蘆頭林場(chǎng)森林景觀格局隨地形分異特征研究

和曉風(fēng)，林 輝，孫 華，嚴(yán)恩萍

(中南林業(yè)科技大學(xué) 林業(yè)遙感信息工程研究中心， 長(zhǎng)沙 410004)

蘆頭林場(chǎng)森林景觀格局隨地形分異特征研究

和曉風(fēng)，林 輝，孫 華，嚴(yán)恩萍

(中南林業(yè)科技大學(xué) 林業(yè)遙感信息工程研究中心， 長(zhǎng)沙 410004)

以湖南省平江縣蘆頭林場(chǎng)為研究區(qū)，通過(guò)數(shù)字高程模型(DEM)與森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)疊加，分析林場(chǎng)范圍內(nèi)森林景觀格局隨地形變化特征。結(jié)果表明： ① 研究區(qū)內(nèi)森林景觀分異的主要因素是地形因素； ② 蘆頭林場(chǎng)森林植被景觀類型垂直地帶性分布明顯，各森林景觀組主要分布在海拔400～800 m和坡度10°～30°的地區(qū)，杉木、馬尾松、灌木林在海拔400 m 以上和 25°以上范圍內(nèi)分布較多，占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)； ③ 林場(chǎng)內(nèi)森林景觀類型以人工林形式為主要，對(duì)于林場(chǎng)的森林經(jīng)營(yíng)方案，應(yīng)增加保護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)自然更新和森林景觀類型多樣性的措施。

森林經(jīng)理；森林景觀格局；地形分異；蘆頭林場(chǎng)

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在調(diào)節(jié)溫室效應(yīng)和應(yīng)對(duì)全球氣候變化中發(fā)揮了重要的作用[1-3]。在我國(guó)，國(guó)有林場(chǎng)作為森林管理的基本單位，是經(jīng)營(yíng)、維護(hù)、發(fā)展森林生態(tài)系統(tǒng)的基本保障，現(xiàn)有的林場(chǎng)多以木材生產(chǎn)為主，而不合理的采伐必將導(dǎo)致森林景觀結(jié)構(gòu)的破壞，以及森林景觀生態(tài)系統(tǒng)功能的喪失。所以營(yíng)造一個(gè)穩(wěn)定、多樣的森林景觀格局會(huì)對(duì)林場(chǎng)的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)有著極大促進(jìn)作用[4]。

目前，森林景觀格局研究中地形因素已引起人們的關(guān)注，地形地貌作為重要的環(huán)境因子，其生態(tài)學(xué)意義和對(duì)景觀格局的影響已有大量的定性和定量研究[5-7]。地形特征與很多生境因子有著密切的聯(lián)系，在反映生境異質(zhì)性方面有著重要的作用，也體現(xiàn)了對(duì)生境條件的綜合性指示能力[8-12]；作為生境條件的一個(gè)綜合指示，地形特征是多維變量，其影響也存在不同的尺度特征，需要一種等級(jí)性的觀點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)[13]；在某一特征(海拔、坡度、坡向)尺度上，不同的特征對(duì)森林格局的影響強(qiáng)度可能會(huì)發(fā)生不同的梯度變化，不同地形因子對(duì)森林植被的格局有不同的影響[14-16]。本研究以蘆頭林場(chǎng)為例，從海拔、坡度、坡向三個(gè)地形因子來(lái)揭示不同森林景觀類型隨地形變化呈現(xiàn)出的分異特征，并從人為因素和地形等自然因素對(duì)區(qū)域景觀分布格局的影響進(jìn)行初步研究，為蘆頭林場(chǎng)森林資源的管理與可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供依據(jù)，從而更加有效的管理和利用森林資源。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

國(guó)有蘆頭林場(chǎng)位于湖南省平江縣東南面，113°35′E 28°42′N，林場(chǎng)在連云山脈東部，麗江河貫穿全場(chǎng)。最高峰十八折海拔1 272.5 m，最低處山口(場(chǎng)部)海拔124 m。蘆頭林場(chǎng)經(jīng)營(yíng)面積5 308.27 hm2，其中杉木占41%，竹林占17%，森林覆蓋率94.2%。有保護(hù)完好的天然林大約 2 300 hm2，亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫16.8 ℃，年平均降水量1 450.8 mm，全場(chǎng)平均坡度為30°左右。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

