山东省自然保护地整合优化前后景观格局变化及其驱动力分析

李 云,崔晓伟*,陶江坤,刘志伟,邵 飞,张文昌,郑 敏,王富海

（1.国家林业和草原局国家公园规划研究中心,云南昆明650031;2.国家林业和草原局昆明勘察设计院,云南昆明650031;3.山东省林业保护和发展服务中心，山东济南250014;4.山东泰和规划设计有限公司,山东威海264209;5.同圆设计集团股份有限公司，山东济南250014;6.济南新绿豪设计有限公司,山东济南250000）

我国自然保护地经过60 多年的建设和管理，通过设立数量众多、类型丰富、功能多样的各类自然保护地，形成了以自然保护区为主体的自然保护地体系，对我国生物多样性保护、自然遗产保存、生态环境质量改善以及维护国家生态安全方面发挥了至关重要作用[1-3]。但早期很多自然保护地的边界划定技术水平有限，加上经济社会不断发展，导致很多城镇建成区、村庄、永久基本农田、矿业权甚至是城市开发区被划入自然保护地，带来大量的历史遗留问题，造成部分地区生态保护和社会经济发展矛盾突出[4-5]。因此，根据2020年3月自然资源部国家林业和草原局联合印发《关于做好自然保护区范围及功能分区优化调整前期有关工作的函》（以下简称“71 号函”）相关要求，开展自然保护地整合优化工作，通过调整自然保护地的边界范围，重新划定生态空间、生产空间和生活空间的范围，将保护地价值低、对生态系统功能影响不大、人类活动频繁以及经济发展重要的区域调出保护地，实现生态保护与社会经济的协调发展目标。

景观格局指大小和形状不同的景观组分在空间上的排列组合，是各种自然因素和人为活动在不同时空尺度上综合作用的最终结果[6]。自然保护地整合优化为解决历史遗留问题，对原有自然保护地边界范围进行调整导致保护地内土地利用变化，土地利用变化则直接或间接地改变着景观生态系统的结构和功能，进而影响地表各种景观过程[7-8]。通过对土地利用变化分析自然保护地景观格局变化情况，有利于发现自然保护地景观多样化、聚集度、破碎度的时空变化情况[9]；同时，利用景观格局指数还能衡量人类干扰强度，构建人类干扰强度与生境质量的时空变化关系[10]；此外，采用景观格局指数和空间近邻效应评估技术相结合的方法，定量分析自然保护区的空间近邻效应变化趋势[11]。近年来，有学者将景观格局指数与社会经济发展指数构建关系模型，定量化探讨区域景观格局变化的驱动力。我国现有关于自然保护地景观格局变化分析的研究都是基于长时间土地利用变化为基础的景观格局变化分析，而在同一时期内，对自然保护地内矛盾冲突问题解决后造成的景观格局变化的研究尚未开展。因此，本研究以山东省自然保护地整合优化封库数据为基础，利用2020年土地利用现状为基础数据，通过GIS叠置功能和Fragstats 4.1 景观分析方法，对比分析全省自然保护地整合优化前后景观格局变化特征，构建景观格局指数与矛盾冲突问题的相关性模型，探讨矛盾冲突问题调整对自然保护地景观格局变化的贡献率，以期为自然保护地建设管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

山东省地处黄河下游，是我国东部沿海省份之一，位于东经114°36′-122°43′、北纬34°25′-38°23′之间，全省平均海拔57 m，气候属暖温带季风气候类型。降水集中，雨热同季，春秋短暂，冬夏较长。年平均气温11℃-14℃，全省气温地区差异东西大于南北。整合优化前，山东省自然保护地共计488 个，净占地面积166.42 万hm2，自然保护地内涉及城镇建成区总面积3.68 万hm2，永久基本农田14.21 万hm2，人工集体商品林总面积11.10 万hm2，开发区总面积3.77 万hm2，村庄总面积1.81 万hm2，矿业权总面积78.91 万hm2，生态保护与社会经济发展矛盾问题突出；整合优化后，解决了全省自然保护地内70.65%的城镇建成区、95.00%的永久基本农田、81.79%集体人工商品林、10.95%的矿业权和61.27%的开发区和91.77%的村庄等现实冲突问题，有利于促进生态保护与经济社会协调发展，但其自然保护地内景观格局变化情况尚待进一步研究。

