基于GIS的縣域森林景觀空間格局等級特征研究

孟 超 王計平 支曉蓉 胡艷萍 張德成 王 蕾

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 保定 071000； 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院國家林業(yè)局鹽堿地研究中心, 北京 100091； 3.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)科技信息研究所, 北京 100091； 4.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 北京 100083)

0 引言

縣域作為城市與農(nóng)村的交匯區(qū)，是協(xié)調(diào)人類活動與自然環(huán)境關(guān)系的基本單元。相對于人工化程度較高的城市，縣域是森林、草地等自然景觀資源分布較多的區(qū)域[1]。此外，從生態(tài)建設(shè)及責(zé)任主體看，縣域是執(zhí)行林業(yè)發(fā)展政策、落實(shí)國土綠化任務(wù)的重要空間。我國的退耕還林還草、速生豐產(chǎn)林基地建設(shè)等許多重大林業(yè)生態(tài)建設(shè)工程，以及森林城市建設(shè)都是基于縣域來實(shí)施的[2]。森林植被作為一種特殊的生態(tài)景觀類型，是縣域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[3]，承擔(dān)著維持自然生態(tài)平衡、改善生態(tài)環(huán)境等重要功能。開展縣域森林景觀格局研究，可深化縣域水平森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能及相互作用關(guān)系認(rèn)識，對指導(dǎo)縣域森林資源保護(hù)、維持森林景觀異質(zhì)性、提升綜合服務(wù)功能具有重要意義[4-6]。

森林景觀是以森林生態(tài)系統(tǒng)為主體所構(gòu)成的景觀，它不僅具有林分、樹種、林種等森林資源組成結(jié)構(gòu)，而且與土地利用類型[7]、環(huán)境條件[8]等因素耦合，共同形成一個具有高度空間異質(zhì)性的地域綜合體。森林景觀異質(zhì)性和功能多樣化形成的重要原因就是森林系統(tǒng)的等級結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)在系統(tǒng)層次、組織尺度和關(guān)聯(lián)性等方面[9]。目前圍繞這些方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了許多研究，如森林景觀分類[10]、森林健康多尺度評價[11]、景觀水平森林采伐影響[12]、森林景觀類型及其尺度關(guān)聯(lián)[13]、森林景觀斑塊耦合機(jī)理[14]等。普遍認(rèn)為，森林景觀存在異質(zhì)性，其大小及分異程度與組織尺度、系統(tǒng)分類等有關(guān)[15]，不同尺度間森林景觀格局具有一定耦合規(guī)律和關(guān)聯(lián)效應(yīng)[16]。以往研究多關(guān)注于森林景觀分類、空間關(guān)聯(lián)及其尺度效應(yīng)，而對不同等級景觀空間格局特征及其關(guān)鍵指標(biāo)的研究較少[15-19]。由于森林系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且與草地、河流、農(nóng)田、居民區(qū)等要素關(guān)聯(lián)和耦合[14,20]，由此賦予了森林景觀格局特殊的等級特點(diǎn)和功能內(nèi)涵，特別是在降低人類干擾[21]、優(yōu)化景觀格局[22]、實(shí)現(xiàn)森林資源健康經(jīng)營[23]等目標(biāo)的要求下，亟待需要綜合考慮人類活動與自然環(huán)境相互關(guān)系，從景觀生態(tài)學(xué)視角理解特定區(qū)域的森林景觀格局特征[24-26]。本文以縣域?yàn)榛締卧芯可志坝^格局等級特征，揭示不同組織層次決定和控制景觀格局的關(guān)鍵指標(biāo)，以期為縣域尺度上森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、森林景觀資源優(yōu)化利用和自然資源綜合管理提供重要參考。

1 研究區(qū)概況

易縣位于河北省中西部，保定市西北部，西倚太行山脈，東臨冀中平原，地理坐標(biāo)114°51′～115°37′E，39°02′～39°35′N(圖1)。境內(nèi)有山地、丘陵、平原等地貌類型，地勢自西北向東南傾斜，呈坡狀延降而下，平均海拔300 m左右，最高海拔1 813 m。土壤類型多，有棕壤土、褐土、潮土、草甸土、水稻土、風(fēng)沙土等。易縣屬溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，山區(qū)為半濕潤氣候，平原為半干旱氣候。全年降雨量在570～670 mm之間，降雨量年內(nèi)分配不平衡，多集中在6—8月。全年日照2 621 h，年平均氣溫11.9℃，極端最低氣溫-23℃，極端最高氣溫41℃。易縣地處太行山區(qū)，森林植被隨海拔變化有明顯分布，主要植被類型有落葉闊葉林、針葉林和針闊混交林，山地和丘陵面積大，適宜造林空間大，截止2017年底，全縣林木綠化率達(dá)到55.06%。

