景观格局是由形状大小不同的景观斑块在景观空间上的排列, 体现了景观的异质性, 是诸多自然和人为因素在不同时空尺度上作用的最终结果^[1-2]。景观指数数字化了景观格局的信息, 是反映其结构和空间配置的定量指标^[3]。一些景观指数能够从一定程度上反映人类的干扰强度, 景观形状越规则代表人类活动的干扰越强烈。如张月等^[4]选取了边缘密度(Edge Density, ED)和面积加权平均斑块分形指数(Area-Weighted Mean Patch Fractal Dimension, AWMPFD)分析了艾比湖湿地景观格局对生态干扰类型的响应。相关研究^[5]中的香农多样性指数(Shannon′s Diversity Index, SHDI), 景观分裂指数(Landscape Division Index, DIVISION)等常用的景观指数, 它们的生态意义更侧重于景观异质性, 而面积加权的平均形状因子(Area-Weighted Mean Shape Index, AWMSI)和AWMPFD, 是生态学意义上的形状指标, ED属于边缘指标, 它们都能够从不同类型景观形状的规则程度上反映出人类干扰程度的强弱。生境质量, 又称栖息地质量, 是指在一定的时空范围内生态系统所能提供给个体和种群持续发展的能力, 是所有生态系统服务功能的前提和基础, 是生物多样性的重要影响因素^[6-9]。城镇化背景下, 人类活动导致的景观格局变化将打破原有的生境格局, 不仅会缩小生境面积, 影响生物迁徙路径, 影响生境或生境内部物质、能量和信息的流动、交换、迁移转化^[10], 从而降低生境质量。对于自然保护区生境而言, 外围地区的景观格局演变必将深刻影响保护区内的资源、环境和生态^[11-13], 而将对生境质量产生负面影响。

自然保护区作为脆弱生态系统和珍稀野生动植物的聚集地, 应受到更多的关注与保护。国际上较早地以景观生态学的视角关注了自然保护区^[14], Emanuela和Corrado^[15]基于物种保护对城市郊区森林景观进行保护区规划。我国自然保护区的相关研究多以保护区内某种稀有动植物为依托^[16], 也有一些通过探究保护区内生境质量或景观格局, 以此判断保护区内的生态环境状况^[17]。为促进自然保护区内生境的持续发展, 为保护区内动植物提供良好的生态环境, 有必要研究景观格局的演变对生境的影响程度。

陈一萌等^[18]分析了广东潼湖湿地1965年以来的景观格局对生境质量的影响, 褚琳等^[19]基于景观格局分析了生境质量并对未来质量状况进行模拟。目前关于生境质量与景观格局相的研究中, 以流域和行政区界为案例的研究居多^[20-22], 且它们多以不同景观类型在时间上的面积变化作为依据, 分析其对生境质量的影响。因此, 本文以辽宁蛇岛老铁山自然保护区中的老铁山部分为案例, 对其1997—2017年的景观格局与生境质量时空变化特征进行分析。为探明人类干扰强度对生境质量的影响程度, 引入了ED、AWMSI和AWMPFD三个景观指数作为指标, 旨在丰富自然保护区生境质量评估与人类干扰强度关联研究的案例, 清楚地展现人类活动对生境质量的影响情况, 从而便于指导保护区外围区域土地规划及城乡规划建设, 维持保护区的生态环境, 保护生物多样性, 促进自然保护区的良好发展。

