基于RS和GIS額爾古納國(guó)家自然保護(hù)區(qū)景觀多樣性定量分析

龔文峰，孫 海，劉春河，于海成，趙 敏

（1.黑龍江大學(xué) 水電學(xué)院，哈爾濱150086；2.內(nèi)蒙古額爾古納國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，內(nèi)蒙古 莫爾道嘎022191；3.內(nèi)蒙古牙克石市林業(yè)局，內(nèi)蒙古 牙克石022150；4.東北林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱150086）

景觀多樣性（landscape diversity）是指由不同類型的景觀要素或生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的景觀在空間結(jié)構(gòu)、功能機(jī)制和時(shí)間動(dòng)態(tài)方面的多樣性或變異性［1］，包括景觀類型多樣性、格局多樣性和斑塊多樣性，是對(duì)景觀水平上生物組成多樣性的表征［2－3］，已成為生物多樣性研究的重要組成部分和內(nèi)容［4］。然而就目前對(duì)景觀多樣性的研究而言，國(guó)內(nèi)外不同專業(yè)背景的學(xué)者多側(cè)重于對(duì)特定景觀類型的多樣性研究和景觀多樣性時(shí)空分異特 征 分 析 等 方 面［1，5－11］，對(duì) 于 自 然 保 護(hù) 區(qū) 景觀多樣性的研究相對(duì)較少［12－14］，針對(duì)于邊境區(qū)域的自然保護(hù)區(qū)景觀多樣性的研究則更加稀少。自然保護(hù)區(qū)作為減緩物種滅絕速率、恢復(fù)其生態(tài)環(huán)境和保護(hù)生物多樣性的重要區(qū)域，研究其景觀多樣性對(duì)該區(qū)域內(nèi)物種分布、遷移及其生態(tài)過(guò)程具有重要的意義，而研究邊境區(qū)域自然保護(hù)區(qū)景觀多樣性則具有更重要的生態(tài)意義，且是今后一個(gè)值得關(guān)注的研究課題。

內(nèi)蒙古額爾古納國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于大興安嶺，是我國(guó)現(xiàn)存原始寒溫帶針葉林分布區(qū)之一，其不僅是我國(guó)寒溫帶針葉林景觀的縮影，也是額爾古納河重要的水源涵養(yǎng)林區(qū)。鑒于此，本文借助RS和GIS技術(shù)，完成研究區(qū)域遙感圖像的分類解譯，基于此形成區(qū)域景觀類型的分類體系，利用景觀生態(tài)指數(shù)研究景觀多樣性及其空間特征，以期為自然保護(hù)區(qū)的生物多樣性保護(hù)、建設(shè)管理和景觀規(guī)劃等工作提供理論依據(jù)和科學(xué)基礎(chǔ)［15］。

1 研究區(qū)域概況

內(nèi)蒙古額爾古納國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于大興安嶺北部西麓，與俄羅斯隔額爾古納河相望，地理坐標(biāo)為：120°00′26″—120°58′02″E，51°29′25″—52°06′00″N，屬于大興安嶺山地寒溫帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，并具有大陸性季風(fēng)氣候區(qū)的一些特征，總的特點(diǎn)是寒冷濕潤(rùn)，冬季漫長(zhǎng)。四季氣候特征為：冬季寒冷漫長(zhǎng)，春季高溫多風(fēng)，降水量少，年降水量414～528 mm；夏季溫涼短促，雨量充沛，降雨強(qiáng)度大，多集中在7—9月，占全年降水量的75%；秋季降溫快，初霜早。全區(qū)平均海拔800 m，平均坡度10°，坡度趨緩，山系不發(fā)達(dá)，相對(duì)高差小，沿額爾古納河一帶，地勢(shì)更為平緩，溝谷和河谷呈枝、網(wǎng)狀散布其間，河網(wǎng)較為發(fā)育，河網(wǎng)密度系數(shù)達(dá)0.2～0.3 k m／k m2。主要植被類型為興安落葉松（Larix g melini）為主的原始寒溫帶針葉林。國(guó)家實(shí)施天保工程后，該區(qū)域的林業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較緩慢，但森林資源得到了一定的保護(hù)，旅游業(yè)發(fā)展相當(dāng)迅速，為當(dāng)?shù)厝罕娞峁┝诵碌木蜆I(yè)機(jī)會(huì)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本文的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2008年林相圖和2010年8月SPOT 4遙感影像數(shù)據(jù)，其中影像分辨率為20 m，輔以保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃、植被類型分布圖和二類資源清查數(shù)據(jù)。利用Erdas Image 9.2軟件完成遙感影像的假彩色合成和幾何校正等，借助于輔助數(shù)據(jù)和實(shí)際的土地利用現(xiàn)狀建立影像解譯標(biāo)志，根據(jù)2012年7月利用手持GPS完成的典型區(qū)域野外調(diào)查數(shù)據(jù)，將調(diào)查樣點(diǎn)落實(shí)到影像上并進(jìn)行計(jì)算機(jī)訓(xùn)練運(yùn)算，采用監(jiān)督分類的方法完成遙感數(shù)據(jù)的分類解譯。在檢驗(yàn)解譯精度的基礎(chǔ)上，參照2008年的林相圖和植被類型圖，在Arc GIS 9.2的支持下，對(duì)解譯后的圖斑進(jìn)行過(guò)濾和合并等處理，生成不同景觀類型的分布圖，并轉(zhuǎn)化為柵格格式（grid），便于后續(xù)統(tǒng)計(jì)和景觀指數(shù)的計(jì)算。

