大熊山國有林場生態(tài)敏感性研究

胥東海

(國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 長沙 410014)

大熊山國有林場生態(tài)敏感性研究

胥東海

(國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 長沙 410014)

通過篩選大熊山國有林場生態(tài)敏感性評價(jià)指標(biāo)，以及采用ArcGIS重分類，將重分類的數(shù)據(jù)用空間主成分分析法確定大熊山國有林場生態(tài)敏感性各指標(biāo)的權(quán)重，得到各指標(biāo)最終權(quán)重值的排序?yàn)椋毫址诸愋?海拔>坡位>齡組>郁閉度>坡度>坡向>土壤類型；對各生態(tài)敏感性評價(jià)因子用空間分析工具進(jìn)行加權(quán)疊加處理，進(jìn)而得到大熊山國有林場生態(tài)敏感性的空間趨勢：西部、西北、東北以及中部偏高；南部、東部、西南和東南偏低；通過統(tǒng)計(jì)林場不同生態(tài)等級面積，按從大到小的排列順序?yàn)檩p度敏感區(qū)>中度敏感區(qū)>高度敏感區(qū)>不敏感區(qū)>極度敏感區(qū)，總體來說大熊山國有林場的生態(tài)敏感程度較小。

生態(tài)敏感性；大熊山國有林場；主成分分析

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和社會人口的不斷膨脹[1]，人類對大自然的影響范圍正在不斷擴(kuò)大，其影響強(qiáng)度也與日俱增[2-3]，由此引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題也日益嚴(yán)峻[4]，使得整個(gè)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境也變得越發(fā)敏感、越發(fā)脆弱[5]。國際上與生態(tài)敏感性相關(guān)的研究，主要集中在選擇采伐對熱帶雨林的生態(tài)敏感性、水文循環(huán)對氣候變化的敏感程度、濕地和濕地植物對于氣候變化的敏感程度等方面[6-8]。國內(nèi)對生態(tài)系統(tǒng)的敏感性評價(jià)研究多集中在城市生態(tài)敏感性評價(jià)、土地利用生態(tài)敏感性評價(jià)、水環(huán)境及水土流失敏感性評價(jià)等領(lǐng)域[9-11]。目前關(guān)于林地生態(tài)敏感性的研究則鮮有報(bào)道，筆者通過對大熊山國有林場的生態(tài)敏感性進(jìn)行研究，以期為大熊山國有林場的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和森林資源利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

大熊山國有林場位于湖南湘中婁底市新化縣境西北部，屬雪峰山脈北段中山地貌，最高海拔1622 m，最低海拔270 m。主要成土母巖為板頁巖，土壤以板發(fā)育而成的山地黃壤為主。屬亞熱帶風(fēng)季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫15 ℃，年降水量1560 mm，無霜期220 d左右。林場經(jīng)營面積0.762萬hm2，有林地0.745萬hm2，森林蓄積量38萬m3。對大熊山國有林場進(jìn)行生態(tài)敏感性評價(jià)，不僅對大熊山國有林場生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有重大意義，更對今后發(fā)展利用林場的森林資源具有重要的實(shí)際參考價(jià)值。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

大熊山國有林場DEM數(shù)據(jù)，分辨率20 m×20 m；大熊山國有林場2014年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以小班為最小單位，包括地類、齡組、坡向、坡位、海拔、優(yōu)勢樹種、坡度、土壤類別、郁閉度等屬性信息。

2.2 研究方法

2.2.1 選取生態(tài)敏感性評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系的原則來選取評價(jià)指標(biāo)。本研究從生態(tài)敏感性的角度選取了坡向、坡位、坡度、海拔、土壤類型、地類、齡組、郁閉度等8個(gè)測定因子；

1) 林分類型： 林分類型是林地地表所覆蓋的植被類型，不同林分類型所對應(yīng)的水土保持、水源涵養(yǎng)和生態(tài)恢復(fù)能力都存在差異，這對區(qū)域的生態(tài)敏感性有著較大的影響。大熊山國有林場林分類型的分布情況如圖1。

2) 海拔： 海拔是影響生物所受太陽輻射強(qiáng)度的主要因子之一。海拔升高，太陽輻射量增強(qiáng)，植物所受的紫外線輻射量越大，對植物的生長會起到一定的抑制作用，故生態(tài)敏感性隨著海拔高程的升高而增大。大熊山國有林場海拔的分布情況如圖1。

