基于RS和GIS額爾古納國家自然保護區(qū)景觀多樣性定量分析

龔文峰，孫 海，劉春河，于海成，趙 敏

（1.黑龍江大學 水電學院，哈爾濱150086；2.內蒙古額爾古納國家級自然保護區(qū)，內蒙古 莫爾道嘎022191；3.內蒙古牙克石市林業(yè)局，內蒙古 牙克石022150；4.東北林業(yè)大學 生命科學學院，哈爾濱150086）

景觀多樣性（landscape diversity）是指由不同類型的景觀要素或生態(tài)系統(tǒng)構成的景觀在空間結構、功能機制和時間動態(tài)方面的多樣性或變異性［1］，包括景觀類型多樣性、格局多樣性和斑塊多樣性，是對景觀水平上生物組成多樣性的表征［2－3］，已成為生物多樣性研究的重要組成部分和內容［4］。然而就目前對景觀多樣性的研究而言，國內外不同專業(yè)背景的學者多側重于對特定景觀類型的多樣性研究和景觀多樣性時空分異特 征 分 析 等 方 面［1，5－11］，對 于 自 然 保 護 區(qū) 景觀多樣性的研究相對較少［12－14］，針對于邊境區(qū)域的自然保護區(qū)景觀多樣性的研究則更加稀少。自然保護區(qū)作為減緩物種滅絕速率、恢復其生態(tài)環(huán)境和保護生物多樣性的重要區(qū)域，研究其景觀多樣性對該區(qū)域內物種分布、遷移及其生態(tài)過程具有重要的意義，而研究邊境區(qū)域自然保護區(qū)景觀多樣性則具有更重要的生態(tài)意義，且是今后一個值得關注的研究課題。

內蒙古額爾古納國家級自然保護區(qū)位于大興安嶺，是我國現(xiàn)存原始寒溫帶針葉林分布區(qū)之一，其不僅是我國寒溫帶針葉林景觀的縮影，也是額爾古納河重要的水源涵養(yǎng)林區(qū)。鑒于此，本文借助RS和GIS技術，完成研究區(qū)域遙感圖像的分類解譯，基于此形成區(qū)域景觀類型的分類體系，利用景觀生態(tài)指數(shù)研究景觀多樣性及其空間特征，以期為自然保護區(qū)的生物多樣性保護、建設管理和景觀規(guī)劃等工作提供理論依據(jù)和科學基礎［15］。

1 研究區(qū)域概況

內蒙古額爾古納國家級自然保護區(qū)位于大興安嶺北部西麓，與俄羅斯隔額爾古納河相望，地理坐標為：120°00′26″—120°58′02″E，51°29′25″—52°06′00″N，屬于大興安嶺山地寒溫帶濕潤氣候區(qū)，并具有大陸性季風氣候區(qū)的一些特征，總的特點是寒冷濕潤，冬季漫長。四季氣候特征為：冬季寒冷漫長，春季高溫多風，降水量少，年降水量414～528 mm；夏季溫涼短促，雨量充沛，降雨強度大，多集中在7—9月，占全年降水量的75%；秋季降溫快，初霜早。全區(qū)平均海拔800 m，平均坡度10°，坡度趨緩，山系不發(fā)達，相對高差小，沿額爾古納河一帶，地勢更為平緩，溝谷和河谷呈枝、網(wǎng)狀散布其間，河網(wǎng)較為發(fā)育，河網(wǎng)密度系數(shù)達0.2～0.3 k m／k m2。主要植被類型為興安落葉松（Larix g melini）為主的原始寒溫帶針葉林。國家實施天保工程后，該區(qū)域的林業(yè)經(jīng)濟發(fā)展比較緩慢，但森林資源得到了一定的保護，旅游業(yè)發(fā)展相當迅速，為當?shù)厝罕娞峁┝诵碌木蜆I(yè)機會。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文的數(shù)據(jù)主要來源于2008年林相圖和2010年8月SPOT 4遙感影像數(shù)據(jù)，其中影像分辨率為20 m，輔以保護區(qū)功能區(qū)劃、植被類型分布圖和二類資源清查數(shù)據(jù)。利用Erdas Image 9.2軟件完成遙感影像的假彩色合成和幾何校正等，借助于輔助數(shù)據(jù)和實際的土地利用現(xiàn)狀建立影像解譯標志，根據(jù)2012年7月利用手持GPS完成的典型區(qū)域野外調查數(shù)據(jù)，將調查樣點落實到影像上并進行計算機訓練運算，采用監(jiān)督分類的方法完成遙感數(shù)據(jù)的分類解譯。在檢驗解譯精度的基礎上，參照2008年的林相圖和植被類型圖，在Arc GIS 9.2的支持下，對解譯后的圖斑進行過濾和合并等處理，生成不同景觀類型的分布圖，并轉化為柵格格式（grid），便于后續(xù)統(tǒng)計和景觀指數(shù)的計算。

