人类活动对长白山典型区域自然环境的影响

赵建军，张洪岩，王野乔，2，乔志和，3，候光雷

（1.东北师范大学中国东北资源与环境研究吉林省高等学校重点实验室，吉林长春 130024；2.罗德岛大学自然资源科学系，罗德岛金士顿 02881；3.大庆师范学院教务处，黑龙江大庆 163712）

人类活动对长白山典型区域自然环境的影响

赵建军1，张洪岩1，王野乔1，2，乔志和1，3，候光雷1

（1.东北师范大学中国东北资源与环境研究吉林省高等学校重点实验室，吉林长春 130024；2.罗德岛大学自然资源科学系，罗德岛金士顿 02881；3.大庆师范学院教务处，黑龙江大庆 163712）

以1977年MSS、1993年TM和2007年TM三个时期遥感影像为数据基础，借助遥感和GIS技术以及景观生态学分析方法，对长白山30年来土地利用／覆被和景观格局动态时空规律进行了定量分析，并探讨了人类活动对其产生的影响程度.结果表明：建设用地、耕地、未利用地、其他植被和林地在30年里都发生了很大的变化.1977—1993年间，林地和水域呈现减少趋势，耕地、建设用地、未利用地和其他植被呈明显增加趋势；1993—2007年林地和耕地面积呈减少趋势，其他土地覆被类型还呈增加趋势.建设用地、未利用地和其他植被一直处于增加状态，虽然1993年之后增加趋势有所减慢，但是其范围蔓延到更高海拔地区.在景观水平上和类型水平上都发生了很大变化，景观破碎化严重，人类活动对研究区土地覆被变化带来了很大的负面效应，并且在短时期内很难恢复.

长白山；土地利用／覆被变化；景观格局；动态变化

自从1995年国际地圈生物圈计划（IGBP）和国际全球环境变化人文因素计划（IHDP）联合提出土地利用／土地覆被变化（land use and land cover change，LUCC）研究计划以来，LUCC一直是全球环境变化的重要组成部分和主要原因之一［1］.LUCC不仅带来地表景观结构的巨大变化，而且影响景观的物质循环和能量流动，对区域生物多样性和重要生态过程影响深刻［1－3］.

景观是人类生活的载体，区域景观格局的动态变化会引起区域生态功能流动［3］.LUCC着重探讨景观格局的度量变化，生态效应则侧重评价景观生态系统的功能变化，属景观过程研究.景观格局分析中的多样性、破碎度、聚集度等景观指数，可在一定程度上从空间格局反映景观功能的变化［4－8］.

长白山地区地形复杂，受非地带性因素影响较大，同时又受自然和人文等因素的双重影响.其独特的地质地貌形态和丰富的物种，形成了独特的自然景观.但随着人类活动的影响，该地区出现了一系列生态环境问题，如图们江流域的水质污染、耕地和建设用地大面积增加、土壤肥力下降、原始森林的面积锐减、濒临灭绝物种种类增多、水土流失加剧等，使其LUCC和景观格局发生了重大变化［9－10］.

中国已经在长白山建立了自然保护区，但人类活动对长白山地区的影响仍然很强烈.目前已有学者对长白山地区LUCC和景观生态方面进行了研究［5，8］，但这些研究的时间为多在2000年以前，没有定量分析其变化特征，对近10年来的变化分析较少，并且研究范围局限于北坡和西坡，没有从整体上将两者结合起来研究，而近10年来当地的人类开发强度明显增强.因此，有必要选择典型区域研究人类活动对其带来的影响.

研究LUCC可以从土地覆盖类型和数量上定量分析人类活动对其产生的影响，研究景观变化可以从不同斑块间的作用关系角度分析人类活动对其产生的影响.因此，将LUCC和景观格局结合起来，从整体上揭示人类活动对长白山景观格局动态变化特征及生态环境效应的影响具有十分重要的意义.本文对长白山30年来的LUCC和景观格局进行了定量分析，探讨了人类活动对该地区LUCC和景观格局变化产生的影响，从宏观上揭示了该地区的景观格局动态变化和生态环境效益［11－13］，为该地区的生态环境保护和自然资源可持续发展提供了依据.

1 研究区概况

长白山位于吉林省东南部，是中国东北地区最高的山体，也是图们江、鸭绿江、松花江三江的发源地，拥有东北亚温带地区谱系最多的山地垂直带系统，是一个高度敏感的地区.其独特的地质地貌过程、季风气候的影响、山体屏障的作用、地形因素制约等对长白山自然景观的形成起了主导作用.长白山锥体拥有我国温带乃至东北亚地区谱系最多的山地垂直带，与其周围广大中山、低山生态系统一起构成我国东北地区和东北亚地区最重要的生态屏障，其景观特征和环境地位多年来一直为科学界和社会各界所特别关注，于1980年被列入联合国国际生物圈保护区.

