陈圣天，付 晖，付 广，陈 杰
(海南大学 林学院，海南 海口 570228)
景观格局揭示了形状大小各异的景观要素在空间上分布配置情况，感知不同生态过程多因素时空作用的影响，有助于探索区域景观生态资源可持续发展道路[1-2]。目前，景观格局广泛应用于各项研究中，李玉杰等[3]通过分析源汇景观格局对海口热环境的贡献及其生态效应，提出基于区域景观系统理论的热岛缓解策略。刘平等[4]通过模拟关门山国家森林公园未来300 a的景观指数动态变化，为森林公园稳定可持续发展提供理论依据。
自然保护区通过政策法律等有效手段对区域内物种进行保护管理，从而发挥长期保护区域生物多样性、修复破损生态环境的作用[5]。海南热带雨林国家公园范围内共设有5个国家级自然保护区：霸王岭、尖峰岭、吊罗山、五指山及鹦哥岭保护区，各保护区聚集于海南热带雨林密集区，是多种濒危野生动植物的重要栖息地，对保护我国南方热带雨林景观及珍稀热带动植物具有重要现实意义。此前关于海南自然保护区的研究主要集中于自然保护区内物种或种群资源特征[6-7]、生物多样性[8]、森林公园旅游发展规划[9-10]、景观适宜粒度分析[11]、森林景观格局研究[12]等方面，尚未见不同保护区之间景观格局变化的分析。本研究以霸王岭、尖峰岭、吊罗山、五指山及鹦哥岭国家级自然保护区为对象，选取景观格局指数、景观动态变化模型对不同保护区景观时空动态变化进行比较分析，找寻保护区景观格局变化的异同点，并运用PLUS模型探析景观演变的驱动因素，有针对性地提出保护建议，为海南自然保护区未来保护管理提供理论依据。
霸王岭国家级自然保护区(109°03′E-109°17′E，18°57′N-19°11′N，以下简称霸王岭)，地处海南岛西南部山区，国家公园范围总面积为297.41 km2，属野生动物类型自然保护区，主要保护对象为海南长臂猿及其栖息地。尖峰岭国家级自然保护区(108°36′E-109°05′E，18°23′N-18°52′N，下简称尖峰岭)，地处海南岛西南部，拥有中国现存纬度最低、垂直系统最完整的热带雨林，国家公园范围总面积为240.69 km2。吊罗山国家级自然保护区(109°45′E-109°57′E，18°40′N-18°49′N，下简称吊罗山)，地处海南岛东南部，横亘海南岛南半部，国家公园范围总面积为183.61 km2。海南五指山国家级自然保护区(109°32′E-109°43′E，18°48′N-18°59′N，下简称五指山)，位于海南岛中部，为海南第一高峰，国家公园范围总面积为134.17 km2。鹦哥岭国家级保护区(109°11′E-109°34′E，18°49′N-19°08′N，下简称鹦哥岭)，位于海南省中南部，是海南岛面积最大的保护区，国家公园范围总面积为873.65 km2。除霸王岭外，其余4个保护区均属森林生态系统类型自然保护区，主要保护对象为热带雨林生态系统、珍稀动植物及栖息地[13]。
2.1 数据来源及预处理
选用2015年和2020年30 m地表覆盖数据(GLC_FCS30-2015、GLC_FCS30-2020)，运用ENVI5.3对基础数据进行了几何校正、图像镶嵌等预处理，并根据霸王岭、吊罗山、尖峰岭、五指山和鹦哥岭保护区矢量边界范围进行裁剪，得到图1。参照国际IGBP的LUCC分类体系和GLC_FCS30的30类土地覆盖类型，结合保护区实际景观情况和研究目的将保护区景观类型分为旱地、草本植物、灌溉农田、常绿阔叶林、落叶阔叶林、针叶林、灌木林、湿地、不透水层、水体10类。
图1 2015年、2020年海南热带雨林国家公园范围及景观类型
为探究保护区用地变化的驱动力，参考相关研究和研究区实际情况，选取人口、经济、道路密度3个社会经济指标及年均温度、年均降水量、高程、坡度4个环境气候指标进行分析(表1)，并对各项数据进行预处理：对研究区周边37个乡镇人口及经济数据进行克里金插值，其中以区域内营业面积50 m2以上的综合商店或超市数量表征地区经济情况。提取2020年研究区周边5 km范围内的各级道路、铁路，计算道路密度，分辨率为1 km2网格。
