西洞庭湖區(qū)森林景觀斑塊對(duì)構(gòu)建研究

袁曉紅，李際平，趙春燕

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

西洞庭湖區(qū)森林景觀斑塊對(duì)構(gòu)建研究

袁曉紅，李際平，趙春燕

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

森林景觀斑塊及斑塊對(duì)的構(gòu)建是森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)西洞庭湖區(qū)森林景觀的分類及相同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種、相同齡組的相鄰小班的融合，構(gòu)成了森林景觀斑塊，利用不同類型斑塊間的相鄰構(gòu)成了森林景觀斑塊對(duì)。從研究區(qū)域中提取10個(gè)由閉合廊道形成的封閉區(qū)域得知，在西洞庭湖區(qū)的森林景觀中，灌木林小班融合度最高，松木幼齡林融合度最低，融合比最低的區(qū)域，其斑塊對(duì)最多，更有利于邊緣地帶物種多樣性的發(fā)展，有利于景觀類型豐富度的提高和生態(tài)功能的發(fā)揮。

森林景觀；景觀斑塊; 相鄰小班融合；森林景觀斑塊對(duì)； 西洞庭湖

森林植被的斑塊是植物群落中最重要的空間特征之一[1]，斑塊具有與周邊環(huán)境不相同的性質(zhì)，在斑塊內(nèi)物種相對(duì)穩(wěn)定。景觀斑塊具有尺度特性，根據(jù)研究的視角不同，斑塊的大小及其特性也不相同。

斑塊劃分依據(jù)是斑塊功能研究的前提，不同的研究尺度、不同的劃分依據(jù)對(duì)研究結(jié)論有著重要影響。趙春燕[2]等以森林資源小班為例，構(gòu)建了森林資源更新的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)了基于GIS對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢，馬文俊、蔣群星[3]等根據(jù)西洞庭湖區(qū)的森林資源狀況，劃分了森林景觀斑塊并進(jìn)行了空間格局的研究。

由于景觀類型的不同，景觀斑塊內(nèi)部、景觀斑塊與斑塊之間相連的區(qū)域中，將呈現(xiàn)不同的生物學(xué)特性，如優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的生長(zhǎng)狀況、生物多樣性均會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)廊道類型不同，李際平、鄭柳、趙春燕[4-6]等對(duì)研究區(qū)域的廊道進(jìn)行了等級(jí)的劃分，發(fā)現(xiàn)在不同等級(jí)廊道下，杉木景觀與闊葉景觀相鄰的區(qū)域中，灌木和草本的數(shù)量隨廊道等級(jí)升高而降低，坡度、海拔等環(huán)境因子對(duì)物種影響最大，坡位和坡向?qū)^(qū)域中的物種影響近乎可以忽略。在此基礎(chǔ)上，李際平、王國(guó)華、趙春燕[7-8]等對(duì)斑塊間的耦合機(jī)理及邊緣效應(yīng)的強(qiáng)度進(jìn)行了深入分析研究。

本文根據(jù)森林景觀中不同類型斑塊間的耦合作用，研究景觀斑塊對(duì)的構(gòu)建方法，旨在為下一步構(gòu)建森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)研究森林景觀的復(fù)雜性奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西洞庭湖區(qū)位于湖南省西北部，包括漢壽縣、桃源縣、津市市等縣市，面積142.2 hm2。濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫16.7 ℃，年均降水1 346.5 mm。結(jié)合區(qū)域內(nèi)森林景觀類型的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，將森林景觀劃分為杉木類、松木類、闊葉類、灌木類、經(jīng)濟(jì)林、竹類、柏木類和非林地景觀。由于研究區(qū)內(nèi)松木、杉木及闊葉類景觀分布廣泛，數(shù)量較多，因此，又進(jìn)一步細(xì)劃成幼齡林、中齡林和成熟林，一共14種景觀類型。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

該研究以西洞庭湖區(qū)2006年林相圖、1∶10 000地形圖等為主要數(shù)據(jù)源，在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS中，對(duì)相關(guān)地形圖、林相圖等矢量化，再進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)分析。

1.3 林相圖數(shù)據(jù)修理

在MapInfo系統(tǒng)中，對(duì)森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化，采用WGS84坐標(biāo)系，結(jié)合地理空間數(shù)據(jù)建立林相圖。二類調(diào)查中，小班的主要屬性如表1所示。

在對(duì)林相圖進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，為保證數(shù)據(jù)的正確性，首先要建立小班之間拓?fù)潢P(guān)系，檢查并修改出現(xiàn)的錯(cuò)誤。在對(duì)整個(gè)西洞庭湖區(qū)的處理過(guò)程中，一共產(chǎn)生拓?fù)溴e(cuò)誤101564個(gè)，其中重疊錯(cuò)誤71573個(gè)，空洞錯(cuò)誤29991個(gè)，采用ArcGIS的Coverage格式對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行了批量修改。

