熱帶林業實驗中心人工林區景觀格局變化分析

車騰騰，馮益明，蔡道雄，張萬幸，張顯強，吳春爭

（1.中國林業科學研究院 荒漠化研究所，北京100091；2.中國林業科學研究院 熱帶林業實驗中心，廣西 憑祥532600；3.西南林業大學 資源學院，云南 昆明650224）

景觀生態學（landscape ecology）是研究景觀單元的類型組成、空間配置及其與生態學過程相互作用的綜合性學科。景觀的結構、功能及其動態變化是景觀生態學研究中的三大核心問題。結構決定功能，功能的改變最終將從結構的變化中反映出來。因此，景觀結構是三大核心問題中的核心［1－2］。通過研究景觀結構與功能的關系，進而實現景觀動態研究的目的［3］。對研究地區不同時期景觀的組成結構、斑塊特征及景觀要素空間分布格局運用數量化方法加以描述和進行動態分析，可以有效地揭示研究地區景觀變化規律和分析影響因素［4］。近年來，國內許多學者采用地理信息系統（GIS）技術開展景觀動態和景觀格局方面的研究。如2007年，王磊等［3］利用ERDAS 8.7和ArcViewGIS 3.3等軟件，分析了1989－2006年間，2/3是人工林的孟家崗林場的森林景觀多樣性指數、景觀空間結構指數和森林景觀內部年齡結構指數，并揭示了森林景觀格局的動態變化情況。此外，方晰等［5］在2008年利用ViewGIS軟件對長沙市城郊湖南省林科院試驗林場森林植被景觀的生態格局和破碎化程度進行了分析，揭示了人類活動對該地區森林植被景觀影響程度。熱帶林業實驗中心（以下簡稱“熱林中心”）作為一個集科研、生產、經營與開發為一體的以人工林為主的科學實驗基地，在中國熱帶、南亞熱帶人工林的經營管理和林地利用上起著模范帶頭作用，其經營的好壞，對其他相關林場的經營起著重要的借鑒作用。通過分析景觀格局動態可以很好地幫助我們了解森林的狀況，但目前熱林中心尚未有類似景觀格局的研究，故運用現代科技手段來認識其景觀格局變化是一項十分迫切的任務。本研究運用ArcGIS軟件，對熱林中心不同時期的森林資源調查數據進行景觀分類統計，并對結果進行分析，找出1998－2009年林地利用類型的景觀格局變化，為今后合理制定森林經營方案提供一定依據。

1 實驗數據

1.1 研究區概況

熱林中心位于廣西省憑祥市，21°57′～22°16′N，106°41′～106°59′E，地形地貌復雜,地貌類型有丘陵、臺地、低山、中山和巖溶地貌，最高海拔為1 045.9 m（北大青山），最低海拔為130.0 m（平而河），屬于亞熱帶季風性氣候，夏無酷暑，冬無嚴寒，雨水充沛。年均氣溫為21.0～23.0°C，年降水量為1 062～1 772 mm，日最大降水量為206.5 mm。年無霜期為344 d，平均日照為1 614 h。土壤主要為花崗巖發育成的紅壤，間有部分石灰巖土、酸性紫色土和沖積土。植被屬南亞熱帶季雨林。人工植被以馬尾松Pinus massoniana和杉木 Cunninghamia lanceolata為主，其次是濕地松Pinus elliottii，石梓 Gmelina chinensis，八角Illicium verum等。灌木樹種主要是鹽膚木Rhus chinensis，余甘子Phyllanthus emblica，桃金娘Rhodomyrtus tomentosa等，草本主要有野古草Arundinella anomala，五節芒Miscanthus floridulus和蔓生莠竹Microstegium vagans等。

1.2 資料收集和數據處理

在本研究中主要收集了熱林中心的地形圖和3個不同時期（1998年、2004年和2009年）的林相圖，以及3個時期對應的森林資源二類調查數據。同時收集了熱林中心近年來社會、經濟發展等相關資料。針對收集到的數據，在GIS軟件ArcGIS的支持下,通過對熱林中心3個時期小班調查數據進行分析，得到熱林中心近10 a來景觀格局變化情況。

