四川省近20年天然林資源景觀格局變化研究

姚勁松,楊 鵬,翟 輝,王臘梅

(1.四川省森林和草原防火監(jiān)測中心，四川 成都610084；2.巴中市恩陽區(qū)農(nóng)林局，四川 巴中636000; 3.廣元市昭化區(qū)林業(yè)局，四川 廣元628021;4.甘孜州林業(yè)局，四川 甘孜626000)

1 引言

四川省于1998年開始天然林保護(hù)工程,至今已實施了20余年,森林覆蓋率由1997年的25.23%增長到38.03%，以天然林為代表的森林資源已發(fā)生了較大變化。因此,有必要開展天然林資源動態(tài)變化研究,探討內(nèi)部結(jié)構(gòu)與變化趨勢,摸清變化規(guī)律,為天然林后續(xù)保護(hù)與管理提供科學(xué)參考。

依據(jù)1997年和2017年兩次森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù),結(jié)合景觀生態(tài)學(xué),地統(tǒng)計學(xué)分析技術(shù),從天然林資源分布空間格局角度,選取連通性格局指數(shù),定量分析研究天然林保護(hù)工程前后天然林資源分布的空間格局動態(tài)變化,以期回答天然林保護(hù)工程不但有效恢復(fù)了生態(tài)屏障建設(shè)急需的森林和生態(tài)資源,而且還對資源空間分布的優(yōu)化配置起到了積極的支撐作用。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)使用四川省1997年第5次森林資源連續(xù)清查成果數(shù)據(jù)和2017年四川省第9次森林資源連續(xù)清查成果數(shù)據(jù),以及研究區(qū)域內(nèi)部分森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查、林地保護(hù)利用規(guī)劃、遙感影像等數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

清查數(shù)據(jù)均為矢量點,無法直接計算景觀格局指數(shù)。根據(jù)每個樣地與相鄰樣地按一定規(guī)律分布,反映一定區(qū)域資源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點?？赏ㄟ^樣地與相鄰?fù)愋蜆拥氐倪B接數(shù),與某些景觀格局指數(shù)之間建立數(shù)學(xué)關(guān)系,計算相應(yīng)的景觀格局指數(shù),分析天然林內(nèi)部結(jié)構(gòu)與變化趨勢。本文將指數(shù)進(jìn)行地統(tǒng)計空間插值,分析天然林空間分布格局,科學(xué)分析過去20年間天然林的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律。

指數(shù)選取:在各類景觀格局指數(shù)中,景觀連通性指數(shù)與景觀連接個數(shù)具有相關(guān)性。景觀連通性指數(shù)是景觀格局和生態(tài)過程之間的紐帶[1-5],景觀連通性指數(shù)能定量地闡述景觀格局變化對生態(tài)功能影響。本文選擇景觀連通性指數(shù)作為天然林資源景觀格局變化定量分析的數(shù)量指標(biāo)[6-10],計算公式為:

(1)

式中,n為景觀中斑塊總數(shù);ai、aj分別為斑塊i和斑塊j的面積;nlij為斑塊i和斑塊j之間的連接個數(shù);AL為景觀面積。取值范圍為0≤IIC≤1。當(dāng)值為0時,表示各個生境斑塊之間沒有連接,生態(tài)功能較差;當(dāng)值為1時,表示整個景觀都為生境斑塊,能更有效地發(fā)揮生態(tài)功能。

指數(shù)計算:基于每個連清樣地點鄰域內(nèi)9個點,按照11.5km為搜索半徑,遍歷尋找同類型點,獲取每個樣地與周邊鄰域范圍內(nèi)的同質(zhì)樣地連接個數(shù),并轉(zhuǎn)換為自然對數(shù)。從樣地中隨機(jī)抽出300個,按9個樣地的領(lǐng)域范圍,結(jié)合兩期調(diào)查相同時相的衛(wèi)星影像進(jìn)行目視判讀解譯,并借助森林資源調(diào)查等檔案數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證,精度達(dá)到95%為合格。計算各樣地鄰域景觀連通性指數(shù),隨機(jī)抽取270個解譯計算指數(shù)與相同樣地的鄰域連接個數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析與模型擬合。確定的模型為式(2),相關(guān)系數(shù)為R=0.9484,決定系數(shù)R2=0.9762。

