長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀30年格局變化過(guò)程分析

陳雪瑩,高雪嬌,許嘉巍,*,靳英華,張英潔,王彩玲

1 東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)春 130000

2 長(zhǎng)白山地理過(guò)程與生態(tài)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130000

景觀是由一系列不同的生態(tài)系統(tǒng)鑲嵌構(gòu)成,且具有明顯視覺(jué)特征的地理實(shí)體[1]。景觀格局是指大小不一、形狀不同的景觀斑塊在空間上的配置[2]。景觀格局包括景觀斑塊的類型、數(shù)目以及空間分布,是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)者,反映了生態(tài)系統(tǒng)的演變過(guò)程[3—5]。景觀格局指數(shù)是用來(lái)定量描述景觀格局的常用指標(biāo),能夠在一定程度上反映景觀組成和空間配置特征[2,6]。隨著遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的發(fā)展,將其與景觀格局指數(shù)結(jié)合的定量分析景觀格局變化已經(jīng)成為經(jīng)典的研究方法[7]。近年來(lái),我國(guó)廣泛采用了該研究方法進(jìn)行景觀格局變化研究,如靖?jìng)鲗歔8]以1986—2017年Landsat遙感影像為基礎(chǔ),定量分析1988—2017年深圳市城市化過(guò)程中景觀格局動(dòng)態(tài)變化特征。郭少壯、白紅英等[9]基于Landsat影像數(shù)據(jù),利用GIS空間分析和景觀格局指數(shù)法研究了秦嶺地區(qū)林地與草地景觀格局變化及其驅(qū)動(dòng)因素。李明珍、李陽(yáng)兵等[10]以三峽庫(kù)區(qū)典型流域——草堂溪為研究區(qū),利用2000年、2010年、2018年系列遙感影像,探討研究區(qū)土地利用類型時(shí)空演變過(guò)程。

長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)擁有地球同緯度最典型、保存最完整的溫帶山地森林生態(tài)系統(tǒng)[11]。植被分布存在獨(dú)特性,擁有溫帶地區(qū)完整的山地垂直景觀帶,依次為紅松闊葉林—針闊混交林—暗針葉林—亞高山岳樺林—高山苔原帶。但這種完整的垂直變化僅存在于長(zhǎng)白山北坡[12],與西、南坡存在較大坡向差異,目前此差異產(chǎn)生的原因尚不明確。1986年8月28日15號(hào)臺(tái)風(fēng)維拉襲擊了長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū),使得長(zhǎng)白山西、南兩坡原始森林受到了嚴(yán)重的破壞,形成了大面積的風(fēng)災(zāi)景觀。我國(guó)中緯度林區(qū)形成風(fēng)災(zāi)景觀屬首次被觀察與記錄[13]。30年來(lái),隨著植被持續(xù)恢復(fù)與演替,風(fēng)災(zāi)景觀的格局不斷變化,為干擾后格局的自然變化研究提供了理想的研究場(chǎng)所。明確臺(tái)風(fēng)過(guò)后景觀的構(gòu)成及隨時(shí)間變化規(guī)律,更能闡明長(zhǎng)白山森林生態(tài)系統(tǒng)各組分相互影響機(jī)制,進(jìn)而定量揭示強(qiáng)風(fēng)干擾下長(zhǎng)白山植被演替過(guò)程。為此,本文以長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀為研究對(duì)象,基于Landsat影像獲取景觀格局指數(shù),分析風(fēng)災(zāi)后30年景觀格局變化過(guò)程。基于此過(guò)程說(shuō)明由強(qiáng)風(fēng)干擾引起的景觀格局變化可以形成長(zhǎng)白山西、南坡獨(dú)特的垂直帶譜。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)位于吉林省東南部,地理坐標(biāo)范圍約為41°41′49″—42°25′18″N,127°42′55″—128°16′48″E。該地區(qū)為溫帶大陸季風(fēng)性氣候,四季分明,夏季短暫溫涼,冬季漫長(zhǎng)寒冷。年平均氣溫-7—3℃,年平均降水量700—1400mm,多集中在6月— 9月。受地形和水熱條件的影響,研究區(qū)內(nèi)的植被類型有著明顯的垂直分布特點(diǎn)[14],由低海拔到高海拔分別為:1100m以下為針闊混交林帶；1100—1800m為山地針葉林帶；1800—2100m為亞高山岳樺林帶；2100—2300m為高山苔原帶；2300m以上高山寒漠帶。