2 方法

2.1 景觀類型分類

根據《廣西森林資源規劃設計調查技術方法》并結合景觀的尺度、景觀嵌塊體的特征、基質的形狀、基質的大小和色調等景觀外在特征為分類依據，把熱林中心的斑塊分為有林地、疏林地、灌木林地、未成林造林地、無立木林地、苗圃、宜林地、輔助生產和非林地。

2.2 景觀格局分析方法

景觀指數分析法是從景觀分析的角度，借用景觀生態學中的各種空間格局分析方法來分析和認識土地利用/覆被變化的基本格局特征和演變規律。景觀指數是指能夠高度濃縮景觀格局信息,反映其結構組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標。常用的景觀指數有斑塊面積、斑塊周長、斑塊形狀指數、斑塊分形分維數、斑塊平均面積、斑塊面積標準差、破碎度指數、多樣性指數、均勻度指數、優勢度指數、聚集度指數等。這些指數可以從斑塊尺度和景觀尺度的層次來反映土地利用/覆被變化的格局特征［5］。根據熱林中心人工林受人為干擾較大的特點，以及為了能反映其經營特征和方向，本研究主要從斑塊尺度和景觀尺度運用下列景觀特征指數來分析其景觀結構特征及其變化［6－26］。

2.2.1 斑塊層次 ①斑塊面積（A）和斑塊周長（L）。斑塊面積和斑塊周長是進行景觀格局計算的基礎，可直接利用ArcGIS的統計查詢功能獲得。②斑塊形狀指數（G）。，用來計算斑塊形狀復雜程度，A為斑塊面積，L為斑塊周長。G值越大，斑塊形狀越復雜。③斑塊比例與斑塊優勢度（D0）。反映斑塊在景觀中的地位，優勢度值越大，說明該類斑塊在景觀中的地位越重要，對景觀的支配作用越大。計算公式如下：D0=（M+R）/2×100%，其中M為斑塊比例（某類斑塊類型的總斑塊數目與景觀要素類型總斑塊數目的比值）；R為面積比例（某類斑塊類型的總面積與景觀要素類型總面積的比值）。

3 結果與分析

3.1 不同時期景觀格局基本特征

不同時期景觀斑塊基本指標統計如表1。3期調查數據顯示：在各景觀要素中有林地占據了景觀總面積的50%左右，并且各時期依次呈明顯增加趨勢。除了1998年，在2004年和2009年疏林地都已經改造完畢。同時，無立木林地和非林地的面積從1998年到2009年一直在減少。這說明熱林中心在營林造林上做了大量工作，取得了一定的成績。從景觀的平均斑塊面積來看，總體上是面積越來越小，這說明景觀破碎化程度加劇，人類對景觀的干擾越來越大，也說明熱林中心對實驗區經營越來越細致。

表1 景觀斑塊基本指標Table 1 Basic indicators of landscape patch

表1（續）

3.2 景觀格局變化分析

3.2.1 斑塊特征變化 ①形狀指數。形狀指數對斑塊周長敏感，反映斑塊邊界的復雜程度。如表2所示：宜林地和非林地的形狀指數較大，這主要是因為這些地方都是相對比較難利用的土地（主要是宜林的石漠化土地和荒地），人為干預較少，自然地貌復雜。其次，有林地、灌木林地、未成林造林地以及無立木林地的形狀指數也較大。造成此結果的原因是熱林中心地形地貌復雜，一般山體坡度較大，所以，這些景觀的邊緣亦較復雜。苗圃地和輔助生產地的形狀指數相比而言較小，因為此類斑塊大多是人為景觀，形狀相對較為規則。從1998年到2009年，有林地、灌木林地、苗圃和無立木林地的形狀指數變動較小，這主要是人工干預的方式沒有太大變化。由于人為的對宜林地、非林地的改造和開墾，使這些斑塊有了明顯變化，引起了形狀指數的大幅度變動。②斑塊優勢度。由表2可見：3期調查數據一致表明，在斑塊類型之間存在著明顯的優勢度差異。有林地的密度占有絕對優勢，3期數據顯示都在50%左右浮動，而且隨著時間的推移，有林地的斑塊優勢度還在不斷增長。其次是灌木林地和非林地的斑塊優勢度相對較高，都超過了10%。無立木林地的優勢度有大幅度下降，從1998年的6.78%降到2004年的1.31%和2009年的1.11%。而其余景觀類型則變化較小。這主要是熱林中心良種壯苗技術得到進一步完善，造林整地采用了挖大坑、施基肥等營林措施，造林成活率顯著提高。從這些數據可看出，近年來，熱林中心在植樹造林、荒山綠化方面做了大量工作。熱林中心已經完成一定面積的植樹造林。

