阿爾泰山森林景觀格局的穩(wěn)定性

張繪芳, 地力夏提·包爾漢, 朱雅麗, 張景路, 雷亞君

(新疆林業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代林業(yè)研究所, 新疆 烏魯木齊 830000)

當前景觀生態(tài)學(xué)的研究中，景觀的穩(wěn)定性是一個復(fù)雜且重要的研究熱點，主要由兩個方面組成，一是維持生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀的能力；二是在遭受到外界的干擾后快速恢復(fù)的能力[1]。根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，目前主要從兩種方式來解讀景觀穩(wěn)定性的涵義：一種是Forman等[2]設(shè)計的通過景觀的12種變化觀測判斷景觀穩(wěn)定性變化；另一種是從景觀抗外界干擾能力評價景觀穩(wěn)定性[3]。但國內(nèi)外學(xué)者沒有達成一致。Kelley等[4]認為景觀穩(wěn)定性是景觀的一種特有屬性，當生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化時，存在于景觀上的特有現(xiàn)象就會消失，當生態(tài)系統(tǒng)再次發(fā)生動態(tài)變化時，該現(xiàn)象又會重新出現(xiàn)；龔俊杰等[5]，Jia等[6]把景觀持久性、景觀恢復(fù)能力和景觀抗干擾能力統(tǒng)稱為景觀穩(wěn)定性。森林景觀的多樣性、復(fù)雜性，以及在時空分布上的動態(tài)特征，使得大部分學(xué)者將研究重心聚焦于景觀的異質(zhì)性和多樣性、景觀恢復(fù)性以及景觀格局的特征之上，而關(guān)于森林景觀穩(wěn)定性的定量分析仍是如今的難點之一[7]。

阿爾泰山林區(qū)的森林資源是新疆森林資源主要部分之一，而且也是新疆北水調(diào)南工程的重要水源地，因此，具有極其重要的生態(tài)地位，對新疆未來的發(fā)展起著重要的作用[8]。阿勒泰林場是阿爾泰山林區(qū)的一個重要分支，位于它的中部，擁有極其豐厚的森林資源和動植物資源。參考前人研究成果[9-11]，對于阿爾泰山林區(qū)以及阿勒泰林場的研究主要是森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度、碳儲量估算、生物量估算和對氣候變化的響應(yīng)研究等，針對該區(qū)森林景觀穩(wěn)定性的研究尚未見報道。因此，本文擬基于GIS和RS技術(shù)，采用改進型景觀穩(wěn)定性模型，對阿勒泰林場的森林景觀穩(wěn)定性進行定量分析，了解其景觀穩(wěn)定性的特征和規(guī)律，以期為今后森林景觀健康可持續(xù)發(fā)展提出建設(shè)性指導(dǎo)[12-13]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿勒泰林場位于阿爾泰山中段，地處47°46′—48°39′N，87°25′—88°38′E，地勢呈現(xiàn)出北高南低的狀態(tài)，海拔處于1 100～3 914 m，屬于溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)。根據(jù)阿勒泰市氣象站觀測資料：歷年來研究區(qū)平均氣溫是3.9 ℃，其中最熱月出現(xiàn)在7月，其平均氣溫高達22.9 ℃，最冷月出現(xiàn)在1月份，其平均氣溫低至-18.2 ℃，平均風(fēng)速為3.9 m/s，最大風(fēng)速為28 m/s，主要為西風(fēng)和西北風(fēng)[14]。阿勒泰林場主要分布有疣枝樺、歐洲山楊、云杉、西伯利亞落葉松等樹種，森林覆蓋率為50.26%[15]。

1.2 試驗方法

將2016年Landsat8 OLI影像進行輻射定標、大氣校正以及基于2013年國產(chǎn)資源1號影像數(shù)據(jù)進行幾何校正，然后基于2014年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，將阿勒泰林場分為喬木林地、疏林地、灌木林地、苗圃地、林業(yè)輔助用地和宜林地這6種森林景觀。

