熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心人工林區(qū)景觀格局變化分析

車(chē)騰騰，馮益明，蔡道雄，張萬(wàn)幸，張顯強(qiáng)，吳春爭(zhēng)

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所，北京100091；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，廣西 憑祥532600；3.西南林業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院，云南 昆明650224）

景觀生態(tài)學(xué)（landscape ecology）是研究景觀單元的類(lèi)型組成、空間配置及其與生態(tài)學(xué)過(guò)程相互作用的綜合性學(xué)科。景觀的結(jié)構(gòu)、功能及其動(dòng)態(tài)變化是景觀生態(tài)學(xué)研究中的三大核心問(wèn)題。結(jié)構(gòu)決定功能，功能的改變最終將從結(jié)構(gòu)的變化中反映出來(lái)。因此，景觀結(jié)構(gòu)是三大核心問(wèn)題中的核心［1－2］。通過(guò)研究景觀結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)景觀動(dòng)態(tài)研究的目的［3］。對(duì)研究地區(qū)不同時(shí)期景觀的組成結(jié)構(gòu)、斑塊特征及景觀要素空間分布格局運(yùn)用數(shù)量化方法加以描述和進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，可以有效地揭示研究地區(qū)景觀變化規(guī)律和分析影響因素［4］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者采用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)開(kāi)展景觀動(dòng)態(tài)和景觀格局方面的研究。如2007年，王磊等［3］利用ERDAS 8.7和ArcViewGIS 3.3等軟件，分析了1989－2006年間，2/3是人工林的孟家崗林場(chǎng)的森林景觀多樣性指數(shù)、景觀空間結(jié)構(gòu)指數(shù)和森林景觀內(nèi)部年齡結(jié)構(gòu)指數(shù)，并揭示了森林景觀格局的動(dòng)態(tài)變化情況。此外，方晰等［5］在2008年利用ViewGIS軟件對(duì)長(zhǎng)沙市城郊湖南省林科院試驗(yàn)林場(chǎng)森林植被景觀的生態(tài)格局和破碎化程度進(jìn)行了分析，揭示了人類(lèi)活動(dòng)對(duì)該地區(qū)森林植被景觀影響程度。熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“熱林中心”）作為一個(gè)集科研、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)與開(kāi)發(fā)為一體的以人工林為主的科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地，在中國(guó)熱帶、南亞熱帶人工林的經(jīng)營(yíng)管理和林地利用上起著模范帶頭作用，其經(jīng)營(yíng)的好壞，對(duì)其他相關(guān)林場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)起著重要的借鑒作用。通過(guò)分析景觀格局動(dòng)態(tài)可以很好地幫助我們了解森林的狀況，但目前熱林中心尚未有類(lèi)似景觀格局的研究，故運(yùn)用現(xiàn)代科技手段來(lái)認(rèn)識(shí)其景觀格局變化是一項(xiàng)十分迫切的任務(wù)。本研究運(yùn)用ArcGIS軟件，對(duì)熱林中心不同時(shí)期的森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行景觀分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，找出1998－2009年林地利用類(lèi)型的景觀格局變化，為今后合理制定森林經(jīng)營(yíng)方案提供一定依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

熱林中心位于廣西省憑祥市，21°57′～22°16′N(xiāo)，106°41′～106°59′E，地形地貌復(fù)雜,地貌類(lèi)型有丘陵、臺(tái)地、低山、中山和巖溶地貌，最高海拔為1 045.9 m（北大青山），最低海拔為130.0 m（平而河），屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，夏無(wú)酷暑，冬無(wú)嚴(yán)寒，雨水充沛。年均氣溫為21.0～23.0°C，年降水量為1 062～1 772 mm，日最大降水量為206.5 mm。年無(wú)霜期為344 d，平均日照為1 614 h。土壤主要為花崗巖發(fā)育成的紅壤，間有部分石灰?guī)r土、酸性紫色土和沖積土。植被屬南亞熱帶季雨林。人工植被以馬尾松Pinus massoniana和杉木 Cunninghamia lanceolata為主，其次是濕地松Pinus elliottii，石梓 Gmelina chinensis，八角Illicium verum等。灌木樹(shù)種主要是鹽膚木Rhus chinensis，余甘子Phyllanthus emblica，桃金娘Rhodomyrtus tomentosa等，草本主要有野古草Arundinella anomala，五節(jié)芒Miscanthus floridulus和蔓生莠竹Microstegium vagans等。