2.2 景觀類型的劃分

從整體來(lái)看，研究區(qū)域的景觀格局現(xiàn)狀屬于以自然景觀為主和半自然景觀為輔。因此，根據(jù)中國(guó)科學(xué)院的土地分類體系及其自身的土地利用特點(diǎn)，本文將保護(hù)區(qū)景觀劃分為4個(gè)一級(jí)景觀：林地景觀、草地景觀、水域景觀和未利用地景觀，在一級(jí)景觀分類的基礎(chǔ)上，參照保護(hù)區(qū)植被類型分布圖，將研究區(qū)域劃分為針葉林景觀、闊葉林景觀、針闊混交林景觀、灌叢景觀、草地景觀、水域景觀、濕地景觀和未利用地景觀（荒山荒地、跡地和裸崖地）8個(gè)二級(jí)類型。

2.3 景觀多樣性指數(shù)計(jì)算

采用Fragstats 3.3軟件完成研究區(qū)域的景觀多樣性指數(shù)計(jì)算。對(duì)于景觀類型多樣性主要采用香農(nóng)多樣性（SHDI）、優(yōu)勢(shì)度（D）和均勻度（SHEI）；景觀格局多樣性測(cè)定主要采用連接度（CI）；斑塊多樣性測(cè)定主要采用破碎度（LTFI）［16］。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)域景觀總體特征

就研究區(qū)域各景觀類型面積比例而言（表1），針闊混交林的面積最大，其比例為42.59%，其次為針葉林（36%）、闊葉林（16.14%）和未利用地（1.96%），而灌叢的面積比例最小，為0.48%，可見森林景觀（針葉林、闊葉林和針闊混交林）是構(gòu)成研究區(qū)域的主要景觀。從景觀類型的斑塊數(shù)目來(lái)看，研究區(qū)域共有斑塊2 686個(gè)，在各景觀類型中，水域的斑塊數(shù)目最多，達(dá)到569個(gè)，占全部斑塊總數(shù)的21.18%，闊葉林次之，為533個(gè)，灌叢的斑塊數(shù)目最小，僅為72個(gè)。就各景觀類型的平均斑塊面積計(jì)算來(lái)看，針闊混交林最大，為2.07 k m2／個(gè)，其它的景觀類型依次為針葉林（1.87 k m2／個(gè)）、闊 葉 林 （0.61 k m2／個(gè)）、草 地（0.16 k m2／個(gè)）、濕 地 （0.14 k m2／個(gè)）、灌 叢 （0.13 k m2／個(gè)）、未 利 用 地 （0.08 k m2／個(gè)）和 水 域 （0.03 k m2／個(gè)）?？梢姡橀熁旖涣质窃摫Ｗo(hù)區(qū)的重要景觀類型，其面積和平均斑塊面積均為最大，該景觀類型是經(jīng)過(guò)采伐經(jīng)營(yíng)活動(dòng)后形成的，其中興安落葉松和白樺混交林占絕大多數(shù)；灌叢的面積和平均斑塊面積均為最小，處于相對(duì)次要的地位。就額爾古納河自然保護(hù)區(qū)的整體景觀而言，呈現(xiàn)出以針闊混交林、針葉林和闊葉林為主體的交錯(cuò)景觀格局，而其它景觀類型呈補(bǔ)丁狀鑲嵌于該景觀格局之中（附圖8）。

