長白山區(qū)露水河林業(yè)局森林景觀格局動態(tài)變化分析

李友邁 趙光影

摘要 天然林保護工程的實施改變了森林景觀日益破碎化的格局，因此通過研究天保工程實施背景下森林景觀格局的變化，可以說明天保工程背景下經(jīng)營模式的轉變是否對森林景觀變化趨勢起到積極的作用；同時為今后天然林保護工作措施的改進提供科學依據(jù)。通過研究利用景觀格局指數(shù)計算方法，對1987—2017年露水河林業(yè)局實行天然林保護工程前后其森林景觀格局的變化進行分析，結果表明：研究區(qū)域內(nèi)林地為優(yōu)勢景觀；非林地面積占比較小且面積逐年遞減，林地內(nèi)部相互轉化，其中大約26.2%～38.6%的針闊葉林轉變?yōu)榛旖涣?。研究區(qū)域內(nèi)NP指數(shù)下降到7 695， SHDI指數(shù)始終保存在1.1～1.4。研究區(qū)域內(nèi)商品林區(qū)NP指數(shù)由9 905下降到9 225，公益林區(qū)NP指數(shù)由從13 474下降到11 001。商品林區(qū)，公益林區(qū)SHDI指數(shù)在0.9～1.2浮動，SHEI指數(shù)較高。景觀類型總體上分布均勻，多樣性水平較低。

關鍵詞 景觀格局空間變化；景觀破碎化；景觀多樣性

中圖分類號 S718.5? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2023）14-0109-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.14.027

作者簡介 李友邁（1998—），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：生態(tài)學。*通信作者，教授，從事地表生態(tài)與生態(tài)調(diào)控研究。

景觀是各種具有特定結構、功能和動態(tài)特征的生態(tài)系統(tǒng)鑲嵌組成的異質(zhì)性區(qū)域［ 1］。景觀的異質(zhì)性導致各景觀要素的構成具有多樣性的特征。景觀的多樣性揭示了景觀的復雜性，對景觀功能和過程有重要的影響［ 2-3］。大小形狀各異的景觀要素的空間分布為景觀格局，景觀格局隨時間的變化稱為景觀動態(tài)變化［ 4］。景觀動態(tài)變化是地理學和景觀生態(tài)學領域中長期關注的熱點問題［ 5］，其中森林景觀格局變化及其驅動力研究歷來備受關注［ 6］。森林景觀格局的變化會對森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動產(chǎn)生影響，制約多種生態(tài)過程［ 7］。森林景觀格局變化的原因在于外界的干擾作用［ 8］，外界的干擾作用總體包括自然因素和人為因素；其中人為因素是導致景觀出現(xiàn)變化的主要原因［ 9］。景觀格局變化的主要表現(xiàn)為破碎化現(xiàn)象，景觀破碎化會引起生態(tài)系統(tǒng)的一系列變化，進而影響生物多樣性和生態(tài)功能的發(fā)揮，因此景觀破碎化是研究景觀格局變化的重要內(nèi)容之一［ 10-11］。

長白山地區(qū)是我國森林的重要區(qū)域，由于受到多年的人為開發(fā)和破壞，森林質(zhì)量明顯下降，森林景觀破碎化趨勢日益嚴重，對長白山地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴重威脅［ 12］。從1998年開始，長白山重點國有林區(qū)成為天然林保護工程的試點區(qū)域［ 13］。因此，筆者在天然林保護工程實施的背景下，從公益林和商品林的角度，通過RS和GIS技術反映1987—2017年長白山地區(qū)露水河林業(yè)局景觀格局動態(tài)變化過程，探討森林經(jīng)營方式的變化對森林景觀格局演化的作用，為今后長白山地區(qū)森林資源的保護及林業(yè)經(jīng)營措施的實施和改進提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

露水河林業(yè)局地處長白山脈西北部，全域經(jīng)營面積120 934 hm2，包含8個林場。該林業(yè)局主要從事木材生產(chǎn)、林產(chǎn)品加工等活動。20世紀80年代以前，露水河林業(yè)局主要采取皆伐的經(jīng)營方式，曾短暫實行過采育兼顧、徑級伐的經(jīng)營方式，之后又重新采用皆伐方式，導致林業(yè)局森林環(huán)境出現(xiàn)退化的危險。自1998年開始，露水河林業(yè)局作為天然林保護工程的試點單位，逐漸改變了林業(yè)經(jīng)營策略。因此，以露水河林業(yè)局作為研究對象說明林業(yè)經(jīng)營政策的改變引起的森林景觀格局變化現(xiàn)象具有代表性，同時可為該地森林經(jīng)營模式的實施和改進提供科學依據(jù)。