为了反映人类活动对长白山自然保护区内外的影响，以及对比中国和朝鲜近30年来对该地区的影响程度，以长白山火山椎体为中心、50 km为半径的圆形典型区域作为研究区.研究区涵盖了整个长白山自然保护区以及中国的和龙市、安图县、抚松县、临江市、长白县和朝鲜的两道江的部分地区，总面积达785 400 hm2.地理位置为东经127°25＇～128°40＇、北纬41°32＇～42°28＇，海拔659～2 691 m.

2 研究方法

以1977年的MSS、1993年的TM、2007年的TM为数据源，运用遥感和GIS方法，并结合了景观生态学和统计分析方法.首先，借助GIS软件，对长白山地区遥感影像进行了处理和解译，从中获取三期的土地利用类型数据和土地利用空间格局信息，与统计数据进行拟和分析；其次，采用土地利用动态度，分析土地利用／覆被动态变化，以及不同海拔、坡度的LUCC变化特征，并利用景观空间格局分析软件计算其景观指数，分析不同时段研究区景观格局时空变化特征.定量分析了人类活动对研究区内LUCC和景观格局变化的影响特征.

2.1 数据来源及处理

本研究的数据源为遥感信息源和非遥感息源.根据研究内容、地表景观的季相差异及卫星影像的质量，选取了三个时间段的遥感数据，分别为2007年10月2日和1993年5月28日的TM数据，1977年9月26日的MSS数据.非遥感信息源包括1∶5万地形图、行政区划图，吉林省1∶50万土地利用图、地貌图，野外考察采集的GPS数据和图片等资料.

根据本研究的目标，结合长白山地区特点，将研究区土地覆盖类型划分为：建设用地（城镇用地、农村居民用地、工交建设用地），耕地（水田和旱田），水域（河流、湖泊、水库、坑塘、冰川、积雪），未利用地（沙地、盐碱地、沼泽地、裸土、裸岩），其他植被（草地、灌木林、疏林、低密度植被），针叶林和针阔混交林.

以1∶5万地形图数据为参考坐标，投影方式统一采用Gauss－Kruger投影，对三期遥感图像进行配准和几何精纠正，经验证，误差小于1个像元，可以满足研究需要.通过对图像进行采样，并对样本精度进行训练学习，使样本学习精度大于85%，满足分类要求.遥感数据处理过程采用监督分类中的最大似然法.对分类的图像进行分类后处理，然后进行再分类，把没有划分的土地覆盖类型使用专家知识合理分配到相应类别中，得到1977年、1993年、2007年的土地覆盖类型图（见图1）［11］.其精度分别为77.8%，82.7%，86.3%，最后将分类栅格图转化为Grid格式.

图1 研究区分类图像

2.2 土地利用动态度

土地利用动态度是以抽象的数学语言定量表述特定研究范围内土地利用动态变化的速率.它可以定量描述区域土地利用变化的速度，是反映区域土地利用变化的一个重要指标.其公式表示为：

式中：K为研究时段内某一土地利用类型的动态度；Zia为某种土地类型变化前的面积；Zib为某种土地类型变化后的面积；T为变化的时间间隔.

2.3 景观格局指数

景观格局分析软件FRAGSTATS可以计算60多种景观指标，由于一些景观指标之间具有高度相关性，结合1977－2007年30年间长白山地区土地利用格局的变化，本文在景观水平上选取斑块数（number of patches，NP），最大斑块面积指数（largest patch index，LPI），边缘总长（total edge，TE），边缘密度（edge density，ED），蔓延度指数（contagion index，CONTAG），景观多样性指数（Shannon's diversity index，SHDI），景观均匀度指数（Shannon's evenness index，SHEI）等指标；在类型水平上选择斑块面积（total（class）area，CA），景观百分比（percentage of landscape，PLAND），斑块密度（patch density，PD），景观形状指数（landscape shape index，LSI），常规景观形状指数（normalized landscape shape index，NLSI）等指标，进行景观格局分析.

3 结果与分析

3.1 土地利用／覆被动态变化分析

（1）研究区整体变化分析.长白山地区土地利用动态度的计算结果见表1.

