黃孟勤,李陽兵,2,*,李明珍,陳 爽,曾晨岑,張 冰,夏春華

1 重慶師范大學地理與旅游學院, 重慶 401331 2 三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點實驗室, 重慶 401331

隨著全球環(huán)境問題的日漸突出和21世紀初“人類世”[1]概念的提出,人類活動已成為全球變化研究的重點與熱點[2]。同時土地利用對人類活動的響應也始終是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)安全的研究熱點[3],而土地利用變化會導致景觀格局的相應改變。因此,深入揭示在人類活動演變背景下的景觀耦合響應對區(qū)域生態(tài)安全的構(gòu)建、三生空間的優(yōu)化和人與環(huán)境關系的調(diào)控改善具有重要意義。

人類活動強度是指在一定區(qū)域內(nèi)受到人類活動影響的擾動程度[4—5],人類活動強度的定量化和空間化是研究人類活動對生態(tài)環(huán)境影響的基礎[6],也是建立二者之間定量關系的重難點[7]。當前主要從兩個角度定量人類活動強度：一是基于人類活動的壓力變化提出的綜合指標加權(quán)分析法[8]和生態(tài)足跡指數(shù)法[9]等；二是基于人類活動擾動引起的自然環(huán)境狀態(tài)響應變化,如土地利用變化[4]、生態(tài)系統(tǒng)服務變化[10]、和多狀態(tài)因子變化[11]等提出的方法。目前應用較廣的方法是綜合指標法和基于土地利用變化定量人類活動強度[6]。其中,以土地利用變化定量人類活動強度較簡單[12],普適性強,但評價結(jié)果的準確性有待商榷,而綜合指標法的評價結(jié)果較準確,但存在空間精細度不足等問題[13]。因此,如何建立一種能簡單、精細、準確地定量分析人類活動強度的方法是目前亟待解決的問題。

近年來各種形式的人類活動對地表覆被的擾動直接或間接地改造著景觀格局,這一現(xiàn)象已經(jīng)引起國內(nèi)外學者的廣泛關注,而大多研究都是基于特定的研究區(qū)域,如半城市化地區(qū)、山區(qū)、煤礦區(qū)或旅游區(qū)等區(qū)域,反映特定人類活動如城市化、旅游等對景觀格局的影響[14—17],忽略了人類活動的多樣性、空間異質(zhì)性和相互干擾性。此外,目前對景觀格局和人類活動強度關系的研究大多將人類活動作為輔助信息進行定性分析,缺乏定量分析。因此,建立區(qū)域綜合人類活動強度及景觀格局對其耦合響應的定量分析尤為重要。

三峽水庫是世界上容量最大的水庫之一,庫區(qū)包括長江干流河道約568km[18],位于中國中西部過渡地帶。該區(qū)域水土流失嚴重,生態(tài)環(huán)境脆弱,是對人類活動高度敏感的山區(qū)[19]。近年來為了改善三峽庫區(qū)山區(qū)人居環(huán)境和生態(tài)環(huán)境,生態(tài)移民、退耕還林還草等政策相繼出臺,使得庫區(qū)的人口分布和人類活動強度在空間上發(fā)生了明顯的變化[20],農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也發(fā)生了轉(zhuǎn)型[21]。因此,本文旨在通過研究三峽庫區(qū)腹地人類活動強度與景觀格局的耦合變化過程,揭示三峽庫區(qū)腹地人地關系演變狀況,主要研究內(nèi)容有：(1)建立綜合顯性—隱性人類活動強度指數(shù),(2)定量評估三峽庫區(qū)腹地人類活動強度變化下景觀格局的耦合響應,(3)揭示景觀格局對人類活動耦合響應的驅(qū)動機制。本文的研究結(jié)果將有助于三峽庫區(qū)腹地各種生態(tài)政策的調(diào)整和優(yōu)化,可為中國中西部庫區(qū)、山區(qū)及發(fā)展中國家類似地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展研究提供典型范例。

