湖南森林景觀格局演變及影響因子分析
——以湖南金童山國家級自然保護區金童山片區為例

羅紫薇, 黎奕暉, 胡希軍,2, 杜心宇, 韋寶婧, 李芮芝, 曹詩怡,3, 胡 益

(1.中南林業科技大學 風景園林學院, 長沙 410004; 2.中南林業科技大學 城鄉景觀生態研究所, 長沙 410004;3.湖南理工學院土木建筑工程學院, 湖南 岳陽 414006; 4.國家林業和草原局 中南調查規劃設計院, 長沙 410014)

加大自然保護區保護力度、改進保護方式、維護森林生態系統穩定性正是響應生態文明建設目標的重要舉措。近年來，湖南圍繞“健康森林、美麗濕地、綠色通道、秀美村莊”林業發展主題，強化森林資源保護管理，森林資源呈現持續穩步增長態勢。金童山國家級自然保護區是2016年獲批湖南省第一個國家公園體制試點的重要片區之一，要回答如何實現人與自然的和諧共處這一根本問題，需要對保護區進行全方位、多層次的數據收集和相關分析，為自然保護區管理體系的建設提供科學依據。

性質、大小及形狀各異的森林景觀要素在空間上的分布形成了獨有的森林景觀格局[1]。景觀格局研究多從景觀結構[2]、景觀類型轉移、景觀格局特征[3-5]、景觀格局模擬[6]和影響因子等[7]角度入手，從景觀格局現狀、內部變化、未來預測和驅動力等方面進行分析。針對景觀格局影響因子，現有研究中已有較多分析方法，例如：主成分分析[8]、多元線性回歸分析[9]、地理加權回歸分析[10]、除趨勢典范對應分析等[11]對影響因子進行定性或定量化研究。近年來，地理探測器被廣泛用于探測空間分異性、揭示分異背后驅動因素。地理探測器包括4個方面的內容——分異及因子探測器、交互作用探測器、風險區探測器和生態探測器，其中，分異及因子探測器中的q值可代表各因子對整體空間分異的解釋程度，即探測全局驅動力和影響因子。地理探測器在分析區域不同類型空間分布影響因子上的功能強大，適用于進行森林景觀格局影響因子方面的研究，在植被覆蓋及空間分布方面，王治國等[12]通過地理探測器計算q值分析自然因素、人文因素對植被覆蓋的影響，研究結果為當地改善植被覆蓋環境提供理論依據；吳家榮等[13]運用因子探測器識別影響丹霞梧桐分布的主要環境驅動因子；宋媛等[14]通過地理探測器從自然因素和人為因素兩個方面，識別甘肅省生態環境質量影響因素強度。

本研究以金童山國家級自然保護區金童山片區為湖南森林景觀代表，通過對2005年、2009年、2015年三期遙感數據進行景觀分類提取，通過景觀格局總體演變和景觀類型轉移矩陣分析2005—2015年金童山國家級自然保護區金童山片區的森林景觀格局演變狀況，并通過因子探測器定性分析影響森林景觀格局形成的內外部影響因子、空間定量化給出指標權重，并對影響因子權重與景觀類型轉移量之間的關系進行解釋，可充分掌握保護區森林景觀的分布規律，為保護區生態調控、低干擾下的適度開發提供借鑒方法和科學素材。

1 研究區域與方法

1.1 研究區概況

湖南氣候、土壤適宜樹木生長，是我國南方重點林區省，森林資源豐富。根據第九次全國森林資源清查結果，湖南省森林面積為1 052.58萬hm2；森林蓄積量達40 715.73萬m3，森林覆蓋率達49.69%[15]，主要分布湘西、湘南、湘東的山地區域。湖南金童山國家級自然保護區位于湖南省西南邊陲的城步苗族自治縣境內，地理坐標為東經110°07′48″—110°33′36″，北緯26°07′39″—26°20′06″，包括明竹老山片區和金童山片區，本研究僅對金童山片區進行研究(圖1)。研究區域總面積為10 293 hm2，屬中山深谷地貌，氣候類型為中亞熱帶季風濕潤氣候區山地氣候，年平均氣溫16.1℃，年降水量1 218.5 mm，全年日照時數在1 134.6～1 601.5 h，最高海拔1 784.1 m。保護區水平地帶性土壤為紅壤，母巖以花崗巖、砂巖等為主。保護區植物區系起源古老，屬華中、華南區系的過渡區域，具有典型的南嶺山地區域特征。