2.2 景观格局分析方法
2.2.1 景观格局指数 从类型水平和景观水平2个方面选取相关指标，探讨各保护区景观格局的多样性、破碎度及连接度，分析景观空间分布特征，各指标均使用Fragstats4.2完成计算[14-17]。具体指标为斑块占景观面积比例(PLAND)、斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、平均斑块面积(AREA_MN)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、斑块结合度指数(COHESION)、蔓延度指数(CONTAG)、聚合度指数(AI)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)，总计11个指标。
2.2.2 景观动态变化模型 景观时空动态变化研究旨在揭示各保护区景观在某一时间段内景观变化程度、趋势和空间分布特征，定量揭示各保护区景观类型变化特征，并对区域间景观格局变化的差异性进行比较分析[18-19]。本研究引入景观动态度和转移矩阵构建景观动态变化模型。景观动态度能准确反映某时间范围内各保护区某种景观类型变化的活跃程度及数量变化情况，计算公式为：
(1)
式中：K为研究时段内某一景观类型动态度；
Ua、Ub分别为研究期初及研究期末某一种景观类型的面积(km2)；
T为研究时段长[20]。
景观转移矩阵能够揭示不同景观类型之间的转移数量和转移方向，其数学表达式为：
(2)
式中：S为景观面积；
n为转移前后景观格局的类型数；
i、j分别为研究期初级研究期末的景观类型[21-22]。
表1 数据来源信息
2.3 PLUS模型
斑块生成土地利用变化模拟模型(PLUS模型)应用了新的分析策略：土地扩张分析策略(LEAS)，该策略在2期用地变化扩张的部分中采样，运用随机森林算法逐一挖掘驱动因子，获取用地发展概率以及各驱动因素对用地变化的贡献度。该策略避免了转化分析策略(TAS)中转化类型随类别增加而呈指数增长的复杂分析，保留了格局分析策略(PAS)所不具备的用地变化机理分析能力，具有更好的解释性，因此本研究采用土地扩张分析策略探究保护区景观变化驱动力[23]。
3.1 不同保护区景观格局变化
3.1.1 不同保护区景观结构特征 5个保护区优势景观均为常绿阔叶林，其总面积占比均超过50%，5 a间呈现缓慢增长态势；
针叶林及灌木林面积均趋于减少；
湿地仅存在于尖峰岭、吊罗山及鹦哥岭，斑块面积一致呈现增长态势；
旱地、灌溉农田、落叶阔叶林、不透水层、水体在保护区内面积较小，变化较不显著。鹦哥岭面积辽阔，高达873.65 km2，五指山总面积最小，仅为134.14 km2，受面积影响鹦哥岭各景观类型面积变化量最大，五指山各景观类型占比变化最显著。常绿阔叶林在鹦哥岭内面积增长最高达92.28 km2，尖峰岭增幅则相对较缓，在五指山所占比重增幅最多，为24.48%。鹦哥岭针叶林面积减少最多，为40.23 km2，占比则仅减少4.61%，反之五指山与吊罗山占比变化显著，分别为18.23%、16.63%。草本植物在鹦哥岭范围内锐减12.74 km2(表2)。
表2 2015、2020年各保护区各景观类型面积
3.1.2 不同保护区景观指数变化特征 由图2可见，不同保护区景观指数变化较为一致，NP、PD呈现下降趋势，保护区景观破碎化程度降低；
常绿阔叶林PLAND、AREA_MN与LPI显著增长，表明保护区景观格局以常绿阔叶林大斑块为主导，随着不断加强林地修复，使林地面积逐年攀升，优势度增强，连通性向好；
各景观类型LSI大都呈现下降趋势，景观形状从复杂趋于简单；
