“森林景觀斑塊耦合體”的構(gòu)建研究

趙春燕，李際平，鄭 柳

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

“森林景觀斑塊耦合體”的構(gòu)建研究

趙春燕，李際平，鄭 柳

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

為了森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)，在景觀尺度上提出“森林景觀斑塊耦合體”，本文從斑塊耦合體的構(gòu)建條件、構(gòu)建方法和結(jié)果檢驗(yàn)進(jìn)行分析。以常德市河洑林場(chǎng)為例，構(gòu)建了森林景觀斑塊耦合體，耦合體內(nèi)部斑塊間邊緣效應(yīng)強(qiáng)于邊緣區(qū)，森林景觀斑塊耦合體強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)整體性功能，強(qiáng)調(diào)景觀斑塊空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

森林景觀；斑塊耦合體；森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)；邊緣效應(yīng)

兩個(gè)森林景觀斑塊相互耦合作用呈現(xiàn)邊緣效應(yīng)，邊緣效應(yīng)導(dǎo)致景觀尺度上生態(tài)系統(tǒng)的改變，邊緣效應(yīng)具有不同空間尺度[1]，森林生態(tài)景觀中不同類(lèi)型群落相互滲透為小尺度邊緣效應(yīng)。任一空間尺度邊緣效應(yīng)的研究需要在一個(gè)相對(duì)均質(zhì)與穩(wěn)定的系統(tǒng)中進(jìn)行[2]，“森林景觀斑塊耦合體”正是小尺度邊緣效應(yīng)研究所處的相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)。

斑塊耦合體是由兩個(gè)或兩個(gè)以上具有異質(zhì)性的斑塊構(gòu)成，斑塊之間長(zhǎng)期相互耦合，具有較強(qiáng)的異質(zhì)性的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。斑塊耦合體相對(duì)于更大的生態(tài)系統(tǒng)而言，在一定時(shí)期內(nèi)維持可持續(xù)形態(tài)，具有一定均質(zhì)性。本文的研究對(duì)象為森林景觀斑塊，若斑塊耦合體是由異質(zhì)性的森林景觀斑塊構(gòu)成，稱之為森林景觀斑塊耦合體[3-5]。

斑塊耦合體強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)整體性功能，與森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)相符合[6-7]，文章以常德市河洑林場(chǎng)為研究對(duì)象，構(gòu)建森林景觀斑塊耦合體，對(duì)比分析耦合體內(nèi)斑塊之間與耦合體間邊緣效應(yīng)，以此驗(yàn)證斑塊耦合體，并用景觀相似度指數(shù)、景觀破碎化指數(shù)對(duì)斑塊耦合體進(jìn)行特征分析。

1 研究區(qū)概況

常德市河洑林場(chǎng)位于常德市西郊，常德、桃源兩縣交界的河洑山，東經(jīng)111°37′43″，北緯29°03′50″，屬于武陵山余脈低丘地區(qū)，海拔高43～115 m。該區(qū)域?qū)儆谥衼啛釒虮眮啛釒н^(guò)渡的季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫16.7 ℃，降水充沛，四季分明。主要植被有濕地松、杉木林、常綠闊葉林、灌木和草本，以人工林為主。

2 研究方法

2.1 森林景觀斑塊耦合體構(gòu)建條件

斑塊耦合體一般由具有一定阻隔作用的廊道封閉而成的系統(tǒng)，其構(gòu)建條件有：（1）具有一定阻隔作用的廊道形成閉合區(qū)域，在常德市的河洑林場(chǎng)，河流廊道寬度大于9 m、道路廊道寬度大于7 m的廊道構(gòu)建成斑塊耦合體[8]；（2）若按照條件（1）不能形成閉合區(qū)域，則選取廊道兩側(cè)斑塊之間邊緣效應(yīng)較高的廊道形成閉合區(qū)域。