1.2 景观格局指数选取

景观格局指数是对景观格局组成、分布破碎化程度的定量表现，是研究景观格局动态变化的重要参考之一。本研究从类型和景观2 个层面选取景观格局指数，描述景观的连续性，景观生态学中的景观面积度量指标、景观形状度量指标、景观聚集度量指标和景观多样性度量等指标研究山东省自然保护地整合优化前后的动态变化情况。本研究分别从类型和景观2个水平上选择景观破碎度（patch density，PD）、景观斑块类型比（percentage of landscape，PLAND）、最大斑块类型指数（largest patch index，LPI）、斑块平均面积（mean patch space，MPS）、蔓延度指数（contagion index，CONTAG）、聚集度（aggregation index，AI）、景观形状指数（landscape shape index，LSI）、散布与并列指数（interspersion juxtaposition index，IJI）香农多样性指数（shannon′s diversity index，SHDI）等9 个指标，各指数的计算公式和生态学意义参见文献[8,12]。

1.3 基础数据预处理

本研究以山东省2019-2020年Landsat 8 OLI遥感影像为主要数据源，分辨率均为30 m，为保障数据质量，下载使用云量在5%以内的影像，数据下载自https://glovis.usgs.gov/。根据《第三次全国土地调查土地分类》的相关要求，为便于统计和计算景观格局指数，本研究在12 个一级分类基础上按照土地利用类型的相似性，将土地利用类型划分为农用地、林地、草地、建设用地、水利及水利设施用地以及其他用地等6 大类，在Ecognition 8.0 软件分类的基础上，根据“国土三调”的成果作为精度验证依据，如果精度较低，则重新调整分类规则和指标阈值，直至满足要求，通过Fragstats 4.1 软件计算各景观格局指数。在获取景观格局指数后，借鉴区域土地利用变化类型生态贡献率的统计方法[13-15]，分析景观格局指数与矛盾冲突数据（包括城镇建成区、永久基本农田、人工集体商品林、矿业权、开发区和村庄等）的关系，定量化分析自然保护地景观格局变化的主要驱动因子。贡献率的具体计算公式如下：

CI=[(Lt+1-Lt)/Lt]*(Ci/Ta)

式中CI 为贡献率，Lt代表整合优化前景观格局指数，Lt+1代表整合优化后景观格局指数，Ci为整合优化前第i 种矛盾冲突的面积变化值，Ta为整合优化前后矛盾冲突变化总面积。

2 结果与分析

2.1 景观类型水平分析

景观类型水平的指数变化情况反映了各景观类型的空间分布特征，自然保护地整合优化前后景观类型变化，可反映出自然保护地整合优化对自然资源的空间组合情况。结果表明，山东省自然保护地整合优化后，从景观类型面积上来看，景观斑块类型比 （PLAND）除水域及水利设施增加外（19.66%），其他类型都降低，尤其是农用地（-71.65%）和建设用地（60.95%）下降最显著；最大斑块类型指数（LPI）显示农用地（80.33%）和建设用地（39.14%）显著降低，水域及水利设施用地显著增加（69.34%）；平均斑块（MPS）结果显示农用地（-57.14%）和建设用地（-10.41%）降低外，其他类型均增加，其中水域及水利设施和林地增幅最大，分别增加203.99%和130.42%；从景观类型的形状和空间分别破碎度情况来看，景观形状指数（LSI）均呈下降趋势，其中建设用地（47.53%）、水域及水利设施 （32.26%）和农用地 （31.35%）和林地（26.48%）变化相对较大；所有景观类型空间分布上破碎度（PD）都显著降低，其中水域及水利设施用地和林地均显示降低，分别降低60.64%和57.34%；空间聚集度（AI）除农用地（-9.64%）外，其他景观类型均有小幅增加，但各类的散布与并列指数（IJI）显示林地（11.13%）和水域及水利设施用地（6.37%）有增加外，其他各类型的连接度都降低（见表1）。

表1 景观类型水平指数变化特征

2.2 景观格局水平分析

景观格局水平指数主要反映景观总体时空分布特征，本研究通过对比景观破碎度（PD）、景观最大斑块类型指数（LPI）、景观形状指数（LSI）、蔓延度指数（CONTAG）、散布与并列指数（IJI）、聚集度（AI）和香农多样性指数（SHDI）等指数变化特征，分析山东省自然保护地整合优化前后的景观变化情况。结果表明，自然保护地整合优化后，全省自然保护地景观格局的破碎度显著降低，从7.97 下降到3.99，降低49.93%；景观最大斑块类型指数（LPI）显著增加，从11.10 上升到18.79，增幅69.34%；景观的空间连通度指数蔓延度指数（CONTAG）、散布与并列指数（IJI）均增加，分别增加22.71%和2.94%，同时景观斑块的空间聚集度 （AI）也从89.46 增加到93.71，增幅4.75%。然而，自然保护地的景观形状指数（LSI）显著降低，从158.84 降低到111.78，降幅29.62%，同时香农多样性指数（SHDI）也显著降低，从1.16 降为0.88，降幅为24.06%（见表2）。

