穆棱東北紅豆杉國家級自然保護區(qū)景觀斑塊特征分析

孫義男，鄭 昕

(東北林業(yè)大學 野生動物資源學院，哈爾濱 150040)

景觀是不同斑塊鑲嵌而成，具有明顯特征的地理實體，具有特定結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)特征的宏觀生態(tài)系統(tǒng)[1]。景觀生態(tài)學研究的重點是研究景觀的結(jié)構(gòu)、功能和變化，同時還包括景觀的規(guī)劃和管理[2-3]。森林景觀生態(tài)研究的目的在于，通過對森林景觀結(jié)構(gòu)、功能、動態(tài)變化以及它們之間相互影響和控制機制的研究，對景觀實施生態(tài)保護、恢復、建設(shè)和科學管理[4]。景觀指數(shù)是描述景觀空間格局的重要參數(shù)，通過對不同空間尺度的景觀格局特征進行比較與分析，進而反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面的特征[5-6]。

穆棱東北紅豆杉國家級自然保護區(qū)于2009年9月經(jīng)國務(wù)院審定，被批準為國家級自然保護區(qū)。保護區(qū)內(nèi)存有大量珍惜野生東北紅豆杉。眾多學者從不同角度對保護區(qū)進行了研究，但至今沒有對其整體森林景觀進行系統(tǒng)研究。本文從生態(tài)學角度，對森林景觀要素的斑塊特征進行分析，揭示保護區(qū)森林景觀格局的基本規(guī)律，為保護區(qū)森林景觀規(guī)劃、保護、管理及恢復提供科學依據(jù)。

1 自然概況

穆棱東北紅豆杉國家級自然保護區(qū)位于黑龍江穆棱市境內(nèi)，地處長白山脈北端，小興安嶺南麓，地理坐標為東經(jīng)130°00′～ 130°28′、北緯43°29′～ 44°06′之間。全區(qū)總面積為35 096.63 hm2，海拔高度在500～900 m之間，相對高度為150～450 m，沒有明顯的懸崖峭壁，地形多以山丘、谷底為主。氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L氣候，最高年降雨量為500 mm，無霜期在110 d左右，年平均氣溫為-2°，該區(qū)域的地帶性土壤為深棕色森林土。植被是以紅松(PinuskoraiensisSieb.et Zucc.)、白樺(BerulaplatyphyllaSuk.)、紫椴(TiliaamurensisRupr.)、紅皮云杉(PiceakoraiensisNakai)、樟子松(PinussylvestrisL.var.mongolicaLitv.)、臭冷杉(Abiesnephrolepis(Trautv.)Maxim)、柞樹(QuercusmongolicaFisch.ex Ledeb.)、水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)、黑樺(BetuladahuricaPall.)、落葉松(Larixgmelini(Rupr.)Rupr.)、山楊(PopulusdavidianaDode)等為主的寒溫帶針闊混交林。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理與研究方法

以黑龍江穆棱林業(yè)局2010年森林分類區(qū)劃圖1∶50 000為底圖，通過野外踏查，并結(jié)合保護區(qū)森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)繪制保護區(qū)森林景觀分布圖。依照景觀生態(tài)分類原則，將穆棱東北紅豆杉保護區(qū)劃分為11個三級景觀類型和4個一級景觀類型，分別為：紅松林景觀(A1)、樟子松林景觀(A2)、落葉松林景觀(A3)、杉林景觀(A4)、針葉混交林景觀(A5)；柞樹林景觀(B1)、白樺林景觀(B2)、黑樺林景觀(B3)、椴樹林景觀(B4)、山楊林景觀(B5)、闊葉混交林景觀(B6)；針闊混交林景觀(C)；亞喬林景觀(D)；農(nóng)地(E)；居民點(F)，共計15個景觀要素。在此基礎(chǔ)上，將保護區(qū)底圖導入ArcGIS中繪制50 m×50 m的網(wǎng)格，將文件轉(zhuǎn)為Grid格式，通過Fragstats3.3(柵格版)計算各景觀指數(shù)。

