中国丹霞赤水世界自然遗产景观格局时空演变及驱动因素分析

陈奕彤, 熊康宁, 肖时珍, 肖 华

(贵州师范大学 喀斯特研究院/国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心, 贵阳 550001)

景观格局的变化分析是景观生态学和地理学领域的热点问题和难点问题[1-2]，对人类、自然的可持续发展具有重要的意义[3]。景观格局是指大小和形状不一的景观要素在空间上的分布和组合，它能揭示地区空间信息，具有重要的生态学意义[4-5]。通过景观格局的分析，可以了解各景观要素的变化情况和破碎化程度，揭示景观演替的机制和规律，分析景观的变化趋势，为实现资源的可持续利用提供参考[6]。景观格局与过程的定量化和机理相互作用研究,可深化认识和预测地理环境的变化,合理布局经济活动、开发利用和保护自然资源、减轻和避免自然灾害，实现人与环境协调发展的目标[7]。世界遗产具有突出的普遍价值，是人类共同的财富和资源[8]。客观地评价和分析世界遗产的景观格局变化不仅可以揭示其景观演变的特征与机制，而且对于揭示人类活动和景观变化的关系，预测景观的变化趋势、实现景观的可持续利用具有现实意义[9-10]。我国已有学者对泰山、九寨沟、武夷山、武陵源、庐山等世界遗产的景观格局演变及其影响因素进行了研究[11-18]。

赤水丹霞是中国丹霞世界系列自然遗产地之一，是青年早期丹霞地貌的典型代表，是我国重要的风景名胜区、自然保护区和旅游圣地，具有突出的美学景观价值和地质地貌价值，以及生物生态、科学研究以及教育教学等价值[19]。很多学者分别从地质地貌、美学价值、生物多样性、生态旅游、遗产价值与保护等多方面多角度对中国丹霞赤水世界自然遗产进行了研究[19-23]，但还没有关于景观格局时空变化方面的研究。随着城镇一体化的快速发展和旅游活动的增长,中国丹霞赤水世界自然遗产的保护管理和发展也面临着越来越多的挑战。研究和实践表明，3S技术有助于掌握大尺度范围内景观类型的动态变化[24-26]。该研究利用遥感和GIS技术，从景观格局的演变分析入手,分析赤水遗产地及缓冲区的景观要素特征和景观格局演变特征,揭示其不同发展阶段景观格局变化特征和变化过程，探讨景观格局变化的驱动因素，以期为中国丹霞赤水世界自然遗产的资源合理规划与利用、遗产保护管理以及可持续发展提供相应的参考和建议。

1 研究区概况

赤水丹霞是中国丹霞系列世界自然遗产的重要组成部分，在2010年8月第34届世界遗产大会上与福建泰宁、湖南崀山、广东丹霞山、江西龙虎山和浙江江郎山一并成功列入世界遗产名录。中国丹霞赤水世界自然遗产位于中国贵州省西北部的赤水市与习水县境内，包括西区和东区两个核心片区，主要包括赤水国家级风景名胜区十丈洞瀑布景区、丙安楠竹竹海景区、赤水桫椤国家级自然保护区、赤水竹海国家森林公园和习水中亚热带常绿阔叶林国家级自然保护区的一部分，西片区与赤水国家级风景名胜区范围大致吻合，西区中心点坐标为28°22′11″N，105°47′39″E，东区中心点坐标为28°25′19″N，106°02′33″E。该研究的研究区域包括遗产地(核心区)和缓冲区。赤水遗产地面积27 364 hm2，缓冲区面积44 814 hm2，共72 178 hm2。

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

研究采用2001年、2010年、2016年3个时期的landsatTM/TM/OLI遥感影像，分辨率均为30 m(表1)，数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理数据空间云平台，以ENVI 5.1对遥感进行几何校正、大气校正、裁剪等预处理。参考《土地利用现状分类》(GB/T21010—2007)标准，综合考虑研究区实际土地利用覆盖情况，将赤水遗产地及缓冲区的土地覆盖类型(景观类型)分为林地、耕地、灌丛、水体、建筑用地和裸地6大类。因支持向量机分类法具有分类精度高,分类图斑完整等优点，且分类精度要比最大似然分类精度高一些[27]，所以本文采用监督分类中的支持向量机分类器对三期遥感影像进行土地利用类型(景观类型)分类，以Majority/minority Analysis消除小斑块，然后利用ArcGIS 10.1进行分类后处理，将Google地图，野外调查数据等与分类结果进行比较，对错分的类型进行人工修改，最后得到研究区的三期的土地利用类型图，分类图总体分类精度均大于85%。利用FRAGSTATS 3.3景观格局指数计算软件和Excel数据处理软件进行景观格局指数计算。运用ArcGIS中Data Management Tools和Analysis Tools工具下的模块以及Excel数据处理软件，计算景观面积转移矩阵。

