湖北省建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)森林景觀分類研究

孫擁康， 湯景明*， 全永壽， 林孝培

(1.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北武漢430075；2.長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)，湖北建始 445300)

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湖北省建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)森林景觀分類研究

孫擁康1， 湯景明1*， 全永壽2， 林孝培2

(1.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北武漢430075；2.長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)，湖北建始 445300)

以建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)為例，選取土地類型、優(yōu)勢(shì)樹種、海拔、坡度、坡向作為分類因子，在GIS技術(shù)支持下，建立起全場(chǎng)量化的、空間化的物種—環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上，采用聚類分析方法將全場(chǎng)劃分為7個(gè)具有獨(dú)立經(jīng)營(yíng)意義的森林景觀要素類型，生成了各景觀要素類型斑塊圖及屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。各景觀要素類型空間格局特征分析結(jié)果表明，全場(chǎng)森林景觀類型具有顯著的異質(zhì)性，但各森林景觀要素類型受干擾和破碎化程度不同，各景觀要素類型空間分布狀況也極不均衡，不利于森林整體質(zhì)量的提升和綜合效益的發(fā)揮。建議在以后的森林經(jīng)營(yíng)過程中，應(yīng)注意結(jié)合景觀尺度，對(duì)全場(chǎng)森林景觀規(guī)劃、管理、保護(hù)和恢復(fù)等經(jīng)營(yíng)措施進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。

森林景觀；分類因子；聚類分析；景觀格局特征分析；長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)

森林景觀分類即確定景觀構(gòu)成要素及其空間分布格局，是在大尺度上探討森林生態(tài)系統(tǒng)整合問題的基礎(chǔ)[1-2]。森林景觀分類研究不僅是揭示森林景觀格局結(jié)構(gòu)、功能、動(dòng)態(tài)變化基本規(guī)律及控制機(jī)制的基礎(chǔ)，也是科學(xué)實(shí)施景觀規(guī)劃、建設(shè)、管理、保護(hù)和恢復(fù)的前提[3-4]。研究表明，森林景觀要素分類是一個(gè)基于自然地理和氣候、土地利用類型、植被和土壤特征等因素而劃分的多級(jí)分類體系，多以主導(dǎo)的植被類型或土地利用類型命名[5-6]。景觀要素類型劃分的詳細(xì)程度不同，不僅要綜合考慮所研究的內(nèi)容及所闡述的問題，還要考慮研究地區(qū)資料的限制。目前，有關(guān)森林景觀的文獻(xiàn)資料主要集中于對(duì)景觀要素格局特征和動(dòng)態(tài)變化等的研究[7-12]，而對(duì)景觀要素類型劃分方法的研究還較缺乏，尤其是考慮環(huán)境因子的定量方法研究還較少涉及。筆者以湖北省建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)為例，以該林場(chǎng)森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用GIS技術(shù)建立了量化的、空間化的物種—環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，首次基于物種—環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)該林場(chǎng)森林景觀要素進(jìn)行分類研究，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)劃分的各景觀要素類型格局特征進(jìn)行分析。

1　研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)，地處鄂西山區(qū)巫山余脈南端，林場(chǎng)中心位置地理坐標(biāo)為110°03′E、30°48′ N，海拔1 600～1 900 m，平均坡度25°；屬北亞熱帶季風(fēng)氣候,林場(chǎng)年均氣溫11.7 ℃，極端最高氣溫29.0 ℃，極端最低氣溫-17.2 ℃，無(wú)霜期203 d；年降水量1 884.3 mm，年蒸發(fā)量933.3 mm，相對(duì)濕度85%；年日照時(shí)數(shù)1 533 h；土壤主要為山地黃壤、黃棕壤，成土母質(zhì)主要為石灰?guī)r、硅質(zhì)頁(yè)巖等，土壤平均厚度為80 cm左右,pH 5.6～6.5，呈酸性，有機(jī)質(zhì)含量豐富，但氮磷含量較低；林場(chǎng)內(nèi)森林植被豐富，除日本落葉松外，主要鄉(xiāng)土喬木樹種有水冬瓜、檫木、漆樹、鵝掌揪、樺木、錐栗等[13]。

