基于天目山森林景观格局的研究

基于GIS的森林景观格局特征分析以天目山自然保护区为例摘要：以景观生态学的理论为研究基础，以GIS为技术支撑，以浙江天目山自然保护区的地图为底图，将天目山自然保护区的森林景观类型划分为结合保护区内各班块树种类型的具体情况，将保护区100个斑块（5个没有树种的班块除外）分为7个森林景观斑块小类型: 阔叶林、针叶林、竹林、黄山杉、柳杉、针阔混交林、经济林。利用景观指数进行分析。结果表明：从森林景观的班快特征和景观异致性特征上进行研究分析，在班块密度上：阔叶林针阔混交林针叶林，在一定程度上他的班块形状要比针叶林复杂的多，因此不论是自然选择或是人为影响，阔叶林的生长优势要强于针叶林，根据其景观优势性指数较针叶林大，因此，针叶林向阔叶林的转变也是未来森林景观格局必然的趋势。关键字 景观格局分析 景观指数景观是从生态学角度研究地理、功能与历史等交互相关的综合体。51Doing H. The landscape as an ecosystem .Agriculture,Ecosystems and Environment. 1997, 63 :221-225 . 从整体出发研究景观的结构（空间格局）、功能（生态学过程）、变化（空间动态）及其与人类活动之间的相互作用，是景观生态学的主要研究内容6-9。2Forman R T T, Godron M. Landscape Ecology .New York: Wiley and Sons, 1986, . 3Naveh Z,Lieberman AS. Landscape Ecology:Theory and Application .New York: Springer-Verlag, 1994, . 12Bastian O. Landscape ecology:Towards a unified disci-pline .Landscape Ecology, 2001, (16) :757-766 . 6Forman R T T and M Godron. Patches and structural components for a landscape ecology .Bioscience. 1981, 31 :733740 .7 林孟龙，曹宇，王鑫.基于景观指数的景观格局分析方法的局限性：以台湾宜兰利泽简湿地为例J.应用生态学报.2008.19（1）：139-143景观空间格局（Landscape Pattern）一般指大小和形状不一的景观斑块在空间上的配置，是景观异质性的重要表现，同时又是各种生态过程在不同尺度上作用的结果（傅伯杰等,2001）。6傅伯杰,陈利顶,马克明,等.景观生态学原理及应用M.北京:科学出版社,2001.景观指数是反映景观空间格局的重要参数,它高度浓缩景观格局信息,反映其结构组成和空间配置等方面的特征,为科学衡量景观结构提供定量化依据1, 2。所以景观指数是景观格局分析常用的指标，是景观生态学研究方法的一大创新12-15。7ONeill RV,Krummel JR,Gardner RH,et al. Indices of landscape pattern .Landscape Ecology, 1988, (1) :153-162 . 8Krummel J R, Gardner R H, Sugihara G, et al. Landscape patterns in a disturbed environment .Oikos. 1987, 48 :321-324 . 9Turner MG. Landscape ecology:The effect of pattern on process .Annual Review of Ecology and Systematics, 1989, (20) :171-197 . 16Turner MG. Spatial and temporal analysis of landscape patterns .Landscape Ecology, 1990, 4 (1) :21-30 .通过景观指数描述景观格局，不但可以使空间数据获得一定的统计性质，而且还可针对不同空间尺度上的景观格局特征进行比较与分析，定量描述和监测景观空间结构随时间的变化16-19。17Naveh Z. What is holistic landscape ecology.A concep-tual introduction .Landscape and Urban Planning. 