地形對閩江流域上游福建省將樂縣森林景觀空間格局的影響

葉麗敏，邱榮祖，林宇洪，胡喜生

(福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福州350002)

森林是人類文明的搖籃，是人類生存和社會發(fā)展的重要自然地理要素［1］。區(qū)域人口與社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展驅(qū)動著人類對森林景觀的利用，森林景觀的破壞與損耗已成為關(guān)鍵性的生態(tài)環(huán)境問題［2］。景觀格局變化分析是森林景觀生態(tài)學(xué)理論與應(yīng)用研究的主要內(nèi)容之一，是研究景觀整體功能與生態(tài)過程的基礎(chǔ)，從而為景觀管理、資源保護(hù)與環(huán)境規(guī)劃提供支撐依據(jù)［3］。森林景觀格局是自然、生物和人為因素共同作用下的結(jié)果，景觀空間格局與環(huán)境因子之間存在著一定的聯(lián)系［4］。作為重要的自然環(huán)境因子，地形因子在不同程度上影響著光、熱、水、土壤的分布以及人為的干擾，從而對物種、群落和生態(tài)系統(tǒng)的格局產(chǎn)生巨大的影響［5-9］。因此，探討地形因子同森林景觀空間格局之間的關(guān)系并定量化，為揭示森林空間結(jié)構(gòu)及其分布規(guī)律提供基礎(chǔ)，進(jìn)而為森林資源的優(yōu)化配置和合理開發(fā)提供參考依據(jù)。

福建省將樂縣屬于“九山半水半分田”的自然形態(tài)，擁有豐富的林地資源和優(yōu)質(zhì)的種苗資源，有著“中國毛竹之鄉(xiāng)”的雅譽(yù)，是福建省生物多樣性保護(hù)的關(guān)鍵地區(qū)。近年來，該縣實施“生態(tài)優(yōu)先”戰(zhàn)略，將造林綠化與生態(tài)建設(shè)相結(jié)合，并以“深綠一派，清新滿邑”蟬聯(lián)2015中國深呼吸小城百佳榜榜首。將樂縣豐富的林業(yè)資源為區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展提供了豐富的資源和廣闊的前景。本研究通過定量分析將樂縣森林景觀格局與地形因子的相互作用機(jī)制，以期得到地形因子對森林分布格局影響的規(guī)律，為該縣森林結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)和建議。

1 研究地區(qū)概況

將樂縣位于福建省西北地區(qū)，地處閩江干流金溪中下游(26°26'～27°04'N，117°05'～117°40'E)，轄6個鎮(zhèn)、7個鄉(xiāng)、140個行政村(社區(qū))。全縣的地形特點為山地丘陵，地勢由西南向東北傾斜且海拔高差顯著，其最高海拔為1 620．4 m，而最低海拔僅為138 m。全縣森林覆蓋率高達(dá)82．3%，森林蓄積量為2 132 m3，多年平均氣溫為18．7℃、平均日照數(shù)為1 593．9 h，無霜期為298 d，年平均降水量為1 676．3 mm，常年相對濕度為82%?？h內(nèi)河流密集，水系發(fā)達(dá)，是典型的山溪性河流且屬中西帶季內(nèi)氣候，對林木生長十分有利。將樂縣作為福建省海峽西岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點林區(qū)縣，其自然資源(林產(chǎn)、礦產(chǎn)、水電等)十分豐富，林木生長周期長且自然災(zāi)害少，屬于自然資源型區(qū)域發(fā)展模型。

2 研究方法

2．1 森林景觀分類

本研究以2010年將樂縣森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)研究區(qū)土地利用的實際情況和景觀特征，將林地劃分為喬木林、經(jīng)濟(jì)林、竹類純林、竹混交林和其它林地5種景觀類型。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將喬木林細(xì)分為針葉純林、闊葉純林、針葉混交林、闊葉混交林和針闊混交林;其它林地包括疏林地、灌木林地、無立木林地(采伐跡地和火燒跡地)、未成林造林地和宜林地(封育荒山、林中空地、宜林荒山荒地和宜林沙荒地)。