表1 遥感影像原始数据

2.2 景观格局指数

景观指数浓缩了景观格局信息，能反映景观格局的结构组成和空间分布特征，是定量化研究景观格局的基本方法[4]。根据研究区特点，选择景观面积、斑块所占景观面积比例、斑块数量、斑块密度、边缘密度、景观形状指数、分离度指数、蔓延度指数和香农多样性指标(景观多样性指数)等指标来研究遗产地及缓冲区景观格局的变化情况(表2)。

表2 所选主要景观指标及其含义

3 结果与分析

本文将赤水遗产地及缓冲区的景观类型分为6大类，具体为：(1) 林地,包括针叶林、阔叶林、竹林；(2) 耕地,包括旱田、水田；(3) 灌丛,包括灌丛、草地；(4) 水体,包括较大的河流、湖泊、水库；(5) 建筑用地,包括居名点、厂房建设、基础设施建设、高速公路建设；(6) 裸地,包括裸土、裸岩等。

3.1 景观类型斑块结构特征及其动态

3.1.1 景观类型斑块基本特征变化 2001年开始赤水市实施退耕还林工程，2010年赤水丹霞列入世界遗产名录，2016年赤水市旅游人次首次突破千万大关，16年来，研究区景观类型斑块特征及其特征变化见表3、图1。

从斑块结合度指数(COHESION)来看，林地景观的结合度一直都是最高的，即连通性是最好的，所以林地是研究区的优势景观类型，面积比例一直占研究区整体面积的80%以上，其次是耕地景观和灌丛景观，这3类景观面积比例在3个时期均位于前3位，依次都是林地>耕地>灌丛。这16年来，林地景观面积先是大幅度增加，后是小幅度减少，2001年林地景观面积为57 702 hm2，面积比例是79.94%，2010年上涨到86.92%，增加了6.98%；2016年小幅较少到85.70%，较2010年相比，下降了1.22%。而耕地景观面积先是大幅减少，而后是小幅增加，耕地景观面积比例从2001年16.84%下降到2010年的8.44%，减少了8.4%，2016年小幅增加，面积比例为9.40%，增加了1%。灌丛景观面积一直增加，2001年面积比例为2.02%，后依次增加到2.22%和3.11%。建筑用地面积持续增加，裸地面积先增加后减少。植被覆盖率通常是指森林面积占土地总面积之比，森林面积还包括灌木林面积、耕地林网树占地面积以及四旁树木的覆盖面积。因此林地景观、耕地景观和灌丛景观的面积和占研究区的面积比例也就是研究区的植被覆盖率，由此可见，研究区的植被覆盖率一直都在98%左右，非植被覆盖率在2%左右，即水体、裸地和建筑用地的面积和一直都只占研究区整体面积的2%左右。由于研究区植被覆盖率高，遥感影像分辨率不是很高，因此遥感解译时只提取了研究区内赤水河和枫溪河两条较大河流的水体面积以及其水库等水体面积。16年间，水体面积变化浮动不是很大，水域面积的变化受降水量的影响，与降水量变化具有相关性[17]。

表3 中国丹霞赤水世界自然遗产地及缓冲区景观类型斑块特征及格局指数

图1 2001年、2010年、2016年中国丹霞赤水世界自然遗地及缓冲区产景观类型分类

3.1.2 景观类型斑块结构变化 斑块数量表征某一斑块类型的数量，其数值的大小与景观破碎度有正向相关的关系。斑块密度表征斑块的破碎程程度，斑块密度越大，景观类型越破碎[18]。如表3所示，2001年，斑块数量位于前三位的是耕地(638块)，灌丛(418块)和林地(209块)，2010年，斑块数量位于前三位的变为耕地(595块)，裸地(493块)和灌丛(317块)，2016年，前三位的分别是耕地(823块)，灌丛(654块)和裸地(215块)。2001—2010年，林地、耕地和灌丛的斑块数量都在减少，斑块密度降低，说明这3种景观类型斑块破碎化程度都在降低，而水体、裸地和建筑用地的斑块数量和斑块密度都不同程度增加，该3种景观类型斑块的破碎化程度有所增加。然而，2010—2016年，林地、耕地、灌丛和建筑用地的斑块数量都在增加，斑块密度增加，而水体、裸地的斑块数量在减少，说明该期间，林地、耕地、灌丛和建筑用地景观类型斑块破碎化程度在增加，而水体、裸地景观类型斑块破碎化程度在降低。