1 研究區(qū)概況

三峽庫區(qū)是典型的山區(qū),地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜,地貌以山地丘陵為主。奉節(jié)縣(30°29′19″—31°22′33″N,109°01′17″—109°45′58″E)位于三峽庫區(qū)腹地的核心地區(qū),占地面積約4087km2(圖1)。奉節(jié)縣第七次全國人口普查公報表示,至2020年底,奉節(jié)縣的常住人口有74.48萬人,居住在鄉(xiāng)村的人口占50.48%。長江流經(jīng)奉節(jié)縣中段,地勢南北高中間低。受亞熱帶季風氣候和山地地形的影響,氣候溫暖濕潤,年均降水量為1132mm,日照時間長,是典型的三維立體氣候。三峽工程移民和退耕還林等生態(tài)工程導致了奉節(jié)縣內(nèi)人類活動形式和強度的明顯變化,區(qū)域景觀格局變化明顯。奉節(jié)縣的地理位置、地形特征和土地利用方式等自然和社會背景使其成為三峽庫區(qū)腹地的典型代表[20—22],因此,本文以奉節(jié)縣為研究對象,將有助于揭示三峽庫區(qū)腹地人類活動強度與景觀格局耦合響應的一般規(guī)律。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Location map of the study area

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 山區(qū)人類活動強度與景觀格局耦合模型

2.1.1山區(qū)人類活動強度與景觀格局耦合模型構(gòu)建

本文以人類活動強度為x軸,景觀格局為y軸,根據(jù)人類活動強度與景觀格局的耦合關系劃分4個象限,構(gòu)建四象限模型。不同象限反映了人類活動強度與景觀格局的不同耦合特征(圖2),分別為：

圖2 山區(qū)人類活動強度與景觀格局耦合演變模型Fig.2 The coupling transformation model of human activity intensity and landscape pattern in mountainous area

第一象限：表示較高強度的人類活動及對應的高斑塊密度、高多樣性、低聚集度、小斑塊、形狀復雜的景觀格局,如在近城區(qū),鄉(xiāng)村聚落、城鎮(zhèn)聚落、果園、耕地和生態(tài)用地構(gòu)成的景觀格局；

第二象限：表示較低強度的人類活動及對應的高斑塊密度、高多樣性、低聚集度、小斑塊、形狀復雜的景觀格局,如山區(qū)地形起伏度較小的區(qū)域,林地、鄉(xiāng)村聚落、坡耕地、撂荒地和小規(guī)模果園構(gòu)成的景觀格局；

第三象限：表示較低強度的人類活動及對應的低斑塊密度、低多樣性、高聚集度、大斑塊、形狀簡單的景觀格局,如山區(qū)高海拔地區(qū)集中連片的林地構(gòu)成的景觀格局；

第四象限：表示較高強度的人類活動及對應的低斑塊密度、低多樣性、高聚集度、大斑塊、形狀簡單的景觀格局,如河谷平壩等自然本地條件好的區(qū)域,集中連片的城鎮(zhèn)聚落、果園、坡耕地等構(gòu)成的景觀格局。

本文將一、三象限視為人類活動強度與景觀格局耦合的協(xié)調(diào)狀態(tài),二、四象限視為兩者耦合的拮抗狀態(tài)。將兩個時期的人類活動強度與景觀格局耦合特征進行空間對照,可得到四種人類活動強度與景觀格局耦合變化類型,各個類型的特征如表1所示。

2.1.2人類活動強度和景觀格局指標選取

人類活動強度是度量人類改造自然力度的有效指標。當前以建設用地當量評價人類活動強度的方法運用較廣泛[23]。但以相同土地利用基礎的兩個變量做耦合分析,其結(jié)果將會存在明顯的自相關性。為了避免此種情況,本文參考相關文獻[24]和研究區(qū)數(shù)據(jù)獲取的實際情況,選取了景觀開發(fā)強度指數(shù)、人口密度、經(jīng)濟密度和道路密度四個指標來確定綜合人類活動強度指數(shù)。

借鑒土地利用轉(zhuǎn)型的顯性和隱性形態(tài)相關表述[25—26],本文認為人類活動與土地利用一樣有直觀顯性的結(jié)果,也有間接造成隱性結(jié)果,即人類活動具有隱性和顯性兩種表現(xiàn)。人類活動對環(huán)境的改造往往通過土地利用的變化直接表現(xiàn)出來,土地利用是人類活動結(jié)果的顯性表現(xiàn)。另一方面,人是人類活動的執(zhí)行者,經(jīng)濟效益是人類活動的目標,因此單位面積土地利用類型的產(chǎn)出和功能定位可在一定程度上間接反映出人類活動強度的狀況,是人類活動強度的隱性表現(xiàn),并可通過人口密度和經(jīng)濟密度的時空變化表現(xiàn)出來。

