地形對閩江流域上游福建省將樂縣森林景觀空間格局的影響

葉麗敏，邱榮祖，林宇洪，胡喜生

(福建農林大學交通與土木工程學院，福州350002)

森林是人類文明的搖籃，是人類生存和社會發展的重要自然地理要素［1］。區域人口與社會、經濟的發展驅動著人類對森林景觀的利用，森林景觀的破壞與損耗已成為關鍵性的生態環境問題［2］。景觀格局變化分析是森林景觀生態學理論與應用研究的主要內容之一，是研究景觀整體功能與生態過程的基礎，從而為景觀管理、資源保護與環境規劃提供支撐依據［3］。森林景觀格局是自然、生物和人為因素共同作用下的結果，景觀空間格局與環境因子之間存在著一定的聯系［4］。作為重要的自然環境因子，地形因子在不同程度上影響著光、熱、水、土壤的分布以及人為的干擾，從而對物種、群落和生態系統的格局產生巨大的影響［5-9］。因此，探討地形因子同森林景觀空間格局之間的關系并定量化，為揭示森林空間結構及其分布規律提供基礎，進而為森林資源的優化配置和合理開發提供參考依據。

福建省將樂縣屬于“九山半水半分田”的自然形態，擁有豐富的林地資源和優質的種苗資源，有著“中國毛竹之鄉”的雅譽，是福建省生物多樣性保護的關鍵地區。近年來，該縣實施“生態優先”戰略，將造林綠化與生態建設相結合，并以“深綠一派，清新滿邑”蟬聯2015中國深呼吸小城百佳榜榜首。將樂縣豐富的林業資源為區域的可持續發展提供了豐富的資源和廣闊的前景。本研究通過定量分析將樂縣森林景觀格局與地形因子的相互作用機制，以期得到地形因子對森林分布格局影響的規律，為該縣森林結構的優化調整提供科學依據和建議。

1 研究地區概況

將樂縣位于福建省西北地區，地處閩江干流金溪中下游(26°26'～27°04'N，117°05'～117°40'E)，轄6個鎮、7個鄉、140個行政村(社區)。全縣的地形特點為山地丘陵，地勢由西南向東北傾斜且海拔高差顯著，其最高海拔為1 620．4 m，而最低海拔僅為138 m。全縣森林覆蓋率高達82．3%，森林蓄積量為2 132 m3，多年平均氣溫為18．7℃、平均日照數為1 593．9 h，無霜期為298 d，年平均降水量為1 676．3 mm，常年相對濕度為82%。縣內河流密集，水系發達，是典型的山溪性河流且屬中西帶季內氣候，對林木生長十分有利。將樂縣作為福建省海峽西岸經濟發展的重點林區縣，其自然資源(林產、礦產、水電等)十分豐富，林木生長周期長且自然災害少，屬于自然資源型區域發展模型。

2 研究方法

2．1 森林景觀分類

本研究以2010年將樂縣森林資源二類調查數據為基礎，根據研究區土地利用的實際情況和景觀特征，將林地劃分為喬木林、經濟林、竹類純林、竹混交林和其它林地5種景觀類型。在此基礎上，進一步將喬木林細分為針葉純林、闊葉純林、針葉混交林、闊葉混交林和針闊混交林;其它林地包括疏林地、灌木林地、無立木林地(采伐跡地和火燒跡地)、未成林造林地和宜林地(封育荒山、林中空地、宜林荒山荒地和宜林沙荒地)。

2．2 地形因子提取

在ArcGIS10．0軟件的支持下，提取地貌類型、坡度和坡向3個地形因子的信息并進行等級劃分。結合研究區實際海拔范圍，以體現自然風貌、地形特征或規律為原則，將地貌類型劃分為低丘、高丘、低山和中山4類，如圖1(a)所示。為了分析土地利用方式與坡度之間的關系，將坡度劃分成6個坡度級，分別為平坡(0°～5°)、緩坡(6°～15°)、斜坡(16°～ 25°)、陡坡(26°～ 35°)、急坡(36°～45°)和險坡(＞45°)，如圖1(b)所示。對坡向進行分級處理，分為5個方向:無坡向、陰坡(北坡和東北坡)、半陰坡(東坡和西北坡)、半陽坡(東南坡和西坡)和陽坡(南坡和西南坡)，如圖1(c)所示。

