湖北省建始縣國有長嶺崗林場森林景觀分類研究

孫擁康， 湯景明*， 全永壽， 林孝培

(1.湖北省林業科學研究院，湖北武漢430075；2.長嶺崗林場，湖北建始 445300)

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湖北省建始縣國有長嶺崗林場森林景觀分類研究

孫擁康1， 湯景明1*， 全永壽2， 林孝培2

(1.湖北省林業科學研究院，湖北武漢430075；2.長嶺崗林場，湖北建始 445300)

以建始縣國有長嶺崗林場為例，選取土地類型、優勢樹種、海拔、坡度、坡向作為分類因子，在GIS技術支持下，建立起全場量化的、空間化的物種—環境數據庫，在此基礎上，采用聚類分析方法將全場劃分為7個具有獨立經營意義的森林景觀要素類型，生成了各景觀要素類型斑塊圖及屬性數據庫。各景觀要素類型空間格局特征分析結果表明，全場森林景觀類型具有顯著的異質性，但各森林景觀要素類型受干擾和破碎化程度不同，各景觀要素類型空間分布狀況也極不均衡，不利于森林整體質量的提升和綜合效益的發揮。建議在以后的森林經營過程中，應注意結合景觀尺度，對全場森林景觀規劃、管理、保護和恢復等經營措施進行科學設計。

森林景觀；分類因子；聚類分析；景觀格局特征分析；長嶺崗林場

森林景觀分類即確定景觀構成要素及其空間分布格局，是在大尺度上探討森林生態系統整合問題的基礎[1-2]。森林景觀分類研究不僅是揭示森林景觀格局結構、功能、動態變化基本規律及控制機制的基礎，也是科學實施景觀規劃、建設、管理、保護和恢復的前提[3-4]。研究表明，森林景觀要素分類是一個基于自然地理和氣候、土地利用類型、植被和土壤特征等因素而劃分的多級分類體系，多以主導的植被類型或土地利用類型命名[5-6]。景觀要素類型劃分的詳細程度不同，不僅要綜合考慮所研究的內容及所闡述的問題，還要考慮研究地區資料的限制。目前，有關森林景觀的文獻資料主要集中于對景觀要素格局特征和動態變化等的研究[7-12]，而對景觀要素類型劃分方法的研究還較缺乏，尤其是考慮環境因子的定量方法研究還較少涉及。筆者以湖北省建始縣國有長嶺崗林場為例，以該林場森林資源二類調查數據為數據源，利用GIS技術建立了量化的、空間化的物種—環境數據庫，首次基于物種—環境數據庫對該林場森林景觀要素進行分類研究，并在此基礎上，對劃分的各景觀要素類型格局特征進行分析。

1　研究區概況與研究方法

1.1研究區概況建始縣國有長嶺崗林場，地處鄂西山區巫山余脈南端，林場中心位置地理坐標為110°03′E、30°48′ N，海拔1 600～1 900 m，平均坡度25°；屬北亞熱帶季風氣候,林場年均氣溫11.7 ℃，極端最高氣溫29.0 ℃，極端最低氣溫-17.2 ℃，無霜期203 d；年降水量1 884.3 mm，年蒸發量933.3 mm，相對濕度85%；年日照時數1 533 h；土壤主要為山地黃壤、黃棕壤，成土母質主要為石灰巖、硅質頁巖等，土壤平均厚度為80 cm左右,pH 5.6～6.5，呈酸性，有機質含量豐富，但氮磷含量較低；林場內森林植被豐富，除日本落葉松外，主要鄉土喬木樹種有水冬瓜、檫木、漆樹、鵝掌揪、樺木、錐栗等[13]。

1.2研究數據以建始縣國有長嶺崗林場2009年的森林資源二類調查數據為主，在Arcgis10.0平臺支持下，通過對數據進行數字化處理及各矢量圖層的疊加，構建了研究區具有小班屬性的數字化森林景觀復合圖層。該復合圖層屬性表數據包括編號、林班號、小班號、小班面積、林種、地類、立地類型、起源、優勢樹種、樹種組成、年齡、齡組、郁閉度、經營類型、土壤類型、土壤厚度、腐殖質厚度、海拔、坡度、坡向、坡位、權屬、單位面積株數、單位面積蓄積、小班蓄積等30余個屬性數據項。

