森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡的構建

李際平，趙春燕，袁曉紅，蔣瓊星，鄭 柳

（中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004）

森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡的構建

李際平，趙春燕，袁曉紅，蔣瓊星，鄭 柳

（中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004）

森林景觀斑塊之間呈現(xiàn)不同程度的邊緣效應, 不同森林景觀類型斑塊的耦合作用強度不同。為了滿足森林可持續(xù)經(jīng)營的要求，需要在景觀尺度上開展森林經(jīng)營研究。以西洞庭湖區(qū)為例,運用圖論的方法,把森林景觀斑塊作為節(jié)點、斑塊之間的耦合作用強度作為節(jié)點間邊權，從而構建該區(qū)森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡。運用復雜網(wǎng)絡理論，進一步深入分析了森林景觀生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗毀性。

森林景觀生態(tài)系統(tǒng)；森林可持續(xù)經(jīng)營；斑塊耦合網(wǎng)絡；邊緣效應；穩(wěn)定性；抗毀性

森林可持續(xù)經(jīng)營要求把森林生態(tài)系統(tǒng)作為一個開發(fā)系統(tǒng)，考慮景觀和自然區(qū)域空間尺度森林經(jīng)營問題[1-2]。為了森林可持續(xù)經(jīng)營的要求，在景觀尺度上開展森林經(jīng)營研究，追求森林生態(tài)系統(tǒng)的整體系統(tǒng)功能的最大，其關鍵在于調(diào)整森林景觀斑塊的空間結(jié)構，通過合理配置森林斑塊，最大限度地發(fā)揮森林組成成分間相互作用效能[3]。斑塊是森林景觀尺度的組成單元，兩個斑塊長期相互耦合作用形成邊緣與核心部分在林木胸徑、樹高等參數(shù)存在差異，表現(xiàn)出邊緣效應[4]。

兩個森林景觀斑塊相互耦合作用呈現(xiàn)邊緣效應[5]，不同森林景觀類型斑塊的耦合作用強度不同，本文以西洞庭湖區(qū)為例，運用圖論的理論，森林景觀斑塊作為節(jié)點，斑塊之間的耦合作用強度為節(jié)點間邊權，構建了森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡，運用復雜網(wǎng)絡的理論，進一步分析森林景觀生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗毀性。

1 研究區(qū)概況

本文的研究區(qū)域設置在西洞庭湖區(qū)，位于湖南省北部，包括常德河洑林場、桃源縣、漢壽縣、安鄉(xiāng)縣、澧縣、臨澧縣等地域，總面積為142.2萬hm2。地勢位于云貴高原、湘西山地向洞庭湖平原的過渡地帶。屬于濕潤季風性氣候區(qū)，同時具有濱湖氣候和山地森林氣候的特征，全年平均氣溫16.7 ℃，降水充沛，四季分明。

西洞庭湖區(qū)林業(yè)用地面積為513 115.31 hm2，占景觀總面積的36.24%，按景觀類型劃分為闊葉類景觀、經(jīng)濟林景觀、松類景觀、杉木林景觀、竹類景觀、灌木類景觀和柏木類景觀，其面積比分 別 為：27.10%、24.37%、17.74%、13.49%、10.07%、7.23%、0.003%。

2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)的GIS處理方法

借助ArcGIS軟件空間分析功能，依據(jù)鄰近關系，針對西洞庭湖區(qū)2006年的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，實現(xiàn)從林分小班到景觀斑塊的圖形綜合[4]，此操作同時實現(xiàn)圖形合并和屬性歸并。

2.2 森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡

2.2.1 景觀斑塊邊緣效應強度

邊緣效應強度(Ei)的計算采用王伯蓀等[6]確定的邊緣效應指數(shù)，其公式為：

式中，m為測算其邊緣效應的相鄰斑塊數(shù)量，本研究取值為2，Yi為m個斑塊形成的交錯內(nèi)種群數(shù)量、生產(chǎn)力和物種多樣性的指標，yij為第j個群落的第i個指標。本研究中，指標選取喬木平均胸徑、平均樹高和單位蓄積，物種多樣性選取辛普森指數(shù)。

