基于GIS的長白山森林景觀格局分析

岳 剛，楊 華，亢新剛，杜 志

(北京林業(yè)大學(xué) 省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

基于GIS的長白山森林景觀格局分析

岳 剛，楊 華，亢新剛，杜 志

(北京林業(yè)大學(xué) 省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

以研究區(qū)的林相圖和森林資源小班調(diào)查數(shù)據(jù)為基本資料，利用地理信息系統(tǒng)ArcMap和景觀結(jié)構(gòu)分析軟件Fragstats，從景觀格局總體特征、景觀類型水平異質(zhì)性和景觀水平異質(zhì)性三個層次對該林場森林景觀格局進(jìn)行分析。結(jié)果表明：該林場以有林地為主，其他景觀類型零星分布于有林地中，天然林面積比人工林大；森林景觀以天然針闊混交林為主，斑塊分布集中，形狀復(fù)雜，破碎度小，人工落葉松林面積較小，形狀簡單，破碎化程度高。總體上研究區(qū)景觀異質(zhì)性較高，景觀類型豐富，但人工林景觀受人為干擾程度較大，結(jié)構(gòu)不合理，必須調(diào)整景觀斑塊結(jié)構(gòu)和保護(hù)景觀多樣性。

森林景觀；景觀類型；景觀指數(shù)；景觀格局分析；優(yōu)化配置； 長白山

森林景觀是以森林生態(tài)系統(tǒng)為主體的一類景觀[1]，森林景觀格局是人類活動和環(huán)境變化長期作用的結(jié)果[2]。其中人類活動對景觀格局的影響是景觀生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容[3-4]。隨著人類活動的出現(xiàn)及其影響范圍和強(qiáng)度的擴(kuò)大，逐漸成為森林景觀格局變化的主要驅(qū)動力[5]。遙感和地理信息系統(tǒng)等宏觀手段的迅速發(fā)展，為人為干擾活動下森林景觀格局及其變化的定量研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，國內(nèi)外對該領(lǐng)域進(jìn)行了不斷深入的研究[6-11]。

金溝嶺林場作為吉林省最早開發(fā)的林區(qū)之一[12]，其原始天然林在抗戰(zhàn)時(shí)期和解放后期由于不合理的采伐和管理模式，受到不同程度的破壞，之后進(jìn)行的森林撫育、更新等人為干擾改變了原有的森林景觀格局。以往對于該地區(qū)的森林景觀格局的研究較少，主要側(cè)重于森林景觀定量分類的研究[13-14]。本文以金溝嶺林場作為東北長白山森林的典型代表，從景觀格局的總體特征、景觀斑塊異質(zhì)性和景觀水平異質(zhì)性三個方面出發(fā)，重點(diǎn)對該林場的景觀格局進(jìn)行評價(jià)，對可為合理區(qū)劃森林經(jīng)營類型，優(yōu)化景觀水平配置、制定生態(tài)采伐規(guī)程、編制森林經(jīng)營方案等提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

金溝嶺林場位于吉林省汪清縣東部，屬長白山系老爺嶺山脈支脈，低山丘陵地貌，海拔為300～1 200 m，坡度5°～35°，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫3.9℃，極端最高溫度37.5 ℃，極端最低溫度-37.5 ℃，年活動積溫為2 473℃，年均日照時(shí)數(shù)約為2 358 h，年降水量600 mm左右。土壤屬低山灰化土灰棕壤，母巖為玄武巖，在海拔800～1 000 m為針葉林灰棕壤土，溝谷是草甸土、泥炭土、沼澤土或沖積土，結(jié)構(gòu)一般為粘壤土類，粒狀結(jié)構(gòu)、濕松、根系多，平均厚度在40 cm左右。汪清林業(yè)局植被屬于長白山植物區(qū)系，植物種類豐富，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。森林植被主要代表樹種深山區(qū)多以云冷杉為主，主要為魚鱗云杉Picea jezoensis、紅皮云杉Picea koraiensis、臭冷杉Abies nephrolepis、紅松Pinus koraiensis等，闊葉樹多為色木槭 Acer mono、紫椴Tilia amurensis、水曲柳Fraxinus mandcshurica、白樺Betula platyphylla等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

以金溝嶺林場2007年1∶25 000林相圖和森林資源小班調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)資料，在ArcGIS9.3平臺上，對林相圖進(jìn)行矢量化，并對相鄰相同屬性的小班進(jìn)行合并，建立研究區(qū)森林景觀類型斑塊圖及屬性數(shù)據(jù)庫，然后再將矢量圖轉(zhuǎn)為柵格圖，用景觀格局分析軟件Fragstats計(jì)算多種景觀格局指數(shù)。

