基于主成分分析的森林景觀格局研究

李 放，鄧華鋒

（北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京 100083）

景觀格局（Landscape pattern）一般指大小和形狀不一的景觀斑塊在空間上的配置[1]。景觀格局是景觀異質(zhì)性的具體表現(xiàn)，包括干擾在內(nèi)的各種生態(tài)過程在不同尺度上的作用。景觀格局分析的目的是從看似無(wú)序的景觀斑塊鑲嵌中發(fā)現(xiàn)潛在的有意義的規(guī)律性。景觀指數(shù)[3-4]用來(lái)描述景觀格局及變化，是建立景觀格局與過程間聯(lián)系的定量化研究指標(biāo)。目前以遙感及地理信息系統(tǒng)為平臺(tái)，將其與景觀格局分析軟件結(jié)合計(jì)算景觀指數(shù)，定量研究景觀格局已成為一種新的趨勢(shì)。從2000年至今，我國(guó)學(xué)者在濕地[5-8]、沙地[9-11]、草原[12-13]、森林[14-16]等方面均對(duì)景觀格局進(jìn)行了大量研究并取得了一定的成果。

但是目前，景觀格局分析不太重視對(duì)景觀指數(shù)的選取[17-18]，國(guó)內(nèi)多數(shù)研究?jī)H從景觀類型角度分析整個(gè)研究區(qū)，所采用的方法則多是依據(jù)不同比例尺的矢量數(shù)據(jù)和景觀指數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算，如徐曉龍等[5]、張旭良等[19]采用遙感數(shù)據(jù)提取景觀類型結(jié)合景觀指數(shù)揭示研究區(qū)景觀格局變化，雖很好的反映了研究區(qū)景觀格局動(dòng)態(tài)，但對(duì)景觀指數(shù)的選取及類別劃分不夠明確。因此，依據(jù)景觀指數(shù)特征，以研究區(qū)各小班為評(píng)價(jià)單元分析景觀指數(shù)間的關(guān)系并對(duì)不同景觀類型的特征進(jìn)行分析的研究比較有意義。另外，鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略明確提出著力建設(shè)生態(tài)宜居的美麗鄉(xiāng)村，加強(qiáng)鄉(xiāng)村生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工作，森林是實(shí)現(xiàn)生態(tài)安全的重要屏障，應(yīng)完善天然林和公益林保護(hù)制度，進(jìn)一步細(xì)化各類森林和林地的管控措施和經(jīng)營(yíng)制度。因此，本文以永安市洪田村2011年實(shí)地調(diào)查小班數(shù)據(jù)及2016年二類調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)選取的19個(gè)景觀指數(shù)按其特征分為三類[20]，通過主成分分析進(jìn)行指數(shù)篩選，最后篩選出能最大程度描述研究區(qū)景觀特性的指數(shù)進(jìn)行景觀格局分析。不僅能幫助我們更好的了解洪田村的土地利用狀況，且為今后該村的森林景觀規(guī)劃提供很好的依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2011年小班數(shù)據(jù)來(lái)自于福建省永安市洪田村地形圖及實(shí)地調(diào)查的小班地塊獲得，2016年小班數(shù)據(jù)來(lái)自于福建省永安市最新二類調(diào)查數(shù)據(jù)。調(diào)查結(jié)果以ArcGIS 中shapefile 矢量形式儲(chǔ)存，主要包含空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)（包括起源、小班號(hào)、地類、優(yōu)勢(shì)樹種組、坡度等）。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 景觀要素類型劃分方法

根據(jù)洪田村實(shí)際情況，在全國(guó)土地劃分基礎(chǔ)上，按優(yōu)勢(shì)樹種（組）和地類將洪田村森林景觀類型劃分為竹林、杉木、經(jīng)濟(jì)林、馬尾松、桉類、硬闊類樹種、軟闊類樹種、灌木林、非林地及宜林地10 種森林景觀類型（圖1）。其中：硬闊葉樹種包括格式栲、光皮樺、構(gòu)樹、紅錐、南酸棗等，軟闊葉樹種主要為擬赤楊，宜林地主要包括采伐跡地、荒山荒地等。

圖1 永安市洪田村景觀類型二維空間分布Fig.1 Two-dimensional spatial distribution of landscape types in Hongtian village,Yong’an city

