基于遙感的賽罕烏拉森林斑塊特征與動(dòng)態(tài)分析

金紅艷,孫紫英*,周 梅,王琸鑫,舒 洋,趙鵬武

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院,呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,呼和浩特 010018；3.內(nèi)蒙古賽罕烏拉森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站,赤峰 024000)

森林是一種重要的自然資源,它為人類(lèi)生活提供各種木材和經(jīng)濟(jì)植物[1],同時(shí)也為人類(lèi)生存創(chuàng)造條件?；谥袊?guó)第八次森林資源清查,森林面積顯著增長(zhǎng),但森林破碎化問(wèn)題日益凸顯[2]。而森林斑塊則是森林破碎的產(chǎn)物,是連續(xù)的森林覆蓋被非林地分割而產(chǎn)生的。森林斑塊作為森林破碎的最終環(huán)節(jié),既是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分,又是森林退化的初步表現(xiàn)。斑塊的大小及數(shù)量是描述森林斑塊的重要指標(biāo),可從這些指標(biāo)的變化來(lái)揭示研究地區(qū)森林變化過(guò)程中斑塊的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[3]。

現(xiàn)階段,森林斑塊面積對(duì)地上生物量的影響比較顯著,研究保護(hù)和建設(shè)較大的森林斑塊,有助于提高森林的碳匯作用[4]。要保持高物種多樣性和豐富性,保護(hù)工作應(yīng)確?，F(xiàn)有的森林斑塊[5]。森林斑塊的減少會(huì)增加樹(shù)木死亡率,導(dǎo)致植物和動(dòng)物物種組成的變化[6]。森林內(nèi)部物種豐富度和豐都隨斑塊大小的增加而顯著增加,而邊緣物種豐度則不增加[7]。森林斑塊的空間環(huán)境是非常重要的,因?yàn)榘邏K的變化會(huì)改變剩余斑塊的周?chē)h(huán)境,森林斑塊的增加和隔離導(dǎo)致植被被抑制[8]。多個(gè)季節(jié)的森林斑塊對(duì)森林鳥(niǎo)類(lèi)有不同的影響[9]。不同的斑塊格局類(lèi)型具有不同的侵蝕模數(shù),合理的斑塊格局有利于控制水土流失[10]。森林斑塊的遷移和變化可以反映森林植被的恢復(fù)和增長(zhǎng)[11]。因此定量分析一定時(shí)間內(nèi)森林斑塊時(shí)空動(dòng)態(tài)規(guī)律,有助于森林資源的保護(hù)與發(fā)展。但目前基于不同地形的森林斑塊研究相對(duì)較少,故選取2006年、2016年Landsat5和Landsat8遙感影像從高程、坡度和坡向幾個(gè)角度,對(duì)賽罕烏拉的森林斑塊量化分析研究,分析賽罕烏拉森林斑塊與高程、坡度和坡向的相互關(guān)系,以期為促進(jìn)研究區(qū)域森林資源的利用,對(duì)森林斑塊的演變和遷移研究提供有益的補(bǔ)充、借鑒和參考。

1 研究區(qū)域

賽罕烏拉國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于大興安嶺南段中部的中低山區(qū)[12],地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°18′～118°55′,北緯43°59′～44°27′。總面積超過(guò)1 000 km2,最高點(diǎn)海拔超過(guò)1 900 m。賽罕烏拉地處中溫帶半濕潤(rùn)溫寒氣候區(qū)[12-13]。氣候多為夏季短促而炎熱,降水量比較集中,冬季漫長(zhǎng)而寒冷,降雪量較少。光照充足,太陽(yáng)輔射強(qiáng)度大,光能資源豐富[14]。賽罕烏拉生物多樣性資源非常豐富,共有2 512種動(dòng)植物,其中野生哺乳動(dòng)物38種,野生維管束植物792種。內(nèi)蒙古賽罕烏拉國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)主要有烏蘭壩河、海清河、灰通河等10條河流,年徑流量近億立方米。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

分別選取2016年8月8日Landsat8和2006年8月29日Landsat5夏季云少的天氣情況下的遙感圖像(空間分辨率為30 m),以及研究區(qū)的數(shù)字高程模型(digital elevation modal，DEM)影像。

2.2 研究方法

研究區(qū)Landast TM影像、DEM 影像在遙感(remote sensing，RS)和地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)支持下提取研究區(qū)森林斑塊和高程、坡度、坡向信息,得到森林斑塊、高程、坡度、坡向4張圖層,可以定量描述森林斑塊的空間分布,探求其中的分布規(guī)律。研究中應(yīng)用 ENVI5.1軟件進(jìn)行遙感影像的處理與分類(lèi)；應(yīng)用 ARCGIS10.2軟件進(jìn)行圖層疊置分析[15],分析賽罕烏拉林區(qū)內(nèi)地形因子與森林斑塊分布的關(guān)系,并進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)。