1.2 資料收集和數(shù)據(jù)處理

在本研究中主要收集了熱林中心的地形圖和3個(gè)不同時(shí)期（1998年、2004年和2009年）的林相圖，以及3個(gè)時(shí)期對(duì)應(yīng)的森林資源二類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)。同時(shí)收集了熱林中心近年來(lái)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等相關(guān)資料。針對(duì)收集到的數(shù)據(jù)，在GIS軟件ArcGIS的支持下,通過(guò)對(duì)熱林中心3個(gè)時(shí)期小班調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到熱林中心近10 a來(lái)景觀格局變化情況。

2 方法

2.1 景觀類(lèi)型分類(lèi)

根據(jù)《廣西森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查技術(shù)方法》并結(jié)合景觀的尺度、景觀嵌塊體的特征、基質(zhì)的形狀、基質(zhì)的大小和色調(diào)等景觀外在特征為分類(lèi)依據(jù)，把熱林中心的斑塊分為有林地、疏林地、灌木林地、未成林造林地、無(wú)立木林地、苗圃、宜林地、輔助生產(chǎn)和非林地。

2.2 景觀格局分析方法

景觀指數(shù)分析法是從景觀分析的角度，借用景觀生態(tài)學(xué)中的各種空間格局分析方法來(lái)分析和認(rèn)識(shí)土地利用/覆被變化的基本格局特征和演變規(guī)律。景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息,反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo)。常用的景觀指數(shù)有斑塊面積、斑塊周長(zhǎng)、斑塊形狀指數(shù)、斑塊分形分維數(shù)、斑塊平均面積、斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差、破碎度指數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、聚集度指數(shù)等。這些指數(shù)可以從斑塊尺度和景觀尺度的層次來(lái)反映土地利用/覆被變化的格局特征［5］。根據(jù)熱林中心人工林受人為干擾較大的特點(diǎn)，以及為了能反映其經(jīng)營(yíng)特征和方向，本研究主要從斑塊尺度和景觀尺度運(yùn)用下列景觀特征指數(shù)來(lái)分析其景觀結(jié)構(gòu)特征及其變化［6－26］。

2.2.1 斑塊層次 ①斑塊面積（A）和斑塊周長(zhǎng)（L）。斑塊面積和斑塊周長(zhǎng)是進(jìn)行景觀格局計(jì)算的基礎(chǔ)，可直接利用ArcGIS的統(tǒng)計(jì)查詢(xún)功能獲得。②斑塊形狀指數(shù)（G）。，用來(lái)計(jì)算斑塊形狀復(fù)雜程度，A為斑塊面積，L為斑塊周長(zhǎng)。G值越大，斑塊形狀越復(fù)雜。③斑塊比例與斑塊優(yōu)勢(shì)度（D0）。反映斑塊在景觀中的地位，優(yōu)勢(shì)度值越大，說(shuō)明該類(lèi)斑塊在景觀中的地位越重要，對(duì)景觀的支配作用越大。計(jì)算公式如下：D0=（M+R）/2×100%，其中M為斑塊比例（某類(lèi)斑塊類(lèi)型的總斑塊數(shù)目與景觀要素類(lèi)型總斑塊數(shù)目的比值）；R為面積比例（某類(lèi)斑塊類(lèi)型的總面積與景觀要素類(lèi)型總面積的比值）。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時(shí)期景觀格局基本特征