IIC=0.0384X2.575

(2)

用30個解譯計算指數(shù)與對應(yīng)的樣地擬合指數(shù)進(jìn)行精度驗證分析,決定系數(shù)R2=0.9030,擬合模型達(dá)到預(yù)期精度。

地統(tǒng)計分析:計算樣地的景觀連通性指數(shù)后,利用ArcGIS克里金插值模型,將兩期連通性指數(shù)進(jìn)行克里金插值,數(shù)據(jù)插值精度滿足精度后,得到指數(shù)空間分布預(yù)測圖,進(jìn)一步分析過去20年間天然林資源的空間分布格局與變化規(guī)律。

3 結(jié)果及分析

3.1 林地指數(shù)

2017年連清樣地中林地共計5055個,1997年林地共計3942個,兩年度林地景觀特征值見表1。從表1可見,1997年全省平均林地景觀連通性指數(shù)為0.08,2017年上升到0.13,比1997年上升了0.05,表明過去20年間全省林地面積在不斷增加,林地破碎度降低。

表1 林地連通性指數(shù)特征值

3.2 起源指數(shù)

2017年連清林地樣地具有起源屬性共計4810個,1997年共計2582個,兩年度分起源景觀連通性指數(shù)見表2。從表2可見,天然林景觀連通性指數(shù)由1997年的0.05提高到2017年的0.11,指數(shù)值增加了0.06,人工林指數(shù)變化僅為0.01,表明20年間全省天然林面積不斷增加,破碎度逐步降低。天然林指數(shù)值變化與天然林資源變化的關(guān)聯(lián),需要結(jié)合幅員面積內(nèi)的林地與非林地,以及林地內(nèi)天然林的面積和比例等數(shù)據(jù)來進(jìn)行科學(xué)分析與解釋。

表2 起源景觀連通性指數(shù)

從表3可見,當(dāng)全省所有天然林均連片分布時,1997年分布連通理論最大值為0.29,2017年為0.35。1997年實際指數(shù)值為理論指數(shù)值的17.24%,2017年為31.43%,增加了14.19%,表3的天然林資源數(shù)據(jù)各項指標(biāo)變化均與連通指數(shù)具有較高相關(guān)性,連通指數(shù)增加的0.06在全省理論水平上提升了14.19%,與林地、天然林資源總量比較而言,提升比例較明顯。

表3 天然林連通指數(shù)變化分析

3.3 空間分布格局

本文將兩期空間分布的預(yù)測圖按自然分割法同量綱等級劃分為5級(圖1),取指數(shù)最大一級的分布范圍為重點研究區(qū)域,進(jìn)行空間數(shù)據(jù)挖掘,分析和揭示變化趨勢與規(guī)律。結(jié)合圖1、圖2和地形地貌研究指數(shù)變化趨勢表明,近20年天然林分布明顯呈現(xiàn)連片分布的區(qū)域有3個,分別是岷山龍門山區(qū)域、相嶺與涼山區(qū)域和錦屏山螺髻山區(qū)域(圖2),與天然林實際主要分布區(qū)域吻合。

圖1 連通性指數(shù)空間分布預(yù)測

圖2 重點關(guān)注區(qū)域1997—2017年分布

圖3 岷山龍門山區(qū)域1997—2017年分布

岷山龍門山區(qū)域:以岷山和龍門山山系為主要區(qū)域的明顯變化區(qū),圖3中該區(qū)域1997年天然林連通指數(shù)空間插值數(shù)據(jù)集中連片分布的圖斑有4個,圖斑之間均為孤立斑塊,總面積為124987.1hm2;2017年主要有4個圖斑,總面積為1254000.8hm2,2017年比1997年增加了1129013.7hm2,增加比例為90%。2017年圖斑基本在1997年的基礎(chǔ)上連通原有孤立斑塊,呈連片分布趨勢明顯。