圖1 研究區地理區位

保護區建立歷程從20世紀八十年代開始，1981年，民族老山自然保護區成立；2009年，省級自然保護區建立；2013年，湖南金童山國家級自然保護區建立，并設立了湖南金童山國家級自然保護區管理處，對所轄的森林資源進行保護和管理，可以說，近50 a來湖南金童山國家級自然保護區處于一定的保護狀態，人為干擾受到限制。

1.2 景觀分類體系構建

根據研究目的，同時滿足遙感影像監督分類條件，將森林景觀類型主要分為針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠—落葉闊葉林、竹林、灌木林地、耕地、牧草地共8類。考慮到研究區河流的形狀均為狹窄線狀，建設用地的類型均為房屋或道路，且被耕地所圍繞，因此，本研究遙感影像監督分類時，綜合考慮影像分辨率、現狀特征及樹木的遮擋作用，將河流、道路、房屋三者信息納入耕地信息進行監督分類[16]，在完成遙感影像監督分類后，結合相關數據，通過目視解譯將河流、道路、房屋單獨劃出，此3類數據在2005—2015年間均無明顯變化，因此不作為森林景觀類型參與相應分析。

1.3 數據源與數據預處理

1.3.1 數據源 研究數據主要有研究區1∶10 000地形圖、森林資源2類調查數據(2015年)，2005年、2009年、2015年三期遙感數據。本研究選取了三期分辨率為30 m×30 m的Landsat遙感影像為數據源(地理空間數據云http:∥www.gscloud.cn/)。研究區內用地多為林地，在選取成像時間時，多選取植被生長初期或末期質量較好的月份。選取了數據類型級別為L1T、成像時間為2005年9月9日、2009年10月6日的TM影像以及2015年4月14日的OLI_TIRS影像，三期影像數據云覆蓋率分別為1%，0%，0.45%。其中，2005年9月9日數據存在有云區域，為使得3期數據研究區范圍內云覆蓋率為0，用同年10月11日的數據進行替換。

1.3.2 數據預處理 L1T數據產品已經過輻射定標，故數據預處理只需進行大氣校正、正射校正、圖像融合和裁剪等步驟，空間投影坐標系統使用WGS84UTM橫軸墨卡托投影。綜合實地調研采樣數據、Google Earth衛星影像及森林資源二調數據，在ENVI中通過目視判讀建立訓練樣本和驗證樣本，并采用最大似然監督分類法對三期影像數據進行分類提取和結果驗證，結果顯示Kappa系數分別為0.90，0.93，0.94，滿足分類提取要求。為提高分類準確度，將分類結果進行分類后處理與目視修改。將ENVI監督分類數據導出為Shapefile格式，在Arc GIS軟件中與河流、道路、房屋Shapefile數據進行聯合，得到研究區景觀類型分布圖，并將各景觀類型進行編碼，轉為精度為10 m×10 m的柵格圖。

1.4 因子探測器

地理探測器(Geographical Detector)是探測空間分異性，以及揭示其背后驅動力的一組統計學方法，已在自然科學、社會科學、環境科學和人類健康等多領域應用[17]。本研究采用地理探測器中的因子探測器，利用q值解釋各影響因子對景觀格局的影響程度。公式如下：

(1)

將所有自變量的q值歸一化處理后，可獲得影響景觀格局形成的各影響因子權重值。具體步驟為：(1)格點密度確定，空間離散點準備。已知三期數據各景觀類型內最小斑塊面積均大于10 000 m2，綜合考慮地理探測器計算精度和最大計算量，將研究范圍轉換為柵格大小100 m×100 m的柵格數據，即可保證在柵格轉點后，每個景觀斑塊都能在點數據集中表現。(2)景觀數據處理。將三期景觀類型分布數據重分類，用1～8代表8類景觀類型；提取各年各景觀類型點數據，在ArcGIS中進行核密度分析，并采用自然間斷點法將進行重分類分級。(3)影響指標處理。一個區域內景觀格局的形成往往受到自然地理因素和人為影響因素兩個方面的影響。本研究選取高程、坡度、坡向、水系、土壤以及交通因子(林區干道)、旅游因子(游步道)、村民生活干擾因子等8個影響指標，水系、林區干道、游步道對周圍景觀格局的影響方式通過研究范圍中的點與其間的距離體現(表1)。在ArcGIS中采用以下劃分方法將上述影響指標劃分為9個等級(僅土壤采用4分類)進行離散化處理。