2.2 景觀要素劃分與景觀指數(shù)選擇

為了從不同層次上全面客觀地反映金溝嶺林場森林景觀格局特征，本文確定了以土地利用、林地起源以及優(yōu)勢樹種為主要依據(jù)的三級景觀要素分類系統(tǒng)，見表1。

景觀指數(shù)能夠高度濃縮景觀格局的信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置特征的定量指標(biāo)[15]。描述景觀格局的景觀指標(biāo)較多，每個指標(biāo)都有自己的生態(tài)學(xué)意義，并且有些指標(biāo)之間存在較高的相關(guān)性，甚至完全相關(guān)。因此，挑選出相關(guān)性較小且生態(tài)學(xué)意義明確的景觀指數(shù)顯得非常重要。為了從不同角度對研究區(qū)景觀格局現(xiàn)狀進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)不同景觀指標(biāo)的特點(diǎn)、研究目的和研究內(nèi)容，從以下3個方面對研究區(qū)景觀格局進(jìn)行描述：(1)景觀類型特征分析指標(biāo)：斑塊類型面積(CA)、斑塊類型百分比(PLAND)、斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊平均面積(AREA-MN)、面積加權(quán)的平均形狀因子(AWMSI)；(2)斑塊類型水平異質(zhì)性指標(biāo)：斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、聚集度指數(shù)(AI)；(3)景觀水平異質(zhì)性指標(biāo)：香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、相似與鄰接百分比(PLADJ)、散布與并列指數(shù)(IJI)。

表1 金溝嶺林場景觀要素分類系統(tǒng)Table 1 Landscape element classification system for Jingouling Forest Farm

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局總體特征

從表3可以看出，金溝嶺林場一級景觀要素有7類，共有斑塊數(shù)637個，總面積16 300.36 hm2，平均斑塊面積25.60 hm2，斑塊面積分布不均。研究區(qū)景觀整體森林覆蓋率相當(dāng)高，其中有林地面積最大，占景觀總面積的98.20%，為研究區(qū)景觀范圍內(nèi)的主要景觀類型，主導(dǎo)著景觀整體的結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)過程。其它斑塊類型所占面積僅為1.80%，這部分景觀主要為苗圃地、居民點(diǎn)、農(nóng)地、沼澤地和零星分布于森林景觀中的灌木林，以及其它用地，而苗圃、居民點(diǎn)、農(nóng)地、沼澤地和其它用地則分散于有林地中，斑塊數(shù)偏少，但在整個景觀中仍占有重要地位。

二級景觀要素中，有林地分為天然林和人工林兩大類，天然林13 269.79 hm2，占有林地面積的82.90%，人工林2 736.99 hm2，占17.10%，研究區(qū)森林景觀中天然林占有較大比重，但人工林對整個林場森林景觀穩(wěn)定性和林場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的作用也不容忽視，必須合理經(jīng)營和管理。

表2 景觀要素類型特征指數(shù)Table 2 Characteristic indexes of landscape elements

表3 景觀斑塊類型異質(zhì)性指數(shù)Table 3 Heterogeneity indexes of Landscape patch types

三級景觀分類中，有林地進(jìn)一步細(xì)分為15類，其中天然針闊混交林占林場總面積的41.39%，呈現(xiàn)集中連片分布，為研究區(qū)的基質(zhì)景觀類型，在整個森林景觀中居于主導(dǎo)地位。針葉混交林和闊葉混交林面積分別占20.97%和16.98%，也是該區(qū)森林景觀的重要組成部分，在維持森林景觀多樣性和穩(wěn)定性中發(fā)揮重要作用。人工落葉松林和人工針葉混交林面積分別占7.36%和5.99%。人工針闊混交林和白樺林面積較小，只占林場面積的2.36%和1.60%。其它森林景觀類型面積相對較小，零星分布于有林地中。

斑塊形狀指數(shù)描述斑塊形狀空間分布的復(fù)雜性，指數(shù)越小，說明斑塊形狀接近圓形，內(nèi)部面積較大邊緣較小，比較穩(wěn)定，而指數(shù)越大斑塊形狀越復(fù)雜[16]。林場內(nèi)有林地各景觀要素類型的形狀指數(shù)介于1.33～4.48之間，其大到小排列順序依次為：針闊混交林＞闊葉混交林＞白樺林＞針葉混交林＞榆樹林＞人工落葉松林＞人工針葉混交林＞人工針闊混交林＞人工樟子松林＞人工云杉林＞楓樺林＞楊樹林＞云杉林＞人工楊樹林＞人工紅松林。其中針闊混交林的形狀指數(shù)較大，斑塊形狀較為復(fù)雜。其次是闊葉混交林。而人工楊樹林和人工紅松林分布集中，斑塊形狀簡單。