表1 研究區(qū)域景觀總體特征統(tǒng)計(jì)

3.2 斑塊多樣性

破碎度在一定程度上反映了指景觀要素被分割的破碎程度。（1）就針葉林景觀而言，破碎度指數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在江畔林場(chǎng)達(dá)到最小，而在太平林場(chǎng)達(dá)到最大，主要?dú)w因于江畔林場(chǎng)的大部分森林處于該保護(hù)區(qū)的核心區(qū)，未受到人為干擾，致使大面積的針葉林得以保存，且基本上保持了森林植被的原始狀態(tài)［17］。而西沿江和太平林場(chǎng)的破碎度均大于整個(gè)區(qū)域該景觀類型的破碎度，對(duì)于太平林場(chǎng)而言，在保護(hù)區(qū)沒(méi)有成立之前，針葉林長(zhǎng)期受到過(guò)度采伐和經(jīng)營(yíng)，部分采伐跡地逐步被灌叢和草地所代替，造成針葉林被灌叢和草地分割和蠶食，加劇了其破碎化程度，致使其破碎度最大，形成灌叢和草地鑲嵌于針葉林景觀中的格局現(xiàn)狀。西沿江林場(chǎng)處于森林和草地的過(guò)渡地帶，屬于低海拔區(qū)域，人為干擾活動(dòng)致使部分針葉林被破壞并演變?yōu)槟敛莸兀斐刹糠轴樔~林不斷被草地分隔包圍，破碎化程度加大。野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，這一地區(qū)還存在著毀林開牧、開墾和濫砍濫伐等不合理的人為活動(dòng)，違背了建立自然保護(hù)區(qū)的初衷。這主要是因?yàn)楫?dāng)?shù)氐牟糠志用裆鷳B(tài)保護(hù)意識(shí)較低，在追求經(jīng)濟(jì)利益的過(guò)程中，存在著重開發(fā)而輕保護(hù)的思想意識(shí)。今后應(yīng)盡量減少不合理的人為活動(dòng)，正確處理好牧民的生存問(wèn)題和森林保護(hù)之間的關(guān)系，協(xié)調(diào)好局部利益和整體利益的關(guān)系，制止破壞原生地帶性，防止生態(tài)環(huán)境惡化。（2）闊葉林的破碎度指數(shù)表現(xiàn)為一定的曲線變化，在東沿江林場(chǎng)達(dá)到最大，而在西沿江林場(chǎng)最小。由于東沿江林場(chǎng)在沒(méi)有被劃入保護(hù)區(qū)之前，多年受到人類經(jīng)營(yíng)活動(dòng)（森林采伐）的影響，經(jīng)過(guò)采伐后的森林植被白樺和山楊等一些先鋒樹種侵入，形成新生斑塊，致使部分原始針葉林植被逐步演變?yōu)殚熑~林景觀，闊葉林發(fā)生邊界擴(kuò)展侵入和斑塊演替的同時(shí)，自身景觀被其它森林景觀分割，形成相對(duì)復(fù)雜的交錯(cuò)帶格局，在加劇自身斑塊形狀構(gòu)圖復(fù)雜的同時(shí)，破碎化程度加劇。因此，今后要加大執(zhí)行國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)政策的力度，采用封山育林措施等生態(tài)措施，人工促進(jìn)天然林更新，或者通過(guò)自然演替等多種方式相結(jié)合的方法，使人為干擾森林景觀逐步向原始地帶性森林景觀自然過(guò)渡，保護(hù)和恢復(fù)保護(hù)區(qū)內(nèi)天然林資源，發(fā)揮其景觀生態(tài)功能。（3）對(duì)比各林場(chǎng)針葉林和闊葉林破碎度指數(shù)可知：處于演替前期的森林類型（山楊和白樺林等）的斑塊形狀構(gòu)圖復(fù)雜，破碎化程度較高，景觀異質(zhì)性高，而處于演替后期的森林類型（落葉松林等）則剛好相反。（4）針闊混交林和灌叢的變化趨勢(shì)與針葉林相似，都呈現(xiàn)出減小后增大的趨勢(shì)，且都在太平林場(chǎng)達(dá)到最大；草地在東沿江最大，由于當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民對(duì)草地資源過(guò)分依賴，頻繁放牧致使草地退化，草地面積呈現(xiàn)出不斷萎縮和被分割的現(xiàn)狀，生態(tài)環(huán)境脆弱。隨著該保護(hù)區(qū)生態(tài)移民的推行，破碎化惡化的趨勢(shì)將得到一定的緩解。而水域的破碎度在太平林場(chǎng)最大，且分別是整個(gè)研究區(qū)域各景觀類型的27.69和11.20倍（表2）。

