茂蘭自然保護區森林景觀格局變化探析

陳陽　陳遠　廖小鋒　謝剛　張藍月　金桃　董艷艷

摘要? ? 本文以2011年和2017年的森林調查成果化數據為基礎，依據不同優勢樹種組，采用景觀格局指數法，從組成結構、斑塊特征、景觀異質性和空間分布等方面分析茂蘭自然保護區的森林景觀格局及其變化。結果表明，2011—2017年林地面積增加了654.08 hm2;森林優勢樹種數量從16種增加至30種;景觀面積（CA）最大的均為闊葉混交樹種組，增加了1 286.33 hm2;斑塊平均大?。∕pS）最大的均為闊葉混交樹種組，增加了471.80 hm2;面積加權的平均形狀指數（AWMSI）和面積加權的平均分形指數（AWMPFD）最大值均為闊葉混交樹種組;景觀斑塊邊緣密度（ED）最大值均為闊葉混交樹種組;闊葉混交樹種組的平均最小距離（ENN）減少。2011—2017年研究區的主要優勢樹種組闊葉混交樹種組得以保護，這與人為干擾的減少有關。

關鍵詞? ? 茂蘭自然保護區;優勢樹種組;景觀格局;動態變化

中圖分類號? ? S759.9? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）09-0131-04? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Abstract? ? Based on the forestry survey results data of the year of 2011 and 2017，this paper analyzed the forest landscape pattern and its changes in Maolan Nature Reserve from the aspects of composition structure，plaque characteristics，landscape heterogeneity and spatial distribution by the method of landscape pattern index，according to different dominant species groups.The results showed that the area of forest land increased by 654.08 hm2 from 2011 to 2017.The number of dominant tree species increased from sixteen to thirty.The largest area of landscape（CA）was broad-leaved mixed tree species group，which increased by 1 286.33 hm2.The largest size of average plaque size（MpS）was broad-leaved mixed tree species group，which increased by 471.80 hm2.The maximum value of area-weighted average shape index（AWMSI）and area-weighted average fractal index（AWMPFD）were all the broad-leaved mixed tree species group.The maximum value of landscape patch edge density（ED）was the broad-leaved mixed tree species group.The average minimum distance（ENN）of the broad-leaved mixed tree species group reduced.The main dominant tree species group of broad-leaved mixed tree species group was protected in the study area from 2011 to 2017，which was related to the reduction of human disturbance.

Key words? ? Maolan Nature Reserve;dominant tree species group;landscape pattern;dynamic change

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[1]。森林景觀是區域整體景觀的重要組成部分，在生態系統和人類游憩活動中發揮著無可替代的作用，是景觀生態學研究的重點和熱點[2]。研究森林景觀格局和空間分布特征對指導森林可持續經營、優化森林景觀空間分布結構以及合理發揮生態經濟效益具有重要的理論和實踐意義[3]。目前，森林景觀生態研究主要有景觀格局指數法、3S技術分析法和景觀空間點格局分析法等方法，從種群或森林斑塊組成結構、異質性分析、空間結構等方面進行研究，不僅有根據幾期數據進行動態的景觀格局分析，也有根據參數建立模型模擬未來森林景觀格局等[4-8]。

茂蘭喀斯特森林是一種特殊的森林植被類型，其分布集中、原生性強、相對穩定及脆弱和難以恢復的特性在世界植被中占有重要地位，不僅具有重要的基礎理論研究意義，而且對中國西南石質荒漠化地區，特別是對南方濕潤地區森林植被的恢復與生態環境的重建具有重要的生產指導意義。本文運用景觀指數法，從優勢樹種組的研究角度來分析2011年和2017年的森林內部景觀格局及其動態變化，旨在揭示其森林景觀空間結構特征，為保護區的建設和后續的森林經營管理工作提供理論參考。

1? ? 研究方法

1.1? ? 研究區概況

茂蘭國家級自然保護區位于貴州省黔南布依族苗族自治州荔波縣境內，地理位置為東經107°52′10″～108°45′40″、北緯25°09′20″～25°20′50″，海拔430～1 078 m，是典型的喀斯特峰叢漏斗和峰叢洼地地貌。保護區屬于典型的中亞熱帶季風溫潤氣候，年平均氣溫為15.3 ℃，氣溫年均差18.3 ℃，1月平均氣溫為5.2 ℃，7月平均氣溫為23.5 ℃，生長期237 d。2007年，茂蘭自然保護區獲聯合國教科文組織審定為世界自然文化遺產，主要保護對象為喀斯特森林及珍稀動植物。自然保護區內保護植物有紅豆杉（Taxus chinensis）、單性木蘭（Kmeria septentrionalis）、掌葉木（Handeliodendron bodinie-ri）、小葉兜蘭（Paphiopedilum barbigerum）、華南五針松（Pinus kwangtungensis）、翠柏（Calocedrus macrolepis）和櫸樹（Zelko-va serrata）等。

