基于GIS的長(zhǎng)白山南坡森林景觀格局定量分析

馬 琳，盧珺，高成德，李俊清

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基于GIS的長(zhǎng)白山南坡森林景觀格局定量分析

馬 琳1，盧珺2，高成德3，李俊清4

（1.北京建筑大學(xué)，北京 102616；2.中國(guó)航天建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071；3.長(zhǎng)白縣森林經(jīng)營(yíng)局，吉林 長(zhǎng)白 134400；4北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083）

利用景觀格局分析軟件Fragstat3.3和地理信息系統(tǒng)Arcmap，以林相圖和森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)位于長(zhǎng)白山南坡的橫山林場(chǎng)其森林景觀的總體特征、景觀水平異質(zhì)性和景觀類型水平異質(zhì)性3方面進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，橫山林場(chǎng)優(yōu)勢(shì)景觀類型是林地，其他景觀類型零散分布其中；天然闊葉林在森林景觀中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，破碎度小。研究區(qū)景觀異質(zhì)性較高，景觀類型豐富，人工林結(jié)構(gòu)不合理，應(yīng)采取有效措施調(diào)整景觀斑塊結(jié)構(gòu)，保護(hù)森林景觀多樣性。

二類調(diào)查數(shù)據(jù)；景觀類型；景觀格局；長(zhǎng)白山

森林景觀格局受環(huán)境變化和人類活動(dòng)長(zhǎng)期作用的雙重影響，其結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化是景觀生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容[1]。隨著人類活動(dòng)干擾，森林景觀格局出現(xiàn)破碎化發(fā)展趨勢(shì)，瀕危野生動(dòng)植物生境遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致種群數(shù)量銳減。因此，人為干擾對(duì)森林景觀格局的影響，引起了生態(tài)學(xué)、保護(hù)生物學(xué)研究者的廣泛關(guān)注[2-4]。

長(zhǎng)白山地區(qū)是闊葉紅松林在中國(guó)的中心分布區(qū)[5]，瀕危野生動(dòng)物東北虎棲息于此，在“中國(guó)生物多樣性保護(hù)行動(dòng)計(jì)劃”中列為中國(guó)16個(gè)優(yōu)先保護(hù)地區(qū)之一[6]。我國(guó)學(xué)者對(duì)其景觀格局進(jìn)行了不斷深入的研究，取得了一定的研究成果，尤以長(zhǎng)白山北坡的研究較多[7-8]，鮮有針對(duì)南坡的森林景觀格局的研究。而長(zhǎng)白山南坡物種資源豐富，是鴨綠江的發(fā)源地，水系眾多，瀕臨朝鮮。以長(zhǎng)白山南坡為研究對(duì)象，對(duì)森林資源保護(hù)和跨界保護(hù)區(qū)建設(shè)具有及其重要的意義。有研究顯示，長(zhǎng)白山南坡的橫山林場(chǎng)，是長(zhǎng)白山闊葉紅松林生態(tài)保護(hù)的關(guān)鍵區(qū)之一[6]。因此以橫山林場(chǎng)為研究對(duì)象，從景觀格局的總體特征、景觀斑塊異質(zhì)性和景觀水平異質(zhì)性三方面分析其森林景觀格局，為優(yōu)化景觀水平配置，合理經(jīng)營(yíng)森林資源提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

橫山林場(chǎng)位于吉林長(zhǎng)白山南坡山麓，127°55′~128°11′E，41°24′~41°46′N，海拔890~1 700 m，屬溫帶大陸性山地季風(fēng)氣候，年降雨量750 mm左右。土壤類型主要有：棕色森林土、暗棕色森林土、白漿土，局部地區(qū)有草甸土。橫山林場(chǎng)地帶性植被為以紅松為主的針闊混交林，20世紀(jì)30年代日本侵略東北時(shí)，掠奪式的采伐森林，植被遭到嚴(yán)重破壞。由于本區(qū)域山地海拔高，氣候多變，植被類型呈現(xiàn)出垂直分帶現(xiàn)象。海拔600~900 m為夏綠林氣候帶，900~1 300 m為山地針闊混交林氣候帶，海拔1 300~1 800 m為山地暗針葉林氣候帶，1 800 m以上為山地岳樺林氣候帶。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

以橫山林場(chǎng)森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)和2011年1︰25 000林相圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在Arcgis9.3中，矢量化林相圖，合并相鄰相同屬性的小班，建立橫山林場(chǎng)森林景觀類型圖，同時(shí)生成屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，最后將矢量圖轉(zhuǎn)化為柵格格式，在Fragstat3.3中用于計(jì)算景觀格局指數(shù)。

