伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量多視角評價

張靜靜, 穆艷華

伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量多視角評價

張靜靜*, 穆艷華

鄭州師范學院地理與旅游學院, 鄭州 450044

從多個視角探討伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量的空間差異特征, 旨在為該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的提升以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供有效的科學依據(jù)?；诜Ｉ降貐^(qū)森林類型分布圖、土地覆被及DEM等數(shù)據(jù), 借助InVEST模型和ArcGIS軟件, 從區(qū)域、森林類型和垂直帶三個視角探討伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量的空間差異特征。結(jié)果表明: ①伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的生境質(zhì)量指數(shù)平均值為0.79, 整體處于較優(yōu)等水平; ②從不同森林類型來看, 以人工林為主的馬尾松()林以及林齡較小的栓皮櫟()林生境質(zhì)量最差, 而以天然林為主的銳齒槲櫟(var.)林、華山松()林和針闊混交林生境質(zhì)量最好; ③從不同垂直帶來看, 南坡低山落葉闊葉林帶(SI)生境質(zhì)量最差, 南坡中山針闊混交林帶(SIV)生境質(zhì)量最好。

生境質(zhì)量; InVEST模型; 多視角; 伏牛山地區(qū)

0 前言

生境質(zhì)量是指在一定時間和空間中生態(tài)系統(tǒng)為個體與種群持續(xù)生存與發(fā)展提供適宜條件的能力[1], 可以有效反映生物多樣性的高低, 是所有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的前提和基礎(chǔ), 更是提升人類福祉的關(guān)鍵[2]。因此, 評估區(qū)域生境質(zhì)量的狀態(tài)、變化過程與空間差異特征, 對構(gòu)建區(qū)域生態(tài)安全格局至關(guān)重要, 是當前國際地理學、生態(tài)學等領(lǐng)域研究的熱點議題[3–5]。目前, 國內(nèi)外許多學者從不同的研究尺度對生境質(zhì)量進行了評價, 早期的研究主要集中在小尺度范圍, 比如在樣地尺度上針對單一物種或群落進行實地調(diào)查, 并構(gòu)建生境質(zhì)量的評價體系[6–8]。但這種方法會耗費大量人力、物力、財力, 并且難以對大中尺度范圍的生境質(zhì)量進行全面監(jiān)測與評價。隨著RS和GIS技術(shù)的發(fā)展, 大中尺度區(qū)域生境質(zhì)量的快速、可視化評估研究逐漸興起。已有文獻大多基于遙感數(shù)據(jù), 借助GIS技術(shù)與生態(tài)模型, 對區(qū)域生境質(zhì)量狀況開展了大量的研究[9–12]。其中, InVEST模型中的Biodiversity模塊在國內(nèi)外區(qū)域生境質(zhì)量評價中得到廣泛應(yīng)用[1, 13–14], 主要集中在對流域生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)、山地生態(tài)系統(tǒng)等區(qū)域的生境質(zhì)量展開研究[5, 15–16], 實現(xiàn)了對生境質(zhì)量空間格局的可視化評估, 并對研究區(qū)制定生態(tài)環(huán)境的修復(fù)與保護方案提供了科學依據(jù)。

伏牛山地區(qū)位于北亞熱帶常綠落葉混交林逐漸向南暖溫帶落葉闊葉林過渡的區(qū)域, 具有河南省最大的森林生態(tài)系統(tǒng), 森林植被保存完好, 是我國重要的生態(tài)功能區(qū)。但目前該區(qū)局部地區(qū)存在著比較嚴峻的生態(tài)環(huán)境問題[17], 嚴重影響該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的生境質(zhì)量, 進而影響該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給能力。以往文獻關(guān)于該區(qū)的研究多基于樣點數(shù)據(jù)評價森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(比如生物量、碳儲量等)的供給能力[18–19], 然而鮮有文獻對影響該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)供給能力的生境質(zhì)量狀況進行評價。鑒于此, 本研究以伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象, 基于森林類型分布圖、土地覆被及DEM等數(shù)據(jù), 借助InVEST模型和ArcGIS軟件, 從區(qū)域、森林類型和垂直帶三個視角探討伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量的空間差異特征。研究結(jié)果可為伏牛山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的提升以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供有效的科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

