三峽庫區(qū)森林景觀空間格局定量分析

孫曉娟 劉曉東

摘要：根據(jù)三峽庫區(qū)森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)庫，借助GIS平臺(tái)構(gòu)建森林景觀空間格局分布圖，通過對(duì)林分水平與區(qū)域水平的景觀空間格局特征指數(shù)的定量描述和分析，揭示該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境狀況及空間變異特征，有助于從宏觀角度理解區(qū)域生態(tài)狀況，辨識(shí)已發(fā)生或可能發(fā)生的各種變化，并作為早期預(yù)警和診斷性指標(biāo)，為制定區(qū)域林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的宏觀政策提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三峽庫區(qū)；森林景觀；空間格局；定量分析

中圖分類號(hào)：S718.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1004-3020（2014）03-0001-05

Quantitative Analysis of Forest Landscape and Spatial Pattern in Three Gorges Reservoir

Sun Xiaojuan（1） Liu Xiaodong（2）

（1.China International Engineering Consulting CorporationBeijing100048；

2. Beijing Forestry UniversityBeijing100083）

Abstract： Based on the GIS platform and by taking full use of the historical data of national forest resources investigation， the quantified evaluation on the structure， function， stability of forest resources in Three Gorge Reservoir was given at forest level and regional level respectively. The quantified description on the landscape index in Three Gorge Reservoir was not only the basis for the evaluation on current status， but also the basis affecting the forecast； furthermore， it was the existing issue eagerly needed to be addressed in the plan and decision process for the management of forest ecosystem health.

Key words：Three Gorges Reservoir；forest Landscape；spatial pattern，；quantitative analysis

森林景觀在地域上可以分解為若干個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)單元，由于各類森林生態(tài)系統(tǒng)類型間存在結(jié)構(gòu)和功能的差異，因此它們的不同聚合即空間格局的差異直接影響著森林景觀內(nèi)能流、物質(zhì)流和物種流的變化，影響著森林景觀的穩(wěn)定性、對(duì)逆境的抵抗力和受干擾后的恢復(fù)力。[1-2]三峽庫區(qū)作為一個(gè)宏觀系統(tǒng)，大量空間數(shù)據(jù)的獲取、分析和處理是景觀尺度研究的重要特征。[3-4]本文充分利用我國(guó)森林資源清查資料，結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)量生態(tài)學(xué)方法，從基于森林健康的景觀安全格局角度出發(fā)，對(duì)三峽庫區(qū)森林景觀空間分布格局分林分水平與區(qū)域水平進(jìn)行定量分析，不僅可以通過分析森林景觀的多樣性、景觀破碎化程度、完整性和穩(wěn)定性，揭示結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，而且可以從宏觀角度給出區(qū)域生態(tài)狀況，辨識(shí)已發(fā)生或可能發(fā)生的各種變化，以及森林受干擾程度。[5-6]區(qū)域水平的景觀空間分布格局指數(shù)也可以作為早期預(yù)警和診斷性指標(biāo)，為制定區(qū)域林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的宏觀政策提供科學(xué)依據(jù)。[7-9]

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

三峽庫區(qū)地處東經(jīng)105°44′～111°39′30″，北緯28°32′～31°44′，涉及湖北省4個(gè)縣（區(qū)），重慶市26個(gè)區(qū)、縣（市），總面積57 828 km2。區(qū)內(nèi)水熱條件較好，年均溫15～18 ℃，多年平均降水量在1 000 mm以上，冬季微冷，夏季熱而多雨，呈典型的亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)氣候特征。區(qū)內(nèi)植被類型和種質(zhì)資源豐富，是我國(guó)植物區(qū)系中特有屬分布中心之一。

1.2研究方法

在森林資源管理中林分水平是評(píng)價(jià)森林資源構(gòu)成的基本單元，每個(gè)森林小班就是一種林分類型，優(yōu)勢(shì)樹種是小班區(qū)劃的因子之一。而評(píng)價(jià)不同區(qū)縣的森林資源狀況，有助于了解區(qū)域尺度森林資源的狀況，因此在分區(qū)域景觀評(píng)價(jià)中，以各區(qū)縣為具體評(píng)價(jià)單元。