景觀指數(shù)主要由斑塊尺度(patch)、景觀類型尺度(class)、景觀尺度(landscape)這3種類型組成，用來定量分析景觀特征以及變化趨勢。根據(jù)各景觀指數(shù)表征意義相關(guān)性差異，本文對所有選取的景觀指數(shù)在給定單側(cè)置信度0.05，0.01水平上進行顯著性分析，保證篩選出指標反映信息全面但不重復(fù)[16]，將相關(guān)性過于顯著指數(shù)適當剔除，無任何相關(guān)性的指數(shù)也剔除，選擇了9個具有代表性的景觀指標：X1邊緣密度(ED)、X2景觀形狀指數(shù)(LSI)、X3最大斑塊指數(shù)(LPI)、X4類型斑塊百分比(PLAND)、X5平均斑塊面積(AREA_MN)、X6景觀要素聚集度指數(shù)(COHESION)、X7景觀破碎度指數(shù)(SPLIT)、X8歐幾里德最近鄰距離(ENN_MN)、X9散布與并列指數(shù)(IJI)[16-18]。

為了使選取的景觀指標可以很好地分析森林景觀格局的穩(wěn)定性，依據(jù)相關(guān)研究，把景觀指標分為2種：正指標和負指標。把對分析森林景觀格局穩(wěn)定性有利的指標稱為正指標，把對分析森林景觀格局穩(wěn)定性不利的指標稱為負指標。本論文根據(jù)前人經(jīng)驗和研究區(qū)實際情況選擇了9個景觀指標，為了消除量綱影響，分別對其進行無量綱化處理。公式為[19]：

(1)

(2)

式中：Xi′——無量綱標準指標值；xi——原指標值；ximax——原指標最大值；ximin——原指標最小值。xi值越大，說明景觀格局穩(wěn)定性越好，該指標便定義為正指標；xi值越大，說明景觀格局穩(wěn)定性越差，該指標便定義為負指標。

在將選取的景觀指數(shù)無量綱化處理之后，采用SPSS的主成分分析模塊計算出9項景觀指數(shù)的權(quán)重(ωi)[20]，然后利用加權(quán)求和計算出網(wǎng)格景觀穩(wěn)定性評價指數(shù)。計算景觀指數(shù)權(quán)重的公式如下：

(3)

式中：λi——主成分i的貢獻率；m——主成分個數(shù)。

(4)

式中：Fj——區(qū)域j的景觀穩(wěn)定性指數(shù)；Zi——穩(wěn)定性評價景觀指標無量綱處理之后的值。

(5)

式中：Z(F0)——未知點景觀穩(wěn)定性指數(shù)；Z(Fj)——未知樣點周圍的已知樣點的景觀穩(wěn)定性指數(shù)；λj——第j個已知樣點對未知樣點的權(quán)重；N——已知樣本點的個數(shù)。

首先在ArcGIS 10.2中將森林景觀分布圖轉(zhuǎn)換成60 m×60 m的柵格數(shù)據(jù)，其次運用景觀格局軟件Fragstas 4.2計算出各景觀指數(shù)，然后通過主成分分析計算出景觀指標的權(quán)重，構(gòu)建改進型景觀穩(wěn)定性評價模型，以便得到6種森林景觀的穩(wěn)定性大小。最后通過Kriging插值分析研究區(qū)的景觀穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林景觀類型特征

景觀要素是由不同的景觀組成的，景觀生態(tài)過程和景觀格局變化，各景觀要素組合特征也會發(fā)生相應(yīng)的變化[21]。本論文選擇了斑塊面積、斑塊數(shù)量和面積百分比3個指標來描述其景觀類型特性(表1)。

表1 2016年阿勒泰林場森林景觀類型特征

由表1可知，2016年灌木林地景觀類型面積占阿勒泰林場的57.04%，是主要景觀類型。其次喬木林地分布也比較廣泛，也在森林景觀中占據(jù)了重要地位，占阿勒泰林場總面積的35%以上；苗圃地和林業(yè)輔助用地景觀類型面積較小，分布比較集中。