風(fēng)災(zāi)景觀位于41°52′55″—42°01′10″N,127°53′29″—128°00′11″E,分布在海拔750—2000m的長(zhǎng)白山西、南坡,面積11386hm2(圖1)。風(fēng)災(zāi)景觀海拔總體變化趨勢(shì)為自西向東逐漸升高,位于西北方向的風(fēng)災(zāi)跡地在1400m以下,而東南方向的海拔在1400m以上。跨越針闊混交林帶,山地針葉林帶和亞高山岳樺林帶[15—16],土壤分別為暗棕色森林土、棕色針葉林土和亞高山草甸森林土。地表有大量被風(fēng)吹倒帶有樹(shù)根的腐朽倒木[13]。風(fēng)災(zāi)景觀內(nèi)有殘存的林木斑塊和新生的草本-灌木斑塊,草本-灌木斑塊的主要植物有小葉章(Calamagrostisangustifolia)和大葉章(C.lanysdorffii)等草本植物,藍(lán)靛果忍冬(Loniceracaeruleavar.edulis)、庫(kù)葉懸鉤子(Rubussachalinensis)等灌木,植被平均高度達(dá)1m以上[17]。30年來(lái),草本-灌木斑塊發(fā)生演替,面積萎縮,森林斑塊面積擴(kuò)張(圖2)。

圖1 長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀所在位置

圖2 長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)前后對(duì)比圖

1.2 景觀格局指數(shù)選取

景觀指數(shù)常被劃分為斑塊水平、斑塊類型水平以及景觀水平3個(gè)級(jí)別,分別描述單個(gè)斑塊、同一斑塊類型以及整個(gè)景觀3個(gè)尺度上的格局特征。本研究區(qū)斑塊數(shù)量多,對(duì)單個(gè)斑塊的研究無(wú)法體現(xiàn)景觀格局的規(guī)律,因此本文分別從斑塊類型水平上和景觀水平上選取不同的景觀指數(shù),旨在從多個(gè)角度對(duì)長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀格局變化進(jìn)行總結(jié)。選取的景觀格局指數(shù)如表1所示。

表1 長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀的景觀格局指數(shù)

1.3 解譯方法

本研究使用的遙感影像數(shù)據(jù)為1987年5月20日Landsat TM、1993年5月28日Landsat TM、1999年9月2日Landsat TM、2004年6月3日Landsat TM、2010年9月24日Landsat TM、2016年5月19日Landsat ETM+ (分辨率30m×30m)。對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射校正和幾何校正,由于TM 6波段的分辨率為120m,不適合植被信息收集,故將TM 1,TM 2,TM 3,TM 4,TM 5,TM 7,TM 8波段進(jìn)行融合。利用長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)邊界矢量數(shù)據(jù)對(duì)融合后的遙感影像進(jìn)行掩膜處理[19]。

對(duì)風(fēng)災(zāi)后的6期遙感影像進(jìn)行增強(qiáng)處理。利用ENVI 軟件選取5、4、3波段融合,并分別賦予紅、綠、藍(lán)3種顏色進(jìn)行假彩色合成,增強(qiáng)地物信息。利用植物光譜反射特征,采用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類,得到長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀的各斑塊類型圖。

1.4 斑塊類型數(shù)據(jù)提取

長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀主要由大小不一、形狀各異的林地和草甸斑塊組成。由于各林型光譜特征相似,區(qū)分難度比較大,故本文采用監(jiān)督分類的方法對(duì)風(fēng)災(zāi)后的6期遙感影像進(jìn)行分類解譯,依據(jù)光譜信息、紋理信息、地學(xué)邏輯的原理,確定研究區(qū)各斑塊類型的解譯標(biāo)識(shí),對(duì)分類后的影像進(jìn)行精度驗(yàn)證,總體分類精度為94.47%,Kappa系數(shù)為0.93,每種斑塊類型的制圖精度和用戶精度都大于85%,滿足研究要求。

1.5 風(fēng)災(zāi)景觀范圍的提取

歸一化植被指數(shù)NDVI,Deering提出將RIV經(jīng)非線性歸一化處理,得到NDVI,其值在[-1,1]之間,正值表示植被覆蓋,且隨覆蓋度增大而增大；負(fù)值表示地面覆蓋為云、水等對(duì)可見(jiàn)光高反射；0表示有巖石或裸土等[20]。