圖1 研究區地貌Fig．1 The landscape of the study area

2．3 景觀指數計算

利用ArcGIS10．0的空間分析功能，將生成的地貌類型圖、坡度分布圖、坡向分布圖分別與研究區的森林景觀類型圖進行空間疊加，并將矢量數據轉換成網格分辨率為5 m×5 m的柵格數據。同時，采用由美國俄勒岡州立大學森林科學系開發的空間格局分析軟件Fragstats3．4計算景觀指數，分析將樂縣的森林景觀格局，以探討研究區各森林景觀類型的地形分異特征。本研究選取的景觀指數為斑塊類型面積(CA)、景觀百分比(PLAND)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、景觀形狀指數(LSI)、連接度指數(CONNECT)、香農多樣性指數(SHDI)和香農均勻度指數(SHEI)，其中連接度指數的指定閾值設為1 000 m［10-11］，各指數算法和原理參考文獻 ［12］。

3 結果與分析

3．1 景觀格局的地貌分布特征

由圖1(a)可以看出，研究區的地貌類型組合是以高丘、低山及中山為主，占全縣林地面積的98．23%。其中，低山地貌占首位，為全縣林地面積的49．81%。從不同地貌類型中各森林景觀所占的比例可以看出(如圖2所示)，在低丘、高丘和低山3種地貌類型下針葉純林所占的景觀百分比較大，分別為44．17%、42．46%和37．49%;而中山地貌中，竹類純林的分布面積較大，占27．34%，其他依次為闊葉純林、針闊混交林、針葉純林、針葉混交林、其它林地、竹混交林和經濟林。

不同森林景觀類型沿各地貌類型的分布情況見表1。由表1可以看出，針葉純林、針葉混交林和其它林地在低山地貌中的分布最為豐富，所占的景觀百分比分別為58．68%、53．39%和52．18%，其他依次為高丘、中山及低丘;闊葉純林、竹類純林和竹混交林主要分布在中山地貌，分別為45．63%、54．95%和 71．70%，其他依次為低山、高山和低丘;而闊葉混交林、針闊混交林和經濟林集中分布在低山地貌。景觀指數變化情況見表2，由表2來看，隨著海拔的增加，斑塊密度和香農均勻度指數減少，景觀形狀指數和香農多樣性指數先增加后減少，而最大斑塊指數和連接度指數先減少后增加。結果表明，研究區森林景觀斑塊的破碎化程度和均勻程度隨海拔增加而減小，景觀的形狀復雜程度和異質性程度隨之增加而呈現出先升高后降低的趨勢，而景觀優勢度和連接性則隨之增加呈現先降低后升高趨勢。

圖2 不同地貌類型的森林景觀結構Fig．2 The forest landscape structure of different physiognomy

表1 不同森林景觀類型沿地貌的分布情況Tab．1 Distribution of different forest landscape types by physiognomy

表2 不同地貌類型的森林景觀格局指數Tab．2 Forest landscape index of different physiognomy

3．2 景觀格局的坡度分布特征

從研究區坡度分布圖來看，全縣以斜坡、陡坡和急坡為主，占全縣林地的97．64%。其中，陡坡所占的比例為62．34%，遠高于其他坡度;對比圖3發現，坡度介于0°～5°之間(即平坡)的林地上主要分布著經濟林，其次為闊葉純林和針闊混交林;緩坡上經濟林所占的比例最大，為58．08%，其他依次為針葉純林、針葉混交林、竹類純林、闊葉純林、針闊混交林和其它林地;斜坡和陡坡上針葉純林的分布較多，其次分別為針葉混交林和針闊混交林;而急坡和險坡上集中分布著闊葉純林，所占比例分別為35．57%和47．73%，其次為針闊混交林。

圖3 不同坡度的森林景觀結構Fig．3 The forest landscape structure of different slopes

不同森林景觀類型沿坡度的分布情況見表3。從表3可知，研究區森林景觀類型在不同坡度的分布比例是不均衡的。其中，針葉純林、闊葉純林、針葉混交林、闊葉混交林、針闊混交林、竹類純林和其它林地的斑塊類型面積在坡度26°到35°之間(即陡坡)達到最大值，所占的比例55%以上，其次為斜坡和急坡;經濟林在斜坡上分布最為豐富，其他依次為陡坡、緩坡、平坡、急坡和險坡;而竹混交林適宜于急坡中生長，其它依次為陡坡、斜坡和險坡。景觀格局指數分析見表4。從景觀格局指數分析，隨著坡度的增加，最大斑塊指數和連接度指數先減小后增大，景觀形狀指數先增大后減小，說明景觀的優勢度和連接度呈現先降低后上升的趨勢，景觀形狀的復雜程度則反之。

表3 不同森林景觀類型沿坡度的分布情況Tab．3 Distribution of different forest landscape types by slopes

