太平洋西北部地區(qū)天然林景觀動態(tài)及破碎化驅(qū)動力分析

李 鑫，翁衛(wèi)松，李明詩，3

(1. 南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江蘇 南京 210037；2. 浙江省森林資源監(jiān)測中心，浙江 杭州 310020；3. 南京林業(yè)大學(xué),南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037)

聯(lián)合國政府氣候變化專門委員會(IPCC)2018年報告表明，2030 年全球氣溫較工業(yè)革命前可能會上升約1.5 ℃，并預(yù)估會對自然系統(tǒng)和人類系統(tǒng)引發(fā)更高的侵害風(fēng)險[1]。抑制全球升溫的一個重要措施是限制碳排放量[2]。森林作為重要的可再生自然資源，是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳匯，在全球碳平衡和氣候調(diào)節(jié)研究中起著關(guān)鍵作用[3]。然而由于城市化進程和經(jīng)濟發(fā)展的日益加速，以及不合理的森林經(jīng)營方式，森林逐漸被其他土地利用類型所取代，導(dǎo)致森林大幅度損失以及森林質(zhì)量加速下降，對其碳固存、生物多樣性保護等生態(tài)功能的維持帶來了極大的負面影響[4]。

森林生態(tài)系統(tǒng)的碳固存、生物多樣性保護等功能的發(fā)揮都與森林景觀格局密切相關(guān)。森林景觀格局是指一定區(qū)域內(nèi)的森林生態(tài)狀況及其空間變異特征[5]。相對于人工林生態(tài)系統(tǒng)，天然林生態(tài)系統(tǒng)的植物種類豐富度高，病蟲害抵御能力強，層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生命和演替周期長，在森林可持續(xù)發(fā)展和維護生態(tài)平衡上具有明顯優(yōu)勢[6]。對天然林景觀進行分析，也是揭示該區(qū)域森林經(jīng)營方法有效性的手段之一。研究表明，天然林景觀的動態(tài)變化是自然、社會和生物等要素相互作用的結(jié)果[5-7]，特別是自然地理、人類活動導(dǎo)致的森林破碎化更是這種綜合作用結(jié)果的最直觀體現(xiàn)。森林破碎化過程、破碎化驅(qū)動因素及森林管理協(xié)調(diào)問題始終是森林生態(tài)學(xué)研究的熱點[8-10]，把握森林資源破碎化的演變機理，對制定合理的森林經(jīng)營策略具有重要的指導(dǎo)意義。

森林破碎化是指受環(huán)境、社會、經(jīng)濟等自然或人為活動干擾下，森林景觀趨向為復(fù)雜化、異質(zhì)化和片段化的斑塊鑲嵌體的過程[8-9]，其影響森林生態(tài)系統(tǒng)的整體格局和物質(zhì)能量流動，包括植被結(jié)構(gòu)[10-11]、生物多樣性與穩(wěn)定性[12-14]、生境連接性與邊緣效應(yīng)[15]以及固碳效應(yīng)[16-17]等。以前的森林破碎化研究多采用基于景觀指數(shù)的時空對比方式進行[18-20]，這種方法的主要不足體現(xiàn)在研究結(jié)果缺乏空間含義因而實用性、空間指示性不足。近10多年來，具有明確空間指示性的森林破碎化分析模型日漸增多[10-11,21-25]。

