基于Kriging的冊亨縣森林景觀穩(wěn)定性分析

劉隆德，王安喜，孟 偉

（1. 貴州省林業(yè)調查規(guī)劃院，貴州 貴陽 550003；2. 冊亨縣林業(yè)局，貴州 冊亨 552200）

基于Kriging的冊亨縣森林景觀穩(wěn)定性分析

劉隆德1，王安喜2，孟 偉1

（1. 貴州省林業(yè)調查規(guī)劃院，貴州 貴陽 550003；2. 冊亨縣林業(yè)局，貴州 冊亨 552200）

基于Kriging（即景觀指標定量化和改進型景觀穩(wěn)定性）對冊亨縣森林景觀進行研究，得出如下結論：（1）有林地是優(yōu)勢森林景觀，分布廣泛，苗圃地斑塊數量最少，分布最集中；（2）6項景觀穩(wěn)定性影響因子，最大斑塊指數對景觀穩(wěn)定性影響最大，平均分維數影響程度最?。唬?）各鄉(xiāng)鎮(zhèn)景觀穩(wěn)定性差異顯著，紫膠場森林景觀遭受破壞較為嚴重，其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)場森林景觀結構較完整；（4）冊亨縣2015年森林景觀穩(wěn)定性整體處于較高水平，

東部生態(tài)環(huán)境良好，森林景觀結構完整，中部次之，西部最差。通過對冊亨縣森林景觀穩(wěn)定性進行研究，為冊亨縣科學合理規(guī)劃建設森林景觀提供指導。

Kriging；森林景觀；景觀格局；景觀穩(wěn)定性

景觀穩(wěn)定性是景觀生態(tài)學與生態(tài)學研究過程中復雜且重要的內容之一，主要包括兩個方面：一方面是生態(tài)系統(tǒng)維持現(xiàn)狀的能力，即對外界的抗干擾能力；另一方面是指生態(tài)系統(tǒng)遭受外界干擾之后的恢復能力，即受干擾破壞之后的恢復原狀能力[1]。當前針對景觀穩(wěn)定性的定義和解釋主要從兩方面：一種是Forman等設計的通過景觀的12種變化觀測判斷景觀穩(wěn)定性變化[2]；另外一種從景觀抗外界干擾能力評價景觀穩(wěn)定性。但國內外學者沒有達成一致。Honing將景觀穩(wěn)定性定義成為景觀某種特有屬性，當生態(tài)系統(tǒng)自然變化更新時，區(qū)域景觀的某種現(xiàn)象在自身生存環(huán)境中消失，當生態(tài)系統(tǒng)再次發(fā)生動態(tài)變化時，該現(xiàn)象重新出現(xiàn)[3]；龔俊杰等學者根據研究成果將景觀穩(wěn)定性歸納為景觀持久性、景觀恢復能力和景觀抗干擾能力[4]。本論文針對當前學者研究成果，利用改進型景觀穩(wěn)定性模型對冊亨縣森林景觀穩(wěn)定性進行研究。

1 研究區(qū)概況

冊亨縣介于24°71′～ 24°94′N，105°79′～106°05′E，位于貴州西南部。地處南、北盤江交匯地帶，東與望謨隔北盤江相望，南隔南盤江與廣西田林、樂業(yè)、隆林3縣毗鄰，西北與安龍、貞豐相接，面積2 598 km2。屬亞熱帶溫暖濕潤季風氣候，主要特點是冬無嚴寒，夏季炎熱，夏濕春干，雨熱同季，春暖早、秋涼遲。地勢西北高，東南低，多種喀斯特個體形態(tài)在不同區(qū)域有規(guī)律的組合。平均海拔830 m，最高海拔1 634 m，最低海拔301 m。西北大部分地區(qū)海拔在900～1 200 m之間，中部900 m左右，東南部400～600 m之間。近幾年，冊亨縣政府響應國家主體功能區(qū)示范縣和南部片區(qū)生態(tài)經濟產業(yè)園區(qū)建設，加大生態(tài)保護和環(huán)境治理力度，大力實施“石漠化山頭綠起來”三年攻堅行動、“以樹為綱·綠色小康”行動和“153”工程，治理石漠化（巖溶）327.63 km2，營造林2.99×104hm2[5]。