3.2 景觀斑塊類型水平異質(zhì)性分析

景觀斑塊異質(zhì)性是對各景觀要素斑塊之間的空間結(jié)構(gòu)特征的體現(xiàn)[17]。本文主要采用斑塊密度、邊緣密度和聚集度等格局指標(biāo)來描述研究區(qū)景觀斑塊異質(zhì)性。

斑塊密度是指某類型景觀要素的單位面積，反映景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。景觀要素邊緣密度是指研究對象單位面積上某類景觀要素斑塊與其相鄰異質(zhì)斑塊之間的邊緣長度，反映景觀中異質(zhì)性斑塊之間物質(zhì)、能量和信息交換的潛力及其相互影響的強(qiáng)度[18]。 由表4可知，各景觀要素之間的斑塊密度差異明顯，林場斑塊分化程度較高，斑塊密度以人工落葉松林最大，為0.71塊/km2，受經(jīng)營和采伐等人為干擾因素的影響，景觀類型斑塊以較小的零星形式出現(xiàn)，由于斑塊小且分散，人工落葉松林景觀斑塊破碎化程度較高；其次為闊葉混交林和針葉混交林，而針闊混交林相對較小，為0.41塊/km2，表明該景觀類型在研究區(qū)相對集中，斑塊面積較大，破碎度和異質(zhì)性程度較低。邊緣密度以針闊混交林最大，為34.65 m/hm2，說明該景觀有向外擴(kuò)展的趨勢，其斑塊與環(huán)境及斑塊之間在物質(zhì)、能量物種等信息交換具有較大的潛力。其次是闊葉混交林和針葉混交林，人工落葉松林相對較小，為13.08 m/hm2。聚集度反映了景觀類型的空間連接度，其值越大，景觀的空間連通性就越好。云杉林、楊樹林、榆樹林、人工紅松林、人工楊樹林以及針闊混交林景觀的聚集度相對較高，說明這幾種景觀類型的空間連接度大，空間連通性好，而針葉混交林、人工針葉混交林以及闊葉混交林聚集度較小。

3.3 景觀水平異質(zhì)性分析

在景觀水平上，選取香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)、蔓延度、相似與鄰接百分比和散步與并列指數(shù)表征金溝嶺林場森林景觀異質(zhì)性。景觀多樣性是指不同類型的景觀在空間結(jié)構(gòu)、功能機(jī)制和時(shí)間動態(tài)方面的多樣化和變異性， 用來反映、評價(jià)景觀格局的異質(zhì)性水平，多樣性指數(shù)越高，景觀空間異質(zhì)性程度越高。一級景觀分類后的多樣性指數(shù)0.12，二級分類后多樣性指數(shù)為0.57，而經(jīng)過三級景觀細(xì)分后香農(nóng)多樣性指數(shù)較大，為1.70。說明研究區(qū)整體景觀水平多樣性較高，森林景觀類型較為豐富，景觀結(jié)構(gòu)組成趨于復(fù)雜。隨著景觀類型的細(xì)化，林場景觀水平上的香農(nóng)均勻度指數(shù)逐漸增大，三級分類后為0.56，表明研究區(qū)各斑塊類型分布不均，景觀受到一種或少數(shù)幾種優(yōu)勢斑塊類型所支配，結(jié)合景觀類型異質(zhì)性分析結(jié)果，優(yōu)勢景觀斑塊為針闊混交林、針葉混交林和闊葉混交林。景觀水平上，蔓延度指數(shù)既受同一斑塊類型的分散性影響，又受不同斑塊類型之間的分散性影響。三級景觀水平上蔓延度指數(shù)為64.77，說明該林場景觀有少數(shù)團(tuán)聚的大斑塊組成，并且具有良好的連接性。相似鄰接百分比反映區(qū)域斑塊的聚集程度，三級分類時(shí)景觀的相似與鄰接百分比為90.66，表明研究區(qū)景觀斑塊的分散程度較小。散布與并列指數(shù)是景觀分散與相互混雜信息的測度。由表可見，研究區(qū)的散布與鄰接指數(shù)較高，表明景觀斑塊類型間的鄰接程度較大，研究區(qū)景觀豐富多樣。