圖1 研究區(qū)位置及高程分布Fig.1 Location of study site and its elevation distribution

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

以2016年易縣森林資源二類清查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計和分析。數(shù)據(jù)處理包括：投影系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、景觀重分類、地類屬性校對、查詢統(tǒng)計、矢柵轉(zhuǎn)換、表單鏈接等。數(shù)據(jù)處理軟件為ArcGIS 9.3和Excel 2016。景觀類型的柵格分辨率為5 m×5 m。

2.2 森林景觀類型及等級劃定

易縣全域有629個林業(yè)作業(yè)管理單元(林班)，不同用地類型斑塊90 142個，共30種用地類型，其中林地類14種，自然土地、人居及生存用地、其他用地類型共15種(表1)。根據(jù)等級理論，不同組織層級之間，高層級具有整體性，低層級對高層級表現(xiàn)為從屬關(guān)系，而對更低層級具有制約性，基于此，本文將30個三級地類(精細(xì)層級)歸并為17個二級地類(分化層級)和4個一級地類(整合層級)(表1和圖2～4)。

2.3 景觀指數(shù)選取與計算

為了全面揭示全域森林景觀格局等級特征，從面積、邊緣、形狀、鄰近關(guān)系、多樣性、聚散性等方面分別在景觀水平和類型水平上選取代表性指數(shù)作為初選指數(shù)，其中景觀水平上選取41個指數(shù)，類型水平上選取39個指數(shù)。由于部分景觀指數(shù)之間存在明顯相關(guān)性，為了將入選指數(shù)的數(shù)量減少到一個可操作的水平，對入選指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，計算各指數(shù)的皮爾森積矩相關(guān)系數(shù)，篩查相關(guān)程度較高的指數(shù)(大于0.81)，根據(jù)其可解釋能力進(jìn)行剔除。某對指數(shù)在某一數(shù)據(jù)集中呈現(xiàn)高度相關(guān)關(guān)系，而在另一組數(shù)據(jù)中卻無明顯相關(guān)，在這種情況下，該景觀指數(shù)對將被保留。最終在類型水平確定18個指數(shù)，分別是斑塊數(shù)量(PD)、總邊緣長度(TE)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均斑塊面積(AREA_MN)、平均回轉(zhuǎn)半徑(GYRATE_MN)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)、平均周長面積比(PARA_MN)、平均鄰近指數(shù)(CONTIG_MN)、核心斑塊總面積(TCA)、獨(dú)立核心斑塊數(shù)量(NDCA)、獨(dú)立核心斑塊密度(DCAD)、平均離散核心斑塊面積(DCORE_MN)、平均核心面積(CAI_MN)、叢生度(CLUMPY)、相似鄰近百分比(PLADJ)、連接度(CONNECT)、凝結(jié)度(COHESION)、分離度(SPLIT)；在景觀水平確定23個指數(shù)，分別是斑塊數(shù)量(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均回轉(zhuǎn)半徑(GYRATE_MN)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)、平均分維數(shù)(FRAC_MN)、平均周長面積比(PARA_MN)、平均鄰近指數(shù)(CONTIG_MN)、核心斑塊總面積(TCA)、獨(dú)立核心斑塊數(shù)量(NDCA)、平均核心斑塊面積(CORE_MN)、平均離散核心斑塊面積(DCORE_MN)、平均核心面積(CAI_MN)、平均最鄰近距離(ENN_MN)、蔓延度(CONTAG)、連接度(CONNECT)、凝結(jié)度(COHESION)、分割度指數(shù)(DIVISION)、有效網(wǎng)格面積(MESH)、分離度(SPLIT)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、聚集度指數(shù)(AI)；各指數(shù)采用FRAGSTATS 3.3軟件進(jìn)行計算，公式及說明見文獻(xiàn)[27]。