2 研究方法

2.1 數據來源與處理

主要選取冊亨縣2015年度林地變更調查小班數據，冊亨縣功能區(qū)劃數據、流域森林分布圖、衛(wèi)星遙感影像圖等。依據前人森林景觀相關研究成果和貴州省二類調查技術規(guī)程，同時根據研究需要，將區(qū)域森林景觀分為7種森林景觀，分別為宜林地、無立木林地、有林地、未成林地、灌木林地、疏林地和苗圃地。在ArcGIS10.2將小班數據轉換為柵格數據，以符合景觀指數計算要求。將柵格數據導入景觀軟件Fragstas4.2中進行景觀指數計算。將景觀指數帶入改進型穩(wěn)定性評價模型進行森林景觀穩(wěn)定性研究[6]。

圖1 冊亨縣森林景觀分布Fig.1 Distribution of forest landscape

2.2 景觀指數的選擇

景觀指數主要包括3種，分別為斑塊尺度（patch）、景觀類型尺度（class）、景觀尺度（landscape），其定量說明景觀特征和變化趨勢。根據各景觀指數表征意義相關性差異，本論文針對景觀穩(wěn)定性的研究主要選取具有代表性的6個指數，分別為斑塊密度（PD）、最大斑塊指數（LPI）、斑塊豐富度密度（LPD）、景觀形狀指數（LSI）、平均分維數（MPFD）和分離度（DIVISION）。

2.3 改進型景觀穩(wěn)定性評價模型

以景觀指數是否有利于景觀格局穩(wěn)定性為標準，將景觀指數分為正負指標，有利于景觀格局穩(wěn)定性為正指標，否則為負指標[7-10]。本論文選取6個景觀指標，分別對其進行無量綱化處理，消除量綱影響，公式為：

式中，X′i是無量綱標準指標值，xi是原指標值，ximax原指標最大值，ximin原指標最小值。xi值越大，景觀格局穩(wěn)定性越好，該指標為正指標；xi值越大，景觀格局穩(wěn)定性越差時，該指標為負指標。

景觀指數無量綱化之后，利用主成分分析法計算6項景觀指標權重，并加權求和得出網格景觀穩(wěn)定性評價指數。由主成分分析得出各景觀指數權重（ωi）：

式中λi為主成分i的貢獻率，m為主成分個數。由各主成分方差貢獻率計算權重。

式中Fj為區(qū)域j景觀格局穩(wěn)定性指數，zi為穩(wěn)定性評價景觀指標無量綱值。

式中：Z(F0)為未知點景觀穩(wěn)定性指數，Z(Fj)為未知樣點周圍的已知樣本點的景觀穩(wěn)定性指數，λj為第j個已知樣本點對未知樣點的權重，N為已知樣本點的個數。

3 結果與分析

3.1 森林景觀類型特征

景觀差異由景觀組成要素引起，各景觀要素組合特征受生態(tài)過程及景觀格局影響，同時，景觀構型對景觀生態(tài)過程（如物質能量的流動、物種遷移擴散和定居格局等）也有重要影響。由表1可知，主要選取斑塊面積、斑塊數量和面積百分比3個指標衡量2015年冊亨縣森林景觀類型特征。有林地和灌木林地面積占總面積76.16%，是冊亨縣主要森林景觀類型，其中有林地占總面積近50%，斑塊數量最多，是冊亨縣的優(yōu)勢森林景觀，灌木林地的面積和斑塊數量次之，苗圃地景觀類型面積較小，面積僅占0.01%，斑塊數量最少，僅有1塊。由斑塊面積和斑塊數量對比分析可知，苗圃地斑塊數量最少，分布最集中，有林地面積最大，且斑塊數量最多，表明有林地在冊亨縣分布廣泛。

表1 森林景觀特征Table 1 Forest landscape characteristics

3.2 森林景觀穩(wěn)定性

森林景觀穩(wěn)定性直接影響冊亨縣生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定，是冊亨縣景觀結構特征的主要體現(xiàn)。本研究主要基于60 m的森林景觀柵格數據，進行冊亨縣景觀穩(wěn)定性研究。在研究過程中，結合冊亨縣景觀類型特征及前人的研究成果，主要選取6個景觀指標，其中正指標X1斑塊密度、X2最大斑塊指數、X3斑塊豐富度密度，負指標X4景觀形狀指數、X5平均分維數、X6分離度，將6項景觀指數進行無量綱化處理，再帶入SPSS19.0進行主成分分析。

表2 特征值與主成分貢獻率Table 2 Eigen value and the contribution rate of principal components

由表2可知，前2個指標累計貢獻率高達88.644%，滿足85%的要求，因此選取前2個指標作為主成分，能夠充分反映冊亨縣景觀類型信息，滿足景觀穩(wěn)定性評價的要求。

