人工林與天然林破碎化過(guò)程差異對(duì)比
——以美國(guó)華盛頓州和密西西比州為例

任芯雨,呂瑩瑩,巫穎偉,李明詩(shī),*,李衛(wèi)正

1 南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 南京 210037 2 南方林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210037 3 南京林業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析測(cè)試中心, 南京 210037

人工林與天然林破碎化過(guò)程差異對(duì)比
——以美國(guó)華盛頓州和密西西比州為例

任芯雨1,2,呂瑩瑩1,2,巫穎偉1,2,李明詩(shī)1,2,*,李衛(wèi)正3

1 南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 南京 210037 2 南方林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210037 3 南京林業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析測(cè)試中心, 南京 210037

森林損失和破碎化一直是國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的重大環(huán)境問(wèn)題之一。根據(jù)Forman景觀變化包括穿孔、分割、破碎化、收縮和消失5種空間過(guò)程的理論,利用ArcGIS Modeler建立森林破碎化過(guò)程模型用以明確描述森林景觀破碎化的空間過(guò)程和生態(tài)進(jìn)程?；贜LCD2001、2006、2011 3期數(shù)據(jù),以美國(guó)華盛頓州和密西西比州為研究區(qū),利用森林破碎化過(guò)程模型,將森林損失斑塊分為4種破碎化過(guò)程(分割類(lèi)型因其線狀特征被歸入破碎化類(lèi)型),對(duì)比分析天然林和人工林的破碎化過(guò)程在時(shí)空上的差異性。研究表明天然林破碎化斑塊多分布于城市/森林、耕地/森林、以及灌木/森林的交界處,而人工林破碎化斑塊分布格局較為零散；天然林中破碎化斑塊和收縮斑塊大多發(fā)生在上階段收縮、破碎化以及穿孔斑塊的邊緣,而人工林中4種空間過(guò)程的承接關(guān)系不像天然林那么明顯,但兩者整體上都呈現(xiàn)相似的“收縮-消失-穿孔/破碎化”變化規(guī)律,主要表現(xiàn)為收縮類(lèi)型占主導(dǎo)然后慢慢消退,穿孔和破碎化逐漸增多占據(jù)新的主導(dǎo)。

森林破碎化過(guò)程；天然林；人工林；差異分析

森林景觀破碎化已是一種全球現(xiàn)象,特別是在一些發(fā)展中國(guó)家和地區(qū),表現(xiàn)尤為突出[1]。森林破碎化是指原先大塊連續(xù)的森林被分割成較小和獨(dú)立斑塊的過(guò)程[2]。森林破碎化改變了地區(qū)的植被結(jié)構(gòu),改變了物種生存所需的生物地理環(huán)境,嚴(yán)重影響著物種多樣性,同時(shí)破壞了系統(tǒng)內(nèi)的能量平衡和物質(zhì)流動(dòng),還會(huì)帶來(lái)會(huì)邊緣效應(yīng)和擁擠效應(yīng)等一系列生物學(xué)后果[3-6]。因此森林景觀格局及其破碎化研究一直是景觀生態(tài)學(xué)的熱點(diǎn)。

Forman探討了自然過(guò)程和人類(lèi)無(wú)計(jì)劃活動(dòng)對(duì)景觀所產(chǎn)生的影響。他認(rèn)為,在景觀變化中有五種空間過(guò)程：穿孔、分割、破碎化、縮小和消失[7]。穿孔是大面積景觀要素單元在外力作用下形成小面積斑塊的過(guò)程(如森林皆伐)；分割是寬度相等的帶劃分區(qū)域,將原始景觀分割的更為破碎(如道路、防護(hù)林)；破碎化是原始斑塊破碎程度加劇,形成的小斑塊之間距離日益加深；到了縮小階段,原始斑塊規(guī)模日益縮小,最終徹底消失[8]。森林破碎化過(guò)程也遵循這樣的規(guī)律,表現(xiàn)為森林斑塊數(shù)量增加而平均斑塊面積縮小,斑塊形狀趨于不規(guī)則,內(nèi)部生境面積縮小,廊道被截?cái)嘁约鞍邏K之間隔離,最終形成孤立的森林島嶼[9]。這5種破碎化過(guò)程具有不同的空間屬性,并深刻影響著景觀空間格局和生態(tài)進(jìn)程[10]。

