陳圣天，付 暉，付 廣，陳 杰

(海南大學(xué) 林學(xué)院，海南 海口 570228)

景觀格局揭示了形狀大小各異的景觀要素在空間上分布配置情況，感知不同生態(tài)過程多因素時空作用的影響，有助于探索區(qū)域景觀生態(tài)資源可持續(xù)發(fā)展道路[1-2]。目前，景觀格局廣泛應(yīng)用于各項研究中，李玉杰等[3]通過分析源匯景觀格局對?？跓岘h(huán)境的貢獻及其生態(tài)效應(yīng)，提出基于區(qū)域景觀系統(tǒng)理論的熱島緩解策略。劉平等[4]通過模擬關(guān)門山國家森林公園未來300 a的景觀指數(shù)動態(tài)變化，為森林公園穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

自然保護區(qū)通過政策法律等有效手段對區(qū)域內(nèi)物種進行保護管理，從而發(fā)揮長期保護區(qū)域生物多樣性、修復(fù)破損生態(tài)環(huán)境的作用[5]。海南熱帶雨林國家公園范圍內(nèi)共設(shè)有5個國家級自然保護區(qū)：霸王嶺、尖峰嶺、吊羅山、五指山及鸚哥嶺保護區(qū)，各保護區(qū)聚集于海南熱帶雨林密集區(qū)，是多種瀕危野生動植物的重要棲息地，對保護我國南方熱帶雨林景觀及珍稀熱帶動植物具有重要現(xiàn)實意義。此前關(guān)于海南自然保護區(qū)的研究主要集中于自然保護區(qū)內(nèi)物種或種群資源特征[6-7]、生物多樣性[8]、森林公園旅游發(fā)展規(guī)劃[9-10]、景觀適宜粒度分析[11]、森林景觀格局研究[12]等方面，尚未見不同保護區(qū)之間景觀格局變化的分析。本研究以霸王嶺、尖峰嶺、吊羅山、五指山及鸚哥嶺國家級自然保護區(qū)為對象，選取景觀格局指數(shù)、景觀動態(tài)變化模型對不同保護區(qū)景觀時空動態(tài)變化進行比較分析，找尋保護區(qū)景觀格局變化的異同點，并運用PLUS模型探析景觀演變的驅(qū)動因素，有針對性地提出保護建議，為海南自然保護區(qū)未來保護管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

霸王嶺國家級自然保護區(qū)(109°03′E-109°17′E，18°57′N-19°11′N，以下簡稱霸王嶺)，地處海南島西南部山區(qū)，國家公園范圍總面積為297.41 km2，屬野生動物類型自然保護區(qū)，主要保護對象為海南長臂猿及其棲息地。尖峰嶺國家級自然保護區(qū)(108°36′E-109°05′E，18°23′N-18°52′N，下簡稱尖峰嶺)，地處海南島西南部，擁有中國現(xiàn)存緯度最低、垂直系統(tǒng)最完整的熱帶雨林，國家公園范圍總面積為240.69 km2。吊羅山國家級自然保護區(qū)(109°45′E-109°57′E，18°40′N-18°49′N，下簡稱吊羅山)，地處海南島東南部，橫亙海南島南半部，國家公園范圍總面積為183.61 km2。海南五指山國家級自然保護區(qū)(109°32′E-109°43′E，18°48′N-18°59′N，下簡稱五指山)，位于海南島中部，為海南第一高峰，國家公園范圍總面積為134.17 km2。鸚哥嶺國家級保護區(qū)(109°11′E-109°34′E，18°49′N-19°08′N，下簡稱鸚哥嶺)，位于海南省中南部，是海南島面積最大的保護區(qū)，國家公園范圍總面積為873.65 km2。除霸王嶺外，其余4個保護區(qū)均屬森林生態(tài)系統(tǒng)類型自然保護區(qū)，主要保護對象為熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)、珍稀動植物及棲息地[13]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

選用2015年和2020年30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)(GLC_FCS30-2015、GLC_FCS30-2020)，運用ENVI5.3對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行了幾何校正、圖像鑲嵌等預(yù)處理，并根據(jù)霸王嶺、吊羅山、尖峰嶺、五指山和鸚哥嶺保護區(qū)矢量邊界范圍進行裁剪，得到圖1。參照國際IGBP的LUCC分類體系和GLC_FCS30的30類土地覆蓋類型，結(jié)合保護區(qū)實際景觀情況和研究目的將保護區(qū)景觀類型分為旱地、草本植物、灌溉農(nóng)田、常綠闊葉林、落葉闊葉林、針葉林、灌木林、濕地、不透水層、水體10類。