表1 1977—2007年研究区土地利用动态度统计表

从表1可以看出，在1977—1993年间，针阔混交林和水域呈负向变化，其他呈正向变化.水域发生变化的主要原因是不同时相长白山的积雪变化造成的，所以暂不考虑.面积变化较大的分别是针叶林和针阔混交林.从动态度上看，其他植被和未利用地变化最大，动态度值分别为5.523 2%和4.671 3%.这两种土地覆被类型都是环境恶化的表征.可见在此期间人类活动干扰非常大，导致耕地、建设用地、未利用地、其他植被增加，林地大量减少.在此期间林地减少了115 507.74 hm2，占总面积的14.71%；建设用地和耕地面积增加了21 058.56 hm2，占总面积的2.68%；未利用地面积和其他植被面积增加了947 07.06 hm2，占总面积的12.06%.在1993—2007时间段内耕地、针叶林和林地总和呈负向变化，其他土地覆被类型呈正向变化，说明在此期间耕地和林地处于减少状态.而建设用地、未利用地及其他植被还处于增加状态.面积变化最大的为林地、未利用地和其他植被.从土地利用动态度上看，整体上都较前一时期变小，其中针叶林、针阔混交林、水域和未利用地动态度值分别为－1.644 6%，1.124 0%，1.163 1%，1.242 2%.由于水域变化基数较少，所以反映在动态度上面比较强烈，这主要是因为受季节影响比较明显，在不同时相影像上变化较大.在此期间耕地面积减少了1 197.77 hm2，占总面积的0.15%.主要是与90年代中国提出的退耕还林的政策有关，但是对于研究面积来说这些变化影响不大，林地反而还处于下降状态，林地减少面积为18 795.63 hm2，占总面积的2.39%，但是下降速度较前一个时期减缓，土地利用动态度由前一时期的－1.171 8%变为－0.268 2%.

1977—1993年间建设用地面积增加了37.6%，耕地增加了39.61%，未利用地增加了74.74%，其他植被增加了88.37%，而林地减少了18.75%.引起以上变化的主要原因是长白山地区以农林业为主，随着人口的增加和经济的发展，耕地、建设用地面积大幅度增加，同时对森林的过度采伐造成林地大面积减少，一些土地覆被类型（主要为林地）转换未利用地（主要为裸地）和其他植被（主要为草地和低密度植被）等.1993—2007年间建设用地增加了12.41%，未利用地增加了17.39%，其他植被增加了4.71%，耕地减少了4.81%，林地减少了3.75%.主要原因是1993年之后受退耕还林政策等因素的影响，有部分耕地、未利用地和其他植被转化为林地，林地减少速度明显低于前期.1977—2007年间长白山地区土地利用方式发生了明显变化，林地主要转化为建设用地、耕地、未利用地和其他植被.无论是从数量上还是从速度上看都强于1993年之前，LUCC在1993年之前变化速度较快，之后减缓，说明研究区内土地覆被变化已经由急剧变化的时期转到缓慢变化时期.

研究区在30年间建设用地、未利用地和其他植被一直处于增加状态，耕地处于先增后减的状态，而林地总和一直处于减少状态.虽然人类干扰引起的变化（如耕地、建设用地）不大，但是人类活动所引起的负面效应（如土地覆盖退化的裸地和低密度植被等）影响却非常大.可见人类活动会带来一些生态环境变化，并且在短时期内难以恢复.

（2）不同海拔和坡度变化分析.建设用地和耕地变化是人类活动的直接表征，从不同海拔分析建设用地变化特征、不同坡度分析耕地变化特征具有重要意义.

为了评价建设用地变化随海拔变化的关系，我们把研究区内DEM按100 m间隔划分成不同等级［14］，计算三个时期建设用地面积变化与海拔的关系（见图2A）.由图2可知，建设用地面积一直在增加.三年间在海拔大于1 000 m以上的建设用地面积分别由1977年的1 246.95 hm2，增加到1993年的4 432.38 hm2，再到2007年的6 141.50 hm2.在1977年海拔大于2 000 m以上的建设用地趋于0，但是到1993年和2007年都发生了不同程度的增加.

我们把坡度按5°间隔将研究区划分成不同等级，研究耕地和坡度的变化关系（见图2B）.可以看出坡度在10°左右曲线发生了交叉变化，由原来的先增后减趋势转化为一直增加状态；大于20°的耕地数量一直处于增加状态，由1977年的441 hm2，增加到1993年的3 710 hm2，再增加到2007年的6 244 hm2.由2008年10份研究区的实地考察可知，这些变化主要是因朝鲜地区将坡度较小的地区耕地废弃，转化为荒地、裸地等未利用地或者低密度植被类型所致.

