基于GIS的大別山區(qū)霍山縣森林景觀格局和特征分析

王升堂，汪洋，孫賢斌，黃潤

(1.皖西學(xué)院資源環(huán)境與旅游管理學(xué)院，安徽六安237012；2.霍山縣林業(yè)局，安徽霍山237200)

基于GIS的大別山區(qū)霍山縣森林景觀格局和特征分析

王升堂1，汪洋2，孫賢斌1，黃潤1

(1.皖西學(xué)院資源環(huán)境與旅游管理學(xué)院，安徽六安237012；2.霍山縣林業(yè)局，安徽霍山237200)

利用森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，在ArcGIS10.3和Fragstats4.2支持下，從斑塊類型和景觀鑲嵌體兩級水平上選取多種指數(shù)對大別山區(qū)霍山縣森林景觀的格局和特征進(jìn)行分析。結(jié)果顯示：有林地景觀類型占總面積的73.549%，是最主要的土地利用類型。有林地中的天然闊葉林、天然針葉林、人工針葉林、人工闊葉林和人工竹林所占比重較高，景觀空間分布呈現(xiàn)集中連片，是起支配作用的主要景觀；全區(qū)森林景觀多樣性豐富，景觀異質(zhì)性較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有利于維護(hù)區(qū)域生物多樣性和發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)功能，維系生態(tài)平衡，改善生態(tài)環(huán)境；但受人類活動的干擾，林地景觀破碎化，不利于改善立地條件與提高林分質(zhì)量。

森林景觀；景觀特征；GIS；霍山縣

森林是陸地最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，是維持生態(tài)平衡和改善生態(tài)環(huán)境的重要保障[1]。森林景觀是以森林生態(tài)系統(tǒng)為主體所構(gòu)成的景觀，對森林景觀格局的數(shù)量化分析是揭示其空間分布基本規(guī)律的主要手段，為通過科學(xué)的森林景觀規(guī)劃設(shè)計、實(shí)施生態(tài)建設(shè)和管理提供依據(jù)[2]。目前主要采用景觀指數(shù)對景觀格局進(jìn)行數(shù)量分析[3]，隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的成熟，將GIS分析與景觀指數(shù)計算軟件(Fragstats)相結(jié)合的方法得到廣泛運(yùn)用[4-7]。在《中國主體功能區(qū)劃方案》中大別山區(qū)被劃為重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)[8]，是中國25個重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)之一，是華東地區(qū)的生態(tài)屏障。一旦大別山區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性遭受威脅，將危害到華東區(qū)域生態(tài)安全格局。對大別山區(qū)森林資源的相關(guān)研究多以植物區(qū)系、植被類型分布以及森林植被經(jīng)營為主[9-12]。從景觀生態(tài)角度對大別山區(qū)森林資源的研究相對較少。

霍山縣地處大別山腹地，是淮河重要支流淠河的河源區(qū)，境內(nèi)山高林密，溪河密布。全境千米以上的高峰有47座，大別山3大高峰白馬尖、多云尖和天河尖，均處于霍山縣境內(nèi)，其中白馬尖是大別山的主峰，海拔1 774m。分布于境內(nèi)的佛子嶺、磨子潭、白蓮崖等3座大型水庫及73座中小型水庫連同位于金寨縣的響洪甸水庫一起為淠史杭灌區(qū)中的淠河灌區(qū)提供優(yōu)質(zhì)水源，區(qū)域水資源豐富、水質(zhì)優(yōu)良。

本文以霍山縣作為大別山北坡森林的代表，對森林生態(tài)系統(tǒng)景觀格局進(jìn)行分析，探討森林景觀格局的總體特征及異質(zhì)性，以期為優(yōu)化景觀配置、森林資源的持續(xù)經(jīng)營、生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