按照森林起源的不同,森林可以分為天然林和人工林。根據(jù)美國(guó)科學(xué)認(rèn)證體系(SCS)的定義,天然林是由自然傳播或萌生而形成的、具有當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的大多數(shù)主要特征及關(guān)鍵要素(如復(fù)雜性、結(jié)構(gòu)層次和多樣性)的森林。人工林是指林地區(qū)域內(nèi)與本土生態(tài)系統(tǒng)相比缺少某些特性和關(guān)鍵要素,其原因在于人類(lèi)的活動(dòng),如植樹(shù)、播種或強(qiáng)勢(shì)的造林活動(dòng)等形成的森林[11]。人工林比天然林生長(zhǎng)快、成材早且輪伐期短,但天然林物種豐富度高,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在生產(chǎn)功能和生態(tài)功能上往往優(yōu)于人工林[12]?；谔烊涣趾腿斯ち衷谖锓N組成、成長(zhǎng)過(guò)程、穩(wěn)定性上的差異,可以預(yù)見(jiàn)兩者在景觀破碎化格局和空間過(guò)程中也將呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。然而目前針對(duì)天然林和人工林的比較多集中在群落結(jié)構(gòu)、物種多樣性、生物量和碳儲(chǔ)量等方面[13-15]。關(guān)于兩者景觀破碎化過(guò)程的分析對(duì)比鮮有報(bào)道。而傳統(tǒng)的森林破碎化研究多是利用景觀格局指數(shù)描述景觀類(lèi)型組成和結(jié)構(gòu)特征,研究結(jié)果缺乏空間含義,未能全面闡明在森林長(zhǎng)期演變的過(guò)程中破碎化斑塊面積和數(shù)量的變化情況及影響因子[16-19]。如果能夠明確森林破碎化空間過(guò)程,定量描述天然林和人工林的景觀破碎化方式,將有助于揭示不同生態(tài)環(huán)境下不同森林資源類(lèi)型的演變機(jī)理,從景觀生態(tài)的角度更加深刻理解天然林與人工林的差異性和相似處,對(duì)發(fā)展合理的、有差異性的森林經(jīng)營(yíng)管理策略具有重要指導(dǎo)意義。在此,根據(jù)一種基于Forman理論的新型景觀破碎化過(guò)程模型[20],本研究建立了森林破碎化過(guò)程模型,用于天然林與人工林森林破碎化空間過(guò)程的差異比較。

作為世界上第四大森林資源豐富的國(guó)家,美國(guó)多年來(lái)一直是世界上最大的木材出口國(guó)和最主要的紙漿和紙產(chǎn)品輸出國(guó)之一[21]。西北太平洋沿岸和落基山脈分布著大片天然林,是美國(guó)木材供給的重要來(lái)源。但由于天然林的過(guò)度采伐,導(dǎo)致木材供應(yīng)緊張,生態(tài)環(huán)境惡化。東南部人工林的大面積營(yíng)造彌補(bǔ)了天然林的不足,但也帶來(lái)了如森林穩(wěn)定性差、病蟲(chóng)害嚴(yán)重、地力衰退等一系列問(wèn)題[22]。美國(guó)西北部天然林和東南部人工林是近現(xiàn)代較為典型的林業(yè)生產(chǎn)與管理模式,同時(shí)美國(guó)在地理、氣候等方面與我國(guó)相似,以其為研究案例,不僅可以剖析其林業(yè)發(fā)展成就的制度優(yōu)勢(shì),還能為我國(guó)林業(yè)管理體制的完善和發(fā)展提供有益借鑒和現(xiàn)實(shí)參考。

綜上所述,本文選擇天然林密布的華盛頓州和人工林面積廣闊的密西西比州作為研究區(qū)域(圖1),使用NLCD2001、2006、2011 3期數(shù)據(jù),根據(jù)Li提出的景觀破碎化過(guò)程評(píng)價(jià)方法建立森林破碎化過(guò)程模型[20],將2001至2006年、2006至2011年間森林破碎化斑塊分為穿孔、破碎化、收縮和消失4種明確的破碎化空間過(guò)程,由此對(duì)比天然林和人工林破碎化方式在空間過(guò)程和時(shí)間序列上的相同點(diǎn)和差異性,用以鞏固天然林資源保護(hù)成效,更新人工林經(jīng)營(yíng)方式,提高森林穩(wěn)定性,為政府營(yíng)林造林提供決策支持,對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)森林資源可持續(xù)發(fā)展也具有借鑒意義。