表2 景观格局水平指数变化特征

2.3 景观格局变化驱动力分析

整合优化前后景观格局指数的变化反应了自然保护地整合优化后区域景观的变化情况，不同矛盾冲突区域的调整对景观的影响各异（表3）。景观格局指数的变化主要受到永久基本农田、人工集体商品林和矿业权的调整影响较大。具体指数来说，3类矛盾对景观破碎度 （PD）变化的贡献率分别为0.18、0.12 和0.11；景观最大斑块类型指数（LPI）变化的贡献率分别为0.25、0.17 和0.16； 景观形状指数（LSI）变化的贡献率分别为0.11、0.07 和0.07；蔓延度指数（CONTAG）变化的贡献率为0.08、0.05 和0.05；散布与并列指数（IJI）变化贡献率都是0.01；空间聚集度 （AI）的变化贡献率为0.02、0.01 和0.01；香农多样性指数（SHDI）变化的贡献率分别为0.09、0.06 和0.06。其他3 类矛盾问题 （城镇建成区、开发区和村庄）调整对景观格局指数的影响相对较小。

表3 矛盾冲突面积对景观格局变化贡献率

3 讨论

在自然保护地整合优化过程中，解决历史遗留问题及矛盾冲突是造成自然保护地内土地利用变化的主要因素，土地利用类型的变化直接改变了景观生态系统的结构和功能，进而将影响自然保护地的景观过程[12]。山东省自然保护地整合优化工作一方面满足 《关于在国土空间规划中统筹划定落实三条控制线的指导意见》（以下简称 “指导意见”）的管控要求[16]，另一方面，也是缓解生态保护与社会经济发展矛盾问题和解决历史遗留问题的需求。

根据“指导意见”基本原则中“科学划定落实三条控制线，做到不交叉不重叠不冲突”的要求[16]，将山东省自然保护地与城镇建成区、永久基本农田等进行优化调整。山东省自然保护地整合优化前后永久基本农田面积变化约13 万hm2，变化率为94.98%，自然保护地内城镇建成区调出2 万多hm2，变化率70.42%。基本解决了自然保护地的生态保护红线与永久基本农田、城镇建成区重叠问题；同时，从面积统计来看，永久基本农田调出和因调整永久基本农田导致的破碎化图斑面积显著大于城镇建成区，因此也说明了永久基本农田调整对自然保护地景观格局变化贡献率（0.18）显著高于城镇建成区（0.03）的贡献率。

山东省自然保护地内各类矛盾冲突问题中，影响社会经济发展的重要矛盾问题主要是人工集体商品林和矿业权，其中人工集体商品林和矿业权用地分别调出9 万和8 万多hm2，但人工集体商品林和矿业权调出面积的占比差异较大，分别为81.81%和10.49%。人工集体商品林和矿业权的调整对区域的社会经济发展具有促进作用，有效缓解全省生态保护与社会经济发展的矛盾冲突问题的同时，也对自然保护地景观格局产生了较大影响，两类矛盾调整对山东省自然保护地景观格局变化的贡献率分别为0.12 和0.11，说明影响自然保护地景观格局变化的主要因素是人工集体商品林和矿业权调出面积的占比，而对原有矛盾问题变化率没有显著关系。

除了以上矛盾冲突外，自然保护地内的开发区和村庄是其他历史遗留问题，但是开发区仅存在部分自然保护地内，其调整对自然保护地内景观格局和景观指数变化贡献率较小，对全省自然保护地景观格局影响不明显；村庄调出的面积虽然相对其他矛盾问题较小，但其对自然保护地景观的破碎度影响（0.03）与城镇建成区（0.03）和开发区（0.03）相当，主要因为村庄相对城镇建成区和开发区在自然保护地内的分布更为分散，调出面积虽然不多但斑块数量较多，进而造成其对景观破碎度影响较大的结果。

4 结论

山东省自然保护地矛盾冲突问题的调整是造成自然保护地景观格局变化的重要驱动因素。从景观类型上看，由于永久基本农田的调整，导致自然保护地内农用地的斑块面积、空间连接度等显著降低，但其景观破碎度也降低；城镇建成区、开发区、村庄等矛盾的调整，使自然保护地内建设用地破碎度和连接度降低，但聚集度却增加；人工集体商品林调整后，林地景观类型破碎度降低，但最大斑块面积及空间连通性和聚集度均增加；矿业权分布在林地、草地以及滩涂等区域，矿业权调整对景观类型的是综合性的，从单一的景观类型角度没有显著的影响。景观格局水平结果显示，景观格局的变化主要与各类矛盾冲突问题调出面积有关，调出面积较大的矛盾冲突对景观格局变化的贡献率则越大，村庄由于其零散分布的特征，调整面积虽然较小，但对景观格局破碎度的贡献率与城镇建成区和开发区基本一致。研究结果表明，自然保护地内的永久基本农田、人工集体商品林和矿业权的调整是导致景观格局变化的主要驱动因素。