1.2.1 資料來(lái)源

研究區(qū)采用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源為SPOT5，接收時(shí)間為2013-12-28，地面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要有1∶10000地形圖12張，蘆頭林場(chǎng)森林資源分布圖，林相圖，蘆頭森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)及成果圖等。

1.2.2 遙感數(shù)據(jù)處理

SPOT衛(wèi)星系統(tǒng)中文名為對(duì)地觀察衛(wèi)星系統(tǒng)，是由法國(guó)空間研究中心、比利時(shí)、瑞典等國(guó)家共同參與開發(fā)完成的[84-85]。從1986-02到2002-05為止，阿麗亞那4型火箭共發(fā)射了5顆SPOT衛(wèi)星。SPOT-5衛(wèi)星為太陽(yáng)同步衛(wèi)星，軌道高度822 km，軌道周期101.4 min，軌道循環(huán)周期(繞地一周)26 d。

表1 SPOT-5數(shù)據(jù)光譜波段和分辨率傳感器光譜波段地面分辨率/m波段光譜范圍/μmSPOT-5Panchromatic全色波段2 50 48～0 71B1：green(綠)100 50～0 59B2：red(紅)100 61～0 68B3：nearinfrared近紅外100 78～0 89B4：short?waveinfrared(SWIR)短波紅外波段201 58～1 75

對(duì)收集的SPOT5圖像進(jìn)行處理： ① 數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要消除遙感數(shù)據(jù)由于成像條件引起的幾何變形； ② 幾何校正，使用地形圖采集控制點(diǎn)進(jìn)行校正； ③ 圖像運(yùn)算與信息增強(qiáng)，主要是對(duì)其進(jìn)行拉伸處理，然后再進(jìn)行銳化增強(qiáng)、色彩變換等過(guò)程的處理，形成遙感影像目視解譯判讀區(qū)劃的基本影像圖； ④ 影像分割與裁剪，將處理運(yùn)算好的圖像，根據(jù)研究區(qū)范圍進(jìn)行圖幅裁剪。

本文主要利用 “人工目視解譯方法”獲得地面信息。人工目視解譯，就是通過(guò)圖像的影像特征(色調(diào)或彩色，即波譜特征)和空間特征(形狀、大小、陰影、紋理、圖型、位置和布局)，與多種非遙感信息資料相結(jié)合，運(yùn)用生物地學(xué)相關(guān)規(guī)律，進(jìn)行綜合分析和邏輯推理的思維過(guò)程。由于對(duì)蘆頭林場(chǎng)森林的分布較為熟悉，以人工目視解譯方法獲得地面信息的方法具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)和可操作性，并可以取得較高的解譯精度(如圖1)。

圖1 蘆頭林場(chǎng)數(shù)森林景觀類型分布

1.3 研究方法

1.3.1 景觀要素的類型劃分

景觀空間格局研究的第一步是景觀要素的劃分，結(jié)合2010年湖南省森林資源調(diào)查土地類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)研究?jī)?nèi)容和采集的外業(yè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建以森林優(yōu)勢(shì)樹種為主要依據(jù)的景觀要素分類體系。并且根據(jù)需要確定兩級(jí)分類系統(tǒng)，一級(jí)為地類，二級(jí)分類結(jié)合研究?jī)?nèi)容只對(duì)有林地進(jìn)行分類，組成了以優(yōu)樹種命名的林分類型[17-20]，見表2。

表2 景觀要素分類系統(tǒng)一級(jí)分類二級(jí)分類有林地馬尾松杉木竹林闊葉樹疏林地疏林地灌木林地灌木林未成林造林地?zé)o立木林地宜林地輔助生產(chǎn)林地苗圃地苗圃地其他河流、湖泊、交通、城鎮(zhèn)用地等