1.2研究數(shù)據(jù)以建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)2009年的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為主，在Arcgis10.0平臺(tái)支持下，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理及各矢量圖層的疊加，構(gòu)建了研究區(qū)具有小班屬性的數(shù)字化森林景觀復(fù)合圖層。該復(fù)合圖層屬性表數(shù)據(jù)包括編號(hào)、林班號(hào)、小班號(hào)、小班面積、林種、地類、立地類型、起源、優(yōu)勢(shì)樹種、樹種組成、年齡、齡組、郁閉度、經(jīng)營(yíng)類型、土壤類型、土壤厚度、腐殖質(zhì)厚度、海拔、坡度、坡向、坡位、權(quán)屬、單位面積株數(shù)、單位面積蓄積、小班蓄積等30余個(gè)屬性數(shù)據(jù)項(xiàng)。

1.3確定分類因子景觀要素分類是一個(gè)多級(jí)分類體系，分類因子的確定取決于其研究的重要性和研究的尺度[14]。目前由于對(duì)景觀的理解以及研究目的的不同，還沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的景觀分類體系[15]。該研究針對(duì)研究區(qū)實(shí)際情況，在遵循植被分布規(guī)律和分類結(jié)果不致于過分破碎原則基礎(chǔ)上，兼顧森林景觀外部及內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異，選擇1個(gè)地類因子、1個(gè)植被因子及3個(gè)地形因子共5個(gè)變量進(jìn)行分類，地類因子為土地類型，植被因子為優(yōu)勢(shì)樹種，地形因子為海拔、坡度、坡向，所有因子均按其級(jí)別賦以相應(yīng)的數(shù)值，分級(jí)情況如表1所示。

表1　景觀要素分類因子及分級(jí)

1.4建立物種—環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)在Arcgis10.0平臺(tái)支持下，結(jié)合林場(chǎng)矢量化林相圖，按照表1確定的5個(gè)分類因子及其取值范圍，通過對(duì)各分類因子進(jìn)行圖層提取、切割及疊加處理，獲得全場(chǎng)若干個(gè)面積大小不一的森林景觀空間基本單元及其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，將各森林景觀基本單元按5個(gè)變量的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，由聚類結(jié)果譜系圖確定森林景觀要素類型，通過合并森林景觀要素類型相同的相鄰單元，最終生成森林景觀要素類型斑塊圖及其屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，即為研究所需的景觀分類物種—環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。由于景觀要素劃分不僅要考慮要素內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，還要考慮各景觀類型的異質(zhì)性及相互作用，因此景觀分類物種—環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)還應(yīng)滿足以下3個(gè)原則：①下一級(jí)景觀分類數(shù)據(jù)庫(kù)與上一級(jí)分類數(shù)據(jù)庫(kù)中空間單元數(shù)量相同，取消下一級(jí)景觀分類數(shù)據(jù)庫(kù)；②每一個(gè)尺度的分類數(shù)據(jù)庫(kù)中，類與類之間具有一定景觀異質(zhì)性；③對(duì)森林經(jīng)營(yíng)有獨(dú)立意義的森林類型要素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)[2,6]。

1.5景觀指數(shù)選取及計(jì)算在生成的森林景觀分類物種—環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，綜合考慮要素組成、斑塊特征、異質(zhì)性及空間分布4個(gè)方面，共選取斑塊個(gè)數(shù)(NP)、斑塊面積(CA)、面積百分比(PLAND)、平均面積(MPS)、斑塊形狀指數(shù)(PSI)、斑塊密度(PD)、多樣性指數(shù)(SHDI)、均勻度指數(shù)(SHEI)8個(gè)常用景觀指數(shù)對(duì)研究區(qū)森林景觀斑塊總體空間特征進(jìn)行分析，各景觀指數(shù)計(jì)算公式見表2。

