黑龙江老爷岭东北虎国家级自然保护区土地利用与景观格局变化研究

张宏静 靳勇超 窦红亮 陈旭升 李 义 朱洪强*

(1.吉林农业大学研究生学院，长春，130118；2.东北林业大学，哈尔滨，150040，世界自然基金会(瑞士)北京代表处，长春，130028；3.吉林农业大学动物科技学院，长春，130118；4.康平新望农牧有限公司，沈阳，110000)

土地利用和景观格局变化是导致区域生物多样性变化的重要因素[1-2]，也是研究全球环境变化的重要内容[3-4]。土地利用变化是外界影响区域生态环境的直接表现[3，5]，其具有显著的时空动态变化特征[6]，同时土地利用变化也是影响物种栖息地质量的重要原因之一[7]；景观格局是指各类景观要素的空间结构组合特征[8]，景观格局变化能掌握区域内各景观要素的变化过程[9]。近年来，随着人类活动对土地利用的增加，导致区域物种栖息地破碎化程度加剧[10-11]，生物多样性不断丧失[12]。因此，开展土地利用和景观格局变化研究对区域内的生态环境及生物多样性保护工作具有重要意义[13]。

建立自然保护区是保护自然资源、维护生物多样性和维持生态平衡最直接有效的途径之一[14-16]。自然保护区的建立对于减缓区域内的土地利用程度和景观破碎化有着积极的作用[17]。土地利用和景观格局变化影响着自然保护区物种栖息地与生物多样性的变化[18-19]，开展土地利用和景观格局变化研究对自然保护区土地利用的管理与景观破碎化的降低具有重要意义[20]，同时也对保障自然保护区的健康持续发展提供重要参考[21]。

黑龙江老爷岭东北虎国家级自然保护区(以下简称“老爷岭保护区”)于2011年建立为省级自然保护区，2014年晋升为国家级自然保护区。该自然保护区的主要保护对象是东北虎(Pantheratigrisaltaica)、东北豹(Pantherapardusorientalis)等珍稀濒危野生动植物和森林生态系统。目前对老爷岭保护区的研究主要是梅花鹿(Cervusnippon)种群研究[22]、兽类多样性研究[23]和有蹄类食物资源研究等方面[24-25]，对其土地利用和景观格局变化的研究还未开展。老爷岭保护区位于中国和俄罗斯两国边境处，是东北虎等野生动物重要的生态廊道[25]，东北虎的生存受自然保护区土地利用变化的影响[26]。研究老爷岭保护区的土地利用和景观格局变化，对老爷岭保护区掌握现阶段东北虎的保护现状、保护区的保护成效情况和未来要如何更好地发展等问题具有重要意义。本研究以老爷岭保护区1999、2009和2019年覆盖全区的遥感影像为基础，利用GIS技术等手段，探究这20年来老爷岭保护区时空动态与生态系统的变化情况，以期为老爷岭保护区的生态环境保护与管理工作提供决策参考和理论依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

老爷岭保护区地处长白山支脉老爷岭南部，位于黑龙江省牡丹江市东宁县境内的绥阳林业局，东侧与俄罗斯相邻，海拔高度为303—955 m，总面积712.78 km2，地理坐标为：130°47′42.15″—131°18′51.22″E，43°24′39.88″—43°49′6.64″N。属温带大陆性季风气候，年平均气温2.9℃左右，年平均降雨量513.2 mm。老爷岭保护区内有红松(Pinuskoraiensis)和东北红豆杉(Taxuscuspidata)等高等植物119科606种，以及东北虎和梅花鹿等主要兽类7科14种。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源

本研究选取1999、2009和2019年3个时间节点用以比较老爷岭保护区不同时期的土地利用和景观格局变化。为保证数据的一致性与结果的可比性，研究选用覆盖全区3期时相一致的遥感影像数据，且每期选用春秋两季各一幅影像用于校准解译，影像来源于中国科学院遥感与数字地球研究所下的遥感共享平台Landsat 7/8卫星的全波段影像(http：//ids.ceode. ac.cn/query.html)；数字高程模型(DEM)数据来源于地理空间数据云(http：//www.gscloud.cn)。