伏牛山處于河南省西部, 是秦嶺山系在河南境內(nèi)的一條重要余脈, 呈西北—東南走向, 西至省界, 東至方城北部, 北與熊耳山、外方山相接, 南至南陽盆地。研究區(qū)包括共8個縣域單元, 面積約2萬km2, 盧氏、欒川、嵩縣和魯山位于伏牛山北坡, 內(nèi)鄉(xiāng)、西峽、鎮(zhèn)平和南召位于伏牛山南坡(圖1)。地勢自西向東逐漸降低, 海拔高度介于50—2200 m, 地貌類型復(fù)雜, 高差起伏較大; 植被類型屬于北亞熱帶常綠落葉混交林向暖溫帶落葉闊葉林的過渡類型, 植被和氣候特征的垂直差異顯著[20–21]。

圖1 研究區(qū)位置及高程示意圖

Figure 1 Location and the elevation map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括以下幾類:

(1)森林類型圖。研究區(qū)森林類型圖是采用高分1號影像解譯而成。本研究共選取35景影像, 每張影像包含2 m分辨率的全色和8 m分辨率的多光譜影像, 時間為2016年6月—10月和2017年6月–10月。采用ENVI 5.3對影像進行預(yù)處理, 將全色和多光譜影像進行融合, 經(jīng)圖像鑲嵌與裁剪可得到研究區(qū)2 m分辨率的多光譜圖像。并參照2015年1: 10萬土地覆被數(shù)據(jù)以及1:100萬植被類型圖, 對研究區(qū)森林類型進行目視解譯, 生成研究區(qū)森林類型空間分布圖(圖2)。伏牛山地區(qū)森林類型主要包括栓皮櫟()林、短柄枹櫟(var.)林、銳齒槲櫟(var.)林、闊雜林、馬尾松()林、油松()林、華山松()林以及銳齒槲櫟-華山松混交(var.)林(以下簡稱針闊混交林)。并采用142條野外調(diào)查樣點數(shù)據(jù)進行精度驗證, 解譯精度為82.39%。

(2)DEM數(shù)據(jù)。采用ASTER GDEM, 來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/), 空間分辨率為30 m, 經(jīng)拼接、投影、裁剪等得到研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)。

基于上述森林類型圖和DEM數(shù)據(jù), 運用ArcGIS10.2統(tǒng)計分析工具統(tǒng)計伏牛山南北坡主要森林類型分布的海拔范圍, 據(jù)此劃分南北坡垂直帶譜。南坡垂直帶譜相對北坡較為復(fù)雜, 南坡包括低山落葉闊葉林帶(NI)(800 m以下)、含常綠樹種的針闊混交林帶(SII)(800—1200 m)、中山落葉闊葉林帶(SIII)(1200—1600 m)和中山針闊混交林帶(SIV) (1600 m以上)四個垂直帶, 北坡包括低山落葉闊葉林帶(NI)(1000 m以下)、中山落葉闊葉林帶(NII) (1000–1500 m)和中山針闊混交林帶(NIII)(1500 m以上)三個垂直帶。

圖2 伏牛山地區(qū)森林類型分布圖

Figure 2 Spatial distribution of forest type

1.3 生境質(zhì)量評估方法

本研究采用InVEST3.2中的生境支持服務(wù)模塊來評估伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量。計算原理和計算過程如下:

InVEST模型生境支持服務(wù)模塊是基于景觀類型數(shù)據(jù), 根據(jù)景觀類型敏感性和外界威脅強度計算得到生境質(zhì)量指數(shù)[22]。計算原理如下:

該模塊的原理是基于人為活動對生境的影響程度來評價的, 模型認為人為活動越頻繁的地區(qū), 生境質(zhì)量越差。因此本研究選取受人為活動作用較大的水田、旱地、農(nóng)村居民點、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、工礦用地及交通用地這六類土地利用類型作為生境威脅源。生境威脅源圖層數(shù)據(jù)是由2015年1:10萬土地覆被數(shù)據(jù)提取得到, 并轉(zhuǎn)為30 m分辨率柵格數(shù)據(jù)?？紤]研究區(qū)邊緣附近的威脅源會對研究區(qū)內(nèi)部的生境產(chǎn)生威脅, 因此所選威脅源圖層范圍均大于研究區(qū)范圍。生境威脅源表和敏感性表參照姚云長的研究成果[23], 并結(jié)合研究區(qū)實際情況進行賦值。法律準入性矢量圖層是利用伏牛山國家級自然保護區(qū)植被圖提取出保護區(qū)矢量邊界, 并根據(jù)保護區(qū)程度分級, 在屬性表中分別賦予其可達度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 生境質(zhì)量評估與空間差異分析

伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的生境質(zhì)量最小值為0.68, 最大值為1, 平均值為0.79。由此可見, 研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量整體處于較優(yōu)等水平。

從伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的生境質(zhì)量空間格局來看(圖3), 生境質(zhì)量高值區(qū)一部分主要位于伏牛山自然保護區(qū)內(nèi), 由于受法律準入度的影響, 保護區(qū)內(nèi)的生境受到有效保護; 另一部分主要位于伏牛山的中高山地帶, 以及北部熊耳山的主脊地帶, 這些地區(qū)分布有大面積的天然闊葉林和針葉林, 還保存有大面積的原生林, 并且與威脅因子距離較遠, 幾乎不受人為活動的影響, 生境適宜度最好, 所以這些地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的生境質(zhì)量最高。生境質(zhì)量低值區(qū)主要位于研究區(qū)西南、東南和東北部地區(qū), 這些地區(qū)距離威脅因子較近, 人為活動比較頻繁, 對原生森林破壞比較嚴重, 多為次生林和人工純林, 且大多是中幼齡林, 同時由于受該區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)、采礦和道路建設(shè)等社會經(jīng)濟活動的影響, 導(dǎo)致森林景觀格局破碎化比較嚴重, 因此這些地區(qū)森林生境質(zhì)量較差。

2.2 不同森林類型生境質(zhì)量對比分析

不同森林類型的生境質(zhì)量表現(xiàn)出一定的差異(圖4)。馬尾松林和栓皮櫟林的生境質(zhì)量比較差, 分別為0.709和0.72, 這是由于這兩種森林類型主要位于海拔1200 m以下的區(qū)域, 距威脅因子距離較近, 可達性比較高, 人為干擾嚴重, 景觀格局破碎化嚴重, 且以中幼齡林為主, 生境適宜度相對較低, 因此生境質(zhì)量較差; 尤其是馬尾松林, 主要位于伏牛山南坡800 m以下的低山緩坡地區(qū), 多為人工純林, 導(dǎo)致生物多樣性較低, 抵御自然災(zāi)害的能力較差, 病蟲害嚴重, 因此馬尾松林為該區(qū)生境質(zhì)量最差的生境類型。其次為闊雜林和油松林, 生境質(zhì)量約為0.8, 闊雜林分布比較廣泛, 中低海拔區(qū)由于受到過度濫砍濫伐, 導(dǎo)致林分質(zhì)量不高, 生境質(zhì)量相對較差; 油松林主要位于海拔為800—1500 m的地區(qū), 受人為活動的影響減弱, 但由于中低山地區(qū)的油松林多為人工林, 由于缺乏科學的撫育措施, 導(dǎo)致生境適宜度相對較低, 生境質(zhì)量稍遜于高海拔區(qū)少量自然分布的油松林。短柄枹櫟林的生境質(zhì)量居中, 這是由于短柄枹櫟林主要位于海拔1300–1500 m的區(qū)域, 受威脅因子的影響相對較弱, 且多與其他櫟類林形成混交林, 生物多樣性較高, 因此生境質(zhì)量相對較高。銳齒槲櫟林、華山松林和針闊混交林生境質(zhì)量最高, 均高于0.97。這是由于這3種森林類型主要分布于海拔高于1500 m以上的區(qū)域, 且有部分位于伏牛山自然保護區(qū)范圍內(nèi), 受人為干擾的影響較弱, 多為天然植被, 仍保存有大面積的原生植被, 生境適宜度大, 因此生境質(zhì)量比較高。