2000, 50 :7-26 . 2钟林生,肖笃宁,陈文波. 乌苏里江国家森林公园规划方案的景观指数辅助评价J. 应用生态学报, 2002,(01) . 3肖笃宁,李秀珍,常禹等.景观生态学理论M，北京出版社.2003森林景观是以森林生态系统为主体所构成的景观，也包括森林在景观整体格局和功能中发挥重要作用的其他类型的景观，具有系统性、空间性和动态性等特点，强调的是空间异质性、等级结构和时空尺度（郭晋平,2001）。森林景观具有相应的空间分布特征。近20年来，国内外的许多学者利用景观生态学原理来研究森林景观的格局、结构、功能及其变化，使得在森林可持续利用与管理、森林景观管理与环境质量控制等方面都取得了良好的研究成果。森林景观格局研究对林业布局中改造一个树种、一个类型森林集成中成片的生态系统脆弱问题，具有现实重要指导意义211 2彭月,魏虹,朱韦,等.鼎湖山自然保护区森林景观时空格局变化研究J.西南师范大学学报,2007,32(2):65-69.3方晰，唐代生，杨乐，等湖南省林科院试验林场森林植被景观格局及破碎化分析J中南林业科技大学学报：自然科学版，2008，28（4）：107-1124李斌，张金屯黄土高原森林景观格局特征分析J环境科学与技术，2007（S1）：87-88，1175肖化顺，张贵，郭清和广州市域林带的规划与实施J林业科技开发，2004，18（5）：76-796郭泺，刘蔚秋，江学顶，等广州市森林景观格局时空变化的研究J中山大学学报：自然科学版，2006，45（5）：76-807菅利荣，李明阳基于GIS的森林景观空间格局变化分析J西南林学院学报，2001，21（2）：96-1008詹国明三明市森林资源景观格局分析研究J林业科技开发，2005，19（4）：27-299张少杰，肖铁桥合肥城市森林景观格局分析J安徽建筑工业学院学报，2007，15（4）：56-5910阳柏苏，郑华，尹刚强，等张家界森林公园景观格局变化分析J林业科学，2006，42（7）：11-1511曾宇怀，王法明.广州市森林景观格局分析.热带地理J.2009，29（5）：412-417近年来，随着遥感、地理信息系统和计算机技术的发展，用以分析与模拟景观格局的景观指数越来越多，应用软件也日趋成熟和完善，如APACK、FRAGSTATS、Patch Analyst等20-21。使得数据采集更加快捷,信息获取更丰富,计算自动化程度高,工作效率大大提高，这为研究景观格局奠定了技术支撑。20 何原荣，周青山.基于SPOT影像与Fragstats软件的区域景观指数提取与分析J海洋测绘.2008，121 刘延国，彭培好等.基于GIS的九寨沟自然保护区景观格局分析J.西北林学院学报2010, 25(1): 162-1653宋冬梅,肖笃宁,张志城,曹宇,马明国,王建华,王建. 甘肃民勤绿洲的景观格局变化及驱动力分析J. 应用生态学报, 2003,(04) . 4曹宇,欧阳华,肖笃宁,陈高. 基于APACK的额济纳天然绿洲景观空间格局分析J. 自然资源学报, 2004,(06) .本文研究基于景观指数定量化分析天目山自然保护区的景观格局特征，以便了解人类活动和环境干扰下森林景观格局变化， 为天目山森林景观规划、设计和管理以及森林可持续经营理念奠定基础。 1 研究区概况浙江天目山国家级自然保护区位于浙江西北部临安市境内的西天目山，其地理位置为11923471192827E，301830302455N，总面积1 050 hm2。年均气温8.814.8；10年积温2 5005 100；年降水量1 3901 870 mm ，相对湿度76%81%。保护区地处中亚热带北缘向北亚热带过渡的地带，受海洋暖湿气候影响，温暖湿润,雨量充沛,森林植被十分茂盛。植被分布有明显的垂直界限，自山麓到山顶垂直带谱为:海拔870 m以下为常绿阔叶林；870 1 100 m为常绿、落叶阔叶混交林；1 1001 380 m为落叶阔叶林；1 3801 500 m为落叶矮林(汤孟平等，2007)。汤孟平,周国模,施拥军,等. 2007.不同地形条件下群落物种多样性与胸高断面积的差异分析.林业科学, 43(6): 27-31.2 研究方法数据来源本文以天目山自然保护区1: 1万的地形图为底图，以及利用Arc/Info对调查地区图面资料进行数字化后生成各类空间数据文件，对该区进行统计分析。森林景观类型的划分应以森林景观的外在特征为依据。这些景观特征包括:a.景观的尺度；b.景观嵌块体特征；c.基质的形状、大小和色调等。