1 研究区概况

辽宁蛇岛老铁山国家级自然保护区(121°06′31″—121°12′24″E；38°43′02″—38°47′02″N)于1980年建立, 地处辽东丘陵南端, 大连市旅顺口区西部(图 1)。总面积72.35 km², 分为蛇岛、老铁山、老虎尾和九头山四部分。共有鸟类20目63科340种；哺乳动物2目9科16种；两栖类动物1目3科4种；爬行类动物分布有2目5科10种；植物共108科703种。其中鸟类属国家Ⅰ级保护鸟类的有9种, 国家Ⅱ级保护鸟类49种^[23]。老铁山自然保护区动植物资源丰富, 素有“老铁山鸟栈”的美誉。本文以保护区中的老铁山部分为研究区, 老铁山自然保护区位于辽东半岛最南端, 千山山脉余脉, 与山东半岛隔海相望, 面积为38.2 km²。老铁山具有重要的地理意义, 它位于黄渤海交界处, 它与山东蓬莱的理论对角线即为黄、渤海两海分界线。老铁山是东北亚大陆候鸟南北迁徙的主要通道之一, 对于生物多样性的保护具有重要意义。老铁山自然保护区内部分为核心区, 缓冲区和试验区三部分, 核心区位于研究区东南部, 约占老铁山自然保护区面积的一半, 海拔高, 植被覆盖率高, 生物种类丰富；试验区位于研究区的东部, 人类活动频繁, 大部分被村庄、农田等景观覆盖；缓冲区位于核心区与试验区的交界处及核心区南部边缘, 景观变更频繁。该地区为温带半湿润季风气候, 年平均气温9—11℃, 年平均降水量614.5 mm, 风力较强, 年均风速达到6 m/s, 以偏西风和偏北风为主, 空气湿润温和, 降水比较集中, 冬无严寒, 夏无酷暑^[24]。

2 数据来源研与究方法 2.1 数据来源

文章以1997年、2007年和2017年的老铁山地区的Landsat系列遥感影像(分辨率30 m, 行列号120033)为数据来源。选择秋季无云或少云影像, 基于ENVI5.1对三期影像进行几何校正、全色锐化、裁剪等预处理, 并进行监督分类, 再结合Google Earth电子地图和实地考察样点对软件的解译结果进行精度检验, 得出3期的解译结果Kappa系数均大于85%, 能够满足本研究对精度的要求。参照土地利用分类标准(GB/T21010—2007)将土地利用现状分为7种一级景观类型, 在结合研究区实际情况分成15种二级景观类型, 最终得到老铁山自然保护区景观类型分布情况。

2.2 景观格局变化网络可视图

基于1997年、2007年和2017年的7种一级景观类型, 得到各阶段的景观格局变化转移矩阵, 再利用社会网络分析软件Ucinet及可视化工具NetDraw, 使得景观格局变化情况得到清晰的展现, 有利于揭示一段时期内景观格局类型的转移方向和空间演化过程^[25]。为使网络图更加清晰明朗, 本文采用7种一级景观类型分析, 而非使用15种二级景观类型。

2.3 景观指数

在众多景观指数中, 能够体现景观形状复杂程度的指数并不多, 为探究人类活动对景观的干扰程度, 结合景观指数的生态学含义, 文章仅选取三个景观格指数如表 1, 作为衡量人类活动干扰的指标。利用Fragstats软件分别计算三个时期的不同类型景观及整个景观的指数, 并对3个指标进行极差标准化, 采用AHP法确定三个指标的权重, 获取三个时期的人类活动强度信息, 再基于ArcGIS创建50 m×50 m格网, 保留其中点要素, 插值得到1997—2017年人类活动对景观的干扰强度空间分布。

2.4 InVEST模型生境质量评估

InVEST模型是美国自然资本项目组开发的、用于评估生态系统服务功能量及其经济价值、支持生态系统管理和决策的一套模型系统, 它包括陆地、淡水和海洋三大类生态系统服务评估模型, 其中包括生境质量、产水量、土壤保持等模块^[26-29]。它能够定量评估生态系统服务功能, 并将分析结果以栅格图的形式直观地呈现出来。InVEST模型中的生境质量(Habitat Quality)模块, 基于LULC(Land Use and Land Cover)数据, 根据不同的土地利用类型的敏感度, 不同威胁因子的位置、威胁强度、最大威胁距离计算出生境质量、生境退化程度和生境稀缺性^[30], 生境质量计算公式为：

式中, Q_xj为第j类景观类型中栅格x的生境质量；H_j为第j类景观的生境适宜度；D_xj为第j类景观中栅格单元x的生境退化程度；k为半饱和系数模型默认值为0.5, z为归一化常量, 模型中设置为2.5。R为威胁因子个数, W_r为威胁因子r的权重, y为第r类威胁因子的栅格数, Y_r是威胁因子r栅格单元的总数；i_rxy为栅格y的胁迫值r_y对栅格x的胁迫程度；β_x为各种威胁因子对栅格x的可达性；S_jr为第j类景观类型对第r类威胁因子的敏感度；d_xy为第r类威胁因子的最大威胁距离。