表1 影響指標處理方法

(4)數據集準備。在Arc GIS中將上述各年的景觀類型分布數據、各景觀類型密度分級數據和影響指標數據采用多值提取指點的方式提取至整體網格點；將各屬性表分別轉出至Excel參與地理探測器運算。將因子探測器結果歸一化處理。

2 結果與分析

2.1 景觀格局演變分析

本研究從森林景觀格局的外部總體特征、內部景觀類型轉移兩個方面，利用統計分析、轉移矩陣分析法對景觀格局演變進行多角度分析。

2.1.1 景觀格局演變總體分析 研究區總面積為10 288.94 hm2，由2005年、2009年、2015年研究區森林景觀類型分布情況及各景觀類型面積統計表可以得知(圖2，表2)：(1)從景觀類型的平面分布來看，常綠闊葉林主要分布于研究區北部；落葉闊葉林主要分布于西部和南部；耕地主要分布于道路兩旁；針葉林主要為人工種植的杉木林，故而分布比較集中，主要分布于保護區中部高程較低的地帶；牧草地主要分布于高海拔區域，且覆蓋范圍較小；灌木林與竹林的分布較為零散；(2)從景觀類型的規模來看，研究區90%以上區域均為森林景觀，以常綠闊葉林、落葉闊葉林為其景觀基質，占總面積超60%，面積占比較大的景觀類型往往分布較為集中；其次為針葉林，牧草地占比最小；(3)從各景觀類型面積變化情況來看，常綠闊葉林面積整體呈現減少狀態，落葉闊葉林取代常綠闊葉林成為研究區最主要的景觀類型；灌木林地和竹林呈現增長趨勢，其中灌木林地增長幅度較大；針葉林、常綠落葉闊葉林、牧草地占比變化幅度較小。

表2 研究區各年景觀類型面積

圖2 各年景觀類型分布

2.1.2 景觀類型轉移 在Arc GIS中利用面積制表工具，對2005年、2009年、2015年三期數據的景觀類型面積轉化情況進行統計，分別得到2005—2009年、2009—2015年研究區域景觀類型轉移矩陣、并對轉入、轉出量進行計算(表3—4)。

由表3—4可知、2005—2009年景觀轉移面積總量為4 116.95 hm2，占保護區總面積的40.01%，保護區景觀類型動態變化較為頻繁；2009—2015年景觀轉移面積總量為3 700.58 hm2，占比35.97%，動態變化情況減緩。落葉闊葉林在2009年、2015年有80.04%，70%的部分未發生景觀類型轉變，最為穩定，而常綠闊葉林在2005—2009時期段的未轉變量為48.01%，主要向落葉闊葉林、針葉林產生大量轉移，2009—2015年為70.13%，其變化逐漸趨于穩定；耕地、針葉林的穩定性也較為良好。竹林、灌木林地、牧草地等景觀類型由于斑塊面積較小，發生轉移情況普遍較為頻繁。耕地和牧草地主要與灌木林地之間發生相互轉換。

表3 2005-2009年研究區域景觀類型轉移矩陣 hm2

表4 2009-2015年研究區域景觀類型轉移矩陣 hm2

2.2 影響因子分析

本研究主要從自然地理因素和人為影響因素兩個方面進行定量分析，從社會及政策角度進行原因分析及補充。遵循區域特殊性和數據可獲取性等原則，為反映10 a間影響森林景觀格局的因子權重變化，選擇高程、坡度、坡向、水系、土壤等5類自然地理因素因子；鑒于研究區的用地性質為國家級自然保護區，選用交通因子(林區干道)、旅游因子(游步道)、村民生活干擾因子等3類人為影響因素。

影響因子分析從景觀級別和景觀類型級別兩個方面分別進行描述。

2.2.1 景觀級別影響因子分析 為探究各影響因子對整體景觀格局影響的權重大小，在地理探測器中，分別將三期整體景觀類型分布作為因變量，當年8類影響因子作為自變量進行運算，q值歸一化后的結果(圖3)顯示，各指標因素的影響力排序為2005年：村民生活干擾>高程>坡向>土壤>林區干道>坡度>水系>游步道，2009年：高程>坡向>土壤>坡度>林區干道>村民生活干擾>游步道>水系，2015年：高程>坡度>村民生活干擾>土壤>坡向>林區干道>水系>游步道。