2 研究方法

2.1 影像分類

選取1987年7月、1997、2008、2017年8月4期影像，選用Landsat8OLI傳感器7個波段；Landsat5TM（專題制圖儀）數(shù)據(jù)（表1）。應用多光譜影像數(shù)據(jù)的波段組合顯示，確定解譯標志，完成監(jiān)督分類。由于所下載的Landsat-5、Landsat-8數(shù)據(jù)屬于L1TP級別，其是以地面控制點和DEM數(shù)據(jù)完成幾何精校正，因此該級別的數(shù)據(jù)無需再進行幾何校正。數(shù)據(jù)預處理流程包括輻射定標、大氣校正、圖像配準、鑲嵌、裁剪等步驟。

參考露水河二類調(diào)查數(shù)據(jù)，將研究區(qū)域劃分為闊葉林、針葉林、混交林、灌木林、非林地5個景觀類型。采用ENVI監(jiān)督分類功能（supersied classification）最大似然法（maximum likelihood）進行分類。依照景觀類型在遙感影像上反映的紋理、顏色等特點選擇訓練樣本，根據(jù)選好的訓練樣本在Classification模塊下進行監(jiān)督分類。運用混淆矩陣對分類結果進行檢驗，經(jīng)過檢驗可知，4期數(shù)據(jù)的總體精度均在98%以上，4期數(shù)據(jù)的Kappa系數(shù)均在0.9以上，符合該研究的精度要求（表2）。采取Majority/Minority功能和聚類處理（clump）功能對分類結果進行處理。

2.2 景觀格局指數(shù)選取

景觀格局指數(shù)是高度濃縮的景觀格局信息，是反映景觀結構組成和空間配置某些特征方面的簡單量化指標。通過景觀格局指數(shù)的計算，可以分析不同景觀類型的分布結構和組成特征。截至目前，用于景觀分析的景觀指數(shù)有很多，而且各景觀指數(shù)直接具有密切的相關性。因此，可以根據(jù)不同的研究需要和側重點選擇相應的景觀指數(shù)。根據(jù)該研究區(qū)的特點結合前人研究經(jīng)驗，選擇以下景觀指數(shù)進行研究［ 14-15］：

3 結果與分析

3.1 景觀類型面積現(xiàn)狀

該研究區(qū)域景觀基質(zhì)為混交林類型。露水河林業(yè)局1987—2017年景觀類型面積表現(xiàn)為混交林>針葉林>闊葉林>非林地>灌木林（表3，圖1）。該研究區(qū)域中混交林面積最大，是該區(qū)域中各景觀類型的重要組成部分。該區(qū)域的景觀結構屬于典型的基質(zhì)-廊道-斑塊結構，基質(zhì)為混交林，其他景觀斑塊鑲嵌于基質(zhì)中，道路作為廊道連接各斑塊。

3.2 景觀類型變化特征

1987—2017年該研究區(qū)域內(nèi)非林地景觀類型向林地景觀類型轉變，林地內(nèi)部景觀類型相互轉換，針闊葉林面積呈縮小的趨勢。1987—2008年，針闊葉林向混交林轉變，針闊葉林面積開始縮小，非林地面積開始萎縮并向林地方向轉變。1997—2008年，非林地類型向林地類型轉移面積有所減小，林地內(nèi)部變化程度相比10年前也有所變化，混交林向針闊葉林轉移面積有所減小，針闊葉林向混交林轉移面積減小，使得針闊葉林面積小幅回升。2008—2017年非林地類型轉移林地面積為近30年最大值；林地內(nèi)部混交林向針闊葉林轉移的面積為30年來最低，針闊葉林面積呈繼續(xù)萎縮的變化趨勢。灌木林面積在近30年來變化不明顯，其他景觀類型向灌木林轉移的趨勢亦不明顯（表4，圖1）。

3.3 景觀格局變化特征

3.3.1 景觀指數(shù)變化。以林業(yè)局作為單位來看（表5，圖2），1987—1997年NP、PD呈增長趨勢，說明在前10年林業(yè)局景觀破碎化程度加重；1997—2017年NP、PD值均呈下降趨勢，說明在后20年該地區(qū)景觀破碎化情況得到改善。1987—2017年ED呈現(xiàn)逐漸上升后下降趨勢，說明在這30年間該地區(qū)斑塊形狀變化程度呈先加重后緩解的趨勢，PLADJ指數(shù)和COHESION指數(shù)變化不大且始終維持高水平，說明該地區(qū)斑塊連通性較好。SHDI指數(shù)較高，說明該地區(qū)景觀多樣性水平較低，但斑塊整體分布較為均勻。

