海南省五指山市林地景觀異質(zhì)性研究

佘宇晨，陳彩虹，陸 禹，陳冬洋

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

海南省五指山市林地景觀異質(zhì)性研究

佘宇晨，陳彩虹，陸 禹，陳冬洋

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

運(yùn)用海南省五指山市1998年、2003年、2007年3期遙感影像數(shù)據(jù)，2010年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)和1993年、1998年、2003年、2008年4期森林資源一類清查數(shù)據(jù)，應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)、森林可持續(xù)經(jīng)營和地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和方法，選取聚合度（AI）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、邊緣密度（ED）、破碎度指數(shù)（FN）、連接度指數(shù)（CONNECT）、斑塊密度（PD）等6個(gè)景觀格局指數(shù)，利用景觀fragstats4.0軟件計(jì)算五指山市不同林地景觀類型的景觀格局指數(shù),在此基礎(chǔ)上對五指山市林地景觀的異質(zhì)性進(jìn)行綜合分析與研究。研究結(jié)果表明，近20年內(nèi)五指山市的林地景觀類型分布一直較為均勻，復(fù)雜度基本較少改變; 各林地景觀類型的斑塊密度，均呈明顯的增加趨勢，形狀指數(shù)與邊緣密度變化方向一致，各斑塊間相互影響及轉(zhuǎn)化較小，景觀斑塊間類型的改變主要是通過林地與非林地間的轉(zhuǎn)化完成，景觀聚合度的年變化不大。研究成果對林地景觀動(dòng)態(tài)評價(jià)、生態(tài)脆弱性分析和林地綜合管理具有較大的理論與實(shí)踐指導(dǎo)意義。

林地景觀異質(zhì)性；遙感影像；景觀格局指數(shù)；海南省五指山市

對于“景觀異質(zhì)性”這個(gè)概念國內(nèi)外有較多定義,相對一致的觀點(diǎn)認(rèn)為，“景觀異質(zhì)性是指在景觀中對一個(gè)物種或高級生物組織的內(nèi)在決定作用的資源（或某種形狀）在空間（時(shí)間）上的變異程度（強(qiáng)度）”[1]。許多學(xué)者在景觀異質(zhì)產(chǎn)生的機(jī)理上的觀點(diǎn)有所分歧[2-3]。產(chǎn)生景觀異質(zhì)性的機(jī)制正是基于熱力學(xué)原理，即在開放系統(tǒng)中，能量由當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)化為另一種狀態(tài)，伴隨著新結(jié)構(gòu)的建立而使此系統(tǒng)增加了異質(zhì)性[4-6]。景觀異質(zhì)性起源于系統(tǒng)與系統(tǒng)要素之間的原生差異，同時(shí)也來源于外界干擾（如人類錯(cuò)誤生態(tài)行為的影響）與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的不平衡，是隨著其中某一項(xiàng)景觀要素出現(xiàn)的相對頻率變化而產(chǎn)生變化的[7]。當(dāng)景觀中存在≤1種景觀要素時(shí)，可以認(rèn)為該景觀是均質(zhì)的，由于人為干擾或是自然演變，產(chǎn)生另外一種景觀要素并占據(jù)有一定比例的時(shí)候，可以認(rèn)為景觀的同質(zhì)性受到了破壞，產(chǎn)生了異質(zhì)性。景觀異質(zhì)性會(huì)伴隨著該要素出現(xiàn)頻率的增加而不斷增加，直到達(dá)到某一臨界閾值占據(jù)主導(dǎo)地位的時(shí)候，此要素的相對頻率繼續(xù)增加而景觀異質(zhì)性開始下降，景觀則趨于均質(zhì)化[8]。