因目前無可綜合反映景觀格局特征的指標,而景觀格局指數(shù)可以反映出豐富的景觀格局信息[27]。有學者指出景觀規(guī)模、形態(tài)、數(shù)量、類型和空間配置對生態(tài)安全具有重要影響,在人類活動影響較弱的時期,生態(tài)安全主要與景觀面積有關,隨著人類活動的增強,景觀形態(tài)、破碎化和連通性發(fā)生了較大變化,從而導致了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成的變化,進而影響生態(tài)安全[28]。因此本文參照相關研究[27, 29]選取了香濃多樣性指數(shù)(SHDI)、聚集度指數(shù)(AI)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)和景觀形狀指數(shù)(LSI),這些景觀指標通常用以反映景觀格局如大小、距離、形狀、集聚性和多樣性等主要特征。各指數(shù)的生態(tài)學意義及相關算法詳見參考文獻[27]。

在指標選取的基礎上,本文對人類活動強度與景觀格局耦合響應的分析如圖3所示。首先,基于奉節(jié)縣的經(jīng)濟密度、人口密度、景觀開發(fā)強度和道路密度數(shù)據(jù),我們運用層次分析法和指數(shù)和法定量分析人類活動強度。第二,我們利用移動窗口法分析奉節(jié)縣景觀格局指數(shù)的空間分布。最后基于雙變量空間自相關模型分析人類活動強度和景觀格局的耦合變化類型,并以二元邏輯回歸模型探討耦合變化類型的驅(qū)動機制。

表1 人類活動強度與景觀格局耦合類型的特征

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源及其說明見表2,其中研究區(qū)的土地利用如圖4所示。

表2 數(shù)據(jù)來源及說明

圖3 研究框架Fig.3 The framework of the study

2.3 指標計算

2.3.1研究單元劃分

根據(jù)研究區(qū)實際情況,生成1000m×1000m的格網(wǎng)作為人類活動強度的評價單元。

2.3.2景觀開發(fā)強度指數(shù)

景觀開發(fā)強度指數(shù)由Brown等提出[30],該方法將土地利用類型與單位面積能耗的開發(fā)強度相結(jié)合,計算各土地利用類型的景觀開發(fā)強度系數(shù),最后累加研究區(qū)各土地利用類型面積及其景觀開發(fā)強度系數(shù),得到景觀開發(fā)強度綜合指數(shù):

LDIindex=∑LU(%)×LDIi

(1)

式中,LDIindex為區(qū)域景觀開發(fā)強度綜合指數(shù)；LU(%)為第i種土地利用類型的面積占比；LDIi為第i種土地利用類型的景觀開發(fā)強度系數(shù)(表3)。

表3 不同土地利用/覆被的景觀開發(fā)強度系數(shù)

2.3.3層次分析法和指數(shù)和法

本文采用層次分析法得到各項指標的權(quán)重,其中顯性指標道路密度和景觀開發(fā)強度指數(shù)的權(quán)重分別為0.073和0.432,隱性指標人口密度和經(jīng)濟密度的權(quán)重分別為0.167和0.328。然后利用指數(shù)和法對各指標及其權(quán)重進行綜合,其計算公式如下:

(2)

式中,CHAI為綜合顯性—隱性人類活動強度,簡稱為綜合人類活動強度,Xj為指標j的標準化；Aj為指標j的權(quán)重。

2.3.4雙變量空間自相關模型

一般來說,簡單的耦合關系也可以用相關性來描述[32],因此,本文采用雙變量空間自相關模型確定綜合人類活動強度與景觀格局耦合之間的空間關系,并檢驗二者關系的有效性。雙變量空間自相關模型[33]的計算公式如下:

(3)

2.3.5二元邏輯回歸模型

二元邏輯回歸模型是分析變量關系的有用工具,在土地利用驅(qū)動力分析中得到了廣泛的應用[34]。本文采用二元邏輯回歸模型確定影響因素、景觀格局與綜合人類活動強度空間耦合變化類型之間的定量關系。相關的回歸模型如下。

將測量對象是否發(fā)生定義為因變量Y,測量對象發(fā)生時用1表示,反之用0表示。因變量的n個影響因素分別記為x1,x2,x3…xn。因變量Y在n個自變量作用下的發(fā)生概率定義為P,其值在0—1之間,表達式為:

(4)

對式(4)進行l(wèi)ogit變換,得到一個線性公式：

(5)