表2　各景觀指數(shù)及計(jì)算公式

注：A為景觀要素類型總面積；Z為斑塊周長(zhǎng)；Ai為第i類景觀要素類型面積；n為景觀斑塊類型總數(shù)；ni為第i類景觀要素類型斑塊數(shù)；Pi為第i類景觀要素類型占總面積的比。

Note:A. Total area of landscape elements;Z. Patch perimeter;Ai. Area of class i landscape elements，n. Total number of landscape patch types,ni. Patch number of classilandscape elements，Pi. Proportion of classilandscape elements in total area.

2　結(jié)果與分析

2.1景觀分類物種—環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)及聚類分析譜系圖在Arcgis10.0平臺(tái)支持下，按土地類型、優(yōu)勢(shì)樹種、海拔、坡度、坡向5個(gè)分類因子圖層投影切割林相圖，將全場(chǎng)劃分成572個(gè)面積不等的森林景觀空間基本單元，得到的每個(gè)森林景觀空間基本單元不僅對(duì)各分類因子具有唯一的取值，而且仍然帶有其對(duì)應(yīng)的二類調(diào)查小班的所有屬性數(shù)據(jù)，因此理論上可以根據(jù)需要將這些因子的任意一組子集進(jìn)行聚類分析。對(duì)這572個(gè)基本單元按確定的5個(gè)分類變量(1個(gè)地類因子、1個(gè)植被因子和3個(gè)立地因子)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果從15類到1類聚合水平的類群譜系圖如圖1所示。圖1所示的分類體系表現(xiàn)出了森林景觀系統(tǒng)同樣具有一般系統(tǒng)的內(nèi)在特征，即向下可分、向上可組合。將這個(gè)系統(tǒng)在哪個(gè)層次上劃分為幾個(gè)要素，是根據(jù)需要和可能做出的一種決策。2.2景觀要素類型及其斑塊分布圖根據(jù)上述不同水平景觀構(gòu)成要素聚類分析結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，在15類聚合水平結(jié)果上，可將全場(chǎng)森林景觀空間劃分為松類、杉類、速闊類、針針混交林、闊葉混交林、針闊混交林及無(wú)林地7類具有獨(dú)立經(jīng)營(yíng)意義的景觀要素類型，每一類都是內(nèi)部特征相對(duì)一致而相互間有顯著區(qū)別的森林生態(tài)系統(tǒng)，采用所屬的植被類型對(duì)其進(jìn)行命名，各景觀要素類型的名稱及特征描述如下。

(1)類型1：松類景觀，是全場(chǎng)面積比例最大的景觀要素類型，植被主要為日本落葉松、馬尾松和華山松純林，98%以上分布在1 600 m以上的高海拔地帶，95%以上分布在坡度為10°～25°的斜坡，63%以上分布為陽(yáng)坡。

(2)類型2：杉類景觀，植被以杉木和柳杉純林為主，85%以上分布在1 000 m以下的低海拔地帶，在10°～25°的斜坡和25°以上的陡坡均有分布，93%以上分布為陰坡。

(3)類型3：速闊類景觀，植被以人工營(yíng)造的檫木和山楊純林為主，全部在1 600 m以上的高海拔地帶，70%以上分布在坡度為10°～25°的斜坡，80%以上分布為陽(yáng)坡。

(4)類型4：針針混交林景觀，植被以日本落葉松、馬尾松、杉木混交為主，57%以上分布在1 000 m以下的低海拔地帶，75%以上分布在坡度為10°～25°的斜坡，65%以上分布為陽(yáng)坡。

圖1　不同水平景觀構(gòu)成要素聚類譜系Fig.1　The classification system of landscape components at different levels by cluster analysis

(5)類型5：闊葉混交林景觀，植被以櫧、柯、栲、白樺及雜闊等中慢生闊葉樹種混交為主，均分布在1 600 m以上的高海拔地帶，主要分布在坡度低于10°的平坡，以陰坡為主。