景觀異質(zhì)性使得各個(gè)景觀個(gè)體之間產(chǎn)生內(nèi)部與邊緣的差異，這種格局會(huì)對有機(jī)體的運(yùn)動(dòng)、物質(zhì)流、能量流等產(chǎn)生影響，而且對生態(tài)系統(tǒng)功能的維持有著非常重要的意義[9]。景觀異質(zhì)性的研究主要有空間異質(zhì)性（Spatial heterogeneity）、時(shí)間異質(zhì)性（Temporal heterogeneity）、功能異質(zhì)性（Functional heterogeneity）等3個(gè)方面。近年來，由于空間統(tǒng)計(jì)學(xué)的蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了一系列用來統(tǒng)計(jì)、度量變量在空間上的分布特征和影響程度的方法[10]。目前，景觀異質(zhì)性的分析方法主要是采用景觀格局指數(shù)法。本文的研究成果對林地景觀動(dòng)態(tài)評價(jià)、生態(tài)脆弱性分析和林地綜合管理具有較好的理論與實(shí)踐指導(dǎo)意義，對景觀格局的評價(jià)分析具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

五指山市地處海南島中南部腹地，經(jīng)緯度介于 109°19′～ 109°44′E、18°38′～ 19°02′N， 東 鄰瓊中縣、西接樂東縣、南臨保亭縣、北至白沙縣。全境東西寬43.1 km，南北長45.0 km，總面積1 128.87 km2，占海南島面積的3.5%。境內(nèi)地勢東、南、北三面高、西面低，地貌類型分為：中山、低山、高丘、低丘、臺(tái)地和河流谷地，主要山脈為五指山山脈，自東經(jīng)阿陀嶺向西延伸，把本市分成南北兩片。大小河流120多條，年均徑流量1.3×1010m3。氣候類型屬熱帶雨林季風(fēng)氣候。土壤類型多樣，既有地帶性土壤，也有非地帶性土壤，其垂直分布規(guī)律為：海拔750 m以上為山地黃壤；海拔400～750 m為赤紅壤；海拔150～400 m為磚紅壤。非地帶性土壤有水稻土，分為潴育型水稻土、淹育型水稻土、沼澤型水稻土、潛育型水稻土、滲育型水稻土等5個(gè)亞類。全市土地總面積112 886.67 hm2，其中：林地102 015.35 hm2，占土地總面積的90.37%；非林地10 871.31 hm2，占土地總面積的9.63%。全市活立木總蓄積9 694 617 m3，其中：林分蓄積9 686 463 m3，占總蓄積的99.92%；散生木蓄積2 391 m3，占總蓄積的0.02%；四旁樹蓄積5 763 m3，占總蓄積的0.06%。全市森林覆蓋率為86.44%。但是近年來隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人為干擾程度加深，五指山市林地景觀破碎化程度增大，生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)脆弱化趨勢，生態(tài)環(huán)境保護(hù)迫在眉睫。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

采用1998年、2003年和2007年3期海南省五指山市TM遙感影像數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，分別為1998年、2003年兩期SPOT數(shù)據(jù)（空間分辨率為10 m），以及2007年的ALOS數(shù)據(jù)（空間分辨率為2.5 m）；另外由于SPOT數(shù)據(jù)為全色波段數(shù)據(jù)，在部分地區(qū)判讀中存在困難，輔以1998年、2003年2期的TM數(shù)據(jù)（假彩色，空間分辨率為30 m）加以判讀；海南省五指山市在1993年、1998年、2003年和2008年四期森林資源連續(xù)清查資料，數(shù)據(jù)格式為 shape file 文件，包括屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)； 2010年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，以小班為單元，包括地類、林種、優(yōu)勢樹種、齡組、起源、林齡、郁閉度、可及度、自然度、蓄積量等詳細(xì)信息；2000～2013年五指山市統(tǒng)計(jì)年鑒資料。同時(shí)采用北京54坐標(biāo)系配準(zhǔn)各類數(shù)據(jù)，對3期TM遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查解譯，并獲得林地景觀類型的矢量數(shù)據(jù)。

圖1 固定樣地分布Fig.1 Distribution of fixation plots

1.3 景觀指標(biāo)的計(jì)算

（1）聚合度（AI）

式中：gij為基于單倍法的斑塊類型像元之間的節(jié)點(diǎn)數(shù)；maxgij為基于單倍法的斑塊類型i像元之間的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)。等于gij的實(shí)際值除以該類型最大限度聚集在一起時(shí)的gij最大值。