圖3 森林生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量空間格局

Figure 3 Spatial pattern of habitat quality in forest ecosystem

2.3 不同垂直帶生境質(zhì)量對比分析

伏牛山南北坡不同垂直帶森林生態(tài)系統(tǒng)的生境質(zhì)量指數(shù)變化規(guī)律比較明顯(圖5)。南坡和北坡生境質(zhì)量指數(shù)均表現(xiàn)為隨垂直帶升高而逐漸增加的趨勢, 均在低山落葉闊葉林帶達到最低(SI為0.735, NI為0.757), 在中山針闊混交林帶達到最大(SIV為0.993, NIII為0.984)。這是由于基帶距威脅因子較近, 受干擾較大, 景觀格局破碎化嚴重, 生境質(zhì)量較差; 隨垂直帶升高, 距威脅因子距離增加, 干擾強度減弱, 成熟林面積比重增大, 因此生境質(zhì)量指數(shù)也逐漸增加。南坡增加速率由慢變快, 北坡幾乎呈線性增加, 主要是由于南坡含常綠樹種的針闊混交林帶(SII)分布有大面積的馬尾松人工林, 森林質(zhì)量較差, SII生境質(zhì)量與SI相差不大。

對南北坡不同垂直帶森林生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量對比分析發(fā)現(xiàn), 南坡低山落葉闊葉林帶(SI)生境質(zhì)量指數(shù)低于北坡(NI), 南坡中山落葉闊葉林帶(SIII)和中山針闊混交林帶(SIV)生境質(zhì)量均高于北坡(NII和NIII)。這是由于相對于北坡, 南坡基帶地形較為平緩, 受人為干擾的影響更嚴重, 因此SI生境質(zhì)量低于NI; 在中山落葉闊葉林帶, 南坡主要以銳齒槲櫟林和短柄枹櫟林為主, 而北坡還分布有大面積的油松林, 據(jù)前所述油松林森林質(zhì)量較差, 因此SIII生境質(zhì)量指數(shù)高于NII; 中山針闊混交林帶, 由于南坡自然條件優(yōu)于北坡, 因此南坡森林質(zhì)量也高于北坡, 導(dǎo)致SIV生境質(zhì)量指數(shù)高于NIII。整體來看, 北坡生境質(zhì)量指數(shù)(0.820)高于南坡(0.758), 南坡中山針闊混交林帶(SIV)平均生境質(zhì)量指數(shù)最大, 南坡低山落葉闊葉林帶(SI)平均生境質(zhì)量指數(shù)最小。

圖4 不同森林類型生境質(zhì)量

Figure 4 Habitat quality in different forest types

圖5 不同垂直帶生境質(zhì)量

Figure 5 Habitat quality in different vertical belts

3 討論

InVEST模型評估結(jié)果表明伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的生境質(zhì)量指數(shù)最小值為0.68, 最大值為1, 平均值為0.79。與位于研究區(qū)西北部的太行山東南麓淇河流域2015年生境質(zhì)量指數(shù)(0.743)相比[15], 兩者比較接近, 且本研究區(qū)生境質(zhì)量略高; 與以森林生態(tài)系統(tǒng)為主體的閩江流域生境質(zhì)量(0.82)[24], 也比較接近。由此, InVEST模型模擬得到的生境質(zhì)量結(jié)果較為可靠。