1.2.2 数据处理

将1999、2009和2019年的遥感影像作为本研究的基础数据源，以DEM数据和实地训练区为参考。利用ENVI 5.3.1软件对数据进行波段合成、几何校正和图像裁剪等预处理，并进行监督分类和人工目视解译纠正。解译过程中结合老爷岭保护区的实际景观类型特点，将保护区土地利用类型划分为8类：落叶阔叶林、针阔混交林、落叶针叶林、常绿针叶林、灌木林、耕地、建设用地和水体。再用ArcGIS 10.2软件对解译数据进行栅格计算(raster calculator)和统计等处理，得到研究区的土地利用数据。最后采用FRAGSTATS 4.2软件计算研究区的景观指数。

1.2.3 研究区土地利用及动态度

针对本研究区土地利用变化的具体情况，基于遥感解译所得数据，从以下3个方面开展研究：(1)分析自然保护区1999—2009年的土地利用变化情况，探究这一时期土地利用变化的主要因素；(2)比较老爷岭保护区建立前(2009年)与建立后(2019年)的土地利用变化情况；(3)分析1999—2019年自然保护区的土地利用变化趋势，以及20年来该研究区土地利用的转变情况。

利用ArcGIS 10.2软件统计研究区各地类土地利用面积和转移矩阵的特征[27]，以此分析研究区各地类间变化的过程和程度。通过土地利用动态度模型[28]分析研究区各地类土地利用的变化程度，动态度指数(K)计算公式：

(1)

式中，K为研究时段内某土地利用类型的动态度；Ub和Ua分别为研究期前和研究期后期某种土地利用类型的面积(km2)；T为研究时段的间隔年数。

1.2.4 研究区景观格局变化

本研究从斑块水平和景观水平上选取斑块数量NP、斑块密度PD、平均斑块面积MPS、平均形状指数MSI、聚合度指数AI、香农多样性指数SHDI与连接度指数COHESION，共计7个指标来分析研究区的景观格局变化[8，29-30]。各指标均由FRAGSTATS 4.2软件计算，计算公式如表1所示。

表1 景观格局相关指标

续表1

2 结果与分析

2.1 保护区土地利用变化

老爷岭保护区主要的土地利用类型为林地，约占保护区总面积的95%。1999—2019年，老爷岭保护区内的林地面积基本呈稳定趋势，动态度指数为-0.017。其中常绿针叶林和落叶阔叶林面积增加较多，为109.90 km2(K=3.05)和69.79 km2(K=1.57)；落叶针叶林的变化最大，动态度指数为7.70%；而针阔混交林和灌木林呈减少趋势，分别减少了171.28 km2和16.27 km2。耕地和建设用地呈增加趋势，分别为2.21 km2和0.11 km2(图1，表2)。

表2 老爷岭保护区1999—2019年土地利用动态度变化

从土地利用转移矩阵的结果来看(表3)，1999—2019年老爷岭保护区内的土地有286.23 km2发生了转移，转移土地的面积占自然保护区的40.16%。其中，占1999年老爷岭保护区主体之一的针阔混交林(38.39%)发生转移的面积最多(194.23 km2)，主要转变为了常绿针叶林(102.56 km2)和落叶阔叶林(76.37 km2)；此外，耕地和建设用地主要由针阔混交林和灌木林转变而来。

表3 老爷岭保护区1999—2019年土地利用转移特征

2.2 保护区景观格局变化

从老爷岭保护区的景观水平来看(表4)，1999—2019年，老爷岭保护区总体呈破碎化趋势。其中NP、PD和COHESION指数呈增加趋势，分别增加了11.53%、11.53%和0.01%。MPS和SHDI指数呈减少趋势，分别减少了10.32%和8.06%。此外，各指数在1999—2009年的变化程度相较于2009—2019年的变化程度更大。