表4 不同坡度的景觀格局指數Tab．4 Forest landscape index of different slopes

3．3 景觀格局的坡向分布特征

由圖1(c)可知，無坡向即坡度小于5°的平坦區占林地的面積較小，而其他各坡向占全縣林地面積的比例較均衡。不同坡向的森林景觀結構如圖4所示。從圖4對比可以看出，陰坡和半陰坡中主要分布著針葉純林，分別占29．17%和29．92%，其次為闊葉純林;半陽坡和陽坡上的景觀分布情況相似，各森林景觀所占的比例大小為:針葉純林＞針闊混交林＞闊葉純林＞竹類純林＞針葉混交林＞其它林地＞經濟林＞竹混交林＞闊葉混交林;而無坡向中分布較多的景觀類型為針葉純林，其次為經濟林和針葉混交林。

圖4 不同坡向的森林景觀結構Fig．4 The forest landscape structure of different aspects

不同森林景觀類型沿坡向的分布情況見表5。對比表5可以看出，針葉純林、針葉混交林、針闊混交林、經濟林和其它林地主要分布在半陽坡范圍，其他依次為陽坡、半陰坡、陰坡和無坡向;闊葉純林和竹類純林的坡向分布大體相同，多分布在陰坡，其次為半陰坡、半陽坡、陽坡和無坡向;竹混交林在半陰坡上的分布較多，其次為陽坡。不同地坡向的景觀格局指數見表6。從表6各指數的變化情況來看，陰坡的斑塊密度和最大斑塊指數較小，表明陰坡上的森林景觀較破碎;半陽坡的景觀形狀指數較大，而香農均勻度指數較小，說明在半陽坡中景觀形狀較復雜且優勢度較高;無坡向的斑塊密度、最大斑塊指數、連接度指數、香農多樣性指數和香農均勻度指數均較大，而景觀形狀指數較小，說明無坡向中由闊葉純林和針葉純林組成的大班塊占優勢地位，景觀的形狀較規則、空間連接程度大且分布均勻。

表5 不同森林景觀類型沿坡向的分布情況Tab．5 Distribution of different forest landscape types by aspects

表6 不同地坡向的景觀格局指數Tab．6 Forest landscape index of different aspects

4 討論與結論

探討森林景觀分布與地形因子之間的密切聯系不僅能在一定程度上反映出適宜各景觀類型生長的地形條件，而且可以揭示地形因子對景觀格局變化的影響程度［13-14］。地形因子(地貌、坡度、坡向等)控制了水分、溫度、養分、光照等物質和能量的空間再分配［9，15］。本研究借助于地理信息系統軟件ArcGIS10．0和景觀分析工具Fragstats3．4，以景觀生態學理論為支撐，引入8個景觀格局指數，對將樂縣各森林景觀類型在地形梯度上的分異規律進行定量分析。

將樂縣的地貌類型以低山為主，其次為中山和高丘。對于海拔高度低于1 000 m的林地來說，針葉純林較其他森林景觀類型有更高的景觀百分比，其次為針闊混交林。而分布于海拔1 000 m以上的主要森林景觀類型為竹類純林，其次為針葉混交林。森林景觀類型隨著海拔的變化而呈現出明顯的垂直地帶性分布現象，其中闊葉純林、竹類純林和竹混交林的面積隨海拔的增加而增加，而其他六種森林景觀類型面積隨海拔高度的增加而呈現出先增加后減少的趨勢，并在海拔500～1 000 m之間取得極大值。由此可見，將樂縣針葉純林廣泛分布于低山地區，而竹類純林主要分布于海拔較高的中山地區。造成這一現象的主要原因是研究區針葉純林類型不多，主要有杉木、馬尾松、柳杉、黃山松等，其中馬尾松和杉木所占比重較大，且馬尾松林和杉木林多見于海拔1 100 m以下的低山區［16-18］。

研究區以陡坡為主，其次為斜坡和急坡。在坡度小于16°的平坡和緩坡中，經濟林所占的景觀比例較大，以便人工管理;坡度介于16°與35°之間的斜坡和陡坡內主要分布著針葉純林;在坡度大于36°的急坡和險坡中，闊葉純林所占的面積比例較其他森林景觀類型高，表現出了較強的適應性。從整體趨勢來看，各森林類型的景觀百分比隨坡度增加呈先增加后減少趨勢，并在陡坡取得極大值，說明陡坡的溫度、濕度、光照和土壤均適合森林植被的生長。

除了無坡向外，各森林景觀類型在各個坡向中的分布較為均勻。各個坡向上針葉純林的分布較多。總體趨勢來看，各森林景觀集中分布在半陽坡地段，說明西坡和東南坡的溫度、光照、濕度、風量等有利于植物的生長。

隨著海拔和坡度的增加，研究區森林景觀的形狀復雜程度和多樣性呈先增大后減小趨勢，而景觀優勢度和連接性則呈先減小后增大趨勢。同時可以看出，隨著海拔的增加，森林景觀的破碎化和均勻程度減小。比較3種地形因子對景觀演變過程的影響程度可以看出，坡度為關鍵因子，其次為地貌類型，而坡向的影響不明顯。

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