(6)類型6：針闊混交林景觀，植被以人工營(yíng)造的日本落葉松、檫木、馬褂木、山楊混交為主，全部分布在1 600 m以上的高海拔地帶，坡度主要為10°～25°的斜坡，分布主要為陽(yáng)坡。

(7)類型7：無(wú)林地景觀，包括旱地、采伐跡地、輔助生產(chǎn)用地、工礦及交通建設(shè)用地等，97%以上分布在1 600 m以上的高海拔地帶，80%分布在坡度為10°～25°的斜坡，分布以陰坡為主。

在遵循斑塊不跨越分界線原則下，通過合并森林景觀要素類型相同的相鄰基本單元，生成了7類森林景觀要素類型的斑塊圖及屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，景觀斑塊數(shù)由572塊合并為146塊，這2個(gè)結(jié)果是開展全場(chǎng)森林景觀分析及評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，各景觀類型斑塊分布如圖2所示。

圖2　各景觀要素類型空間分布Fig.2　Spatial distribution of each landscape class

2.3景觀要素類型空間格局特征分析由表3可知，全場(chǎng)7類森林景觀要素類型斑塊146個(gè)，景觀斑塊數(shù)與景觀斑塊密度呈現(xiàn)大小一致的規(guī)律，其中松類景觀斑塊數(shù)最多(99個(gè))，斑塊密度也最大(9.04個(gè)/km2)；無(wú)林地和杉類景觀斑塊數(shù)次之，分別為17、14個(gè)，斑塊密度次之，分別為1.55、1.28個(gè)/km2；其他景觀斑塊數(shù)和斑塊密度較小，說(shuō)明全場(chǎng)森林景觀要素類型具有顯著的異質(zhì)性。全場(chǎng)景觀斑塊總面積為1 095.37 hm2，松類景觀面積百分比最大，占全場(chǎng)景觀要素類型總面積的60.16%，說(shuō)明松類景觀在全場(chǎng)森林景觀組分中占優(yōu)勢(shì)；從平均斑塊面積看，針針混交林和杉類景觀較大，分別為13.59、12.00 hm2，而針闊混交林景觀最小(0.91 hm2)，反映出平均斑塊面積值的分布區(qū)間對(duì)景觀中最小粒級(jí)斑塊選取具有制約作用，同時(shí)也反映各景觀斑塊類型景觀破碎化程度不同。全場(chǎng)森林景觀形狀指數(shù)大小不一，其中闊葉混交林景觀形狀指數(shù)最大(3.74)，松類景觀形狀指數(shù)最小(2.72)，說(shuō)明各類景觀形狀復(fù)雜程度和受干擾程度不同，松類景觀形狀指數(shù)最小，其幾何形狀最簡(jiǎn)單，受到的干擾程度最大。全場(chǎng)森林景觀多樣性指數(shù)較高，達(dá)1.21，而景觀均勻度指數(shù)較低，為0.39， 反映出雖然全場(chǎng)森林景觀異質(zhì)性顯著，但各類型景觀斑塊分布存在著極不均衡狀況。綜合全場(chǎng)景觀空間格局特征分析，筆者認(rèn)為建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)各森林景觀類型異質(zhì)性顯著，但各景觀類型破碎化程度不同，且分布極不均衡，極大限制了森林整體質(zhì)量的提升和綜合效益的發(fā)揮[16-17]，因此有必要從景觀生態(tài)角度結(jié)合現(xiàn)代森林經(jīng)營(yíng)理論和技術(shù)，對(duì)全場(chǎng)森林景觀空間格局進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃、調(diào)整和優(yōu)化。

表3　各景觀要素類型空間格局特征統(tǒng)計(jì)