1.3確定分類因子景觀要素分類是一個多級分類體系，分類因子的確定取決于其研究的重要性和研究的尺度[14]。目前由于對景觀的理解以及研究目的的不同，還沒有形成一個統一的景觀分類體系[15]。該研究針對研究區實際情況，在遵循植被分布規律和分類結果不致于過分破碎原則基礎上，兼顧森林景觀外部及內部結構差異，選擇1個地類因子、1個植被因子及3個地形因子共5個變量進行分類，地類因子為土地類型，植被因子為優勢樹種，地形因子為海拔、坡度、坡向，所有因子均按其級別賦以相應的數值，分級情況如表1所示。

表1　景觀要素分類因子及分級

1.4建立物種—環境數據庫在Arcgis10.0平臺支持下，結合林場矢量化林相圖，按照表1確定的5個分類因子及其取值范圍，通過對各分類因子進行圖層提取、切割及疊加處理，獲得全場若干個面積大小不一的森林景觀空間基本單元及其基礎數據庫。在此基礎上，將各森林景觀基本單元按5個變量的數據進行聚類分析，由聚類結果譜系圖確定森林景觀要素類型，通過合并森林景觀要素類型相同的相鄰單元，最終生成森林景觀要素類型斑塊圖及其屬性數據庫，即為研究所需的景觀分類物種—環境數據庫。由于景觀要素劃分不僅要考慮要素內部結構特征，還要考慮各景觀類型的異質性及相互作用，因此景觀分類物種—環境數據庫還應滿足以下3個原則：①下一級景觀分類數據庫與上一級分類數據庫中空間單元數量相同，取消下一級景觀分類數據庫；②每一個尺度的分類數據庫中，類與類之間具有一定景觀異質性；③對森林經營有獨立意義的森林類型要素數據庫[2,6]。

1.5景觀指數選取及計算在生成的森林景觀分類物種—環境數據庫基礎上，綜合考慮要素組成、斑塊特征、異質性及空間分布4個方面，共選取斑塊個數(NP)、斑塊面積(CA)、面積百分比(PLAND)、平均面積(MPS)、斑塊形狀指數(PSI)、斑塊密度(PD)、多樣性指數(SHDI)、均勻度指數(SHEI)8個常用景觀指數對研究區森林景觀斑塊總體空間特征進行分析，各景觀指數計算公式見表2。

表2　各景觀指數及計算公式

注：A為景觀要素類型總面積；Z為斑塊周長；Ai為第i類景觀要素類型面積；n為景觀斑塊類型總數；ni為第i類景觀要素類型斑塊數；Pi為第i類景觀要素類型占總面積的比。

Note:A. Total area of landscape elements;Z. Patch perimeter;Ai. Area of class i landscape elements，n. Total number of landscape patch types,ni. Patch number of classilandscape elements，Pi. Proportion of classilandscape elements in total area.

2　結果與分析

2.1景觀分類物種—環境數據庫及聚類分析譜系圖在Arcgis10.0平臺支持下，按土地類型、優勢樹種、海拔、坡度、坡向5個分類因子圖層投影切割林相圖，將全場劃分成572個面積不等的森林景觀空間基本單元，得到的每個森林景觀空間基本單元不僅對各分類因子具有唯一的取值，而且仍然帶有其對應的二類調查小班的所有屬性數據，因此理論上可以根據需要將這些因子的任意一組子集進行聚類分析。對這572個基本單元按確定的5個分類變量(1個地類因子、1個植被因子和3個立地因子)進行聚類分析，結果從15類到1類聚合水平的類群譜系圖如圖1所示。圖1所示的分類體系表現出了森林景觀系統同樣具有一般系統的內在特征，即向下可分、向上可組合。將這個系統在哪個層次上劃分為幾個要素，是根據需要和可能做出的一種決策。2.2景觀要素類型及其斑塊分布圖根據上述不同水平景觀構成要素聚類分析結果不難發現，在15類聚合水平結果上，可將全場森林景觀空間劃分為松類、杉類、速闊類、針針混交林、闊葉混交林、針闊混交林及無林地7類具有獨立經營意義的景觀要素類型，每一類都是內部特征相對一致而相互間有顯著區別的森林生態系統，采用所屬的植被類型對其進行命名，各景觀要素類型的名稱及特征描述如下。