2.2.1 地形信息提取

以研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)(空間分辨率30 m)為基礎(chǔ),借助Arc GIS10.2空間分析功能,分別提取研究區(qū)的坡向、坡度、高程數(shù)據(jù),并輸出為柵格和矢量數(shù)據(jù)[16]。利用Arcgis中的Relassify功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)究區(qū)坡向、坡度和高程值的重分類(lèi)[17]，如表1所示。高程采用自然段點(diǎn)法分自最低點(diǎn)為10級(jí)。

表1 坡向、坡度與高程的分級(jí)Table 1 Grading of slope direction,slope and elevation

2.2.2 森林斑塊空間疊置分析

通過(guò) Landast TM 影像的判讀和監(jiān)督分類(lèi),結(jié)合實(shí)地調(diào)查、目視解譯等方法,將遙感分類(lèi)結(jié)果生成研究區(qū)內(nèi)的森林斑塊分布圖。按照數(shù)據(jù)格式的差異,將斑塊提取的方式分為以下兩種方式:①在矢量數(shù)據(jù)中,將不同的單個(gè)多邊形各類(lèi)斑塊進(jìn)行編號(hào)并把所有斑塊數(shù)據(jù)批量提?。虎谠跂鸥駭?shù)據(jù)中,各類(lèi)斑塊表現(xiàn)為像素值相同的同一塊區(qū)域,因此在 Arc GIS 中用 Region Group 工具劃分斑塊,卻不能將斑塊單個(gè)提取出來(lái)[18]。因此將提取的斑塊轉(zhuǎn)回為柵格數(shù)據(jù),再對(duì)柵格斑塊數(shù)據(jù)按所需的聚合窗口大小進(jìn)行聚合,并同時(shí)計(jì)算斑塊的面積、數(shù)量指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,將森林斑塊矢量圖與高程分級(jí)矢量圖、坡度分級(jí)矢量圖、坡向分級(jí)矢量圖進(jìn)行疊加分析[19],得到不同高程分級(jí)區(qū)域、坡度分級(jí)區(qū)域和坡向分級(jí)區(qū)域土地利用的森林斑塊空間分布數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)森林斑塊10年間分布情況

通過(guò)對(duì)研究區(qū)影像的處理,提取出2006年及2016年的森林覆蓋情況,從而得到森林斑塊的分布情況,并按計(jì)算出來(lái)的各個(gè)斑塊面積進(jìn)行數(shù)量劃分,并歸類(lèi)為3種斑塊,分別為大斑塊(40～80 hm2)、中斑塊(10～40 hm2)、小斑塊(0～10 hm2)。(1 hm2=104m2)其中2006森林斑塊的總數(shù)量為 1 229塊,總面積為4 904.170 hm2。大斑塊數(shù)量為26塊,占總斑塊數(shù)量的2.12%,平均斑塊面積為 60.804 hm2,占總斑塊面積的32.22%；中斑塊數(shù)量為84塊,占總斑塊數(shù)量的6.83%,平均斑塊面積為19.995 hm2,占總斑塊面積的34.19%；小斑塊數(shù)量為1 119塊,占總斑塊的91.05%,平均斑塊面積為1.469 hm2,占總斑塊面積的33.59%。

2016年森林斑塊的總數(shù)量為1 099塊,總面積為 4 385.440 hm2。大斑塊數(shù)量為22塊,占總斑塊數(shù)量的2.002%,平均斑塊面積較2006年大斑塊減少4.072 hm2,退化比例為21.05%,占總斑塊面積的28.44%；中斑塊數(shù)量為82塊,占總斑塊數(shù)量的7.46%,平均面積比2006年中斑塊增加0.832 hm2,改善比例為1.15%,占總斑塊面積的38.86%；小斑塊數(shù)量為995塊,占總斑塊的90.53%,平均面積較2006年減少0.029 hm2,退化比例為12.81%,占總斑塊面積的32.70%。

