基于LANDIS的西水林場(chǎng)森林景觀動(dòng)態(tài)模擬研究

趙大川，趙 選，周遠(yuǎn)博，劉光哲，趙鵬祥*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

森林生態(tài)系統(tǒng)是地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，在全球生態(tài)系統(tǒng)中有極為重要的地位，且影響著全球的氣候，而森林景觀格局的動(dòng)態(tài)變化研究對(duì)于森林資源管理與規(guī)劃意義重大。依托遙感，GIS等新的技術(shù)手段，L.R.Lverson[1]等和W.J.Ripple[2]等首次對(duì)景觀格局的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化做出嘗試，至此國(guó)內(nèi)外對(duì)景觀格局動(dòng)態(tài)模擬研究日益增多。

LANDIS 模型是一種景觀直觀模型，是由美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校于1991年開(kāi)發(fā)的，可以用來(lái)模擬大時(shí)空大尺度上森林景觀的動(dòng)態(tài)變化[3]。LANDIS模型研發(fā)并應(yīng)用后，國(guó)外研究學(xué)者廣泛應(yīng)用此模型來(lái)模擬預(yù)測(cè)森林景觀格局，包括演替、干擾、氣候變遷影響等動(dòng)態(tài)變化[4-8]。國(guó)內(nèi)對(duì)景觀格局研究的熱情不低[9-10]，并且已有學(xué)者積極運(yùn)用此模型來(lái)對(duì)森林景觀格局進(jìn)行研究[11-15]，而關(guān)于西水林場(chǎng)的森林景觀變化及長(zhǎng)周期模擬的研究很少，基于此，本研究選取西水林場(chǎng)為研究區(qū)，研究其景觀格局以及森林景觀演變過(guò)程。

本文的研究?jī)?nèi)容主要有:1)利用國(guó)產(chǎn)資源3號(hào)衛(wèi)星原始遙感圖像并結(jié)合西水林場(chǎng)森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，獲得研究區(qū)內(nèi)植被分布，年齡等信息。2)運(yùn)用LANDIS 模型并結(jié)合 ArcGIS10.2，模擬西水林場(chǎng)森林景觀300 a(2013—2313年)的森林景觀演替的動(dòng)態(tài)變化。3)應(yīng)用軟件Fragstats4.3計(jì)算出5個(gè)景觀評(píng)價(jià)指數(shù)評(píng)價(jià)模擬結(jié)果并分析相關(guān)景觀格局的變化趨勢(shì)。

1 研究區(qū)概況

西水林場(chǎng)即西水自然保護(hù)站，位于甘肅省張掖市祁連山中段肅南裕固自治縣東北部的馬蹄區(qū)(100°03′-100°23′E，38°32′-38°48′N(xiāo))(圖1)。林場(chǎng)面積約為732.49 km2，大部分地區(qū)海拔為2 000～4 000 m，最高峰海拔約為4 700 m，最低海拔約為2 000 m。高山地帶坡度在40°左右，亞高山地帶坡度多在20°～30°,屬于淺山地區(qū)，位于祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，是黑河流域的一部分，該流域具有許多科研站和試驗(yàn)站，如國(guó)家林業(yè)局祁連山森林生態(tài)站等，樹(shù)種及地形具有代表性，有很高的科研價(jià)值。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 遙感影像與預(yù)處理

使用國(guó)產(chǎn)資源三號(hào)衛(wèi)星獲取的2013年西水林場(chǎng)的遙感影像數(shù)據(jù)。為達(dá)到預(yù)期目的，對(duì)原始的遙感圖像進(jìn)行了輻射校正和幾何糾正、投影變換、圖像裁剪與鑲嵌、特征參數(shù)提取以及分類等一系列預(yù)處理，并結(jié)合實(shí)地觀測(cè)建立遙感影像解譯標(biāo)志，得到表1。