式中,α為常數(shù)項,β1,β2,…,βn為回歸系數(shù),若βn為正,表示相關的自變量Xn,i能增加事件i的發(fā)生率,反之則減少,且βn的絕對值越大,表示自變量Xn,i對事件i的發(fā)生率的影響越大。

本文利用ArcGIS 10.2提取景觀格局與綜合人類活動強度的耦合變化類型以及在各驅(qū)動因子柵格圖中具有變化值的10%(2138個)樣本值作為變量。最后將提取的樣本值導入邏輯回歸模型診斷景觀格局與綜合人類活動強度的耦合變化的驅(qū)動因子,提取出顯著的影響因子。

3 結(jié)果分析

3.1 人類活動強度的時空分布規(guī)律

由圖5可知,2000—2020年,奉節(jié)縣的人口密度逐年遞減,經(jīng)濟密度逐年遞增,兩者在空間上逐漸向城區(qū)聚集,整體上長江北岸大于長江南岸,由奉節(jié)城區(qū)向南北山區(qū)逐漸遞減；從顯性人類活動的道路密度和景觀開發(fā)強度指數(shù)角度來看,兩者逐年遞增,空間分布規(guī)律與隱性因子大體一致；從綜合人類活動強度看,奉節(jié)縣在農(nóng)戶生計方式的轉(zhuǎn)型的背景下,區(qū)域經(jīng)濟產(chǎn)值得到明顯的增長,綜合人類活動強度在時間上整體無明顯變化,由2000年的11.59%增加為2020年的12.48%,在空間上表現(xiàn)為南北部的山區(qū)向中部低海拔的河谷地區(qū)收縮。

無論是從隱性、顯性和綜合的角度看,奉節(jié)縣的人類活動強度的時空分布特征表現(xiàn)為：局部增強,空間上整體向局部地區(qū)收縮。由于地形地貌的差異,2000—2020年,奉節(jié)縣的人類活動強度分布與當?shù)氐牡匦翁荻忍卣饕恢?即人類活動強度分布表現(xiàn)為南北山區(qū)低,中間長江河谷高,且長江北岸的人類活動強度整體高于南岸,這與長江北岸的河網(wǎng)相對密集、奉節(jié)縣的經(jīng)濟和行政中心位于長江北岸等因素有關。此外,長江南岸的海拔較高,石灰?guī)r占地面積較廣,自然環(huán)境的限制較強。

圖5 奉節(jié)縣人類活動強度的時空分布Fig.5 Spatial and temporal distribution of human activity intensity in Fengjie County

3.2 景觀格局的時空特征

2000年奉節(jié)縣以灌木林地為景觀基質(zhì),林地和耕地占地面積較大。到2010年在退耕還林工程的推進下,林地的主導性增強,且耕地明顯減少,果園有了一定程度的擴張。而到2020年,生態(tài)農(nóng)業(yè)的生態(tài)經(jīng)濟效益逐漸突顯,以及在鄉(xiāng)村振興和耕地紅線等政策的引導下,奉節(jié)縣果園面積明顯擴張,在地理位置較好的區(qū)域出現(xiàn)了一定程度的耕地復墾和開荒(圖4)。

奉節(jié)縣景觀格局指數(shù)的時空變化表明(表4、圖6),2000—2020年,奉節(jié)縣景觀的聚集度呈先減后增、整體呈減小趨勢,景觀形狀指數(shù)和斑塊密度呈先增后減、整體呈增加趨勢,最大斑塊指數(shù)持續(xù)增加,多樣性持續(xù)減小。在空間上,奉節(jié)縣景觀的聚集度隨著高程、坡度、距道路距離、距居民點距離和距河流距離的增加均逐漸增強；最大斑塊指數(shù)隨高程、坡度的增加先減后增,隨距道路距離、距居民點距離和距河流距離的增加呈波動性增強；景觀形狀指數(shù)隨高程、坡度的增加先增后減,隨距道路距離、距居民點距離和距河流距離的增加呈波動性減小,在高程800—1100m、坡度15°—35°范圍內(nèi)的景觀形狀最復雜；斑塊密度和多樣性隨著高程、坡度、距道路距離、距居民點距離和距河流距離的增加均逐漸減小。

綜上,奉節(jié)縣的景觀格局隨著區(qū)域內(nèi)退耕還林、經(jīng)果林經(jīng)濟發(fā)展等措施的實施,在地理條件較差的區(qū)域,景觀單一,斑塊較大,林灌草等的優(yōu)勢性較強且持續(xù)加強。而在地理條件較好的區(qū)域,景觀多樣性較高,斑塊逐漸破碎,密度較高。