NDVI值計(jì)算公式:

NDVI=(TM 4波段值-TM 3波段值)/(TM 4波段值+TM 3波段值)

對(duì)NDVI值的計(jì)算有最大值法、均值法、差值法以及一元線性回歸趨勢(shì)計(jì)算[21]。本文采用南穎等人[22]的提取方法利用長(zhǎng)白山遙感影像,將均值加上一倍標(biāo)準(zhǔn)差定義為正常值被變化上限,均值減去兩倍標(biāo)準(zhǔn)差定義為正常植被變化的下限,最終將超出均值減去兩倍標(biāo)準(zhǔn)差下限之外的部分作為長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)風(fēng)災(zāi)景觀的范圍。

1.6 景觀轉(zhuǎn)移矩陣

景觀轉(zhuǎn)移矩陣可定量表明不同景觀類型之間的轉(zhuǎn)化情況,從而更好的對(duì)景觀類型結(jié)構(gòu)的變化特征及各景觀類型的流向進(jìn)行深入分析。景觀轉(zhuǎn)移矩陣的數(shù)學(xué)公式為:

式中,S表示轉(zhuǎn)移矩陣；Sij表示在某時(shí)間段景觀類型i轉(zhuǎn)移成景觀類型j的面積；n表示景觀類型數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中,景觀轉(zhuǎn)移矩陣一般以表格形式呈現(xiàn),用來(lái)分析長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀中斑塊類型轉(zhuǎn)移情況。

1.7 成圖與景觀指數(shù)計(jì)算

本研究中運(yùn)用ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行專題地圖的制作,使用Fragstats 4.2軟件計(jì)算景觀格局指數(shù),在Excel中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,用Origin作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 斑塊類型水平景觀格局指數(shù)分析

風(fēng)災(zāi)景觀中主要以草本-灌木、針葉林、闊葉林及岳樺林4種斑塊類型為主,其中草本-灌木斑塊所占面積比重最大。隨著植被恢復(fù)與演替,其他類型斑塊波動(dòng)增加。各斑塊類型分類圖如圖3所示。

圖3 長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀各斑塊類型分類圖

從斑塊總面積(CA)和斑塊所占景觀面積比例(PLAND)來(lái)看(如表2、3所示),草本-灌木斑塊面積最大,所占比例最高,其次是針葉林和闊葉林,岳樺林面積最小,所占比例最低。在風(fēng)災(zāi)過(guò)后恢復(fù)初期,以草本-灌木斑塊恢復(fù)為主,從1993年開(kāi)始,喬木面積開(kāi)始增多,到了1999年,喬木所占比例為48%,超過(guò)草本-灌木斑塊。四種斑塊類型在30年的恢復(fù)過(guò)程中,以針葉林斑塊和闊葉林斑塊變動(dòng)最大,增長(zhǎng)率分別為125%和73%,岳樺林斑塊增長(zhǎng)率為43%,只有草本-灌木斑塊面積不斷減少,變化率為48%。從圖4中可以看出,1987年到1993年期間,是針葉林斑塊和岳樺林斑塊快速生長(zhǎng)的時(shí)期；闊葉林斑塊從1999年開(kāi)始面積增長(zhǎng)迅速；草本-灌木斑塊在1987年到1999年減少幅度最大。2016年岳樺林斑塊面積略有下降,可能是因?yàn)樗x遙感影像日期為5月份,氣溫較低,岳樺林沒(méi)有開(kāi)始生長(zhǎng)因而在影像上觀測(cè)不明顯。

圖4 長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀各斑塊類型面積變化趨勢(shì)

表2 長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀中斑塊類型總面積變化

為進(jìn)一步分析長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀各斑塊類型之間的相互轉(zhuǎn)移,本文對(duì)1987—2016年研究區(qū)內(nèi)的景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行了分析。1987—2016年長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀面積轉(zhuǎn)移矩陣如表4所示。對(duì)表分析可知,1987—2016年間各景觀類型均有變化,各斑塊類型景觀面積變化量的絕對(duì)值的排序?yàn)?草本-灌木>針葉林>闊葉林>岳樺林。

表3 長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀中各類斑塊占比

表4 長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀1987—2016景觀轉(zhuǎn)移矩陣/hm2