3.2.2 景觀特征變化 ①破碎化。景觀的破碎化是指由于自然和人為因素的干擾，導致景觀由簡單趨向復雜的過程。所研究的區域受人為因素的干擾較大。從表3可以看到：1998年斑塊面積大、數量少，斑塊密度小，破碎化指數僅為0.297。由于人工干預，到2004年斑塊數有了較大的增加，斑塊密度增加，破碎化指數也增加到了0.315。2009年，斑塊數有更進一步的增長，破碎化指數有顯著上升，達到了0.342。產生的這些變化與熱林中心近些年來經營理念的轉變，逐步實現由傳統生產經營型管理向現代科研型管理的轉變，有針對性的制定經營方案，加快林種樹種結構的調整，近年來加大了精細化經營的力度是息息相關的。在該研究時段內，熱林中心大力營造降香黃檀Dalbergia odorifera，柚木Tectona grandis，格木 Erythrophleum fordii，鐵力木Mesua ferrea等珍貴樹種。我們看到，在人為因素的干擾下，景觀越來越復雜，越來越破碎。破碎化指數的變化反映出熱林中心正朝著精細化經營珍優樹種的目標發展，說明現階段熱林中心的經營方向符合整體經營方案的要求。②多樣性和優勢度。景觀的多樣性取決于斑塊類型數量以及各斑塊類型所占比例的均衡性。多樣性的大小影響著系統的物種多樣性和遺傳多樣性,影響著系統的生產力和系統的穩定性，在景觀的規劃利用上應特別加以重視。表3反映的1998年的景觀多樣性指數最高，在研究時段內有所下降，但并不是很顯著。這是因為人為因素減少了疏林地這種森林景觀，以及各景觀類型的比例也在發生著變化。但是優勢度在2009年卻有小幅度增長，這說明景觀的多樣性偏離程度在增加。結合表1，我們可以看到這是因為從1998年到2009年熱林中心的有林地有大面積增多。再從景觀均勻性來看，由于景觀類型數目和多樣性指數在研究期間有所下降，均勻性指數有小幅降低，但是2004年和2009年由于景觀類型數目一樣，指數基本持平。

表2 不同時期斑塊特征Table 2 Patch characteristics in different periods

4 結論

1998－2009年，熱林中心有林地在景觀總面積中的比例一直接近50%，而且呈現逐年增加的趨勢；疏林地到2004年調查時就已經全部轉化成其他類型的景觀；無立木林地和非林地面積一直處于減少狀態。說明這些年熱林中心在營林造林上取得了一定的成績，進一步提高了森林的覆蓋面積和蓄積量。

就斑塊層次來看，由于熱林中心地形地貌復雜，除了苗圃、輔助生產等人造景觀的形狀指數較小，其他的均較大。在斑塊優勢度方面，有林地一直保有絕對優勢，而這種優勢還在不斷增長，這是因為非林地、無立木林地以及灌木林地在不斷向有林地轉化。從宜林地的變化趨勢來看，今后有林地的面積還會進一步增長。從景觀層次看，景觀的多樣性指數在降低，均勻性變動不大，平均斑塊規模普遍有下降趨勢，因此，景觀的破碎化指數在不斷上升。這些變化與熱林中心近年來采取的精細化經營作業方案密切相關，并在人為因素的干擾下逐步實現。

表3 各時期景觀評價指標Table 3 Landscape evaluation indexes in different periods

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