1.3.2 技術(shù)流程

利用GIS對(duì)森林景觀地形因素(高程、坡度、坡向)分布統(tǒng)計(jì)：第一步在ArcGIS10軟件的支持下，矢量化外業(yè)調(diào)查結(jié)果，將小班生成矢量文件，進(jìn)行拓?fù)錂z查，利用外業(yè)資源調(diào)查結(jié)果，提取景觀斑塊信息，對(duì)不同景觀類型賦予不同的屬性，并加上相應(yīng)的地類代碼，將調(diào)查數(shù)據(jù)輸入，再與矢量文件結(jié)合，生成森林景觀格局專題圖層；第二步對(duì)林場(chǎng)1∶100 000地形圖矢量化，得到該區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，再建立數(shù)字地形模型，用GIS軟件生成該區(qū)的高程帶分布圖層(如圖2)、坡度分布圖層和坡向分布圖層，將景觀圖層轉(zhuǎn)成柵格格式，分別對(duì)應(yīng)高程帶分布圖層、坡度分布圖層和坡向分布圖層進(jìn)行疊加；第三步是定量化地反映主要景觀類型在不同地形特征的空間分布特征，先進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，分別計(jì)算不同地形分異區(qū)間的景觀組分比例大小，再建立區(qū)域內(nèi)不同景觀類型在這3種地形屬性梯度的分布圖，然后疊加河流、林場(chǎng)邊界、道路等基礎(chǔ)地理信息，生成最終成果數(shù)據(jù)圖。

圖2 蘆頭林場(chǎng)數(shù)字高程模型

1.3.3 定量分析方法

山區(qū)地形分異規(guī)律一直停留在缺乏精度的定性描述水平上，進(jìn)行定量科學(xué)地分析區(qū)域地形 、地貌的特征規(guī)律，將有助于準(zhǔn)確分析地形因素對(duì)森林景觀格局的影響及其作用，并可為制定合理的區(qū)域開發(fā)利用和管理提供科學(xué)依據(jù)。為方便對(duì)林區(qū)內(nèi)地形分異進(jìn)行定量分析，以100 m為基數(shù)分帶，統(tǒng)計(jì)其地勢(shì)變化規(guī)律，高程分割成14級(jí)；坡度的分割間隔為5°，分為9級(jí)；坡向按照平地、北、東北、東、東南、南、南西、西、西北坡分為9級(jí)。

2 結(jié)果與分析

2.1 總體格局分異特征

在空間的組織上，基本以丘陵、山脊、山谷、河流為骨架，作為土地分異控制基礎(chǔ)的地形。麗江河流經(jīng)形成的河谷主要分布在林場(chǎng)的中部，丘陵在林場(chǎng)內(nèi)廣泛分布。林場(chǎng)兩邊的山體加中間的河流組成了地形的總格局，從而導(dǎo)致林區(qū)內(nèi)森林景觀植被、地類的第一級(jí)分異，區(qū)域內(nèi)大體上沿南北山脊線分布，山下地類和植被等單元有序排列，在一定程度上控制著林區(qū)溫度、降水、風(fēng)等自然條件隨高程變化而發(fā)生有規(guī)律的空間分異，形成了目前蘆頭林區(qū)的森林景觀格局。蘆頭林場(chǎng)的地貌特征可以通過(guò)高程分級(jí)分布情況來(lái)體現(xiàn)(圖3)，森林景觀類型隨著高程的變化，呈現(xiàn)出明顯的垂直分異200 m以下和900 m以上各種森林景觀類型都比較少，主要分布在400～800 m區(qū)間，占總面積的近75 %，林區(qū)相對(duì)高差1 148.5 m。

圖3 高程分級(jí)面積比例統(tǒng)計(jì)

坡度分異也反映林場(chǎng)地貌特征(圖4)，林區(qū)內(nèi)存在著較多的高山，在坡度為20°～25°的區(qū)間內(nèi)坡度級(jí)出現(xiàn)最大峰值。林場(chǎng)森林景觀類型多分布在15°～35°區(qū)間，占到總面積的70 %；坡向分異相比較前兩個(gè)地形因素而言則表現(xiàn)為均勻分布，因林場(chǎng)山體呈對(duì)稱分布造成(圖5)。

圖4 坡度分級(jí)面積比例統(tǒng)計(jì)

圖5 各坡向面積比例統(tǒng)計(jì)

2.2 主要森林景觀類型高程分異特征

林場(chǎng)內(nèi)主要森林景觀類型占各自總面積的比例隨海拔帶上升的分布曲線均為單一峰值(圖6)。馬尾松森林景觀從200～700 m范圍內(nèi)均有分布，700 m以上呈下降趨勢(shì)，主要分布在400～500 m區(qū)間內(nèi)，并且在此區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)最大峰值；比較馬尾松、杉木這兩種林場(chǎng)優(yōu)勢(shì)建群樹種的分布曲線，杉木森林景觀的分布范圍、優(yōu)勢(shì)區(qū)域和最大值基本上與馬尾松景觀相似，但是杉木相比較而言在各高程帶分布更均勻，它的分布曲線也更加的平滑，起伏變化不大；灌木林景觀優(yōu)勢(shì)分布在500～700 m區(qū)間內(nèi)，約占其總面積的80%；竹林景觀分布的最大值出現(xiàn)在300～900 m范圍內(nèi)，其主要分布梯度在600～800 m范圍內(nèi)；闊葉樹景觀的分布曲線較均勻，分布曲線呈正態(tài)分布的變化。