为使模型中需要的相关参数包括威胁因子数据和生境敏感性参数尽可能复合研究区实际情况, 采用了德尔菲法(Delphi)对威胁因子和生境的适宜性和敏感性相关参数进行打分, 最终确定参数值, 得到威胁因子参数表(表 2)和生境敏感性参数表(表 3), 使模型参数得到本土化, 确保了研究的客观性、可靠性。

3 结果与讨论 3.1 景观格局变化分析

老铁山自然保护区1997—2017年各景观类型面积如表 4所示。为清楚地探明各个景观类型之间的相互转化情况, 绘制景观类型变化可视图如图 2。据图 2得出, 1997—2007年中耕地向园地转化面积最大达到50.9 hm²；其次是林地向草地转移了32 hm²；2007—2017年林地向建筑用地转移了54.3 hm², 耕地向园地转移了45.6 hm²；整体来看, 2007—2017年里耕地向园地, 以及林地向建筑用地转移的面积最大, 这与当地农业发展方式和人口数量增长有关。1997—2017年里老铁山自然保护区林地、草地面积明显减少, 20年里林地减少了7.33%, 草地减少了19.31%, 而建筑用地增加明显, 20年中增加了37.52%, 是由于人口数量增加, 对居住用地和粮食产量的需求增加, 使得林地和草地被开发利用。水域和未利用地的变化幅度不大, 且基数较小, 难以代表研究区内的变化情况。耕地则出现先增后减的态势, 先减少了7.15%又增加了4.14%, 耕地面积的下降与国家“退耕还林”的政策息息相关, 后期的小幅增长说明当地人口的增加对粮食需求也随之增加。所有用地类型中, 园地变化幅度最大且保持持续增长, 由1997年的192.97 hm²增长到2017年的334.89 hm², 增长率达73.54%, 园地面积的大幅增加是由于该地适宜的气候和土壤适合苹果、樱桃等果树的生长, 距离城镇、港口码头较近, 有着广阔的市场, 加之微商等网络销售模式影响力日渐加强, 当地水果的知名度显著提高, 当地农民为增加收入, 投入大量土地用以果树种植, 使得该地区园地占地面积与日俱增。数据显示, 1997年、2007年和2017年老铁山自然保护区人口数分别为4822、4858、5650人, 显示出先低后高的增速, 1997—2007年这一阶段的较低的增长速度与当地严格执行计划生育政策有关, 2007年以来, 生活水平提高, 加之“二胎”政策开放导致人口数的大幅增加。建筑用地的面积变化与当地人口数的变动有着必然的联系, 建筑用地20年来同人口数变化相似, 呈现着先缓速增长, 再快速增长的趋势, 1997—2007年这一阶段, 增长率为10.74%, 2007—2017年的增长率为24.18%(表 4)。

通过分析7种一级景观类型在20年里面积的相互转化, 可以看出以林地、草地为主的自然景观类型面积呈下降趋势, 而以园地、建筑用地为主的人文景观类型面积大幅增加, 展现出人类活动在对该地区的干扰日益增强。

3.2 人类干扰强度时空变化分析

为探究人类活动对老铁山地区的干扰程度, 本文基于15个二级景观类型, 计算整个景观的景观格局指数如表 5, 以及不同景观类型的景观格局指数, 并对其进行标准化处理并赋权, 为清楚地展现景观格局层面人类干扰强度的空间差异, 得出人类干扰强度空间分布如图 3。

结合图 3, 空间格局上看, 保护区整体的人类干扰强度体现出中部和南部低、西部及东北部边缘较强的态势。人类干扰强度低的地区一直处在研究区的核心区, 强度高的地区分布于试验区和缓冲区, 这与生境质量的空间分布有着一致性, 主要是由于当地监管部门对保护区核心区的重点保护, 以及核心区的地形地貌较为复杂, 难以开发, 才使得人类干扰强度较低；试验区和核心区由于地形平坦, 已经得到大面积的开发, 村庄、耕地面积较大, 人类足迹广布, 人类干扰强度偏高。