1.2.2 景觀指數(shù)處理方法

選取了常用的19 種景觀指數(shù)：AWMSI（面積加權(quán)的平均形狀指數(shù)）、MSI（平均形狀指數(shù)）、MPAR（平均周長(zhǎng)面積比）、MPFD（平均斑塊分形維數(shù)）、AWMPFD（面積加權(quán)的平均分形指數(shù)）、TE（總邊緣長(zhǎng)度）、ED（邊緣密度）、MPE（平均斑塊邊界長(zhǎng)度）、MPS（平均斑塊大小）、NumP（斑塊數(shù)）、MedPS（中間斑塊大?。SCoV（斑塊大小變異系數(shù)）、PSSD（斑塊大小標(biāo)準(zhǔn)誤差）、CA（斑塊類型面積）、D（優(yōu)勢(shì)度）、LPI（最大斑塊指數(shù)）、PD（斑塊密度）、SHDI（香農(nóng)多樣性指數(shù)）和SHEI（香農(nóng)均勻性指數(shù)），通過景觀分析軟件Patch Analyst 10.0 進(jìn)行指數(shù)計(jì)算，按其特征分為三類進(jìn)行主成分分析并篩選出適宜研究區(qū)的景觀指數(shù)，最后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行景觀格局分析。

1）主成分分析

主成分分析（Principal component analysis）簡(jiǎn)稱PCA，本研究主要通過R 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，其計(jì)算過程為：原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化（Xi）后得標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的相關(guān)矩陣及其特征值和特征向量（又稱因子載荷矩陣，ai1，ai2，…aip），最后通過累計(jì)方差貢獻(xiàn)率＞90%確定主成分個(gè)數(shù)Ci。其數(shù)學(xué)表現(xiàn)形式為：

式中：ai1（i=1，2，…p）為X的相關(guān)系數(shù)矩陣所對(duì)應(yīng)的特征向量，X1～Xp為標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

2）景觀格局分析

景觀格局分析采用景觀格局指數(shù)法進(jìn)行，通過主成分分析篩選出能最大程度反映洪田村森林景觀特征的指數(shù)，按其特性分別歸類為景觀要素組成結(jié)構(gòu)、景觀斑塊特征及景觀異質(zhì)性三大類，在此基礎(chǔ)上對(duì)洪田村進(jìn)行森林景觀格局分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分分析

2.1.1 形狀、多樣性指數(shù)類主成分分析結(jié)果

由表1 可以看出，根據(jù)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于90%的要求，前3個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率已達(dá)到97.9%，由主成分降維原理后面4個(gè)主成分可以舍棄。并且由載荷矩陣得到：

表1 形狀、多樣性指數(shù)類景觀格局指數(shù)主成分分析結(jié)果?Table 1 Principal component analysis results of shape and diversity metrics

式（2）第一主成分區(qū)分了形狀、多樣性指數(shù)，其中前四個(gè)景觀指數(shù)代表形狀指數(shù)、后3個(gè)景觀指數(shù)表征多樣性；式（3）第二主成分對(duì)應(yīng)的符號(hào)都相同，除MPFD 載荷值較小外其余景觀指數(shù)的載荷值基本持平；式（4）第三主成分在AWMSI 上具有較大的載荷說(shuō)明第三主成分可用來(lái)表征斑塊形狀，綜上在對(duì)景觀格局進(jìn)行分析時(shí)可把AWMSI、MSI、MPFD 和AWMPFD 歸為一類描述景觀形狀特征且可舍棄MSI 和MPFD 指數(shù)，D、SHDI 和SHEI 歸為一類描述景觀多樣性，由于SHDI 和SHEI 因子載荷值相同說(shuō)明描述的景觀信息具有重疊，因此在進(jìn)行景觀格局分析時(shí)可酌情選擇其一即可。

2.1.2 邊緣指數(shù)類主成分分析結(jié)果

表2 給出了邊緣指數(shù)類主成分分析結(jié)果。由表2 可知，前3個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了100%，因此，選擇前3個(gè)主成分完全滿足數(shù)據(jù)要求。由主成分因子載荷矩陣得：

式（5）表明第一主成分在TE 和ED 上具有較大的載荷，且TE 和ED 之間信息重疊度較高，在進(jìn)行景觀格局分析時(shí)選擇其一來(lái)表示斑塊邊緣特性；式（6）第二主成分在MPE 上載荷較大，則第二主成分選擇MPE 來(lái)表征不同景觀類型的邊緣特性；式（7）第三主成分在MPAR 上載荷值較大，因此第三主成分選擇MPAR 表征不同景觀類型的周長(zhǎng)面積變化情況。