1.2? ? 調查方法

1.2.1? ? 數據來源和處理方法。本文以2011年荔波縣林保數據化成果和2017年荔波縣林地更新數據化成果、茂蘭自然保護區范圍為基礎數據。利用Arcgis10.2對荔波縣2011年和2017年森林數據化成果與茂蘭自然保護區范圍進行疊加分析，得到2011年和2017年茂蘭自然保護區的森林數據化成果;依據優勢樹種組對2011年和2017年的林地小班進行融合，再進行拆分，最后得到2011年和2017年優勢樹種組森林景觀類型分類圖;選取10 m的粒度，將2011年和2017年的森林景觀類型分類圖分別轉化成Tiff格式數據。此后，將2011年和2017年的Tiff格式數據導入到Fragatats軟件中，選取合適的景觀格局參數，得到2011年和2017年森林景觀指數。將森林景觀指數導入Excel中，對數據進行統計分析。

1.2.2? ? 景觀空間格局指數。景觀指數是濃縮的景觀格局信息，能在一定程度上反應其空間配置特征和結構組成等信息[9]。本文從景觀、類型和斑塊等3個層面選擇了景觀格局指數來分析茂蘭自然保護區的景觀格局。各景觀指數的計算公式如下：

式中：CA表示類型面積，hm2;NP表示斑塊個數，個;MpS表示斑塊平均大小，hm2;PLAND表示斑塊所占景觀面積比例;AWMSI表示面積加權的平均形狀因子;AWMPFD表示面積加權的平均斑塊分形指數;PD表示斑塊密度;ED表示邊緣密度;SHDI表示Shannon多樣性指數;SHEI表示Shannon均勻度指數;ENN表示平均最近距離，m;IJI表示散布與并列;CONTAG表示蔓延度;i表示景觀要素的種類;j表示景觀要素的斑塊序號;aij表示第i類景觀要素第j個斑塊的面積，hm2;Pi表示第i類景觀要素的總周長;A表示景觀總體面積，hm2;Pij表示第i類景觀要素第j個斑塊的周長;ni表示第i類景觀要素斑塊數目;ai表示第i類景觀要素的總面積，hm2;hij表示斑塊i到j之間最近的同類型斑塊的距離，m。

2? ? 結果與分析

2.1? ? 森林景觀格局變化

由表1可知，2011—2017年，研究區茂蘭自然保護區的Shannon多樣性指數（SHDI）、Shannon均勻度指數（SHEI）分別從0.69、0.25降至0.57、0.17，由此說明這一時段研究區景觀水平森林景觀的多樣性有所下降;斑塊平均大?。∕pS）從15.98 hm2增至17.15 hm2，面積加權的平均形狀因子（AWM-SI）、面積加權的平均斑塊分形指數（AWMPFD）分別從13.11、1.26降至10.73、1.25，說明這一時段研究區景觀形狀復雜程度有所下降;景觀斑塊密度（PD）和景觀邊緣密度（ED）分別從6.26、47.99降至5.83、34.10，說明景觀的邊緣效應減弱;景觀蔓延度（CONTAG）從85.23增至90.25，表明景觀的連接性增強。

2.2? ? 優勢樹種景觀格局變化

從表1和表2可知，2011—2017年，研究區的總面積為21 299.96 hm2，2011年和2017年的非林地面積分別為2 836.32 hm2和2182.24 hm2，表明研究區的非林地面積減少了654.08 hm2，相應地林地面積增加了654.08 hm2;森林優勢樹種數量從2011年的16種增加至2017年的30種，2011年和 2017年均有的優勢樹種組為馬尾松、闊葉混交樹種組、杉木、楊梅、楓香和竹灌等6種，說明2011年和2017年優勢樹種組種類差異大。