从时间上看, 结合表 5, 边缘密度ED、面积加权的平均形状因子AWMSI和面积加权的平均斑块分形指数AWMPFD三个指数大体上呈下降趋势, 指标数值降低说明景观形状的复杂程度降低, 一定程度上说明了整体景观受人类活动的干扰程度在增加。图 5中高值区的面积在三个阶段中依次增加, 且每一时期的最高值和最低值都在保持稳定上升的态势。1997—2007年这一阶段, 虽然人口增长率较低, 耕地面积先减后增, 且波动不大, 但由于生活水平提高, 人们对农副产品的需求量激增, 加之旅顺新港的扩建, 扩大了该地区特产水果的出口量, 以果园为主的园地面积增加, 使得试验区和缓冲区人类干扰强度大幅增强。增幅较大地区出现在保护区西北部和东部边缘干扰强度, 这两部分均为沿海地势平坦地区, 说明对沿海地区的开发强度在逐渐增加, 愈加注重海洋资源的开发。但相比于1997年，2007年核心区内部的高值区斑块明显减少或缩小, 核心区的边界也更加清晰, 说明虽然试验区和缓冲区人类干扰强度大幅增强, 但当地对核心区的管护较为完善, 对核心区内原本的植被覆盖率低的土地或裸地进行了修复。2007—2017年这一阶段, 相比于前一阶段变化不大, 但2017年核心区内部相对高值区的斑块大量增加, 说明人类活动已经向核心区内部渗透, 可能由于近些年各种景点的开放, 如老铁山灯塔、黄渤海分界线、各种寺庙等, 游客数量增加, 加之景区的管理不当, 使核心区内部的人类干扰强度增加。这一阶段试验区和缓冲区的干扰强度略有增强, 最明显的地方出现在研究区西北部, 主要是由于这一阶段人口数量增加, 建筑用地和耕地面积也随之增加, 增强了对地区的干扰强度。

为清楚探明1997—2017年老铁山自然保护区人类干扰程度上的变化, 将人类干扰强度划分成3个等级, 重度干扰(1.0—7.5)、中度干扰(7.5—6.0)和轻度干扰(6.0—0), 各年份各干扰程度面积占比如图 4。由图 4可以很清晰地看出, 3个时期重度干扰和中度干扰的比重都在增加, 而轻度干扰的比重一直在减少。这足以说明, 整个保护区的人类干扰强度一直在升高, 虽然2007年时核心区内部干扰强度有降低的趋势, 但试验区和缓冲区干扰强度的大幅增长, 抵消了核心区的干扰度的降低, 使得老铁山自然保护区的人类干扰强度呈现逐步上升的趋势。然而轻度干扰的面积在1997年为2908.75 hm², 2007年下降为2701.75 hm², 到了2017年则降到了2567.75 hm², 1997—2007年的减少率为7.12%, 而2007—2017年的减少率为4.96%, 由此说明, 虽然轻度干扰的面积一直处于下降趋势, 但第二阶段下降幅度明显要低于第一阶段, 说明当地对保护区采取了一定的有效保护措施。

表 6展示了三种干扰程度20年来的面积转移变化, 由较高程度向较低程度的面积转移, 也就意味着人类干扰强度的降低, 和生态环境向好的方向转化, 故称为正向转移；由较低程度向较高程度转移, 意味着人类干扰强度的提高, 称为负向转移。由表 6可知, (1)所有正向转移面积之和为155.25 hm², 而所有负向转移面积之和为555.25 hm², 正向转移面积明显小于负向转移。(2)轻度转中度这一转移类型是6种转移类型中面积变化最大的, 不论是第一阶段还是第二阶段。(3)重度转轻度这一转移类型是6种转移类型中面积变化最小的, 其次是重度转中度。(4)三种正向转移类型的第二阶段的转移面积均大于第一阶段, 说明2007年以来的保护区监管取得成效。以上结果均说明, 整个保护区的人类干扰强度在增加, 为维持原本良好的生态环境, 仍需有关部门和广大群众的共同努力。

3.3 生境质量时空变化分析

1997—2017年老铁山自然保护区的生境质量空间分布情况, 如图 5, 根据Natural Breaks(Jenks)自然断点法将生境质量划分成1、2、3、4四个等级, 各个等级的分值区间、各年份在每个等级的土地面积比重及生境质量均值见表 7。