常绿阔叶林、灌木林及针叶林COHESION较高，但变化程度较小。鹦哥岭草本植物锐减，NP、PD、LSI减少量最大，景观形状趋于规则，常绿阔叶林减少量次之，表现为面积增加，由景观连接成片所致。尖峰岭常绿阔叶林AREA_MN增长量最高为73.26 hm2。五指山常绿阔叶林LPI变化最大，表明其斑块连通性较好。吊罗山因斑块数量变化较小，导致落叶阔叶林及水体COHESION变化量显著。
由图3可见，五大保护区景观水平总体变化相近，NP降幅显著，占比约为40%，景观破碎度减弱；
CONTAG、AI均呈现增长态势，表明保护区景观集聚程度增强，优势景观联结；
SHDI、SHEI小幅降低，整体景观分布较不均匀。受斑块面积影响鹦哥岭NP降幅最大，五指山最小；
但五指山CONTAG变化最为突出，增幅约18.56%，景观连通程度较高；
尖峰岭SHEI最低仅为0.21，表明景观多样性降低，常绿阔叶林优势度升高。
3.1.3 不同保护区景观类型动态转移 由表3可见，不同保护区景观动态转移程度相近。从类型转化上看，转换度最高的均为灌木林与针叶林向常绿阔叶林的转化，同时亦存在部分常绿阔叶林向灌木林退化的现象，其中鹦哥岭转化量尤为突出，此三者之间的转化均占据了面积变化总量的90%以上。草本植物、旱地向灌木林的转化在5个保护区内均有发生，其中霸王岭、鹦哥岭旱地变化幅度明显。各保护区在景观种类方面亦有转变，霸王岭和尖峰岭保护区增加不透水层，吊罗山增加少许湿地，五指山则增加灌溉农田和落叶阔叶林，其余景观类型转化幅度较小。
本研究将新增景观类型的动态度数值视作0。不同保护区景观面积变化最显著的均为常绿阔叶林，但与热带雨林国家公园总体变化相反的是：保护区内针叶林转化量高于灌木林。保护区常绿阔叶林及落叶阔叶林动态度均为正值，表明保护区林地面积不断正向增长。保护区常绿阔叶林面积增量均为最大值，但其动态度较小，动态度最高值为吊罗山落叶阔叶林363.65%。反之，湿地与不透水层面积增量少，动态度较大。
综合动态度统筹分析保护区景观类型总体情况，反映各景观类型变化强弱。5 a间霸王岭、尖峰岭和鹦哥岭保护区综合动态度近似为2.4%，吊罗山综合动态度较高为4.28%，五指山最低仅为0.000 1%。参照相关研究，吊罗山保护区综合动态度属缓慢变化型，霸王岭、尖峰岭、五指山、鹦哥岭保护区综合动态度均属极缓慢变化型，由此可见，5 a间5个保护区整体景观类型变化较为缓慢，景观类型基本稳定，人为干扰影响较小，景观植被属自然演替，生态系统较为稳定。
3.2 基于PLUS模型的保护区景观变化驱动因子分析
运用ArcGIS软件，对2010、2015年和2020年3期土地利用数据进行重分类，与各项驱动因子导入PLUS模型，得到用地发展潜力图(图4)与用地变化驱动因子的贡献度(图5)。
注:Ⅰ.旱地；
Ⅱ.草本植物；
Ⅲ.灌溉农田；
Ⅳ.常绿阔叶林；
Ⅴ.落叶阔叶林；
Ⅵ.针叶林；
Ⅶ.灌木林；
Ⅷ.湿地；
Ⅸ.不透水层；
Ⅹ.水体。
表3 2015-2020年不同保护区景观类型面积变化及动态度
图3 2015、2020年各保护区景观水平景观指数
由图5A可见，耕地扩张潜力较大的区域主要分布于保护区边缘。其驱动因子主要为高程、道路密度及降水量，即在交通便利、地势平缓、雨量充沛利于灌溉的地区，人们倾向于从事农业生产活动，用地类型向耕地转化。保护区内林地占据较大的比重，扩张趋势显著，其驱动因子主要为高程、坡度、降水量等自然因素。另一方面，保护区林地转入草地的部分占草地增量的99.18%，草地主要受到高程与人口因素影响，即在保护区边缘的低海拔地带，林地易受人为干扰而退化为草地，因此可以认定人口也是林地变化的影响因素之一。水域变化的驱动因子主要为高程、温度及道路密度(图5D)，霸王岭及五指山等地势较高的区域水域扩张潜力较小，在尖峰岭及毛阳镇则具有较高潜力。保护区地势陡峭、人口稀疏，建设用地扩张潜力较小。