3) 土壤類型： 土壤作為植物生長的基質(zhì)，是決定地表植被的主要因素之一，不同類型的土壤，其顆粒的粗糙程度、通氣性能、保水性能的強(qiáng)弱、滲水速度的快慢等性質(zhì)的各具差異。因此，不同的土壤類型，其生態(tài)敏感性也一般不同。大熊山國有林場土壤類型的分布情況如圖1。

圖1 林分類型、海拔和土壤類型空間分布圖

4) 齡組：齡組能直觀地反映林分的發(fā)育及可利用的現(xiàn)狀，不同齡組的林木，擁有不同的生長狀況，其所發(fā)揮的生態(tài)功能也存在較大差異，故不同齡組的生態(tài)敏感性也是不同的。大熊山國有林場齡組的分布情況如圖2。

5) 郁閉度：郁閉度指森林中喬木樹冠在陽光直射下在地面的總投影面積(冠幅)與此林地(林分)總面積的比值，它能在一定程度上反映林分的密度。因此，郁閉度對區(qū)域的生態(tài)敏感性也有一定的影響。大熊山國有林場郁閉度的分布情況如圖2。

6)坡位：坡位能影響林木所生長土層的深度以及土壤的水分和肥力。上坡的植物枯枝落葉等殘積物較少，且受到較強(qiáng)的淋溶沖刷作用，導(dǎo)致其腐殖質(zhì)層和土層厚度等相對中下坡薄。故脊部和上坡生態(tài)敏感性高，中下坡生態(tài)敏感性低。大熊山國有林場坡位的分布情況如圖2。

圖2 齡組、郁閉度和坡位空間分布圖

7) 坡度： 坡度能影響植被所接收的太陽輻射單位面積和水土保持能力，隨著坡度的增大，地面所接收的太陽輻射單位面積減小，且土壤受到的淋溶沖刷作用強(qiáng)，生態(tài)敏感性也隨之增強(qiáng)。大熊山國有林場坡度的分布情況如圖3。

8) 坡向： 坡向能影響植被對太陽輻射量的接收程度，也是構(gòu)成小氣候的重要原因，不同坡向的生態(tài)差異化明顯。在北緯20～50°之間，南坡屬陽坡而北坡屬陰坡。陽坡光照充沛，有利于林分的生長，生態(tài)敏感性較低；陰坡光照條件相對較差，生態(tài)敏感性較高。大熊山國有林場坡向的分布情況如圖3。

圖3 坡度和坡向空間分布圖

2.2.2 生態(tài)敏感性指標(biāo)計(jì)算

參照以前研究成果和《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》對各評價(jià)因子的敏感性進(jìn)行等級劃分，將大熊山國有林場的生態(tài)敏感性劃分為不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)和極度敏感區(qū)5個(gè)等級；這5個(gè)等級相對應(yīng)的賦值為1，2，3，4，5(表1)。將這5個(gè)等級用ArcGIS進(jìn)行空間主成分分析[12-13]，計(jì)算出林場的生態(tài)敏感性指標(biāo)權(quán)重。林場的針葉林包括濕地松、柏木、馬尾松、火炬松、杉木和金錢松；闊葉樹包括楓香、檫木、椿樹、櫟類、樟類、木荷、梧桐、木蘭、楠類、歐美楊、山槐類、石楠類；竹林包括毛竹、雜竹；喬木經(jīng)濟(jì)林包括桃、梨、楊梅、油茶、板栗、柑桔、李、枇杷、棗以及其他果樹；灌木林包括黃柏、鹽膚木、茶葉、杜仲、金銀花等。

表1 生態(tài)敏感性等級劃分生態(tài)敏感性等級評價(jià)因子海拔/m坡位坡度/(°)坡向土壤類型地類齡組郁閉度不敏感區(qū)(1)0～<300平地0～<15南、無坡度山地草甸土闊葉樹過熟林≥0 8輕度敏感區(qū)(2)300～<600下部、谷地15～<20東南、西南紅壤、山地黃壤針葉林成熟林0 6～<0 8中度敏感區(qū)(3)600～<900中部20～<25東、西山地黃棕壤喬木經(jīng)濟(jì)林近熟林0 4～<0 6高度敏感區(qū)(4)900～<1200全坡25～<35東北、西北紫色土竹林、灌木經(jīng)濟(jì)林中齡林0 2～<0 4極度敏感區(qū)(5)≥1200上部、脊部≥35北黑色石灰土灌木林幼齡林<0 2