（2）景觀形狀指數(shù)LSI

式中：ei指類型i的邊緣長度或周長（用柵格表面數(shù)目表示），包括涉及斑塊類型i的所有景觀邊界線和背景邊緣；min為ei的最小可能值。LSI就等于相關(guān)斑塊類型的總邊緣長度除以總邊緣長度最小可能值[11]。

（3）邊緣密度ED

式中：eik為景觀中相應(yīng)斑塊類型的總邊緣長度，包括涉及該斑塊類型的景觀邊界線和背景部分；A為景觀總面積。ED就等于總邊緣長度除以景觀總面積，乘以10 000，單位為：米/公頃。

（4）破碎度指數(shù)（FN）

破碎度表示景觀中斑塊被分割的破碎程度，反映了景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性[11]。

公式如下：

式中：Ci為景觀i的破碎度，Ni為景觀i的斑塊數(shù)，Ai為景觀i的總面積。

（5）連接度指數(shù)CCONNECT

式中：cijk為與用戶指定臨界距離范圍內(nèi)的，和斑塊類型i有關(guān)的斑塊j與k的連接情況；ni為景觀中斑塊類型i的斑塊數(shù)量。連通度等于某類型斑塊中所有斑塊之間的節(jié)點(diǎn)數(shù)目再除以所有可能的節(jié)點(diǎn)數(shù)目乘以100轉(zhuǎn)化為百分比[11]。

（6）斑塊密度PD

式中：N等于景觀斑塊中斑塊的總數(shù)；A等于總景觀面積（m2）；PD等于景觀斑塊中斑塊數(shù)除以總景觀面積，在乘以10 000，再乘以100（轉(zhuǎn)化100 hm2）。注：總景觀面積包括任何內(nèi)部背景。單位：斑塊數(shù)/100 hm2[11]。

2 結(jié)果與分析

通過Fragstats4.0計(jì)算可以得出五指山市1998年、2003年、2007年的林地景觀指標(biāo)值,結(jié)果見表1。

由表1可知，各景觀類型中闊葉混交林的形狀指數(shù)最大為57.901 7，而非林地的形狀指數(shù)最小為2.707 7。因形狀指數(shù)LSI值越大，斑塊周邊越發(fā)達(dá)，表明1998年各景觀類型中，闊葉混交林周邊最發(fā)達(dá)，非林地周邊最不發(fā)達(dá)。闊葉混交林面積最大，從而導(dǎo)致混交林分布較為廣泛。非林地的破碎度FN最小為0，而針葉類破碎度FN最大為14 959.64，表明非林地斑塊在給定距離范圍內(nèi)沒有與它類型相同的斑塊，而針葉類則較多。連接度指數(shù)中，非林地連接度最大為30，竹林類的連接度最小為0.418 1，說明非林地類與周邊斑塊的連通性最大，因?yàn)楸疚难芯康闹饕橇值鼐坝^，因該數(shù)據(jù)處理時(shí)將非林地（水域、建設(shè)用地、未利用地等）合并成為非林地，因而非林地斑塊較為分散，分布比較均勻，與周邊的連通性較好。在9類景觀類型中，聚合度指數(shù)差別不大，且聚合度均大于60，表明五指山市景觀較為聚集，各景觀類型之間排列較為緊密。闊葉混交林斑塊密度PD最大為1.055 5，表明闊葉林出現(xiàn)頻數(shù)較大，為五指山市主要的景觀基質(zhì)。針葉林的為邊緣密度ED最大為31.082 1，其他灌木類的邊緣密度ED最小為0.4404。表明，針葉林斑塊與其他類型斑塊接觸面較大，不易受到危害。而其他灌木林則相反，易遭到破壞，穩(wěn)定性較差。景觀分離度指標(biāo)中，它的單位是比率，取值范圍為[0,1)，當(dāng)景觀只有一個(gè)斑塊時(shí)，DIVISION=0；當(dāng)景觀最大限度的細(xì)化時(shí)，DIVISION取得最大值。說明：DIVISION的基礎(chǔ)是累計(jì)斑塊面積的分布，可以理解為在景觀中隨機(jī)選擇的兩個(gè)像元，這兩個(gè)像元不屬于同一個(gè)斑塊類型的概率。同理：求出2003年、2007年五指山市景觀類型指標(biāo)值。

