大圍山森林公園森林景觀(guān)格局的高程分異研究

鄧必平，呂 勇，程玉娜，呂飛舟

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

大圍山森林公園森林景觀(guān)格局的高程分異研究

鄧必平，呂 勇*，程玉娜，呂飛舟

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

以2012年大圍山森林公園的森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)字化成果為基礎(chǔ)，運(yùn)用景觀(guān)生態(tài)學(xué)原理和景觀(guān)指數(shù)分析方法，應(yīng)用ArcGIS10.0和Fragstats3.4軟件，通過(guò)選取斑塊密度、邊緣密度、斑塊類(lèi)型面積、形狀指數(shù)、香農(nóng)多樣性、香農(nóng)均勻度6個(gè)指標(biāo)，對(duì)不同高程帶的森林景觀(guān)格局進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明：大圍山森林公園的森林景觀(guān)格局變化具有明顯的高程分異特征，隨著海拔的增加，景觀(guān)多樣性減小，均勻度減小，連接性變差；各森林景觀(guān)斑塊分布局不均勻，景觀(guān)異質(zhì)性較低；低海拔地區(qū)的斑塊密度相對(duì)較大，破碎化程度較高。

大圍山；景觀(guān)格局；高程分異

森林公園是以大面積人工林或天然林為主體而建設(shè)的公園。森林景觀(guān)格局是大小和形狀各異的森林景觀(guān)鑲嵌體在空間上的排列和組合形式，指異質(zhì)景觀(guān)要素的數(shù)量、規(guī)模、形狀及其空間分布模式[1]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)森林景觀(guān)的研究大多處于對(duì)某河流流域范圍內(nèi)，而對(duì)像大圍山這樣的具有完整山體小氣候環(huán)境的森林公園的景觀(guān)格局研究甚少，特別是對(duì)受人為因素影響較大的森林公園景觀(guān)格局隨高程的分異研究更是微乎其微。本文對(duì)森林景觀(guān)研究的目的在于通過(guò)對(duì)不同海拔帶下的森林景觀(guān)結(jié)構(gòu)、分布情況、斑塊性質(zhì)等特征進(jìn)行研究，揭示不同景觀(guān)指標(biāo)的分異特征[2]。

1 研究區(qū)概況

大圍山森林公園位于湖南省瀏陽(yáng)市大圍山鎮(zhèn)東北部，距省會(huì)長(zhǎng)沙148 km。森林覆蓋率極高，資源豐富，風(fēng)景秀麗，氣候宜人，被稱(chēng)為“湘東綠色明珠”。1992年經(jīng)林業(yè)部批準(zhǔn)為國(guó)家森林公園。大圍山國(guó)家森林公園頂峰海拔1 607.9 m，為湖南省第二高峰。境內(nèi)群山環(huán)抱，立峻挺拔，土地肥沃，雨量充沛，植被豐富，種類(lèi)繁多。園內(nèi)原始次生林和人工林渾然一體，形成一片綠色的海洋。該森林公園內(nèi)的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種有：杉木、馬尾松、闊葉林等。由于山高林密的地理特點(diǎn)，構(gòu)成“夏無(wú)酷暑，冬無(wú)嚴(yán)寒”的森林小氣候，使大圍山具有“天然空調(diào)”、“大氧吧”的優(yōu)勢(shì)，是十分理想的休閑、度假、旅游、會(huì)議勝地。

2 研究方法

森林景觀(guān)類(lèi)型的劃分應(yīng)以森林景觀(guān)的外在特征作為依據(jù)。這些景觀(guān)特征因子包括：景觀(guān)的尺度、景觀(guān)斑塊體特征、基質(zhì)的形狀大小和色調(diào)[3]。根據(jù)不同的分類(lèi)因子可將景觀(guān)類(lèi)型劃分為不同的級(jí)別。本文主要是從優(yōu)勢(shì)樹(shù)種方面對(duì)景觀(guān)格局進(jìn)行研究與分析。