3.2 不同坡向下森林斑塊的分布

從賽罕烏拉不同坡向上的森林斑塊總面積變化看,如表2、圖1、圖2所示,2006年及2016年森林斑塊主要分布在陽(yáng)坡上,2006年森林斑塊占總斑塊面積的47.75%,而2016年所占比重下降4.06%。其中大斑塊在2006年及2016年多分布于陰坡和陽(yáng)坡,分別占大斑塊總面積的73.26%和77.02%；中斑塊均在平地、陽(yáng)坡、陰坡均勻分布,但陽(yáng)坡的中斑塊的面積明顯高于平地和陰坡的；小斑塊多分布于陰坡和陽(yáng)坡,分別占小斑塊總面積的89.22%和86.43%。

表2 賽罕烏拉2006—2016年森林斑塊在坡向上的面積變化Table 2 Change of forestpatches area at slope direction in Saihanwula in 2006—2016

圖1 賽罕烏拉2006年森林斑塊在不同坡向上的分布Fig.1 Distribution of forest patches on different slopedirection in 2006 of Saihanwula

圖2 賽罕烏拉2016年森林斑塊在不同坡向上的分布Fig.2 Distribution of forest patches on different slope direction in 2016 of Saihanwula

如圖3所示,對(duì)比2006年、2016年森林斑塊數(shù)量在坡向上的變化,發(fā)現(xiàn)10年間,大斑塊的數(shù)量和面積都在減少,中斑塊的數(shù)量雖然在減少,但是面積反而增加了,這說(shuō)明可能有一些大斑塊轉(zhuǎn)化成了中斑塊,小斑塊的數(shù)量和面積同樣在減少,雖然在平地上面積略有增加,但也不能改變總面積的減少趨勢(shì)。

圖3 賽罕烏拉2006—2016年森林斑塊在坡向上的數(shù)量變化Fig.3 Changes of forest patches in slope direction from 2006 to 2016 in Saihanwula

3.3 不同坡度下森林斑塊的分布

由表3可知,從賽罕烏拉不同坡度上的面積變化看,2006年及2016年50%以上的斑塊森林斑塊都分布在0°～5°的平坡上,分別占總斑塊面積的57.00%和52.54%,且隨著坡度的增加斑塊數(shù)量減少。其中大斑塊多分布于平坡上,2006年有占大斑塊總面積81.88%大斑塊分布在平坡上,而2016年下降為64.02%,10年間26°以上的坡面大斑塊數(shù)量均為0；2006年中斑塊主要分布在平坡和緩坡,占中斑塊總面積的90.64%,而2016年的中斑塊主要分布在平坡上,占中斑塊總面積的63.88%,36°以上的坡面中中斑塊數(shù)量為0；2006年、2016年的小斑塊均多分布于6°～15°的緩坡上,分別占小斑塊總面積的43.24%和52.26%,2006年46°以上的坡面小斑塊數(shù)量為0,2016年41°以上的坡面小斑塊數(shù)量為0。斑塊分布變化如圖4、圖5所示。

圖4 賽罕烏拉2006年森林斑塊在不同坡度上的分布Fig.4 Distribution of forest patches on different slope in 2006 of Saihanwula

圖5 賽罕烏拉2016年森林斑塊在不同坡度上的分布Fig.5 Distribution of forest patches on different slope in 2016 of Saihanwula

表3 賽罕烏拉2006—2016年森林斑塊在坡度上的面積變化Table 3 Change of forest patches area at slope in Saihanwula in 2006—2016

圖6所示為2006年與2016年森林斑塊數(shù)量在坡度上的變化。大斑塊數(shù)量和面積總體在減少,但在緩坡和斜坡上略有增加；中斑塊在平坡上大量增加,在斜坡上稍有增加,在其他坡度上均為減少；小斑塊在緩坡和斜坡上稍有增加,其他坡度上均為減少,在41°～45°的急坡上,由2006年的4個(gè)小斑塊減少至0。

圖6 賽罕烏拉2006—2016年森林斑塊在坡度上的數(shù)量變化Fig.6 Changes in the number of forest patches in slope from 2006 to 2016 in Saihanwula

3.4 不同高程下森林斑塊的分布

由表4可以看出,從賽罕烏拉不同高程上的面積變化看,2006年及2016年森林斑塊主要分布在4級(jí)、5級(jí)高程上,分別占總斑塊面積的48.87%和41.25%,其次多分布在2級(jí)、3級(jí)高程上,2006年占總斑塊面積的30.55%,而2016年所占比例則下降了2.75%。2006年有占大斑塊總面積的29.42%分布在5級(jí)高程上,2016年則增加至36.23%。剩余大斑塊多分布在3、4級(jí)高程上,分別占大斑塊總面積的43.18%和36.47%；相較于大斑塊,中斑塊多分布在4、5級(jí)高程上,分別占中斑塊總面積的56.32%和53.82%,之后是2級(jí)和3級(jí)高程,分別占中斑塊總面積的28.23%和23.52%；小斑主要在 2～5級(jí)高程上,其中有43.10%和56.12%的小斑塊分布在3、4級(jí)高程上,其余分布在2級(jí)和5級(jí)高程上,分別占小斑塊總面積的30.07%和42.31%。斑塊分布變化如圖7、圖8所示。