由圖2可知，五指山各景觀類型的邊緣密度ED多數(shù)呈明顯的增加趨勢，硬闊類與軟闊類景觀的增加較為明顯。闊葉混交林、竹林類、喬經(jīng)濟(jì)林類的邊緣密度ED則呈減小的趨勢。各景觀類型的邊緣密度ED大小排序?yàn)椋横樔~類＞軟闊類＞闊葉混交林＞硬闊類＞其他灌木類＞灌經(jīng)濟(jì)林類＞竹林類＞喬經(jīng)濟(jì)林類＞非林地。

表1 五指山市1998、2003、2007年各景觀類型指數(shù)Table 1 All kinds of landscape indexes of Wuzhishan City in 1998, 2003 and 2007

圖2 1998,2003,2007年邊緣密度動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of edge density in 1998, 2003, 2007

由圖3可知，五指山市各景觀類型的斑塊密度PD，除竹林類、喬經(jīng)濟(jì)林類均呈明顯的增加趨勢，其中軟闊類變化幅度最為明顯。同年中，各林地景觀類型斑塊密度PD大小排序?yàn)椋洪熑~混交林＞軟闊類＞針葉類＞硬闊類＞其他灌木類＞竹林類＞灌經(jīng)濟(jì)林類＞喬經(jīng)濟(jì)林類＞非林地。

由圖4可知，五指山市各景觀類型的聚合度AI指數(shù)大多呈減小趨勢，只有硬闊類、喬經(jīng)濟(jì)林類、灌經(jīng)濟(jì)林類、其他灌木類呈減小趨勢。表明這四種景觀類型斑塊的發(fā)展和其他景觀類型有所不同，抵抗外界干擾的能力與其他景觀類型有所區(qū)別。

由圖5可知，除非林地之外的各景觀類型的連接度均較小，說明所計(jì)算的景觀類型存在3種可能：1）僅由1個(gè)或少數(shù)幾個(gè)斑塊組成；2）該景觀中所有斑塊類型只含有1個(gè)或少數(shù)幾個(gè)斑塊數(shù)量；3）斑塊連通性較小。同時(shí)各景觀類型的連接度CONNECT動(dòng)態(tài)變化幅度較小，不存在明顯變化。

圖3 1998,2003,2007年斑塊密度動(dòng)態(tài)化Fig.3 Dynamic changes of patch density in 1998, 2003 and 2007

圖4 1998,2003,2007年聚合度動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of polymerization degree in 1998, 2003 and 2007

圖5 1998,2003,2007年連接度動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of connectivity degree in of 1998, 2003 and 2007

由圖6可知，五指山市各景觀類型的形狀指數(shù)LSI多呈增加的趨勢，竹林類、喬經(jīng)濟(jì)林類呈下降的趨勢。在1998～2007年年間，軟闊類的形狀指數(shù)LSI上升幅度最大，竹林類下降幅度最大。

圖6 1998,2003,2007年形狀指數(shù)動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Dynamic changes of landscape shape index in 1998, 2003 and 2007

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

（1）通過分析1998、2003、2007年連續(xù)3期的五指山市林地景觀，由圖1，得1998年闊葉混交林的形狀指數(shù)LSI最高，非林地類最低；針葉林類的破碎度FN最大，非林地類最?。挥蓤D4，非林地類的連接度CCONNECT最大，闊葉混交林最??；針葉林的聚合度AI最大，喬木經(jīng)濟(jì)林的最小，闊葉混交林的斑塊密度PD最大，非林地的最??；針葉林的邊緣密度ED最大，其他灌木林類最小。2003年闊葉混交林的形狀指數(shù)LSI最高，非林地類最低；針葉林類的破碎度FN最大，非林地類最??；非林地類的連接度CCONNECT最大，竹林類最??；針葉林的聚合度AI最大，喬木經(jīng)濟(jì)林的最小，闊葉混交林的斑塊密度PD最大，非林地的最小；針葉林的邊緣密度ED最大，非林地類最小。2007年，闊葉混交林的形狀指數(shù)LSI最高，非林地類最低；針葉林類的破碎度FN最大，非林地類最小；非林地類的連接度CCONNECT最大，闊葉混交林最小；針葉林的聚合度AI最大,竹林類的最小，闊葉混交林的斑塊密度PD最大，非林地的最小；針葉林的邊緣密度ED最大，非林地類最小。