2.2 景觀類型的劃分

從整體來看，研究區(qū)域的景觀格局現(xiàn)狀屬于以自然景觀為主和半自然景觀為輔。因此，根據(jù)中國科學院的土地分類體系及其自身的土地利用特點，本文將保護區(qū)景觀劃分為4個一級景觀：林地景觀、草地景觀、水域景觀和未利用地景觀，在一級景觀分類的基礎上，參照保護區(qū)植被類型分布圖，將研究區(qū)域劃分為針葉林景觀、闊葉林景觀、針闊混交林景觀、灌叢景觀、草地景觀、水域景觀、濕地景觀和未利用地景觀（荒山荒地、跡地和裸崖地）8個二級類型。

2.3 景觀多樣性指數(shù)計算

采用Fragstats 3.3軟件完成研究區(qū)域的景觀多樣性指數(shù)計算。對于景觀類型多樣性主要采用香農多樣性（SHDI）、優(yōu)勢度（D）和均勻度（SHEI）；景觀格局多樣性測定主要采用連接度（CI）；斑塊多樣性測定主要采用破碎度（LTFI）［16］。

3 結果與分析

3.1 研究區(qū)域景觀總體特征

就研究區(qū)域各景觀類型面積比例而言（表1），針闊混交林的面積最大，其比例為42.59%，其次為針葉林（36%）、闊葉林（16.14%）和未利用地（1.96%），而灌叢的面積比例最小，為0.48%，可見森林景觀（針葉林、闊葉林和針闊混交林）是構成研究區(qū)域的主要景觀。從景觀類型的斑塊數(shù)目來看，研究區(qū)域共有斑塊2 686個，在各景觀類型中，水域的斑塊數(shù)目最多，達到569個，占全部斑塊總數(shù)的21.18%，闊葉林次之，為533個，灌叢的斑塊數(shù)目最小，僅為72個。就各景觀類型的平均斑塊面積計算來看，針闊混交林最大，為2.07 k m2／個，其它的景觀類型依次為針葉林（1.87 k m2／個）、闊 葉 林 （0.61 k m2／個）、草 地（0.16 k m2／個）、濕 地 （0.14 k m2／個）、灌 叢 （0.13 k m2／個）、未 利 用 地 （0.08 k m2／個）和 水 域 （0.03 k m2／個）?？梢姡橀熁旖涣质窃摫Ｗo區(qū)的重要景觀類型，其面積和平均斑塊面積均為最大，該景觀類型是經(jīng)過采伐經(jīng)營活動后形成的，其中興安落葉松和白樺混交林占絕大多數(shù)；灌叢的面積和平均斑塊面積均為最小，處于相對次要的地位。就額爾古納河自然保護區(qū)的整體景觀而言，呈現(xiàn)出以針闊混交林、針葉林和闊葉林為主體的交錯景觀格局，而其它景觀類型呈補丁狀鑲嵌于該景觀格局之中（附圖8）。