圖1 2015年、2020年海南熱帶雨林國家公園范圍及景觀類型

為探究保護區(qū)用地變化的驅(qū)動力，參考相關(guān)研究和研究區(qū)實際情況，選取人口、經(jīng)濟、道路密度3個社會經(jīng)濟指標及年均溫度、年均降水量、高程、坡度4個環(huán)境氣候指標進行分析(表1)，并對各項數(shù)據(jù)進行預(yù)處理：對研究區(qū)周邊37個鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口及經(jīng)濟數(shù)據(jù)進行克里金插值，其中以區(qū)域內(nèi)營業(yè)面積50 m2以上的綜合商店或超市數(shù)量表征地區(qū)經(jīng)濟情況。提取2020年研究區(qū)周邊5 km范圍內(nèi)的各級道路、鐵路，計算道路密度，分辨率為1 km2網(wǎng)格。

2.2 景觀格局分析方法

2.2.1 景觀格局指數(shù) 從類型水平和景觀水平2個方面選取相關(guān)指標，探討各保護區(qū)景觀格局的多樣性、破碎度及連接度，分析景觀空間分布特征，各指標均使用Fragstats4.2完成計算[14-17]。具體指標為斑塊占景觀面積比例(PLAND)、斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(AREA_MN)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、斑塊結(jié)合度指數(shù)(COHESION)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、聚合度指數(shù)(AI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)，總計11個指標。

2.2.2 景觀動態(tài)變化模型 景觀時空動態(tài)變化研究旨在揭示各保護區(qū)景觀在某一時間段內(nèi)景觀變化程度、趨勢和空間分布特征，定量揭示各保護區(qū)景觀類型變化特征，并對區(qū)域間景觀格局變化的差異性進行比較分析[18-19]。本研究引入景觀動態(tài)度和轉(zhuǎn)移矩陣構(gòu)建景觀動態(tài)變化模型。景觀動態(tài)度能準確反映某時間范圍內(nèi)各保護區(qū)某種景觀類型變化的活躍程度及數(shù)量變化情況，計算公式為：

(1)

式中：K為研究時段內(nèi)某一景觀類型動態(tài)度；Ua、Ub分別為研究期初及研究期末某一種景觀類型的面積(km2)；T為研究時段長[20]。

景觀轉(zhuǎn)移矩陣能夠揭示不同景觀類型之間的轉(zhuǎn)移數(shù)量和轉(zhuǎn)移方向，其數(shù)學(xué)表達式為：

(2)

式中：S為景觀面積；n為轉(zhuǎn)移前后景觀格局的類型數(shù)；i、j分別為研究期初級研究期末的景觀類型[21-22]。

表1 數(shù)據(jù)來源信息

2.3 PLUS模型

斑塊生成土地利用變化模擬模型(PLUS模型)應(yīng)用了新的分析策略：土地擴張分析策略(LEAS)，該策略在2期用地變化擴張的部分中采樣，運用隨機森林算法逐一挖掘驅(qū)動因子，獲取用地發(fā)展概率以及各驅(qū)動因素對用地變化的貢獻度。該策略避免了轉(zhuǎn)化分析策略(TAS)中轉(zhuǎn)化類型隨類別增加而呈指數(shù)增長的復(fù)雜分析，保留了格局分析策略(PAS)所不具備的用地變化機理分析能力，具有更好的解釋性，因此本研究采用土地擴張分析策略探究保護區(qū)景觀變化驅(qū)動力[23]。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同保護區(qū)景觀格局變化

3.1.1 不同保護區(qū)景觀結(jié)構(gòu)特征 5個保護區(qū)優(yōu)勢景觀均為常綠闊葉林，其總面積占比均超過50%，5 a間呈現(xiàn)緩慢增長態(tài)勢；針葉林及灌木林面積均趨于減少；濕地僅存在于尖峰嶺、吊羅山及鸚哥嶺，斑塊面積一致呈現(xiàn)增長態(tài)勢；旱地、灌溉農(nóng)田、落葉闊葉林、不透水層、水體在保護區(qū)內(nèi)面積較小，變化較不顯著。鸚哥嶺面積遼闊，高達873.65 km2，五指山總面積最小，僅為134.14 km2，受面積影響鸚哥嶺各景觀類型面積變化量最大，五指山各景觀類型占比變化最顯著。常綠闊葉林在鸚哥嶺內(nèi)面積增長最高達92.28 km2，尖峰嶺增幅則相對較緩，在五指山所占比重增幅最多，為24.48%。鸚哥嶺針葉林面積減少最多，為40.23 km2，占比則僅減少4.61%，反之五指山與吊羅山占比變化顯著，分別為18.23%、16.63%。草本植物在鸚哥嶺范圍內(nèi)銳減12.74 km2(表2)。

