大圍山森林公園森林景觀格局的高程分異研究

鄧必平，呂 勇，程玉娜，呂飛舟

（中南林業科技大學，湖南 長沙 410004）

大圍山森林公園森林景觀格局的高程分異研究

鄧必平，呂 勇*，程玉娜，呂飛舟

（中南林業科技大學，湖南 長沙 410004）

以2012年大圍山森林公園的森林資源二類調查數字化成果為基礎，運用景觀生態學原理和景觀指數分析方法，應用ArcGIS10.0和Fragstats3.4軟件，通過選取斑塊密度、邊緣密度、斑塊類型面積、形狀指數、香農多樣性、香農均勻度6個指標，對不同高程帶的森林景觀格局進行對比研究。結果表明：大圍山森林公園的森林景觀格局變化具有明顯的高程分異特征，隨著海拔的增加，景觀多樣性減小，均勻度減小，連接性變差；各森林景觀斑塊分布局不均勻，景觀異質性較低；低海拔地區的斑塊密度相對較大，破碎化程度較高。

大圍山；景觀格局；高程分異

森林公園是以大面積人工林或天然林為主體而建設的公園。森林景觀格局是大小和形狀各異的森林景觀鑲嵌體在空間上的排列和組合形式，指異質景觀要素的數量、規模、形狀及其空間分布模式[1]。目前，國內外對森林景觀的研究大多處于對某河流流域范圍內，而對像大圍山這樣的具有完整山體小氣候環境的森林公園的景觀格局研究甚少，特別是對受人為因素影響較大的森林公園景觀格局隨高程的分異研究更是微乎其微。本文對森林景觀研究的目的在于通過對不同海拔帶下的森林景觀結構、分布情況、斑塊性質等特征進行研究，揭示不同景觀指標的分異特征[2]。

1 研究區概況

大圍山森林公園位于湖南省瀏陽市大圍山鎮東北部，距省會長沙148 km。森林覆蓋率極高，資源豐富，風景秀麗，氣候宜人，被稱為“湘東綠色明珠”。1992年經林業部批準為國家森林公園。大圍山國家森林公園頂峰海拔1 607.9 m，為湖南省第二高峰。境內群山環抱，立峻挺拔，土地肥沃，雨量充沛，植被豐富，種類繁多。園內原始次生林和人工林渾然一體，形成一片綠色的海洋。該森林公園內的優勢樹種有：杉木、馬尾松、闊葉林等。由于山高林密的地理特點，構成“夏無酷暑，冬無嚴寒”的森林小氣候，使大圍山具有“天然空調”、“大氧吧”的優勢，是十分理想的休閑、度假、旅游、會議勝地。

2 研究方法

森林景觀類型的劃分應以森林景觀的外在特征作為依據。這些景觀特征因子包括：景觀的尺度、景觀斑塊體特征、基質的形狀大小和色調[3]。根據不同的分類因子可將景觀類型劃分為不同的級別。本文主要是從優勢樹種方面對景觀格局進行研究與分析。

表1 景觀類型劃分Table 1 Classification of landscape types

2.1 數據來源與處理

2.1.1 數據來源 數據資料主要包括：研究區LandsatTM遙感圖（成像時間為2010年），大圍山行政區劃圖，1：10 000地形圖。1：10 000遙感影像圖是景觀分析研究的主要數據源，森林資源二類調查數據，輔以湖南省大圍山森林資源二類調查數字化成果，包含空間數據庫和屬性數據庫。

2.1.1 數據處理 空間數據庫由 1：10 000基本圖在A rcGIS10.0平臺下掃描數字化生成，基本元素為多邊形要素[4]，配準時采用高斯克呂格投影，及西安 80坐標系，存儲為 Shapefile矢量格式；屬性數據庫由基本圖上區劃的小班卡為基礎，建立數據庫。輔助數據有該區1：10 000數字柵格地形圖進行矢量化。建立拓撲關系后，依據森林景觀格局指數的不同，利用 Fragstats3.4軟件，完成格局指數的計算[5]。景觀圖層的生成：采用“航片判讀 → 轉繪 →核校 → 清繪 → 數字化 → 編輯 → 屬性數據錄入”的工作程序[6]，最后生成森林景觀要素分布圖（圖1），再由DEM生成高程圖（圖2）。