表1 景觀(guān)類(lèi)型劃分Table 1 Classification of landscape types

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

2.1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 數(shù)據(jù)資料主要包括：研究區(qū)LandsatTM遙感圖（成像時(shí)間為2010年），大圍山行政區(qū)劃圖，1：10 000地形圖。1：10 000遙感影像圖是景觀(guān)分析研究的主要數(shù)據(jù)源，森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)，輔以湖南省大圍山森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)字化成果，包含空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.1.1 數(shù)據(jù)處理 空間數(shù)據(jù)庫(kù)由 1：10 000基本圖在A rcGIS10.0平臺(tái)下掃描數(shù)字化生成，基本元素為多邊形要素[4]，配準(zhǔn)時(shí)采用高斯克呂格投影，及西安 80坐標(biāo)系，存儲(chǔ)為 Shapefile矢量格式；屬性數(shù)據(jù)庫(kù)由基本圖上區(qū)劃的小班卡為基礎(chǔ)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)。輔助數(shù)據(jù)有該區(qū)1：10 000數(shù)字柵格地形圖進(jìn)行矢量化。建立拓?fù)潢P(guān)系后，依據(jù)森林景觀(guān)格局指數(shù)的不同，利用 Fragstats3.4軟件，完成格局指數(shù)的計(jì)算[5]。景觀(guān)圖層的生成：采用“航片判讀 → 轉(zhuǎn)繪 →核校 → 清繪 → 數(shù)字化 → 編輯 → 屬性數(shù)據(jù)錄入”的工作程序[6]，最后生成森林景觀(guān)要素分布圖（圖1），再由DEM生成高程圖（圖2）。

圖1 研究區(qū)景觀(guān)要素分布圖Figure 1 Distribution of different landscape patterns

圖2 高程圖Figure 2 Elevation

2.2 景觀(guān)指標(biāo)的選取及其計(jì)算

2.2.1 斑塊類(lèi)型面積 CA 度量景觀(guān)的組分，是計(jì)算其它指標(biāo)的基礎(chǔ)。其計(jì)算公式如下：

式中：aij為斑塊ij的面積（m2），斑塊類(lèi)型面積相當(dāng)于把某一斑塊類(lèi)型的所有斑塊的面積求和，然后除以10 000轉(zhuǎn)化為hm2[7]。它的取值范圍CA大于0。當(dāng)CA逐漸接近0時(shí)，說(shuō)明該斑塊類(lèi)型在景觀(guān)中越來(lái)越稀少。

2.2.2 形狀指數(shù)LSI

式中：α為斑塊面積（m2），P為斑塊周邊長(zhǎng)度（m），LSI值越大，說(shuō)明斑塊周邊越發(fā)達(dá)。

2.2.3 斑塊密度PDi

式中：ni景觀(guān)中斑塊類(lèi)型i所包含的斑塊數(shù)量（個(gè)）；A為整個(gè)景觀(guān)的面積（hm2），包括景觀(guān)內(nèi)部存在的背景。

2.2.4 邊緣密度EDi

式中：Pij為景觀(guān)中相應(yīng)斑塊類(lèi)型的總邊緣長(zhǎng)度（m），包括涉及該斑塊類(lèi)型的景觀(guān)邊界線(xiàn)和背景部分；A為景觀(guān)總面積（hm2），ED就等于總邊緣長(zhǎng)度除以景觀(guān)總面積（m/hm2）。

2.2.5 香農(nóng)多樣性SHDI 反映景觀(guān)要素的多少和各景觀(guān)要素所占的比例狀況。

式中：H為景觀(guān)多樣性指數(shù)，Pi為第i種森林景觀(guān)類(lèi)型面積占總面積的比，n為森林景觀(guān)類(lèi)型總數(shù)。