表2 2015、2020年各保護區(qū)各景觀類型面積

3.1.2 不同保護區(qū)景觀指數(shù)變化特征 由圖2可見，不同保護區(qū)景觀指數(shù)變化較為一致，NP、PD呈現(xiàn)下降趨勢，保護區(qū)景觀破碎化程度降低；常綠闊葉林PLAND、AREA_MN與LPI顯著增長，表明保護區(qū)景觀格局以常綠闊葉林大斑塊為主導(dǎo)，隨著不斷加強林地修復(fù)，使林地面積逐年攀升，優(yōu)勢度增強，連通性向好；各景觀類型LSI大都呈現(xiàn)下降趨勢，景觀形狀從復(fù)雜趨于簡單；常綠闊葉林、灌木林及針葉林COHESION較高，但變化程度較小。鸚哥嶺草本植物銳減，NP、PD、LSI減少量最大，景觀形狀趨于規(guī)則，常綠闊葉林減少量次之，表現(xiàn)為面積增加，由景觀連接成片所致。尖峰嶺常綠闊葉林AREA_MN增長量最高為73.26 hm2。五指山常綠闊葉林LPI變化最大，表明其斑塊連通性較好。吊羅山因斑塊數(shù)量變化較小，導(dǎo)致落葉闊葉林及水體COHESION變化量顯著。

由圖3可見，五大保護區(qū)景觀水平總體變化相近，NP降幅顯著，占比約為40%，景觀破碎度減弱；CONTAG、AI均呈現(xiàn)增長態(tài)勢，表明保護區(qū)景觀集聚程度增強，優(yōu)勢景觀聯(lián)結(jié)；SHDI、SHEI小幅降低，整體景觀分布較不均勻。受斑塊面積影響鸚哥嶺NP降幅最大，五指山最??；但五指山CONTAG變化最為突出，增幅約18.56%，景觀連通程度較高；尖峰嶺SHEI最低僅為0.21，表明景觀多樣性降低，常綠闊葉林優(yōu)勢度升高。

3.1.3 不同保護區(qū)景觀類型動態(tài)轉(zhuǎn)移 由表3可見，不同保護區(qū)景觀動態(tài)轉(zhuǎn)移程度相近。從類型轉(zhuǎn)化上看，轉(zhuǎn)換度最高的均為灌木林與針葉林向常綠闊葉林的轉(zhuǎn)化，同時亦存在部分常綠闊葉林向灌木林退化的現(xiàn)象，其中鸚哥嶺轉(zhuǎn)化量尤為突出，此三者之間的轉(zhuǎn)化均占據(jù)了面積變化總量的90%以上。草本植物、旱地向灌木林的轉(zhuǎn)化在5個保護區(qū)內(nèi)均有發(fā)生，其中霸王嶺、鸚哥嶺旱地變化幅度明顯。各保護區(qū)在景觀種類方面亦有轉(zhuǎn)變，霸王嶺和尖峰嶺保護區(qū)增加不透水層，吊羅山增加少許濕地，五指山則增加灌溉農(nóng)田和落葉闊葉林，其余景觀類型轉(zhuǎn)化幅度較小。

本研究將新增景觀類型的動態(tài)度數(shù)值視作0。不同保護區(qū)景觀面積變化最顯著的均為常綠闊葉林，但與熱帶雨林國家公園總體變化相反的是：保護區(qū)內(nèi)針葉林轉(zhuǎn)化量高于灌木林。保護區(qū)常綠闊葉林及落葉闊葉林動態(tài)度均為正值，表明保護區(qū)林地面積不斷正向增長。保護區(qū)常綠闊葉林面積增量均為最大值，但其動態(tài)度較小，動態(tài)度最高值為吊羅山落葉闊葉林363.65%。反之，濕地與不透水層面積增量少，動態(tài)度較大。