2.2 基于LANDIS-II模擬研究區(qū)景觀動(dòng)態(tài)變化

基于種子自由擴(kuò)散法，不考慮風(fēng)、火、采伐等外界因素的干擾，模擬研究區(qū)在未來(lái)300 a內(nèi)的自然演替過(guò)程。其模擬過(guò)程在LANDIS-II v6.0平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的，共涉及8個(gè)文件：場(chǎng)景模擬文件、樹(shù)齡演替文件、樹(shù)種生活史特征參數(shù)文件、初始群落文件、初始群落圖、立地類型文件、立地類型圖以及結(jié)果輸出文件。場(chǎng)景模擬文件是對(duì)LANDIS模型的整個(gè)模擬的順序提供總體的框架，具有明確相關(guān)文件以及圖像的位置，確定相關(guān)參數(shù)的重要作用樹(shù)種生活史特征參數(shù)文件，主要列出研究區(qū)內(nèi)各種樹(shù)種的生活史參數(shù)，其數(shù)值主要通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[16]，實(shí)地調(diào)研詢問(wèn)當(dāng)?shù)亓謭?chǎng)管理人員，以及咨詢相關(guān)專家獲得，其結(jié)果見(jiàn)表2。樹(shù)齡演替文件描述了不同樹(shù)種的建群系數(shù)，并確定種子傳播的算法、模擬時(shí)間間隔、以及初始群落圖與文件的位置等信息。建群系數(shù)是用來(lái)描述環(huán)境條件對(duì)樹(shù)種生長(zhǎng)的適合程度，其數(shù)值處于 0和1之間，比如青海云杉，容易在陰坡、坡度≤25°、2 300 m≤海拔≤3 500 m這一立地類型上生存，那么青海云杉在這個(gè)立地類型上建群的可能性也就越大，模型假設(shè)同一種樹(shù)種在同一個(gè)立地類型上具有一樣的建群系數(shù)，不同的樹(shù)種在不同的立地類型上有不同的建群系數(shù)，本研究區(qū)內(nèi)青海云杉、祁連圓柏和山楊在13種立地類型上的建群系數(shù)如表3。初始群落文件主要包含具體的樹(shù)種種類及其樹(shù)種的年齡組。初始群落圖也就是樹(shù)種分布圖，它是8位或16位的GIS格式的柵格圖文件，可通過(guò)ArcGIS和ERDAS軟件獲得。LANDIS模型將立地類型分為無(wú)效立地類型和有效立地類型。本次研究區(qū)內(nèi)的無(wú)效立地類型包括草地、水域、房屋和荒山荒地等。有效立地類型根據(jù)樹(shù)種的生活習(xí)性以及地形等要素進(jìn)行分類。由于本地樹(shù)種主要是青海云杉和祁連圓柏，且它們都生長(zhǎng)在海拔2 300～3 500 m，因此將海拔分為<2 300 m、2 300～3 500 m以及>3 500 m這3個(gè)類型。按坡度分為緩坡和陡坡2種，其中<25°為緩坡，>25°為陡坡。青海云杉為典型的陰坡植物，而祁連圓柏為陽(yáng)坡植物，因此還要將研究區(qū)分為陽(yáng)坡和陰坡(表4)。然后通過(guò)ArcGIS10.2對(duì)高程、坡向以及坡位進(jìn)行分級(jí)并重分類得到立地類型圖(圖2)。結(jié)果輸出文件主要內(nèi)容包括輸出結(jié)果的時(shí)間間隔，如在本次研究中設(shè)置每過(guò)10 a輸出1次結(jié)果圖像，輸出結(jié)果圖的位置和名稱。另外還可以輸出每一個(gè)樹(shù)種的每過(guò)10 a的生長(zhǎng)狀況圖。

2.3 景觀格局評(píng)價(jià)指數(shù)

綜合分析研究區(qū)內(nèi)地形、景觀等因素，選用樹(shù)種的斑塊面積百分比、聚集度指數(shù)、分維數(shù)指數(shù)、景觀多樣性和均勻度等景觀評(píng)價(jià)指數(shù)，該過(guò)程在景觀格局分析工具Fragstats4.3上進(jìn)行。