3.3 景觀格局多樣性

江畔和東沿江林場(chǎng)針葉林的連接度均在1.0以上，大于整個(gè)自然保護(hù)區(qū)該類型的數(shù)值，表明該景觀類型在這兩個(gè)區(qū)域的聚集程度高，在一定范圍內(nèi)形成了明顯的集中分布區(qū)，致使其平均斑塊面積大且破碎化程度較小，且具有較好的連通性。此外，也在一定程度上顯示出針葉林作為優(yōu)勢(shì)景觀類型，對(duì)這兩個(gè)區(qū)域的顯著的控制作用。東沿江林場(chǎng)的連接度最大，河口林場(chǎng)的最小。闊葉林的連接度指數(shù)在西沿江和江畔林場(chǎng)的較大，且西沿江林場(chǎng)的最大，究其原因，針葉林在受人為干預(yù)破壞較嚴(yán)重或火燒的地段，是以白樺和山楊等為主的闊葉先鋒樹種的更新在這些區(qū)域大量而普遍的發(fā)生，其邊界不斷地侵入到其它森林類型中，在其適宜范圍的局部區(qū)域形成相對(duì)明顯的集中區(qū)和復(fù)雜的交錯(cuò)格局，空間分布上趨于團(tuán)聚分布，形成了一定的大型斑塊，致使其斑塊平均面積較大，聚集程度較高且景觀類型的連接性強(qiáng)，也表明了人為干擾景觀在一定程度上代替了原始地帶性景觀。針闊混交林的連接度指數(shù)在河口和東沿江林場(chǎng)較大，而在東沿江林場(chǎng)最大。灌叢在河口林場(chǎng)達(dá)到最大，西沿江林場(chǎng)次之，而在其它林場(chǎng)均為0。江口、西沿江和東沿江林場(chǎng)水域的連接度指數(shù)均大于1，且河口林場(chǎng)的最大，而未利用地在太平和江畔林場(chǎng)的連接度指數(shù)較大（表3）。

表2 研究區(qū)域景觀斑塊多樣性指標(biāo)（LTFI）統(tǒng)計(jì)特征

表3 研究區(qū)域景觀格局多樣性指標(biāo)（CI）統(tǒng)計(jì)特征

3.4 景觀類型多樣性

森林景觀多樣性指數(shù)反映景觀要素多少和景觀要素所占比例［8］。對(duì)表4各項(xiàng)景觀類型多樣性指數(shù)的計(jì)算分析可知，該保護(hù)區(qū)的景觀多樣性指數(shù)為1.259 3，與景觀最大多樣性指數(shù)（Hmax＝2.079）還有0.819 7的差距，反映出該保護(hù)區(qū)景觀多樣性較低，說(shuō)明該區(qū)域各種景觀類型所占比例存在較大的差異性，也表明該區(qū)域的整體景觀生態(tài)特征由某些景觀所支配。針闊混交林和針葉林景觀類型占優(yōu)勢(shì)，兩者面積比例之和為78.59%，共同控制著該區(qū)域的整體景觀結(jié)構(gòu)（表1），致使其景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不合理性和簡(jiǎn)單化，且景觀格局態(tài)勢(shì)朝單一化方向發(fā)展［18］，造成景觀異質(zhì)性較低，這在很大程度上歸因于人類的不合理活動(dòng)和氣候的影響，這一現(xiàn)狀不僅減弱了區(qū)域景觀整體的生態(tài)系統(tǒng)功能，而且也不利于保護(hù)區(qū)生物多樣性的保護(hù)，因此，保護(hù)該國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)森林資源并優(yōu)化其景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)勢(shì)在必行［14］，為此，應(yīng)當(dāng)加大對(duì)森林資源，尤其是地帶性植被針葉林的保護(hù)力度。西沿江林場(chǎng)的多樣性指數(shù)最大，說(shuō)明該林場(chǎng)的各景觀類型面積等級(jí)的分布相對(duì)較均勻，太平林場(chǎng)次之，均遠(yuǎn)高于研究區(qū)域整體的多樣性指數(shù)，東沿江林場(chǎng)多樣性指數(shù)最小。