邊緣效應總強度采用8個指標邊緣效應的加權和，這8個指標采用樣地內(nèi)喬木平均樹高、平均胸徑、蓄積、物種密度、灌木層與草本層物種豐富度、灌木層與草本層物種多樣性，在計算蓄積時采用單位面積上的蓄積量，其中加權值采用表2中采用層次總排序計算的加權結(jié)果，計算公式為：

式中，N為指標數(shù)目，本研究中N取值為8，Ei為第i個指標的邊緣效應值，Wi為第i個指標的權重值。

2.2.2 層次分析模型

運用層次分析法計算森林景觀斑塊中8個指標的邊緣效應權重。每個指標的重要性采用林學和生態(tài)學的專家意見，對各種因素對比得出8×8的判斷矩陣，最終的權重值一致性檢驗，符合AHP要求確定指標權重。

2.2.3 景觀斑塊耦合網(wǎng)絡構建方法

對于由N個節(jié)點，E條邊構成的復雜網(wǎng)絡G=(N，E)，在森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡中節(jié)點為一種類型的森林景觀斑塊，網(wǎng)絡中的邊為相鄰森林景觀斑塊間邊緣效應強度。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)森林景觀斑塊特征

從表1可以得出，闊葉類景觀的斑塊數(shù)量最多，研究區(qū)域為33 838塊，占西洞庭湖區(qū)森林景觀斑塊數(shù)的21.99%，其次為杉木林和松木類景觀，斑塊數(shù)分別為29 897塊和24 866塊，分別占19.44%和16.17%，而柏木類景觀斑塊數(shù)僅為16，斑塊數(shù)量最少。

表1 西洞庭湖區(qū)景觀斑塊特征Table 1 Landscape patch characteristics in west Dongting lake

3.2 研究區(qū)森林景觀斑塊邊緣效應強度

3.2.1 邊緣效應指標權重

森林景觀斑塊間的邊緣效應是由于物質(zhì)、能量和信息等生態(tài)因子或系統(tǒng)屬性的差異引起森林景觀生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和生物多樣性等方面的變化[7]。因此，層次分析法的目標層為邊緣效應總強度，中間層選擇生產(chǎn)力和物種多樣性指標，構建指標體系如圖1。

圖1 邊緣效應評價指標體系Fig.1 Edge effect evaluation index system

本文采用德爾菲法對上述措施層8個指標一一對比評判與量化。計算圖1中各指標的權重如表2。

3.2.2 西洞庭湖區(qū)邊緣效應強度

按照公式(2)，計算不同森林景觀類型的斑塊之間的邊緣效應值見表3，E取值為0時，邊緣效應不明顯，E取值大于0，邊緣效應呈現(xiàn)正效應，E取值小于0，邊緣效應體現(xiàn)為負效應。

從表3可以看出，森林景觀斑塊的邊緣效應強度大于0的比例較多，說明不同類型斑塊間大多具有正效應。其中，從景觀類型分析，松類與闊葉類景觀斑塊之間邊緣效應強度最大，且均為正效應，其中松木幼齡林景觀與闊葉類景觀斑塊邊緣效應強度達到25.8%，主要因為幼齡林樣地數(shù)目較少的影響，松木中齡林景觀與闊葉類景觀邊緣效應強度達到5.3%，說明松木中齡林景觀斑塊邊緣區(qū)競爭激烈。杉木幼齡林和中齡林景觀與闊葉類景觀邊緣效應強度較大，分別達到14.6%和17.5%，而杉木成熟林景觀與闊葉類景觀邊緣效應呈現(xiàn)負效應，主要由于成熟林景觀在物種多樣性指標的邊緣效應呈現(xiàn)較強負效應，杉木幼齡林景觀與松木類景觀斑塊的邊緣效應呈現(xiàn)負效應，而杉木中齡林與成熟林景觀呈現(xiàn)較弱的正效應；從齡組分析，各種類型的中齡林景觀斑塊的邊緣效應強度最大，成熟林景觀斑塊的邊緣效應強度較小，而幼齡林沒有明顯規(guī)律性。