表1 景觀分類系統(tǒng)Tab.1 Landscape classification system

圖2 研究區(qū)地類整合層級(4種)Fig.2 Integration level of land use type (4 classes)

圖3 研究區(qū)地類分化層級(17種)Fig.3 Differentiation level of land use type (17 classes)

圖4 研究區(qū)地類精細(xì)層級(29種)Fig.4 Fine level of land use type (29 classes)

2.4 統(tǒng)計分析

為了對景觀指數(shù)及數(shù)據(jù)信息進(jìn)一步壓縮，按照降維原理，對計算景觀指數(shù)數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，去除掉景觀數(shù)據(jù)中的一些冗余信息和噪聲，使數(shù)據(jù)變得更加簡單高效。主成分分析(Principal component analysis,PCA)是一種使用最廣泛的數(shù)據(jù)壓縮算法，可以從數(shù)據(jù)中識別主要特征，通過將數(shù)據(jù)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)角度上那些最重要的方向(方差最大)，然后通過特征值分析，確定出需要保留的主成分個數(shù)，舍棄其他主成分，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的降維[28]。運(yùn)用主成分分析法來確定最后入選的指數(shù)，為了辨識關(guān)鍵的景觀指數(shù)，在3個組織層次上分別進(jìn)行PCA計算，PCA分析的最終結(jié)果用主成分載荷系數(shù)來解釋。為了增強(qiáng)計算結(jié)果的解釋能力，應(yīng)用方差最大法對前6個主分量進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)。在前幾個主成分中具有最高載荷的指數(shù)被認(rèn)為是響應(yīng)最重要的指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 縣域景觀組成與分布特點(diǎn)

研究區(qū)景觀類型總面積為2 497 km2。境內(nèi)景觀以林地為主，占總面積的58.4%，主要分布在西部和北部山區(qū)；自然土地占12.19%，主要分布于淺山丘陵和河道兩岸，人居及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地占27.35%，主要分布在東部和南部平原區(qū)，其他用地占2.07%，零散分布于自然土地周邊。從森林景觀組成來看，全域林地總面積14 587 km2，其中，喬木林面積比為32.35%，灌木林面積比為24.34%，其余森林景觀占1.71%。在喬木林景觀類型中，楊樹類占45.09%，油松類占19.09%，經(jīng)濟(jì)林占19.02%，柞樹類占11.07%，山杏類占5.68%，落葉松類占0.04%，樺樹類占0.01%。

3.2 景觀格局對等級組織層次變化的響應(yīng)

對景觀水平上不同組織層次入選指數(shù)平均值分析發(fā)現(xiàn)(表2)，景觀分離度、斑塊密度和香農(nóng)多樣性指數(shù)對組織層次變化的響應(yīng)程度較為突出，隨著組織層級精細(xì)化，各景觀指數(shù)不斷增加，變幅分別達(dá)到了214.6%、126.1%和115.38%。其次為景觀形狀指數(shù)、獨(dú)立核心斑塊數(shù)量、景觀分割度等指數(shù)變化明顯，分別增加41.18%、69.19%、57.69%。隨著組織層次的變化，降低最明顯的指數(shù)有核心面積分布、離散核心斑塊分布、有效粒度尺寸、最大斑塊指數(shù)等，分別降低77.15%、75.92%、64.77%、49.87%。隨著景觀系統(tǒng)組織層次精細(xì)化，景觀類型豐富化明顯，景觀破碎化程度加強(qiáng)，整體空間分化程度相應(yīng)地增加，同時等級細(xì)化也降低了景觀核心斑塊和有效粒度的大小，這意味著在縣域尺度上，隨著森林景觀系統(tǒng)層級逐步分化和細(xì)化，景觀異質(zhì)性表現(xiàn)更加活躍，森林景觀資源管理應(yīng)注重對景觀多樣性、空間分割程度、森林核心斑塊數(shù)量和面積等指標(biāo)控制。

表2 景觀水平不同組織層景觀指數(shù)平均值及變化程度Tab.2 Average value and change of landscape indices for different organizational levels in landscape level

3.3 景觀水平不同組織層級景觀格局特征及關(guān)鍵指標(biāo)