表2 邊緣指數(shù)類主成分分析結(jié)果Table 2 Principal component analysis results of edge metrics

2.1.3 大小、密度指數(shù)類主成分分析結(jié)果

大小、密度指數(shù)類主成分分析結(jié)果如表3所示。表3 結(jié)果顯示前2個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為91.3%，則前2個(gè)主成分可用來(lái)表達(dá)大小、密度指數(shù)類的原始數(shù)據(jù)。得到以下主成分因子載荷矩陣表達(dá)式：

由式（8）和（9）二式可知，第一主成分載荷值主要表征斑塊大小，且在PSSD 和LPI 上載荷值最大，第二主成分在CA、NumP 及PD 上具有較大的載荷值，說(shuō)明第二主成分主要表征斑塊的基本要素（如面積、數(shù)量和密度等）。因此，第一主成分選擇PSSD 和LPI 表示斑塊大小變異程度，第二主成分選擇CA、NumP 和PD 作為斑塊基本屬性度量指標(biāo)。

2.2 森林景觀格局分析

根據(jù)主成分分析結(jié)果，選取了12 種森林景觀格局指數(shù)按其特性劃分為三類進(jìn)行景觀格局分析，劃分結(jié)果如表4 所示。

表3 大小、密度指數(shù)類主成分分析結(jié)果Table 3 Principal component analysis results of size and density metrics

表4 景觀格局分析劃分結(jié)果Table 4 Landscape pattern analysis and division results

2.2.1 景觀要素組成結(jié)構(gòu)分析

斑塊面積是景觀要素組成結(jié)構(gòu)分析的基本指標(biāo)，可直觀反映不同景觀要素類型的大?。话邏K數(shù)可以直觀的反映景觀的破碎化程度；而斑塊密度綜合了斑塊面積和斑塊數(shù)兩個(gè)指標(biāo)反映斑塊的分化程度。由表5 可知，2011年和2016年杉木、硬闊類樹種及桉類的斑塊面積大、斑塊數(shù)量多且斑塊密度較高，非林地的斑塊面積是經(jīng)濟(jì)林斑塊面積的2 倍而斑塊密度僅為經(jīng)濟(jì)林斑塊密度的1/3，表明經(jīng)濟(jì)林地破碎化較嚴(yán)重。和2011年相比，2016年杉木、馬尾松、宜林地、非林地的斑塊面積和斑塊數(shù)量均有所增加，而桉類、硬闊類樹種、竹林面積和斑塊數(shù)量均有所減少，由此說(shuō)明杉木、硬闊類和桉類是該地區(qū)的主要樹種，是控制該地區(qū)景觀格局的重要景觀類型。另外，隨著時(shí)間推移，人們?cè)絹?lái)越注重對(duì)鄉(xiāng)土樹種杉木、馬尾松的種植，外來(lái)引進(jìn)樹種逐漸減少。

表5 永安市洪田村景觀要素組成結(jié)構(gòu)指數(shù)值Table 5 Metrics of landscape elements in Hongtian village,Yong’an city

2.2.2 景觀斑塊特征分析

AWMSI 和AWMPFD 是反映同一景觀要素類型中斑塊大小的變化程度及復(fù)雜程度的指數(shù)。AWMSI 值越大表明斑塊規(guī)模變動(dòng)越劇烈，斑塊形狀越復(fù)雜；AWMPFD 表征斑塊空間形狀的復(fù)雜程度，取值范圍為[1,2]，其值越大表明斑塊形狀越不規(guī)則，值等于1 時(shí)表示斑塊形狀趨近于正方形，值越趨近于2 表明斑塊形狀越復(fù)雜。在本研究區(qū)中，竹林、灌木林和非林地的AWMSI 值較大，說(shuō)明這三種景觀類型的斑塊規(guī)模變動(dòng)較劇烈，斑塊大小不一情況嚴(yán)重；其他景觀類型的AWMSI 和AWMPFD 值均在1.40 左右，表明其他幾類景觀類型的斑塊規(guī)模及大小變化不大，斑塊形狀相對(duì)規(guī)則。