1 研究區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

華盛頓州(45°33′N(xiāo)—49°N、116°55′W—124°46′W)總面積約18.48萬(wàn)km2?？λ箍μ厣矫}縱貫州境,將全州分為東西兩部分,西部分布著溫帶雨林,東部主要是哥倫比亞熔巖高原。森林用地面積約占全州的52%,其中以針葉林占據(jù)主導(dǎo)地位,闊葉林大多分布在洪澇災(zāi)害頻繁或受到其他嚴(yán)重干擾(雪崩或砍伐)的河岸地區(qū)[23]。該州林業(yè)區(qū)主要集中在喀斯喀特山脈及以東地區(qū),木材產(chǎn)量居全國(guó)第二,采伐中的93%為軟材,其中道格拉斯冷和西部鐵杉為主要商業(yè)原材。40%以上的原材加工成條材和板材,約40%加工成圓木出口,其余作為紙漿和生產(chǎn)膠合板的原料。林產(chǎn)品出口居全國(guó)第一,屬于較為典型的天然林生長(zhǎng)區(qū)。

圖1 美國(guó)州界圖Fig.1 The state diagram of USA

密西西比州(30°12′N(xiāo)—35°N、88°06′W—91°39′W)總面積約12.54萬(wàn)km2。全州地勢(shì)低洼,雨量充沛,作物生長(zhǎng)期長(zhǎng)。該州河網(wǎng)密布,毗鄰密西西比河?xùn)|岸,西北部地區(qū)在亞祖河與密西西比河的沖積下而成了新月形的肥沃地帶,稱為沖擊河谷。森林覆蓋面積占全州62%,南部主要為松樹(shù)林,密西西比河下游主要分布柏樹(shù)林,東北部地區(qū)為混合闊葉林[24]。該州人工林營(yíng)林區(qū)面積廣闊,私有林占全州森林面積88.6%,每年向工廠和其他制造業(yè)輸出了超過(guò)10億價(jià)值的林產(chǎn)品(包括木材、紙漿和松脂等),為該州帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[25]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用的數(shù)據(jù)包括：空間分辨率為30 m的3期美國(guó)國(guó)家土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)(National Land Cover Database,NLCD2001、NLCD2006、NLCD2011)。美國(guó)國(guó)家土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)由多精度土地特征(Multi-Resolution Land Characteristics Consortium,MRLC)項(xiàng)目建立,用于提供國(guó)家土地覆蓋數(shù)據(jù)和土地覆蓋變化數(shù)據(jù),適于大范圍森林景觀格局變化的分析評(píng)價(jià)。3期數(shù)據(jù)為2014年10月發(fā)布的最新版本,均覆蓋全美境內(nèi),均由Landsat TM影像決策樹(shù)分類(lèi)得到,包括20種土地覆蓋類(lèi)型。此外,NLCD2011首次實(shí)現(xiàn)了從2001年到2011年國(guó)家土地覆蓋數(shù)據(jù)之間墻到墻的,空間明確的連通。因此可以基于這3期數(shù)據(jù)直接比較并檢測(cè)土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化。

由于NLCD產(chǎn)品精度依不同的地理位置和不同的分類(lèi)類(lèi)型而不同,因而沒(méi)有正式的產(chǎn)品精度評(píng)價(jià)。Wickham 使用抽樣設(shè)計(jì)和響應(yīng)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)NLCD2001分類(lèi)精度,結(jié)果表明NLCD2001安德森二級(jí)分類(lèi)和一級(jí)分類(lèi)的總體精度分別為78.7%和85.3%,其中森林類(lèi)型的用戶精度為87.0%[26]。利用多時(shí)相高分辨率遙感影像分層隨機(jī)抽樣的方法評(píng)價(jià)NLCD2006分類(lèi)精度,結(jié)果表明安德森二級(jí)分類(lèi)精度為78.0%,森林類(lèi)型的用戶精度為87.0%[27]?；跇颖军c(diǎn)抽取的NLCD2011分類(lèi)精度評(píng)價(jià)正在進(jìn)行當(dāng)中,預(yù)計(jì)將于2015年完成[28]。

1.3 研究方法

森林景觀破碎化過(guò)程模型建立在Forman景觀破碎化理論的基礎(chǔ)上。首先,通過(guò)疊加兩個(gè)時(shí)相的土地覆蓋分類(lèi)數(shù)據(jù),可以得到森林景觀要素轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌?lèi)型的斑塊(缺失森林斑塊)和保持不變的斑塊(保留森林斑塊)。再利用景觀破碎化過(guò)程模型將缺失森林斑塊分為穿孔、破碎化、收縮和消失4種空間過(guò)程。其中,穿孔是指缺失森林斑塊被一個(gè)保留森林斑塊完全包圍；破碎化是指缺失森林斑塊與兩個(gè)或兩個(gè)以上的保留森林斑塊相接；收縮是指缺失森林斑塊僅僅與一個(gè)保留森林斑塊相接；消失則是指缺失森林斑塊不與任何保留森林斑塊相接,處于完全孤立的狀態(tài)[29](圖2)。