结合保护区内各班块树种类型的具体情况，将保护区100个斑块（5个没有树种的班块除外）分为7个森林景观斑块小类型: 阔叶林、针叶林、竹林、黄山杉、柳杉、针阔混交林、经济林。然后将其区分为二大类:自然景观、半自然景观。其中阔叶林、针叶林、针阔混交林、黄山松4种景观斑块类型人为干扰较弱，几乎保持自然状态，归为自然景观; 经济林、竹林、柳杉3种景观类型多为人工次生林，但自栽种后无太多人为干扰，归为半自然景观。森林资源数据主要来源于天目山森林资源二类调查数据，数据以小班为调查基本单元，一个林班包括几个不同的小班。二类调查需要记录每个小班的优势树种、数量比例、面积等信息。优势树种包括：杉木、栎木、松树、柳杉和毛竹5个树种，其中有100个小班，5个没有树种的班块除外。数据处理 利用地理信息系统软件ARCGIS9.2对底图进行矢量化，并建立拓扑关系，根据森林资源二类调查数据生成各种森林景观类型图，然后利用软件强大的统计分析和空间分析功能，获得空间数据库及与空间数据库相关联的属性数据库，例如斑块数量、周长、面积等空间属性信息。并以此作为空间格局分析的基础数据，利用软件excel与vc+语言相结合的方法，进行对属性数据的处理与计算。景观格局的空间特征分析一景观指数法 对景观空间格局与异质性的定量描述是分析景观结构、功能及过程的基础。通过格局和异质性分析可以将空间特征和时间过程联系起来，从而能够较为清楚地对景观内在规律性进行分析和描述。研究中选取的描述斑块特征的指数有斑块数、斑块面积、斑块周长、斑块密度、形状指数、斑块分维数和斑块伸长指数。所选的景观异质性指数有景观多样性指数、景观优势度指数。其中几个较复杂的景观指数计算公式及生态意义如下:3.4.1 形状指数斑块形状是描述景观的一个重要的因子。它对保护生物环境以及森林经营都是很重要的。斑块形状对生物多样性影响也很大。生物多样性通常是朝着一个大斑块方向逐渐下降的。另外，斑块形状对生物的扩散和觅食也有重要作用。根据刘灿然(2000 )的研究，我们用下式计算斑块形状指数：形状指数即周长与等面积的圆周长之比，越接近1.0，斑块圆度越好。式中，SI为形状指数；P为斑块周长；A为斑块面积。SI值最大说明斑块周边越发达。3.4.2 分维数 维本是用来描述客体集合形状的参数，因为它所反映的客体图形的形状作为周长的函数因周长的变化而变化，(其结果可以被一种图形按比例尺转换为另一种)。分维数用来测定斑块形状的复杂程度。分维几何中斑块面积和周长的关系被定义为: 对于单个正方形斑块，常数K等于4，则 P = 4( Ann )则 式中，D为分维数；P为斑块周长；A为斑块面积。D值的理论范围为1.0-2.0, 1.0代表形状最简单的正方形斑块，2.0表示等面积下周边最复杂的斑块。 景观生态学中分数维值的理论范围为1.0-2.0，分数维趋近于1，斑块形状越有规律。另一方面，分数维值趋近于1，表明斑块的几何形状越趋近于简单，表明受干扰程度越大。2.0表示同等面积下周边最复杂的图形。分数维是反映景观格局整体特征的重要指标，它能在一定程度上反映出了人类活动对景观格局的影响，分数维高，景观的几何形状复杂。3.4.3 斑块伸长指数斑块伸长指数描述斑块形状，正方形斑块G值等于4, G值越大，斑块形状越长。 式中，G为斑块伸长指数；P为斑块周长；A为斑块面积。3.4.4 景观多样性指数多样性指数的大小反映景观要素的多少和各景观要素所占比例的变化。当景观是由单一要素构成时，景观是均质的，其多样性指数为0；由两个以上的要素构成的景观，当各景观类型所占比例相等时，其景观多样性指数最高。各景观类型所占比例差异增大，则景观的多样性下降。景观多样性指数与群落多样性指数的主要差异是:群落多样性指数使用种及其个体密度进行计算，而景观多样性指数的计算则使用生态系统类型及其在景观中所占面积比例。其计算公式为:式中，H为景观多样性指数；m为景观要素类型数目；Pi为第i景观类型所占的面积比例，log表示以2为底的对数。在景观多样性的测度上，借用了信息论中关于不定性的研究方法，即在一个景观系统中，景观要素类型越丰富，破碎化程度越高，其信息含量和信息的不确定性也越大。按Shannon-Weaver公式计算出的指数就越高。3.4.5 景观优势度指数用于测定景观结构组成中一种或一些景观要素类型支配景观程度。它是通过计算最大可能多样性指数的离差(deviation )来表达的。计算公式为:式中，H为shannon多样性指数；Hmax为shannon多样性指数最大值。Hmax=ln(m)。 