本論文選擇了景觀形狀指數(shù)、平均分維數(shù)、連接度和聚合度這4個指數(shù)來分析阿勒泰林場的景觀異質(zhì)性(表2)。由表2可知，2016年灌木林地、喬木林地的形狀指數(shù)分別為84.48，73.93，由于天然林保護工程和人工造林補植工程的實施，使得喬木林地和灌木林地的規(guī)模逐漸擴大，斑塊逐漸集中，斑塊形狀越來越規(guī)則。宜林地連接度指數(shù)最大，為1.42，苗圃地連接度指數(shù)為0，表明苗圃地各斑塊之間沒有連接，而宜林地各斑塊之間連接度比較高。由聚合度指數(shù)看出，區(qū)域內(nèi)各森林景觀類型斑塊聚集程度都較強，其中苗圃地聚合度指數(shù)最大，林業(yè)輔助用地聚合度指數(shù)最小，灌木林地、喬木林地、宜林地聚合度指數(shù)居中，表明苗圃地破碎化程度較低，分布集中；林業(yè)輔助用地破碎化程度較高，分布分散。整體分析得出，阿勒泰林場森林景觀呈現(xiàn)出較高景觀異質(zhì)性。

表2 2016年阿勒泰林場森林景觀異質(zhì)性

2.2 森林景觀穩(wěn)定性

森林景觀穩(wěn)定性體現(xiàn)了森林景觀的結(jié)構(gòu)特征，它對生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定有直接的影響。

基于之前的研究，本文主要基于60 m×60 m的森林景觀類型分布圖的柵格數(shù)據(jù)，對阿勒泰林場的森林景觀穩(wěn)定性進行研究。結(jié)合其景觀類型特征以及前人研究成果，本文選擇了X1邊緣密度(ED)、X2景觀形狀指數(shù)(LSI)、X3最大斑塊指數(shù)(LPI)、X4類型斑塊百分比(PLAND)、X5平均斑塊面積(AREA_MN)、X6景觀要素聚集度指數(shù)(COHESION)、X7景觀破碎度指數(shù)(SPLIT)、X8歐幾里德最近鄰距離(ENN_MN)、X9散布與并列指數(shù)(IJI)。運用景觀格局軟件Fragstas 4.2計算這9項景觀指數(shù)，然后代入到SPSS 20.0中建立景觀指標標準化矩陣(表3)。

表3 2016年阿勒泰林場森林景觀穩(wěn)定性指標標準化矩陣

在此基礎(chǔ)上，運用SPSS軟件的主成分分析模塊對所計算的景觀指標進行分析(表4)。由表4可知，前3個指標累積貢獻率達到93.894%，滿足大于85%的要求，因此，前3個主成分不僅能比夠較全面地反映研究區(qū)域的景觀信息，還可以滿足森林景觀穩(wěn)定結(jié)構(gòu)評價要求。

表4 2016年阿勒泰林場景觀指標特征值和主成分貢獻率

表5 2016年阿勒泰林場景觀指標主成分載荷矩陣

由表5可知，主成分ZC1在X1邊緣密度、X2景觀形狀指數(shù)、X3最大斑塊指數(shù)、X4類型斑塊百分比、X5平均斑塊面積、X6景觀要素聚集度指數(shù)6個因子上載荷分別為0.917，0.85，0.866，0.944，0.875，0.777，均超過了75%，表明主成分ZC1綜合表征5個變量因子信息，表達出森林景觀異質(zhì)性特征。主成分ZC2在X8歐幾里德最近鄰距離載荷0.853，X9散布與并列指數(shù)載荷為0.988，均超過了85%，2個因子載荷表明主成分ZC2綜合表征森林景觀類型組成結(jié)構(gòu)特征。

主成分ZC3在X7景觀破碎度指數(shù)上載荷0.705，因子載荷表明主成分ZC3綜合表征景觀類型組成結(jié)構(gòu)特征。

3個主成分線性組合如下：

F1= 0.408 5X1+0.378 6X2+0.385 7X3+

0.420 5X4+0.389 8X5+0.346 1X6-

0.295 8X7-0.066 8X8-0.029 4X9

F2= 0.136 3X1+0.294 3X2-0.002 1X3+

0.047 1X4-0.068 1X5-0.153 1X6+

0.155 9X7+0.599 1X8+0.694X9

F3= 0.062 1X1-0.180 2X2+0.357 9X3+

0.267 8X4+0.323 9X5-0.494 7X6+

0.599 3X7-0.233 8X8+0.036 6X9

通過上述公式(3—5) 計算各個景觀指標的權(quán)重以及森林景觀穩(wěn)定性綜合評價模型：

F= 0.320 9X1+0.295 1X2+0.274 7X3+

0.312 5X4+0.312 7X5+0.517 7X6-

0.498 2X7-0.232X8-0.303 4X9

由表6可知，阿勒泰林場9項穩(wěn)定性因子權(quán)重差異顯著，其權(quán)重值排序為：X6景觀要素聚集度指數(shù)>X1邊緣密度>X5平均斑塊面積>X4類型斑塊百分比>X2景觀形狀指數(shù)>X3最大斑塊指數(shù)>X8歐幾里德最近鄰距離>X9散布與并列指數(shù)>X7景觀破碎度指數(shù)。

