觀自然性值

從地區(qū)看，以生態(tài)保護為目的的自然保護區(qū)的景觀自然性整體上高于城市景觀自然性。1985—2015年，4個城市中僅有大慶市的景觀自然性呈上升狀態(tài)，其余3個城市的景觀自然性均有不同程度的下降(表2)。在5個保護區(qū)中，扎龍國家級自然保護區(qū)始終是景觀自然性值最高的地區(qū)，并且該保護區(qū)的景觀自然性呈上升狀態(tài)，1985—2015年的上升率為0.46%。莫莫格國家級保護區(qū)、查干湖國家級自然保護區(qū)的景觀自然性呈先上升、后下降狀態(tài)(表2)。莫莫格國家級自然保護區(qū)的景觀自然性在1985—2000年的上升率為9.86%，在2000—2015年的下降率為27.84%。查干湖國家級自然保護區(qū)的景觀自然性在1985—2000年的上升率為4.17%，在2000—2015年的下降率為16.21%。向海國家級自然保護區(qū)的景觀自然性值下降最快，下降率為34.32%。大布蘇狼牙壩國家級自然保護區(qū)的景觀自然性在1985—2015年的下降率為14.73%。

為探究松嫩平原西部景觀自然性的空間分異規(guī)律，利用ArcGIS 10.2軟件，將松嫩平原西部三年各個網(wǎng)格的景觀自然性值進行克里金插值，得到松嫩平原西部景觀自然性空間分布圖(圖3)。

表2 松嫩平原西部主要城市及自然保護區(qū)景觀自然性值

圖3 松嫩平原西部景觀自然性空間分布

由圖3可知，松嫩平原西部景觀自然性值較高的區(qū)域集中在研究區(qū)南部，以扎龍國家級自然保護區(qū)為中心向四周遞減。

1985年景觀自然性值最高的地區(qū)為扎龍國家級自然保護區(qū)及其北部，為0.197 5。這一區(qū)域自然景觀比例較高，為60.35%，植被覆蓋率較高，NDVI值為0.40，濕地是這一區(qū)域的優(yōu)勢景觀，濕地率為28.29%。其次為向海國家級自然保護區(qū)及其南部，為0.188 8，這一區(qū)域人口密度為15.6人/km2，人口稀少，經(jīng)濟發(fā)展水平較低，NDVI值為0.29，自然景觀比例為66.12%。1985年景觀自然性最低值出現(xiàn)在松原市扶余縣，為0.117 0，這一區(qū)域的優(yōu)勢景觀為耕作景觀，耕地率為76.00%。

2000年景觀自然性值最高的地區(qū)為莫莫格國家級自然保護區(qū)中部及其北部，為0.211 6。這一區(qū)域自然景觀比例為58.27%，其中濕地率為20.80%、草地率為13.25%。2000年松嫩平原西部整體人為干擾值為0.591 7，而該區(qū)域人為干擾值為0.439 4，說明該區(qū)域受人為干擾程度較低。其次為扎龍國家級自然保護區(qū)中部及其北部，為0.171 6，這一區(qū)域自然景觀比例為65.79%，連通性為2.55，但該區(qū)域人口密度和GDP都高于松嫩平原西部整體平均值，導(dǎo)致自然性下降。2000年景觀自然性最低值出現(xiàn)在松原市長嶺縣附近，為0.109 4。這一區(qū)域自然景觀比例為11.64%，NDVI指數(shù)較小，為0.101 3，耕地率為76.67%。

2015年景觀自然性值最高的地區(qū)為扎龍國家級自然保護區(qū)東部，為0.222 5。該區(qū)域自然景觀比例為76.60%，其中濕地率為44.73%，草地率為28.69%，NDVI值為0.336 5，高于平均值0.263 7。2015年景觀自然性最低值出現(xiàn)在白城市、齊齊哈爾西部及白城南部，分別為0.090 0，0.100 0，0.103 0，這些區(qū)域均為人類活動強度較高的地區(qū)，優(yōu)勢景觀為城市景觀、農(nóng)業(yè)景觀，耕地率分別為79.28%，84.71%，77.00%。

2.2 松嫩平原西部景觀自然性的動態(tài)變化

利用ArcGIS 10.2軟件，將1985—2000年、2000—2015年、1985—2015年3個時段的景觀自然性變化值進行克里金插值，得到松嫩平原西部景觀自然性動態(tài)變化圖(圖4)。

圖4 1985-2015年松嫩平原西部景觀自然性動態(tài)變化

研究區(qū)大部分區(qū)域景觀自然性呈下降狀態(tài)，僅少數(shù)區(qū)域景觀自然性呈上升狀態(tài)，這些區(qū)域集中在自然保護區(qū)及保護區(qū)附近地區(qū)。1985—2000年，景觀自然性上升的地區(qū)主要集中在研究區(qū)中部的莫莫格國家級自然保護區(qū)，而景觀自然性下降的地區(qū)主要有向海國家級自然保護區(qū)和齊齊哈爾中部地區(qū)。2000—2015年，景觀自然性上升的地區(qū)主要為扎龍國家級自然保護區(qū)、莫莫格國家級自然保護區(qū)和松原部分地區(qū)，景觀自然性下降的地區(qū)主要為齊齊哈爾南部地區(qū)。