與其它森林植被景觀相比，竹林的優(yōu)勢(shì)分布范圍更廣，整個(gè)林區(qū)都有分布，最主要集中在600～800 m區(qū)間范圍內(nèi)，并出現(xiàn)最大值，竹林景觀在高海拔地區(qū)也有很大的優(yōu)勢(shì)，一直延伸至林區(qū)最高海拔帶；杉木同樣分布范圍較廣，林場(chǎng)最高海拔周圍也有存在，但優(yōu)勢(shì)在400～800 m范圍內(nèi)，剛好是森林景觀的主要集中區(qū)，也就是林場(chǎng)物種最豐富的地段。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，林場(chǎng)主要是以人工林為主，包括竹林、杉木、馬尾松等，并且廣泛均勻的分布在整個(gè)林區(qū)內(nèi)，約占林地的80%，是林場(chǎng)的主要森林資源，生長(zhǎng)狀況和條件也最有優(yōu)勢(shì)。

圖6 主要森林景觀組分隨高程梯度分布比例

2.3 主要森林景觀類型坡度分異特征

蘆頭林場(chǎng)森林景觀類型的分布與坡度的關(guān)系比較顯著(圖7)，杉木、竹林、馬尾松等林區(qū)優(yōu)勢(shì)森林景觀類型主要分布在陡、急坡地上，10°～40°區(qū)間內(nèi)，杉木占其總面積60%，竹林、馬尾松分別占其總面積65%和40%，但是坡度較小的平緩坡上也有分布，在坡度上表現(xiàn)出分布不均，多因是人工種植和培育的；竹林、杉木、馬尾松、闊葉樹地的分布曲線極為相似，都只有單一的最大值，均出現(xiàn)在20°～30°范圍，與灌木林的曲線分布有較大的不同；所有的森林類型景觀分布曲線，大體上都是隨坡度的上升面積比例先增加后逐漸減少，灌木則出現(xiàn)過(guò)一段平滑區(qū)。灌木森林景觀類型主要集中在15°～25°，從而使其在平緩坡15°～25°的分布比例大于各森林類型，整體表現(xiàn)為分布曲線較為隨機(jī)。灌木森林景觀的坡度

曲線與高程曲線較相似，都出現(xiàn)了雙峰值的特點(diǎn)，總體上是對(duì)稱的，林區(qū)內(nèi)均勻分布。通過(guò)上面的分析，結(jié)合實(shí)地調(diào)查的數(shù)據(jù)，林場(chǎng)竹林景觀的分布特征受人為因素的影響較大，再加上竹林自身的生長(zhǎng)和繁殖能力，不斷增加面積比例，同時(shí)就侵蝕了其他森林景觀的分布，導(dǎo)致竹林的分布較廣，與自然景觀的灌木、闊葉樹存在明顯的分異。研究表明：在陡坡地因水土保持能力差，易水土流失，所以自然生長(zhǎng)植被和人工生長(zhǎng)植被都需要合理的保護(hù)。蘆頭林區(qū)大部分森林景觀分布在25°左右的區(qū)域，森林結(jié)構(gòu)受人工和自然恢復(fù)影響，需要合理的分配兩者的比例關(guān)系，才能保持森林可持續(xù)發(fā)展。

2.4 主要森林景觀類型坡向分異特征

從蘆頭林場(chǎng)坡的坡向分布比例可以看得出，坡向是分布均勻的(圖8)，可是在同一高度的坡向確是影響水熱條件變化的主要因素，陽(yáng)坡的蒸發(fā)量要大于陰坡，陰坡的濕度要高于陽(yáng)坡。從圖8中可知，林區(qū)的主要森林景觀在空間分布上總體是均勻的，受坡向影響主要集中南北坡，這主要與林場(chǎng)多為人工林和南北的水熱條件有關(guān)。

圖7 主要森林景觀組分隨坡度的分布比例

林場(chǎng)的所有森林景觀類型的坡向分異格局具有一定的相似性，因植被生長(zhǎng)需要大量光照條件，從而主要集中在北坡，分布面積比例近60%，其分布最大值面積比也在北坡。