圖3 2005-2015年整體景觀格局影響因子權重分布

(1)因子屬性上，自然地理因素與人為影響因素均對區域景觀格局形成產生重要影響。自然地理因素占優勢，三年占比均超65%，這是由于研究區以山地為主，內部環境復雜，小范圍的立體小氣候特點，結合金童山較為清晰的土壤垂直分布規律，影響著植被分布，進而形成多變的景觀格局。人為影響因素方面，由于村民生活干擾因子在2005年影響強度最大，2009年強度最小，其他因子在10 a間變化程度不明顯，總體人為影響強度變化呈相同規律；(2)總體權重占比上，2005—2015年，自然地理因素中高程影響各年整體景觀格局的力度始終最大，水系影響最小，3類人為因素中村民生活干擾的影響力度最大；(3)權重時間變化上，高程、坡向、土壤因素對景觀格局的影響權重呈波動趨勢，坡度的影響權重呈上升趨勢；由于2009年湖南城步金童山省級自然保護區成立，隨后《關于設置城步苗族自治縣金童山自然保護區管理處的批復》、《湖南城步金童山省級自然保護區管理辦法》等政策的發布，保護區林區干道、村民生活干擾影響受到有效控制，影響權重減小。

2.2.2 景觀類型級別影響因子分析 將各影響因子作為自變量，分別將三年各景觀類型分布作為因變量，載入地理探測器運算，獲得影響各景觀類型分布的影響因子權重大小及三期數據的變化情況(圖4—5)。

圖4 各景觀類型兩類影響因素權重占比

由圖4可知，自然、人文兩類因素對不同森林景觀類型分布的影響力度存在差異。在8類景觀類型中，針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林和常綠、落葉闊葉林受自然因素影響較大，各年權重均在0.6以上，由景觀分布圖可知，此類景觀類型斑塊面積較大，意味著同一類型景觀覆蓋面廣、分布集中，人為影響程度有限，因此，受到地形、地貌及小氣候等自然地理因素的影響較大；人為因素對耕地分布的影響明顯，這是由于研究區內道路和村莊等人為影響因子與耕地均主要分布在中、低海拔區域，游客、農民活動較多，同時，金童山片區的試驗區毗鄰南山牧場，政府鼓勵周邊村民利用山林、草場資源積極發展林下種植和養殖業，轉換經濟發展模式，減少對森林資源的依賴，因此在10 a間耕地面積發生增長，故耕地對兩類影響因素的響應程度相當，甚至在2009年人為影響因素的影響強度超過了50%；同樣由于一系列政策、措施的實行，竹林、灌木林地的兩類影響因素權重波動較大。

由圖5可知，針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林分布受高程影響最大，統計各景觀點數據中高程分布，可見此3類景觀分別集中分布在海拔1 000～1 400 m，800～1 200 m，1 000～1 600 m，其他高程地帶少有分布，常綠闊葉林、落葉闊葉林同時受土壤分布的影響；常綠、落葉闊葉林主要受到高程、土壤和游步道的影響，竹林對高程、游步道的影響反映明顯，牧草地主要受到高程、土壤的較大影響；而對于中低海拔且斑塊較破碎的灌木林地和耕地而言，更多的受到高程、游步道、村民生活干擾的影響，與權重結果相對應；坡度、坡向、水系對各景觀類型分布影響較小。