根據(jù)遙感解譯，將庫區(qū)森林景觀類型劃分為針葉林、闊葉林、針闊混交林、竹林、灌木林、經(jīng)濟(jì)林、疏林、未成林地等8種類型。由于針葉林比例最大，將其按起源和齡組進(jìn)一步劃分為天然幼齡針葉林、天然中齡針葉林、天然近成過齡針葉林、人工幼齡針葉林、人工中齡針葉林、人工近成過齡針葉林等6種景觀類型詳見表1。按此分類系統(tǒng)將森林資源空間數(shù)據(jù)庫文件轉(zhuǎn)換為grid文件，為保證數(shù)據(jù)精度，像元大小為30 m。

由于景觀指數(shù)之間具有高度的相關(guān)性，只是側(cè)重面有所不同，在全面了解每個(gè)指標(biāo)所表征的生態(tài)意義及其所反映的景觀結(jié)構(gòu)側(cè)重面的前提下，依據(jù)研究的目標(biāo)和數(shù)據(jù)的來源與精度， 選擇了斑塊類型指數(shù)和景觀水平指數(shù)，其中斑塊類型指數(shù)代表了景觀中單個(gè)斑塊類型的空間分布和格局，是針對(duì)某種斑塊類型的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)度，可看作破碎化指數(shù)解譯，包括斑塊類型面積（CA）、斑塊面積比（PLAND）、斑塊數(shù)量（NP）、平均斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、邊緣密度（ED）、分維數(shù)（D）、相似鄰接百分比（PLADJ）指數(shù)。景觀水平指數(shù)代表了整個(gè)景觀鑲嵌體的空間格局，作為景觀異質(zhì)指數(shù)應(yīng)用，包括斑塊面積（TA）、斑塊個(gè)數(shù)（NP）、斑塊密度（PD）、邊緣密度（ED）、平均面積（MPS）、形狀指數(shù)（AWMSI）、分維數(shù)（D）、聚集度（CONTAG）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）、香農(nóng)均勻性指數(shù)（SHEI）。利用景觀結(jié)構(gòu)分析軟件FRAGSTATS，計(jì)算各指數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1三峽庫區(qū)森林景觀總體空間分布格局

三峽庫區(qū)范圍內(nèi)森林景觀類型總面積為26443×104 hm2，斑塊總數(shù)為24111×104個(gè)?？傮w來看森林資源較豐富，但各景觀類型的面積、斑塊數(shù)分布不均，其中針葉林類型面積占比最高，達(dá)12403×104hm2，占總面積的4690%，是該區(qū)域森林景觀中的基質(zhì)，占有極為重要的位置；灌木林和闊葉林類型次之，面積分別為7196×104 hm2、4175×104 hm2，占總面積的2721%和1579%。三者面積合計(jì)占總森林景觀的8999%，三峽庫區(qū)森林景觀總體分布格局呈現(xiàn)出大景觀組分中鑲嵌分布小景觀組分的特點(diǎn)。

三峽庫區(qū)森林景觀空間格局分布見圖1。

2.2三峽庫區(qū)森林景觀破碎化分析

對(duì)庫區(qū)森林景觀各類型的斑塊空間特征進(jìn)行定量分析，并將針葉林按起源及齡級(jí)構(gòu)成細(xì)分，計(jì)算出各斑塊類型指數(shù)，即斑塊類型面積（CA）、斑塊面積比（PLAND）、斑塊數(shù)量（NP）、平均斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、邊緣密度（ED）、分維數(shù)（D）、相似鄰接百分比（PLADJ）指數(shù)見表2。

根據(jù)表2進(jìn)一步分析三峽區(qū)內(nèi)景觀基質(zhì)針葉林的分布規(guī)律與空間格局，庫區(qū)內(nèi)共有天然針葉林9352×104 hm2，人工針葉林3050×104 hm2。但從斑塊密度來看，天然幼齡針葉林、中齡針葉林和近成過齡針葉林分別為176，151，019；幼、中、近成過齡針葉人工林林則分別為032，066和024，說明天然林與人工林比較起來具有更強(qiáng)的斑塊連通性，人工林斑塊破碎程度較高。從齡組上看，幼齡林面積比例最大，共計(jì)5990×104 hm2，占針葉林總面積的483%；中齡林次之，其面積為5225×104 hm2，占比為4213%，近、成、過齡林面積累計(jì)占比僅為957%，反映了庫區(qū)成熟林資源已被過度利用。