(1)類型1：松類景觀，是全場面積比例最大的景觀要素類型，植被主要為日本落葉松、馬尾松和華山松純林，98%以上分布在1 600 m以上的高海拔地帶，95%以上分布在坡度為10°～25°的斜坡，63%以上分布為陽坡。

(2)類型2：杉類景觀，植被以杉木和柳杉純林為主，85%以上分布在1 000 m以下的低海拔地帶，在10°～25°的斜坡和25°以上的陡坡均有分布，93%以上分布為陰坡。

(3)類型3：速闊類景觀，植被以人工營造的檫木和山楊純林為主，全部在1 600 m以上的高海拔地帶，70%以上分布在坡度為10°～25°的斜坡，80%以上分布為陽坡。

(4)類型4：針針混交林景觀，植被以日本落葉松、馬尾松、杉木混交為主，57%以上分布在1 000 m以下的低海拔地帶，75%以上分布在坡度為10°～25°的斜坡，65%以上分布為陽坡。

圖1　不同水平景觀構成要素聚類譜系Fig.1　The classification system of landscape components at different levels by cluster analysis

(5)類型5：闊葉混交林景觀，植被以櫧、柯、栲、白樺及雜闊等中慢生闊葉樹種混交為主，均分布在1 600 m以上的高海拔地帶，主要分布在坡度低于10°的平坡，以陰坡為主。

(6)類型6：針闊混交林景觀，植被以人工營造的日本落葉松、檫木、馬褂木、山楊混交為主，全部分布在1 600 m以上的高海拔地帶，坡度主要為10°～25°的斜坡，分布主要為陽坡。

(7)類型7：無林地景觀，包括旱地、采伐跡地、輔助生產用地、工礦及交通建設用地等，97%以上分布在1 600 m以上的高海拔地帶，80%分布在坡度為10°～25°的斜坡，分布以陰坡為主。

在遵循斑塊不跨越分界線原則下，通過合并森林景觀要素類型相同的相鄰基本單元，生成了7類森林景觀要素類型的斑塊圖及屬性數據庫，景觀斑塊數由572塊合并為146塊，這2個結果是開展全場森林景觀分析及評價的基礎，各景觀類型斑塊分布如圖2所示。

圖2　各景觀要素類型空間分布Fig.2　Spatial distribution of each landscape class

2.3景觀要素類型空間格局特征分析由表3可知，全場7類森林景觀要素類型斑塊146個，景觀斑塊數與景觀斑塊密度呈現大小一致的規律，其中松類景觀斑塊數最多(99個)，斑塊密度也最大(9.04個/km2)；無林地和杉類景觀斑塊數次之，分別為17、14個，斑塊密度次之，分別為1.55、1.28個/km2；其他景觀斑塊數和斑塊密度較小，說明全場森林景觀要素類型具有顯著的異質性。全場景觀斑塊總面積為1 095.37 hm2，松類景觀面積百分比最大，占全場景觀要素類型總面積的60.16%，說明松類景觀在全場森林景觀組分中占優勢；從平均斑塊面積看，針針混交林和杉類景觀較大，分別為13.59、12.00 hm2，而針闊混交林景觀最小(0.91 hm2)，反映出平均斑塊面積值的分布區間對景觀中最小粒級斑塊選取具有制約作用，同時也反映各景觀斑塊類型景觀破碎化程度不同。全場森林景觀形狀指數大小不一，其中闊葉混交林景觀形狀指數最大(3.74)，松類景觀形狀指數最小(2.72)，說明各類景觀形狀復雜程度和受干擾程度不同，松類景觀形狀指數最小，其幾何形狀最簡單，受到的干擾程度最大。全場森林景觀多樣性指數較高，達1.21，而景觀均勻度指數較低，為0.39， 反映出雖然全場森林景觀異質性顯著，但各類型景觀斑塊分布存在著極不均衡狀況。綜合全場景觀空間格局特征分析，筆者認為建始縣國有長嶺崗林場各森林景觀類型異質性顯著，但各景觀類型破碎化程度不同，且分布極不均衡，極大限制了森林整體質量的提升和綜合效益的發揮[16-17]，因此有必要從景觀生態角度結合現代森林經營理論和技術，對全場森林景觀空間格局進行科學規劃、調整和優化。