1)斑塊面積比PLAND(percentage of landscape，%)可以作為判斷景觀中優(yōu)勢(shì)斑塊一個(gè)依據(jù)。

(1)

式中，aij——斑塊ij的面積，Pi——斑塊類型i所占的面積比，A——整個(gè)景觀的面積。

2)相對(duì)聚集度指數(shù)AI(aggregation index，%)可以體現(xiàn)某一種斑塊的聚集程度。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

分類遙感影像形態(tài)、色調(diào)、紋理特征位置分布有林地形狀不太規(guī)則，與其他景觀要素邊界清晰，色調(diào)暗紅，紋理細(xì)膩主要分布在中山坡地，受地形、海拔、坡向的制約灌木林地形狀不太規(guī)則，多呈紅、鮮紅或粉紅色，影像紋理細(xì)膩主要分布在4000m以下的山坡和山谷，基本沿等高線分布草地形狀不規(guī)則，顏色以紅、艷紅為主色調(diào)，影像質(zhì)底較細(xì)膩、顏色均一研究區(qū)范圍內(nèi)皆有分布未利用地(荒山荒地)形狀不規(guī)則，顏色以青，青綠色為主，影像質(zhì)地較細(xì)但不均勻主要分布在高山頂部、山間陡坡、丘陵或者戈壁等水域幾何形狀明顯，影像呈現(xiàn)深藍(lán)色，影像質(zhì)底細(xì)膩，紋理清晰，顏色均勻主要分布在山間溝谷

表2 西水林場(chǎng)3個(gè)樹(shù)種的生活史特征參數(shù)

表3 西水林場(chǎng)不同立地類型的樹(shù)種建群系數(shù)

表4 西水林場(chǎng)立地類型

圖2 西水林場(chǎng)立地類型

圖3 各樹(shù)種300 a后分布情況

(2)

式中，gii——斑塊類型i像元之間的節(jié)點(diǎn)數(shù)，maxgii——斑塊類型i像元之間的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)。

3)分維數(shù)指數(shù)FRAC(fractal dimension index)能夠反映出景觀內(nèi)斑塊邊界形狀的復(fù)雜性和破碎化程度。

(3)

式中，pii——斑塊ij的周長(zhǎng)。

4)Shannon-Weaver多樣性指數(shù)SHDI(shannon's diversity index) 用來(lái)度量景觀中斑塊的異質(zhì)性程度的一個(gè)指標(biāo)，該指數(shù)對(duì)斑塊的非均勻分布情況尤為敏感。

(4)[17]

式中，Pi——斑塊類型i占景觀的面積比。

5)Shannon均勻度指數(shù)SHEI(shannon's eveness index)是度量景觀中各個(gè)斑塊在面積上分布的均勻程度的一個(gè)指標(biāo)。

(5)

式中，Pi——斑塊類型i占景觀的面積比。

3 結(jié)果與分析

利用LANDIS模型，模擬青海云杉、祁連圓柏和山楊300 a的動(dòng)態(tài)變化，每10 a輸出1次模擬結(jié)果圖，本文只列出了300 a后的模擬分布圖(圖3)。同時(shí)，本研究也將由LANDIS模型生成的柵格圖在Fragstats4.3中進(jìn)行處理，得到每個(gè)樹(shù)種每隔10 a的斑塊面積比、相對(duì)聚集指數(shù)、景觀分維數(shù)指數(shù)、景觀多樣性以及均勻度指數(shù)5個(gè)景觀評(píng)價(jià)指數(shù)，并分別分析。