從景觀類型轉(zhuǎn)出來(lái)看:草本-灌木斑塊共轉(zhuǎn)出了3634.51hm2,在4種景觀類型中變化最大,其中60.59%轉(zhuǎn)化為闊葉林,是草本-灌木斑塊轉(zhuǎn)化的主要方向,針葉林其次占34.79%,岳樺林比例最小,僅占4.62%。闊葉林斑塊轉(zhuǎn)移量1052.78hm2,位于第二位,主要轉(zhuǎn)移方向?yàn)獒樔~林。針葉林斑塊轉(zhuǎn)移量為461.03hm2,向草本-灌木、闊葉林、岳樺林轉(zhuǎn)移比例大致相同。岳樺林斑塊轉(zhuǎn)移量最小,主要受雪覆蓋的影響。

從景觀類型轉(zhuǎn)入來(lái)看:闊葉林斑塊轉(zhuǎn)入量最多,共轉(zhuǎn)入了2377.91hm2,主要來(lái)源是草本-灌木和針葉林,分別占總轉(zhuǎn)入量的92.61%、6.63%。4種斑塊類型中,針葉林面積變化最大,從1987年的1422.36hm2增長(zhǎng)至2016年的3199.77hm2,增長(zhǎng)率為125%。針葉林轉(zhuǎn)入量2229.54hm2,略低于闊葉林,草本-灌木仍占有最大的轉(zhuǎn)入比重為56.71%,闊葉林占42.42%。岳樺林斑塊的轉(zhuǎn)入來(lái)源主要是草本-灌木和針葉林。草本-灌木的轉(zhuǎn)入量最少,49.37%來(lái)源于針葉林。

長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀斑塊類型水平指數(shù)變化圖如圖5所示。斑塊數(shù)量(NP)和斑塊密度(PD)是直接反映景觀破碎化程度的景觀指數(shù)。植被恢復(fù)過(guò)程中不同年份、不同斑塊類型的斑塊數(shù)量、斑塊密度變化不同,表明破碎化程度不同。從不同斑塊類型上看,草本-灌木斑塊數(shù)量和斑塊密度不斷減少,說(shuō)明隨著草本-灌木面積的減小,破碎化程度降低。闊葉林與針葉林的斑塊數(shù)量和斑塊密度先減小后增大,與1987年相比整體上呈減少趨勢(shì)。2004年闊葉林的斑塊數(shù)量、斑塊密度達(dá)到最低值,此時(shí)期是闊葉林面積增長(zhǎng)的高峰期,高緯度闊葉林連片生長(zhǎng),破碎度從2010年開(kāi)始有所增加,表明在恢復(fù)的過(guò)程中,闊葉林與針葉林首先以大且集中的斑塊生長(zhǎng),而后面積增長(zhǎng)主要以零散的斑塊為主。岳樺林的斑塊數(shù)量和斑塊密度一直增加,2016年有所減低,整體上呈上升趨勢(shì),破碎度增加。該結(jié)果表示,與闊葉林和針葉林相反,岳樺林面積增大首先以小斑塊為主,然后有逐漸連成片的趨勢(shì)。從時(shí)間尺度上看,草本-灌木作為面積最大的斑塊類型,在不同年份的六期影像上斑塊數(shù)量與斑塊密度并不是最大,說(shuō)明草本-灌木的斑塊較大且分布均勻。1999年四種斑塊類型的斑塊數(shù)量、斑塊密度均出現(xiàn)異常高值,原因是1999年所選取的遙感影像是9月份的,此時(shí)岳樺林和闊葉林的葉片已經(jīng)凋落,可以看見(jiàn)水體,水體將大斑塊分割成許多破裂的小斑塊,因而各斑塊類型的斑塊數(shù)量與斑塊密度迅速增加。

圖5 長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀斑塊類型水平指數(shù)變化圖

最大斑塊指數(shù)(LPI)表示某一景觀類型中最大斑塊占景觀總面積的比重。草本-灌木最大斑塊指數(shù)最高,表明草本-灌木是研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀類型,且在研究區(qū)內(nèi)呈片狀分布；最大斑塊指數(shù)總體呈下降趨勢(shì),說(shuō)明隨著恢復(fù)進(jìn)行,草本-灌木面積減少,優(yōu)勢(shì)度不斷降低。闊葉林最大斑塊指數(shù)總體上增加,且增加趨勢(shì)明顯,優(yōu)勢(shì)度不斷上升。30年恢復(fù)過(guò)后,針葉林成為面積第二大的斑塊類型,僅次于草本-灌木,與闊葉林所占比重相近,但是最大斑塊指數(shù)遠(yuǎn)小于闊葉林,說(shuō)明針葉林分布不均,斑塊小而分散。岳樺林最大斑塊指數(shù)最小且變化不大,優(yōu)勢(shì)度最低。