美國西北部太平洋沿岸地區(qū)(俄勒岡州和華盛頓州)豐富的森林資源和先進的森林管理理念使其成為研究天然林景觀動態(tài)和可持續(xù)發(fā)展的理想?yún)^(qū)域[26]。美國西北太平洋沿岸的天然林是供給軟木材和膠合板的重要資源渠道之一，該研究區(qū)天然林提供了野生動物棲息地、木材和非木材森林產(chǎn)品以及休閑度假地等大量資源，在經(jīng)濟、生態(tài)和社會方面有重要影響力[27]。研究區(qū)天然林自然狀況與我國東北地區(qū)相似，尤其在立地環(huán)境、氣候、降水等方面。該區(qū)域在森林可持續(xù)經(jīng)營方面領(lǐng)先全美，分析其森林景觀的演變趨勢，借鑒其林業(yè)管理模式的制度優(yōu)勢，可為改進和發(fā)展我國林業(yè)生產(chǎn)管理體系提供借鑒。因此，參考Li等[28]發(fā)展的破碎化過程模型，探究天然林穿孔、破碎化、收縮和消失等4種破碎化過程之間的關(guān)聯(lián)與時空演變模式；并以縣為單位提取社會經(jīng)濟因子和破碎化成分因子建立統(tǒng)計關(guān)聯(lián)，挖掘森林破碎化的驅(qū)動因素并汲取森林管理教訓(xùn)，為提高我國森林管理水平提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以俄勒岡州和華盛頓州境內(nèi)沿太平洋西北部地區(qū)為研究區(qū)(圖1)。研究區(qū)位于喀斯喀特山脈(Cascade Mountains)的西部，溫帶季風(fēng)性氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，易發(fā)生火災(zāi)、蟲災(zāi)等自然干擾[27]。研究區(qū)內(nèi)森林多屬于天然林，樹種組成豐富，西部地形崎嶇，火山噴發(fā)物所發(fā)育土壤上形成了大片針葉林，低海拔地區(qū)主要分布道格拉斯冷杉(Pseudotsugamenziesii)和加西鐵杉 (Tsugaheterophylla)，中海拔地區(qū)集中分布太平洋白銀冷杉 (Abiesamabilis)，高海拔地區(qū)主要分布亞高山冷杉 (Abieslasiocarpa)、山鐵杉 (Tsugamertensiana)和黑松(Pinuscontorta)。在研究區(qū)南部和東部，耐火樹種則更為普遍，包括黃松(PinusponderosaDouglas)、糖松(Pinuslambertiana)、大冷杉(Abiesgrandis)和香柏木(Calocedrusdecurrens)等。研究區(qū)內(nèi)森林是美國木材供給的重要來源，大部分森林由美國聯(lián)邦機構(gòu)管理以實現(xiàn)多種資源目標(biāo)，小部分森林由私有工業(yè)土地所有者管理，且以生產(chǎn)木材為主[28-31]。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 The location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)包括：①美國國家土地覆蓋數(shù)據(jù)庫(National Land Cover Database，NLCD)提供了全國性的土地覆蓋和土地覆蓋變化數(shù)據(jù)(表 1)，以2～3 a為間隔共發(fā)布了2001年、2003年、2006年、2008年、2011年、2013年和2016年7個完整的土地覆蓋產(chǎn)品。NLCD由多分辨率土地特征組織(MRLC)建立，由空間分辨率為30 m的Landsat TM/ETM+/OLI 影像執(zhí)行決策樹分類器得到，其中NLCD 2008年、2013年和2016年這3期數(shù)據(jù)為2018年9月發(fā)布的最新版本，具有基于改良后的安德森Ⅱ級分類系統(tǒng)的16級分類代碼(表1)，保證了所有數(shù)據(jù)集之間的直接可比性。3期數(shù)據(jù)的總體分類精度分別為81%、85%和87%，因此基于這3期數(shù)據(jù)可以用于分析和評估2008—2016年森林景觀格局的變化[29-30]。②空間信息聯(lián)盟(CGIAR-CSI，https://cgiarcsi.community/)提供的研究區(qū)數(shù)字高程模型(分辨率為30 m)及加州大學(xué)空間科學(xué)中心(GADM，https://gadm.org/download_country_v3.html)提供的38個縣的行政界線矢量圖層?？臻g參考信息采用了Albers 等積圓錐投影，投影參數(shù)：第1標(biāo)準緯線為29.5°N，第2標(biāo)準緯線為45.5°N，中央經(jīng)線為-96°W。③國家數(shù)據(jù)中心(SDC, https://sdcclearinghouse.com/)整理的38個縣2008—2016年社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)均值。SDC數(shù)據(jù)是來自美國統(tǒng)計局、56個州政府和高等院校等渠道匯總統(tǒng)計，提供了人口普查局和相關(guān)社會經(jīng)濟等調(diào)查分析的數(shù)據(jù)訪問權(quán)限。