3.1 斑塊所占面積比例

斑塊所占面積比例(PLAND)可以反映景觀類型的變化趨勢(shì)，還能作為判斷優(yōu)勢(shì)斑塊的一個(gè)依據(jù)。

由圖4可知，青海云杉林占研究區(qū)的面積比例占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，是其他樹(shù)種林的4倍多，在未來(lái)300 a內(nèi)沒(méi)有變化，一直保持在19.08%左右，說(shuō)明青海云杉林這一景觀在研究區(qū)內(nèi)2013年或以前已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。祁連圓柏林在未來(lái)的300 a變化不大，呈緩慢增長(zhǎng)狀態(tài)，從2.39%增長(zhǎng)到4.19%?？梢钥吹?，祁連圓柏和山楊這2個(gè)樹(shù)種的面積都在增加，其增加的斑塊是來(lái)自于適宜它們生長(zhǎng)但卻沒(méi)有或者少有這2個(gè)樹(shù)種的斑塊。

圖4 不同模擬時(shí)間3個(gè)樹(shù)種的面積比例

3.2 樹(shù)種相對(duì)聚集度指數(shù)

樹(shù)種的相對(duì)聚集度指數(shù)(AI)反映景觀尺度上物種在空間分布的聚集情況，AI值越大，則說(shuō)明景觀主要由少數(shù)大斑塊組成，AI值小，則說(shuō)明景觀由許多小斑塊組成。3個(gè)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種未來(lái)300 a內(nèi)的聚集度指數(shù)變化情況如表5所示，在這里只顯示每過(guò)50 a的相對(duì)聚集度指數(shù)。

青海云杉植被斑塊未來(lái)250 a的相對(duì)聚集指數(shù)都是94.177 6，到了300 a后，其相對(duì)聚集度指數(shù)降低到93.649 4，降低幅度非常少，相比其他2個(gè)樹(shù)種植被斑塊的聚集度指數(shù)，青海云杉植被斑塊的指數(shù)低一些，這與其分布廣、面積大是有一定關(guān)系的。祁連圓柏植被斑塊的相對(duì)聚集度指數(shù)都保持在98.5以上，隨著時(shí)間的推移，聚集度指數(shù)由99.352 5降低到98.592 3，稍有下降。山楊植被斑塊由99.974 8降低到98.504 2，同祁連圓柏植被斑塊聚集度指數(shù)變化情況一致。導(dǎo)致這種情況產(chǎn)生的原因是在未來(lái)300 a，祁連圓柏和山楊植被斑塊所占的面積都有所提高，并使其斑塊數(shù)量增加，斑塊分布趨于分散，導(dǎo)致聚集度降低，但由于這2個(gè)斑塊都是純林，聚集度指數(shù)降低的比較慢，產(chǎn)生破碎斑塊較少。

3.3 景觀分維數(shù)

景觀分維數(shù)(FRAC)在1～2取值，F(xiàn)RAC值越小，表示斑塊越容易受到外界的干擾，斑塊的幾何形狀也就越簡(jiǎn)單；當(dāng)FRAC值越大，則情況相反。在這里只選取每過(guò)50 a的景觀分維數(shù)(表6)。

由表6可知，青海云杉的分維數(shù)最高，從2013年到2293年，青海云杉的分維數(shù)變化不明顯，從2293年到2313年，開(kāi)始緩慢增長(zhǎng)。祁連圓柏的分維數(shù)在未來(lái)300 a內(nèi)呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，從2013年的1.334 2到2313年的1.390 9，漲幅不到0.06。青海云杉與祁連圓柏的分維數(shù)在未來(lái)300 a內(nèi)基本保持穩(wěn)定。分維數(shù)變化最大的山楊，其分維數(shù)由2013年的1.004 3增長(zhǎng)到2313年的1.358 6，增長(zhǎng)幅度較大，說(shuō)明隨著時(shí)間的變化，山楊斑塊越來(lái)越趨于穩(wěn)定，受外界干擾也越來(lái)越小。

表5 不同模擬時(shí)間3個(gè)樹(shù)種的相對(duì)聚集度指數(shù)

表6 不同模擬時(shí)間3個(gè)樹(shù)種的分維數(shù)