圖1 研究區景觀要素分布圖Figure 1 Distribution of different landscape patterns

圖2 高程圖Figure 2 Elevation

2.2 景觀指標的選取及其計算

2.2.1 斑塊類型面積 CA 度量景觀的組分，是計算其它指標的基礎。其計算公式如下：

式中：aij為斑塊ij的面積（m2），斑塊類型面積相當于把某一斑塊類型的所有斑塊的面積求和，然后除以10 000轉化為hm2[7]。它的取值范圍CA大于0。當CA逐漸接近0時，說明該斑塊類型在景觀中越來越稀少。

2.2.2 形狀指數LSI

式中：α為斑塊面積（m2），P為斑塊周邊長度（m），LSI值越大，說明斑塊周邊越發達。

2.2.3 斑塊密度PDi

式中：ni景觀中斑塊類型i所包含的斑塊數量（個）；A為整個景觀的面積（hm2），包括景觀內部存在的背景。

2.2.4 邊緣密度EDi

式中：Pij為景觀中相應斑塊類型的總邊緣長度（m），包括涉及該斑塊類型的景觀邊界線和背景部分；A為景觀總面積（hm2），ED就等于總邊緣長度除以景觀總面積（m/hm2）。

2.2.5 香農多樣性SHDI 反映景觀要素的多少和各景觀要素所占的比例狀況。

式中：H為景觀多樣性指數，Pi為第i種森林景觀類型面積占總面積的比，n為森林景觀類型總數。

2.2.6 香農均勻度SHEI

3 結果及分析

3.1 景觀結構與斑塊特征的高程分異

表2 不同高程帶下森林景觀要素類型面積分布Table 2 Types and areas of landscape patterns at different elevation

橫向分析：從表2可以看出，杉木林、竹林主要分布在海拔500 ~ 1 000 m的中海拔地區，灌木林主要分布在海拔1 000 m以上的高海拔地區。通過對比圖1及圖2可知，馬尾松、闊葉樹主要分布在海拔1 000 m左右的高程帶上。縱向分析：研究區大圍山森林公園總面積為3 880.229 hm2，其中林業用地面積為3 548.522 hm2，占總面積的91.45%，表明該地的森林植被較好。杉木林景觀及竹林景觀為高程在100 ~ 1 000 m海拔帶上的主要景觀基質，灌木林為高程在1 000 m以上的主要景觀基質。從整體來看，灌木林所占比例最大為42.85%，是大圍山森林公園的主要景觀基質。在整個森林公園內，海拔在1 000 m以上的有2 492.336 hm2，占整個森林公園面積的64.231%，可見該森林公園整體海拔較高，空氣較好，適合休閑旅游。

表3 不同高程帶下景觀要素斑塊數量分布Table 3 Distribution of different patches at different elevation

從表3可知，研究區域的斑塊總數為545個，其中杉木林164個，占30.09%，灌木林151個，占27.71%，竹林114個，占20.91%。無論從面積或者從斑塊個數比較，均可看出灌木林所占比例最大。說明研究區的景觀基質為灌木林，這是因為大圍山的海拔較高，不適合生長喬木林，只有矮小的灌木林才適合生長。而有林地中杉木林和竹林所占比例較高，這是因為杉木林絕大多數是人工林，多分布于受人為因素影響比較大的低海拔地區。

3.2 景觀指數變化的高程分異

在 ArcMap中，通過條件查詢與選擇，將提取的結果按同一類型景觀斑塊進行合并，得到六種景觀類型。再將其柵格化導入Fragstats3.4計算不同高程帶下的各景觀格局指數，結果如表4。