（2）近10年內(nèi)五指山市林地景觀類型分布較為均勻，復(fù)雜度基本沒變。各景觀類型的斑塊密度，均呈明顯的增加趨勢，形狀指數(shù)與邊緣密度變化方向一致，各斑塊間相互影響及轉(zhuǎn)化較小，景觀斑塊間類型的改變主要是通過林地與非林地間的轉(zhuǎn)化完成，景觀聚合度的年變化不大。

3.2 討 論

（1）運(yùn)用目視解譯進(jìn)行判讀，人為主觀影響較大，將五指山市的景觀類型分為闊葉混交類、喬木經(jīng)濟(jì)林類、硬闊類、針葉類、軟闊類、竹林類、灌木經(jīng)濟(jì)林類、其他灌木類、非林地類等九大景觀類而非小班類型的研究尺度，研究尺度相對較大，因此將會(huì)給所預(yù)測結(jié)果造成一定的誤差[12]。

（2）景觀格局的變化是受人為因素、自然條件因素、社會(huì)發(fā)展因素等眾多驅(qū)動(dòng)力所影響的。本文主要是對景觀格局的變化進(jìn)行分析及預(yù)測，鮮有討論對引起景觀因素變化的驅(qū)動(dòng)力的分析，在今后的研究過程中，可嘗試從此方面著手進(jìn)行分析[13-14]。

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Study on heterogeneity of forest landscape in Wuzhishan city, Hainan province

SHE Yu-chen, CHEN Cai-hong, LU Yu, CHEN Dong-yang
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Based on the data of Wuzhishan city’s 1998, 2003, and 2007 three period remote sensing images, 2010 forest resources II class investigation data and 1993, 1998, 2003, and 2008 four period category inventory data, by adopting applying landscape ecology,sustainable forest management and geostatistical statistics theory and method, six landscape pattern indexes, including degree of polymerization (AI), landscape shape index(LSI), Edge density(ED), Fragmentation index(FN), Connectivity index(CONNECT) and patch density index (PD) were selected, the landscape pattern indexes of different woodland landscape types of Wuzhishan city were computed by using software of landscape fragstats 4.0. On the basis of above results, Wuzhishan forest landscape heterogeneity was comprehensive analyzed and studied. The results show that in recently 20 years, the distribution of Wuzhishan city forest landscape types have been relatively uniform, and less complexity basic changed; Various types of forest landscape patch density all showed a trend of obvious increase and shape index and edge density changed in the same direction, the mutual influence and transformation between the plaques and were smaller, the landscape type changes were accomplished mainly through the transformation of forest-land and nonforestland, the annual change of landscape polymerization degree didn’t changed much. The research findings have great theory and practical guiding significance in dynamic evaluation of forest landscape, ecological vulnerability analysis andfForest land comprehensive management.

woodland landscape heterogeneity; remote sensing image; forest landscape pattern index; Wuzhishan city of Hainan province

S718.55+1.1

A

1673-923X(2015)11-0136-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.11.024

2015-01-10

湖南省軟科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（2013ZK2031）；國家林業(yè)公益性行業(yè)項(xiàng)目（201004032）；海南省林業(yè)廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目（201108478）

佘宇晨，碩士研究生

陳彩虹，教授； E-mail：chencaihong056@163.com

佘宇晨，陳彩虹，陸 禹，海南省五指山市林地景觀異質(zhì)性研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 35(11): 136-141.

[本文編校：吳 毅]