2.2 景觀要素劃分與指數(shù)選擇

以優(yōu)勢(shì)樹(shù)種、土地種類、林地起源為依據(jù)，建立景觀要素分類系統(tǒng)（圖1）。挑選相關(guān)性小且生態(tài)學(xué)意義明確的景觀指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)橫山林場(chǎng)的景觀格局現(xiàn)狀[9-12]，最終從（1）景觀類型特征（指標(biāo)見(jiàn)表1），（2）斑塊類型水平異質(zhì)性（指標(biāo)見(jiàn)表2），（3）景觀水平異質(zhì)性（指標(biāo)見(jiàn)表3）3個(gè)方面選擇分析指標(biāo)，開(kāi)展景觀格局評(píng)價(jià)。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀斑塊總體特征

橫山林場(chǎng)一級(jí)景觀要素景觀斑塊總數(shù)、總面積、平均斑塊面積見(jiàn)表1。林地為優(yōu)勢(shì)景觀類型，占景觀總面積的98.29%。其他景觀要素類型主要有草地、耕地、工礦用地苗圃地等，斑塊面積僅占1.71%，它們分散在林地中，雖斑塊數(shù)量少，但仍占有一定地位，對(duì)景觀構(gòu)成發(fā)揮著作用。有林地在二級(jí)景觀要素中被進(jìn)一步分為天然林和人工林，其中天然林24 855.13 hm2，占有林地總面積的86.4%，共有313個(gè)斑塊，人工林3 914.52 hm2，占有林地的13.6%，共有522個(gè)斑塊（表1），天然林占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，人工林比重小，但仍起到維持林場(chǎng)森林景觀的穩(wěn)定性的作用，需合理經(jīng)營(yíng)。

圖1 橫山林場(chǎng)景觀要素分類系統(tǒng)

三級(jí)景觀要素將有林地細(xì)分為16類（圖1）。天然闊葉混交林分布特征呈現(xiàn)集中片狀，屬基質(zhì)景觀類型，總面積為9 783.88 hm2，占林場(chǎng)總面積的33.43%（表1），主導(dǎo)整個(gè)森林景觀。天然針葉混交林和針闊混交林斑塊面積比分別為24.52%和22.29%，比重較大，共同維持森林景觀穩(wěn)定性。人工落葉松林和針葉混交林在人工林中占有優(yōu)勢(shì)，斑塊面積比分別為5.25%和3.27%（表1）。其他森林景觀分散分布于有林地中。

形狀指數(shù)AWMSI值的大小與斑塊形狀復(fù)雜程度成反比[14]，該指數(shù)描述的是斑塊形狀空間分布的復(fù)雜程度。表1 可以看出橫山林場(chǎng)各景觀類型的AWMSI值介于1~11.8之間，楓樺林、人工針闊混交林AWMSI值小，表現(xiàn)為分布集中，斑塊形狀簡(jiǎn)單，而闊葉混交林形狀指數(shù)最大，斑塊形狀最復(fù)雜。

表1 景觀要素類型特征指數(shù)

3.2 景觀斑塊類型水平異質(zhì)性分析

景觀要素斑塊之間的空間結(jié)構(gòu)特征，體現(xiàn)在景觀斑塊異質(zhì)性上[13]。人工落葉松林斑塊密度最大，連片狀斑塊少，破碎化程度最高（表2）。比較而言天然闊葉混交林和針闊混交林分布集中，斑塊面積較大，破碎化和異質(zhì)性程度低。楓樺林、云杉林、針葉混交林、針闊混交林等景觀聚集度較高（表2），聚集度反映的是景觀類型空間連接度的優(yōu)劣[14]，聚集度指數(shù)AI值高說(shuō)明這幾種景觀類型的空間連通性較好。而楊樹(shù)林、白樺林的聚集度指數(shù)較小，連通性較差。天然闊葉混交林的邊緣密度ED值最大（表2），斑塊有向外擴(kuò)展趨勢(shì)，斑塊間的能量交換具有較大可能性。楓樺林和草地的ED值相對(duì)較小。