表4 研究區(qū)域景觀類型多樣性統(tǒng)計(jì)

優(yōu)勢(shì)度指數(shù)反映了一種或幾種景觀斑塊支配景觀格局的程度，表示景觀多樣性對(duì)最大多樣性之間的偏差優(yōu)勢(shì)度［14］，從表4的分析可知，東沿江林場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)度最大，為1.029 4，其次是河口林場(chǎng)，而西沿江林場(chǎng)最小。通過(guò)對(duì)東沿江林場(chǎng)各景觀類型的面積統(tǒng)計(jì)可知，森林景觀的面積比例為97.55%，占據(jù)著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，其中針闊混交林的面積比例為50.54%，在面積比例上表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致整體景觀的異質(zhì)性較低?？梢?，人類活動(dòng)疊加于自然環(huán)境的變化是針葉林演變?yōu)獒橀熁旖涣值闹匾?qū)動(dòng)力。因此，在今后保護(hù)區(qū)森林生態(tài)恢復(fù)和建設(shè)的過(guò)程中，如何構(gòu)建合理的景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)和調(diào)整生態(tài)結(jié)構(gòu)的布局是關(guān)注的重點(diǎn)。

4 結(jié)論與討論

基于RS和GIS，利用SPOT 4遙感影像獲取研究區(qū)域景觀類型現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)的原理和方法完成其景觀多樣性及其空間特征的定量分析，研究結(jié)果如下：

額爾古納國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的整體景觀呈現(xiàn)出以針闊混交林、針葉林和闊葉林為主體的交錯(cuò)景觀格局，而其它景觀類型呈補(bǔ)丁狀的鑲嵌于該景觀格局之中。

斑塊多樣性分析可知：針葉林、針闊混交林和灌叢景觀的破碎度指數(shù)的變化趨勢(shì)相似，都呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，且均在太平林場(chǎng)達(dá)到最大；闊葉林的破碎度指數(shù)表現(xiàn)為一定的曲線變化，在東沿江林場(chǎng)達(dá)到最大，而在西沿江林場(chǎng)最小；草地的破碎度指數(shù)在東沿江達(dá)到最大，而水域在太平林場(chǎng)最大，且分別是整個(gè)研究區(qū)域各自景觀類型的27.69，11.20倍。

對(duì)景觀類型多樣性指標(biāo)的分析表明，該保護(hù)區(qū)的景觀多樣性指數(shù)為1.259 3，與景觀最大多樣性指數(shù)（Hmax＝2.079）還有0.819 7的差距，反映出該保護(hù)區(qū)景觀多樣性較低，少數(shù)優(yōu)勢(shì)景觀控制著該區(qū)域的整體景觀結(jié)構(gòu)，景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不合理性和簡(jiǎn)單化，且朝單一化方向發(fā)展，景觀異質(zhì)性較低。

寒溫帶針葉林是該區(qū)域的頂級(jí)植物群落，并為其它生物提供生境條件，但其生境相對(duì)比較脆弱。一旦受到強(qiáng)烈的人為干擾和破壞，有可能引起整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的崩潰。因此，應(yīng)加大對(duì)森林資源的保護(hù)力度，在有效保護(hù)資源的前提下，構(gòu)建合理的景觀生態(tài)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與濕地生態(tài)保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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