3.3.2 不同經(jīng)營區(qū)劃內(nèi)景觀格局變化特征。以林業(yè)局內(nèi)部經(jīng)營區(qū)作為單位進行分析（表6，圖2），商品林區(qū)、公益林區(qū)NP、PD指數(shù)均呈先上升后下降的變化趨勢。說明林業(yè)局各經(jīng)營區(qū)內(nèi)部景觀破碎化程度趨于緩解。ED指數(shù)與NP、PD指數(shù)變化趨勢相同，說明各經(jīng)營區(qū)斑塊形狀逐漸趨于穩(wěn)定。各經(jīng)營區(qū)PLADJ指數(shù)在2008—2017年呈上升趨勢，COHESION指數(shù)變化趨勢不明顯且指數(shù)較高，說明斑塊連通性得到改善。商品林區(qū)、公益林區(qū)SHDI指數(shù)較低，說明這2個經(jīng)營區(qū)景觀多樣性水平較低；SHEI指數(shù)較高，說明各經(jīng)營區(qū)內(nèi)景觀類型分布較均勻。

4 討論

4.1 景觀類型面積轉移分析

經(jīng)營模式的變化影響森林景觀類型面積的分布。該研究結果表明，露水河林業(yè)局內(nèi)占主要成分的景觀類型為混交林、針葉林、闊葉林，這與長白山自然保護區(qū)內(nèi)整體景觀面積分布情況相同［ 16］。混交林、針葉林、闊葉林在近30年共同組成為該區(qū)域的復合景觀，它們對該研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境具有調(diào)控作用，并對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境演變施加影響［ 17］，主導著當?shù)鼐坝^整體上的結構和動態(tài)變化［ 18］。林地面積基本保持不變，林地內(nèi)部之間轉換，主要為針葉林，闊葉林向混交林轉移的變化趨勢。這一變化趨勢與天然林保護工程的經(jīng)營策略方向相符合，該經(jīng)營策略要求撫育工作要做到人工林天然化，在進行人工林培育時可以進行帶狀或團狀的培育，向針闊混交的方向進行培育［ 19］。說明目前的景觀類型分布格局基本符合天然林保護工程的要求。2008年之前針葉林、闊葉林向混交林轉移的速度相比2008年之后較為緩慢，這與森林經(jīng)營模式改革逐漸深化過程密切相關。非林地面積逐漸減小，其主要原因為隨著天然林保護工程的實施，林業(yè)局對經(jīng)營模式作出了調(diào)整，改變育林思路，加大了育林力度等措施［ 20］。說明該林業(yè)局實施天保工程的效果較為顯著。通過以上分析可以明確該區(qū)域森林景觀類型分布情況的變化與經(jīng)營模式的轉變密切相關。

4.2 林業(yè)局景觀格局變化分析

從整體上看，經(jīng)營方式的轉變是導致林業(yè)局景觀格局變化的主要因素。1987—1997年該地區(qū)景觀破碎化，斑塊程度愈加嚴重，主要原因是在90年代期間該林業(yè)局仍采取傳統(tǒng)的皆伐方式，形成采伐比重過大，忽略林業(yè)撫育的局面［ 21-22］。同一時期該地區(qū)開展了道路修建等經(jīng)濟生產(chǎn)活動［ 23-24］，導致該區(qū)域的森林景觀結構整體呈現(xiàn)破碎化的趨勢。1997—2017年景觀破碎化現(xiàn)象逐漸緩解。主要原因是隨著天然林保護工程的展開，林業(yè)局改變傳統(tǒng)的經(jīng)營方式，采取分類經(jīng)營模式。依照分類經(jīng)營的理念，林業(yè)局管轄區(qū)域內(nèi)自然保護區(qū)、水源地、生態(tài)環(huán)境較為脆弱的林地以及立地條件較差，交通管理不便的林地劃分為公益林區(qū)；林業(yè)局管轄區(qū)域內(nèi)立地條件較好，交通較為便利的林地劃分為商品林［ 19］。經(jīng)過以上經(jīng)營策略的實施，林業(yè)局內(nèi)景觀破碎化程度逐漸得到遏制，但出現(xiàn)了景觀多樣性水平較低且變化不明顯的現(xiàn)象。根據(jù)管東生等［ 25-26］研究，多樣性水平變化不明顯且水平較低的原因可能是經(jīng)營區(qū)內(nèi)景觀類型面積比例沒有發(fā)生太大變化，所占面積較大的斑塊未發(fā)生較大變化，林場內(nèi)部景觀類型面積所占比例差異懸殊導致的。這與該研究關于景觀類型面積的研究結果相一致。結合以上分析可以有理由認為，該林業(yè)局轉變經(jīng)營方式對維持該地區(qū)森林生態(tài)環(huán)境起著積極作用。