表1 NLCD土地覆蓋類型重分類

1.3 研究方法

1.3.1 重分類與景觀格局指數(shù)

對NLCD 16種類型的土地覆蓋數(shù)據(jù)按照森林-非森林的模式進行重新聚類(表 1)，以此突顯森林破碎化的主導(dǎo)作用。

研究使用了斑塊數(shù)量(number of patches,NP),平均斑塊大小(area patch mean,AMN),斑塊密度(patches density,DP)和聚集度指數(shù)(aggregation index,IA)來定量描述景觀格局，這些景觀指數(shù)借助于Fragstats 4.2軟件計算，計算公式為：

(1)

DP=ni/A;

(2)

(3)

式中：ni為第i個時期的森林斑塊個數(shù)；Ai為第i個時期森林總面積；A為研究區(qū)的總面積；gij為i類型間像元相似鄰接個數(shù)；Gij為i類型間最大相似鄰接個數(shù)；pi為i類型斑塊所占總斑塊比例。

1.3.2 破碎化過程模型

破碎化過程模型依據(jù)景觀生態(tài)學(xué)破碎化理論[8]分為兩個階段：①通過對兩個時相的森林-非森林分類數(shù)據(jù)進行疊加比較，得到森林損失斑塊(森林轉(zhuǎn)換為其他類型的斑塊)和森林未變化斑塊，②利用ArcGIS中的空間分析功能(鄰域分析、焦點統(tǒng)計、柵格計算等)將非森林、森林損失和森林未變化3種斑塊間的空間關(guān)系分為穿孔、破碎化、收縮和消失4種類型(圖 2)。其中，森林損失斑塊不與任何森林未變化斑塊相接為消失過程，森林損失斑塊被森林未變化斑塊完全包圍為穿孔過程；森林損失斑塊與多個森林未變化斑塊相接為破碎化過程；森林損失斑塊僅與一個森林未變化斑塊相接為收縮過程。

綠色為森林斑塊，黑色為非森林斑塊，白色為森林損失斑塊。The green represents forest patches, the black represents non-forest patches, and the white represents forest loss patches.圖2 森林破碎化過程示意圖Fig.2 A schematic diagram of forest fragmentation spatial processes

采用 Li等[28]發(fā)展的方法，借助ArcGIS Model Builder中得發(fā)展架構(gòu)見圖2。

1.3.3 相關(guān)分析

為保證與統(tǒng)計數(shù)據(jù)間的緊密關(guān)聯(lián)，選取2008—2016年森林破碎化模式做相關(guān)分析。統(tǒng)計數(shù)據(jù)均以縣為單位進行，包括社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)和景觀破碎化數(shù)據(jù)。在ArcGIS 中利用各縣的行政界限矢量文件提取每縣的4個破碎化成分，即單個縣內(nèi)4個不同類型破碎化斑塊面積分別占總破碎化斑塊面積的比例，共統(tǒng)計38個縣。然后，在Rstudio 3.6分析環(huán)境下，建立破碎化模式與社會經(jīng)濟因子及環(huán)境因子的Spearman統(tǒng)計相關(guān)，用以解釋各驅(qū)動因子對不同森林破碎化成分的貢獻，計算公式為：

式中:σxy表示變量x和y之間的協(xié)方差，σx表示變量x的標(biāo)準差，σy表示變量y的標(biāo)準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林景觀格局分析

由2008—2016年太平洋沿岸西北部森林景觀指數(shù)計算結(jié)果(表 2) 可知，2008—2016年太平洋沿岸西北部森林景觀格局發(fā)生了較大的變化。森林斑塊數(shù)量減少了17 238個，森林斑塊密度減少了0.26個/hm2,平均斑塊增加了4.69 hm2，說明森林破碎度降低，干擾降低。森林聚集度指數(shù)是揭示景觀斑塊組成的重要參數(shù)，聚集度指數(shù)大則代表景觀是由少數(shù)團聚體的大斑塊組成。研究區(qū)內(nèi)森林聚集度指數(shù)增加了0.10%，說明景觀斑塊越來越大，也間接說明森林的破碎化現(xiàn)象得到改善，研究區(qū)內(nèi)森林連接性得到提升。