景觀形狀指數(shù)(LSI)值的大小代表景觀形狀復(fù)雜程度的高低。值越大,表明景觀形狀的復(fù)雜性越高。研究時(shí)段內(nèi),各斑塊類型斑塊呈現(xiàn)出明顯的不規(guī)則化趨勢(shì),其中,針葉林的景觀形狀指數(shù)最大,說(shuō)明針葉林斑塊的形狀最復(fù)雜,近年來(lái)趨于穩(wěn)定；草本-灌木的景觀形狀指數(shù)變化不大,表明草本-灌木均勻成片形狀較規(guī)則；闊葉林在1987年恢復(fù)初期景觀形狀指數(shù)最大,之后的年份里波動(dòng)上升下降,整體上下降,有向著規(guī)則的斑塊恢復(fù)的趨勢(shì)；岳樺林景觀形狀指數(shù)整體呈上升趨勢(shì),不規(guī)則程度加深。

聚合度指數(shù)(AI)用來(lái)描述斑塊的聚集程度,聚集程度越大,AI值越大。從不同斑塊類型來(lái)看,草本-灌木的聚合度最大,隨著草本-灌木面積的減小,聚合度指數(shù)變化并不顯著,說(shuō)明草本-灌木這一斑塊類型聚集程度高且分布均勻。闊葉林斑塊聚合度指數(shù)先升高后下降,整體上呈上升趨勢(shì),這與闊葉林在恢復(fù)過(guò)程中首先以大斑塊為主,在恢復(fù)后期以小斑塊為主的趨勢(shì)相對(duì)應(yīng),2004年是闊葉林恢復(fù)的高峰期,因此聚合度指數(shù)最高,此后恢復(fù)的小斑塊破碎且離散,聚合度有所下降。針葉林斑塊聚合度指數(shù)變化趨勢(shì)與闊葉林大致相同,但略低于闊葉林,由于形狀復(fù)雜聚合程度相對(duì)較低。岳樺林斑塊聚合度指數(shù)從總體上看變化不明顯,1999年受水體影響聚合度最低,此后隨著恢復(fù)不斷進(jìn)行且有連片生長(zhǎng)的趨勢(shì),聚合度上升。

綜上所述,在長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀四種斑塊類型中,草本-灌木所占比例最大,隨著30年恢復(fù)不斷進(jìn)行,面積逐漸變小,優(yōu)勢(shì)度不斷下降,但分布均勻,斑塊形狀規(guī)則,聚合程度高。闊葉林和針葉林在恢復(fù)過(guò)程中先以增加大斑塊為主,后期面積增加主要是以小斑塊為主,兩種斑塊類型優(yōu)勢(shì)度增加,闊葉林斑塊向著規(guī)則的形狀恢復(fù),針葉林形狀最復(fù)雜。岳樺林優(yōu)勢(shì)度最低,恢復(fù)過(guò)程中先以增加小斑塊為主,后期以大斑塊連片生長(zhǎng),形狀趨于復(fù)雜,聚合度上升。