表6 2016年阿勒泰林場森林景觀穩(wěn)定性指標權(quán)重

其中X7景觀破碎度指數(shù)、X8歐幾里德最近鄰距離和X9散布與并列指數(shù)的權(quán)重為負值，意味著這3個指標對森林景觀的穩(wěn)定性產(chǎn)生了逆向作用，X6景觀要素聚集度指數(shù)對阿勒泰林場森林景觀穩(wěn)定性影響大于其他8項景觀指標。

由表7可知，阿勒泰林場森林景觀類型穩(wěn)定性綜合評分的最大差值為1.896 9，表明阿勒泰林場景觀穩(wěn)定性差異較大，6種森林景觀的穩(wěn)定性從大到小排序為：灌木林地>喬木林地>苗圃地>宜林地>疏林地>林業(yè)生產(chǎn)輔助用地。景觀穩(wěn)定性最好的是灌木林地，其綜合評分值為3.027 4，該景觀類型是阿勒泰林場景觀中所占比例較大的組分，面積為147 228.12 hm2，占總面積的57.04%，共1 463個斑塊，斑塊平均面積為100.63 hm2，景觀連通性好，可以看作整個阿勒泰林場的基質(zhì)。對整個景觀整體起著支配和控制的作用，是阿勒泰林場的近原生頂級生態(tài)群落。其次是喬木林地，綜合評分值1.623 5，面積92 571.48 hm2，占總面積的35.86%，共2 199個斑塊，斑塊平均面積為42.10 hm2，這兩種景觀類型大部分斑塊聚集成團，生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，景觀要素聚集度高，連通性好，所以穩(wěn)定性高。

表7 2016年阿勒泰林場森林景觀類型穩(wěn)定性評分值

2.3 森林景觀穩(wěn)定性分布特征

將研究區(qū)分成5 km×5 km的漁網(wǎng)格，運用改進型景觀穩(wěn)定性評價模型，將9項景觀指數(shù)無量綱值進行加權(quán)求和，得出每個漁網(wǎng)質(zhì)心景觀穩(wěn)定性指數(shù)，并將漁網(wǎng)景觀穩(wěn)定性指數(shù)賦值給對應(yīng)的質(zhì)心點，利用Kriging插值得出阿勒泰林場森林景觀穩(wěn)定性空間分布。漁網(wǎng)格和質(zhì)心均勻分布于圖1。

圖1 阿勒泰林場景觀穩(wěn)定性網(wǎng)格質(zhì)心分布

根據(jù)Kriging插值結(jié)果，根據(jù)Jenks最佳自然斷裂法，同時參考其他學(xué)者的研究成果[22-25]，確定景觀穩(wěn)定性分級標準：[0.611 4，1.183 3)為十分不穩(wěn)定區(qū)，[1.183 3，1.570 4)為一般不穩(wěn)定區(qū)，[1.570 4，1.913 6)為一般穩(wěn)定區(qū)，[1.913 6，2.247 9)為中度穩(wěn)定區(qū)，[2.247 9，2.846 2)為十分穩(wěn)定區(qū)。根據(jù)劃分的等級生成2016年阿勒泰林場森林景觀穩(wěn)定性的空間分布圖。

由附圖19可知，森林景觀十分穩(wěn)定區(qū)域主要分布在西南部山區(qū)，該區(qū)域主要以灌木林為主，森林群落結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，受人為影響較小。中度穩(wěn)定區(qū)主要分布在十分穩(wěn)定區(qū)的右上方，一般穩(wěn)定區(qū)分布在西北部和北部地區(qū)，該區(qū)域喬木林和灌木林交錯分布，因為人工造林補植工程的實施，森林群落結(jié)構(gòu)不太穩(wěn)定。一般不穩(wěn)定區(qū)主要分布在阿勒泰林場的東部地區(qū)，喬木林和灌木林的破碎化程度較高。最不穩(wěn)定區(qū)主要分布在東部和東北部山區(qū)，該區(qū)域以非林地為主，喬木林和灌木林分布極少。