2.2.6 香農(nóng)均勻度SHEI

3 結(jié)果及分析

3.1 景觀(guān)結(jié)構(gòu)與斑塊特征的高程分異

表2 不同高程帶下森林景觀(guān)要素類(lèi)型面積分布Table 2 Types and areas of landscape patterns at different elevation

橫向分析：從表2可以看出，杉木林、竹林主要分布在海拔500 ~ 1 000 m的中海拔地區(qū)，灌木林主要分布在海拔1 000 m以上的高海拔地區(qū)。通過(guò)對(duì)比圖1及圖2可知，馬尾松、闊葉樹(shù)主要分布在海拔1 000 m左右的高程帶上?？v向分析：研究區(qū)大圍山森林公園總面積為3 880.229 hm2，其中林業(yè)用地面積為3 548.522 hm2，占總面積的91.45%，表明該地的森林植被較好。杉木林景觀(guān)及竹林景觀(guān)為高程在100 ~ 1 000 m海拔帶上的主要景觀(guān)基質(zhì)，灌木林為高程在1 000 m以上的主要景觀(guān)基質(zhì)。從整體來(lái)看，灌木林所占比例最大為42.85%，是大圍山森林公園的主要景觀(guān)基質(zhì)。在整個(gè)森林公園內(nèi)，海拔在1 000 m以上的有2 492.336 hm2，占整個(gè)森林公園面積的64.231%，可見(jiàn)該森林公園整體海拔較高，空氣較好，適合休閑旅游。

表3 不同高程帶下景觀(guān)要素斑塊數(shù)量分布Table 3 Distribution of different patches at different elevation

從表3可知，研究區(qū)域的斑塊總數(shù)為545個(gè)，其中杉木林164個(gè)，占30.09%，灌木林151個(gè)，占27.71%，竹林114個(gè)，占20.91%。無(wú)論從面積或者從斑塊個(gè)數(shù)比較，均可看出灌木林所占比例最大。說(shuō)明研究區(qū)的景觀(guān)基質(zhì)為灌木林，這是因?yàn)榇髧降暮０屋^高，不適合生長(zhǎng)喬木林，只有矮小的灌木林才適合生長(zhǎng)。而有林地中杉木林和竹林所占比例較高，這是因?yàn)樯寄玖纸^大多數(shù)是人工林，多分布于受人為因素影響比較大的低海拔地區(qū)。

3.2 景觀(guān)指數(shù)變化的高程分異

在 ArcMap中，通過(guò)條件查詢(xún)與選擇，將提取的結(jié)果按同一類(lèi)型景觀(guān)斑塊進(jìn)行合并，得到六種景觀(guān)類(lèi)型。再將其柵格化導(dǎo)入Fragstats3.4計(jì)算不同高程帶下的各景觀(guān)格局指數(shù)，結(jié)果如表4。

表4 不同高程帶下的各森林景觀(guān)格局指數(shù)Table 4 Landscape pattern index at different elevation