2.2 基于ArcGIS森林景觀斑塊耦合體的構(gòu)建方法

運(yùn)用ArcGIS軟件對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行廊道提取，廊道的屬性數(shù)據(jù)中應(yīng)有廊道寬度和邊緣效應(yīng)，并與林相圖進(jìn)行疊加，運(yùn)用network analysis網(wǎng)絡(luò)分析工具進(jìn)行廊道網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)路徑的選擇。

2.3 森林景觀斑塊耦合體的構(gòu)建結(jié)果檢驗(yàn)

復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部具有一定穩(wěn)定性，森林景觀斑塊耦合體作為一個(gè)獨(dú)立復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)判定森林景觀斑塊耦合體內(nèi)部斑塊之間及與邊界斑塊邊緣效應(yīng)大小，依據(jù)為森林景觀斑塊耦合體內(nèi)部斑塊比與邊界斑塊的邊緣效應(yīng)表現(xiàn)為強(qiáng)作用力，以此檢驗(yàn)森林景觀斑塊耦合體構(gòu)建的效果。

邊緣效應(yīng)強(qiáng)度（Ei）采用王伯蓀等[9]提出的邊緣效應(yīng)指數(shù)，公式為：

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

2.4 森林景觀斑塊耦合體特征分析

由廊道封閉所構(gòu)建斑塊耦合體中包含的斑塊既有森林景觀斑塊，還包含農(nóng)田或非林地等景觀斑塊。斑塊耦合體為復(fù)雜穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，要求內(nèi)部斑塊為干擾程度較小、形狀較規(guī)則，能夠劃分斑塊的中心地帶和邊緣地帶。因此，本文選取景觀破碎化指數(shù)和景觀相似性指數(shù)分析森林景觀斑塊耦合體的特征。

其中景觀相似性指數(shù)采用下面公式[10]：

R=Ai/A。 （2）

式中：R為景觀相似性指數(shù)，Ai為第i類(lèi)景觀類(lèi)型面積，A為景觀總面積。

森林斑塊形狀破碎化指數(shù)采用下面公式[11-13]：

FS=1-1/MSI。 （3）

式中：FS為森林景觀類(lèi)型的斑塊形狀破碎化指數(shù)，MSI則為平均形狀指數(shù)，SI(i)為第i個(gè)森林景觀斑塊的形狀指數(shù)，P(i)為第i個(gè)森林景觀斑塊的周長(zhǎng)，A(i)為第i個(gè)森林景觀斑塊的面積，A為同類(lèi)景觀斑塊總面積，N為景觀斑塊的數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)森林景觀斑塊耦合體構(gòu)建結(jié)果

在研究區(qū)域，由一定寬度廊道封閉的閉合區(qū)域形成斑塊耦合體，基于ArcGIS軟件對(duì)圖形管理分析功能，圖1的上部區(qū)域不能形成封閉系統(tǒng)，因此構(gòu)建了3個(gè)斑塊耦合體，分別編號(hào)1、2、3，此3個(gè)封閉區(qū)域能否形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)，還需要要斑塊耦合體內(nèi)部斑塊與邊緣斑塊邊緣效應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖1 構(gòu)建森林景觀斑塊耦合體Fig.1 Construction of forest landscape plaques coupling system

3.2 研究區(qū)森林景觀斑塊耦合體構(gòu)建結(jié)果檢驗(yàn)

針對(duì)圖1中所構(gòu)建的3個(gè)斑塊耦合體，依據(jù)公式(1)計(jì)算內(nèi)部斑塊以及耦合體之間斑塊的邊緣效應(yīng)值，其中斑塊耦合體1內(nèi)部斑塊與耦合體間斑塊邊緣效應(yīng)結(jié)果如表1。

斑塊耦合體1內(nèi)部斑塊的邊緣效應(yīng)最大值為1.28，最小值為0.12，邊緣效應(yīng)在0.3以下有4個(gè)，占25%，斑塊邊緣效應(yīng)的平均值為0.404；而位于耦合體邊界處的斑塊間邊緣效應(yīng)最大值為0.719，最小值為0.013，邊緣效應(yīng)在0.3以下的數(shù)據(jù)有8個(gè)，占50%，斑塊邊緣效應(yīng)的平均值為0.293，邊緣效應(yīng)平均值相差0.111。因此，從斑塊邊緣效應(yīng)的最大值、最小值、平均值反映耦合體內(nèi)部斑塊之間的作用力強(qiáng)。