2.2 評價指標體系

根據(jù)研究區(qū)的特點及實際情況，選取斑塊形狀指數(shù)、伸長指數(shù)、分維數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、均勻度指數(shù)及破碎度指數(shù)等常用景觀格局指標進行分析[7-11]。

式中：P為斑塊周長；A為斑塊面積；SI值越大，其形狀越復雜，G值越大，斑塊形狀越長；D值理論范圍為1.0～2.0，1.0代表等面積邊界最簡單的正方形斑塊，2.0代表等面積邊界最復雜的異形斑塊。

式中：H為景觀多樣性指數(shù)；Q為景觀類型的面積所占比例；M為景觀斑塊類型總數(shù)。

式中：D為景觀優(yōu)勢度指數(shù)；Hmax表示最大多樣性指數(shù)，Hmax=ln(M)M和Pi與2)中定義相同。

(4)均勻度指數(shù)：E=H/Hmax×100%。

(5)破碎度指數(shù)：Ci=Ni/Ai。

式中：Ci為景觀i的破碎度指數(shù)；Ni為該景觀的斑塊總數(shù)；Ai為該景觀的斑塊總面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 森林景觀格局總體分析

保護區(qū)總面積為35 096.63 hm2，根據(jù)植物群落類型及植物景觀優(yōu)勢樹種，可將穆棱東北紅豆杉保護區(qū)分為15種景觀類型，共計1 829個斑塊。用地范圍內(nèi)以針闊混交林、闊葉混交林、針葉混交林和柞樹林為主體景觀；紅松林、落葉松林、亞喬林、白樺林次之；最后依次為杉林、樟子松林、山楊林、椴樹林和黑樺林。由此可見，穆棱東北紅豆杉保護區(qū)的植物景觀現(xiàn)狀基本符合寒溫帶以針闊混交林為主森林生態(tài)系統(tǒng)保護區(qū)的總體特征。

3.2 景觀要素特征分析

穆棱東北紅豆杉國家級自然保護區(qū)各景觀要素的斑塊分布極不均衡，各斑塊面積差異顯著，其中，針闊混交林總面積最大(14 717.37 hm2)，是保護區(qū)的主體景觀要素；黑樺林總面積最小(9.51 hm2)，但最大面積仍大于椴樹和山楊林；斑塊的平均面積最大的同為針闊混交林(22.54 hm2)，最小為山楊林(2.13 hm2)；從表1中可知，針闊混交林的貢獻率(景觀要素面積占總面積的百分比)最大41.9%，最小的黑樺、椴樹等不足1%，可見各景觀要素之間面積的巨大差異。同時，各景觀要素面積標準差還反映出景觀要素內(nèi)部斑塊間面積的顯著差異。

景觀要素周長可在一定程度上反映該景觀要素與外界的作用程度。從表1中可知，周長順序為：B3

景觀要素邊界密度(景觀要素周長/相應(yīng)景觀面積)是表示片段化森林的邊緣效應(yīng)指標，單位面積的周長越大，該景觀要素邊界被割裂程度越高，反之景觀要素的被割裂程度越低，連通性越高。從表1中可知，邊界密度順序為：A5

表1 保護區(qū)森林景觀斑塊面積、周長特征

景觀要素的形狀特征可以反映斑塊形狀的復雜程度，同時影響區(qū)域內(nèi)的動植物生境及生物多樣性等。通常選取斑塊形狀指數(shù)、伸長指數(shù)和分維數(shù)進行表述。從表2中可知，斑塊形狀指數(shù)與伸長指數(shù)的順序均為：B3

分維數(shù)的范圍在1.00～2.00之間，越接近1.00說明形狀越簡單，反之則越復雜。從表2中可知，景觀要素的分維數(shù)分布在1.05～1.45之間，分維數(shù)與斑塊形狀系數(shù)排列順序基本保持一致。針闊混交林景觀分維數(shù)最大(1.373)，是由于該景觀要素組成的多樣性，導致其斑塊形狀最復雜。結(jié)合表1可知，居民點景觀面積大于山楊景觀面積，而分維數(shù)所顯示的結(jié)果正好相反，說明在人類活動干擾下，景觀要素的形狀更有規(guī)律，邊界趨于簡單化。