3.2 景观总体格局特征及其动态

3.2.1 景观总体异质性变化 由表4可知，近16年来，研究区总体斑块数量(NTP)不断增加，2001—2010年增加297块，2010—2016年增加了220块，16 a间总共增加了517块，增长率依次为18.7%和11.7%。蔓延度指数(CONTAG)先上升后下降，2001—2010年，同类型板块分布越来越集中，破碎化程度降低，但2010—2016年，蔓延度指数有少许下降，即同类景观斑块分布越来越分散，破碎化程度有所加剧，但2016年蔓延度指数(73.208 2) 仍高于2001年(71.297 6)，破碎化程度仍优于2001年。景观边缘密度(ED)先降低后上升，且增加后2016年的景观边缘密度(24.933 4) 略高于2001年的(24.855 1)。香浓多样性(SHDI)取决于景观类型的丰富度和各斑块类型在面积上分布的均匀程度[4]，16年间，研究区内景观的景观形状指数(LSI)，分离度指数(SPLIT)和香农多样性指数都是先降低后增加的趋势。研究区的景观多样性指数先降低后增加，2010年景观多样性指数低于2001年，表明景观类型丰富度有所下降，但在申遗成功后，景观多样性指数有所上升，2016年的多样性指数(0.554 5)高于2010年(0.529 9)，说明景观类型的丰富度有所上升。分离度指数同多样性指数一样，也是先降低后上升，2016年分离度指数(2.753 5) 较2010年分离度指数(2.664 3) 稍有增加，景观破碎化程度稍有增强。

表4 中国丹霞赤水世界自然遗产地及缓冲区景观总体格局指数

3.2.2 景观类型动态演化 通过对2001—2010年、2010—2016年的各景观类型转移矩阵的计算分析,发现中国丹霞赤水世界自然遗产地及缓冲区的各景观类型均处于动态变迁过程(表5—6)。2001—2010年，林地景观绝大部分没有改变，只有2.5%转入其他景观类型，林地景观状态保存完好。耕地景观变化较大，有44%的耕地景观面积转入林地景观，另有5.16%的面积转入裸地，这很大程度上是受退耕还林政策的影响而转化。灌丛景观变化也较大，有64.35%的面积转入林地，10.08%的面积转入耕地，原始面积保留只有23.26%，研究区林地景观进一步扩大。水体景观有24.16%的面积转入林地景观，不过这个变化有可能是植被景观变得繁茂遮挡了水体产生的变化。裸地转出率最高，只有13.14%为原始用地类型，有51.31%的面积转入了耕地，裸地利用率得到很大的提升，而建设用地也仅仅有14.16%为原始用地类型，有34.30%和29.5%的面积分别转向了灌丛和耕地。

2010—2016年，林地景观仍然保存完好，原始保留面积为94.56%，变化量为5.44%，但变化量与2001—2010年的变化量比较有所增加，耕地有62.92%的面积得到有效保留，有26%的面积转入林地，有2%和2.6%面积分别转入裸地和建设用地，这主要是由于位于缓冲区的赤水市两河口乡进行城乡一体化建设玫瑰小镇，以及沿缓冲区的赤水河建设蓉遵高速公路而引起的变化。灌丛有40.6%的面积转入林地，19.5%转入耕地，原始有效保留面积为37.37%，只有2.53%的面积转入了其他景观类型。水体景观变化量不大，但裸地和建设用地转移变化较大，转出率最高，裸地有53.26%和20.02%的面积分别转入耕地和林地，建筑用地有48.23%和28.10%的面积转入耕地和灌丛。