通过图 5可以看出, 在空间上, 生境质量的空间分异基本与土地利用状况基本吻合, 整体上体现出中部和南部偏高, 西部及东北部边缘较低的特点, 有林地的生境质量较高, 而裸地、建筑用地等景观类型生境质量偏低。生境质量为1级、2级的低值区多出现研究区西部及东北部边缘地带, 也就是保护区的缓冲区和试验区, 这里地势平坦, 人类活动频繁, 大部分被村庄、耕地、园地等景观占用, 人类足迹广布不适宜生物生存, 生境质量偏低。生境质量等级达到4级的地区占保护区的大部分, 集中出现在中部和南部, 也就是老铁山自然保护区的生境质量的核心区, 除此之外还有保护区西北部的一小部分地区, 均是由于这些地区海拔较高, 地形以丘陵为主, 相比于研究区西部起伏较大, 不容易被人类所利用, 使得这里树木茂盛, 郁闭度高, 植被覆盖度高, 才成为诸多种鸟类、昆虫等生物的栖息地。生境质量为4级的地区内部出现一些面积小的低值区斑块, 推测是由于保护区内部的风景名胜用地和一些由于自然或人为原因造成的植被退化而产生的裸地。

结合表 7和图 5, 从时间上看, 老铁山自然保护区生境总体质量从1997年的0.6682到2007年的0.6511, 再到2017年0.6386, 整体上呈现下降的趋势。1997—2007年里, 1级、2级质量地的面积比重均出现不同程度的上升, 分别增长了1.24%和1.85%, 3级质量地面积比重降低了0.79%, 而4级质量地比重下降了2.30%。结合上文, 这一时期由于园地、建筑用地面积增加, 对生境的威胁程度也随之增加, 部分林地向草地转移, 使得生境适宜度较高的景观类型面积减少。主要根源在于, 这一时期正值我国经济发展的加速期, 追求经济而忽略环境保护, 导致了生境质量的恶化。2007—2017年这一时期, 虽然1级、2级质量地的面积比重也有所增加, 分别为1.42%和0.34%, 2级质量地增幅明显小于上一阶段, 3级质量地面积变化不大, 4级质量地面积比重缩减了1.77%, 但减幅小于上一阶段。这一时期, 由于人口增长, 建筑面积增加, 对周边生境的质量产生了威胁, 故而生境质量整体下滑。但相比于上一阶段生境质量的恶化速度, 有明显有减缓的趋势, 究其根源, 主要是由于2012年11月, 党的十八大提出了“大力推进生态文明建设”的战略决策, 近几年来各地方政府积极贯彻落实这一政策, 保护区作为生态系统的外在体现得到了更多的关注与管理。这一时期人们对核心区周边的开发比较频繁, 核心区和缓冲区交界部分土地被村庄、耕地占用, 且核心区内部的低值区斑块的增加是由于近几年游客大量增加, 景区得到了开发, 以简易停车场为主的裸地面积增加, 以及游客的不文明行为对植被造成了破坏, 降低了核心区的生境质量。

为了更加清晰明确地了解老铁山自然保护区生境质量的时空变化特征, 绘制了1997—2017年生境质量时空变化图, 并进行冷热点分析, 得出分布情况如图 6。冷热点分析能够清楚地识别要素集聚分散的位置和程度, 根据图 6可以看出热点、次热点集中在研内部究区的西北、南部和东部的小部分地区, 几乎是保护区核心区的外围地带。热点在西北部和东部, 说明该地区在20年中相比于其他地区生境质量变化较大, 推测是原本植被覆盖较高的地区被人们开发利用转变成了村庄或农田, 使得生境质量出现了较大幅度的转变。南部地区的热点可能是由于近些年沿海旅游景点的开发, 游客量增加, 加之丘陵阻挡, 位置偏远, 不便于有关部门管理, 导致植被退化严重, 生境质量降低。冷点、次冷点分布主要在研究区中部, 也就是试验区和缓冲区交界处, 以及核心区东部。冷点、次冷点代表该地区20年来生境质量变化不大, 结合生境质量空间变化图, 发现冷点、次冷点区生境质量在三个时期里都属于1级或2级, 可能是一直处于被开发状态, 土地利用变更不频繁。