圖2 景觀破碎化空間過(guò)程[7]Fig.2 Diagram of four spatial processes of landscape fragmentation[7]白色表示缺失森林斑塊,綠色表示保留森林斑塊,灰色表示非森林斑塊

1.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

表1 土地覆蓋類(lèi)別聚合

為方便后續(xù)研究,對(duì)2001、2006和2011年土地覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合。將原始數(shù)據(jù)聚合為森林和非森林,得到兩個(gè)研究區(qū)的3期森林/非森林分類(lèi)圖,用于獲取缺失森林斑塊和保留森林斑塊,具體規(guī)則見(jiàn)表1。

1.3.2 森林破碎化過(guò)程模型

本文分別對(duì)華盛頓州和密西西比州2001到2006年,2006到2011年兩個(gè)時(shí)間段的森林景觀格局變化進(jìn)行研究,利用ArcGIS Modeler實(shí)現(xiàn)模型的構(gòu)建。將兩期森林/非森林分類(lèi)圖進(jìn)行疊加,得到缺失森林像元和保留森林像元。根據(jù)Moore理論對(duì)缺失森林像元使用八鄰域法進(jìn)行聚合,得到缺失森林斑塊,稱為森林破碎化斑塊圖。再對(duì)保留森林像元采用八鄰域法聚合,得到森林損失圖層1,其中值1代表缺失森林像元,2及其以上的值分別代表不同的保留森林斑塊,圖層背景值設(shè)為0。對(duì)森林損失圖層1中每一個(gè)缺失森林像元用焦點(diǎn)分析工具計(jì)算其八鄰域內(nèi)不同值的個(gè)數(shù)(圖3)。若結(jié)果值為1,則該像元被八個(gè)缺失森林像元包圍；若值為2,則該像元的八鄰域內(nèi)存在另一個(gè)值(背景值0或者保留森林斑塊)；若結(jié)果值為3及其以上,則該像元八鄰域內(nèi)至少還有兩種非1的值。然后,對(duì)結(jié)果進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì),以每一個(gè)缺失森林斑塊為一個(gè)區(qū)域,統(tǒng)計(jì)該區(qū)域內(nèi)的最大值。由此得到森林破碎化空間過(guò)程分類(lèi)圖a,其中值為1的斑塊為穿孔或消失類(lèi)型；值大于等于3的該斑塊為破碎化或收縮類(lèi)型。

接著,將森林損失圖層1的背景值賦為空值得到森林損失圖層2,再將該圖層值為1的缺失森林像元賦為空值,得到森林損失圖層3。分別對(duì)兩個(gè)圖層進(jìn)行焦點(diǎn)最大值和最小值分析。若某像元的焦點(diǎn)最小值和其焦點(diǎn)最大值相等,且在該像元所在斑塊內(nèi)的所有像元焦點(diǎn)最大值都相同,那么該斑塊就屬于穿孔或收縮類(lèi)型。而剩下的斑塊為破碎化類(lèi)型,由此得到森林破碎化空間過(guò)程分類(lèi)圖b。最后將森林破碎化空間過(guò)程分類(lèi)圖a和森林破碎化空間過(guò)程分類(lèi)圖b結(jié)合,即可將四種斑塊類(lèi)型區(qū)分出來(lái),得到森林破碎化空間過(guò)程圖(圖4—圖5)。

本文使用的森林破碎化過(guò)程模型沒(méi)有涉及到分割類(lèi)型。這是因?yàn)榉指钸^(guò)程往往始于線狀廊道(如道路),而本研究所用土地覆蓋數(shù)據(jù)的空間分辨率不高,難以識(shí)別捕捉到線狀信息,道路等線狀要素難以以斑塊的形式呈現(xiàn)。另外,分割類(lèi)型和破碎化類(lèi)型都是缺失森林斑塊與兩個(gè)或兩個(gè)以上的保留森林斑塊鄰接,不同在于分割類(lèi)型往往是線狀,到了破碎化階段才發(fā)展為面狀,因此將分割類(lèi)型歸入破碎化類(lèi)型中。

此外,為了得到更加科學(xué)、準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,模型沒(méi)有設(shè)置最小斑塊面積的閾值,森林破碎化斑塊最小面積為30m×30m(即一個(gè)像元)。

圖3 森林破碎化過(guò)程模型[20]Fig.3 Forest fragmentation process model[20]