霍山縣位于安徽省西部，地處大別山北坡，北緯31°03′~31°33′，東經(jīng)115°52′~116°32′。東與六安市的金安區(qū)、舒城縣接壤，南與安慶市的岳西縣、湖北省英山縣毗連，西北與六安市的金寨縣、裕安區(qū)為鄰，如圖1所示?？偯娣e2 044.9 km2，2014年總?cè)丝?6.3萬，是個“七山一水一分田，一分道路和莊園”的山區(qū)縣。地勢南高北低，依次可分為中山、低山和丘陵畈區(qū)，并間有一些小型的河谷盆地。中山區(qū)位于西南部，山勢雄峻，谷深坡陡，海拔高度大都在800m以上，平均1 000m左右，千米以上的高峰幾十座，是用材林、水源涵養(yǎng)林和藥材生長的主要區(qū)域。低山區(qū)位于中部，海拔500~800m，山體破碎，坡度較緩，是以林木、毛竹、糧食為主的多種經(jīng)營區(qū)域。丘陵畈區(qū)位于東北部，海拔500m以下，最低處僅50m。河谷較寬闊，丘崗平地相間，是霍山縣主要糧油產(chǎn)區(qū)。

霍山縣地處北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，氣候基本特征：季風(fēng)明顯，冷熱適中，雨量充沛，光、熱、水等氣候資源豐富。全縣年平均降水量為1 366 mm，年均氣溫15.3℃，年均無霜期220天。

霍山縣植被較豐富，但由于人們長期經(jīng)營活動，植被類型及其數(shù)量有所改變。原生植被已多為次生植被代替，中山區(qū)以自然植被為主，低山區(qū)自然與人工植被并重，丘陵區(qū)以人工植被為主。

圖1 霍山縣地理位置示意圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源和處理

研究數(shù)據(jù)來源為霍山縣林業(yè)局2013年完成的森林資源二類調(diào)查，數(shù)據(jù)格式為ArcGIS Geodatabase數(shù)據(jù)，林地小班屬性包括小班編號、地類、起源、優(yōu)勢樹種、樹種組成、年齡、權(quán)屬等55個屬性字段。

利用森林資源數(shù)據(jù)庫中的地類、起源、優(yōu)勢樹種、樹種組成等屬性字段進(jìn)行森林景觀要素劃分，在ArcGIS10.3中用Dissolve工具將分類的森林景觀相鄰小班進(jìn)行融合處理，融合后應(yīng)用Feature to raster工具將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)(2m×2m)，柵格數(shù)量為14 779×15 682，最后將柵格輸出為Geotiff格式。

2.2 研究方法

利用柵格版景觀分析軟件Fragstats4.2進(jìn)行景觀格局指數(shù)的計算。Fragstats可計算單個斑塊、斑塊類型、景觀鑲嵌體3個層次的景觀指數(shù)[13]。選擇斑塊類型特征、斑塊類型異質(zhì)性和景觀異質(zhì)性等景觀指數(shù)計算分析研究區(qū)景觀特征。（1）斑塊類型特征指數(shù)。選擇斑塊類型面積CA（hm2）、景觀百分比PLAND(%)、斑塊數(shù)NP(塊)、斑塊平均面積指數(shù)AREA_MN（hm2）、平均斑塊形狀指數(shù)SHAPE_MN、平均斑塊分形指數(shù)FRAC_MN等指數(shù)計算分析斑塊類型特征。（2）斑塊類型異質(zhì)性指數(shù)。選取斑塊密度PD（塊/km2）、邊緣密度ED（m/hm2）、散布毗鄰指數(shù)IJI(%)、聚集度AI(%)等指標(biāo)描述各斑塊類型的異質(zhì)性。（3）景觀異質(zhì)性指數(shù)。選取蔓延度指數(shù)CONTAG(%)、散布毗鄰指數(shù)IJI(%)、香濃多樣性指數(shù)SHDI和香濃均勻度指數(shù)SHEI來表征景觀水平異質(zhì)性。

2.3 森林景觀要素劃分

對整體景觀要素的劃分是進(jìn)行景觀格局分析的基礎(chǔ)，是景觀生態(tài)規(guī)劃設(shè)計和管理的前提[5]。由于對景觀的理解各不相同，使得迄今為止還沒有一個統(tǒng)一的森林景觀分類體系。為多尺度、多層次分析區(qū)內(nèi)森林景觀格局特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際調(diào)查從地類、森林植被類型二級尺度對森林景觀進(jìn)行分類劃分。從斑塊類型水平、景觀水平兩個層次進(jìn)行景觀指數(shù)計算分析。