表3　各景觀要素類型空間格局特征統計

3　結論與討論

基于GIS技術建立量化的、空間化的建始縣國有長嶺崗林場物種—環境數據庫，并在此基礎上采用聚類分析法確定全場森林景觀要素類型及斑塊空間分布圖，是一種綜合地類因子、植被因子及立地因子對全場森林景觀要素類型進行分類研究的有效方法。通過選取的土地類型、優勢樹種、海拔、坡度、坡向5個分類因子，將全場共劃分為松類、杉類、速闊類、針針混交林、闊葉混交林、針闊混交林、無林地7類具有獨立經營意義的景觀要素類型。

全場景觀要素類型空間格局特征分析表明，全場森林景觀類型存在著顯著的景觀異質性，其中松類景觀在全場森林景觀類型組分中占優勢，但其幾何形狀最簡單，受到人為干擾影響及破碎化程度也較大，同時全場各類森林景觀類型分布狀況及破碎化程度呈不均衡現象，不利于全場森林整體林分質量的提升和綜合效益的發揮。

森林景觀是森林可持續經營研究的重要內容之一，森林景觀要素分類為景觀結構分析和規劃提供了基礎。在森林經營過程中，應注意從森林景觀與現代森林經營理論和技術相結合角度，加強對受干擾程度比較大、破碎化程度比較高的森林景觀的保護，減少不合理的人為干擾和采伐，維持、維護森林整體結構及生物多樣性的平衡，在景觀分類和結構研究基礎上，加強對森林景觀規劃、管理、保護和恢復等經營措施進行科學的設計[18-20]。同時，鑒于森林景觀分類還具有尺度特性，不同尺度下森林景觀分類的構成要素及構成要素的等級不同，兼顧森林景觀分類的尺度特性還有待于進一步研究[21-22]。

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Study on Classification of Forest Landscape of Changlinggang State-owned Forest Farm in Jianshi County, Hubei Province

SUN Yong-kang1，TANG Jing-ming1*，QUAN Yong-shou2et al

(1. Hubei Academy of Forestry， Wuhan，Hubei 430075; 2. Changlinggang Forest Farm，Jianshi，Hubei 445300)

Taking Jianshi County Changlinggang State-owned Forest Farm for example，selecting land type，dominant tree species，elevation，slope，aspect as classification factors，with the support of GIS，a quantitative and spatial species environment database was established，on this basis，seven forest landscape components types with independent management significance were determined by cluster analysis，and the plaque map and attribute database were created. The results of analysis of landscape elements spatial pattern showed that: the overall forest landscape possess significant heterogeneity，and the disturbance and fragmentation degree of various types of forest landscape elements are different，meanwhile，the spatial distribution situation of various types are extremely imbalanced，which is adverse to the promotion of forest quality and binging the comprehensive benefit into full play. It was suggested that we should design overall forest landscape management measures of planning，management，protection，restoration scientifically by combining landscape scale in later forest management process.

Forest landscape; Classification factor; Cluster analysis; Landscape pattern analysis; Changlinggang forest farm

湖北省科技支撐計劃項目(2015BBA212)；中央財政林業科技推廣示范資金項目(鄂[2015]TG01)。

孫擁康(1987- )，男，河北邯鄲人，助理研究員，碩士，從事森林經營方面的研究。*通訊作者，研究員，博士，從事森林經營和恢復生態領域的研究。

2016-05-31

S 718.5

A

0517-6611(2016)23-137-04