興國縣森林破碎化及其影響因素分析

陳勝蘭，毛旭鵬，臧 顥

(1.國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃院，湖南 長沙 410014；2.江西省林業(yè)資源監(jiān)測中心，江西 南昌 330046；3.江西農(nóng)業(yè)大學林學院，江西 南昌 330045)

森林覆蓋了地球近三分之一的土地，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，對支撐地球生命系統(tǒng)具有重要作用[1]。森林破碎化是陸地生態(tài)系統(tǒng)的一個重要方面，表現(xiàn)為森林斑塊數(shù)量的增加，形狀趨于不規(guī)則，內(nèi)部生境面積縮小，廊道被截斷，斑塊彼此隔離[2]。相關(guān)研究表明[3]，森林邊緣的碳儲存能力比核心森林低50%，而森林破碎化過程將不斷增加森林景觀的邊緣，這將導致生態(tài)條件和碳積累能力的急劇變化。森林破碎化程度或模式的變化會影響森林生境中大多數(shù)哺乳動物、爬行動物、鳥類和兩棲動物的生境質(zhì)量[4]。研究森林破碎化狀況及其影響因素對于區(qū)域森林資源監(jiān)測、保護和修復具有重要意義。

城鎮(zhèn)化的加速使得森林的完整性和連續(xù)性面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，已有文獻大多利用景觀指數(shù)時空動態(tài)變化方式開展森林破碎化研究[5-7]，但研究結(jié)果空間指示性不足，缺乏現(xiàn)實指導意義[8]。近年來，國家出臺一系列政策扶持贛南原中央蘇區(qū)的發(fā)展，在快速發(fā)展的同時，森林生態(tài)系統(tǒng)的保護面臨著巨大壓力。本研究以贛南原中央蘇區(qū)縣興國縣為例，評估區(qū)域森林破碎化狀況，并從“自然—社會”和“保護—發(fā)展”2個維度探究森林破碎化的影響因素及其空間分異規(guī)律，以期達到2個目標：一是為縣域尺度森林破碎化類型劃分及森林破碎化評估提供技術(shù)支撐，二是為縣域尺度制定監(jiān)測、保護和利用森林資源管理方案、政策、制度提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

興國縣位于江西省中南部、贛州市北部，介于115°01′—115°51′E、26°03′—26°41′N之間(圖1)，國土總面積3215 km2。區(qū)內(nèi)以低山、丘陵為主，由東北西邊緣逐漸向中南部傾斜，形成以縣城為中心的小盆地，海拔127.9～1204.0 m，屬江西省的山區(qū)縣。年均氣溫18.8 ℃，年均降水量1515.6 mm。境內(nèi)丹霞地貌地質(zhì)遺跡資源豐富，森林覆蓋率72.2%。

圖1 研究區(qū)區(qū)位

1.2 指標選取及數(shù)據(jù)來源

1.2.1 指標選取 根據(jù)研究尺度并遵循數(shù)據(jù)的可獲得性原則，選取以下6個指標：①從“自然—社會”維度選取平均海拔、平均坡度、距水系平均距離、距村莊平均距離等4個指標。②從“保護—發(fā)展”維度選取距森林公園平均距離、距主要道路(鐵路、高速公路、國道、省道)平均距離等2個指標。

1.2.2 數(shù)據(jù)來源

1)森林資源數(shù)據(jù)。來源于江西省第七次森林資源二類調(diào)查(2019年)，選用實地調(diào)查數(shù)據(jù)可有效避免遙感影像分類處理可能存在森林分類不準確、森林斑塊綜合過大等精度不高的問題，使研究結(jié)果更加科學與精確。利用ArcGIS轉(zhuǎn)換工具得到30 m分辨率的森林柵格數(shù)據(jù)，重分類為森林和非森林2類。

2)地形地貌數(shù)據(jù)。海拔數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺ASTER GDEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)，剔除異常值后利用ArcGIS提取研究區(qū)坡度。

3)道路數(shù)據(jù)。以國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的1∶25萬全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、OSM中國區(qū)域數(shù)據(jù)(2019年)及百度PIO道路矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)2019年0.2 m分辨率航空影像，經(jīng)修正后得到研究區(qū)鐵路、高速公路、國道、省道矢量數(shù)據(jù)。

4)森林公園范圍。來源于自然保護地整合優(yōu)化前江西均福山省級森林公園及江西園嶺省級森林公園范圍的矢量數(shù)據(jù)。

5)村莊數(shù)據(jù)。來源于百度PIO村莊點矢量數(shù)據(jù)。

6)水系數(shù)據(jù)。以江西省濕地調(diào)查數(shù)據(jù)庫、國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的1∶25萬全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫和OSM中國區(qū)域矢量數(shù)據(jù)(2019年)為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)2019年0.2 m分辨率航空影像，經(jīng)修正得到研究區(qū)主要水系矢量數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