表1 研究區(qū)域景觀總體特征統(tǒng)計

3.2 斑塊多樣性

破碎度在一定程度上反映了指景觀要素被分割的破碎程度。（1）就針葉林景觀而言，破碎度指數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在江畔林場達到最小，而在太平林場達到最大，主要歸因于江畔林場的大部分森林處于該保護區(qū)的核心區(qū)，未受到人為干擾，致使大面積的針葉林得以保存，且基本上保持了森林植被的原始狀態(tài)［17］。而西沿江和太平林場的破碎度均大于整個區(qū)域該景觀類型的破碎度，對于太平林場而言，在保護區(qū)沒有成立之前，針葉林長期受到過度采伐和經(jīng)營，部分采伐跡地逐步被灌叢和草地所代替，造成針葉林被灌叢和草地分割和蠶食，加劇了其破碎化程度，致使其破碎度最大，形成灌叢和草地鑲嵌于針葉林景觀中的格局現(xiàn)狀。西沿江林場處于森林和草地的過渡地帶，屬于低海拔區(qū)域，人為干擾活動致使部分針葉林被破壞并演變?yōu)槟敛莸?，造成部分針葉林不斷被草地分隔包圍，破碎化程度加大。野外調查中發(fā)現(xiàn)，這一地區(qū)還存在著毀林開牧、開墾和濫砍濫伐等不合理的人為活動，違背了建立自然保護區(qū)的初衷。這主要是因為當?shù)氐牟糠志用裆鷳B(tài)保護意識較低，在追求經(jīng)濟利益的過程中，存在著重開發(fā)而輕保護的思想意識。今后應盡量減少不合理的人為活動，正確處理好牧民的生存問題和森林保護之間的關系，協(xié)調好局部利益和整體利益的關系，制止破壞原生地帶性，防止生態(tài)環(huán)境惡化。（2）闊葉林的破碎度指數(shù)表現(xiàn)為一定的曲線變化，在東沿江林場達到最大，而在西沿江林場最小。由于東沿江林場在沒有被劃入保護區(qū)之前，多年受到人類經(jīng)營活動（森林采伐）的影響，經(jīng)過采伐后的森林植被白樺和山楊等一些先鋒樹種侵入，形成新生斑塊，致使部分原始針葉林植被逐步演變?yōu)殚熑~林景觀，闊葉林發(fā)生邊界擴展侵入和斑塊演替的同時，自身景觀被其它森林景觀分割，形成相對復雜的交錯帶格局，在加劇自身斑塊形狀構圖復雜的同時，破碎化程度加劇。因此，今后要加大執(zhí)行國家級自然保護區(qū)政策的力度，采用封山育林措施等生態(tài)措施，人工促進天然林更新，或者通過自然演替等多種方式相結合的方法，使人為干擾森林景觀逐步向原始地帶性森林景觀自然過渡，保護和恢復保護區(qū)內天然林資源，發(fā)揮其景觀生態(tài)功能。（3）對比各林場針葉林和闊葉林破碎度指數(shù)可知：處于演替前期的森林類型（山楊和白樺林等）的斑塊形狀構圖復雜，破碎化程度較高，景觀異質性高，而處于演替后期的森林類型（落葉松林等）則剛好相反。（4）針闊混交林和灌叢的變化趨勢與針葉林相似，都呈現(xiàn)出減小后增大的趨勢，且都在太平林場達到最大；草地在東沿江最大，由于當?shù)剞r牧民對草地資源過分依賴，頻繁放牧致使草地退化，草地面積呈現(xiàn)出不斷萎縮和被分割的現(xiàn)狀，生態(tài)環(huán)境脆弱。隨著該保護區(qū)生態(tài)移民的推行，破碎化惡化的趨勢將得到一定的緩解。而水域的破碎度在太平林場最大，且分別是整個研究區(qū)域各景觀類型的27.69和11.20倍（表2）。

3.3 景觀格局多樣性

江畔和東沿江林場針葉林的連接度均在1.0以上，大于整個自然保護區(qū)該類型的數(shù)值，表明該景觀類型在這兩個區(qū)域的聚集程度高，在一定范圍內形成了明顯的集中分布區(qū)，致使其平均斑塊面積大且破碎化程度較小，且具有較好的連通性。此外，也在一定程度上顯示出針葉林作為優(yōu)勢景觀類型，對這兩個區(qū)域的顯著的控制作用。東沿江林場的連接度最大，河口林場的最小。闊葉林的連接度指數(shù)在西沿江和江畔林場的較大，且西沿江林場的最大，究其原因，針葉林在受人為干預破壞較嚴重或火燒的地段，是以白樺和山楊等為主的闊葉先鋒樹種的更新在這些區(qū)域大量而普遍的發(fā)生，其邊界不斷地侵入到其它森林類型中，在其適宜范圍的局部區(qū)域形成相對明顯的集中區(qū)和復雜的交錯格局，空間分布上趨于團聚分布，形成了一定的大型斑塊，致使其斑塊平均面積較大，聚集程度較高且景觀類型的連接性強，也表明了人為干擾景觀在一定程度上代替了原始地帶性景觀。針闊混交林的連接度指數(shù)在河口和東沿江林場較大，而在東沿江林場最大。灌叢在河口林場達到最大，西沿江林場次之，而在其它林場均為0。江口、西沿江和東沿江林場水域的連接度指數(shù)均大于1，且河口林場的最大，而未利用地在太平和江畔林場的連接度指數(shù)較大（表3）。