表4 2000—2020年奉節(jié)縣景觀水平上的景觀格局指數(shù)

圖6 奉節(jié)縣景觀格局時空特征Fig.6 Temporal and spatial characteristics of landscape pattern in Fengjie county高程分級為1：0—300m,2：300—500m,3：500—800m,4：800—1100m,5：1100—1400m,6：1400—1400m,7：>1700m；坡度分級為1：0—6°,2：6°—15°,3：15°—25°,4：25°—35°,5：>35°；距道路距離分級為1：0—1km,2：1—2km,3：2—3km,4：3—4km,5：4—5km,6：5—6km,7：6—7km,8：>7km；距河流距離分級為1：0—500m,2：500—1000m,3：1000—1500m,4：1500—2000m,5：2000—2500m,6：2500—3000m,7：3000—3500m,8：3500—4000m,9：4000—4500m,10：4500—5000m,11：>5000m；距聚落距離分級為1：0—100m,2：100—200m,3：200—300m,4：300—400m,5：400—500m,6：500—800m,7：>800m

3.3 人類活動強度與景觀格局空間耦合特征

本文采用GeoDa軟件的雙變量局部空間自相關分析模塊,來檢驗山區(qū)人類活動強度與景觀格局的耦合模型,并以此來探討奉節(jié)縣景觀格局與綜合人類活動強度之間的空間相關關系。其中聚集度指數(shù)、最大斑塊指數(shù)與綜合人類活動強度的低—高聚類對應模型中的第一象限,低—低聚類對應第二象限,高—低聚類對應第三象限,高—高聚類對應第四象限。景觀形狀指數(shù)、斑塊密度和香濃多樣性指數(shù)與綜合人類活動強度的高—高聚類對應模型中的第一象限,低—高聚類對應第二象限,低—低聚類對應第三象限,高—低聚類對應第四象限。由于從顯性、隱性和綜合角度分析的人類活動強度在空間分布上具有一致性,因此3種人類活動強度與景觀格局耦合的空間分布具有一致性。

圖7表明,2000年,各景觀格局指數(shù)與綜合人類活動強度的高—高聚類和低—高聚類聚集分布于研究區(qū)的河流溝谷地區(qū),到2020年長江北岸區(qū)域各景觀格局指數(shù)與綜合人類活動強度的高—高聚類和低—高聚類逐漸向城區(qū)收縮,而在長江南岸山區(qū)沿溝谷逐漸擴張。各景觀格局指數(shù)與綜合人類活動強度的低—低聚類和高—低聚類聚集于奉節(jié)縣的高海拔山區(qū)。2000—2020年,景觀形狀指數(shù)、斑塊密度和香濃多樣性指數(shù)與綜合人類活動強度的低—低聚類呈擴張態(tài)勢,高—低聚類被壓縮,而聚集度指數(shù)和最大斑塊指數(shù)與綜合人類活動強度的高—低聚類明顯擴張。這是由于研究區(qū)南北部高海拔地區(qū)的景觀基質(zhì)為生態(tài)景觀類型,且隨著城鎮(zhèn)化和生態(tài)恢復的進一步推進,山區(qū)生態(tài)景觀的主導性加強,斑塊密度與多樣性逐漸降低,聚集度和最大斑塊指數(shù)值逐漸變大；而河谷低海拔地區(qū)人類活動強度加強,耕地功能發(fā)生轉(zhuǎn)型,建設用地擴張,導致景觀破碎,多樣性高,斑塊面積小,分布均衡,聚集性指數(shù)低。

圖7 奉節(jié)縣景觀格局與綜合人類活動強度的聚類圖Fig.7 Clustering maps of Fengjie County′s landscape pattern and comprehensive human activity intensity index AI：聚集度指數(shù),Aggregation index；LPI：最大斑塊指數(shù),Largest patch index； LSI：景觀形狀指數(shù),Landscape shape index；PD：斑塊密度指數(shù),Patch density；SHDI：香濃多樣性指數(shù),Shannon′s diversity index；CHAI：綜合人類活動強度指數(shù),Comprehensive Human Activity Intensity Index