2.2 景觀水平景觀格局指數(shù)分析

表5為1987—2016年長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀景觀水平上各時(shí)期景觀格局指數(shù)變化趨勢(shì)。除1999年受水體影響外,長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀斑塊數(shù)量(NP)和斑塊密度(PD)均表現(xiàn)為先下降后升高并逐漸趨于穩(wěn)定。在恢復(fù)初期,草本-灌木所占比例較大,超過(guò)50%,因此最大斑塊指數(shù)(LPI)所占比例較高；隨著植被恢復(fù)的進(jìn)行,最大斑塊指數(shù)(LPI)逐漸趨于穩(wěn)定,所占比例僅為12%左右,說(shuō)明各斑塊類型分布比較均勻,沒(méi)有某一種或幾種斑塊獨(dú)占鰲頭的情況。景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均斑塊分維數(shù)(AREA_MN)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)等形狀指數(shù)的波動(dòng)增加,也反映了整體景觀的形狀的復(fù)雜程度和不規(guī)則性不斷加深,說(shuō)明研究區(qū)的景觀空間形態(tài)向著多樣化趨勢(shì)轉(zhuǎn)變。周長(zhǎng)面積分維數(shù)(PAFRAC)取值范圍一般在1—2之間,受人為干擾程度越大時(shí)值越接近1；受人為干擾程度越小時(shí)越接近2[23],該地區(qū)PAFRAC值接近2,說(shuō)明在研究區(qū)植被恢復(fù)時(shí)期并未受到強(qiáng)烈的人為干擾。蔓延度指數(shù)(CONTAG)表示景觀中不同類型斑塊的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì),風(fēng)災(zāi)景觀1987—2016年蔓延度指數(shù)波動(dòng)下降,表明景觀連續(xù)性降低,對(duì)應(yīng)景觀分割指數(shù)(DIVISION)、分離指數(shù)(SPLIT)的上升,景觀破碎度增加。香儂多樣性(SHDI)指標(biāo)是一種基于信息理論的測(cè)量指數(shù),能反映景觀異質(zhì)性,數(shù)值呈上升趨勢(shì)說(shuō)明各景觀類型所占比例差異減小,景觀類型在景觀空間呈均衡化趨勢(shì)分布,優(yōu)勢(shì)組分對(duì)景觀的控制作用減弱[24]。聚合度(AI)有減少趨勢(shì),說(shuō)明景觀的聚集度在緩慢的減小,景觀分布更加均勻。

表5 景觀水平景觀格局指數(shù)

總體來(lái)說(shuō),從1987年到2016年,長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、聚合度(AI)總體呈現(xiàn)出減少的變化趨勢(shì)；景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均斑塊分維數(shù)(AREA_MN)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)、景觀分割指數(shù)(DIVISION)、分離指數(shù)(SPLIT)和香儂多樣性(SHDI)逐漸增加。說(shuō)明隨著風(fēng)災(zāi)景觀植被的恢復(fù),小而分散的斑塊轉(zhuǎn)換為大而集中的斑塊,同時(shí)不規(guī)則程度增加,形狀復(fù)雜,各斑塊間連通性總體下降,破碎化程度有所降低,景觀均質(zhì)化發(fā)展。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

(1)長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀關(guān)鍵指數(shù)提取

為確定適合用于風(fēng)災(zāi)景觀恢復(fù)性表征的關(guān)鍵指數(shù),對(duì)景觀水平上各景觀格局指數(shù)歸一化處理后,進(jìn)行主成分分析,得到結(jié)果如表6、7所示。由表6可知,提煉出第1、第2主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到93.753%,滿足大于90%的要求。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)用x表示,LSI為x1,AI為x2,NP為x3,PD為x4,AREA_MN為x5,SHAPE_MN為x6,PAFRAC為x7,SPLIT 為x8,SHDI為x9, LPI為x10,DIVISION為x11,CONTAG為x12。由載荷矩陣(表7)可以得到兩個(gè)主成分線性組合如下:

表6 景觀水平景觀格局指數(shù)主成分分析結(jié)果

表7 各景觀指數(shù)載荷矩陣

具體分析第1、第2成分對(duì)于各指數(shù)的貢獻(xiàn)值,可以看出,第1成分與景觀形狀指數(shù)、斑塊數(shù)量、聚合度等相關(guān)性較高；第2主成分與最大斑塊指數(shù)、景觀分割指數(shù)、蔓延度指數(shù)相關(guān)性較高?？梢?jiàn)第1成分與景觀規(guī)模、形狀相關(guān),第2成分與景觀聚散度相關(guān),兩類因子可以作為衡量長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀恢復(fù)程度的關(guān)鍵性指標(biāo)。

(2)長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀30年景觀格局變化綜合評(píng)價(jià)

對(duì)于景觀格局評(píng)價(jià)體系的探索,目前主要基于景觀格局指數(shù)的組合應(yīng)用,并采用因子分析法減少指數(shù)數(shù)量避免信息的重復(fù)[25]。本文對(duì)景觀指數(shù)主成分分析結(jié)果進(jìn)一步處理,利用兩個(gè)主成分各評(píng)價(jià)指數(shù)的荷載數(shù)與其方差貢獻(xiàn)率的乘積之和,得到各指標(biāo)的系數(shù)。如x1的系數(shù)為:(0.992×63.004%—0.112×30.749%)/(63.004%+30.749%)=0.6299。得到綜合得分模型為:Y=0.6299x1-0.6283x2+0.5691x3+0.5691x4-0.4685x5-0.4407x6+0.3842x7+0.7005x8+0.6027x9-0.5105x10+0.5487x11-0.6286x12。因系數(shù)中存在負(fù)值,采用歸一化指數(shù)函數(shù)Softmax函數(shù)進(jìn)行歸一化處理,得到各景觀格局指數(shù)的權(quán)重值如表8所示。