表4 賽罕烏拉2006—2016年森林斑塊在高程上的面積變化Table 4 Change of forest patches area at elevation in Saihanwula in 2006—2016

圖7 賽罕烏拉2006年森林斑塊在不同高程上的分布Fig.7 Distribution of forest patches on different elevation in 2006 in Saihanwula

圖8 賽罕烏拉2016年森林斑塊在不同高程上的分布Fig.8 Distribution of forest patches on different elevation in 2016 in Saihanwula

如圖9所示,分析2006年和2016年森林斑塊數(shù)量面積在高程上的變化,除7級(jí)高程以外的大斑塊均為減少,1 351～1 442 m的7級(jí)高程下增加了一個(gè)斑塊,8、9、10級(jí)高程斑塊均減少到0；中斑塊在5級(jí)高程以下均為減少,5級(jí)高程以上多為增加；小斑塊從2級(jí)至5級(jí)面積數(shù)量增加,其余均為減少。

圖9 賽罕烏拉2006—2016年森林斑塊在高程上的數(shù)量變化 Fig.9 Changes of forest patches in elevation in Saihanwula from 2006 to 2016

4 討論

(1)對(duì)比2006年與2016年的森林斑塊總體數(shù)量及面積都有明顯減少,一是因?yàn)榻晁謼l件的改變以及大面積病蟲(chóng)害的暴發(fā),致使林木大量枯死。林木枯死主要受病蟲(chóng)害及立地條件的影響,大量枯立木經(jīng)過(guò)風(fēng)蝕或枯死形成林冠空隙。因此,由成片的森林形成不同類(lèi)型的林木斑塊,其中不同面積森林斑塊也逐漸縮小,甚至消失。二是賽罕烏拉位處于半干旱區(qū)森林與草原的過(guò)渡帶,其植被類(lèi)型及氣候的復(fù)雜性和變化性都非常大,是同時(shí)由于賽罕烏拉多落葉闊葉林,耐旱程度低于針葉林,所以該研究區(qū)樹(shù)木死亡現(xiàn)象嚴(yán)重,所以樹(shù)木發(fā)生大面積的死亡,同時(shí),賽罕烏拉落葉闊葉林處于農(nóng)牧交錯(cuò)帶,受人為活動(dòng)干擾的原因也較多。三為賽罕烏拉保護(hù)區(qū)中小徑級(jí)的樹(shù)木較多,樹(shù)木脆弱,因此該地區(qū)的樹(shù)木死亡率比較高。在賽罕烏拉內(nèi),山楊死亡率可以多達(dá)65%,黑樺死亡率也為4.8%；死亡樹(shù)木主要集中在10～20 cm徑級(jí)內(nèi)[20]。大斑塊的面積減少尤其明顯,也是3種斑塊類(lèi)型中面積減少最多的,平均每塊斑塊減少了4 hm2。森林大斑塊樹(shù)種多為山楊,因?yàn)樯綏畹葹榘樯N,處于不同程度的受壓狀態(tài),所以死亡最多；中斑塊的數(shù)量雖然減少了,但平均面積卻增加了,是部分消失的大斑塊轉(zhuǎn)化為中斑塊,增加了中斑塊的總面積；小斑塊的數(shù)量是減少最明顯的,因?yàn)樾“邏K一般散落在森林的邊緣,易受到各類(lèi)干擾導(dǎo)致小面積的斑塊消失,平均面積減少幅度比較小,是因?yàn)椴糠譁p少的中斑塊轉(zhuǎn)化為小斑塊,同樣為小斑塊增加了總面積。