表1 小班主要屬性Table 1 Main attributes of sub-compartment

2 森林景觀斑塊對(duì)構(gòu)建

2.1 森林景觀斑塊的構(gòu)建

本研究中，景觀斑塊是指一種景觀空間類型，由優(yōu)勢(shì)樹(shù)種相同、齡組相同的一個(gè)或多個(gè)小班合并而來(lái)[9]。在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，由于土地的權(quán)屬不同，或?yàn)榉奖憬?jīng)營(yíng)管理目標(biāo)的落實(shí)，采用小班作業(yè)的方式進(jìn)行管理。本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自于森林資源二類調(diào)查，在研究過(guò)程中對(duì)景觀分類進(jìn)行了重新定義，必須對(duì)小班進(jìn)行融合方能滿足研究要求。

圖1 融合前景觀格局Fig.1 Pre-merger landscape pattern

圖2 融合后景觀格局Fig.2 Merger landscape pattern

圖1為林相圖中的小班分布圖，以字母標(biāo)示景觀斑塊類型，數(shù)字標(biāo)示某類型小班編號(hào)。圖中共有5種景觀類型21個(gè)小班，通過(guò)融合，最終形成5種景觀類型共15個(gè)斑塊，如圖2所示。

融合后，斑塊的面積為合并前各小班面積之和，周長(zhǎng)為合并前各小班周長(zhǎng)之和減去相鄰公共邊長(zhǎng)，如公式1、2所示：

式中：Sk為合并后的第k個(gè)景觀斑塊的面積；St為待合并的各小班面積；m為待合并的相鄰小班數(shù)目；li為滿足合并條件的相鄰小班周長(zhǎng)；llij為合并前i小班及與其相鄰的j小班的公共邊長(zhǎng)度。

2.2 森林景觀斑塊對(duì)的構(gòu)建

將林相圖及森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中進(jìn)行處理（見(jiàn)圖3）。

斑塊對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)屬性見(jiàn)表2。

表2 斑塊對(duì)屬性Table 2 Properties of landscape patch pairs

圖3 森林景觀斑塊對(duì)構(gòu)建流程Fig.3 Construction fl ow of pairs of forest landscape patches

3 結(jié)果與分析

3.1 森林景觀斑塊構(gòu)建結(jié)果分析

3.1.1 景觀斑塊融合結(jié)果與分析

圖4、圖5為在林相圖基礎(chǔ)上將小班融合為景觀斑塊的效果圖。其中，圖4為森林資源調(diào)查林相圖，各小班編號(hào)如圖中所示，不同色塊表示不同的景觀類型；圖5為融合后的景觀斑塊圖，最小單位是斑塊。

從研究區(qū)域中隨機(jī)選取10個(gè)由廊道分隔的封閉區(qū)域進(jìn)行融合后，小班構(gòu)成斑塊的前后數(shù)量如表3所示。

圖4 森林資源調(diào)查林相Fig. 4 Forest form of forest inventory investigation

圖5 森林景觀類型分布Fig. 5 Distribution of forest landscape types

表3 融合前后小班及斑塊數(shù)目對(duì)比Table 3 Comparisons of number of patches and sub-compartments before and after fusion

從表3中可以看出，整體融合程度最高的為P2區(qū)域，融合后的斑塊數(shù)量為原有小班總數(shù)的49%，說(shuō)明該區(qū)域中存在大量地域相連、優(yōu)勢(shì)樹(shù)種相同且齡組相同的小班，物種結(jié)構(gòu)相對(duì)單一（灌木林占小班總數(shù)量的36%，其次是松木成熟林，占18%）；而融合程度最低的為P6區(qū)域（斑塊數(shù)量為小班總數(shù)68%），在該區(qū)域中，各種景觀類型的小班數(shù)量懸殊不大。

在各種景觀類型中，以松木幼齡林的融合程度最低（融合后斑塊數(shù)為原有小班數(shù)量的88%），說(shuō)明在西洞庭湖區(qū)域中，松木幼齡林所占的比例相對(duì)較小，且各小班之間相互離散；在研究區(qū)域中，灌木林?jǐn)?shù)量最多，因此其融合程度也為最高（斑塊數(shù)占原有小班數(shù)的54%）。

3.1.2 西洞庭湖區(qū)景觀斑塊總體特征

西洞庭湖區(qū)總面積為14 234.43 km2，共有141 477個(gè)斑塊，各類斑塊統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 研究區(qū)域內(nèi)各景觀斑塊統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of landscape patches within the studied area statistics

從融合后斑塊的總面積來(lái)看，研究區(qū)內(nèi)以非林地斑塊為主，總面積為907 889.8 hm2，占景觀總面積的63.8%，其次是經(jīng)濟(jì)林類斑塊、闊葉類幼齡林斑塊、闊葉類中齡林斑塊、松木類中齡林斑塊和竹類斑塊，構(gòu)成森林景觀格局調(diào)控主體。從斑塊數(shù)目來(lái)看，經(jīng)濟(jì)林斑塊數(shù)量最多，占斑塊總數(shù)的17.2%，其次為闊葉幼齡林斑塊和非林地斑塊，分別占斑塊總數(shù)的11.8%和11.7%。除此之外，杉木中齡林和松木中齡林斑塊比例也較大，杉木類成熟林和柏木類總數(shù)最少。