在由4種景觀類型組成的整合層級上，前4個主分量可解釋所有數(shù)據(jù)集變異的76.24%(表3)。在第一主成分(PC1)上有10個以上高度相關(guān)的指數(shù)，其中，蔓延度、聚集度、最大斑塊指數(shù)等表現(xiàn)出較高的正載荷，而景觀斑塊數(shù)量、形狀指數(shù)、分割度、分裂度、多樣性、均勻度等指標(biāo)在這個主成分中表現(xiàn)出極強(qiáng)的負(fù)載荷，這表明在整合層級上景觀格局主要呈現(xiàn)出較大斑塊面積、復(fù)雜的斑塊形狀、景觀多樣性水平和空間聚合度相對低等特點(diǎn)，在第二主成分(PC2)和第三主成分(PC3)上，景觀斑塊邊緣、形狀等特征指標(biāo)表現(xiàn)出明顯的高載荷；在17種景觀類型構(gòu)成的分化層級上，景觀破碎化、斑塊大小、空間聚合、多樣性等方面的指標(biāo)依然在第一、第二主分量上表現(xiàn)出高的相關(guān)性，且對比于整合層級(4種類型)，這些高相關(guān)的指數(shù)載荷均呈現(xiàn)降低趨勢，而平均斑塊核心面積、有效粒度尺寸等指標(biāo)與主分量軸的相關(guān)性趨于增加，表現(xiàn)為較高的正載荷，這說明景觀分割程度在增強(qiáng)，核心斑塊的作用逐步加強(qiáng)。在30種景觀類型構(gòu)成的精細(xì)層級上，景觀破碎化、斑塊大小、空間聚合、多樣性等方面的指標(biāo)依然表現(xiàn)得很活躍，在第一主分量(PC1)上均呈現(xiàn)出較高的相關(guān)性，且與前兩個組織層級表現(xiàn)為一致的正負(fù)載荷分布，但從相關(guān)程度變化可看出，隨著景觀類型進(jìn)一步精細(xì)，景觀破碎化、鄰近指數(shù)、有效粒度尺寸等指標(biāo)的載荷增加，景觀形狀、最大斑塊面積、核心斑塊指數(shù)、蔓延度、凝結(jié)度、分裂度、多樣性、均勻度、聚集度等指標(biāo)與主成分旋轉(zhuǎn)軸之間的相關(guān)性程度在降低，此外平均回轉(zhuǎn)半徑和平均邊緣面積分維指數(shù)的貢獻(xiàn)及解釋能力達(dá)到了較高水平。

表3 景觀水平不同層級景觀指數(shù)主成分載荷Tab.3 Principal component loadings for different organizational levels

對景觀水平上659個林班單元景觀格局旋轉(zhuǎn)主成分分值情況進(jìn)行分析表明，在整合層級上，從旋轉(zhuǎn)主成分的分值來看，在林班單元研究區(qū)西部和北部呈優(yōu)勢分布的森林景觀類型蔓延度趨勢表現(xiàn)較為突出，景觀斑塊形狀規(guī)則，邊緣復(fù)雜，各景觀類型斑塊鄰近程度空間變異明顯；在分化層級上，高值區(qū)主要分布在西部淺山區(qū)和深山區(qū)之間，該區(qū)域?yàn)楣嗄玖值睾蛦棠玖志坝^集中分布地區(qū)，主要特點(diǎn)為景觀空間分割明顯，破碎化程度大，斑塊形狀及邊緣趨于復(fù)雜化；在精細(xì)層級上，第一主成分高值區(qū)主要分布于南部淺山地區(qū)和東部人居及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動較大的區(qū)域，表現(xiàn)為林地和耕地主導(dǎo)下景觀聚集化程度明顯，而在其他主成分上，蔓延度、景觀分維數(shù)等指標(biāo)分值大小在縣域上呈現(xiàn)明顯空間分化(表4)。

表4研究區(qū)林斑旋轉(zhuǎn)主成分分值(顏色越深分值越高)
Tab.4Rotatedcomponentscoresofstudyarea(darkertonesrepresentedgreatervalues)

3.4 類型水平森林景觀格局特征及關(guān)鍵指標(biāo)