由表4可知：海拔在100 ~ 500 m的斑塊中，各景觀(guān)的斑塊密度相差比較大，表明該海拔內(nèi)的景觀(guān)斑塊與外界的物質(zhì)、能量交換活躍程度有較大的不同，闊葉林的斑塊密度最大，由于它與斑塊數(shù)量具有相同的功能，因而均可以表明闊葉林適合生長(zhǎng)在低海拔地區(qū)。杉木林的邊緣密度、斑塊類(lèi)型面積、形狀指數(shù)均為最大，表明杉木林的景觀(guān)異質(zhì)性較強(qiáng)，破碎程度較大，周邊最為發(fā)達(dá)。海拔在500 ~ 1 000 m的斑塊中，杉木林的斑塊密度最大，說(shuō)明在該海拔下杉木林景觀(guān)的破碎程度較高。在林地中灌木林、馬尾松的邊緣密度均比較小，當(dāng)ED = 0時(shí)，意味著景觀(guān)中沒(méi)有類(lèi)型邊緣，換句話(huà)說(shuō)就是，整個(gè)景觀(guān)和景觀(guān)邊緣，都有相關(guān)斑塊類(lèi)型組成。而竹林的斑塊類(lèi)型面積、形狀指數(shù)均為最大，說(shuō)明竹林在中度海拔內(nèi)竹林景觀(guān)為研究區(qū)內(nèi)的主要景觀(guān)基質(zhì)。海拔在> 1 000 ~ 1 600 m的斑塊中馬尾松的斑塊密度最大，景觀(guān)的破碎程度較高，分布的比較零散。因?yàn)轳R尾松為針葉林，所以比闊葉林更能適應(yīng)高海拔地區(qū)的環(huán)境。斑塊類(lèi)型面積是度量景觀(guān)組成的重要指標(biāo)，在該海拔帶內(nèi)灌木林斑塊類(lèi)型面積最大，說(shuō)明大多部分的景觀(guān)面積是由該斑塊類(lèi)型組成的。景觀(guān)形狀指數(shù)是對(duì)類(lèi)型聚集度的簡(jiǎn)單描述，與聚集度非常相似，它是通過(guò)斑塊類(lèi)型的邊緣長(zhǎng)度測(cè)算。經(jīng)計(jì)算知海拔在1 000 m以上的地區(qū)中灌木林的形狀指數(shù)最大，景觀(guān)整體比較復(fù)雜。海拔 < 500 m的地區(qū)，香農(nóng)多樣性指數(shù)為1.058 5；海拔500 ~ 1 000 m的香農(nóng)多樣性指數(shù)為0.998 1；海拔> 1 000 m的區(qū)域香農(nóng)多樣性指數(shù)為0.753 4，其均勻度指數(shù)分別為：0.5908、0.5592、0.4297，以上數(shù)字表明：大圍山森林公園的森林景觀(guān)多樣性水平、均勻度水平都比較低；香濃多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)均隨著海拔的升高而變小，表明受高程影響顯著，分異度明顯[8~9]。

通過(guò)對(duì)比不同海拔帶下的景觀(guān)指數(shù)可知，隨著海拔的升高，闊葉林的斑塊密度變化最為顯著，且呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)椋豪碚撋虾０蚊可仙?00 m溫度下降0.6℃。當(dāng)平均溫度為25℃，海拔1 000 m的山上只有19℃。從濕度方面上來(lái)講，也是海拔愈高濕度愈低。樹(shù)木為了“保持水份”，葉片變化成針葉狀，以減少蒸散水份的面積。所以海拔越高越不適合闊葉林的生長(zhǎng)。因此闊葉林的斑塊密度隨著海拔的升高而逐漸減少，灌木的斑塊類(lèi)型面積隨著海拔的升高增長(zhǎng)迅速，特別是在海拔1 000 m以上更為突出。因?yàn)楣嗄玖侄酁榱窒轮脖唬祟?lèi)干擾程度很小，且具有耐干旱、耐風(fēng)蝕、成效快、耐鹽堿、耐高寒、保存率和成活率高等特點(diǎn)。因而灌木在高海拔地區(qū)具有獨(dú)特的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。竹林的形狀指數(shù)相對(duì)較高，斑塊的幾何形狀越趨近于簡(jiǎn)單，表明受干擾的程度越大，這是因?yàn)槿祟?lèi)干擾所形成的斑塊一般幾何形狀較為規(guī)則，易于出現(xiàn)相似的斑塊形[10]。

4 結(jié)論與討論

本文利用大圍山遙感影像，結(jié)合2012年森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)，在GIS技術(shù)支持下，對(duì)大圍山森林公園6類(lèi)景觀(guān)的高程分異格局進(jìn)行了分析，從而了解了不同景觀(guān)類(lèi)型的高程分異特征，為以后該森林公園的經(jīng)營(yíng)管理提供理論參考。本研究得出的主要結(jié)論有：