灰色為森林像元；白色為非森林像元圖2 9×9像元網(wǎng)格內(nèi)和的計算圖解

1.3.1 森林破碎化模型 利用Riitters等[9]構(gòu)建的森林破碎化模型對研究區(qū)森林破碎化類型進行劃分。該模型生成森林密度(Pf)和森林連接度(Pff)2個值表征位于固定大小移動窗口中心的森林像元。為了實現(xiàn)森林破碎化模型的過程，首先需要確定分析窗口的大小。一般地，大窗口可減少不確定性，小窗口可增加結(jié)果的精度[10]。在考慮數(shù)據(jù)的分辨率、感興趣的最小森林特征的大小以及各種窗口大小的實用性，本研究選擇9×9像元窗口(270 m×270 m)進行分析。Pf是指在一定大小窗口中的森林像元數(shù)(Nf)與像元總數(shù)(Nw)之比，Pf=Nf/Nw；Pff是主方向上具有2個森林像元的像元對數(shù)目(Dff)與至少有一個森林像元的像元對數(shù)目(Df)的比值，Pff=Dff/Df。

9×9窗口內(nèi)森林像元的Pf和Pff值的計算過程見圖2。在81個像元中，58個是森林像元，因此，Pf=58/81=0.72?？紤]主方向上的像元對，相鄰像元對的總數(shù)是144。其中，122個像元對包含至少1個森林像元，而81個像元對包含2個森林像元，因此，Pff=81/122=0.66。

根據(jù)Pf和Pff值，將森林像元分為6種類型：內(nèi)部森林、孔洞森林、邊緣森林、過渡森林、斑塊森林和未確定森林。各森林破碎化類型判定標準見表1。

表1 各森林破碎化類型判定標準

圖3 樣本網(wǎng)格

1.3.3 樣本網(wǎng)格提取 依據(jù)研究區(qū)范圍和數(shù)據(jù)源現(xiàn)狀，利用ArcGIS漁網(wǎng)工具在研究區(qū)設(shè)置3 km×3 km的網(wǎng)格，提取在空間上完全位于研究區(qū)范圍內(nèi)的301個網(wǎng)格作為研究樣本(圖3)。利用森林連續(xù)性模型計算各樣本網(wǎng)格內(nèi)的森林連續(xù)性作為因變量，各樣本網(wǎng)格內(nèi)的平均海拔、平均坡度、距水系平均距離、距村莊平均距離、距森林公園平均距離、距道路(鐵路、高速公路、國道、省道)平均距離作為自變量。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林破碎化評價

將森林破碎化模型和森林連續(xù)性模型應(yīng)用于研究區(qū)2019年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，研究區(qū)各森林破碎化類型的分布情況見圖4。其中：內(nèi)部森林占總森林面積的26.8%，斑塊森林占2.0%，過渡森林占6.0%，孔洞森林占44.5%，邊緣森林占20.5%，未確定森林占0.2%。孔洞森林分布廣泛，其中龍口鎮(zhèn)孔洞森林占森林總面積比例最大，為57.5%，加強對龍口鎮(zhèn)孔洞森林的修復，可以精準有效降低區(qū)域森林破碎化水平；內(nèi)部森林主要分布在古龍崗鎮(zhèn)、興江鄉(xiāng)、南坑鄉(xiāng)、良村鎮(zhèn)、崇賢鄉(xiāng)、茶園鄉(xiāng)、均村鄉(xiāng)、高興鎮(zhèn)。

根據(jù)森林連續(xù)性模型及森林破碎化類型劃分的結(jié)果，計算各樣本網(wǎng)格的森林連續(xù)性；利用自然間斷點分級法劃分為5級，得到森林連續(xù)性空間分布圖(圖5)。樣本網(wǎng)格森林連續(xù)性最大值為0.78；最小值為0，集中分布在縣城及周邊區(qū)域，此區(qū)域森林面積較少且斑塊森林較多；平均值為0.13，森林破碎化較為嚴重，主要由研究區(qū)較多的孔洞森林造成。

圖4 森林破碎化類型圖5 森林連續(xù)性空間分布

2.2 OLS模型及結(jié)果

普通最小二乘法建模首先需要檢驗因變量的正態(tài)分布情況。經(jīng)K-S檢驗，森林連續(xù)性不符合正態(tài)分布，通過自然對數(shù)變換后，在95%置信水平下呈正態(tài)分布?；貧w結(jié)果(表2)表明，僅平均海拔、平均坡度和距村莊平均距離3個變量通過檢驗并進入回歸模型，模型調(diào)整后的AdjustedR2為0.6754，3個變量的VIF值均小于10，即變量間不存在多重共線性問題，校正赤遲信息準則(AICc)為579.0618。各影響因素系數(shù)顯示，平均坡度、距村莊平均距離對森林連續(xù)性具有顯著的正向影響，即平均坡度越大、距離村莊越遠的區(qū)域，其森林連續(xù)性越高，森林破碎化程度越小。主要原因是坡度越大、距離村莊越遠區(qū)域的森林受到人為干擾的程度越小，與一般認知相符。平均海拔則存在顯著的負向影響，即平均海拔越高的區(qū)域，其森林連續(xù)性越小，森林破碎化程度越大，這與一般認知存在差異，后文將對該現(xiàn)象進行闡釋。