2 結(jié)果

2.1 土地覆蓋總體變化

表2顯示了華盛頓州和密西西比州從2001到2011年11年間的土地覆蓋總體變化情況。表中數(shù)值代表當(dāng)年該土地覆蓋類(lèi)型面積占研究區(qū)域總面積的比例。2001到2011年間華盛頓州灌木和草地覆被面積有大幅度增長(zhǎng)；城市用地面積有小幅增長(zhǎng),從5.82%增長(zhǎng)到5.97%；森林覆被面積持續(xù)下降,從43.39%減少到40.06%；耕地先降再升有所波動(dòng)；水體、裸土和濕地基本保持穩(wěn)定。密西西比州11年間的土地覆蓋變化情況大致相同,灌木和草地有大幅上升,城市用地從6.17%增加到6.43%；森林覆被比例從39.60%降低至37.73%；與華盛頓州不同的是,耕地覆被面積所占比例持續(xù)下降,濕地略有上升,水體有所下降,而裸土前五年基本保持不變,后五年略有增加。

對(duì)比兩州同一年份的土地覆蓋情況不難發(fā)現(xiàn),華盛頓州森林覆蓋面積最大,灌木居于第二,農(nóng)業(yè)用地也較為廣泛。密西西比州森林覆蓋面積位居第一,耕地覆蓋面積位居第二,濕地面積比例較大位居第三,其次才是灌木；另外,密西西比州的森林和灌木比例都低于華盛頓州,而耕地和濕地的比例則明顯較高。

表2 華盛頓州和密西西比州土地覆蓋聚合類(lèi)別比例統(tǒng)計(jì)

2.2 森林損失

表3展示了華盛頓州和密西西比州在兩個(gè)時(shí)間段(2001—2006和2006—2011)的森林損失狀況。其中,間期始端和末端的森林面積數(shù)據(jù)從NLCD土地覆蓋數(shù)據(jù)中得到,兩者之差為森林凈損失面積；將前期與后期土地覆蓋數(shù)據(jù)疊加可以得到森林損失面積。觀察森林損失面積這一列,可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)時(shí)段內(nèi)密西西比州的森林損失遠(yuǎn)大于華盛頓州,年森林損失速率幾乎是華盛頓州的兩倍。同樣的,密西西比州的森林恢復(fù)面積和年森林恢復(fù)速率也高于華盛頓州,而2006年到2011年間華盛頓州年森林森林恢復(fù)速率只有0.01%。以上對(duì)比說(shuō)明人工林比天然林更容易遭到干擾,但同時(shí)其恢復(fù)速度也相對(duì)較快,因而森林凈損失不大。

表3 2001到2006,2006到2011年間華盛頓州和密西西比州森林損失面積對(duì)比

2.3 森林破碎化

2.3.1 森林破碎化空間過(guò)程

通過(guò)疊加不同時(shí)相的土地覆蓋數(shù)據(jù),森林破碎化過(guò)程模型可以檢測(cè)森林景觀變化并明確相應(yīng)的空間過(guò)程。圖4—圖5分別展示了華盛頓州和密西西比州2001至2006年和2006至2011年兩個(gè)階段的森林破碎化空間過(guò)程。從整體上看,2001到2006年間華盛頓州的森林損失主要發(fā)生在西部沿海地區(qū)和東北部?jī)?nèi)陸地帶,這里也是天然林集中分布的地區(qū)。森林破碎化斑塊多集中在城市與森林,耕地與森林,以及灌木與森林接壤的過(guò)渡地帶,呈現(xiàn)以城市(或耕地、灌木)斑塊為中心向四周擴(kuò)散的形態(tài)。穿孔斑塊主要發(fā)生在大面積的原始森林內(nèi)部；破碎化斑塊大多將森林用地轉(zhuǎn)變成了灌木和草地,且破碎化斑塊的平均面積大于其他破碎化類(lèi)型；收縮斑塊平均面積最小,是整個(gè)研究區(qū)內(nèi)最為普遍的破碎化形式；消失斑塊數(shù)量最少,主要分布在中大型灌木斑塊中。2006到2011年,森林損失斑塊分布重心基本保持不變,整體有向西傾移的趨勢(shì)。穿孔斑塊與上一階段的穿孔在空間分布上并無(wú)太大聯(lián)系,但可以明顯看出破碎化斑塊大多延續(xù)著上階段破碎化斑塊向四周擴(kuò)張；而收縮斑塊則大多發(fā)生在上階段收縮、破碎化以及穿孔斑塊的邊緣。