第1級：按照《國家森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》對林地類型的劃分，根據(jù)森林資源數(shù)據(jù)庫屬性字段地類的值將研究區(qū)林地景觀劃分為有林地(包括喬木林地、竹林地)、疏林地、灌木林地(國家特別規(guī)定灌木林、其他灌木林)、未成林地(人工造林未成林地、封育未成林地)、苗圃地、無立木林地(采伐跡地、火燒跡地、其他無立木林地)、宜林地(宜林荒山荒地、宜林沙荒地、其他宜林地)等類型，其他土地利用分為水域和非林地(包括耕地、建設(shè)用地)等，共9種景觀類型。

第2級：根據(jù)森林資源數(shù)據(jù)庫的起源和樹種組成屬性字段值將有林地按森林植被類型劃分為人工針葉林、人工闊葉林、人工針葉混交林、人工針闊混交林、人工闊葉混交林、人工竹林、天然針葉林、天然闊葉林、天然針葉混交林、天然針闊混交林、天然闊葉混交林、天然竹林等12種景觀類型。根據(jù)景觀要素劃分的結(jié)果，利用ArcGIS的融合工具（Dissolve）對屬性一致且地理位置相鄰的景觀要素進(jìn)行融合，然后導(dǎo)出Geotiff格式數(shù)據(jù)，得到如圖2所示的霍山縣森林景觀要素空間分布圖。

圖2 霍山縣森林景觀要素劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 斑塊類型的總體特征

全區(qū)景觀斑塊總數(shù)15 144塊，斑塊數(shù)的計算受4鄰或8鄰規(guī)則影響，本研究選擇的是默認(rèn)的8鄰規(guī)則。景觀總面積204 489.39 hm2(表1)。從地類層次看，斑塊面積最大的是有林地，占總面積的73.549%，有林地是最主要的景觀類型，主導(dǎo)著景觀整體的結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)過程。其他依次為非林地、灌木林地、水域、宜林地、未成林地、無立木林地、疏林地和苗圃。其中宜林地的景觀面積940.41 hm2，僅占總面積的0.46%，表明宜林尚未完成造林的情況很少，同時也說明造林后備潛力不大。

從斑塊數(shù)量看，非林地最多，其次為人工竹林。這是因為非林地包括了耕地、居民點(diǎn)和道路等土地利用類型，由于山區(qū)自然地形條件的限制，耕地與居民點(diǎn)用地散布于林地之中，僅在北部丘陵畈區(qū)相對比較集中，因而數(shù)量多。人工竹林斑塊數(shù)量多，面積比重較大，是因為近年來霍山竹產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，農(nóng)民經(jīng)營竹林的熱情空前高漲。

表1 景觀斑塊類型特征指數(shù)

二級景觀分類中，有林地細(xì)分為12中景觀要素類型。從起源看，人工起源的占35.59%，天然起源的占37.959%，兩者比例大致相當(dāng)。從純林和混交林看，純林占53.9%，混交林僅5.487%。混交林的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)較純林復(fù)雜，混交林在改善立地條件、提高林分質(zhì)量、涵養(yǎng)水源、保持水土、預(yù)防森林病蟲害等多方面明顯優(yōu)于純林[14]。純林在郁閉度過大的情況下，會阻斷陽光進(jìn)入林下，以致林下灌木和草都不能生長，造成土壤裸露，形成林下土壤侵蝕[15]。因此在公益林的營造中應(yīng)盡可能地營造混交林，以提高森林景觀的生態(tài)效益。從景觀要素類型看，天然闊葉林、天然針葉林、工針葉林、人工闊葉林和人工竹林所占比重較高，均超過10%，在景觀分布圖上這幾種類型呈現(xiàn)出集中連片分布，在整個森林景觀中居主導(dǎo)地位，在維持森林景觀多樣性和穩(wěn)定性中起支配作用。從平均形狀指數(shù)看，景觀整體為2.12，天然起源的森林景觀斑塊類型的形狀指數(shù)明顯大于人工起源的斑塊類型，其中苗圃的形狀指數(shù)最小，水域的形狀指數(shù)最大，苗圃是深受人類經(jīng)營活動影響的緣故，而水域則受復(fù)雜地形的制約。各斑塊類型平均形狀指數(shù)值介于1.55~3.37之間，明顯大于1，這反映出森林景觀斑塊的形狀不規(guī)則，偏離圓形或方形的程度較大，斑塊形狀受山區(qū)復(fù)雜地形的影響顯著。