綜合動態(tài)度統(tǒng)籌分析保護區(qū)景觀類型總體情況，反映各景觀類型變化強弱。5 a間霸王嶺、尖峰嶺和鸚哥嶺保護區(qū)綜合動態(tài)度近似為2.4%，吊羅山綜合動態(tài)度較高為4.28%，五指山最低僅為0.000 1%。參照相關(guān)研究，吊羅山保護區(qū)綜合動態(tài)度屬緩慢變化型，霸王嶺、尖峰嶺、五指山、鸚哥嶺保護區(qū)綜合動態(tài)度均屬極緩慢變化型，由此可見，5 a間5個保護區(qū)整體景觀類型變化較為緩慢，景觀類型基本穩(wěn)定，人為干擾影響較小，景觀植被屬自然演替，生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定。

3.2 基于PLUS模型的保護區(qū)景觀變化驅(qū)動因子分析

運用ArcGIS軟件，對2010、2015年和2020年3期土地利用數(shù)據(jù)進行重分類，與各項驅(qū)動因子導(dǎo)入PLUS模型，得到用地發(fā)展?jié)摿D(圖4)與用地變化驅(qū)動因子的貢獻度(圖5)。

注:Ⅰ.旱地；Ⅱ.草本植物；Ⅲ.灌溉農(nóng)田；Ⅳ.常綠闊葉林；Ⅴ.落葉闊葉林；Ⅵ.針葉林；Ⅶ.灌木林；Ⅷ.濕地；Ⅸ.不透水層；Ⅹ.水體。

表3 2015-2020年不同保護區(qū)景觀類型面積變化及動態(tài)度

圖3 2015、2020年各保護區(qū)景觀水平景觀指數(shù)

由圖5A可見，耕地擴張潛力較大的區(qū)域主要分布于保護區(qū)邊緣。其驅(qū)動因子主要為高程、道路密度及降水量，即在交通便利、地勢平緩、雨量充沛利于灌溉的地區(qū)，人們傾向于從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，用地類型向耕地轉(zhuǎn)化。保護區(qū)內(nèi)林地占據(jù)較大的比重，擴張趨勢顯著，其驅(qū)動因子主要為高程、坡度、降水量等自然因素。另一方面，保護區(qū)林地轉(zhuǎn)入草地的部分占草地增量的99.18%，草地主要受到高程與人口因素影響，即在保護區(qū)邊緣的低海拔地帶，林地易受人為干擾而退化為草地，因此可以認定人口也是林地變化的影響因素之一。水域變化的驅(qū)動因子主要為高程、溫度及道路密度(圖5D)，霸王嶺及五指山等地勢較高的區(qū)域水域擴張潛力較小，在尖峰嶺及毛陽鎮(zhèn)則具有較高潛力。保護區(qū)地勢陡峭、人口稀疏，建設(shè)用地擴張潛力較小。

保護區(qū)景觀變化驅(qū)動因子主要為高程與人為因素，這與保護區(qū)植被垂直分布特征相關(guān)。海拔600～1 000 m是以樟科、殼斗科等高大喬木植物為優(yōu)勢種的熱帶山地雨林，層間植物豐富，林地穩(wěn)定發(fā)展。海拔600 m以下林地以次生林為主，易受到人為干擾而退化，鑲嵌分布有五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)群落草地及桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)、野牡丹(Melastomacandidum)群系灌叢[24]。高海拔地區(qū)主要生長針葉林樹種，在海拔1 400 m以上則為山頂苔蘚矮林。五大保護區(qū)平均海拔較高，針葉林群落豐富，因而與熱帶雨林國家公園總體變化相反：針葉林轉(zhuǎn)化率普遍高于灌木林。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

霸王嶺、吊羅山、尖峰嶺、五指山及鸚哥嶺保護區(qū)景觀變化大體相同，受保護區(qū)人工造林種植類型和林型間的自然演變影響，五大保護區(qū)林地類型景觀格局均呈現(xiàn)增長態(tài)勢，非林地向林地轉(zhuǎn)換、針葉林向常綠闊葉林轉(zhuǎn)變，景觀破碎化程度減輕，保護區(qū)土地利用以及生態(tài)環(huán)境得以保護。另一方面，各保護區(qū)景觀變化驅(qū)動因子主要為高程及人為因素，大體上存在核心林區(qū)穩(wěn)定、緩沖區(qū)脆弱的特征。但不同保護區(qū)之間仍存在差異主要體現(xiàn)如下。