不同時(shí)期景觀斑塊基本指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1。3期調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：在各景觀要素中有林地占據(jù)了景觀總面積的50%左右，并且各時(shí)期依次呈明顯增加趨勢(shì)。除了1998年，在2004年和2009年疏林地都已經(jīng)改造完畢。同時(shí)，無(wú)立木林地和非林地的面積從1998年到2009年一直在減少。這說(shuō)明熱林中心在營(yíng)林造林上做了大量工作，取得了一定的成績(jī)。從景觀的平均斑塊面積來(lái)看，總體上是面積越來(lái)越小，這說(shuō)明景觀破碎化程度加劇，人類(lèi)對(duì)景觀的干擾越來(lái)越大，也說(shuō)明熱林中心對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)經(jīng)營(yíng)越來(lái)越細(xì)致。

表1 景觀斑塊基本指標(biāo)Table 1 Basic indicators of landscape patch

表1（續(xù)）

3.2 景觀格局變化分析

3.2.1 斑塊特征變化 ①形狀指數(shù)。形狀指數(shù)對(duì)斑塊周長(zhǎng)敏感，反映斑塊邊界的復(fù)雜程度。如表2所示：宜林地和非林地的形狀指數(shù)較大，這主要是因?yàn)檫@些地方都是相對(duì)比較難利用的土地（主要是宜林的石漠化土地和荒地），人為干預(yù)較少，自然地貌復(fù)雜。其次，有林地、灌木林地、未成林造林地以及無(wú)立木林地的形狀指數(shù)也較大。造成此結(jié)果的原因是熱林中心地形地貌復(fù)雜，一般山體坡度較大，所以，這些景觀的邊緣亦較復(fù)雜。苗圃地和輔助生產(chǎn)地的形狀指數(shù)相比而言較小，因?yàn)榇祟?lèi)斑塊大多是人為景觀，形狀相對(duì)較為規(guī)則。從1998年到2009年，有林地、灌木林地、苗圃和無(wú)立木林地的形狀指數(shù)變動(dòng)較小，這主要是人工干預(yù)的方式?jīng)]有太大變化。由于人為的對(duì)宜林地、非林地的改造和開(kāi)墾，使這些斑塊有了明顯變化，引起了形狀指數(shù)的大幅度變動(dòng)。②斑塊優(yōu)勢(shì)度。由表2可見(jiàn)：3期調(diào)查數(shù)據(jù)一致表明，在斑塊類(lèi)型之間存在著明顯的優(yōu)勢(shì)度差異。有林地的密度占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，3期數(shù)據(jù)顯示都在50%左右浮動(dòng)，而且隨著時(shí)間的推移，有林地的斑塊優(yōu)勢(shì)度還在不斷增長(zhǎng)。其次是灌木林地和非林地的斑塊優(yōu)勢(shì)度相對(duì)較高，都超過(guò)了10%。無(wú)立木林地的優(yōu)勢(shì)度有大幅度下降，從1998年的6.78%降到2004年的1.31%和2009年的1.11%。而其余景觀類(lèi)型則變化較小。這主要是熱林中心良種壯苗技術(shù)得到進(jìn)一步完善，造林整地采用了挖大坑、施基肥等營(yíng)林措施，造林成活率顯著提高。從這些數(shù)據(jù)可看出，近年來(lái)，熱林中心在植樹(shù)造林、荒山綠化方面做了大量工作。熱林中心已經(jīng)完成一定面積的植樹(shù)造林。