3　結(jié)論與討論

基于GIS技術(shù)建立量化的、空間化的建始縣國(guó)有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)物種—環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上采用聚類分析法確定全場(chǎng)森林景觀要素類型及斑塊空間分布圖，是一種綜合地類因子、植被因子及立地因子對(duì)全場(chǎng)森林景觀要素類型進(jìn)行分類研究的有效方法。通過選取的土地類型、優(yōu)勢(shì)樹種、海拔、坡度、坡向5個(gè)分類因子，將全場(chǎng)共劃分為松類、杉類、速闊類、針針混交林、闊葉混交林、針闊混交林、無(wú)林地7類具有獨(dú)立經(jīng)營(yíng)意義的景觀要素類型。

全場(chǎng)景觀要素類型空間格局特征分析表明，全場(chǎng)森林景觀類型存在著顯著的景觀異質(zhì)性，其中松類景觀在全場(chǎng)森林景觀類型組分中占優(yōu)勢(shì)，但其幾何形狀最簡(jiǎn)單，受到人為干擾影響及破碎化程度也較大，同時(shí)全場(chǎng)各類森林景觀類型分布狀況及破碎化程度呈不均衡現(xiàn)象，不利于全場(chǎng)森林整體林分質(zhì)量的提升和綜合效益的發(fā)揮。

森林景觀是森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)研究的重要內(nèi)容之一，森林景觀要素分類為景觀結(jié)構(gòu)分析和規(guī)劃提供了基礎(chǔ)。在森林經(jīng)營(yíng)過程中，應(yīng)注意從森林景觀與現(xiàn)代森林經(jīng)營(yíng)理論和技術(shù)相結(jié)合角度，加強(qiáng)對(duì)受干擾程度比較大、破碎化程度比較高的森林景觀的保護(hù)，減少不合理的人為干擾和采伐，維持、維護(hù)森林整體結(jié)構(gòu)及生物多樣性的平衡，在景觀分類和結(jié)構(gòu)研究基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)森林景觀規(guī)劃、管理、保護(hù)和恢復(fù)等經(jīng)營(yíng)措施進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)[18-20]。同時(shí)，鑒于森林景觀分類還具有尺度特性，不同尺度下森林景觀分類的構(gòu)成要素及構(gòu)成要素的等級(jí)不同，兼顧森林景觀分類的尺度特性還有待于進(jìn)一步研究[21-22]。

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Study on Classification of Forest Landscape of Changlinggang State-owned Forest Farm in Jianshi County, Hubei Province

SUN Yong-kang1，TANG Jing-ming1*，QUAN Yong-shou2et al

(1. Hubei Academy of Forestry， Wuhan，Hubei 430075; 2. Changlinggang Forest Farm，Jianshi，Hubei 445300)

Taking Jianshi County Changlinggang State-owned Forest Farm for example，selecting land type，dominant tree species，elevation，slope，aspect as classification factors，with the support of GIS，a quantitative and spatial species environment database was established，on this basis，seven forest landscape components types with independent management significance were determined by cluster analysis，and the plaque map and attribute database were created. The results of analysis of landscape elements spatial pattern showed that: the overall forest landscape possess significant heterogeneity，and the disturbance and fragmentation degree of various types of forest landscape elements are different，meanwhile，the spatial distribution situation of various types are extremely imbalanced，which is adverse to the promotion of forest quality and binging the comprehensive benefit into full play. It was suggested that we should design overall forest landscape management measures of planning，management，protection，restoration scientifically by combining landscape scale in later forest management process.

Forest landscape; Classification factor; Cluster analysis; Landscape pattern analysis; Changlinggang forest farm

湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BBA212)；中央財(cái)政林業(yè)科技推廣示范資金項(xiàng)目(鄂[2015]TG01)。

孫擁康(1987- )，男，河北邯鄲人，助理研究員，碩士，從事森林經(jīng)營(yíng)方面的研究。*通訊作者，研究員，博士，從事森林經(jīng)營(yíng)和恢復(fù)生態(tài)領(lǐng)域的研究。

2016-05-31

S 718.5

A

0517-6611(2016)23-137-04