在密西西比州,2001至2006年間森林破碎化斑塊多分布在東南部地區(qū),到2011年重心略微朝北部?jī)A斜。與華盛頓州不同的是,破碎化斑塊并非集中在城市/森林、耕地/森林或灌木/森林的過(guò)渡帶,而是呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律的散布在森林區(qū)域內(nèi)(除了東北部區(qū)域較規(guī)律的沿農(nóng)業(yè)帶分布),而且四種破碎化過(guò)程在時(shí)間上的承接關(guān)系也沒(méi)有華盛頓州明顯。

圖4 華盛頓州森林破碎化空間過(guò)程Fig.4 Forest fragmentation spatial processes in Washington during 2001 to 2011

圖5 密西西比州森林破碎化空間過(guò)程Fig.5 Forest fragmentation spatial processes in Mississippi States during 2001 to 2011

2.3.2 森林破碎化時(shí)間動(dòng)態(tài)

表4展示了森林破碎化四種空間過(guò)程在時(shí)間上的變化。從面積上看,2001年到2006年,華盛頓州破碎化類(lèi)型導(dǎo)致的森林損失面積最大,超過(guò)50%；其次是收縮類(lèi)型,為41.46%；穿孔類(lèi)型導(dǎo)致的森林損失比例為7.45%,消失類(lèi)型比例最小不到1%。到下一階段(2006—2011),破碎化類(lèi)型導(dǎo)致的森林損失面積仍為主導(dǎo)因素,且增長(zhǎng)到52.35%,而其他3種破碎化類(lèi)型比例均有所下降。密西西比州2001到2006年間面積占森林損失總面積最大的為破碎化類(lèi)型,達(dá)60.62%,位居第二的為收縮類(lèi)型,為34.71%；穿孔類(lèi)型只有3.02%；消失類(lèi)型比例最小為1.66%。與華盛頓州情況相似,從2006年到2011年破碎化類(lèi)型增長(zhǎng)到67.64%,收縮類(lèi)型下降較大為28.63%,其他兩種類(lèi)型也略有下降。從斑塊數(shù)量上分析,華盛頓州2001到2006年69.07%的森林損失斑塊為收縮類(lèi)型,破碎化類(lèi)型僅占16.91%。2006年到2011年收縮斑塊仍占主導(dǎo)但比例有所下降,破碎化和穿孔比例上升而消失類(lèi)型比例下降。同樣的,在密西西比州11年間收縮斑塊數(shù)量最多,其次是破碎化。到第二階段,收縮和消失的比例下降,而穿孔和破碎化的比例呈上升。由此看出,天然林和人工林的破碎化空間過(guò)程在時(shí)間上呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律,主要表現(xiàn)為收縮類(lèi)型占主導(dǎo)然后慢慢消退,穿孔和破碎化逐漸增多占據(jù)新的主導(dǎo)。此外,需要注意的是,華盛頓州和密西西比州從第一階段到第二階段穿孔類(lèi)型面積比例變小了,但數(shù)量比例卻增加了,這說(shuō)明穿孔類(lèi)型平均斑塊面積較小,數(shù)量較多。

表4 華盛頓州和密西西比州森林破碎化空間過(guò)程的面積比例和數(shù)量比例

Table 4 Area and number percentages of forest patches experiencing different spatial processes in Washington and Mississippi States during two time interval

4種空間過(guò)程Fourspatialprocesses不同空間過(guò)程的面積比例/%Areapercentagesofdifferentspatialprocesses不同空間過(guò)程的數(shù)量比例/%Numberpercentagesofdifferentspatialprocesses2001—20062006—20112001—20062006—2011華盛頓州Washington穿孔Perforation7.456.449.3711.55破碎化Subdivision50.2752.3516.8118.12收縮Shrinkage41.4640.5269.0766.85消失Attrition0.810.694.753.49密西西比州MississippiStates穿孔Perforation3.012.484.555.66破碎化Subdivision60.6267.6420.6027.59收縮Shrinkage34.7128.6368.0861.11消失Attrition1.661.256.765.64

3 結(jié)論

(1)比較華盛頓州和密西西比州總體土地覆蓋情況,11年間兩地森林覆蓋面積持續(xù)下降,森林不斷遭到破壞；開(kāi)發(fā)、灌木和草地覆蓋面積持續(xù)增長(zhǎng)；華盛頓州耕地面積有所波動(dòng),而密西西比州耕地面積持續(xù)下降；另外,密西西比州河網(wǎng)密布,濕地占全州土地覆蓋很大一部分比例。