2．2 地形因子提取

在ArcGIS10．0軟件的支持下，提取地貌類型、坡度和坡向3個地形因子的信息并進(jìn)行等級劃分。結(jié)合研究區(qū)實際海拔范圍，以體現(xiàn)自然風(fēng)貌、地形特征或規(guī)律為原則，將地貌類型劃分為低丘、高丘、低山和中山4類，如圖1(a)所示。為了分析土地利用方式與坡度之間的關(guān)系，將坡度劃分成6個坡度級，分別為平坡(0°～5°)、緩坡(6°～15°)、斜坡(16°～ 25°)、陡坡(26°～ 35°)、急坡(36°～45°)和險坡(＞45°)，如圖1(b)所示。對坡向進(jìn)行分級處理，分為5個方向:無坡向、陰坡(北坡和東北坡)、半陰坡(東坡和西北坡)、半陽坡(東南坡和西坡)和陽坡(南坡和西南坡)，如圖1(c)所示。

圖1 研究區(qū)地貌Fig．1 The landscape of the study area

2．3 景觀指數(shù)計算

利用ArcGIS10．0的空間分析功能，將生成的地貌類型圖、坡度分布圖、坡向分布圖分別與研究區(qū)的森林景觀類型圖進(jìn)行空間疊加，并將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)格分辨率為5 m×5 m的柵格數(shù)據(jù)。同時，采用由美國俄勒岡州立大學(xué)森林科學(xué)系開發(fā)的空間格局分析軟件Fragstats3．4計算景觀指數(shù)，分析將樂縣的森林景觀格局，以探討研究區(qū)各森林景觀類型的地形分異特征。本研究選取的景觀指數(shù)為斑塊類型面積(CA)、景觀百分比(PLAND)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、連接度指數(shù)(CONNECT)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)，其中連接度指數(shù)的指定閾值設(shè)為1 000 m［10-11］，各指數(shù)算法和原理參考文獻(xiàn) ［12］。

3 結(jié)果與分析

3．1 景觀格局的地貌分布特征

由圖1(a)可以看出，研究區(qū)的地貌類型組合是以高丘、低山及中山為主，占全縣林地面積的98．23%。其中，低山地貌占首位，為全縣林地面積的49．81%。從不同地貌類型中各森林景觀所占的比例可以看出(如圖2所示)，在低丘、高丘和低山3種地貌類型下針葉純林所占的景觀百分比較大，分別為44．17%、42．46%和37．49%;而中山地貌中，竹類純林的分布面積較大，占27．34%，其他依次為闊葉純林、針闊混交林、針葉純林、針葉混交林、其它林地、竹混交林和經(jīng)濟(jì)林。

不同森林景觀類型沿各地貌類型的分布情況見表1。由表1可以看出，針葉純林、針葉混交林和其它林地在低山地貌中的分布最為豐富，所占的景觀百分比分別為58．68%、53．39%和52．18%，其他依次為高丘、中山及低丘;闊葉純林、竹類純林和竹混交林主要分布在中山地貌，分別為45．63%、54．95%和 71．70%，其他依次為低山、高山和低丘;而闊葉混交林、針闊混交林和經(jīng)濟(jì)林集中分布在低山地貌。景觀指數(shù)變化情況見表2，由表2來看，隨著海拔的增加，斑塊密度和香農(nóng)均勻度指數(shù)減少，景觀形狀指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)先增加后減少，而最大斑塊指數(shù)和連接度指數(shù)先減少后增加。結(jié)果表明，研究區(qū)森林景觀斑塊的破碎化程度和均勻程度隨海拔增加而減小，景觀的形狀復(fù)雜程度和異質(zhì)性程度隨之增加而呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，而景觀優(yōu)勢度和連接性則隨之增加呈現(xiàn)先降低后升高趨勢。

圖2 不同地貌類型的森林景觀結(jié)構(gòu)Fig．2 The forest landscape structure of different physiognomy