3 結(jié)果與分析

3.1 各評價(jià)因子生態(tài)敏感性等級劃分

根據(jù)方法中各評價(jià)因子的敏感性進(jìn)行等級劃分的標(biāo)準(zhǔn)，在ArcGIS中對各評價(jià)因子進(jìn)行重新劃分，其結(jié)果詳見圖4。

圖4 生態(tài)敏感性測定因子重分類后的空間分布圖

3.2 各因子生態(tài)敏感性指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

運(yùn)用ArcGIS中的空間主成分分析工具，計(jì)算出大熊山國有林場生態(tài)敏感性主成分的特征值與特征向量，提取累積貢獻(xiàn)率>85%的前n個(gè)成分作為主成分，并計(jì)算出各因子生態(tài)敏感性指標(biāo)的權(quán)重，具體計(jì)算過程如表2～3。由表2可得出： 提取林分類型、齡組、海拔、土壤類型、坡向這前5個(gè)成分作為生態(tài)敏感性測定因子的主成分。

表2 生態(tài)敏感性主成分特征值及貢獻(xiàn)率主成分初始特征值貢獻(xiàn)率/%累計(jì)貢獻(xiàn)率/%提取特征值貢獻(xiàn)率/%累計(jì)貢獻(xiàn)率/%11 213033 0033 001 213033 0033 0020 799121 7454 750 799121 7454 7530 609516 5871 330 609516 5871 3340 502413 6785 000 502413 6785 0050 16584 5189 510 16584 5189 5160 15954 3493 8570 12973 5397 3880 09622 62100 00

表3 生態(tài)敏感性主成分特征向量生態(tài)敏感性指標(biāo)主成分12345678林分類型0 62350 1491-0 3970-0 35230 4911-0 0197-0 25570 0205齡組0 3477-0 0661-0 23350 90090 0518-0 04980 03730 0449海拔0 2532-0 09050 4818-0 05010 0773-0 60680 12480 5507土壤類型-0 0696-0 01030 03500 0567-0 11820 4928-0 51840 6819坡向-0 01050 95290 26010 14140 04580 03850 0146-0 0206坡位0 3395-0 22210 69430 07170 15510 3273-0 2378-0 4007坡度0 0333-0 05160 0518-0 04030 37550 50080 72940 2610郁閉度0 55230 0713-0 0462-0 1783-0 75440 16320 24520 0122

結(jié)合表2與表3，可得出大熊山國有林場生態(tài)敏感性主成分的特征值和特征向量及其貢獻(xiàn)率，可以此作為依據(jù)計(jì)算出大熊山國有林場生態(tài)敏感性的綜合得分模型：

F= 0.312 7D1+0.608 4D2+0.408 3D3-

0.064 7D4+0.844 9D5+0.631 3D6+

0.224 1D7-0.216 0D8

(1)

其中，F(xiàn)為生態(tài)敏感性指數(shù)；D1，D2，D3，D4，D5，D6，D7，D8分別代表生態(tài)敏感性指數(shù)進(jìn)行空間主成分分析的林分類型、齡組、海拔、土壤類型、坡向、坡位、坡度、郁閉度這8個(gè)測定因子。

由公式(1)可得知，生態(tài)敏感性測定因子林分類型、齡組、海拔、土壤類型、坡向、坡位、坡度、郁閉度的權(quán)重，如表4所示。通過比較各測定因子的權(quán)重，并從大到小排序可知：林分類型>海拔>坡位>齡組>郁閉度>坡度>坡向>土壤類型。由排序可以得出：土壤類型對于大熊山國有林場的生態(tài)敏感性影響最小；林分類型影響最大，其次是海拔，再次是坡位。故生態(tài)方面對生態(tài)敏感性影響最大的是海拔，其次是坡位，再是坡度與坡向，影響最小的則是土壤類型；林木方面影響最大的是林分類型，其次是齡組，最小的則是郁閉度。總體來說，生態(tài)方面對生態(tài)敏感性的影響小于林木方面，提升區(qū)域的林木數(shù)量與質(zhì)量是降低生態(tài)敏感性最為有效的方法。

表4 生態(tài)敏感性各測定因子權(quán)重生態(tài)敏感性測定因子權(quán)重林分類型0 3075齡組0 2172海拔0 2371土壤類型0 0012坡向0 0425坡位0 2301坡度0 0564郁閉度0 1332