圖4 相嶺與涼山區(qū)域1997—2017年分布

相嶺與涼山區(qū)域:以大小相嶺與大小涼山為主要區(qū)域的明顯變化區(qū)見圖4。從圖4可見，該區(qū)域1997年天然林連通指數(shù)空間插值數(shù)據(jù)分布圖斑為7個,均為孤立斑塊,總面積為232874.8hm2;2017年連通為1個圖斑,總面積為1733000.9hm2,比1997年增加了1129013.7hm2,增加比例較大。

錦屏山螺髻山區(qū)域:以錦屏山南端、螺髻山西部為主要區(qū)域的明顯變化區(qū)見圖5。從圖5可見,該區(qū)域1997年天然林連通指數(shù)空間插值數(shù)據(jù)集中連片分布的圖斑有5個,空間分布上既有連通斑塊,也有孤立斑塊,總面積為964839.4hm2;2017年有8個圖斑,總面積為1633855.9hm2,2017年比1997年增加了669016.5hm2,增加比例為69.3%,表明該區(qū)域呈現(xiàn)較高的空間連通分布趨勢。

圖5 錦屏山螺髻山區(qū)域1997—2017年分布

本文將以上3個區(qū)域以外的地區(qū)定義為其他區(qū)域。從圖6可見,該區(qū)域在兩個年度上的空間分布以孤立斑塊為主,在原有孤立斑塊的邊緣進(jìn)行擴(kuò)散,連片集中分布范圍明顯擴(kuò)張,由分散分布轉(zhuǎn)為集中連片分布,且出現(xiàn)較多的新增斑塊。

圖6 其他區(qū)域1997—2017年分布

4 結(jié)論、討論與建議

4.1 結(jié)論

主要是:①通過對林地、起源等景觀連通指數(shù)和變化的分析可知,1997—2017年的20年時間,四川省天然林景觀連接指數(shù)由0.05上升到0.11,增加了0.06,且變化較大區(qū)域均為天保工程實施區(qū)域,表明近20年天保工程促使全省天然林資源集中連通分布,森林生態(tài)功能得到有效提升和發(fā)揮。②天然林景觀格局變化主要由原有孤立斑塊的邊緣擴(kuò)散,連片分布斑塊范圍明顯擴(kuò)張,分散分布已演替為連片分布,新演替出現(xiàn)孤立或連片的斑塊,全省天然林景觀格局空間分布總體呈現(xiàn)連通趨勢。

綜上所述,最近20年實施天保工程不但有效恢復(fù)了生態(tài)屏障建設(shè)急需的森林和生態(tài)資源,而且還對資源空間分布的優(yōu)化配置起到積極支撐作用,對四川省乃至長江中上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善具有不可替代的作用。

4.2 討論與建議

總體來看,近20年四川省天然林資源的變化趨勢總體向好,數(shù)量、質(zhì)量和空間分布都有所提升,生態(tài)功能逐步增強(qiáng)，但局部地區(qū)存在林分質(zhì)量不高、結(jié)構(gòu)不合理、管理保護(hù)措施不到位等問題,應(yīng)引起重視。結(jié)合研究結(jié)論提出以下建議:①雖然研究結(jié)果表明近20年全省天然林在總體數(shù)量、結(jié)構(gòu)上均得到了進(jìn)一步提升,但局部還存在林分質(zhì)量不高等問題,需進(jìn)一步開展科學(xué)技術(shù)研究,探索和提升天然林資源的經(jīng)營管理方法和措施,不斷提升天然林質(zhì)量。②天然林資源孕育了豐富的生物多樣性,是彌足珍貴的自然資源,具有較高的生態(tài)價值和社會價值。本文僅從景觀格局變化角度進(jìn)行了探討與分析,但天然林資源還有許多結(jié)構(gòu)與問題值得研究。建議設(shè)立天然林資源保護(hù)研究基金,加大對天然林的持續(xù)科學(xué)研究,提供科學(xué)理論和技術(shù)方法指導(dǎo)天然林資源的保護(hù)與管理。