(2)分析研究區(qū)2006年與2016年森林不同類(lèi)型斑塊在坡向上的分布,森林斑塊更容易在陽(yáng)坡上生長(zhǎng)和生存,陽(yáng)坡的各類(lèi)型斑塊面積也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陰坡和平面。通常來(lái)說(shuō)陽(yáng)坡就是面向太陽(yáng)的一面坡,降雨量大,日照也強(qiáng),溫度和濕度的變化幅度相較陰坡要強(qiáng),因此巖石風(fēng)化作用十分強(qiáng)烈,而降雨多使得山坡上含有有機(jī)質(zhì)的土壤層被沖刷掉不少,所以陽(yáng)坡一般石多土少,土層淺薄,不適合高大的植被生長(zhǎng)。陰坡相對(duì)植被更稠密一些。其接受的太陽(yáng)照射多,對(duì)應(yīng)的植物光合作用強(qiáng),茂密程度相對(duì)高,加之賽罕烏拉年降雨量400 mm,雨量充沛,因此更適宜樹(shù)木生長(zhǎng)。斑塊是森林退化的初步表現(xiàn),因此陽(yáng)坡的斑塊才會(huì)如此之多。而陰坡的各類(lèi)型斑塊減少,是因?yàn)?0年間的森林面積減少所致。疊置在坡向上的大中小3類(lèi)斑塊呈現(xiàn)的特點(diǎn)是大斑塊均為減少,中斑塊在平面和陽(yáng)坡上略有增加,陰坡上的面積減少,小斑塊除平面外,同樣大量減少。

(3)比對(duì)2006年及2016年森林不同類(lèi)型斑塊在坡度上的分布,觀察到大中小斑塊均多分布在坡度小于15°的坡面上,26°以上的坡面,大中小斑塊接連消失,分析是因?yàn)槠旅嫔系乃魉俣扰c坡度成正比,流速越快,徑流量越大,沖刷掉的土壤量也越多,因此坡度影響地表徑流和排水狀況,同時(shí)影響土壤厚度和土壤含水量。所以,坡度越大的坡面,樹(shù)木的生長(zhǎng)越艱難,兩者負(fù)相關(guān)[21]。而在16°～25°的坡面上,各類(lèi)型斑塊10年間均有增加,是表現(xiàn)斜坡上的森林破碎最為嚴(yán)重,原因是斜坡坡面多分布在半陰坡、半陽(yáng)坡及陽(yáng)坡上,因此導(dǎo)致各類(lèi)型斑塊的增加[22]。分析3類(lèi)斑塊在坡度的變化,大斑塊在平坡上大量減少,緩坡和斜坡上稍有增加,中斑塊受大斑塊變動(dòng)的影響,平坡上大量增加,緩坡上大量減少,斜坡與陡坡上變動(dòng)不大,小斑塊除在緩坡和斜坡上出現(xiàn)小幅度的增加,其余均為減少。

(4)觀察賽罕烏拉2006年與2016年森林各類(lèi)型斑塊變化,各類(lèi)型斑塊近乎50%的面積分布在海拔1 131～1 270 m的4級(jí)和5級(jí)高程地方。結(jié)合實(shí)際情況分析,1、2、3級(jí)高程的地區(qū)為低山丘陵草原,牧民一般選擇在此放牧,并且當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)地為沙質(zhì)土,樹(shù)木本就不易生長(zhǎng),而海拔較高的4、5級(jí)是中山山地,退化土地恢復(fù)較好,植被覆蓋度高,人畜干擾較少,所以便于樹(shù)木的生長(zhǎng)。而海拔1 443 m以上的7、8、9級(jí)高程,因?yàn)楹０胃?氣溫常年較低,因此樹(shù)木生長(zhǎng)不易,斑塊也相對(duì)較少。森林斑塊隨著高程的增加顯現(xiàn)出“先增加后減少”的特征。這與張運(yùn)剛等[23]的結(jié)論相似。針對(duì)大中小3類(lèi)斑塊來(lái)說(shuō),各高程的大斑塊持續(xù)減少,5級(jí)及以上高程的中斑塊面積略有增加,是大斑塊減少轉(zhuǎn)化的原因,5級(jí)高程以下的中斑塊減少則是大量轉(zhuǎn)化為小斑塊的原因,因此5級(jí)以下的小斑塊出現(xiàn)了不同程度的數(shù)量或面積的增加。

5 結(jié)論

綜合分析賽罕烏拉森林斑塊,從坡向方面分析,陰坡的植物比陽(yáng)坡更容易生存,陽(yáng)坡的森林斑塊數(shù)量及面積比陰坡多；從坡度方面分析,森林斑塊多分布在緩坡和平坡,陡坡及以上坡度的坡面出現(xiàn)0斑塊現(xiàn)象；從高程方面分析,森林斑塊多分布在4、5級(jí)高程處,并隨著高度的增加呈現(xiàn)出“先增加后減小”的森林斑塊特征。對(duì)比分析賽罕烏拉森林斑塊,10年間,森林斑塊受地理位置及植被種類(lèi)影響,森林斑塊數(shù)量及面積逐年減少。