表3 主成分載荷矩陣Table 3 Principal component loading matrix

由表3可知，主成分ZC1在X1斑塊密度、X2最大斑塊指數、X3斑塊豐富度密度、X5平均分維數、X6分離度4個因子上載荷分別為0.826、0.797、0.832、0.701和0.807，均超過70%，表明主成分ZC1綜合表征5個變量因子信息，表達出景觀異質性特征。主成分ZC2在X4景觀形狀指數載荷0.526，因子載荷表明主成分ZC2綜合表征景觀類型組成結構特征。

表4 景觀穩(wěn)定性指數權重Table 4 Landscape stability index weightings

根據上述計算得出2015年冊亨縣景觀穩(wěn)定性指標權重，由表4可以看出6項穩(wěn)定性因子權重差異顯著，其權重值排序為最大斑塊指數＞分離度＞景觀形狀指數＞斑塊豐富度密度＞斑塊密度＞平均分維數。其中平均分維數權重最小，為0.069 9，最大斑塊指數權重最大，為0.252 9。綜上分析可知，最大斑塊指數對冊亨縣景觀穩(wěn)定性影響大于其他5項景觀指標，平均分維數影響程度最小，小于其他5項景觀指標。

表5 冊亨縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)景觀穩(wěn)定值Table 5 Landscape value of townships

由景觀穩(wěn)定指標權重值和無量綱化景觀指數加權求和得出對應各鄉(xiāng)鎮(zhèn)景觀穩(wěn)定性指數。由表5和圖2可知，2015年冊亨縣生態(tài)環(huán)境整體良好，但各鄉(xiāng)鎮(zhèn)景觀穩(wěn)定性差異較顯著，其中紫膠場景觀穩(wěn)定值最小，僅0.455 7，表明紫膠場生態(tài)環(huán)境遭受一定程度破壞，森林景觀結構發(fā)生變化，使得景觀穩(wěn)定性較差。巖架鎮(zhèn)、弼佑鄉(xiāng)等12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)景觀穩(wěn)定值均大于0.8，其中巖架鎮(zhèn)景觀穩(wěn)定值最大，弼佑鄉(xiāng)景觀穩(wěn)定值次之，表明巖架鎮(zhèn)、弼佑鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境保護較好，森林景觀結構完整。綜上分析可知，2015年冊亨縣生態(tài)環(huán)境整體良好，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)景觀穩(wěn)定性差異顯著，紫膠場森林景觀遭受破壞較為嚴重，景觀穩(wěn)定性遭受影響，應加大森林景觀的保護力度，其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林景觀結構較完整，景觀穩(wěn)定性較好，應繼續(xù)維持當前保護力度，促進森林景觀結構更加合理。

圖2 冊亨縣景觀穩(wěn)定性值雷達圖Fig.2 Landscape stability radar

3.3 景觀穩(wěn)定性分布特征

各鄉(xiāng)鎮(zhèn)景觀穩(wěn)定值賦于鄉(xiāng)鎮(zhèn)質心點，利用Kriging插值得出冊亨縣森林景觀穩(wěn)定性空間分布。由圖3可知，根據Jenks最佳自然斷裂法，將冊亨縣景觀穩(wěn)定性劃分成為5個等級：[0.674 2，0.703 9），（0.704 0，0.733 7），（0.733 8，0.763 4），（0.763 5，0.793 1），（0.793 2，0.822 9]，冊亨縣森林景觀穩(wěn)定性區(qū)域分布特征顯著，東部景觀穩(wěn)定性較好，中部景觀穩(wěn)定性次之，西部景觀穩(wěn)定性較差。其中景觀穩(wěn)定值較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)場分布于該區(qū)域，包括坡妹鎮(zhèn)、慶坪鄉(xiāng)、巖架鎮(zhèn)、者樓鎮(zhèn)、秧壩鎮(zhèn)、弼佑鄉(xiāng)、百口鄉(xiāng)、雙江鎮(zhèn)、冗渡鎮(zhèn)等，冊亨縣最大的共青林場分布于該區(qū)域內，表明冊亨縣東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)環(huán)境保護良好，森林景觀結構完整。中部景觀穩(wěn)定性次之，該區(qū)域內主要分布威旁鄉(xiāng)、丫他鎮(zhèn)、八渡鎮(zhèn)和巧馬鎮(zhèn)，其中秧壩林場分布于該區(qū)域，表明該區(qū)域相比冊亨縣東部森林保護有所差異，導致森林景觀結構變化，影響景觀穩(wěn)定性。西部景觀穩(wěn)定性較差，該區(qū)域內主要有巧馬林場、巧馬鎮(zhèn)和紫膠場，表明該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護力度處于全縣最后，生態(tài)環(huán)境遭受一定程度破壞。綜上分析可知，冊亨縣2015年森林景觀穩(wěn)定性整體處于較高水平，但縣域范圍內分布區(qū)域差異顯著，東部生態(tài)環(huán)境良好，森林景觀結構完整，中部次之，西部最差，應加強中部和西部的生態(tài)保護，同時維持東部生態(tài)保護力度。