根據(jù)人類活動強度和景觀格局的耦合模型,將2000年和2020年各景觀格局指數(shù)與綜合人類活動強度的聚類圖進行空間疊加分析。如圖8所示,研究區(qū)的人類活動強度與景觀格局耦合變化類型是以逐漸協(xié)調(diào)型為主,其次是協(xié)調(diào)型和逐漸拮抗型,其中協(xié)調(diào)型和逐漸協(xié)調(diào)型主要位于研究區(qū)南北部海拔較高、坡度較大的山區(qū)和近城區(qū)。拮抗型和逐漸拮抗型主要分布在南北部坡度、地形起伏度較小的石灰?guī)r山區(qū),以及河谷溝谷地區(qū)。

圖8 奉節(jié)縣2000—2020年景觀格局與人類活動強度的耦合變化特征Fig.8 Coupling change characteristics between landscape pattern and human activity intensity in Fengjie County from 2000 to 2020

4 討論

4.1 人類活動強度與景觀格局耦合變化的驅(qū)動因素分析

奉節(jié)縣景觀格局與綜合人類活動強度耦合變化的各類型較為重要的解釋變量為距聚落距離、距縣行政中心距離、高程、距河流距離、距道路距離(圖9)。其中距聚落距離是最重要的影響因素,其次是距縣行政中心距離和高程,這間接反映了城鎮(zhèn)化是影響山區(qū)人類活動和景觀格局演變的重要因素[15]。另外海拔差異作為山區(qū)獨特的地形特征,也是影響山區(qū)的社會生態(tài)系統(tǒng)演變的重要因素。整體上社會經(jīng)濟因素的影響作用大于自然因素,說明社會經(jīng)濟因素逐漸成為影響研究區(qū)社會生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的主要因素,這與眾多學者對山區(qū)近幾十年土地利用變化驅(qū)動研究的結(jié)論一致[35—36]。另一方面,社會經(jīng)濟的發(fā)展同時加速和擴大了地形地貌對山區(qū)社會生態(tài)系統(tǒng)的影響,因此對于山區(qū)來說,自然環(huán)境仍是制約人類活動的重要因素。

圖9 景觀格局與綜合人類活動強度耦合變化的邏輯回歸結(jié)果Fig.9 Logistic regression results of the coupling changes of landscape pattern and CHAI圖中紅色數(shù)字表示概率P通過0.05的顯著性檢驗

4.2 山區(qū)人類活動強度變化與景觀格局耦合響應

由于地形優(yōu)勢以及經(jīng)濟發(fā)展快速等原因,平原以及沿海地區(qū)的人類活動強度大多呈逐年增強趨勢[37—38]。而近年來三峽庫區(qū)腹地的人類活動在時間上并無明顯變化,在空間上呈局部增強,整體收縮,區(qū)域差異擴大的趨勢。同時千年以來黃土高原的社會生態(tài)系統(tǒng)演變歷程表明[39],從長時間序列來看,山區(qū)人類活動強度在逐漸增強。但山區(qū)人類活動強度增加的幅度與全國的平均水平比較,整體上仍然偏低[40]。

山區(qū)地形地貌破碎,這是導致其社會經(jīng)濟發(fā)展落后于平原地區(qū)的根本原因,但其垂直地形所包括的地理、生態(tài)信息豐富,使得山區(qū)景觀格局對人類活動強度的耦合響應具有一定的多樣性和特殊性。如圖10所示,隨著地形梯度的增加,山區(qū)的人類活動強度逐漸降低,景觀的異質(zhì)性降低,生態(tài)導向性增強。另外,不同地形梯度上的景觀格局對人類活動強度耦合響應也揭示了山區(qū)社會生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)過程,即隨社會經(jīng)濟的發(fā)展,山區(qū)農(nóng)戶生計呈多樣化,其人類活動逐漸向低海拔地區(qū)聚集,因此山區(qū)內(nèi)部的社會生態(tài)系統(tǒng)逐漸分異,從全區(qū)域的相對拮抗轉(zhuǎn)向整體更加協(xié)調(diào),而局部更加拮抗。而人類活動強度與景觀格局的耦合表現(xiàn)為,隨時間的變化,兩者由單一相對拮抗逐漸變成拮抗和協(xié)調(diào)隨地形梯度多樣波動變化的模式。在地形梯度小的區(qū)域,逐漸集約化的土地利用與逐漸增強的人類活動越來越協(xié)調(diào),而地形梯度大的區(qū)域,生態(tài)逐漸恢復的景觀與減弱的人類活動強度也更加協(xié)調(diào),這將有益于區(qū)域生態(tài)安全。