阿勒泰林場的一般穩(wěn)定區(qū)面積最大，為177 828.48 hm2，占總面積的34.65%，十分穩(wěn)定區(qū)面積最小，為69 842.88 hm2，占比為13.61%，說明阿勒泰林場天然林受到天保工程的影響，森林景觀結(jié)構(gòu)遭受到嚴重的人為破壞，但是就現(xiàn)階段而言保護效果不明顯。其余3種森林景觀穩(wěn)定性分區(qū)面積相差不大，表明2016年各森林景觀類型變化顯著。十分不穩(wěn)定區(qū)和一般不穩(wěn)定區(qū)面積之和占總面積的31.07%，森林景觀不穩(wěn)定區(qū)域未超過總面積的1/2，但也應(yīng)當引起人類的重視，加強生態(tài)環(huán)境的保護力度，促進森林景觀結(jié)構(gòu)更加合理。

3 結(jié)論與討論

(1) 灌木林地和喬木林地是阿勒泰林場主要森林景觀類型，其中灌木林地是優(yōu)勢森林景觀，分布廣泛；喬木林地次之，苗圃地和林業(yè)輔助用地景觀類型面積較小，分布比較集中。

(2) 本研究選取了景觀形狀指數(shù)、平均分維數(shù)、連接度和聚合度來描述阿勒泰林場的景觀異質(zhì)性。整體分析得出阿勒泰林場森林景觀呈現(xiàn)出較高景觀異質(zhì)性。

(3) 阿勒泰林場9項穩(wěn)定性因子權(quán)重差異顯著，其中X7景觀破碎度指數(shù)權(quán)重最小，為-0.498 2，對阿勒泰林場森林景觀穩(wěn)定性影響最小;X6景觀要素聚集度指數(shù)權(quán)重最大，為0.517 7，對阿勒泰林場森林景觀穩(wěn)定性影響程度最大。

(4) 阿勒泰林場6種森林景觀的穩(wěn)定性從大到小排序為:灌木林地>喬木林地>苗圃地>宜林地>疏林地>林業(yè)生產(chǎn)輔助用地。

(5) 阿勒泰林場2016年森林景觀穩(wěn)定性整體處于較高水平，分布區(qū)域差異比較均衡，西南部山區(qū)生態(tài)環(huán)境良好，森林景觀結(jié)構(gòu)完整，東部和東北部山區(qū)最差，應(yīng)加強生態(tài)環(huán)境保護力度，同時維持西南部的保護力度，從而促進森林景觀結(jié)構(gòu)更加合理。

本文通過建立景觀穩(wěn)定性模型可以直接模擬大范圍的景觀穩(wěn)定性，能體現(xiàn)出不同尺度上的穩(wěn)定性程度不一，通過與模糊綜合評判相比較[26]，穩(wěn)定體系的建立能更加精確和便捷地描述不同尺度上影響穩(wěn)定性的因素。本研究通過建立的穩(wěn)定性評價模型評分得出灌木林地和喬木林地最為穩(wěn)定，這可能與環(huán)境有著密切的關(guān)系，包括植株自身進化、內(nèi)部環(huán)境和較大尺度上的氣候環(huán)境相關(guān)，灌木林和喬木林的根系發(fā)達，這便有利于充分吸收土壤中的養(yǎng)分和水分；而且葉片繁多，可以增加植株的光合作用，進而影響到森林景觀的穩(wěn)定性。參照前人研究，呂思彤等[25]、崔文舉[27]等分別對碧塔海保護區(qū)和西雙版納熱帶林的森林景觀穩(wěn)定性進行了研究，都得出喬木林和灌木林的景觀穩(wěn)定性綜合分值最高的結(jié)論，與本文得出的結(jié)論一致。有學(xué)者[25,28]認為：不同坡度、海拔、坡向等地形條件也能影響到森林景觀的穩(wěn)定性，本文運用GIS和RS相結(jié)合，并引入了改進型景觀穩(wěn)定性模型，對阿勒泰林場森林景觀穩(wěn)定性進行研究，但未結(jié)合地形、氣溫等因子對森林景觀穩(wěn)定性做進一步分析。