表2 普通最小二乘法回歸結(jié)果

通過進一步檢查模型殘差，其Moran′sI值為0.2414(P<0.001)，說明殘差具有正的空間自相關(guān)性，由于相依殘差的存在違反了普通最小二乘法估計的假設(shè)，故有必要進一步采用地理加權(quán)回歸模型對自變量影響的空間異質(zhì)性進行研究。

2.3 GWR模型及結(jié)果

進一步采用地理加權(quán)回歸方法建模，模型殘差的Moran′sI為-0.0196(P<0.05)，殘差不再具有顯著的空間自相關(guān)性，模型參數(shù)見表3。將表3與表2比較，模型的AdjustedR2為0.7508(>0.6754)，AICc值為524.1246(<579.0618)，地理加權(quán)回歸模型擬合效果明顯優(yōu)于普通最小二乘法，表明考慮變量空間異質(zhì)性的地理加權(quán)回歸模型在估計環(huán)境變量對森林破碎化的影響方面表現(xiàn)更好。

地理加權(quán)回歸模型結(jié)果顯示了樣本網(wǎng)格空間的特定系數(shù)，各系數(shù)的描述性統(tǒng)計見表4。結(jié)果顯示，各解釋變量回歸系數(shù)的平均值與中位數(shù)比較接近，其對森林破碎化的影響在空間范圍內(nèi)趨于同質(zhì)；但從其變化范圍來看，各解釋變量的影響力方向和強度在空間上的變異較大。進一步采用自然間斷點分級法對模型回歸系數(shù)進行空間可視化表達，刻畫各自變量回歸系數(shù)的空間分異。各影響因素對森林破碎化具有顯著的空間異質(zhì)性，見圖6。

2.3.1 平均海拔對森林破碎化的影響 平均海拔對森林連續(xù)性的影響總體呈現(xiàn)由縣城周邊區(qū)域向東北和西部區(qū)域遞增趨勢，逐漸由負向影響轉(zhuǎn)為正向影響(圖6 a)。在縣城周邊區(qū)域，平均海拔存在顯著的負向影響，這是由于縣城周邊區(qū)域平均海拔處于較低水平，本底森林資源量相對較少，人們對于留存的森林資源更加珍視，保護意識相對較強，加之不斷加速的城鎮(zhèn)建設(shè)逐漸向海拔較高的山地開發(fā)；另外，此區(qū)域造林條件較好，有利于及時造林和造林后的管護，因此，此區(qū)域平均海拔越高，森林連續(xù)性越低，森林破碎化程度越高。在距離縣城較遠的東北和西部區(qū)域，平均海拔存在顯著的正向影響，這是由于此區(qū)域較為偏遠，城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)力度小，海拔較高的區(qū)域受到人為干擾的程度小，因而隨著平均海拔升高，森林破碎化程度越低。

表3 森林連續(xù)性地理加權(quán)回歸模型參數(shù)

表4 地理加權(quán)回歸模型回歸系數(shù)的描述性統(tǒng)計

2.3.2 平均坡度對森林破碎化的影響 平均坡度對森林連續(xù)性的影響整體呈現(xiàn)正向影響，且影響的空間異質(zhì)性最顯著，總體由縣城周邊區(qū)域向外遞減(圖6 b)。在縣城周邊區(qū)域，平均坡度存在顯著的正向影響，即平均坡度越大的區(qū)域森林連續(xù)性越高，森林破碎化程度越小?？h城周邊城鎮(zhèn)建設(shè)受工程地質(zhì)條件及建設(shè)成本的限制，往往選擇坡度更小的山地進行開發(fā)，坡度較小的山地森林資源更容易喪失。在距離縣城較遠的東北和西部坡度較大的區(qū)域，城鎮(zhèn)化帶來的影響逐漸減弱，森林破碎化程度隨坡度的增大，其正向影響逐漸減弱。