3.4 Shannon-Weaver多樣性指數(shù)與Shannon均勻度指數(shù)

景觀Shannon-Weaver多樣性指數(shù)(SHDI)值最小為0，沒(méi)有上限。由圖5可以看出，研究區(qū)的多樣性指數(shù)變化不大，由2013年的0.46緩慢增長(zhǎng)到2313年的0.59。研究區(qū)內(nèi)的多樣性指數(shù)比較小，表明研究區(qū)內(nèi)斑塊數(shù)量少，而且各個(gè)斑塊的分布不均衡。

圖5 不同模擬時(shí)間3個(gè)樹(shù)種的多樣性指數(shù)

Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)在0～1取值，隨著SHEI值越來(lái)越大，斑塊所占的面積也就越來(lái)越均勻。由圖6可知，SHEI值在2013年到2033年呈上升趨勢(shì)，在2033年達(dá)到最大值0.186，隨后逐漸減小，直到2243年達(dá)到最小值0.156 2，之后又呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。研究區(qū)景觀均勻度指數(shù)呈現(xiàn)這種變化，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)剛開(kāi)始演替時(shí)，各個(gè)斑塊所占的面積比例朝著均衡化方向演替，但由于隨著時(shí)間的變化，青海云杉和祁連圓柏斑塊所占的面積比例達(dá)到飽和，此時(shí)SHEI達(dá)到最高點(diǎn)，之后，山楊斑塊所占面積比例還在增加，山楊斑塊所占的面積比例還不均衡，所以SHEI達(dá)到最高點(diǎn)后開(kāi)始下降，下降到最低點(diǎn)后，各類樹(shù)種組成的林區(qū)斑塊所占的面積比例開(kāi)始向均衡化方向演替。

圖6 不同模擬時(shí)間3個(gè)樹(shù)種的均勻度指數(shù)

4 結(jié)論與討論

本研究以資源3號(hào)衛(wèi)星遙感影像及本林場(chǎng)森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，應(yīng)用空間直觀景觀模型LANDIS模擬張掖市祁連山林區(qū)西水林場(chǎng)林區(qū)300 a(2013—2313年)內(nèi)森林景觀的自然演替，并通過(guò)研究區(qū)內(nèi)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種所占的斑塊面積百分比、相對(duì)聚集度指數(shù)、景觀Shannon-Weaver多樣性指數(shù)、分維數(shù)指數(shù)以及Shannon均勻度等景觀評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得了相關(guān)景觀格局的變化趨勢(shì)，為西水林場(chǎng)的森林經(jīng)營(yíng)、管理和保護(hù)提供參考。

在斑塊所占面積比例方面，青海云杉林在研究區(qū)內(nèi)所占的面積比例是最大的，始終占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，且隨著時(shí)間的推移，其面積沒(méi)有變化，祁連圓柏和山楊面積有所增多。在相對(duì)聚集度指數(shù)方面，研究區(qū)內(nèi)的聚集度指數(shù)都保持在較高的數(shù)值之上，且隨著時(shí)間的推移，其數(shù)值變化不明顯。在景觀分維數(shù)方面，青海云杉的分維數(shù)一直是1.490 1，沒(méi)有什么變化；祁連圓柏的分維數(shù)呈緩慢上升趨勢(shì)；山楊的分維數(shù)漲幅比較大。在景觀多樣性與均勻度方面，景觀多樣性指數(shù)呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，均勻度指數(shù)先是小幅度上升，然后下降，隨后緩慢上升。

由景觀格局評(píng)價(jià)指數(shù)的變化趨勢(shì)可以得出，在西水林場(chǎng)森林景觀未來(lái)300 a演替模擬過(guò)程中，青海云杉一直占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，祁連圓柏和山楊處于弱勢(shì)地位，對(duì)研究區(qū)景觀格局的影響?。晃魉謭?chǎng)景觀中的斑塊聚集程度較高，連通性好，但景觀多樣性較低，分布不均勻。因此，建議西水林場(chǎng)在以后的經(jīng)營(yíng)管理中，要人為的指引青海云杉的更新?lián)Q代，防止林區(qū)出現(xiàn)過(guò)多的過(guò)成熟林，避免林區(qū)森林質(zhì)量降低。

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