MPAR 值越大表明斑塊受干擾程度越大，由表6 知，灌木林在2011 和2016年MPAR 值均較大表明該類森林景觀受干擾較嚴(yán)重。MPE 可反映不同景觀類型平均邊界長(zhǎng)度的變化，由表6 計(jì)算結(jié)果知不同景觀類型的MPE 值均較大，其中非林地和硬闊類樹種的MPE 值在2011 和2016 兩年均很大，表明這兩類景觀類型的斑塊邊界長(zhǎng)度較長(zhǎng)且斑塊數(shù)較少，斑塊破碎程度低。經(jīng)濟(jì)林、非林地、宜林地2016年的MPE 較2011年均有所增加，主要是由于林農(nóng)集中砍伐用材林種植經(jīng)濟(jì)樹種造成的。2016年較2011年桉類、馬尾松林景觀的MPE 有所減少主要是由于林農(nóng)人為干擾、小范圍砍伐樹木加劇了景觀的破碎性。LPI 是表征斑塊集中程度的指數(shù)，其值越大，表明該景觀類型最大面積斑塊所占比例越大，受干擾強(qiáng)度和頻率越??；表6 中除非林地外硬闊類和杉木的LPI 值較大，表明這三類景觀類型分布集中受干擾程度??；硬闊類樹種和杉木的LPI 值明顯高于其他森林景觀類型，表明在洪田村這二者的適宜性較強(qiáng)；而灌木林和軟闊類樹種的LPI 僅為0.05 和0.25（2011年）、0.13（2016年），表明軟闊類樹種抗干擾能力差，受干擾程度大，在洪田村適宜性低。

PSSD 是表示斑塊大小變異程度的指標(biāo)，反映斑塊分布規(guī)模間的大小差異程度。表6 顯示非林地的PSSD 明顯高于其他景觀類型，表明非林地斑塊間大小差異較大；灌木林地PSSD 最小主要是由于灌木林地在洪田村分布較少，斑塊大小變異程度小。就優(yōu)勢(shì)樹種而言，杉木、硬闊類樹種、桉類和馬尾松的PSSD 值大于其他優(yōu)勢(shì)樹種（組）景觀類型，表明這四種景觀斑塊類型的大小差異大，斑塊破碎化嚴(yán)重，這體現(xiàn)了人為干擾對(duì)洪田村森林景觀的影響。

表6 永安市洪田村景觀斑塊特征指數(shù)值Table 6 Landscape plaque characteristics metrics of Hongtian village,Yong’an city

2.2.3 景觀異質(zhì)性分析

景觀異質(zhì)性是生態(tài)學(xué)過程和格局在空間分布上的不均勻性，即景觀的破碎化程度，本文選取了D、ED 和SHDI 3 種景觀指數(shù)進(jìn)行分析。

由表7 知，ED 排序?yàn)樯寄荆居查燁悩浞N＞桉類＞非林地＞經(jīng)濟(jì)林＞馬尾松＞竹林＞宜林地＞軟闊葉樹種＞灌木林；由此表明杉木、硬闊類樹種和桉類在該地區(qū)分布范圍廣、面積大，其內(nèi)部與其他景觀類型間進(jìn)行著豐富的物質(zhì)和能量交換；灌木林和軟闊類樹種較低的邊緣密度（ED）表明這兩種森林景觀與其他類型景觀之間的能流、物流交換低。

表7 永安市洪田村景觀異質(zhì)性指數(shù)值Table 7 Landscape heterogeneity metrics of Hongtian village,Yong’an city

SHDI 用于描述景觀類型的多樣性，其值的高低可反映景觀類型的數(shù)量及各景觀類型所占比例的變化，D 反映各景觀類型在空間上分布的優(yōu)勢(shì)程度。2011年該地區(qū)總體的SHDI 為1.69，2016年該村的SHDI 為1.55，表明該村景觀類型較豐富但隨著時(shí)間變化多樣性有所降低，這主要是由于采伐后首選種植杉木造成的；2011年和2016年的D 值杉木、桉類和硬闊類明顯高于其他森林景觀類型，綜合SHDI 和D 可得杉木、硬闊類樹種和桉類較為豐富，是該地區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀類型（圖1）。

3 結(jié)論與討論

本研究以洪田村2011年和2016年森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)并通過優(yōu)勢(shì)樹種（組）和地類將研究區(qū)森林景觀劃分為10 類，采用主成分分析法確定了12 種景觀格局指數(shù)進(jìn)行森林景觀格局分析，結(jié)論和討論如下。