2.3.3 距村莊平均距離對森林破碎化的影響 距村莊平均距離對森林連續(xù)性的影響整體呈現(xiàn)正向影響，總體從以“茶園鄉(xiāng)—崇賢鄉(xiāng)—興蓮鄉(xiāng)—樟木鄉(xiāng)”為中心線向兩邊逐漸遞減(圖6 c)，即在大部分區(qū)域，距村莊越遠的區(qū)域，其森林連續(xù)性越高，森林破碎化程度越低。但是在瀲江鎮(zhèn)等城鎮(zhèn)化程度相對較高的區(qū)域，森林連續(xù)性受到的影響逐漸由正變負，即距離村莊越遠，森林連續(xù)性越小，森林破碎化程度越大。這是由于在此區(qū)域，距離村莊越遠的地方，城鎮(zhèn)化的影響導致森林正在逐漸被細分為更小的斑塊森林，森林破碎化逐漸加??；在距離村莊較近的地方，留存的森林斑塊較少，多數(shù)被作為風景林而加以更好的保護，因此，相對于距離村莊較遠的區(qū)域，其森林破碎化程度受到村莊的影響呈現(xiàn)相反的變化方向。

圖6 地理加權(quán)回歸模型影響因子的回歸系數(shù)空間分異

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究采用森林連續(xù)性表征區(qū)域森林破碎化，評估區(qū)域森林破碎化狀況，并從“自然—社會”和“保護—發(fā)展”2個維度選擇森林破碎化的影響因素；利用普通最小二乘法篩選出影響區(qū)域森林破碎化的主導影響因素，研究因變量和自變量之間的整體關(guān)系；最后利用地理加權(quán)回歸研究其在空間上對森林破碎化的影響程度。得到以下結(jié)論：①研究區(qū)孔洞森林面積>內(nèi)部森林面積>邊緣森林面積>過渡森林面積>斑塊森林面積>未確定森林面積。②孔洞森林面積占森林總面積的44.5%，較多的孔洞森林造成了整體較高的森林破碎化狀況。森林破碎化較低的區(qū)域主要分布在距離縣城較遠的偏遠鄉(xiāng)鎮(zhèn)。③森林破碎化主要影響因素為平均海拔、平均坡度和距村莊平均距離，道路(鐵路、高速公路、國道、省道)、主要水系及森林公園等對研究區(qū)森林破碎化的影響不顯著。在影響空間特征中，平均海拔和距村莊平均距離的影響呈現(xiàn)顯著的兩極化趨勢，平均坡度的影響呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)特征。在影響強度特征中，平均海拔呈現(xiàn)較明顯的以縣城周邊區(qū)域為中心的環(huán)帶式增強特征，平均坡度呈現(xiàn)較明顯的以縣城周邊區(qū)域為中心的環(huán)帶式提升特征，距村莊平均距離呈現(xiàn)較弱的以“茶園鄉(xiāng)—崇賢鄉(xiāng)—興蓮鄉(xiāng)—樟木鄉(xiāng)”為中心線的環(huán)帶式減弱特征。對于在縣城周邊城鎮(zhèn)化較高的區(qū)域，森林所處位置的海拔越高、坡度越小、距離村莊越遠，森林破碎化越嚴重；對于在距離縣城較遠的東北和西部區(qū)域，森林所處位置的海拔越低、坡度越小，森林破碎化越嚴重。

3.2 討論

1)Hurd J D等[11]提出的利用Riitters等構(gòu)建的森林破碎化模型結(jié)果衡量區(qū)域內(nèi)的森林連續(xù)性能夠有效評估縣域尺度的森林破碎化狀況，考慮影響因素的空間非平穩(wěn)性特征，采用地理加權(quán)回歸模型能夠為監(jiān)測評估縣域尺度森林破碎化狀況提供理論支撐。

2)研究區(qū)孔洞森林面積占比最大，加強對孔洞森林的修復對于減輕區(qū)域森林破碎化具有重要作用。

3)區(qū)域森林破碎化的3種顯著影響因素呈現(xiàn)顯著的空間非平穩(wěn)性?？h城周邊距離村莊較遠區(qū)域的城鎮(zhèn)開發(fā)力度相對較大，海拔較高、坡度較小的區(qū)域成為城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)用地的主要目標，導致了這些區(qū)域森林破碎化相對更加嚴重。因此，縣城周邊的林地和林木資源應(yīng)納入縣域尺度下的重點監(jiān)測對象，對于影響森林連續(xù)性的關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)避免林地的無序占用、林木亂砍濫伐以及對林分的非法改造，如改造為果木林等，對于退化林分應(yīng)加大改造力度。距離縣城較遠的東北和西部區(qū)域，海拔較低、坡度較小區(qū)域的交通條件相對較好，開發(fā)利用成本較低，受到人為干擾程度相對較大，重點應(yīng)將宜林地、無立木林地、跡地、臨時占用林地、退耕地等可造林地及時恢復成林，同時加強對低質(zhì)、低效林的改造，最大限度保障此區(qū)域?qū)τ诰S持森林連續(xù)性的森林節(jié)點的可用性。