表2 2008—2016年太平洋沿岸西北部森林景觀指數(shù)計算結(jié)果

2.2 森林損失和恢復(fù)分析

由研究區(qū)2008—2016年森林損失和恢復(fù)情況(表3)可知，2008—2016年，太平洋西北部天然林面積總體呈上升趨勢，以每年2.61%增長率增長到9 243 556.74 hm2，森林恢復(fù)面積約是森林損失面積的1.5倍。太平洋西北部天然林損失和恢復(fù)的空間分布見圖3，可以明顯看出研究區(qū)森林廣泛分布于各個地區(qū)，森林資源的分布比較均勻。森林損失區(qū)域以小碎斑塊形式呈現(xiàn)，西北沿岸地區(qū)較為嚴重。森林恢復(fù)區(qū)域則基本位于森林損失區(qū)域周圍，這表明研究區(qū)內(nèi)天然林規(guī)模支持了森林可持續(xù)經(jīng)營理念。

表3 研究區(qū)2008—2016年森林損失和恢復(fù)統(tǒng)計

圖3 研究區(qū)2008—2016年森林損失和恢復(fù)的空間分布Fig.3 The spatial distribution of deforestation and reforestation across the study area during the period of 2008-2016

2.3 森林破碎化動態(tài)分析

利用兩期森林-非森林重分類數(shù)據(jù)，模型能夠準確地捕捉到森林景觀破碎化的動態(tài)過程(圖4、表4)。由圖4可見，太平洋西北部地區(qū)森林景觀的森林破碎成分在森林中廣泛存在，并隨著時間推移逐步得到改善，其中收縮和破碎化在破碎化成分中占主導(dǎo)地位并主要分布在大型森林斑塊內(nèi)，而穿孔森林集中分布在邊緣(圖4)。另外，由表4可知，破碎化森林成分導(dǎo)致森林損失面積增加(約占57%)，收縮過程導(dǎo)致森林斑塊數(shù)量增加(約占65%)。此外，4種破碎化過程存在極強的時空位置關(guān)聯(lián)，森林破碎化最開始以破碎化形式大量發(fā)生，此后在破碎化周邊產(chǎn)生了大量收縮斑塊。收縮斑塊的增加加速引導(dǎo)了穿孔斑塊的增加，最終森林消失，由此呈現(xiàn)出“破碎化—收縮—穿孔—消失”的模式(圖4)。

圖4 2008—2016年森林破碎化空間過程Fig.4 Forest fragmentation spatial processes during the periods of 2008-2016

表4 2008—2016年間森林破碎化過程的百分比

2.4 森林破碎化驅(qū)動力分析

主要的森林破碎化組分與社會經(jīng)濟因子間相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗結(jié)果見表5。從表5中可以看出，人類干擾對森林景觀破碎化有顯著影響，比如人口密度、住房密度、農(nóng)業(yè)用地、人均收入和受教育程度等與森林破碎化間的相關(guān)性較高，且統(tǒng)計意義上相關(guān)顯著，而人口年齡、平均海拔和平均坡度與破碎化的相關(guān)性不顯著，這些因子不是森林破碎化的主要支配因子。這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)定量描繪了各驅(qū)動因子與破碎化過程間的統(tǒng)計關(guān)聯(lián)度。

表5 森林空間組分與驅(qū)動因子相關(guān)系數(shù)

3 討 論

3.1 森林景觀動態(tài)及破碎化演變模式

試驗區(qū)的森林景觀格局在研究階段內(nèi)未發(fā)生明顯變化，且天然林面積總體呈現(xiàn)出緩慢上升趨勢，森林損失面積持續(xù)低于森林恢復(fù)面積，森林斑塊面積逐漸增大，而斑塊數(shù)量逐漸減少，森林連接性逐漸提高，表明森林破碎化程度逐漸降低[14-15]。此外，分析研究區(qū)森林破碎化發(fā)展?fàn)顩r的空間分布可知，森林破碎化過程廣泛分布，收縮和破碎化過程在森林破碎化成分中占主導(dǎo)地位，4種破碎化過程呈現(xiàn)出“破碎化—收縮—穿孔—消失”的前后關(guān)聯(lián)。任芯雨等[20]利用NLCD 2001年、2006年、2011年3期數(shù)據(jù)對美國西北部天然林和東南部人工林進行森林破碎化過程模式研究，認為穿孔和破碎化主要發(fā)生在前期，末期是消失階段，這與本研究結(jié)果基本一致。