表1 不同森林景觀類型沿地貌的分布情況Tab．1 Distribution of different forest landscape types by physiognomy

表2 不同地貌類型的森林景觀格局指數(shù)Tab．2 Forest landscape index of different physiognomy

3．2 景觀格局的坡度分布特征

從研究區(qū)坡度分布圖來看，全縣以斜坡、陡坡和急坡為主，占全縣林地的97．64%。其中，陡坡所占的比例為62．34%，遠(yuǎn)高于其他坡度;對比圖3發(fā)現(xiàn)，坡度介于0°～5°之間(即平坡)的林地上主要分布著經(jīng)濟(jì)林，其次為闊葉純林和針闊混交林;緩坡上經(jīng)濟(jì)林所占的比例最大，為58．08%，其他依次為針葉純林、針葉混交林、竹類純林、闊葉純林、針闊混交林和其它林地;斜坡和陡坡上針葉純林的分布較多，其次分別為針葉混交林和針闊混交林;而急坡和險坡上集中分布著闊葉純林，所占比例分別為35．57%和47．73%，其次為針闊混交林。

圖3 不同坡度的森林景觀結(jié)構(gòu)Fig．3 The forest landscape structure of different slopes

不同森林景觀類型沿坡度的分布情況見表3。從表3可知，研究區(qū)森林景觀類型在不同坡度的分布比例是不均衡的。其中，針葉純林、闊葉純林、針葉混交林、闊葉混交林、針闊混交林、竹類純林和其它林地的斑塊類型面積在坡度26°到35°之間(即陡坡)達(dá)到最大值，所占的比例55%以上，其次為斜坡和急坡;經(jīng)濟(jì)林在斜坡上分布最為豐富，其他依次為陡坡、緩坡、平坡、急坡和險坡;而竹混交林適宜于急坡中生長，其它依次為陡坡、斜坡和險坡。景觀格局指數(shù)分析見表4。從景觀格局指數(shù)分析，隨著坡度的增加，最大斑塊指數(shù)和連接度指數(shù)先減小后增大，景觀形狀指數(shù)先增大后減小，說明景觀的優(yōu)勢度和連接度呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢，景觀形狀的復(fù)雜程度則反之。

表3 不同森林景觀類型沿坡度的分布情況Tab．3 Distribution of different forest landscape types by slopes

表4 不同坡度的景觀格局指數(shù)Tab．4 Forest landscape index of different slopes

3．3 景觀格局的坡向分布特征

由圖1(c)可知，無坡向即坡度小于5°的平坦區(qū)占林地的面積較小，而其他各坡向占全縣林地面積的比例較均衡。不同坡向的森林景觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。從圖4對比可以看出，陰坡和半陰坡中主要分布著針葉純林，分別占29．17%和29．92%，其次為闊葉純林;半陽坡和陽坡上的景觀分布情況相似，各森林景觀所占的比例大小為:針葉純林＞針闊混交林＞闊葉純林＞竹類純林＞針葉混交林＞其它林地＞經(jīng)濟(jì)林＞竹混交林＞闊葉混交林;而無坡向中分布較多的景觀類型為針葉純林，其次為經(jīng)濟(jì)林和針葉混交林。

圖4 不同坡向的森林景觀結(jié)構(gòu)Fig．4 The forest landscape structure of different aspects

不同森林景觀類型沿坡向的分布情況見表5。對比表5可以看出，針葉純林、針葉混交林、針闊混交林、經(jīng)濟(jì)林和其它林地主要分布在半陽坡范圍，其他依次為陽坡、半陰坡、陰坡和無坡向;闊葉純林和竹類純林的坡向分布大體相同，多分布在陰坡，其次為半陰坡、半陽坡、陽坡和無坡向;竹混交林在半陰坡上的分布較多，其次為陽坡。不同地坡向的景觀格局指數(shù)見表6。從表6各指數(shù)的變化情況來看，陰坡的斑塊密度和最大斑塊指數(shù)較小，表明陰坡上的森林景觀較破碎;半陽坡的景觀形狀指數(shù)較大，而香農(nóng)均勻度指數(shù)較小，說明在半陽坡中景觀形狀較復(fù)雜且優(yōu)勢度較高;無坡向的斑塊密度、最大斑塊指數(shù)、連接度指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)均較大，而景觀形狀指數(shù)較小，說明無坡向中由闊葉純林和針葉純林組成的大班塊占優(yōu)勢地位，景觀的形狀較規(guī)則、空間連接程度大且分布均勻。