表4 景觀水平異質(zhì)性指數(shù)Table 4 Heterogeneity indexes of landscape level

4 結(jié) 論

本文從景觀格局總體特征、斑塊類型水平異質(zhì)性、景觀水平異質(zhì)性3個層次對金溝嶺森林景觀格局進(jìn)行比較全面細(xì)致的描述。研究表明，該林區(qū)是以有林地為主體，灌木林、苗圃地、農(nóng)地、居民點(diǎn)等景觀要素斑塊鑲嵌其中的森林景觀。其景觀異質(zhì)性較高，景觀類型豐富。

林場最終被細(xì)分為15個景觀類型，其中針闊混交林面積較大，斑塊形狀復(fù)雜，是研究區(qū)的主要森林景觀類型，其次是針葉混交林和闊葉混交林，也是該區(qū)森林景觀的重要組成部分，在維持森林景觀穩(wěn)定性和多樣性中發(fā)揮重要作用。根據(jù)斑塊尺度原理，大型斑塊能夠?yàn)楦辔锓N提供生存環(huán)境，維持生境的穩(wěn)定性，從而起到保護(hù)物種和增加多樣性的作用[16-20]。因此對于長期控制研究區(qū)景觀整體結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)的天然針闊混交林，應(yīng)注意控制人為干擾的程度，制止大面積間伐等粗放型采伐措施，維護(hù)景觀的完整結(jié)構(gòu)，防止景觀進(jìn)一步破碎。

景觀破碎度分析中，針闊混交林的斑塊密度較小，邊緣密度較大，說明該景觀類型破碎度較小，在物質(zhì)、能量以及物種等信息交換方面具有較大的潛力。人工落葉松林的斑塊密度較大而邊緣密度較小，說明該景觀斑塊破碎化程度較高，斑塊與環(huán)境之間物質(zhì)和能量交換能力較弱。人工落葉松林聚集度較針闊混交林小，其空間連接度大，空間連通性高。

在經(jīng)過三級景觀分類后林場景觀香農(nóng)多樣性指數(shù)和均勻度都較大，說明研究區(qū)整體景觀水平多樣性較高，森林景觀類型較為豐富，各斑塊類型分布不均，景觀主要受針闊混交林等景觀類型所支配，控制著整個森林景觀的物質(zhì)和能量流動。

人類干擾以及不合理采伐等因素的影響，使得森林自然景觀結(jié)構(gòu)被破壞，平均斑塊面積在縮小，斑塊連通度降低，破碎度增大，這些都會對物種、物質(zhì)、能量和信息的流通造成影響。在金溝嶺森林景觀分類和格局的研究基礎(chǔ)上，如何進(jìn)一步調(diào)整森林景觀結(jié)構(gòu)和進(jìn)行分類經(jīng)營，使得森林景觀結(jié)構(gòu)配置得到優(yōu)化，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

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Analysis on forest landscape pattern of Changbaishan mountains based on GIS

YUE Gang, YANG Hua, KANG Xin-gang, DU Zhi
(Key Lab. for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

With the stock state map and survey data of sub-compartment in Jingouling Forest Farm as the basic information, and by using ArcMap and Fragstats, the forest landscape patterns in the farm were analyzed from three aspects of overall landscape characteristics,landscape patch and landscape heterogeneity. The results show that the overall landscape was dominated by forest land, other landscape types distributed in the forest land with sporadic distribution and the area of natural forest was larger than that of plantation landscape;the mix forest dominated the forest landscape by lower fragmentation, comparatively complicated patch shapes and centralized patch distribution, but plantation landscape had smaller area, simpler patch shape and a higher degree of fragmentation. Generally, there were a high heterogeneity and abundant landscape types in the forest form, but the plantation landscape was heavily disturbed by anthropogenic activities, and the stand structure was unreasonable. Therefore, the patch structures should be adjusted and landscape diversity should be protected.

forest landscape; landscape type; landscape index; landscape pattern analysis; optimized allocation; Changbaishan mountains

S771.8

A

1673-923X(2013)07-0035-05

2012-10-31

國家林業(yè)公益性行業(yè)專項(xiàng)（201104051）

岳 剛（1985-），男，貴州遵義人，碩士研究生，主要從事GIS在資源環(huán)境中的應(yīng)用研究；

E-mail：lxyuegang19850829@163.com

楊 華（1964-），女，北京人，副教授，博士，碩導(dǎo)，主要從事資源環(huán)境信息系統(tǒng)、GIS在資源環(huán)境中的應(yīng)用研究；E-mail：Huayang8747@163.com.

[本文編校：吳 毅]