3.2 森林破碎化產(chǎn)生的原因

社會經(jīng)濟因素是森林破碎化的重要預(yù)測因子。社會經(jīng)濟和交通運輸?shù)目焖侔l(fā)展，影響著當(dāng)?shù)厝撕屯鈦碚呷绾问褂猛恋豙32-36]。人為干擾對森林景觀影響的主要表現(xiàn)形式為：人口增加、居民點建設(shè)、農(nóng)業(yè)開墾種植和區(qū)域經(jīng)濟對森林資源的依賴等。一個地區(qū)人口數(shù)量的增加意味著與林業(yè)競爭的相關(guān)土地利用將得到更多的開發(fā)和擴大。通常情況下，個人收入增加會使生活方式更加的多樣化，如有更多機會親近自然、親近森林，但大量的親近機會顯然會對森林環(huán)境帶來持續(xù)的負面影響[31]。同時，財富的增長使人們可以更容易地提出更大的住宅建設(shè)和多樣化的家居環(huán)境需求，這也會導(dǎo)致木材需求量的快速上升，給當(dāng)?shù)厣仲Y源帶來壓力[22]。但是，另一方面，受教育人口比例越高，會越容易接受并執(zhí)行森林保護的理念，為森林資源可持續(xù)發(fā)展提供價值觀保障[19]。此外，森林砍伐和農(nóng)業(yè)開墾是林地面積大幅度減少的重要原因，農(nóng)業(yè)用地的轉(zhuǎn)換明顯受土地利用動態(tài)及國家執(zhí)行政策的影響。Butler等[18]對1990年美國西北部地區(qū)天然林進行破碎化模式研究，結(jié)果表明農(nóng)業(yè)用地百分比與破碎化成分也呈顯著相關(guān)。顯然,本研究結(jié)果與他們的研究結(jié)果一致，這說明：該區(qū)域農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟中占有重要的地位，民眾的生計高度依賴于當(dāng)?shù)氐耐恋乩茫r(nóng)業(yè)用地和林地的相鄰關(guān)系緊密，大量天然林被砍伐用于鋸材和膠合板的需求，農(nóng)田擴張用于糧食供給[34-35]。

與前人研究相比，孫飛等[36]對中國大陸省級尺度森林破碎化特征進行評價，發(fā)現(xiàn)黑龍江地區(qū)天然林破碎化的主要驅(qū)動力在于人口快速增長驅(qū)使下的農(nóng)業(yè)土地利用大范圍開墾。沈文娟等[24]對中國三大林區(qū)森林破碎化的干擾模式進行分析，發(fā)現(xiàn)東北林區(qū)更易受人為干擾，其干擾模式變化與林地所有權(quán)和經(jīng)濟發(fā)展水平緊密依賴。結(jié)合自然環(huán)境特征，可以明顯看出中國東北地區(qū)的天然林破碎化驅(qū)動力與研究區(qū)相似，通過理解這些驅(qū)動因子對森林破碎化的影響，分析和參考研究區(qū)森林經(jīng)營管理策略，對有效改善中國東北地區(qū)天然林的管理水平、使決策者和土地管理者從戰(zhàn)略上減少資源損失等有重要意義。