運(yùn)用ArcGIS的空間分析工具對各生態(tài)敏感性測定因子進(jìn)行加權(quán)疊加；再按0-1，1-2，2-3，3-4，4-5的區(qū)間等級對其進(jìn)行重分類。其中0-1為不敏感區(qū)、1-2為輕度敏感區(qū)、2-3為中度敏感區(qū)、3-4為高度敏感區(qū)、4-5為極度敏感區(qū)，可得到大熊山國有林場生態(tài)敏感性的空間分布圖，如圖5。

圖5 生態(tài)敏感性空間分布圖

由圖5可知，大熊山國有林場生態(tài)敏感性總體分布趨勢為西部、西北、東北以及中部偏高；南部、東部、西南和東南偏低，對比生態(tài)敏感性測定指標(biāo)的分布情況，生態(tài)敏感性的空間分布與林分類型、海拔、坡位以及齡組存在較強(qiáng)的相關(guān)性，說明大熊山國有林場的生態(tài)敏感性主要由林分類型、海拔、坡位以及齡組決定。不同林分類型所對應(yīng)的水土保持、水源涵養(yǎng)和生態(tài)恢復(fù)能力都存在差異，從林分類型圖可知，闊葉林與針葉林占據(jù)著林場的大部分區(qū)域，以南部和西部的分布最為廣泛，因此這些林分分布的區(qū)域水源涵養(yǎng)和水土保持功能都優(yōu)于其他區(qū)域，因而南部、東部以及東南、西南等區(qū)域的生態(tài)敏感性較低。海拔作為植物分布的重要決定因素之一，對生態(tài)敏感性的影響是無法忽視的，從海拔分布圖可知，林場的高海拔地區(qū)主要分布在其西部和中部地區(qū)，因此這些區(qū)域的生態(tài)敏感性較高。坡位對林木生長土壤的水分、肥力以及土層厚度都有較大影響，從坡位分布圖可知，林場內(nèi)的山地的主要山脊線由西部至東北貫穿整個(gè)研究區(qū)域，脊部和上坡的動植物殘積物較少，所受淋溶沖刷作用較強(qiáng)強(qiáng)，導(dǎo)致地面腐殖質(zhì)難以累積，從而使得中下坡土壤的腐殖質(zhì)層相對較厚，因而西南、西北以及東北區(qū)域的生態(tài)敏感性較高。不同齡組的林木，擁有不同的生長狀況，其所發(fā)揮的生態(tài)功能也存在較大差異，林場的幼齡林和中齡林區(qū)域主要分布在其北部和西部區(qū)域，因此這些區(qū)域的生態(tài)敏感性較強(qiáng)。

3.3 大熊山國有林場不同生態(tài)敏感級面積統(tǒng)計(jì)

為統(tǒng)計(jì)不同等級的敏感區(qū)面積需將重分類后的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5。

表5 不同生態(tài)敏感級面積統(tǒng)計(jì)敏感等級面積/hm2比例/%不敏感區(qū)589 657 92輕度敏感區(qū)3162 2542 50中度敏感區(qū)2489 6033 46高度敏感區(qū)928 8012 48極度敏感區(qū)271 003 64

根據(jù)表5可以看出，對林場的生態(tài)敏感性進(jìn)行分級后，高度敏感區(qū)和極度敏感區(qū)僅為1 199.8 hm2，僅占林場總面積的16.12%，總體來說，大熊山國有林場的生態(tài)敏感程度較小。

4 結(jié)論與討論

通過篩選生態(tài)敏感性評價(jià)指標(biāo)以及采用ArcGIS重分類，將重分類的數(shù)據(jù)用空間主成分分析法確定大熊山國有林場生態(tài)敏感性各指標(biāo)的權(quán)重，得到各指標(biāo)最終權(quán)重值的排序?yàn)椋毫址诸愋?海拔>坡位>齡組>郁閉度>坡度>坡向>土壤類型，由此可知，林分類型、海拔、坡位和齡組是影響大熊山國有林場生態(tài)敏感性的主要因子，郁閉度是次要因子，坡度、坡向和土壤類型是一般因子。