圖3 冊亨縣森林景觀穩(wěn)定性分布Fig.3 Forest landscape stability in Ceheng county distribution

4 結論與討論

本論文基于Kriging（即景觀指標定量化和改進型景觀穩(wěn)定性）對冊亨縣森林景觀進行研究，得出如下結論：

（1）有林地和灌木林地是冊亨縣主要森林景觀類型，其中有林地是優(yōu)勢森林景觀，分布廣泛；灌木林地次之，苗圃地斑塊數量最少，分布最集中。

（2）6項景觀穩(wěn)定性影響因子，最大斑塊指數對冊亨縣景觀穩(wěn)定性影響大于其他5項景觀指標，平均分維數影響程度最小，小于其他5項景觀指標。

（3）2015年冊亨縣生態(tài)環(huán)境整體良好，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)景觀穩(wěn)定性差異顯著，紫膠場森林景觀遭受破壞較為嚴重，應加大森林景觀的保護力度，其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)場森林景觀結構較完整，應繼續(xù)維持當前保護力度。

（4）冊亨縣2015年森林景觀穩(wěn)定性整體處于較高水平，分布區(qū)域差異顯著，東部生態(tài)環(huán)境良好，森林景觀結構完整，中部次之，西部最差，應加強中部和西部的生態(tài)保護，同時維持東部生態(tài)保護力度。

當前針對景觀穩(wěn)定性的研究方法主要有：直接分析法，即利用統(tǒng)計學原理，從生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性角度出發(fā)對景觀穩(wěn)定性分析，該方法籠統(tǒng)、主觀性較強；構建景觀穩(wěn)定性評價模型，該方法需要極高數學造詣和長期的研究成果，還需要交叉學科，因此該方法對大部分學者尚不使用；利用3S技術對景觀穩(wěn)定性評價，該方法使景觀分類、景觀特征量化、景觀穩(wěn)定性評價結果更加精確直觀。本研究結合總結研究當前研究特征，引入數學模型，構建景觀穩(wěn)定性評價模型，對冊亨縣森林景觀穩(wěn)定性進行研究，為冊亨縣科學合理規(guī)劃建設森林景觀提供指導。但本論文研究層次主要基于二維水平研究，未充分考慮地形對森林景觀特征和景觀穩(wěn)定性的影響。

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Ceheng county forest landscape stability analysis based on Kriging

LIU Longde1, WANG Anxi2, MENG Wei1
(1.Guizhou Forestry Survey Planning Institute, Guiyang 550003, Guizhou, China;2. Ceheng County Forestry Bureau, Ceheng 552200, Guizhou, China)

Based on landscape index quantitative of and improved type landscape stability on Ceheng forest landscape, obtained following conclusions: (1) has woodland is advantage forest landscape, distribution widely, nursery to spot block number at least,distribution most concentrated; (2) 6 items landscape stability effect factor, maximum spot block index on landscape stability effect maximum, average points dimension number effect degree minimum; (3) the township landscape stability differences significantly,purple rubber fi eld forest landscape suffered damage more serious, other Township fi eld forest landscape structure more full; (4) Ceheng county 2015 forest landscape stability at a high level as a whole, east of good ecological environment, forest landscape structure,followed by the central, and west is the worst. Through the study on stability of forest landscape in Ceheng county, provide a scienti fi c and rational planning guidance for construction forest landscape in Ceheng county.

Kriging; forest landscape; landscape pattern; landscape stability

S718.55

A

1673-923X(2017)11-0014-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.11.003

2017-03-09

國家林業(yè)公益性行業(yè)項目“南方集體林區(qū)次生林撫育間伐與高效利用技術研究”（201004032）

劉隆德，高級工程師；E-mail：625981532@qq.com

劉隆德，王安喜，孟 偉.基于Kriging的冊亨縣森林景觀穩(wěn)定性分析[J].中南林業(yè)科技大學學報，2017, 37(11): 14-18, 29.

[本文編校：吳 毅]