近年來,奉節(jié)縣在生態(tài)恢復的同時,區(qū)域經(jīng)濟生產(chǎn)總值快速增加,這說明區(qū)域土地的生態(tài)-經(jīng)濟效益明顯提高,這是由于農(nóng)戶生計發(fā)生轉(zhuǎn)型、耕地向果園大面積的轉(zhuǎn)換而導致的[41]。人類活動強度在低海拔區(qū)域局部增加,說明通過局部地區(qū)的土地集約化來換取大面積山區(qū)生態(tài)恢復的模式,使區(qū)域在整體上達到了生態(tài)經(jīng)濟的雙贏。

圖10 山區(qū)內(nèi)部景觀格局對人類活動強度耦合響應的差異Fig.10 Differences in the coupling responses of inner mountain landscape patterns to human activity

4.3 研究不足與展望

由于研究區(qū)域為縣級單元,能獲得的以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)有限。另外本文區(qū)分了人類活動強度的顯性和隱性特征,但隱性指標的選取具有主觀性、區(qū)域限制性和空間精度較粗等不足,因此本文結(jié)合了土地利用狀況,可有效減少不足。另一方面,由于2000年的土地利用為遙感解譯獲得的分辨率為30m的柵格數(shù)據(jù),低于2010年和2020年人工交互解譯所得的土地利用數(shù)據(jù)精度,這可能會影響2000年人類活動強度的定量評價,但本文揭示的規(guī)律仍符合近年來三峽庫區(qū)腹地人類活動強度的總體變化趨勢。而山區(qū)小地形梯度上土地利用的優(yōu)化應是以后研究的重點。

5 結(jié)論

本文構(gòu)建了山區(qū)人類活動強度與景觀格局的耦合模型,定量評價了三峽庫區(qū)奉節(jié)縣2000—2020年的人類活動強度,并通過雙變量空間自相關模型研究了人類活動強度與景觀格局的空間耦合特征。主要研究結(jié)果如下：

(1)2000—2020年,奉節(jié)縣的綜合人類活動強度在時間上增加了0.89%,空間變化較明顯,表現(xiàn)為整體收縮,局部增強的特點,且其空間分布具有聚集性,與奉節(jié)縣的地形梯度有較高的相關性,即地形梯度較大的區(qū)域生態(tài)景觀的主導性較強,斑塊密度與多樣性較小且逐漸降低,而聚集度和最大斑塊指數(shù)值較大且逐漸增大,人類活動強度較低。而河谷區(qū)域耕地功能轉(zhuǎn)型,建設用地擴張,導致景觀破碎,多樣性高,斑塊面積小,人類活動強度較高,且呈逐年增加的趨勢。

(2)奉節(jié)縣的人類活動強度與景觀格局空間耦合變化表現(xiàn)出協(xié)調(diào)型、拮抗型、逐漸協(xié)調(diào)型和逐漸拮抗型四種類型,而對這4種耦合變化類型較為重要的影響因子為距聚落距離、距縣行政中心距離、高程、距河流距離、距道路距離,其中距聚落距離是最重要的影響因素,其次是距縣行政中心距離和高程,整體上社會經(jīng)濟因素的影響程度大于自然因素,說明社會經(jīng)濟因素逐漸成為研究區(qū)社會生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的主要因素。

(3)三峽庫區(qū)腹地山區(qū)人類活動強度與景觀格局存在耦合響應,且其耦合響應具有一定的多樣性和特殊性。隨時間的變化,人類活動強度與景觀格局的耦合表現(xiàn)為由單一相對拮抗逐漸變成拮抗和協(xié)調(diào)隨地形梯度多樣波動變化的模式。且隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,不同地形梯度上的景觀格局對人類活動強度耦合響應也揭示了山區(qū)社會生態(tài)系統(tǒng)逐漸分異的演變過程。

(4)三峽庫區(qū)山區(qū)采用溝谷地區(qū)的土地集約化來換取大面積山區(qū)的生態(tài)恢復,以局部的不協(xié)調(diào)換取整體的協(xié)調(diào),整體上達到了生態(tài)經(jīng)濟的共贏。另外,本文提出的綜合顯性—隱性人類活動強度指數(shù)具有簡單、普適性和空間精細度高的優(yōu)點,同時又保證了評價結(jié)果的準確性,這為山區(qū)人類活動強度演變的研究提供了新的思路。