图2 不同海拔和坡度的土地面积变化

虽然耕地总面积减少了，但建设用地不仅总面积一直在增加，而且在海拔大于1 000 m的地区分别由1977年的1 246.95 hm2，增加到1993年的4 432.38 hm2，再增加到2007年的6 141.50 hm2.因此，人类在高海拔地区的干扰活动一直在加剧.

3.2 景观格局空间变化特征分析

（1）景观水平上景观格局分析.对长白山地区1977年、1993年和2007年三个时相内用土地覆盖分类结果及景观格局指数进行了统计，结果见表2.

通过对景观格局指数的对比分析可以看出，景观斑块数（NP）由1977年的39 512个减少到1993年的15 176个，再减少到2007年的13 140个.最大斑块指数（LPI）反映了最大斑块对整个类型和景观的影响程度.研究区LPI由1977年的33.03%到1993年的20.97%，再到2007年的25.31%，表明在1977—1993年研究区优势景观类型面积比例下降，对景观控制作用减弱，景观类型变得更加复杂，到2007年有所回升.边缘总长（TE）和边缘密度（ED）从1977—1993年都处于增加趋势，说明在人类活动的干扰下，各种土地覆盖类型变得更加不规则.表明大的景观类型被切割成更多小的景观类型，降低了景观的连通性，使景观类型趋于破碎化.

表2 1977—2007年长白山地区景观水平上景观格局指数

蔓延度指数（CONTAG）从1977年的58.20%减少到1993年的50.88%，再减少到2007年的49.68%，蔓延度指数下降说明景观的空间连接性下降，景观要素空间分布不均衡，优势斑块比例下降，斑块分布更加分散.

景观多样性指数（SHDI）是土地利用类型的多样性和复杂性的度量，多样性指数的高低反映了土地利用类型的多少以及各类型所占比例的变化［9－10］.SHDI从1977年的1.30增加到1993年1.51，呈增加趋势，说明研究区景观多样化水平有所提高，土地利用向着多样化方向发展，各种斑块分配比例趋于均匀发展趋势.1993年之后比较平稳，稍微有些降低.说明从1993年之后长白山地区景观类型处于平稳发展趋势.

景观均匀度指数（SHEI）1977—1993年呈增加趋势，说明景观各组成成分分配均匀程度在增加，景观类型呈均匀分布趋势.景观各个类型所占比例变的较协调，1993年之后变化不大.

从SHDI和SHEI可以看出，1977—1993年间景观异质性增大，景观类型有向多元化发展的趋势，景观格局受多种斑块类型影响.景观类型破碎化程度增加，土地利用类型变得更丰富.1993－2007年间较前变化不大，但是其形式有所好转.

（2）类型水平上景观格局分析.从图3可以看出斑块面积中林地、未利用地、其他植被占景观类型的主导地位，分别为1977年的93.35%，1993年的90.70%和2007年的92.53%.其中林地整体上呈先减少后增加趋势，耕地和其他植被呈先增加后减少的趋势.建设用地和未利用地一直处于增加趋势，其他景观类型变化不大.人口增加和经济发展的需要，带来耕地、工矿用地面积增加，表明人类活动干扰因素增强.

景观百分比是各类型斑块面积与研究区总面积的比值，表征相应类型在研究区中所占比重.从1977－2007年景观百分比（见图3）来看，未利用地变化不大，建设用地、其他植被和林地变化较大.说明主要是在这几种景观类型中发生了转化.

从斑块密度（见图3）可以看出，1977—2007年间未利用地斑块密度一直处于变小状态，说明其空间分布范围增加，趋于分散，研究区整体环境质量下降.1977－1993年林地和其他植被处于增加趋势，说明这两种斑块类型分布趋向于集中化，斑块间距离减小.其他景观类型变化不大，说明其分布没有发生明显变化.1993年之后所有景观类型斑块密度变化都有所减缓，其整体趋势好转.形状指数的值越大，其斑块形状越趋于复杂.从景观形状指数和常规景观形状指数可以看出，只有水域形状指数处于减少趋势，其他景观类型都呈增加状态，常规景观形状指数中数值最大的为建设用地、耕地、未利用地和其他植被.