3.3 太平洋西北部地區(qū)森林管理經(jīng)驗啟示

根據(jù)太平洋西北地區(qū)研究站(The Pacific Northwest Station, PNW)提供的森林資源調(diào)查資料表明[31]，太平洋西北部地區(qū)是世界上最多產(chǎn)的林地之一，林產(chǎn)品為該區(qū)的經(jīng)濟做出了巨大貢獻。研究區(qū)所在的俄勒岡州和華盛頓州,長期以來一直是美國最大的軟木材和膠合板生產(chǎn)地，每年向全世界提供0.165億m3左右的木材，居全美首位，比其他任何州產(chǎn)量的3倍多[32-33,37]。這樣的需求對私人和州屬森林所有者在實現(xiàn)森林可持續(xù)性發(fā)展及維持生態(tài)平衡上提出了巨大的挑戰(zhàn)。然而本研究表明，試驗區(qū)的天然林面積總體呈現(xiàn)上升趨勢，森林損失面積持續(xù)低于森林恢復(fù)面積，可見近10年內(nèi)該區(qū)既滿足了木材工業(yè)發(fā)展的需要，又滿足生態(tài)平衡的要求。

該地區(qū)采取的土地利用政策和森林經(jīng)營策略有許多值得學(xué)習(xí)和借鑒的方面，具體表現(xiàn)為：①在聯(lián)邦政府直轄管理的林地上，太平洋西北部地區(qū)堅持一種穩(wěn)定、可持續(xù)的森林經(jīng)營理念，年砍伐木材量約占年木材增長量的8%，由火災(zāi)、昆蟲和疾病等自然原因?qū)е碌哪陿淠舅劳隽空寄静脑鲩L量的36%，而剩余56%的年木材增長量均增加到森林的現(xiàn)存木材量中，以此維持森林資源的一種高凈增長模式。②堅持多用途的生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營理念來規(guī)范森林實踐和保護，例如：持續(xù)監(jiān)測野生動物及其棲息地的恢復(fù)情況，發(fā)展私人土地所有者的自愿護林活動，協(xié)調(diào)政府與私人土地所有者的保護行動，由獨立科學(xué)家進行技術(shù)監(jiān)督等[33]，對維持森林生產(chǎn)力有極大幫助。③重視森林火災(zāi)的預(yù)防與控制。受當(dāng)?shù)叵募旧儆甓径嘤甑臍夂蛴绊懀窖笪鞅辈康貐^(qū)火災(zāi)頻繁發(fā)生。為了保護財產(chǎn)價值、森林資源和公共安全，聯(lián)邦政府及當(dāng)?shù)貐f(xié)作組織與伐木承包商合作，通過間伐、割草和定期焚燒來抑制火災(zāi)的發(fā)生[37]。

3.4 森林破碎化過程成分的景觀管理含義

已有的森林破碎化研究大多忽視了破碎化的空間過程，主要是強調(diào)某一時間點上的靜態(tài)格局。破碎化過程模型有助于評估長時相內(nèi)森林損失或再生區(qū)域的局部復(fù)雜性變化，能夠指示出森林地區(qū)的破碎化是如何發(fā)生的，以及其在空間上是如何逐步影響當(dāng)?shù)厣值母采w狀況。研究所建立的森林破碎化地圖能夠提供如何干預(yù)林地管理與開發(fā)的信息，具有清晰的空間指示含義。此外，模型所生成的4個破碎化成分在景觀規(guī)劃和管理方面具有重要的實踐意義。例如模型中的破碎化過程對于森林連接度的意義重大，可以為生物遷徙提供可能的廊道，從而影響生物多樣性保護規(guī)劃[11-12]。對于模型中的其他成分，如穿孔和收縮過程，它們的發(fā)生與林業(yè)實踐有很大關(guān)聯(lián)，如森林皆伐、造林撫育、土地利用轉(zhuǎn)換、火災(zāi)蟲災(zāi)管理等[17]。因此，把握破碎化過程的時空關(guān)聯(lián)，探討不同時期森林破碎過程所占比例及相關(guān)決定因素，對于發(fā)展有針對性的森林經(jīng)營、保護策略從而實現(xiàn)可持續(xù)林業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動，持續(xù)地發(fā)揮森林的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益有重要的參考價值。

綜上所述，破碎化過程模型和經(jīng)濟社會驅(qū)動因素相關(guān)分析的結(jié)合提供了不同的兼容信息，為理解社會、環(huán)境、經(jīng)濟壓力對森林破碎化的影響提供了新視角。