2.2.1? ? 優勢樹種的組成結構變化。由表2可知，2011年和2017年景觀面積（CA）的優勢樹種組前四排序均為闊葉混交樹種組、雜灌、馬尾松、雜竹，且其值遠大于其他類型的景觀面積，占2011年景觀面積的86.27%，占2017年景觀面積的88.14%，因而這4種優勢樹種組構成研究區2011年和2017年的森林景觀基質。

2011年和2017年景觀面積（CA）最大的均為闊葉混交樹種組，分別為17 054.69 hm2和18 341.02 hm2，2017年較2011年增加了1 286.33 hm2。由于闊葉混交樹種組大多為天然更新，其面積的增加表明人為干擾減少，植被恢復逐漸增強。2011年以馬尾松和杉木為主的人工林景觀面積為223.51 hm2，2017年以馬尾松、杉木和柏木為主的人工林景觀面積為151.96 hm2，減少了71.55 hm2，說明研究區以木材為經營目標的行為減少，研究區植被得以較好的保護。

2011年景觀數量（NP）前四排序的為雜灌、闊葉混交樹種組、雜竹、馬尾松，占總體景觀數量的27.83%;2017年景觀數量前五排序為其他軟闊樹種組、其他硬闊樹種組、其他灌木樹種、馬尾松、雜竹，占總體景觀數量的30.43%。

2.2.2? ? 優勢樹種的斑塊特征變化。由表2可知，從斑塊大小來看，2011年和2017年的斑塊平均大小（MpS）最大的均為闊葉混交樹種組，且2個時段的MpS遠遠大于同一時期其他類型，闊葉混交樹種組等大型斑塊景觀，有利于維持研究區生境穩定性和內部生境種的存活，有利于增加生物多樣性和保護物種。MpS在一定程度上也反映了斑塊的景觀連接性，闊葉混交樹種組2017年較2011年增加了471.79 hm2，說明2017年主要優勢樹種組的景觀連接性優于2011年。

從斑塊復雜性來看，面積加權的平均形狀指數（AWM-SI）和面積加權的平均分形指數（AWMPFD）表達了斑塊的形狀復雜性以及人類行為對景觀空間格局的干擾程度，其值越大斑塊形狀越復雜，通常形狀最復雜的斑塊類型AW-MPFD 的上限值為1.5[10]。從面積加權的平均形狀指數來看，2011年、2017年的AWMSI指數最大值均為闊葉混交樹種組，分別僅為15.50、11.90，2011年較2017年高3.60，表明2011年和2017年研究區森林景觀格局復雜程度相對較低，且2017年的主要優勢樹種組的景觀格局復雜程度有所下降。從面積加權的平均分形指數來看，2011年、2017年的AWMPFD最大值均為闊葉混交樹種組，分別為1.29、1.26，說明這一時段內人為干擾對闊葉混交樹種組的影響并不強烈，而其他優勢樹種組景觀格局的AWMPFD值都較小，有一部分接近1，這說明人為干擾對這些優勢樹種組具有強烈影響。

2.2.3? ? 優勢樹種的異質性變化。景觀斑塊密度（PD）反映景觀整體斑塊分化程度，斑塊密度高，表明一定面積上異質景觀要素斑塊數量多、斑塊規模小、景觀異質性高[11]。由表3可知，2011年景觀斑塊密度排序前三的為雜灌、闊葉混交樹種組、馬尾松，其余景觀類型的景觀斑塊密度都很小;2017年的景觀斑塊密度最大為闊葉混交樹種組，遠大于其他類型的景觀斑塊密度，說明2011年的雜灌和2017年闊葉混交樹種組景觀異質性最高。景觀要素邊緣密度（ED）是指研究對象單位面積上某類景觀要素斑塊與其相鄰異質斑塊之間的邊緣長度，反映景觀中異質性斑塊之間物質、能量和信息交換的潛力及其相互影響的強度[12]。由表2可知，2011年、2017年的景觀斑塊邊緣密度最大的均是闊葉混交樹種組，分別為38.22、28.96。2011年闊葉混交樹種組的景觀斑塊邊緣密度高于2017年闊葉混交樹種組的景觀斑塊邊緣密度，說明2017年闊葉混交樹種組與其他相鄰優勢樹種組的物質、能量和信息交換強于2011年。