1977—2007年间研究区的景观水平上边缘总长、边缘密度处于增加趋势，说明斑块一直处于离散化状态.最大斑块面积指数呈先减后增趋势，说明前一段时间土地利用趋于破碎化发展，后一段时间有所好转.蔓延度指数处于一直减少趋势，蔓延度指数变小表明研究区内景观格局由连接性较差的多种斑块类型所组成，土地利用格局破碎化，因此30年间一直处于破碎化发展状态.斑块水平上，建设用地、未利用地和其他植被变化幅度最大，建设用地斑块面积、景观百分比和常规景观形状指数一直处于增加状态，说明人类干扰强度增加；未利用地的斑块面积、景观百分比一直处于增加状态，斑块密度常规景观形状指数一直减少，说明其他类型转换到未利用地类型，使其面积增加，逐渐成为主导景观类型，生态状况变得恶化；其他植被的斑块面积、景观百分比、斑块密度处于先增后减状态，景观形状指数、常规景观形状指数一直处于增加状态，表明转换的强度增加，不同景观类型间相互转化频繁.

图3 长白山地区类型水平上景观格局指数

4 结论与讨论

随着海拔的增加人类活会渐渐变少，但是在长白山地区由于旅游开发等影响，人类活动干扰较以前有所增强，本文以3S技术为手段结合景观生态学理论，对长白山包括保护区在内的核心区30年间的LUCC和景观格局变化进行了定量分析，所得结论如下：

未来研究区的发展整体上趋好，但仍存在很多问题，如景观破碎度增势不减、人类活动影响区域向更高海拔和更大坡度地区发展等.建设用地发展到更高海拔地区，耕地在坡度较大的地方也较以前增加，这也使长白山地区面临更加严峻的生态环境问题.

不同时期的管理政策导致了土地利用形式及景观格局发生重大变化，这些变化在非自然保护区内显的尤为突出，显示出中国和朝鲜政策的差异性.研究结果也许不能完全满足生态管理的需要，因为还有许多未知因素没有考虑进去，然而，这些结果可以为森林管理和生态环境保护提供一个重要依据.

在对研究区现状进行深入研究的基础上，今后工作应侧重解决长白山面临的人类活动干扰的实际问题.朝鲜一侧土地利用变化和生态环境状况也是长白山生态环境研究的重点.

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Study on impact of human activities for natural environment in Changbai Mountain of typical area

ZHAO Jian－jun1，ZHANG Hong－yan1，Wang Ye－qiao1，2，QIAO Zhi－he1，3，Hou Guang－lei1
（1.The High Educational Key Lab of Jilin Province for Resources and Environmental Research of Northeast China，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.Department of Natural Resources Sciences，University of Rhode Island，Kingston RI 02881，United States；3.Dean's Office，Daqing Normal College，Daqing 163712，China）

The main purpose of this paper is to analyze quantitatively in the land use／cover change and landscape patterns of Changbai Mountain region in the past 30 years，observe the characteristics and evolution，investigate the relationships between the human activities of the two countries and LUCC and landscape patterns，reveal the law of its dynamic evolution and ecological－environmental benefits from a macroscopic point of view，and provide scientific basis for environmental and ecological protection and the sustainable use of natural resources.In this paper，the surrounding area of Changbai Mountain Centrum around 7 854 km2was chosen as an study area on LUCC and its ecological environment effect.Based on remote sensing data of MSS in 1977 and TM in 1993 and 2007 of the area，the LUCC and landscape pattern changes in the past 30 years were analyzed through remote sensing and GIS technology combining with the methods of Landscape ecology.Studied the date of three periods of land use and landscape patterns in Changbai Mountain region by calculation and the statistical data by fitting analysis.Some typical landscape indexes chosen of the study area were measured by landscape analysis software to analyze the spatial－temporal changes there.Meanwhile，the dynamic trends of LUCC were analyzed with the land use dynamic index.The results indicated that the LUCC of Changbai Mountain had altered obviously in recent 30 years especially during the first half period.The total areas of woodlands were significantly reduced，which were mainly changed into cultivated lands，lands for construction purposes，other vegetation and some types of unused land.The speed of LUCC slowed down after 1993.This phenomenon can be attribute to that the economic growth mode of the area is agriculture and forestry.Another two considerations in this case were rapid increase in population and unrestrained deforestation.On long－term development perspective，we should redouble our efforts on the protection of Changbai Mountain region against from being destroyed by humans，stick to the combination of resource development and environmental protection，pursue the integration of the economic，social and ecological results，and conduct useful probes for the sustainable economic development.

Changbai Mountain；land use／cover change；the landscape pattern；the dynamic change

P 942

170·4599

A

1000－1832（2011）03－0126－07

2009－11－05

国家重点基础研究发展计划（973）项目（2009CB426305）；东北师范大学“十一五”科技创新平台建设计划项目（106111065202）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目.

赵建军（1982—），男，博士研究生；通讯作者：张洪岩（1963—），男，博士，教授，博士研究生导师，主要从事生态环境遥感监测和GIS应用研究.

方 林）