表2 研究區(qū)域景觀斑塊多樣性指標（LTFI）統(tǒng)計特征

表3 研究區(qū)域景觀格局多樣性指標（CI）統(tǒng)計特征

3.4 景觀類型多樣性

森林景觀多樣性指數(shù)反映景觀要素多少和景觀要素所占比例［8］。對表4各項景觀類型多樣性指數(shù)的計算分析可知，該保護區(qū)的景觀多樣性指數(shù)為1.259 3，與景觀最大多樣性指數(shù)（Hmax＝2.079）還有0.819 7的差距，反映出該保護區(qū)景觀多樣性較低，說明該區(qū)域各種景觀類型所占比例存在較大的差異性，也表明該區(qū)域的整體景觀生態(tài)特征由某些景觀所支配。針闊混交林和針葉林景觀類型占優(yōu)勢，兩者面積比例之和為78.59%，共同控制著該區(qū)域的整體景觀結構（表1），致使其景觀生態(tài)結構呈現(xiàn)出不合理性和簡單化，且景觀格局態(tài)勢朝單一化方向發(fā)展［18］，造成景觀異質性較低，這在很大程度上歸因于人類的不合理活動和氣候的影響，這一現(xiàn)狀不僅減弱了區(qū)域景觀整體的生態(tài)系統(tǒng)功能，而且也不利于保護區(qū)生物多樣性的保護，因此，保護該國家級自然保護區(qū)森林資源并優(yōu)化其景觀生態(tài)結構勢在必行［14］，為此，應當加大對森林資源，尤其是地帶性植被針葉林的保護力度。西沿江林場的多樣性指數(shù)最大，說明該林場的各景觀類型面積等級的分布相對較均勻，太平林場次之，均遠高于研究區(qū)域整體的多樣性指數(shù)，東沿江林場多樣性指數(shù)最小。

表4 研究區(qū)域景觀類型多樣性統(tǒng)計

優(yōu)勢度指數(shù)反映了一種或幾種景觀斑塊支配景觀格局的程度，表示景觀多樣性對最大多樣性之間的偏差優(yōu)勢度［14］，從表4的分析可知，東沿江林場的優(yōu)勢度最大，為1.029 4，其次是河口林場，而西沿江林場最小。通過對東沿江林場各景觀類型的面積統(tǒng)計可知，森林景觀的面積比例為97.55%，占據(jù)著絕對優(yōu)勢地位，其中針闊混交林的面積比例為50.54%，在面積比例上表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，導致整體景觀的異質性較低。可見，人類活動疊加于自然環(huán)境的變化是針葉林演變?yōu)獒橀熁旖涣值闹匾寗恿?。因此，在今后保護區(qū)森林生態(tài)恢復和建設的過程中，如何構建合理的景觀生態(tài)結構和調整生態(tài)結構的布局是關注的重點。

4 結論與討論

基于RS和GIS，利用SPOT 4遙感影像獲取研究區(qū)域景觀類型現(xiàn)狀的基礎上，運用景觀生態(tài)學的原理和方法完成其景觀多樣性及其空間特征的定量分析，研究結果如下：

額爾古納國家級自然保護區(qū)的整體景觀呈現(xiàn)出以針闊混交林、針葉林和闊葉林為主體的交錯景觀格局，而其它景觀類型呈補丁狀的鑲嵌于該景觀格局之中。

斑塊多樣性分析可知：針葉林、針闊混交林和灌叢景觀的破碎度指數(shù)的變化趨勢相似，都呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，且均在太平林場達到最大；闊葉林的破碎度指數(shù)表現(xiàn)為一定的曲線變化，在東沿江林場達到最大，而在西沿江林場最小；草地的破碎度指數(shù)在東沿江達到最大，而水域在太平林場最大，且分別是整個研究區(qū)域各自景觀類型的27.69，11.20倍。

對景觀類型多樣性指標的分析表明，該保護區(qū)的景觀多樣性指數(shù)為1.259 3，與景觀最大多樣性指數(shù)（Hmax＝2.079）還有0.819 7的差距，反映出該保護區(qū)景觀多樣性較低，少數(shù)優(yōu)勢景觀控制著該區(qū)域的整體景觀結構，景觀生態(tài)結構呈現(xiàn)出不合理性和簡單化，且朝單一化方向發(fā)展，景觀異質性較低。

寒溫帶針葉林是該區(qū)域的頂級植物群落，并為其它生物提供生境條件，但其生境相對比較脆弱。一旦受到強烈的人為干擾和破壞，有可能引起整個生態(tài)系統(tǒng)的崩潰。因此，應加大對森林資源的保護力度，在有效保護資源的前提下，構建合理的景觀生態(tài)結構，實現(xiàn)區(qū)域社會經(jīng)濟與濕地生態(tài)保護的協(xié)調發(fā)展。

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