斑塊分形指數(shù)能揭示景觀斑塊周邊的復(fù)雜程度，同時能在一定程度上反映出人類活動對景觀格局的影響。其理論取值范圍為1~2，1代表形狀最簡單的方形，2代表等面積下周邊最復(fù)雜的斑塊[16]。從總體看，全區(qū)平均斑塊分形指數(shù)值為1.14，各斑塊類型分形指數(shù)接近，都比較接近于1，表明斑塊形狀在人類干擾下趨向簡單。

3.2 斑塊類型水平異質(zhì)性

斑塊密度是某類景觀斑塊數(shù)除以景觀總面積。單位景觀面積上異質(zhì)景觀要素斑塊數(shù)量越多，斑塊密度的值就越大，則斑塊規(guī)模就越小，斑塊也就越分散，景觀空間異質(zhì)性越高。從表2看，非林地景觀斑塊密度的值最大，說明非林地最為分散，表示山區(qū)缺少集中連片的耕地，另外山區(qū)的居民點(diǎn)因地形與交通條件的限制，規(guī)模很小，分布十分分散。苗圃、人工闊葉混交林、疏林地、天然針葉混交林等的斑塊個數(shù)很少，分別為2，5，7和8塊，相應(yīng)的斑塊密度也很小。區(qū)內(nèi)優(yōu)勢景觀人工針葉林、人工闊葉林、人工竹林、天然針葉林、天然闊葉林的斑塊密度介于0.334~0.8塊/km2之間，平均斑塊面積大于1 km2，這些景觀類型斑塊面積較大，相對集中，破碎程度相對較低，可為一些較大型的野生動物提供適宜的生存環(huán)境。

表2 斑塊類型異質(zhì)性指數(shù)

邊緣密度指的是單位景觀面積上某類景觀要素斑塊與其相鄰異質(zhì)斑塊之間的邊緣長度。其值越大，景觀中異質(zhì)性斑塊間的邊緣長度越長，說明景觀邊界的分割、破碎化程度高，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在一定程度上反映了人類活動對景觀的強(qiáng)烈干擾[6]。從表2看，斑塊數(shù)量少的景觀類型邊緣密度也較小，斑塊數(shù)量較多的類型邊緣密度相應(yīng)較大。非林地的邊緣密度值最大，表明非林地景觀的空間結(jié)構(gòu)是最復(fù)雜的，破碎化程度也最高，缺少大片集中連片的景觀斑塊，這是人類活動與山區(qū)復(fù)雜自然條件耦合的結(jié)果。散布毗鄰指數(shù)（IJI）是描述景觀空間格局的一個重要指標(biāo)，其取值越小說明某斑塊類型僅與少數(shù)幾種其他斑塊類型相鄰接，當(dāng)IJI=100時說明該類型與其他所有類型完全、等量相鄰[3]。通過對IJI的分析，斑塊數(shù)少的苗圃和人工闊葉混交林IJI值較小外，其他斑塊類型的IJI值介于39.19%~73.07%，這符合山區(qū)的各種生態(tài)系統(tǒng)受到垂直地帶性的作用，其分布多呈帶狀，IJI值較低的一般規(guī)律。其中主要由耕地和建設(shè)用地構(gòu)成的非林地IJI最高，為73.07%，即非林地斑塊與大約3/4的其他斑塊類型相鄰接，反映了人類活動選址具有景觀邊緣傾向性，傾向于選擇多種景觀交匯的邊緣帶，并通過人類的環(huán)境建設(shè)，使景觀多樣化。例如農(nóng)村居民點(diǎn)選址要求依山傍水、耕作半徑適當(dāng)、交通便利，并對居住環(huán)境不斷建設(shè)，使其美化、靚化、園林化等。聚集度AI反映景觀中不同斑塊類型的聚集程度，各類AI值都很大，處在94.16~98.81，說明斑塊間的聚集程度高，空間配置結(jié)構(gòu)緊湊。

3.3 景觀水平異質(zhì)性

蔓延度描述景觀中不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢，理論取值范圍是0~100，當(dāng)景觀中存在大量分離的小斑塊時其值較??；當(dāng)景觀由聚集的優(yōu)勢斑塊類型構(gòu)成時，其值趨向100。研究區(qū)蔓延度為61.71%（表3），說明整體景觀破碎程度處于一個比較中等的水平，既缺乏連通性極高的明顯優(yōu)勢斑塊，但也不特別破碎。

表3 景觀水平異質(zhì)性指數(shù)