表2 邊緣效應指標權重Table 2 Marginal effect index weight values

表3 邊緣效應強度Table 3 Edge effect intensity

3.3 研究區(qū)森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡

森林景觀斑塊作為節(jié)點，斑塊之間的耦合作用強度為節(jié)點間邊權構建森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡。以西洞庭湖區(qū)的澧縣為例，構建森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡如圖2，圖中節(jié)點為森林景觀斑塊，節(jié)點之間的連線(邊)表示相鄰森林景觀斑塊的邊緣效應，實線表示邊緣效應值為正，呈現(xiàn)正的邊緣效應；虛線表示邊緣效應值為負，呈現(xiàn)負的邊緣效應，節(jié)點之間的距離表示邊緣效應強度絕對值。

圖2 澧縣森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡Fig.2 Forest landscape patch coupling network for Lixian county

森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡具有如下特點：

（1）網(wǎng)絡中每一個節(jié)點對應一個斑塊，斑塊的位置不影響網(wǎng)絡的構建和分析，但是盡量保持斑塊之間的相對位置關系和拓撲關系，在本研究中，構建的是森林景觀斑塊的邏輯網(wǎng)絡；

（2）森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡為有權網(wǎng)絡，其權重為斑塊之間耦合度，權重值與森林景觀斑塊的類型、經(jīng)營措施等有關；

（3）網(wǎng)絡中每一個節(jié)點的度表示相對應斑塊的相鄰斑塊數(shù)目，斑塊面積越大，可能與之相鄰的斑塊數(shù)目越多，對應的節(jié)點度越大。

（4）實線表示邊緣效應值為正，呈現(xiàn)正的邊緣效應；虛線表示邊緣效應值為負，呈現(xiàn)負的邊緣效應。

4 結(jié)論與討論

森林景觀斑塊之間呈現(xiàn)不同程度的邊緣效應，本文運用圖論的理論，把森林景觀斑塊作為節(jié)點，斑塊之間的耦合作用強度為節(jié)點間邊權構建森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡[8-10]，該網(wǎng)絡屬于邏輯網(wǎng)絡，但網(wǎng)絡的權重、度能代表森林景觀生態(tài)系統(tǒng)的實際意義，因此，可以運用復雜網(wǎng)絡的理論研究森林景觀生態(tài)系統(tǒng)，進一步分析網(wǎng)絡的抗毀性和穩(wěn)定性。

為了森林可持續(xù)經(jīng)營要求，需要從宏觀角度研究森林景觀生態(tài)系統(tǒng)，本研究應用森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡表示森林景觀生態(tài)系統(tǒng)，運用復雜網(wǎng)絡理論，能夠滿足從宏觀角度研究森林景觀生態(tài)系統(tǒng)要求。

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Construction of forest landscape patch coupling network for west Dongting lake

LI Ji-ping, ZHAO Chun-yan, YUAN Xiao-hong, JIANG Qiong-xing, ZHENG Liu
(Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In order to satisfy requirements of sustainable forest management, it is necessary to carry out the study of forest management from the angle of landscape scale. By taking west Dongting lake area as the example, using the method of graph theory, the forest landscape patches coupling network for the area was set up, through taking the patches as the network nodes and the coupling strength values among plaques as the inter-node edge-weight values. Further,the stability and invulnerability of the forest landscape ecology system in the area were penetratingly analyzed.

forest landscape ecology system; forest sustainable management; plaque coupling network; edge effect; stability;invulnerability

S771.5

A

1673-923X(2014)07-0001-04

2014-03-10

國家自然科學基金項目（30972362）

李際平（1957-），男，湖南醴陵人，教授，博士，研究方向：林業(yè)系統(tǒng)工程

[本文編校：吳 毅]