圖1三峽庫區(qū)森林景觀空間格局分布圖

灌木、闊葉林及天然幼齡針葉林3種景觀類型的最大斑塊指數(shù)LPI值較大，說明它們是庫區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀類型。其中灌木林的斑塊密度值、邊緣密度均遠(yuǎn)大于其他景觀類型，說明灌木林地斑塊面積大、數(shù)量多，且破碎化程度高，頻繁的人為活動(dòng)及其帶來的森林資源破壞可能是形成這一現(xiàn)象的主要原因。

庫區(qū)針葉林景觀中，天然林的分維值明顯高于人工林，說明受人類活動(dòng)影響大的人為景觀的分維數(shù)值低，受人類活動(dòng)干擾小的自然景觀的分維數(shù)值高，由表2分析可知，庫區(qū)各景觀類型分維數(shù)大體相近，基本上都處于13～14之間?？梢姼鞣N森林資源一定程度上都因人為活動(dòng)頻繁，而受到一定的外界干擾。

2.3森林景觀異質(zhì)性對(duì)比分析

為綜合比較三峽庫區(qū)各縣（區(qū)、市）森林資源空間特征，表3列出了三峽庫區(qū)以及各縣（區(qū)、市）的斑塊面積、斑塊個(gè)數(shù)、斑塊密度、邊緣密度、平均面積、形狀指數(shù)以及森林覆蓋率， 表4中列出了庫區(qū)及各縣（區(qū)、市）的分維數(shù)、聚集度、香農(nóng)多樣性指數(shù)、香農(nóng)均勻性指數(shù)。

由表3可以看出：庫區(qū)森林資源主要分布在湖北庫區(qū)4縣，重慶中東部的巫溪、巫山、奉節(jié)、石柱、武隆等地，且湖北4縣森林覆蓋率明顯高于重慶各地。分析各縣的TA、NP值，可以看出湖北4縣這兩個(gè)值都不高，表明湖北庫區(qū)森林資源分布相對(duì)更為集中連片，破碎程度更低。庫區(qū)湖北段的MPS值都在20上下，遠(yuǎn)高于庫區(qū)平均值1097。邊緣密度ED可用于揭示斑塊類型連通程度，兩者呈正相關(guān)性，由表3可知：秭歸、豐都、石柱、武隆等地ED值相對(duì)較高，說明這些地方的森林資源具有更高的景觀連通性，這與其森林資源較為豐富的現(xiàn)狀吻合，對(duì)于更好地發(fā)揮森林防護(hù)功能，保障庫區(qū)生態(tài)安全具有積極意義。

相較而言，在城市化程度較高區(qū)域，如重慶市區(qū)及其周邊各縣，由于人為活動(dòng)更頻繁，且森林資源相對(duì)匱乏，在森林景觀的分布上呈現(xiàn)斑塊數(shù)量多、密度大而ED值小的特點(diǎn)，破碎化程度的加大對(duì)于庫區(qū)森林資源可持續(xù)發(fā)展及其生態(tài)防護(hù)功能發(fā)揮尤為不利。

由表4可見：三峽庫區(qū)森林景觀分維數(shù)為1366，說明庫區(qū)景觀斑塊形狀具不規(guī)則性。聚集度是用來描述景觀中不同景觀類型的分配均勻程度，或度量景觀中不同斑塊類型的非隨機(jī)性或聚集程度，能一定程度反映出各要素在景觀中的相互分散程度，其值隨斑塊類型的聚集程度增加而增加。由表4可以看出：在湖北興山、重慶奉節(jié)、巫山、巫溪等森林資源豐富的地區(qū)，其景觀聚集度值較高，而森林覆蓋率低的縣域則整體較低。說明森林景觀面積的增大主要體現(xiàn)在大面積斑塊的增加，或是同一類型斑塊高度連接。