表8 各景觀指數(shù)歸一化值

本文從景觀規(guī)模、形狀、優(yōu)勢(shì)度、聚集度評(píng)價(jià)體系出發(fā),選取景觀形狀指數(shù)、景觀密度、周長(zhǎng)面積分維數(shù)、香儂多樣性指數(shù)、景觀聚合度五個(gè)指標(biāo),結(jié)合景觀綜合指數(shù)從多方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外,本文參考喬志和[26]長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)1977年風(fēng)災(zāi)前景觀格局指數(shù),作為長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀30年格局變化對(duì)照依據(jù)。各個(gè)景觀指數(shù)的值如表9所示,將各數(shù)值進(jìn)行歸一化處理得到表10。結(jié)合表10、11,得到長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀評(píng)價(jià)綜合得分(表12)。

表9 長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀格局評(píng)價(jià)各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

表10 長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀格局評(píng)價(jià)各指標(biāo)歸一化結(jié)果

表11 各景觀評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

表12 長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀評(píng)價(jià)綜合得分

從研究結(jié)果看,風(fēng)災(zāi)發(fā)生前,該區(qū)域斑塊形狀復(fù)雜,景觀由少數(shù)較大斑塊組成,異質(zhì)程度低。風(fēng)災(zāi)發(fā)生破壞了成帶狀分布的原植被帶,大斑塊被分割成小斑塊。經(jīng)過(guò)30年的恢復(fù),長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀綜合評(píng)價(jià)得分升高,說(shuō)明研究區(qū)整體景觀格局質(zhì)量得到提升,但恢復(fù)緩慢,與風(fēng)災(zāi)發(fā)生前依然相差較大。黎奕暉[27]結(jié)合景觀指數(shù),運(yùn)用主成分分析法和綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的方法,對(duì)湖南金童山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)金童山片區(qū)景觀類型格局進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明僅在10年的時(shí)間里,研究區(qū)的景觀綜合評(píng)價(jià)指數(shù)達(dá)到0.527,景觀類型普遍呈現(xiàn)出優(yōu)化趨勢(shì),景觀多樣性、聚集度、相對(duì)密度都有相應(yīng)提升。而長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀經(jīng)過(guò)30年的恢復(fù),景觀多樣性有所上升,但形狀指數(shù)升高,形狀復(fù)雜,植被恢復(fù)效果不佳。這與長(zhǎng)白山區(qū)氣候惡劣、無(wú)霜期短、火山灰土質(zhì)差、土層薄、草深且密度大、枯草層厚,樹(shù)籽無(wú)法接觸土壤并生根發(fā)芽等原因分不開(kāi)[28]。常禹等[29]、馬琳等[30]、王美玲等[14]等相繼研究了長(zhǎng)白山保護(hù)區(qū)內(nèi)森林景觀格局及邊界的動(dòng)態(tài)變化,均得出了長(zhǎng)白山景觀趨于破碎化的結(jié)論,與本文對(duì)風(fēng)災(zāi)景觀研究的結(jié)論一致。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在森林生態(tài)系統(tǒng)受干擾后的特征、恢復(fù)可行性評(píng)價(jià)、恢復(fù)技術(shù)、恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)學(xué)過(guò)程、恢復(fù)過(guò)程中的生物安全等方面展開(kāi)了大量研究[31—32]。長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀的干擾不斷存在,由于草木—灌木的面積最大,分布均勻且連通性較好,應(yīng)注意防火；對(duì)不同的喬木類型采取不同的保護(hù)措施,促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定恢復(fù)。