在整合層級中，林地的景觀凝結(jié)度、斑塊內(nèi)部連接度較高，核心斑塊總面積(TCA)優(yōu)勢明顯，但林地景觀斑塊破碎化和復(fù)雜化對整個景觀格局的反向影響明顯，這說明林地景觀作為優(yōu)勢景觀類型，格局上具有典型的地段、集群分布特征，但在整個縣域，受其他景觀類型分布及相互影響，表現(xiàn)為明顯的景觀破碎化和形狀復(fù)雜化(圖5)。

圖5 林地及主要森林景觀格局主成分分析Fig.5 Principal component analysis of woodland and main forest landscape patterns

在分化層級中，喬木林景觀與整個林地景觀格局特征表現(xiàn)較為相似，景觀凝結(jié)程度、斑塊內(nèi)部連接度等高于整合層級林地景觀，而在景觀破碎化程度方面低于整個林地景觀。灌木林景觀在整體凝結(jié)度、斑塊內(nèi)部連接度等方面表現(xiàn)為與喬木林景觀一致的特征，此外在獨(dú)立核心斑塊數(shù)量、密度及總邊緣長度方面，灌木林比喬木林和整個林地景觀表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

在精細(xì)層級中，楊樹類景觀以凝結(jié)度、斑塊內(nèi)部連接度、核心斑塊面積、數(shù)量、密度及邊緣長度等指標(biāo)貢獻(xiàn)明顯為主要特征，這一特征也從較高的回旋半徑指數(shù)相對應(yīng)；油松林景觀除整體凝結(jié)度、獨(dú)立核心斑塊面積、數(shù)量等特征與楊樹類景觀相似外，叢生度信息影響顯著，但景觀破碎化程度、形狀復(fù)雜性和總邊緣長度等信息的反向影響明顯；山杏類和柞樹類景觀斑塊的聚集特征也類似，但景觀破碎化和復(fù)雜程度表現(xiàn)為正向影響；經(jīng)濟(jì)林在景觀整體凝結(jié)度、斑塊形狀、面積、數(shù)量及邊緣長度等信息的正向影響程度較高，但景觀叢生度、聚集化等特征的反向影響突出，體現(xiàn)出與其他森林景觀類型在格局特征上不一樣的特點(diǎn)。

4 結(jié)論

(1)易縣林地面積達(dá)到了全域面積的58.4%，主要分布于西部和北部山區(qū)。全域森林以喬木和灌木林為主，占森林資源面積總量的97.07%，其中楊樹、油松、柞樹、山杏和經(jīng)濟(jì)林是喬木林景觀中的優(yōu)勢類型，分別達(dá)到了45.09%、19.09%、11.07%、5.68%和19.02%。

(2)景觀分離度、斑塊密度、多樣性等指標(biāo)對組織層次變化響應(yīng)強(qiáng)烈。隨著景觀系統(tǒng)組織層級的細(xì)化，在景觀類型多樣化的同時，景觀破碎化程度增大，景觀斑塊復(fù)雜性程度增強(qiáng)，表現(xiàn)為核心斑塊面積、數(shù)量和有效粒度的大小方面的指數(shù)變化。

(3)在景觀水平上，景觀層級越高越綜合，景觀格局空間蔓延和整體聚合趨勢越明顯，同時景觀多樣性、均勻度等異質(zhì)性指標(biāo)的反向影響作用表現(xiàn)突出。隨著景觀類型細(xì)化，景觀斑塊面積、有效粒度、邊緣特征等明顯增強(qiáng)。蔓延度、凝結(jié)度、分裂度、多樣性、均勻度、景觀形狀、聚集度等指數(shù)是影響景觀格局的關(guān)鍵指標(biāo)。

(4)在類型水平上，林地和各層級森林資源景觀格局表現(xiàn)出明顯聚合和凝結(jié)特征，且與景觀水平上的一些景觀格局特點(diǎn)相似。隨著組織層級細(xì)化，楊樹、油松、山杏等林種層級的景觀集聚、叢生程度明顯增強(qiáng)，且在面積、數(shù)量、邊緣特征等方面具表現(xiàn)明顯的正向效應(yīng)。受其他景觀類型的影響，從西部山區(qū)到東部平原，各層級森林景觀資源隨著人類活動增強(qiáng)，景觀破碎化和斑塊形狀復(fù)雜化程度呈現(xiàn)增加趨勢，且在不同林種間存在明顯差異。