表5 不同森林景觀類型沿坡向的分布情況Tab．5 Distribution of different forest landscape types by aspects

表6 不同地坡向的景觀格局指數(shù)Tab．6 Forest landscape index of different aspects

4 討論與結(jié)論

探討森林景觀分布與地形因子之間的密切聯(lián)系不僅能在一定程度上反映出適宜各景觀類型生長的地形條件，而且可以揭示地形因子對景觀格局變化的影響程度［13-14］。地形因子(地貌、坡度、坡向等)控制了水分、溫度、養(yǎng)分、光照等物質(zhì)和能量的空間再分配［9，15］。本研究借助于地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS10．0和景觀分析工具Fragstats3．4，以景觀生態(tài)學(xué)理論為支撐，引入8個景觀格局指數(shù)，對將樂縣各森林景觀類型在地形梯度上的分異規(guī)律進(jìn)行定量分析。

將樂縣的地貌類型以低山為主，其次為中山和高丘。對于海拔高度低于1 000 m的林地來說，針葉純林較其他森林景觀類型有更高的景觀百分比，其次為針闊混交林。而分布于海拔1 000 m以上的主要森林景觀類型為竹類純林，其次為針葉混交林。森林景觀類型隨著海拔的變化而呈現(xiàn)出明顯的垂直地帶性分布現(xiàn)象，其中闊葉純林、竹類純林和竹混交林的面積隨海拔的增加而增加，而其他六種森林景觀類型面積隨海拔高度的增加而呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，并在海拔500～1 000 m之間取得極大值。由此可見，將樂縣針葉純林廣泛分布于低山地區(qū)，而竹類純林主要分布于海拔較高的中山地區(qū)。造成這一現(xiàn)象的主要原因是研究區(qū)針葉純林類型不多，主要有杉木、馬尾松、柳杉、黃山松等，其中馬尾松和杉木所占比重較大，且馬尾松林和杉木林多見于海拔1 100 m以下的低山區(qū)［16-18］。

研究區(qū)以陡坡為主，其次為斜坡和急坡。在坡度小于16°的平坡和緩坡中，經(jīng)濟(jì)林所占的景觀比例較大，以便人工管理;坡度介于16°與35°之間的斜坡和陡坡內(nèi)主要分布著針葉純林;在坡度大于36°的急坡和險坡中，闊葉純林所占的面積比例較其他森林景觀類型高，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的適應(yīng)性。從整體趨勢來看，各森林類型的景觀百分比隨坡度增加呈先增加后減少趨勢，并在陡坡取得極大值，說明陡坡的溫度、濕度、光照和土壤均適合森林植被的生長。

除了無坡向外，各森林景觀類型在各個坡向中的分布較為均勻。各個坡向上針葉純林的分布較多?？傮w趨勢來看，各森林景觀集中分布在半陽坡地段，說明西坡和東南坡的溫度、光照、濕度、風(fēng)量等有利于植物的生長。

隨著海拔和坡度的增加，研究區(qū)森林景觀的形狀復(fù)雜程度和多樣性呈先增大后減小趨勢，而景觀優(yōu)勢度和連接性則呈先減小后增大趨勢。同時可以看出，隨著海拔的增加，森林景觀的破碎化和均勻程度減小。比較3種地形因子對景觀演變過程的影響程度可以看出，坡度為關(guān)鍵因子，其次為地貌類型，而坡向的影響不明顯。

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