1985—2015年，景觀自然性上升的地區(qū)僅有扎龍國家級保護區(qū)及保護區(qū)以東、莫莫格國家級保護區(qū)、大慶南部地區(qū)、松原少數(shù)地區(qū)，其余地區(qū)均呈下降趨勢,尤以齊齊哈爾中部及南部、白城西部及南部下降最快。

2.3 松嫩平原西部景觀自然性的空間聚集性分析

利用Geoda軟件，距離閾值設(shè)為26 km，對1985年、2000年、2015年的景觀自然性值進行全局Moran′sI和局部空間自相關(guān)分析。3個時期的全局Moran′sI指數(shù)分別為0.036 9，0.052 1，0.011 4，呈先上升后下降趨勢。從空間分布上看，松嫩平原西部空間自相關(guān)結(jié)果的南北差距較大(圖5)。高—高自相關(guān)類型主要集中在研究區(qū)北部，特別是扎龍國家級保護區(qū)及其周邊區(qū)域，表明該保護區(qū)自然性值與周圍區(qū)域自然性值都較高，空間差異性小，呈空間正相關(guān)。低—低自相關(guān)類型主要集中在研究區(qū)南部，表明研究區(qū)南部自然性值較低，空間差異性小，呈空間正相關(guān)。

圖5 松嫩平原西部景觀自然性空間分布

從數(shù)量上看，高—高自相關(guān)類型、低—低自相關(guān)類型均呈先增加，后減少的變化趨勢(表3)。結(jié)合3個時期的克里金插值圖可知，1985年景觀自然性最高值出現(xiàn)在扎龍國家級自然保護區(qū)，隨著莫莫格國家級自然保護區(qū)自然性的上升，2000年景觀自然性最高值出現(xiàn)在莫莫格國家級自然保護區(qū)和扎龍國家級自然保護區(qū)兩個區(qū)域，故這一時期高—高自相關(guān)類型的數(shù)量達到最高值，2015年景觀自然性最高值僅出現(xiàn)在扎龍國家級自然保護區(qū)，故高—高自相關(guān)類型的數(shù)量相應(yīng)降低。1985—2000年期間，研究區(qū)北部大部分地區(qū)景觀自然性均呈下降狀態(tài)，低—低自相關(guān)類型的數(shù)量隨之上升，而2000—2015年期間，隨著松原市長嶺縣等地景觀自然性值的上升，低—低自關(guān)類型數(shù)量也隨之減少。低—高自相關(guān)類型呈逐年增加趨勢，高—低自相關(guān)類型呈逐年減少趨勢。無空間自相關(guān)類型呈先減少、后增加趨勢。

表3 1985-2015年研究區(qū)局部空間自相關(guān)類型統(tǒng)計

3 結(jié) 論

(1) 景觀自然性受景觀破碎度、景觀優(yōu)勢度、自然景觀比例、GDP這4個因子的影響較大，其中自然景觀比例所占的權(quán)重值最高，增加自然景觀的占比是提高景觀自然性的關(guān)鍵。

(2) 松嫩平原西部景觀自然性呈逐年下降趨勢，其中1985—2000年下降速率最快，2000—2015年下降率減慢，說明21世紀后推出的鹽堿地生態(tài)改良、禁牧休牧等措施產(chǎn)生了一系列成效。景觀自然性下降的原因主要是壓力指標的上升和響應(yīng)指標的下降，日后的工作重點應(yīng)以降低人類干擾為主。

(3) 景觀自然性值較高且呈上升狀態(tài)的地區(qū)主要為自然保護區(qū)及保護區(qū)周邊地區(qū)，如扎龍國家級保護區(qū)及保護區(qū)以東，莫莫格國家級保護區(qū)等。而人類活動密集的城市景觀自然性較低。造成這種差異的原因主要是自然保護區(qū)景觀的響應(yīng)指標較高，而城市景觀的壓力指標較高。

(4) 松嫩平原西部景觀自然性的空間自相關(guān)結(jié)果南北差異較大，高—高自相關(guān)類型、低—低自相關(guān)類型均呈先增加，后減少的變化趨勢。

本文從景觀指數(shù)、土地利用類型、人類干擾三方面探討松嫩平原西部景觀自然性變化。影響一個地區(qū)景觀自然性的因素還有很多，如生物因素、致災(zāi)因子等，這些因素的數(shù)據(jù)目前難以獲取而不能準確定量化，如何將這些因素定量化、探究這些因素對景觀自然性的影響可作為未來研究的重點。同時，本文僅對松嫩平原西部景觀自然性及其動態(tài)變化進行評價，未對評價結(jié)果進行驗證，如何科學(xué)、有效地驗證評價結(jié)果也是未來研究的重點之一。