表1 閉合區(qū)域1的邊緣效應(yīng)Table 1 Edge effects of closed area No.1

按照同樣方法計(jì)算斑塊耦合體2和3內(nèi)部斑塊和邊界處斑塊的邊緣效應(yīng)，同樣得到耦合體內(nèi)部斑塊比邊界處斑塊的邊緣效應(yīng)值更大，表明內(nèi)部斑塊之間耦合作用更強(qiáng)。

3.3 研究區(qū)森林景觀斑塊耦合體特征分析

依據(jù)公式（2）～（5），計(jì)算斑塊耦合體形狀破碎化指數(shù)和景觀相似度指數(shù)。其結(jié)果如表2和表3。

表2 耦合體景觀相似性指數(shù)Table 2 Landscape similarity indexes of coupling system

從表2中景觀相似性指數(shù)得出，斑塊耦合體1的景觀相似性指數(shù)為0.75，耦合體1中的森林景觀所占比重最大，其它類(lèi)型的景觀所占比重較小，斑塊耦合體3中的森林景觀所占比重較小。

從斑塊形狀指數(shù)來(lái)看，斑塊耦合體1內(nèi)部斑塊形狀指數(shù)最小值為1.03，最大值為2.66，而斑塊耦合體2內(nèi)部斑塊形狀指數(shù)最小值為0.97，最大值為2.69，斑塊耦合體3內(nèi)部斑塊形狀指數(shù)最小值為1.03，最大值為3.64，說(shuō)明斑塊耦合體3斑塊之間形狀差異最大，斑塊耦合體1之間形狀差異最小。

從斑塊形狀破碎化指數(shù)來(lái)看，耦合體1的形狀破碎化指數(shù)分布在0.27左右，說(shuō)明內(nèi)部斑塊形狀規(guī)則，破碎化程度小，耦合體2形狀破碎化指數(shù)分布在0.37左右，斑塊形狀最不規(guī)則，形狀破碎化程度最高。綜合斑塊形狀破碎化指數(shù)和景觀相似度指數(shù)，耦合體1的內(nèi)部最穩(wěn)定，最適合作為一個(gè)復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

4 結(jié)論與討論

（1）為了森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)，在景觀尺度上提出“森林景觀斑塊耦合體”，森林景觀斑塊耦合體是由兩個(gè)或兩個(gè)以上長(zhǎng)期相互耦合并具有一定程度異質(zhì)性的森林景觀斑塊構(gòu)成，由具有一定阻隔作用的廊道封閉形成。

表3 耦合體斑塊形狀破碎化指數(shù)Table 3 Patches’ shape fragmentation indexes of coupling system

（2） 森林景觀斑塊耦合體內(nèi)部斑塊的邊緣效應(yīng)高于耦合體邊緣處，從斑塊形狀破碎化指數(shù)和形狀指數(shù)來(lái)看，耦合體內(nèi)部形狀更規(guī)則，破碎化較低，森林景觀斑塊耦合體強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)整體性功能。

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Construction of forest landscape patches coupling system

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

For better managing forest ecosystems, based on the conception of landscape scale, the idea of landscape scale plaque coupling body was put forward. The construction condition construction method and test result of forest landscape patches coupling system were studied. Further, by taking Hefu Forest Farm in Changde city as an example, it’s forest landscape patches coupling system has been set up. The results show that the coupling body internal edge effect was stronger than the fringe of the patch area, and it was suggested that in use couse of the forest landscape patch coupling system, it’s system integrity functions should be stressed, and the landscape spatial structure should be optimized to meet the forest ecosystem management target.

forest landscape; patches coupling system; forest ecosystem management; fringe effect

S771.5

A

1673-923X(2014)07-0041-04

2014-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30972362）

趙春燕（1976-），女，湖南常德人，講師，博士，研究方向：林業(yè)系統(tǒng)工程

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]