表4 老爷岭保护区景观水平指数统计

从老爷岭保护区的斑块水平来看(表5)，在1999—2019年，除常绿针叶林(减少0.26%)和灌木林(减少71.81%)NP值减少以外，其余土地类型NP值都在增加。各土地类型的MPS值变化不大，相对来说，MSI和AI变化更为明显。MSI中除针阔混交林减少5.04%以外，其余均在增加。而AI值中除落叶阔叶林在增加外(增加0.22%)，其余土地类型的AI值都在减少。

3 讨论

土地利用和景观格局变化研究是自然保护区掌握其空间格局变化特征的重要基础[9，13]，同时也是自然保护区制定管理规划的重要指导[20-21]。本研究以老爷岭保护区建立前后20年的土地利用数据为基础，利用土地转移矩阵和动态度指数来分析自然保护区的土地利用变化情况；选用斑块数量、斑块密度等7个景观指标来分析自然保护区的景观格局变化趋势。研究结果可为老爷岭保护区的土地管理和物种栖息地保护提供重要依据。

林地约占老爷岭保护区的95%，是自然保护区主要的土地利用类型。1999—2019年老爷岭保护区内共有286.23 km2(40.16%)的土地发生转移，但林地面积整体呈稳定趋势变化。林地类型中的常绿针叶林和落叶阔叶林面积增加较多，落叶针叶林的变化最大，针阔混交林和灌木林呈减少趋势。林地类型中这一系列的变化主要是受自然保护区人工林种植种类和林型间的自然演变影响，其中落叶阔叶林面积的增加对该地区东北虎及其猎物生存的适宜性起积极作用[31-34]。自然保护区的建设用地和耕地呈增加趋势，主要是当地政府对自然保护区内的公路和林场场部进行了扩建[35]；同时，这一时期正值天保工程实施，平时靠伐木为生的居民开始转为农业种植[36]，增加了耕地的使用量。1999—2019年自然保护区景观斑块数量增多、平均斑块面积减少，各土地类型间的聚合度也变小，景观总体呈破碎化趋势。但自然保护区整体的连接度增强，且除针阔混交林以外各土地类型的平均形状指数变大，表示其相比较之前更不易受外界因素的影响，各土地类型景观相对更稳定。此外，从时间梯度来看，各指数在1999—2009年的变化程度相较于2009—2019年的变化程度更大。说明天保工程的实施和老爷岭保护区的建立均对自然保护区内的土地利用与生态环境变化起到了积极促进的作用，但总体来说自然保护区的建立起到的促进作用更大。1999—2009年，正值天保工程实施，自然保护区林地面积减少2.86 km2，景观朝着更为破碎化的方向演变。这一时期林地面积减少和景观趋于破碎化的原因主要有：(1)自然保护区内的黑龙江省道鸡图公路S206扩宽和林场间公路的改修[35]，增加了保护区内的建设用地面积，加剧了景观破碎化。(2)天保一期工程只是调减了木材采伐量，并未停止采伐[36]，使得自然保护区林地面积减少。但从景观水平的香农多样性指数和连接度指数来看，自然保护区整体的斑块类型分布均衡化变小，各景观间的连通性增强，说明天保工程对区域内的生态环境变化有积极促进的作用[37]。老爷岭保护区建立前后的10年(2009—2019年)，自然保护区耕地和建设用地面积减少，林地面积增加，景观间的连接度指数趋于稳定，其余各景观指标均显示自然保护区的景观破碎化程度呈下降趋势，说明老爷岭保护区的建立降低了区域内的人为干扰，促进了自然保护区非林地向林地的转换，减轻了自然保护区的景观破碎化程度[16]，使东北虎种群和栖息地得到了有效恢复[38-39]。

土地利用和景观格局的变化是自然保护区保护成效的直观表现[18]，自然保护区在保护与发展之间存在矛盾[40]，正确处理好自然保护区保护与发展间的关系至关重要[41]。基于本次研究的结果，对未来老爷岭保护区的工作开展提出建议：(1)加强林地变化监测，掌握自然保护区内各土地利用类型的变化趋势。(2)科学规划土地利用方式，协调好保护与发展之间的关系，保障自然保护区的景观破碎化呈正向发展。(3)结合老爷岭保护区自身的资源优势，积极拓展特色产业，对自然保护区内原有的农耕生产方式进行合理转变。