3.2.2 景觀特征變化 ①破碎化。景觀的破碎化是指由于自然和人為因素的干擾，導(dǎo)致景觀由簡(jiǎn)單趨向復(fù)雜的過(guò)程。所研究的區(qū)域受人為因素的干擾較大。從表3可以看到：1998年斑塊面積大、數(shù)量少，斑塊密度小，破碎化指數(shù)僅為0.297。由于人工干預(yù)，到2004年斑塊數(shù)有了較大的增加，斑塊密度增加，破碎化指數(shù)也增加到了0.315。2009年，斑塊數(shù)有更進(jìn)一步的增長(zhǎng)，破碎化指數(shù)有顯著上升，達(dá)到了0.342。產(chǎn)生的這些變化與熱林中心近些年來(lái)經(jīng)營(yíng)理念的轉(zhuǎn)變，逐步實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)型管理向現(xiàn)代科研型管理的轉(zhuǎn)變，有針對(duì)性的制定經(jīng)營(yíng)方案，加快林種樹(shù)種結(jié)構(gòu)的調(diào)整，近年來(lái)加大了精細(xì)化經(jīng)營(yíng)的力度是息息相關(guān)的。在該研究時(shí)段內(nèi)，熱林中心大力營(yíng)造降香黃檀Dalbergia odorifera，柚木Tectona grandis，格木 Erythrophleum fordii，鐵力木Mesua ferrea等珍貴樹(shù)種。我們看到，在人為因素的干擾下，景觀越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越破碎。破碎化指數(shù)的變化反映出熱林中心正朝著精細(xì)化經(jīng)營(yíng)珍優(yōu)樹(shù)種的目標(biāo)發(fā)展，說(shuō)明現(xiàn)階段熱林中心的經(jīng)營(yíng)方向符合整體經(jīng)營(yíng)方案的要求。②多樣性和優(yōu)勢(shì)度。景觀的多樣性取決于斑塊類(lèi)型數(shù)量以及各斑塊類(lèi)型所占比例的均衡性。多樣性的大小影響著系統(tǒng)的物種多樣性和遺傳多樣性,影響著系統(tǒng)的生產(chǎn)力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在景觀的規(guī)劃利用上應(yīng)特別加以重視。表3反映的1998年的景觀多樣性指數(shù)最高，在研究時(shí)段內(nèi)有所下降，但并不是很顯著。這是因?yàn)槿藶橐蛩販p少了疏林地這種森林景觀，以及各景觀類(lèi)型的比例也在發(fā)生著變化。但是優(yōu)勢(shì)度在2009年卻有小幅度增長(zhǎng)，這說(shuō)明景觀的多樣性偏離程度在增加。結(jié)合表1，我們可以看到這是因?yàn)閺?998年到2009年熱林中心的有林地有大面積增多。再?gòu)木坝^均勻性來(lái)看，由于景觀類(lèi)型數(shù)目和多樣性指數(shù)在研究期間有所下降，均勻性指數(shù)有小幅降低，但是2004年和2009年由于景觀類(lèi)型數(shù)目一樣，指數(shù)基本持平。

表2 不同時(shí)期斑塊特征Table 2 Patch characteristics in different periods

4 結(jié)論

1998－2009年，熱林中心有林地在景觀總面積中的比例一直接近50%，而且呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)；疏林地到2004年調(diào)查時(shí)就已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化成其他類(lèi)型的景觀；無(wú)立木林地和非林地面積一直處于減少狀態(tài)。說(shuō)明這些年熱林中心在營(yíng)林造林上取得了一定的成績(jī)，進(jìn)一步提高了森林的覆蓋面積和蓄積量。

就斑塊層次來(lái)看，由于熱林中心地形地貌復(fù)雜，除了苗圃、輔助生產(chǎn)等人造景觀的形狀指數(shù)較小，其他的均較大。在斑塊優(yōu)勢(shì)度方面，有林地一直保有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而這種優(yōu)勢(shì)還在不斷增長(zhǎng)，這是因?yàn)榉橇值亍o(wú)立木林地以及灌木林地在不斷向有林地轉(zhuǎn)化。從宜林地的變化趨勢(shì)來(lái)看，今后有林地的面積還會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。從景觀層次看，景觀的多樣性指數(shù)在降低，均勻性變動(dòng)不大，平均斑塊規(guī)模普遍有下降趨勢(shì)，因此，景觀的破碎化指數(shù)在不斷上升。這些變化與熱林中心近年來(lái)采取的精細(xì)化經(jīng)營(yíng)作業(yè)方案密切相關(guān)，并在人為因素的干擾下逐步實(shí)現(xiàn)。

表3 各時(shí)期景觀評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 Landscape evaluation indexes in different periods

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