保护区景观变化驱动因子主要为高程与人为因素，这与保护区植被垂直分布特征相关。海拔600～1 000 m是以樟科、壳斗科等高大乔木植物为优势种的热带山地雨林，层间植物丰富，林地稳定发展。海拔600 m以下林地以次生林为主，易受到人为干扰而退化，镶嵌分布有五节芒(Miscanthusfloridulus)群落草地及桃金娘(Rhodomyrtustomentosa)、野牡丹(Melastomacandidum)群系灌丛[24]。高海拔地区主要生长针叶林树种，在海拔1 400 m以上则为山顶苔藓矮林。五大保护区平均海拔较高，针叶林群落丰富，因而与热带雨林国家公园总体变化相反：针叶林转化率普遍高于灌木林。
4.1 结论
霸王岭、吊罗山、尖峰岭、五指山及鹦哥岭保护区景观变化大体相同，受保护区人工造林种植类型和林型间的自然演变影响，五大保护区林地类型景观格局均呈现增长态势，非林地向林地转换、针叶林向常绿阔叶林转变，景观破碎化程度减轻，保护区土地利用以及生态环境得以保护。另一方面，各保护区景观变化驱动因子主要为高程及人为因素，大体上存在核心林区稳定、缓冲区脆弱的特征。但不同保护区之间仍存在差异主要体现如下。
图4 各保护区用地扩张驱动因子贡献度
图5 各保护区用地扩张潜力
景观结构方面，鹦哥岭各景观类型面积变化量最大，五指山各景观类型占比变化最显著。景观类型方面，霸王岭及尖峰岭新增不透水层；
吊罗山新增湿地；
五指山新增灌溉农田及落叶阔叶林但依旧缺少湿地及水体景观。景观格局指数方面，因斑块数量较少，吊罗山落叶阔叶林COHESION增幅最大，反之水体COHESION降幅最大；
尖峰岭常绿阔叶林AREA_MN最大，景观优势度增强，但尖峰岭SHEI最低，仅为0.21，景观多样性较低；
五指山常绿阔叶林动态度最大，各景观趋于团聚，异质性减弱。景观转移方面，在鹦哥岭保护区地势平坦的边缘地区，草本植物向灌木林转化显著，5 a间面积锐减12.74 km2，其中91.58%均转化为灌木林，草地在鹦哥岭的发展潜力较小。驱动因子方面，耕地、林地、草地及水域均受高程因素的影响较大，建设用地则主要受人为活动影响，具体表现为经济因素。
4.2 讨论和建议
霸王岭保护区是海南黑冠长臂猿唯一的栖息地，其周边的青松乡、王下乡等地区人类活动较为频繁，耕地变化潜力较大，如不加以防范，势必对保护区景观稳定性造成负面影响，海南黑冠长臂猿栖息地也将受到威胁[25-26]。毛阳镇位于海南热带雨林国家公园中心位置，起到了连通两侧鹦哥岭与五指山保护区的作用，该地受昌化江流域影响，水量充沛，水体扩张潜力较大；
但大广坝水库则与之相反，5 a间水库周边部分水体转化为湿地，以致水体面积减少，对周边尖峰岭、霸王岭保护区造成不利影响。
基于上述研究结果，提出以下建议：1)霸王岭保护区应严格管控周边土地利用开发强度，并加强对高大乔木类植物的保护，为海南黑冠长臂猿提供良好的生存环境及食物来源。2)吊罗山、尖峰岭及鹦哥岭保护区均存在水体面积减少的情形，应多加注重水土保持，调节水资源平衡；
适当加强毛阳镇周边水体及滨水环境的修复及保护力度，更好地发挥纽带作用。3)五大保护区均位于海南热带雨林国家公园范围内，应加强与国家公园的整体联系，形成体系化管理制度，增强群众保护意识，促进多层有效保护。4)在保护区边缘地带树立标识牌，广泛开展科普宣传教育，提高周边群众生态文明意识，增强法制观念，自觉守护生态家园[27-28]。
本研究通过景观格局及动态度分析，探究海南不同保护区景观格局时空演变规律；
通过PLUS模型确定景观演变的驱动因素；
通过对比分析得出不同保护区景观变化的异同点，为各保护区因地制宜制定保护管理措施提供理论依据。但本研究仅选用两期30 m地表覆盖数据开展分析，时间跨度较短，景观变化较不明显。同时，只考虑了社会经济与自然大环境的驱动因素，缺乏对研究区开展样地调查，未对热带雨林景观植被种类开展研究。在后续研究中，应对保护区景观进行全方面综合分析。