圖4 各保護區(qū)用地擴張驅(qū)動因子貢獻度

圖5 各保護區(qū)用地擴張潛力

景觀結(jié)構(gòu)方面，鸚哥嶺各景觀類型面積變化量最大，五指山各景觀類型占比變化最顯著。景觀類型方面，霸王嶺及尖峰嶺新增不透水層；吊羅山新增濕地；五指山新增灌溉農(nóng)田及落葉闊葉林但依舊缺少濕地及水體景觀。景觀格局指數(shù)方面，因斑塊數(shù)量較少，吊羅山落葉闊葉林COHESION增幅最大，反之水體COHESION降幅最大；尖峰嶺常綠闊葉林AREA_MN最大，景觀優(yōu)勢度增強，但尖峰嶺SHEI最低，僅為0.21，景觀多樣性較低；五指山常綠闊葉林動態(tài)度最大，各景觀趨于團聚，異質(zhì)性減弱。景觀轉(zhuǎn)移方面，在鸚哥嶺保護區(qū)地勢平坦的邊緣地區(qū)，草本植物向灌木林轉(zhuǎn)化顯著，5 a間面積銳減12.74 km2，其中91.58%均轉(zhuǎn)化為灌木林，草地在鸚哥嶺的發(fā)展?jié)摿^小。驅(qū)動因子方面，耕地、林地、草地及水域均受高程因素的影響較大，建設(shè)用地則主要受人為活動影響，具體表現(xiàn)為經(jīng)濟因素。

4.2 討論和建議

霸王嶺保護區(qū)是海南黑冠長臂猿唯一的棲息地，其周邊的青松鄉(xiāng)、王下鄉(xiāng)等地區(qū)人類活動較為頻繁，耕地變化潛力較大，如不加以防范，勢必對保護區(qū)景觀穩(wěn)定性造成負面影響，海南黑冠長臂猿棲息地也將受到威脅[25-26]。毛陽鎮(zhèn)位于海南熱帶雨林國家公園中心位置，起到了連通兩側(cè)鸚哥嶺與五指山保護區(qū)的作用，該地受昌化江流域影響，水量充沛，水體擴張潛力較大；但大廣壩水庫則與之相反，5 a間水庫周邊部分水體轉(zhuǎn)化為濕地，以致水體面積減少，對周邊尖峰嶺、霸王嶺保護區(qū)造成不利影響。

基于上述研究結(jié)果，提出以下建議：1)霸王嶺保護區(qū)應(yīng)嚴格管控周邊土地利用開發(fā)強度，并加強對高大喬木類植物的保護，為海南黑冠長臂猿提供良好的生存環(huán)境及食物來源。2)吊羅山、尖峰嶺及鸚哥嶺保護區(qū)均存在水體面積減少的情形，應(yīng)多加注重水土保持，調(diào)節(jié)水資源平衡；適當加強毛陽鎮(zhèn)周邊水體及濱水環(huán)境的修復(fù)及保護力度，更好地發(fā)揮紐帶作用。3)五大保護區(qū)均位于海南熱帶雨林國家公園范圍內(nèi)，應(yīng)加強與國家公園的整體聯(lián)系，形成體系化管理制度，增強群眾保護意識，促進多層有效保護。4)在保護區(qū)邊緣地帶樹立標識牌，廣泛開展科普宣傳教育，提高周邊群眾生態(tài)文明意識，增強法制觀念，自覺守護生態(tài)家園[27-28]。

本研究通過景觀格局及動態(tài)度分析，探究海南不同保護區(qū)景觀格局時空演變規(guī)律；通過PLUS模型確定景觀演變的驅(qū)動因素；通過對比分析得出不同保護區(qū)景觀變化的異同點，為各保護區(qū)因地制宜制定保護管理措施提供理論依據(jù)。但本研究僅選用兩期30 m地表覆蓋數(shù)據(jù)開展分析，時間跨度較短，景觀變化較不明顯。同時，只考慮了社會經(jīng)濟與自然大環(huán)境的驅(qū)動因素，缺乏對研究區(qū)開展樣地調(diào)查，未對熱帶雨林景觀植被種類開展研究。在后續(xù)研究中，應(yīng)對保護區(qū)景觀進行全方面綜合分析。