4.3 經(jīng)營區(qū)景觀格局變化分析

經(jīng)過對該林業(yè)局實施天保工程前后森林景觀格局變化進行分析，對商品林區(qū)、公益林區(qū)內(nèi)部景觀格局變化情況進行了分析。商品林區(qū)、公益林區(qū)在1987—1997年破碎化程度較高，斑塊形狀較復雜，經(jīng)過前人研究表明，該研究區(qū)1985—1999年森林景觀呈破碎化趨勢［ 27］，這與該研究結果相符，說明在前10年經(jīng)營區(qū)受外部干擾較為嚴重，由于1987—1997年該區(qū)域尚未完全普及分類經(jīng)營制度，部分區(qū)域仍實行傳統(tǒng)的經(jīng)營方式，即未節(jié)制地砍伐活動，導致商品林、公益林區(qū)域破碎化嚴重；1997—2008年商品林區(qū)破碎化趨勢受到遏制，這種現(xiàn)象與天保工程的實施密切相關，隨著天保工程的實施及禁伐區(qū)的設立，同時放棄了皆伐的生產(chǎn)方式，導致商品林區(qū)采伐量減少，進而使得過去破碎化嚴重的現(xiàn)象得到緩解。2008—2017年商品林區(qū)景觀破碎化有再度發(fā)展的趨勢，其主要原因是在天保工程實施的背景下，商品林區(qū)的采伐量大幅下降，與此同時商品林區(qū)的蓄積量也大幅下降，因此從總體上看商品林區(qū)的相對采伐強度增大，進而導致商品林區(qū)的破碎化趨勢有增強趨勢［ 28］。1997—2017年公益林區(qū)破碎化趨勢逐漸得到遏制。這種現(xiàn)象與天保工程的實施密切相關。針對公益林區(qū)的撫育工作，該林業(yè)局遵守嚴格的撫育次數(shù)和年限；針對該區(qū)域中重點公益林部分則嚴格采取禁伐措施；針對該區(qū)域中生態(tài)公益林部分則采取了適當采伐的方式且采伐目的是以改善森林系統(tǒng)為主導。經(jīng)過以上的舉措，公益林區(qū)的破碎化趨勢得到很大改善。1987—2017年商品林區(qū)、公益林區(qū)斑連通性始終保持較高水平，說明商品林區(qū)和公益林區(qū)的森林資源環(huán)境并未受到大規(guī)模的破壞和退化，這與之前得出的破碎化程度先嚴重后逐漸趨緩的結論相矛盾。這可能是由于經(jīng)營區(qū)內(nèi)的景觀破碎化現(xiàn)象只是發(fā)生在小范圍區(qū)域內(nèi)，并未威脅到林地景觀斑塊整體的聚集程度，說明經(jīng)營區(qū)內(nèi)森林環(huán)境目前沒有發(fā)生大規(guī)模的退化。商品林區(qū)和公益林區(qū)景觀多樣性水平較低，景觀分布均勻且隨時間變化不明顯。目前露水河林業(yè)局中商品林和公益林分別占森林面積的64.3%和35.7%，在這種分布情況下商品林區(qū)和公益林區(qū)的SHDI指數(shù)仍維持在較低水平，說明該區(qū)域中優(yōu)勢景觀類型所占面積沒有發(fā)生太大變化，由此可知各經(jīng)營區(qū)內(nèi)景觀格局水平?jīng)]有發(fā)生大規(guī)模的退化，同時各景觀之間的分布較為均勻，說明維持目前的經(jīng)營區(qū)劃對于維持森林生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定具有積極作用［ 28］。

5 結論

該研究結果表明，露水河林業(yè)局中混交林為優(yōu)勢景觀， 其他類型斑塊鑲嵌其中，整體呈現(xiàn)典型的基質(zhì)—廊道—斑塊景觀類型格局。非林地類型向林地類型轉變，林地面積基本保持不變。實施天保工程后，林業(yè)局整體景觀破碎化程度趨緩，但破碎化現(xiàn)象依然嚴峻，斑塊連通性較好，景觀多樣性仍保持較低水平。商品林區(qū)景觀破碎化現(xiàn)象明顯，但已經(jīng)出現(xiàn)好轉的跡象，公益林區(qū)景觀破碎化程度減弱 。在實施天保工程后露水河林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境整體上呈現(xiàn)逐漸改善的趨勢。未來10年內(nèi)露水河林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)繼續(xù)向好的發(fā)展趨勢，因此目前的經(jīng)營方式對于維持露水河林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境具有積極作用。

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