(2)人工林的森林損失面積遠(yuǎn)大于天然林,年森林損失速率也達(dá)到天然林的2倍。但同時(shí)其森林恢復(fù)面積和年森林恢復(fù)速率也高于天然林。由此可見(jiàn),人工林比天然林更容易遭到干擾,但同時(shí)其恢復(fù)速度也相對(duì)較快,因而森林凈損失不大。

(3)對(duì)比兩個(gè)研究區(qū)的森林破碎化空間過(guò)程,可以得出這樣的結(jié)論：西部天然林破碎化斑塊多數(shù)分布于城市/森林、耕地/森林、以及灌木/森林的交界處,并以大面積的城市(或耕地)斑塊為中心向四周擴(kuò)散。而人工林破碎化斑塊分布格局較為零散,呈現(xiàn)與天然林生態(tài)系統(tǒng)不同的破碎化格局。但天然林和人工林的4種破碎化空間過(guò)程具有以下共性：穿孔主要發(fā)生在大面積的原始森林內(nèi)部,如皆伐；破碎化平均斑塊面積最大；收縮斑塊平均面積最小,是整個(gè)研究區(qū)內(nèi)最為普遍的破碎化形式；消失斑塊數(shù)量最少。

(4)探討森林破碎化空間過(guò)程的時(shí)間動(dòng)態(tài),Forman認(rèn)為穿孔和破碎化主要發(fā)生于景觀破碎化前期,中期進(jìn)入破碎化和縮小階段,末期是消失階段[6]。本研究通過(guò)對(duì)比華盛頓州和密西西比州發(fā)現(xiàn),天然林中破碎化斑塊大多延續(xù)著上階段破碎化斑塊向四周擴(kuò)張；而收縮斑塊則大多發(fā)生在上階段收縮、破碎化以及穿孔斑塊的邊緣。人工林中4種空間過(guò)程的承接關(guān)系沒(méi)有天然林明顯,但整體上變化規(guī)律基本相似,可總結(jié)為“收縮-消失-穿孔/破碎化”,表現(xiàn)為收縮類(lèi)型占主導(dǎo)然后慢慢消退,穿孔和破碎化逐漸增多占據(jù)新的主導(dǎo),如此循環(huán)往復(fù),整個(gè)過(guò)程基本符合Forman景觀破碎化理論的規(guī)律。

4 討論

美國(guó)天然林集中在西北太平洋沿岸和落基山脈,二戰(zhàn)后由于木材需求量急增,大量天然林遭到砍伐,引發(fā)了關(guān)于瀕危野生動(dòng)物保護(hù)的法律訴訟[30]。1993年美國(guó)政府發(fā)起了一項(xiàng)以天然林保護(hù)為目標(biāo)的大型林業(yè)生態(tài)工程——西北林業(yè)計(jì)劃,在西北林計(jì)劃及各種保護(hù)政策的影響下,美國(guó)西北部形成了嚴(yán)格的森林經(jīng)營(yíng)規(guī)則和較高的森林管理水平,國(guó)有林地木材供給減少,天然林面積有明顯增加,生物多樣性得到保護(hù),森林生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。然而盡管西部地區(qū)天然林保護(hù)卓有成效,但人類(lèi)活動(dòng)對(duì)森林的影響仍不可忽視。有研究表明,1978年到2001年間華盛頓州森林用地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋馗采w類(lèi)型的年平均損失速率為0.37%[31]。本文分析結(jié)果顯示2001至2011年間森林年平均損失速率達(dá)到0.55%,森林用地遭到持續(xù)侵蝕。

美國(guó)東南部地區(qū)有著非常高的森林覆蓋率和私有林占有率,據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2007年在美國(guó)南部11個(gè)州(包括密西西比州)通過(guò)人工種植或再生的人工林覆蓋面積已達(dá)到180萬(wàn)hm2[32]。人工林多是單作純林, 樹(shù)種單一, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生物多樣性較低, 抗逆性較差,自然和人為干擾劇烈。表3顯示密西西比州的人工林年平均損失速率超過(guò)1%,幾乎是天然林的兩倍。但同時(shí),人工林在人為營(yíng)林措施的干預(yù)下恢復(fù)速度較快,因而凈森林損失量不大。另外,東南部地區(qū)大部分州沒(méi)有森林經(jīng)營(yíng)的相關(guān)法律,林主對(duì)擁有的森林自由酌情處理。同時(shí)法律也沒(méi)有對(duì)私有林地的木材采伐量進(jìn)行限制或有采伐限額,采伐往往以皆伐為主,印證了圖5森林破碎化斑塊呈現(xiàn)較為零散而無(wú)規(guī)律的格局,體現(xiàn)了人工林本身的生態(tài)結(jié)構(gòu)和經(jīng)營(yíng)管理方式。