(3)長(zhǎng)白山西、南坡斑塊鑲嵌分布獨(dú)特的垂直帶譜的成因

溫帶地區(qū)完整的垂直帶譜只在長(zhǎng)白山北坡出現(xiàn),而西、南坡不同植被類型成鑲嵌分布的現(xiàn)象最早由錢(qián)家駒[33]提出。針對(duì)長(zhǎng)白山西、南坡出現(xiàn)獨(dú)特垂直帶譜的成因,趙大昌[34]等認(rèn)為,火山噴發(fā)對(duì)火山錐體各坡向的不同影響是造成這一差異的重要原因。目前此結(jié)論仍有待考證。許多學(xué)者認(rèn)為,使長(zhǎng)白山植被遭到嚴(yán)重破壞的那次火山爆發(fā)發(fā)生在公元589年左右[35-36],距今已經(jīng)1000多年,1000多年前的火山干擾似乎應(yīng)該已經(jīng)消除,植被分布應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的垂直帶譜。1986年長(zhǎng)白山遭遇的臺(tái)風(fēng)破壞了西、南坡原有植被,本文通過(guò)對(duì)風(fēng)災(zāi)景觀的分析,得出了西、南坡植被斑塊化的結(jié)論,風(fēng)干擾下形成不同的斑塊,與植被恢復(fù)的共同作用,會(huì)出現(xiàn)不同時(shí)間形成的斑塊空間分布格局。因此本文提出,地帶化植被的斑塊化是由外部干擾造成的,多次強(qiáng)風(fēng)干擾可以形成長(zhǎng)白山西、南坡與北坡不同的、獨(dú)特的斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)。

3.2 結(jié)論

本文以長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀為研究區(qū)域,通過(guò)解譯六期高清遙感影像數(shù)據(jù),分析研究區(qū)1987—2016年各斑塊類型變化情況,在斑塊類型水平及景觀水平分別選取不同景觀指數(shù),結(jié)合景觀面積轉(zhuǎn)移矩陣,探討研究區(qū)30年來(lái)植被恢復(fù)過(guò)程中的景觀變化特征,并對(duì)景觀格局變化做出評(píng)價(jià)。主要結(jié)論如下:

(1)在斑塊類型水平上,草本-灌木的優(yōu)勢(shì)度不斷下降,但分布均勻,斑塊形狀規(guī)則,聚合程度高；闊葉林和針葉林在恢復(fù)過(guò)程中先以增加大斑塊為主,后期面積增加主要是以小斑塊為主,闊葉林的斑塊形狀趨于規(guī)則,針葉林復(fù)雜；岳樺林恢復(fù)過(guò)程中先以增加小斑塊為主,后期以大斑塊連片生長(zhǎng),形狀趨于復(fù)雜,聚合度上升,有連片生長(zhǎng)的趨勢(shì)。

(2)在景觀水平上,小而分散的斑塊在恢復(fù)過(guò)程中轉(zhuǎn)換為大而集中的斑塊,形狀不規(guī)則程度增加,景觀的連通度總體下降,隨著恢復(fù)的不斷進(jìn)行,景觀異質(zhì)性越來(lái)越低,景觀趨于均質(zhì)化。

(3)從景觀轉(zhuǎn)移矩陣看,研究區(qū)草本-灌木斑塊會(huì)不斷向喬木斑塊轉(zhuǎn)化,草木—灌木所占比例逐漸下降,喬木所占比例上升。其中,草本-灌木主要轉(zhuǎn)化為闊葉林,闊葉林主要轉(zhuǎn)化為針葉林,針葉林主要轉(zhuǎn)化為岳樺林,四種斑塊類型在恢復(fù)過(guò)程中呈現(xiàn)一種演替關(guān)系。經(jīng)過(guò)30年的恢復(fù)期,闊葉林和針葉林恢復(fù)較好,目前已經(jīng)從聚集生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)化為非聚集生長(zhǎng)模式；岳樺林正處于恢復(fù)的旺盛生長(zhǎng)時(shí)期聚集生長(zhǎng)。

(4)運(yùn)用主成分分析法,確定了適合用于風(fēng)災(zāi)景觀恢復(fù)性表征的關(guān)鍵指數(shù),兩個(gè)成分分別與景觀規(guī)模、形狀和景觀聚散度相關(guān)。

(5)運(yùn)用主成分分析法與景觀綜合評(píng)價(jià)指數(shù)相結(jié)合的方法對(duì)長(zhǎng)白山風(fēng)災(zāi)景觀進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明30年的恢復(fù)期中,研究區(qū)整體景觀格局質(zhì)量得到提升,但恢復(fù)緩慢,與風(fēng)災(zāi)發(fā)生前依然相差較大。

(6)多次強(qiáng)風(fēng)干擾可以形成長(zhǎng)白山西、南坡非標(biāo)準(zhǔn)的垂直帶譜。