3.4 景观格局与生境质量相关性分析

结合图 7和上文可知, 1997—2017年林地面积减少了7.33%, 园地和建筑面积分别增加了73.54%和37.52%, 说明人文景观用地侵占了自然景观用地, 使得自然景观面积减少, 且前一阶段的干扰强度涨幅要大于后一阶段；通过图 8和上文得出, 生境质量1级和2级质量用地面积分别增加2.65%和2.19%, 3级质量用地变化不大, 比重下降了0.77%, 而4级质量用地面积减少4.07%, 前一阶段的生境质量下降速度要大于后一阶段。结合两个阶段的干扰程度和生境质量的空间分异与变化幅度得出, 人为因素对生境的影响不容忽视。

为探明景观格局变化对生境质量的的影响程度, 本文基于景观类型变化生成景观格局指数时空分布图和生境质量时空变化图, 虽然二者均来源于景观类型的划分, 但本质却存在差异。本文代表人类干扰强度的景观格局指数是基于不同景观类型及其斑块的外部形状特征, 而生境质量是基于景观类型内部属性的差异及不同种景观之间的实际距离, 因此二者存在质上的区别。本研究中结合图 3、图 4发现景观格局指数所代表的人类干扰强度与生境质量变化又存在着相似性。为证实这一观点, 利用Pearson指数对1997—2017年的人类干扰强度与生境质量进行相关性分析, 得出1997年、2007年和2017年的相关性在0.01水平(双侧)上显著相关指数分别为-0.812、-0.738和-0.732, 说明该地区人类干扰强度与生境质量呈负相关, 表明人类干扰强度对生境质量的负面影响。由此说明, 人类干扰对生境质量的影响较大, 可视为生境质量的驱动因子。虽然生境退化并不一定完全来源于人类活动的干扰, 仍有自然原因的作用, 比如强对流天气对植被的破坏, 海岸侵蚀造成的地表裸露等, 但不可否认人类活动干扰是造成生境退化的主要原因。人类往往在寻求切身利益时忽视了对生态环境的影响, 一味地改造自然, 因此在以后的管理中人类的活动范围与开发强度需要严格控制, 务必遵循“尊重自然、顺应自然、保护自然”的原则。

4 结论

老铁山自然保护区不仅在生物多样性的保护方面着重要的生态意义, 而且其特殊的地理位置使它具有较高的旅游经济价值。基于以上分析结果, 可以看出：

(1) 1997—2017年, 老铁山自然保护区的景观格局变化中建筑用地、园地面积增加最多, 林地、草地略有减少, 耕地向园地的转移面积最大, 整体上看, 人为景观面积增加, 自然景观面积减少。

(2) 人类干扰强度方面该地区核心区有着先减弱再增强的态势, 而试验区和缓冲区则一直呈现出增强的态势。研究区总体上还是呈现出干扰强度不断升高, 后一阶段幅度的干扰强度涨幅要低于上前一阶段。

(3) 1997—2017年, 由于建筑用地等威胁因子面积的增加, 老铁山地区核心区生境质量略有下降, 低值区斑块数量增加, 面积增大, 缓冲区和试验区人类活动较为频繁, 生境质量下降幅度较大。但后一阶段的生境质量下降幅度要明显低于前一阶段。生境质量变化的热点、次热点多集中在核心区边缘, 而冷点、次冷点集中在试验区与缓冲区交界处。

(4) 相关性分析得出, 人类干扰强度对生境质量有着极大的负面影响, 需要严格控制人类在保护区的活动范围。此外, 研究还发现, 20年以来缓冲区与试验区之间的界限一直不够清晰, 这将对保护区的监管产生不利影响。

本文仍存在不足之处：(1)威胁因子参数和生境敏感性参数存在一定的主观性。(2)有关3个景观指数的选取, 主要是通过相关文献和对景观指数生态学含义的理解而进行选取, 也存在一定的主观性。以上均有待后期研究进一步深入探讨。

因此, 自然保护区的监管部门应加大对保护区内试验区和缓冲区的管理, 加强对核心区林地的保育工作；将整个保护区划定生态保护红线, 以减小城镇扩张对保护区内生境的影响；旅游景点的管理力度也应加强, 明确划定景区界限, 禁止游客无故翻越界限, 防止其对林区造成一定破坏；保护区范围内增加管理站, 增设管理岗位, 责任到人加强管束力度；加强生态保护的宣传, 让周边居民意识到老铁山自然保护区的重要意义, 从根源上杜绝对保护区生境的破坏。