1）景觀指數(shù)選取得當(dāng)。通過主成分分析篩選的12 種景觀指數(shù)能很好的表示洪田村的森林景觀特點(diǎn)，形狀、多樣性指數(shù)類景觀格局指數(shù)AWMSI、AWMPFD、D 和SHDI，邊緣指數(shù)類景觀格局指數(shù)MPE、MPAR 和ED，大小、密度類景觀格局指數(shù)CA、PD、NumP、LPI 和PSSD 在主成分上的載荷值均在90%以上，具有很好的代表性。

2）洪田村森林景觀要素組成單一、分布不均。一是以杉木和硬闊類樹種為主的景觀面積占60%以上且分布較集中；二是SHDI 和D 值表明不同景觀類型所占比例有一定差異，有一定的優(yōu)勢(shì)類型存在。綜合二者可知杉木、硬闊類樹種和桉類是該地區(qū)主要的優(yōu)勢(shì)景觀類型。經(jīng)過5年的變化，杉木優(yōu)勢(shì)性有所增加，而硬闊類樹種和桉類的優(yōu)勢(shì)性明顯降低，宜林地的優(yōu)勢(shì)性也有所增加，表明近幾年洪田村的森林采伐以桉類和硬闊類樹種為主，采伐跡地種植樹種以杉木為主，這種采伐造林方式一方面適應(yīng)了適地適樹的原則，但單一的造林方式造成景觀穩(wěn)定性差。因此，在接下的造林設(shè)計(jì)中應(yīng)著重調(diào)整造林結(jié)構(gòu)及杉木空間分布[21]， 在發(fā)展優(yōu)勢(shì)樹種杉木的基礎(chǔ)上注重對(duì)馬尾松、硬闊類樹種的營(yíng)造，適當(dāng)營(yíng)造混交林提高森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3）洪田村景觀斑塊形狀簡(jiǎn)單、抗干擾能力差。AWMPFD 值反映出該地區(qū)的邊界形狀較規(guī)則，其值接近1 表明洪田村斑塊形狀以正方形為主，人為干擾對(duì)該村的景觀影響較大。單一的皆伐方式造成該區(qū)斑塊形狀簡(jiǎn)單、破碎化嚴(yán)重且美觀化缺失，因此，可通過合并相鄰景觀斑塊降低破碎程度，提高斑塊形狀的復(fù)雜度。表6 顯示洪田村硬闊類樹種景觀格局較穩(wěn)定，其內(nèi)部抗干擾能力強(qiáng)；而軟闊類樹種穩(wěn)定性較差，因此，營(yíng)林時(shí)應(yīng)加大對(duì)硬闊類樹種的營(yíng)造，減少軟闊類樹種的種植。

4）森林景觀作為森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)研究的主要內(nèi)容，不同森林景觀內(nèi)部的結(jié)構(gòu)分析是進(jìn)行森林景觀可持續(xù)經(jīng)營(yíng)規(guī)劃的基礎(chǔ)[22]。綜上所述，在接下來(lái)的研究中，應(yīng)根據(jù)洪田村不同樹種的生長(zhǎng)習(xí)性，結(jié)合小班立地條件合理配置鄉(xiāng)土樹種（杉木、馬尾松）、引進(jìn)樹種（桉樹）、灌木林及其他樹種的比例。注重對(duì)破碎化程度較大地區(qū)的保護(hù)，對(duì)不同景觀類型的空間分布進(jìn)行合理布局以及減少人為采伐對(duì)該地區(qū)的破壞，使該地區(qū)景觀類型向多樣、均勻、穩(wěn)定的生態(tài)結(jié)構(gòu)趨近。

由于主成分分析時(shí)要求單位（即本文劃分的森林景觀類型）比變量（選取的景觀指數(shù)）多，因此本研究未從整體分析19個(gè)景觀指數(shù)而選擇按景觀特性分成了3 類進(jìn)行主成分分析。在接下來(lái)的研究中應(yīng)考慮樹種特性細(xì)化森林景觀類型，對(duì)選取的19個(gè)景觀指數(shù)進(jìn)行整體分析，并比較與分類選取景觀指數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為更好的應(yīng)用主成分分析提供參考依據(jù)。