根據(jù)ArcGIS的空間分析工具，對各生態(tài)敏感性評價(jià)因子進(jìn)行加權(quán)疊加處理，進(jìn)而得到大熊山國有林場生態(tài)敏感性的空間趨勢：西部、西北、東北以及中部偏高；南部、東部、西南和東南偏低，其空間分布趨勢主要由林分類型、海拔、坡位和齡組這4個(gè)因子影響。林場不同生態(tài)等級面積按從大到小的排列順序?yàn)檩p度敏感區(qū)>中度敏感區(qū)>高度敏感區(qū)>不敏感區(qū)>極度敏感區(qū)，總體來說，大熊山國有林場的生態(tài)敏感程度較小。但生態(tài)敏感性的高低不能作為評價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的直接依據(jù)，它所表示的是區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)對外界干擾所產(chǎn)生抵抗能力的強(qiáng)弱，針對生態(tài)敏感性高的區(qū)域需要加強(qiáng)監(jiān)督與管護(hù)，如海拔較低的灌木林分可以合理適當(dāng)補(bǔ)植喬木類鄉(xiāng)土樹種以降低該區(qū)域的生態(tài)敏感性，從而增強(qiáng)整個(gè)林場的生態(tài)穩(wěn)定性，充分發(fā)揮林場的生態(tài)調(diào)節(jié)功能。

[1] 李建軍,蘇志珠,王言榮. 基于GIS的萬榮縣生態(tài)敏感性評價(jià)與區(qū)劃[J].中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃,2014，35(5):48-54.

[2] 劉青. 新化縣林地生態(tài)脆弱性及森林碳儲量相關(guān)性研究[D].長沙：中南林業(yè)科技大學(xué),2016.

[3] 馬駿,李昌曉,魏虹,等. 三峽庫區(qū)生態(tài)脆弱性評價(jià)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015，35(21):7117-7129.

[4] 孫才志,楊磊,胡冬玲. 基于GIS的下遼河平原地下水生態(tài)敏感性評價(jià)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2011,31(24):7428-7440.

[5] 李東梅,高正文,付曉,吳曉青,吳鋼. 云南省生態(tài)功能類型區(qū)的生態(tài)敏感性[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30(1):138-145.

[6] Horne R，Hickey J． Ecological Sensitivity of Australian Rainforests to Selective Logging[J]. Australian Journal of Ecology，1991，16( 1) : 119-129．

[7] Carrington D P，Gallimore R G，Kutzbach J E．Climate Sensitivity to Wetlands and Wetland Vegetation in Mid-Holocene North Africa[J].Climate Dynamics，2001，17( 2/3) : 151-157．

[8] Muzik I．Sensitivity of Hydrologic Systems to Climate Change[J].Canadian Water Resources Journal，2001, 26(2):233 ～252.

[9] 黃靜,崔勝輝,李方一,等.廈門市土地利用變化下的生態(tài)敏感性[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2011,31(24):7441-7449.

[10] 張?jiān)娨?馮長春,劉雪萍,等.基于生態(tài)敏感性分析的建設(shè)用地適宜性評價(jià)[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2015,51(4):631-638.

[11] 佘濟(jì)云,周丹華,劉照程,等.基于GIS的萬泉河流域生態(tài)敏感性分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2012,28(10):69-73.

[12] 范雪莉,馮海泓,原猛.基于互信息的主成分分析特征選擇算法[J].控制與決策,2013,28(6):915-919.

[13] 韓小孩,張耀輝,孫福軍,等.基于主成分分析的指標(biāo)權(quán)重確定方法[J].四川兵工學(xué)報(bào),2012,33(10):124-126.

StudyonEcologicalSensitivityofDaxiongMountainState-ownedForestFarm

XU Donghai

(Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration, Changsha 410014,Hunan，China)

By using the ArcGIS reclassification data, the weights of the indexes of ecological sensitivity of Daxiong Mountain State-owned Forest Farm were determined by spatial principal component analysis(PCA). The final weight values of each index were sorted by：forest type> elevation> slope position> age group> canopy closure> slope degree> slope direction> soil type. In the west, northwest, northeast and middle areas of the of Daxiong Mountain State-owned Forest Farm, the spatial ecological sensitivity were higher than those in the south, east, southwest and southeast areas. By means of statistical ecological diversity of different forest areas, according to the order of from the large to the mild,Daxiong Mountain State-owned Forest Farm was divided into：sensitive area> moderate sensitive area> highly sensitive area> insensitive area> extreme sensitive area, in general, the ecological sensitivity of the Daxiong Mountain State Forest Farm was low.

ecological sensitivity；Daxiong Mountain State-owned Forest Farm；principal component analysis

2017-06-16

胥東海(1986-)，男，湖南岳陽人，助理工程師，主要從事森林資源監(jiān)測和林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)等工作。

F 316.23

B

1003-6075(2017)03-0017-07

10.16166/j.cnki.cn43-1095.2017.03.005