圖5 2005-2015年各景觀類型影響因子權重分布

2.2.3 影響因子權重與各類型轉移量關系 由上述影響因子分析可以對景觀格局演變分析中的景觀類型轉移進行解釋：(1)針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林是研究區內的主要景觀類型，面積較大，地理探測器結果顯示其自然地理因素占比較大，面積轉移以自然演替為主；(2)常綠、落葉闊葉林因人為影響而發展受限，景觀斑塊大小和位置發生變動，被以落葉闊葉林為主的其他景觀類型替代，同時其他類型也經過自然演替形成了常綠落葉闊葉林，因此其總面積呈增長趨勢；(3)竹林因其無性繁殖能力及蔓延生長特點，對研究區典型森林景觀進行侵入，占據大量其他景觀類型面積，故面積轉移矩陣中出現針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林向竹林轉移的情況；(4)一方面牧草地經自然演替轉變為灌木林地，另一方面灌木林地受較大的人為干擾影響而發生逆向演替形成了牧草地，2005—2009年由于人為干擾影響發生的速率大于自然演替，故在此間牧草地面積增加，隨著保護力度的加大，人為干擾減少，牧草地逐漸向更高層景觀類型轉變；(5)耕地景觀的分布主要受人為影響因素的干擾，耕地的增加主要是由于人為的開墾，而棄耕又會導致耕地向灌木林演替，兩個原因的作用范圍存在差異，導致了耕地面積的增加及其景觀格局的形成。

2.3 討 論

景觀格局是受到多種因素相互作用下的復合結果。本研究以湖南金童山國家級自然保護區金童山片區為湖南森林景觀代表，從自然地理、人為兩個角度提取了高程、坡度、坡向、水系、土壤、交通(林區干道)、旅游(游步道)、村民生活干擾因子等共計8個因子進行其森林景觀格局形成的影響因素研究，其中水系、主路和次路的影響通過距離遠近表示，3個距離數據是在TerrSet軟件下，運用Distance工具獲得的平面距離分布圖，與山地環境中的實際距離存在差異，可能在一定程度上影響權重的結果。同時，本研究區復雜的小氣候效應更加劇了全面揭示影響因子的難度，為尋求更為細致和本土化的景觀格局影響因子，未來可提高研究精度，考慮生物因素，對局部環境指標進行監測。

本研究創新性地分析了影響因子權重與各類型轉移量之間的關系，但仍處于一個定性的認識階段，今后可嘗試通過定量的方法將影響因子與轉移量之間的內在關系進行量化，剖析景觀類型發生轉移以及轉移量大小的深層原因。

針對景觀格局模擬，可利用現有數據，選擇模型對景觀格局進行模擬預測，并考慮運用地理探測器因子探測的方法對適宜性圖集中所用的影響因子圖集進行權重修正，避免人為主觀判定，提高適宜性圖集的客觀性、科學性和本土適用性。同時，針對森林景觀格局的特殊性，可嘗試通過植物遙感反演結合地面實測的方法，運用編程手段反演、計算植被的各項指標，并對未來植被生長情況進行預測，從而達到對未來整個景觀格局模擬預測、提出科學干預手段、保證森林景觀格局穩定且健康的最終目的。

3 結 論

(1)湖南金童山自然保護區金童山片區90%以上區域均為森林景觀，以常綠闊葉林、落葉闊葉林為其景觀基質，牧草地面積占比最小；常綠闊葉林面積減少量較大，2009年被落葉闊葉林超越成為研究區最主要的景觀類型。2005—2009年景觀類型動態變化較為頻繁，2009—2015年情況減緩。常綠闊葉林向落葉闊葉林、針葉林產生大量轉移，落葉闊葉林轉移率小，最為穩定；竹林、灌木林地、牧草地等景觀類型轉移情況較為頻繁。

(2)整體上，自然地理因素是主要影響區域整體景觀格局形成的因素，除2005年村民生活干擾對森林景觀的影響力度最大外，2009年、2015年高程的影響力度始終最大，游步道及水系的影響最小；各景觀類型上，人為因素對耕地的分布影響明顯，常綠闊葉林和落葉闊葉林內部自然條件情況復雜，受自然地理因素影響較大，其中，受高程影響最大；常綠、落葉闊葉林主要受到高程、土壤和游步道的影響，竹林對高程、游步道的影響反映明顯，牧草地主要受到高程、土壤的較大影響；坡度、坡向、水系對各景觀類型分布影響較小。

(3)影響因子分析可對景觀類型轉移進行解釋：常綠闊葉林、落葉闊葉林面積轉移以自然演替為主；常綠落葉闊葉林因人為影響導致景觀斑塊大小和位置發生變動，與其他景觀類型發生相互轉換；竹林對典型森林景觀進行侵入，占據大量其他景觀類型面積；自然演替與人為影響的雙重作用導致牧草地與灌木林地、耕地與灌木林地間發生景觀類型轉變。可見，研究區森林景觀格局的形成是各影響因子對各景觀類型綜合作用的結果。