破碎度指數(shù)用來描述景觀要素的破碎程度。由表2可知，破碎度指數(shù)最高的是山楊林(0.470)，最低為針闊混交林(0.046)。由于植物生長特性、地形地貌及寒溫帶針闊混交林的特征等多方面因素影響，造成山楊林破碎化指數(shù)偏高。而由于針闊混交林個體斑塊面積較大，斑塊間連通性較好，因此其破碎化程度最低。除個別景觀要素外，其它景觀要素的破碎化程度較小，說明保護區(qū)整體受破壞程度較低，保護到位，順應(yīng)生態(tài)群落的自然演替過程。

表2 保護區(qū)森林景觀指數(shù)

3.3 總體景觀格局分析

保護區(qū)總體景觀格局可以通過景觀多樣性指數(shù)、均勻度及優(yōu)勢度指數(shù)來反映。由表3可知，穆棱東北紅豆杉國家級自然保護區(qū)2010年的總體景觀格局指數(shù)，其多樣性指數(shù)為(1.502 2)；均勻度指數(shù)為(0.455 1)；優(yōu)勢度指數(shù)為(1.205 9)，三項指標數(shù)值均處較低水平。可見其保護區(qū)景觀多樣性程度較低，森林景觀以針闊混交林、針葉混交林、闊葉混交林為主，景觀異質(zhì)性較差；而其均勻度指數(shù)偏低，說明景觀類型分布極不均勻。

表3 保護區(qū)總體景觀格局指數(shù)

表3的數(shù)據(jù)說明，保護區(qū)總體景觀多樣性程度較低、景觀類型分布不均勻、景觀異質(zhì)性較差。其主要原因為保護區(qū)的基質(zhì)景觀是由針闊混交林、針葉混交林及闊葉混交林構(gòu)成。同時，針葉林景觀與闊葉林景觀在周圍環(huán)境的作用下呈南北對稱式布局，在區(qū)域范圍內(nèi)構(gòu)成基質(zhì)景觀的物種優(yōu)勢明顯。其它鑲嵌在基質(zhì)景觀中的景觀類型，受上層優(yōu)勢植物群落的限制，從而形成了現(xiàn)在的總體景觀格局，這也符合寒溫帶氣候條件下植被的構(gòu)成規(guī)律。

4 結(jié)論與討論

本研究將穆棱東北紅豆杉國家級自然保護區(qū)分為15個森林景觀要素，其中針闊混交林、闊葉混交林、針葉混交林為保護區(qū)的主要森林景觀，構(gòu)成保護區(qū)的基質(zhì)。通過對景觀要素的面積、周長、數(shù)量、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度及均勻度指數(shù)等景觀特征分析，表明保護區(qū)內(nèi)各景觀要素面積、周長、數(shù)量等差異較大；通過對斑塊形狀特征分析，表明主要保護對象所在區(qū)域的景觀要素連通性較好，聚集度較高。農(nóng)地和居住點景觀的破碎化程度、形狀指數(shù)等均表明，人類活動干擾最多的景觀要素，其破碎化程度也相對較高，符合人為干擾導致斑塊破碎化的理論。其總體景觀格局呈現(xiàn)出，景觀多樣性程度低、景觀優(yōu)勢度高、景觀要素分布不均勻，多種森林景觀要素由于面積過小或破碎化程度偏高，面臨被其它景觀要素侵蝕的危機。因此，保護區(qū)應(yīng)在保護重點保護對象的基礎(chǔ)上，提出積極有效的措施，以防止保護區(qū)內(nèi)森林景觀要素向單一化發(fā)展。如何適當對保護內(nèi)景觀要素進行小規(guī)模干擾，以維護保護區(qū)的生態(tài)多樣性及景觀異質(zhì)性，將成為今后保護區(qū)管理工作的重點。

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