本研究從多個視角評價伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量, 研究表明人為活動較頻繁的地區(qū)以及以人工林為主的地區(qū)生境質(zhì)量較差。未來應(yīng)加強這些地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的保護, 減少或禁止人為活動對生境的破壞, 同時推廣針闊混交林代替人工純林, 以減少病蟲害的發(fā)生, 增強森林抗干擾能力, 提高生物多樣性, 維持該區(qū)生態(tài)安全。此外, 與其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型相比, InVEST模型結(jié)合了RS和GIS的優(yōu)勢, 可更直觀地展現(xiàn)評估結(jié)果的空間格局, 為生境量化和空間可視化提供了可行方法。但受數(shù)據(jù)獲取的限制, 本研究部分參數(shù)數(shù)據(jù)(例如不同生境類型對各威脅因子的敏感度)來源于前人研究成果以及InVEST模型數(shù)據(jù)庫等, 然而生境質(zhì)量機理較為復(fù)雜, 這可能會導(dǎo)致評估結(jié)果存在一定的不確定性, 但不會影響生境質(zhì)量空間格局的整體變化特征。未來應(yīng)加強對生境質(zhì)量形成機理的研究, 改進評估模型, 并開展大量野外調(diào)查工作, 以獲取充足的實測數(shù)據(jù), 強化參數(shù)本地化處理和評估結(jié)果的驗證, 使評估結(jié)果更加準確, 從而為該區(qū)生態(tài)環(huán)境保護措施及生態(tài)環(huán)境恢復(fù)方案的制定和實施提供更加精準的信息。

4 結(jié)論

(1)伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的生境質(zhì)量指數(shù)平均值為0.79, 整體處于較優(yōu)等水平。高值區(qū)主要位于伏牛山的中高山地帶及北部熊耳山的主脊地帶; 低值區(qū)主要位于研究區(qū)西南、東南和東北部山麓地區(qū)。

(2)從不同森林類型來看, 以人工林為主的馬尾松林以及林齡較小的栓皮櫟林生境質(zhì)量最差, 而以天然林為主的銳齒槲櫟林、華山松林和針闊混交林生境質(zhì)量最好。

(3)從不同垂直帶來看, 南坡低山落葉闊葉林帶(SI)生境質(zhì)量最差, 南坡中山針闊混交林帶(SIV)生境質(zhì)量最好。

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Multi-perspective evaluation on habitat quality of forest ecosystem in Funiu Mountain Region

ZHANG Jingjing*, MU Yanhua

College of Geography and Tourism, Zhengzhou Normal University, Zhengzhou 450044, China

Exploring the spatial differences of the habitat quality of the forest ecosystem in the Funiu Mountain Region from multiple perspectives will help provide effective scientific evidence for the improvement of the ecosystem service capacity and the ecological environment construction in the area. Based on distribution map of the forest type, land cover, and DEM data in the Funiu Mountain Region, the habitat quality of forest ecosystem in the study area was evaluated and mapped through integrated use of the InVEST3.2 model and the ArcGIS10.2 software from three perspectives including region, forest type, and vertical belt.The main results are as follows: (1) the average habitat quality index of the forest ecosystem in the Funiu Mountain region is 0.79, which is generally at an excellent level. (2) From the perspective of different forest types, the habitat quality of theforest dominated by artificial forests and the small-agedforest is the worst, while the habitat quality ofvar.forest,forest, and coniferous and broad-leaved mixed forest dominated by natural forests is the best. (3)From the perspective of different vertical belts, the habitat quality of the low-mountain deciduous broad-leaved forest belt on the south slope (SI) is the worst, and the habitat quality of the the middle-mountain coniferous and broad-leaved mixed forest belt on the south slope (SIV) is the best.

habitat quality; InVEST model;multiple perspectives; Funiu Mountain Region

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.05.015

K903

A

1008-8873(2021)05-116-06

2020-03-06;

2020-03-23基金項目:國家自然科學基金項目(41671090)

張靜靜(1991—), 女, 河南商丘人, 博士, 講師, 主要從事全球變化與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究, E-mail: zhang1126x@qq.com

通信作者:張靜靜

張靜靜, 穆艷華. 伏牛山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量多視角評價[J]. 生態(tài)科學, 2021, 40(5): 116–121.

ZHANG Jingjing, MU Yanhua. Multi-perspective evaluation on habitat quality of forest ecosystem in Funiu Mountain Region[J]. Ecological Science, 2021, 40(5): 116–121.