表5 2001-2010年各景观类型转移矩阵 %

表6 2010-2016年各景观类型转移矩阵 %

3.3 景观类型在坡度等级上的分异特征

坡度是影响景观格局分布的地形因素的主要因素之一，从1∶50 000 DEM图上获取研究区坡度数据，坡度类型划分为5个等级，具体为平坡(0°～5°)、缓坡(5°～15°)、斜坡(15°～25°)、陡坡(25°～35°)、急坡(35°以上)，从表7中可以看出，研究区平坡地形最少，仅占研究区整体面积的3.82%，缓坡、陡坡和急坡地形面积相差不大，均占研究区面积的20%多，斜坡地形最多，占研究区面积的31.22%。将研究区3期景观类型分类图与坡度等级图进行叠加分析，获得不同时期不同坡度等级上景观类型分布特征数据。由于林地、耕地和灌丛是研究区的主要景观类型，面积与水体、裸地和建筑用地的面积相差巨大，因此，为了方便显示分开统计。从图2中可以看出，林地主要分布于缓坡及以上，斜坡上最多，在平坡分布最少，2001—2010年，各个坡度上的林地面积均有增加，2010—2016年，缓坡和斜坡上的林地面积有轻微的减少。耕地主要分布于缓坡和斜坡，水体主要分布在平坡和缓坡，裸地和建筑用地主要分布于缓坡和斜坡，并且在2001—2016年，建筑用地在缓坡和斜坡上的分布持续增加，说明研究区的人类活动主要分布于缓坡和斜坡并且在不断增加。

表7 中国丹霞赤水世界自然遗产地及缓冲区坡度分类

图2 景观类型在坡度等级上的分布

3.4 景观格局演变驱动因素分析

国内研究通常将驱动因子分为两大类：自然因子和人文因子，自然因子包括气候、土壤环境变化、地形与地貌类型、水文变化等因子，人文因子包括人口变化、技术进步、政治经济体制变革、文化观念改变等[28]。自然因子对景观格局的驱动作用主要在大时间跨度上体现，而人类活动在短期内就会导致景观格局的明显改变[29-30]。驱动因子对景观格局变化的驱动，不是简单的一对一关系，而是存在一对多、多对一以及多对多等形式[31]。中国丹霞赤水世界自然遗产地及缓冲区的景观格局变化是自然、人文因素相互作用的结果，主要有以下几个方面的影响。

(1) 自然因素的制约。研究区面积大，植被覆盖率高，具有最完整、最具代表性的中亚热带丹霞森林生态系统，海拔最高处约为1 730 m，最低处240 m，平均海拔579 m，盛行亚热带山地季风气候，年平均气温为18.1℃，年降水量为800～1 700 mm，主要集中分布在4—10月，约占全年的80%以上，研究区属长江水系，赤水河为境内最大的河流，是长江的一级支流。研究区气候湿润，降水充沛，发育了茂密的森林，核心区内大部分为人烟稀少和人迹罕至地区，自然生态迄今仍保持着原始状态。研究区地势陡峭，平坡地形面积比例仅为3.82%，在一定程度上制约着景观格局的变化。十几年内，研究区的地形、地貌、气候等自然驱动因素基本都没有变化，对其景观格局演变存在制约作用。

(2) 退耕还林政策和城镇化与高速交通建设的影响。人为驱动因素方面，自2001年以来，赤水市以国家实施退耕还林政策和“黔北万吨林纸一体化项目”工程建设为契机，大力实施一系列退耕还林还竹工程[32]。因此，2001—2010年，研究区耕地景观大量减少，面积减少了49.87%，即耕地景观减少了近一半。2012年赤水市在中国丹霞赤水世界自然遗产缓冲区两河口乡规划建设玫瑰小镇城镇一体化项目，导致该片区建设用地面积明显增加。由于全国交通路网的发展需求和赤水市经济发展的需求，蓉遵高速公路(遵赤高速公路)于2010年开建，2014年建成通车，途径中国丹霞赤水世界自然遗产两片核心区之间的缓冲区，依傍赤水河而建，该高速公路的建设导致缓冲区内建设用地面积的明显增加，同时建设后环境修复，导致灌丛面积增加。2010—2016年，研究区建筑面积增加了34.16%，主要是发生在缓冲区。

(3) 经济发展和旅游发展的影响。赤水是中国西部最大的竹业循环经济基地之一，是全国最大的金钗石斛产业基地、贵州省特色农产品加工基地，经济一直呈增长趋势，年人均GDP从2001年的3 663元，增长到2016年的35 229元，增长了近10倍(图3)。研究区主要是鼓励发展没有环境污染的旅游产品加工业和石斛种植业，适当发展生态和文化旅游，对环境影响较小。随着赤水丹霞申遗成功后，知名度不断提高，很多游客慕名前往，景区开发建设的力度也不断加大，景区的游客接待量、旅游收入逐年稳步攀升，旅游人次也一直呈增长趋势，在2010年登录世界遗产名录之前，增长趋势较为缓慢，而在登录世界遗产名录之后，旅游人次呈指数型增长(图4)，2001年，旅游人次只有21万人次，而2016年旅游人次增长到了1 200万人次，增长了近60倍，2010—2016年，旅游人次年平均增长率为36.98%。研究区一直遵循赤水遗产保护管理和规划的指导，很多基础设施的建设是在原有的基础上进行升级改造，比如道路主要是改造原有县乡公路，提高道路等级。停车场主要也是设置在各旅游服务中心、村、点等地方，大部分是在原址的基础上进行扩建和修缮，而少量新建的停车场地也特别注意了场址的选择。因此，由于较好的规划和保护管理，经济发展、旅游增长和开发建设未对研究区的景观格局造成明显的影响。