表4 不同高程帶下的各森林景觀格局指數Table 4 Landscape pattern index at different elevation

由表4可知：海拔在100 ~ 500 m的斑塊中，各景觀的斑塊密度相差比較大，表明該海拔內的景觀斑塊與外界的物質、能量交換活躍程度有較大的不同，闊葉林的斑塊密度最大，由于它與斑塊數量具有相同的功能，因而均可以表明闊葉林適合生長在低海拔地區。杉木林的邊緣密度、斑塊類型面積、形狀指數均為最大，表明杉木林的景觀異質性較強，破碎程度較大，周邊最為發達。海拔在500 ~ 1 000 m的斑塊中，杉木林的斑塊密度最大，說明在該海拔下杉木林景觀的破碎程度較高。在林地中灌木林、馬尾松的邊緣密度均比較小，當ED = 0時，意味著景觀中沒有類型邊緣，換句話說就是，整個景觀和景觀邊緣，都有相關斑塊類型組成。而竹林的斑塊類型面積、形狀指數均為最大，說明竹林在中度海拔內竹林景觀為研究區內的主要景觀基質。海拔在> 1 000 ~ 1 600 m的斑塊中馬尾松的斑塊密度最大，景觀的破碎程度較高，分布的比較零散。因為馬尾松為針葉林，所以比闊葉林更能適應高海拔地區的環境。斑塊類型面積是度量景觀組成的重要指標，在該海拔帶內灌木林斑塊類型面積最大，說明大多部分的景觀面積是由該斑塊類型組成的。景觀形狀指數是對類型聚集度的簡單描述，與聚集度非常相似，它是通過斑塊類型的邊緣長度測算。經計算知海拔在1 000 m以上的地區中灌木林的形狀指數最大，景觀整體比較復雜。海拔 < 500 m的地區，香農多樣性指數為1.058 5；海拔500 ~ 1 000 m的香農多樣性指數為0.998 1；海拔> 1 000 m的區域香農多樣性指數為0.753 4，其均勻度指數分別為：0.5908、0.5592、0.4297，以上數字表明：大圍山森林公園的森林景觀多樣性水平、均勻度水平都比較低；香濃多樣性指數與均勻度指數均隨著海拔的升高而變小，表明受高程影響顯著，分異度明顯[8~9]。

通過對比不同海拔帶下的景觀指數可知，隨著海拔的升高，闊葉林的斑塊密度變化最為顯著，且呈下降趨勢。這是因為：理論上海拔每上升100 m溫度下降0.6℃。當平均溫度為25℃，海拔1 000 m的山上只有19℃。從濕度方面上來講，也是海拔愈高濕度愈低。樹木為了“保持水份”，葉片變化成針葉狀，以減少蒸散水份的面積。所以海拔越高越不適合闊葉林的生長。因此闊葉林的斑塊密度隨著海拔的升高而逐漸減少，灌木的斑塊類型面積隨著海拔的升高增長迅速，特別是在海拔1 000 m以上更為突出。因為灌木林多為林下植被，人類干擾程度很小，且具有耐干旱、耐風蝕、成效快、耐鹽堿、耐高寒、保存率和成活率高等特點。因而灌木在高海拔地區具有獨特的生長優勢。竹林的形狀指數相對較高，斑塊的幾何形狀越趨近于簡單，表明受干擾的程度越大，這是因為人類干擾所形成的斑塊一般幾何形狀較為規則，易于出現相似的斑塊形[10]。

4 結論與討論

本文利用大圍山遙感影像，結合2012年森林資源二類調查數據，在GIS技術支持下，對大圍山森林公園6類景觀的高程分異格局進行了分析，從而了解了不同景觀類型的高程分異特征，為以后該森林公園的經營管理提供理論參考。本研究得出的主要結論有：

（1）大圍山森林景觀格局，在人類活動及高程帶變化的影響下，呈現垂直變化的分異特征。

（2）大圍山森林公園景觀格局受高程影響顯著。在景觀尺度水平上，隨著海拔的增加，景觀的多樣性減小，均勻度減小，連接性變差。

（3）大圍山森林公園的灌木林、杉木林分別占整個研究區面積的 42.85%、24.94%，為主要的景觀基質。有林地面積占91.45%，非林地占8.55%，說明研究區大部分為有林地，森林覆蓋率極高，環境較好。不同海拔內的斑塊密度變化不大，說明研究區域對原始的天然林保護較好，適合發展旅游業。

本文應用最新的森林資源二類調查數據，對大圍山森林公園高程分異格局進行研究，結果與實際情況相吻合。說明選取的指標計算結果適用于森林公園景觀高程分異格局研究。本文僅以高程不同為研究基礎，沒有考慮坡度坡向的影響，且高程帶分割較少，因而還需進一步完善。

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Analysis on Landscape Pattern of Daweishan Forest Park

DENG Bi-ping，Lü Yong*，CHENG Yü-na，Lü Fei-zhou
（Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, China）

Based on forest management inventory in 2012 of Daweishan Forest Park, Hunan province, analysis was made on landscape pattern at different elevation by ArcGIS10.0 and Fragstats3.4 software, with indicators of patch density, edge density, patch area, shape index, Shannon diversity index, and Shannon evenness index.The results showed that landscape pattern of the Park changes obviously with elevation.Elevation had negative relation with landscape diversity, evenness and connectivity.The patch density is relatively larger and fragmentation higher degree at low altitudes.

Daweishan Forest Park; landscape pattern; elevation

S718.5

A

1001-3776（2014）06-0010-05

2014-08-23；

2014-10-17

鄧必平（1988－），男，湖南懷化人，助理工程師，碩士生，從事森林資源經營管理研究；*通訊作者