3.3 景觀水平異質(zhì)性分析

景觀多樣性反映景觀格局異質(zhì)性水平，多樣性指數(shù)與景觀空間異質(zhì)性水平成正比。三級(jí)景觀要素香農(nóng)多樣性指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示（表3），橫山林場(chǎng)整體景觀水平多樣性較高，類型豐富，景觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜。香農(nóng)均勻度指數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示各斑塊類型不均勻分布，天然闊葉混交林、針葉林和針闊混交林（表1）等少數(shù)幾種優(yōu)勢(shì)景觀類型支配整個(gè)景觀。蔓延度指數(shù)CONTAG值為62.77（值越趨近100表明景觀中優(yōu)勢(shì)斑塊連通性越好），說(shuō)明該林場(chǎng)景觀含有團(tuán)聚狀大斑塊，連通性尚可，但景觀破碎化程度依然較高，景觀呈現(xiàn)多要素密集格局。相鄰與鄰近百分比PLADJ值反映區(qū)域斑塊的聚集程度，PLADJ值計(jì)算結(jié)果顯示斑塊分散程度較輕（表3）。散布與并列指數(shù)IJI值是景觀分散與相互混雜信息的測(cè)度。研究區(qū)的IJI值為52.98（表3），說(shuō)明景觀斑塊類型之間，鄰接程度較大，景觀豐富。

表2 景觀要素類型異質(zhì)性指數(shù)

表3 景觀水平異質(zhì)性指數(shù)

4 結(jié)論

對(duì)長(zhǎng)白山南坡的橫山林場(chǎng)森林景觀格局的3個(gè)層次進(jìn)行研究，結(jié)果表明：橫山林場(chǎng)是以有林地為優(yōu)勢(shì)，景觀類型豐富，景觀異質(zhì)性較高，并伴隨多種景觀要素斑塊，鑲嵌其中的森林景觀。

森林景觀類型中闊葉混交林面積較大，是研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)森林景觀類型，斑塊形狀復(fù)雜。闊葉混交林、針葉混交林和云杉林的斑塊平均面積較大（表1），聚集度也較大（表2），聯(lián)通性較強(qiáng)。根據(jù)斑塊尺度原理可知，面積較大的斑塊能夠?yàn)楦辔锓N提供生存環(huán)境，維持生境的穩(wěn)定性，從而起到保護(hù)物種和增加多樣性[4，15]。因此這三種森林景觀類型應(yīng)予以關(guān)注，應(yīng)注意控制人為干擾的程度，控制采伐量，防止景觀破碎化。景觀破碎度分析結(jié)果顯示，人工落葉松林破碎化程度最高，闊葉混交林邊緣密度最大，斑塊之間的能量、物種、物質(zhì)的信息交換具有較大潛力。在森林經(jīng)營(yíng)和管理時(shí)應(yīng)特別關(guān)注。

長(zhǎng)白山地區(qū)旅游、采伐、挖掘草藥等人類活動(dòng)導(dǎo)致森林景觀結(jié)構(gòu)破壞，斑塊聯(lián)通性下降，推動(dòng)了景觀破碎化程度[14]。在分析橫山林場(chǎng)森林景觀分類和格局的基礎(chǔ)上，調(diào)整森林景觀結(jié)構(gòu)，劃定保護(hù)關(guān)鍵區(qū)，優(yōu)化森林景觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)分類經(jīng)營(yíng)，是今后工作的重點(diǎn)，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

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（責(zé)任編輯：王團(tuán)榮）

Analysis on Forest Landscape Pattern of South Slope of Changbai Mountains Based on GIS.

MA Lin1,LU Jun2,GAO Cheng-de3, LI Jun-qing4*

(1.Beijing university of civil engineering and architecture，Beijing 102616,China; 2.Aerospace construction group Co. Ltd. Beijing 100071,China;3. Forestry management bureau of Changbai, Changbai 134400,China; 4. Beijing Forestry University, Beijing 100083,China)

Using Fragstats software and ArcMap to analyzed the forest landscape patterns in Hengshan Forest Farm (HFF below) from three aspects of overall landscape characteristics, landscape patch and landscape heterogeneity based on stock state map and survey data of sub-compartment.The results show that the dominant landscape type of HFF was forest land, other landscape types distributed in it with scattered distribution. The Broad-leaved minxed forest is dominated type in the forest landscape with low fragmentation.Generally, there were abundant landscape types and high heterogeneity in the forest landscape, but the plantation landscape’s stand structure was unreasonable. Therefore, we should be adjust the patch structures and protect landscape diversity.

survey data of sub-compartment; landscape type; landscape pattern; Changbai mountain

S 757.2

A

1003-2630（2017）01-0006-05

2017-01-15

馬琳（1985-），女，黑龍江哈爾濱人，博士，研究方向：生物多樣性保護(hù)、景觀生態(tài)學(xué)。Email：malin@bucea.edu.cn

李俊清 Email：lijq@bjfu.edu.cn

北京建筑大學(xué)校設(shè)基金00331616022