三峽庫區(qū)的香農(nóng)多樣性指數(shù)平均值為2063，其中重慶長(zhǎng)壽縣最高達(dá)2264，除湖北興山縣1452 5和重慶奉節(jié)縣多樣性指數(shù)為1482 0外，各縣該值均在20左右，說明其景觀異質(zhì)性較高。湖北4縣多樣性整體來看要低于重慶地區(qū)，說明湖北段的森林資源較為豐富，但更多地是由優(yōu)勢(shì)森林類型所構(gòu)成和決定的，其森林多樣性并不豐富。均勻度指數(shù)（SHEI）為1時(shí)景觀具有最高多樣性，一般來說均勻度低則優(yōu)勢(shì)度高，此時(shí)景觀往往由一種或少數(shù)幾種具有優(yōu)勢(shì)的類型所決定。庫區(qū)森林景觀均勻度指數(shù)值較大，為0804，這在一定程度上說明庫區(qū)的森林景觀優(yōu)勢(shì)度不高，優(yōu)勢(shì)類型不明確且各類型斑塊在景觀中呈相對(duì)均勻分布的特點(diǎn)。

3結(jié)論與討論

（1）三峽庫區(qū)森林景觀中各類型結(jié)構(gòu)特征差異較大。針葉林景觀類型面積最大，占總面積的46900%，是該區(qū)域森林景觀中的基質(zhì)，整個(gè)景觀的分布格局呈小景觀單元鑲嵌分布于大景觀單元中的特點(diǎn)。灌木林PLADJ最大，為90535%，表明灌木林多呈聚集生。

（2）通過對(duì)庫區(qū)異質(zhì)性分析，其景觀分維數(shù)為1366，聚集度54261，多樣性指數(shù)為2063，均勻度為0804，庫區(qū)景觀異質(zhì)程度較高，但其在庫區(qū)范圍內(nèi)的分布不均。如湖北興山和重慶奉節(jié)等縣多樣性指數(shù)低于15。建議在保護(hù)現(xiàn)有森林的同時(shí)，應(yīng)更注意加強(qiáng)長(zhǎng)江沿線及西部城市區(qū)的營(yíng)林建設(shè)以及東部下游地區(qū)的景觀多樣性恢復(fù)。

（3）三峽庫區(qū)森林景觀格局指數(shù)的確定不僅可以反映該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，也可作為早期預(yù)警和診斷性指標(biāo)之一，可用于辨識(shí)已發(fā)生或可能發(fā)生的各種變化。因此，對(duì)三峽庫區(qū)森林景觀空間格局的研究，是揭示該區(qū)域生態(tài)狀況及空間變異特征的有效手段，通過定量分析三峽庫區(qū)森林景觀空間格局的特征指數(shù)，從宏觀角度給出區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境狀況，有助于增加對(duì)區(qū)域森林景觀的理解程序，以便通過組合或引入新的景觀要素來調(diào)整或構(gòu)建新的景觀結(jié)構(gòu)，增加景觀異質(zhì)性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]陳高，鄧紅兵，代力民 等.綜合構(gòu)成指數(shù)在森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估中的應(yīng)用＼[J＼].生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（7）：1725-1733.

[2]高賢明，馬克平.暖溫帶若干落葉闊葉林群落物種多樣性及其與群落動(dòng)態(tài)的關(guān)系＼[J＼].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，25（3）：283-290.

[3]陸元昌，洪玲霞，雷相東.基于森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)的森林景觀分類研究＼[J＼].林業(yè)科學(xué)，2005，41（2）：21-29.

[4]王新明，王長(zhǎng)耀，占玉林 等.大尺度景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)的因子分析＼[J＼].地理與地理信息科學(xué)，2006，22（1）：17-21.

[5]李秀珍，布仁倉(cāng)，常禹 等.景觀格局指標(biāo)對(duì)不同景觀格局的反應(yīng)＼[J＼].生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，24（1）：123-134.

[6]布仁倉(cāng)，胡遠(yuǎn)滿，常禹 等.景觀指數(shù)之間的相關(guān)分析＼[J＼].生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（10）：2765-2769.

[7]劉茂松，張明娟.景觀生態(tài)學(xué)原理與方法＼[M＼].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：1-3.

[8]傅伯杰，陳利頂.景觀多樣性的類型及其生態(tài)意義[J].地理學(xué)報(bào)，1996，51（5）：454-462.

[9]萬魯河，周道偉，藏淑英.二龍山水庫流域景觀格局研究＼[J＼].植物研究，2003，23（1）：117-122.

（責(zé)任編輯：鄭京津）