（1）大圍山森林景觀(guān)格局，在人類(lèi)活動(dòng)及高程帶變化的影響下，呈現(xiàn)垂直變化的分異特征。

（2）大圍山森林公園景觀(guān)格局受高程影響顯著。在景觀(guān)尺度水平上，隨著海拔的增加，景觀(guān)的多樣性減小，均勻度減小，連接性變差。

（3）大圍山森林公園的灌木林、杉木林分別占整個(gè)研究區(qū)面積的 42.85%、24.94%，為主要的景觀(guān)基質(zhì)。有林地面積占91.45%，非林地占8.55%，說(shuō)明研究區(qū)大部分為有林地，森林覆蓋率極高，環(huán)境較好。不同海拔內(nèi)的斑塊密度變化不大，說(shuō)明研究區(qū)域?qū)υ嫉奶烊涣直Ｗo(hù)較好，適合發(fā)展旅游業(yè)。

本文應(yīng)用最新的森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)大圍山森林公園高程分異格局進(jìn)行研究，結(jié)果與實(shí)際情況相吻合。說(shuō)明選取的指標(biāo)計(jì)算結(jié)果適用于森林公園景觀(guān)高程分異格局研究。本文僅以高程不同為研究基礎(chǔ)，沒(méi)有考慮坡度坡向的影響，且高程帶分割較少，因而還需進(jìn)一步完善。

[1] 劉茂松，張明娟.景觀(guān)生態(tài)學(xué)原理與方法[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2] Yan Fu.Conservation for the landscape ecological diversity in Wulingyuan scenic area of China[J].J Environ Sci，2003，15（2）：284－288.

[3] 菅利榮，李明陽(yáng).基于GIS的森林景觀(guān)空間格局變化分析[J].西南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，21（2）：96－101.

[4] 魏偉，趙軍.基于GlS和RS的石羊河流域景觀(guān)格局分析及景觀(guān)格局利用優(yōu)化研究[J].西北師范大學(xué)，2009，5（1）：18－22.

[5] 菅利榮，李明陽(yáng).GIS分析方法在森林景觀(guān)格局變化中的應(yīng)用[J].中南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，22（1）：86－89.

[6] 亓興蘭，劉健.基于RS與GIS的閩江流域森林景觀(guān)格局分析[J].福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26（1）：36－40.

[7] 胡震峰.土地利用與景觀(guān)格局動(dòng)態(tài)變化研究[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2003，13（12）：143－144.

[8] 張明陽(yáng)，王克林，劉會(huì)玉，等.白洋淀流域景觀(guān)空間格局隨高程分異研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2005，19（4）：75－81.

[9] 張媛媛，李滿(mǎn)春，劉永學(xué).浙西低山丘陵區(qū)景觀(guān)格局變化的高程分異研究[J].測(cè)繪學(xué)，2007，32（2）：118－121.

[10] 郭晉平，陽(yáng)含熙.關(guān)帝山林區(qū)景觀(guān)要素空間分布及其動(dòng)態(tài)研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，1999，19（4）：468－473.

Analysis on Landscape Pattern of Daweishan Forest Park

DENG Bi-ping，Lü Yong*，CHENG Yü-na，Lü Fei-zhou
（Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, China）

Based on forest management inventory in 2012 of Daweishan Forest Park, Hunan province, analysis was made on landscape pattern at different elevation by ArcGIS10.0 and Fragstats3.4 software, with indicators of patch density, edge density, patch area, shape index, Shannon diversity index, and Shannon evenness index.The results showed that landscape pattern of the Park changes obviously with elevation.Elevation had negative relation with landscape diversity, evenness and connectivity.The patch density is relatively larger and fragmentation higher degree at low altitudes.

Daweishan Forest Park; landscape pattern; elevation

S718.5

A

1001-3776（2014）06-0010-05

2014-08-23；

2014-10-17

鄧必平（1988－），男，湖南懷化人，助理工程師，碩士生，從事森林資源經(jīng)營(yíng)管理研究；*通訊作者