本研究利用森林破碎化過(guò)程模型明確了西部天然林和東南部人工林的破碎化在空間和時(shí)間上的動(dòng)態(tài)過(guò)程,符合Forman認(rèn)為的景觀變化包含不同空間過(guò)程的觀點(diǎn)[7,33-34]。已有的森林破碎化研究大多針對(duì)某一時(shí)間點(diǎn)上的靜態(tài)空間格局而忽視了空間過(guò)程,森林破碎化過(guò)程模型彌補(bǔ)了這一不足,利用兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的土地覆蓋數(shù)據(jù),圖示并量化森林破碎化斑塊的分布格局和變化過(guò)程,為天然林保護(hù)和人工林經(jīng)營(yíng)管理提供了一定的科學(xué)指導(dǎo),對(duì)詮釋政府政策含義,制定未來(lái)森林生態(tài)保護(hù)制度,促進(jìn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

但是,本研究對(duì)土地覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行直接比較,因此土地覆蓋數(shù)據(jù)的誤分會(huì)導(dǎo)致破碎化空間過(guò)程的誤分,所以遙感影像的分類(lèi)精度對(duì)破碎化空間過(guò)程的準(zhǔn)確性有很大影響。本研究使用的NLCD數(shù)據(jù)精度平均在80%,難以避免的會(huì)有部分誤差和錯(cuò)分。未來(lái)使用更加精確的土地覆蓋數(shù)據(jù)可以有效改善這一現(xiàn)象。

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Differences in fragmentation processes between western natural forests and southeastern forest plantations in the United States: a case study comparing the states Washington and Mississippi State

REN Xinyu1,2, Lü Yingying1,2, WU Yingwei1,2, LI Mingshi1,2,*, LI Weizheng3

1CollegeofForestry,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China2Co-InnovationCenterforSustainableForestryinSouthernChina,Nanjing210037,China3NanjingForestryUniversityAdvancedAnalysisTestCenter,Nanjing210037,China

Forest loss and fragmentation have long been one of the most vital concerns of the international community. Landscape fragmentation includes five different spatially explicit processes: perforation, dissection, subdivision, shrinkage, and attrition. Following this theory, a forest fragmentation process model that can detect these spatially explicit processes, as well as the ecological consequences of forest landscape fragmentation, was developed using ArcGIS Modeler. Using the National Land Cover Database (years 2001, 2006, and 2011), the forest fragmentation process model was applied to Washington and Mississippi in the USA. Deforested patches were quantified and categorized into one of four fragmentation processes, by merging the dissection spatial process into the subdivision spatial process (because of its principal linear feature). Furthermore, the spatio-temporal differences in fragmentation pattern between natural forests and plantations were compared. For natural forests, forest fragmentation mainly occurred in the urban/forest, cultivated/forest, and shrubland/forest interfaces, whereas the pattern of deforested plantation patches dispersed sparsely and irregularly throughout the region. The subdivision and shrinkage patches in natural forests usually followed the perforation, subdivision, and shrinkage patches of the previous period. In contrast, for the plantations, the spatial transition relationships of the four fragmentation processes were not as apparent as for the natural forests. Nonetheless, for both natural forests and plantations, the overall temporal fragmentation pattern tended to have a similar “shrinkage-attrition-perforation/subdivision” tendency. This tendency was characterized by an early shrinkage dominance, followed by its gradual disappearance. Furthermore, perforation and subdivision components increased gradually, and a new dominance was established accordingly.

forest fragmentation process; natural forests; plantation forests; difference analysis

國(guó)家林業(yè)局“948”項(xiàng)目(2014-04-25)；林業(yè)公益性行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(201304208)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31270587)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)；江蘇高校品牌專(zhuān)業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目(TAPP)

2015-08-08;

日期:2016-06-13

10.5846/stxb201508081671

* 通訊作者Corresponding author.E-mail: nfulms@aliyun.com

任芯雨,呂瑩瑩,巫穎偉,李明詩(shī),李衛(wèi)正.人工林與天然林破碎化過(guò)程差異對(duì)比——以美國(guó)華盛頓州和密西西比州為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(2):474-484.

Ren X Y, Lü Y Y, Wu Y W, Li M S, Li W Z.Differences in fragmentation processes between western natural forests and southeastern forest plantations in the United States: a case study comparing the states Washington and Mississippi State.Acta Ecologica Sinica,2017,37(2):474-484.