图3 赤水市年人均GDP

图4 赤水市游客接待量

(4) 保护管理制度的制约。中国丹霞赤水世界自然遗产在申遗时就根据土地的不同属性，提出有针对性的保护管理措施，将研究区划分为5个保护等级，分别为特级保护区、一级保护区、二级保护、三级保护区和缓冲区，对每个一个等级的保护区域做了明确的保护管理要求，申报成功后，还根据实际情况制定了相应的《中国丹霞赤水世界自然遗产保护条例》，并明确了法律和行政责任以及追究制度。缓冲区内实行的是协调性保护，为了更好地展示中国丹霞赤水世界自然遗产，缓冲区内可开展一定的建设项目、旅游项目、交通项目等，但所有建设项目应与遗产地有较好的协调过渡性，不得安排有污染的工矿企业，不能破坏景观环境和生态系统。在一系列保护管理措施的管理下，2010—2016年，赤水丹霞遗产核心区保护较为完整，景观格局变化微弱，缓冲区有一定的变化，研究区整体景观格局的动态变化度较小，景观格局进一步趋于稳定。

因此，从人为驱动因素来看，退耕还林政策、城镇一体化的建设以及高速交通建设对中国丹霞赤水世界自然遗产的景观格局变化有很大的推动作用，而旅游增长对景观格局变化的影响相对较小，遗产保护管理制度和措施有效地保护了中国丹霞赤水世界自然遗产的完整性和遗产核心价值。

4 结论与讨论

(1) 自2001年以来，林地景观一直为中国丹霞赤水世界自然遗产地及缓冲区的优势景观类型，面积比例一直在80%以上，其次是耕地景观和灌丛景观；按照植被景观和非植被景观分类，遗产地及缓冲区的植被景观面积比例(林地、耕地、灌丛)一直在98%左右，而非植被景观面积比例(水体、建筑用地、裸地)只有2%左右；

(2) 中国丹霞赤水世界自然遗产的各类景观均处于动态变迁过程，景观动态变化度在2001—2010年较大，在2010—2016年较小，变化主要发生在缓冲区；2001—2016年，研究区林地面积大量增加，灌丛面积明显增加，建筑面积持续增加，水体面积变化不大，耕地大量减少，裸地面积减少，优势景观类型地位上升，土地利用率增加；

(3) 近16年来，赤水丹霞遗产地及缓冲区的景观分离度指数先降低后轻微增加，景观破碎化程度稍有加深；景观多样性指数先降低后增加，2010年景观多样性指数低于2001年，表明景观类型丰富度有所下降，但在申遗后，景观多样性指数有所上升，景观异质性即景观类型的丰富度有所上升；

(4) 从景观变化的驱动因子来看，驱动因子除了研究区生态系统的自然演化外,主要是受退耕还林政策、城镇一体化建设、高速交通建设等人文因素干扰所致，且退耕还林政策影响程度最大；旅游增长和开发对遗产地及缓冲区景观格局影响相对较小。

总体来看，赤水丹霞在列入世界遗产名录之前，退耕还林政策对赤水丹霞的景观格局的变化影响较大，林地面积大量增加，景观破碎化程度显著下降，在列入世界遗产名录之后，由于经济增长、城镇一体化建设，高速交通建设等因素影响，研究区整体景观格局破碎化程度稍有加深。研究区的景观格局变化主要发生在缓冲区，核心区域保护较完整，但也应注重对缓冲区的自然环境和景观的保护，控制大型建筑项目的开发和建设。有效的保护和管理是世界遗产可持续发展的首要任务，不仅要注重旅游发展对世界自然遗产的影响，也要注重经济发展、城镇一体化、交通建设等对世界自然遗产的负面影响。政策因素对研究区的景观格局变化影响最大，因此，在今后的遗产保护管理工作中，应进一步加深保护管理政策的研究，以促进世界自然遗产的可持续发展。