散布毗鄰指數(shù)值IJI在景觀級別上計算各個斑塊類型間的總體散布與并列狀況，60.74%的散布毗鄰指數(shù)值反映了各斑塊類型與其他的斑塊類型之間能夠較好地混雜、散布，各斑塊類型分布較為均勻。

香農(nóng)多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)分別為2.16與0.72，說明研究區(qū)森林景觀類型豐富多樣，異質(zhì)性較強(qiáng)，有利于自然生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

4 結(jié)論與討論

以森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用GIS分析處理和Fragstats軟件對森林景觀指數(shù)進(jìn)行定量分析計算，數(shù)據(jù)可靠性高，方法成熟。通過對霍山縣森林景觀指數(shù)的計算分析，能夠準(zhǔn)確地反映霍山縣森林景觀特征，為森林資源經(jīng)營提供依據(jù)。

霍山縣森林景觀格局呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：1)有林地是最主要的景觀類型，占總面積的73.549%，主導(dǎo)著景觀整體的結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)過程。2)宜林地景觀僅占總面積的0.46%，說明宜林尚未完成造林的情況很少，同時也說明造林后備潛力不大。3)有林地中的天然闊葉林、天然針葉林、人工針葉林、人工闊葉林和人工竹林所占比重較高，均超過10%，在景觀分布圖上呈現(xiàn)出集中分布，在維持森林景觀多樣性和穩(wěn)定性中起支配作用。4)混交林比重偏低，僅5.487%，不利于改善立地條件與提高林分質(zhì)量。5)從斑塊類型水平異質(zhì)性看，區(qū)內(nèi)優(yōu)勢景觀平均斑塊面積大于1 km2，斑塊面積較大，相對集中，破碎度相對較低，可為一些較大型的野生動物提供適宜的生存環(huán)境。6)反映景觀異質(zhì)性水平的香農(nóng)多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)較高，說明景觀異質(zhì)性較強(qiáng)，景觀類型豐富多樣，對保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境有利。7)從IJI指數(shù)看，由耕地和建設(shè)用地組成的非林地最高，為73.07%，即非林地斑塊與大約3/4的其他斑塊類型相鄰接，反映了人類活動選址具有景觀邊緣傾向性，傾向于選擇多種景觀交匯的邊緣帶。

景觀格局靜態(tài)分析結(jié)果可以為林業(yè)生產(chǎn)建設(shè)與自然生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考依據(jù)，但景觀是發(fā)展變化的，景觀格局的時空分布特征及其動態(tài)演變過程需進(jìn)一步深入研究，以更清楚地了解其生態(tài)過程，并預(yù)測其發(fā)展趨勢。

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GIS-Based Analysison the Forest Landscape Patternsand Characteristics of Huo Shan County in DabieMountains

WANG Sheng-tang1，WANG Yang2，SUN Xian-bin1，HUANG Run1
(1.College of Resources，Environment and Tourism Management，West Anhui University，Lu’an，Anhui 237012，China; 2.Forestry Bureau of Huo Shan County，Lu’an，Anhui237000，China)

With the support of ArcGIS10.3 and Fragstats 4.2 and by using the 2nd-class inventory data of forest resources，this paper analyzes the forest landscape patterns and characteristics of Huo shan county in Dabiemountains through a variety of landscape indexes，class level and landscape level.The results show that the overall landscape is dominated by forest land，which accounted for 73.549%of the total area.The natural broad-leaved forest,coniferous forest,artificial coniferous forest,artificial broad-leaved forest and bamboo plantation took higher proportion in forestland.So,they are main landscape types concentrated in space distribution and played the dominant role in this region.The forest landscape diversity, heterogeneity and structure are comp lex and various so as to conducive to the maintenance of biological diversity and the function of ecosystem,but under the influence of human activities,the forest landscape has a trend to becoming fragmentation and to be disadvantage of improving the site conditions and increasing the stand quality.

forest landscape；landscape characteristics；GIS；Huo Shan County

Q149

A

1007-4260(2016)04-0100-06

時間：2017-1-3 17:19

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20170103.1719.026.html

2016-06-14

安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項目(KJ2016A746)。

王升堂，男，安徽金寨人，博士，皖西學(xué)院資源環(huán)境與旅游管理學(xué)院教授，研究方向為資源環(huán)境與GIS應(yīng)用。

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10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.04.026