圖8 主要森林景觀組分隨坡向的分布比例

3 結(jié)論與討論

蘆頭林場(chǎng)是以生產(chǎn)木材為主的國(guó)有林場(chǎng)，受人為因素的影響較大，森林景觀多樣性不豐富，針葉林多，而闊葉林和混交林較少，這種格局不利于充分發(fā)揮森林的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。對(duì)于今后林場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)方案來(lái)說(shuō)，應(yīng)增加和保護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)自然更新和森林景觀類型多樣性的措施，如減少單一人工針葉林，多營(yíng)造闊葉林，增加混交林，保護(hù)天然林。這樣有利于水土保持、改良土壤、抑制病蟲害、降低火險(xiǎn)，提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。本文利用高分遙感影像和研究區(qū)外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)研究了蘆頭林場(chǎng)內(nèi)不同森林景觀組分隨地形變化呈現(xiàn)的分異特征，同時(shí)也分析了地形與林區(qū)森林景觀格局分布的相互關(guān)系，結(jié)果表明：

1)林區(qū)森林景觀面積分布隨高程、坡度、坡向分布比例曲線與地形因素統(tǒng)計(jì)比例曲線相似，所以形成蘆頭林區(qū)景觀格局分異的主導(dǎo)因素是地形因素。

2)研究區(qū)森林植被景觀類型垂直地帶性分布明顯，各森林景觀組主要分布在高程400～800 m、坡度10°～30°的地區(qū)，杉木、馬尾松、灌木林在海拔400 m 以上和 25°以上范圍內(nèi)分布較多，占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。該區(qū)的森林植被一旦遭到破壞，恢復(fù)森林的頂極群落周期將十分漫長(zhǎng)。

3)馬尾松和杉木面積隨高程、坡度、坡向變化分布趨勢(shì)基本一致，并且占林場(chǎng)景觀總面積的65 %，為主要的森林景觀類型。

4)在探索森林景觀格局變化中，其他景觀格局指數(shù)(如斑塊數(shù)量、斑塊形狀、景觀多樣性指數(shù)等)隨地形變化是未知的，還需進(jìn)一步的深入研究。

5)對(duì)于林場(chǎng)，應(yīng)嚴(yán)格保護(hù)針闊混交林生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境和天然林的環(huán)境，制定適宜的森林經(jīng)營(yíng)管理對(duì)策增加森林景觀類型，促進(jìn)林場(chǎng)的生態(tài)恢復(fù)與可持續(xù)發(fā)展。

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TopographicVariationofForestLandscapePatternsinLutouForestFarm

HE Xiaofeng, LIN Hui, SUN Hua, YAN Enping

(Research Center of Forestry Remote Sensing & Information Engineering Central South University & Technology，Changsha 410004，Hunan，China)

In this paper, Lutou forest farm of Pingjiang County in Hunan province was taken as study area. In order to analysis the characteristics of forest landscape patterns changing with terrain, digital elevation model (DEM) and forest inventory data were employed. Results showed that： ① on large scale, terrain factors were the main elements that affect the distribution characteristics of forest landscape pattern; ② forest landscape pattern in this study area presented significant characteristics of vertical zone distribution. It was found that forest landscape pattern was mainly distributed in the areas with elevation and slope ranging from 400 m to 800 m and 10°to 30°respectively, especially the area with slope above 25° was dominated by Chinese fir,Pinusmassonianaand shrub; ③overall, the forest landscape pattern of study area was mainly composed with plantation forest. All the findings implied that enhancing the protection of forest landscape types and renewal of natural forest ecological system was an effective way to maintain the stability of forest landscape pattern in Lutou forest farm, including reduce the plantaion forest, increase mixed forest and protect natural forest.

forest management；forest landscape pattern；topographic variation；Lutou forest farm

2016 — 03 — 15

中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M562147)；中南林業(yè)科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新初階計(jì)劃項(xiàng)目(2013034)。

和曉風(fēng)(1991-)，男，湖南永州人，碩士研究生，研究方向?yàn)榱謽I(yè)信息技術(shù)。

林輝(1965-)，女，湖北黃岡人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事林業(yè)遙感與地理信息系統(tǒng)的教學(xué)與科研工作。

Q 948.114

A

1003 — 6075(2016)01 — 0046 — 06

10.16166/j.cnki.cn43 — 1095.2016.01.010