2.2.4? ? 優勢樹種的空間分布變化。平均最小距離（ENN）為同質森林景觀要素之間的空間關系，具體為某一類景觀要素內部斑塊之間或者同類景觀要素的不同結構成分之間的空間關系[13]。由于2011年的桐類、板栗、桑、竹灌和銀杏等，以及2017年的桐類、西南繡球、松灌、柏木、南燭、土蜜樹、梨、灌木林樹種組、杜莖山和繡線菊等，均只有1個景觀斑塊，因而不存在平均最小距離。2011年的森林景觀斑塊平均最小距離在100 m以內的為闊葉混交樹種組、栲屬和楓香，在500 m以內的為雜灌、馬尾松、雜竹和桑，在1 000 m以內的為軟闊類，1 000 m以上的為杉木和楊梅。2017年的森林景觀斑塊平均最小距離在100 m以內的為闊葉混交樹種組，在500 m以內的為其他灌木樹種、竹灌、馬尾松、其他硬闊樹種組、其他軟闊樹種組、山楊、火棘和桑，在1 000 m以內的為雜竹和香椿，1000米以上的為櫟灌、桉類、楊梅、薔薇類、杉木、板栗、杜仲和楓香樹。2011年、2017年均是闊葉混交樹種組的平均最小距離最小，而其他森林景觀類型的平均最小距離大，這是由于闊葉混交樹種組的斑塊面積大、數量多，而其他森林景觀類型的斑塊面積小、數量少影響的。從時間變化上分析來看，主要優勢樹種組斑塊闊葉混交樹種組的平均最小距離從2011年的51.76減至2017年的47.50，說明闊葉混交樹種組的斑塊連接性有所增強;而其他森林景觀類型的平均最小距離趨于變大，說明其他森林景觀類型逐漸呈離散狀態分布。這些與保護區的森林保護工作得以重視以及植被的自然更新恢復有一定的關系。散布與并列指數（IJI）表示異質森林景觀要素之間的空間關系，其取值越小，說明與該景觀類型相鄰的其他類型越少。當IJI=100時，說明該類型與其他所有類型完全、等量相鄰[14]。研究區2011年和2017年不同優勢樹種組散布與并列指數數值大多處于中等偏下水平，整體景觀的斑塊分布較為集中連片，2011年和2017年整體景觀斑塊的分布形式變化不大。

3? ? 結論與討論

從景觀層面分析，2011—2017年，研究區茂蘭自然保護區的Shannon均勻度指數（SHEI）、Shannon多樣性指數（SH-DI）分別下降，表明景觀水平森林景觀的多樣性在下降;斑塊平均大小（MpS）增加，面積加權的平均形狀因子（AWM-SI）、面積加權的平均斑塊分形指數（AWMPFD）均下降，表明景觀形狀復雜程度下降;景觀邊緣密度（ED）和景觀斑塊密度（PD）均下降，表明景觀的邊緣效應減弱;景觀蔓延度（CONTAG）增加，表明景觀的連接性增強。這些與優勢樹種組種類數量從2011年16種增加至2017年30種、而總體斑塊數量從2011年1 333個降至2017年1 242個有關。

從類型層面分析，2011—2017年，研究區的非林地面積減少了654.08 hm2，林地面積增加了654.08 hm2。2011年和2017年景觀面積（CA）最大的均為闊葉混交樹種組，其中2017年較2011年增加了1 286.33 hm2，闊葉混交樹種組多為天然更新，面積的增加表明人為干擾減少，植被恢復逐漸增強。2011年和2017年闊葉混交樹種組斑塊平均大?。∕pS）均遠遠大于同一時期其他類型，闊葉混交樹種組等大型斑塊景觀，有利于維持研究區的生境穩定性和內部生境種的存活，有利于增加生物多樣性、保護物種。2011年和2017年都是闊葉混交樹種組的平均最小距離（ENN）最小，而其他森林景觀類型的平均最小距離大，這可能是由于闊葉混交樹種組的斑塊面積大、數量多，而其他森林景觀類型的斑塊面積小、數量少。由此可見，研究區內闊葉混交樹種組這種天然更新的優勢樹種組對于維持保護區森林植被的穩定性有著重要的控制作用。人為干擾的減少可以促進森林景觀斑塊面積萎縮，斑塊間的連通度降低，景觀破碎度減小，促進斑塊內和斑塊間的物種、物質、能量和信息的交換，對于研究區來說，適宜的森林經營和土地開發等人類活動對茂蘭自然保護區森林景觀的保護有著重要意義。

4? ? 參考文獻

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