3.2 斑塊對(duì)構(gòu)建與分析

在所選的10個(gè)閉合區(qū)域中，考慮到P3區(qū)域（桃源縣龍?zhí)舵?zhèn)）景觀類型全面，且斑塊數(shù)量較多、面積較均勻，對(duì)其進(jìn)行斑塊對(duì)分布特征分析，結(jié)果如表5。

表5 龍?zhí)舵?zhèn)森林景觀斑塊對(duì)數(shù)目Table 5 Numbers of Longtan town forest landscape patch pairs

整個(gè)西洞庭湖區(qū)中，不同類型的森林景觀斑塊構(gòu)成的斑塊對(duì)共66種，其中龍?zhí)舵?zhèn)共有57種不同斑塊對(duì)的連接，占整個(gè)研究區(qū)斑塊對(duì)種類的86.4%，森林景觀斑塊對(duì)總數(shù)共732對(duì)。

龍?zhí)舵?zhèn)所在的封閉區(qū)域里，最多連接關(guān)系為闊葉幼齡林與闊葉中齡林景觀，共有62組，同時(shí)，這兩種景觀類型與其他景觀類型斑塊也具有最多的配對(duì)，占總斑塊對(duì)總數(shù)的8.5%；松木類中齡林斑塊與其他各類斑塊間具有豐富的相鄰關(guān)系(194對(duì))，占總斑塊對(duì)數(shù)的13.2%。闊葉成熟林與其他類型斑塊配對(duì)數(shù)量很少，該景觀類型與杉木幼齡林、松木幼齡林和灌木林斑塊沒(méi)有相鄰關(guān)系。

4 討 論

在整個(gè)西洞庭湖區(qū)森林景觀中，經(jīng)濟(jì)林占有最大面積，除此以外，松木中齡林、闊葉幼齡林、闊葉中齡林所占比例也較大，但柏木類景觀所占比例非常小，對(duì)整個(gè)區(qū)域景觀的影響甚微。

由于不同景觀斑塊相連，有利于交界面上生物多樣性和喬木類樹(shù)種的生長(zhǎng)，因此，景觀斑塊對(duì)的數(shù)量越大，區(qū)域中的景觀及生態(tài)功能越好。在森林景觀的經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，可考慮區(qū)域內(nèi)的景觀類型多樣化，并可減少灌木林的面積以提高其他景觀類型的數(shù)量，從而提高景觀斑塊對(duì)的數(shù)量。

[1] 郭志華,肖文發(fā).海南島植被景觀的斑塊特征[J].林業(yè)科學(xué),2004, 40(2):9-15.

[2] 趙春燕,李際平.森林資源空間數(shù)據(jù)更新的時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究[J].測(cè)繪科學(xué), 2010, 35(6):189-191.

[3] 蔣群星,李際平.基于GIS的桃源縣森林景觀格局特征分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(7):97-100.

[4] 李際平,鄭 柳.不同等級(jí)廊道杉闊林下植被物種的多樣性分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(2):64-69.

[5] 李際平,趙春燕.杉闊間物種多樣性影響因子面色關(guān)聯(lián)分析[J].中同林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(10):10-14.

[6] 李際平,趙春燕.西洞庭湖區(qū)杉-闊林下植物種類及物種多樣性分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(7):49-53.

[7] 王國(guó)華,李際平.森林景觀類型間耦合機(jī)理分析[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,34(8):35-39.

[8] 王國(guó)華,李際平.基于層次分析法的森林景觀邊緣效應(yīng)強(qiáng)度分析[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(4):110-116.

[9] 袁曉紅. 森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)及動(dòng)力學(xué)研究[D].長(zhǎng)沙:中南林業(yè)科技大學(xué),2012.

Construction of forest landscape patch pairs in west Donting lake region

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

The constructions of forest landscape patches and pairs of forest landscape patches are the bases of studying forest landscape patches coupled network. Through the classification of the west Dngting lake forest landscape and the fusion of adjacent subcompartments with same dominant tree species and tree age groups, the forest landscape patches were constituted and the pairs of forest landscape patches also were formed by using the adjacent relation different types of patches of forest landscape. Ten closed regions formed by closed corridors were extracted from the studied area. The results show that in the west Dongting lake forest landscape, the fusion degree of the shrub forest sub-compartment fusion was the maximum, that of pine plantations was the lowest, the area that it’s fusion ratio was the lowest had maximum number of patches, this is more conducive to the development of species diversity of the fringe zones, and the improvement of the richness of landscape types and the raise of ecological function.

forest landscape; landscape patches; adjacent sub-compartment fusion; pairs of forest landscape patches; west Donting lake

S771.5

A

1673-923X(2014)07-0036-05

2014-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30972362）

袁曉紅（1966-），女，湖南新化人，副教授，博士，碩士導(dǎo)師，主要研究方向：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，可視化技術(shù)

[本文編校：吳 毅]