D0值小时，表示景观是由多个比例大致相等的类型组成，D0值大时，表示景观只受一个或少数几个类型所支配。该指标在完全同质的景观中(m=1)无用，此时D0=0。4 结果分析4.1 景观总体特征研究区总面积9.2787平方千米，不包括5个没有树种的班块面积，共分为7个景观斑块类型，斑块总数为100个。各个数据经过在EXCEL 2003处理后，得出了各景观斑块数目、面积及周长见表4-1。表4-1 天目山自然保护区森林景观格局总体特征（个、km2、km）班块类型班块数总面积平均面积最大面积最小面积班块总周长班块平均周长班块最大周长班块最小周长阔叶林303.84730.12820.27960.018552.65201.75513.00880.5876针叶林201.28230.06410.15740.017724.82161.24112.33540.5887黄山松50.33870.06770.17930.00915.30441.06092.19850.3655柳杉160.86520.05410.11180.018122.33361.39592.48660.7136竹林70.81630.11660.29110.010211.98731.71253.95000.3872针阔混交林212.07830.09900.33500.015730.92061.47243.21070.5971经济林10.05060.05060.05060.05061.04551.04551.04551.0455整个森林景观1009.27870.08290.33500.0091149.06501.38333.21070.3655 在保护区森林景观斑块类型中，阔叶林斑块的数目最多，达30个，占研究区总斑块数的30%。其次为针阔混交林、针叶林和柳杉，分别为21,20和16个，各占总斑块数的21% ,20%和16%。这主要与当地人类开发历史和自然条件密切相关。由于落叶阔叶林是天目山中亚热带向北亚热带的过渡性植被,由于气候和地形的影响，适合较多的栎林生长，虽然当地开发历史较早，但该区一直以来都受到国家和当地人民的保护，人们对个森林景观的破坏并不大。保护区内还有一个大的林场，使得阔叶林的斑块数目较多。 从面积特征看，阔叶林斑块总面积最大，约为3.8473km2，占研究区总面积的41.46%;其次为针阔混交林，约为2.07 km2，占22.4%。他和针叶林面积相当，为1.2823 km2，占13.82%,柳杉面积与竹林相当,分别为0.8652 km2和0.8163 km2,占9.3%和8.9%。这同样与人类开发历史和自然条件影响相关。4.2 景观斑块类型的斑块数特征研究区各景观斑块类型的斑块数特征见表4-2。研究区共有景观斑块100个，平均每个景观类型33.3个。但各景观类型所拥有的斑块数很不均匀，阔叶林最多为30个，针叶林、针阔混交林相近，各为20和21个。斑块数最少的三种景观类型为经济林、竹林和黄山松，分别为1,7和5个。这种状况都与自然条件和人类活动密切相关。表4-2 天目山自然保护区森林景观类型班块数特征班块类型班块数类型斑块数/总数(%)类型斑块数/类型总面积阔叶林3030%3.23针叶林2020%2.15黄山松55%0.54柳杉1616%1.73竹林77%0.76针阔混交林2121%2.26经济林11%0.11选取景观指数斑块密度来反映景观类型的破碎化程度。斑块密度即，景观斑块类型数/类型总面积。从表4-2中可以看出，斑块密度最大的为阔叶林和针阔混叫林，分别为3.23个/km，和2.26个/km，说明这两种景观类型破碎化程度较高。其次为针叶林和柳杉，分别为2.15个/km和1.73个/krn。斑块密度最小的为经济林，为0.11个/km，说明其破碎化程度较低。其余景观类型斑块密度都在0.6/km左右，说明其破碎化程度相近。4.3 景观斑块类型的形状特征景观类型的形状特征综合了斑块的面积特征和周长特征，反映斑块类型的整体形状特征。本文选取了三个景观指数:即形状指数、分维数和伸长指数(表4-3)。三个景观指数均由景观类型的平均面积和平均周长求得，分别为各景观类型的平均形状指数、平均斑块分维数和平均斑块伸长指数。由于斑块形状与研究尺度有密切关系，本研究所用资料尺度较大，就使得斑块的边界形状的复杂性有某种程度的弱化。所以，从表4-3中可以看出，各景观类型指数值都较为相近，但从其数据的差异中，我们依然能够推出一些结论。从斑块的平均形状指数来看，各景观类型均在1.15-1.74之间，部分不接近圆形(圆形的形状指数为1.0)。平均形状指数值较高者为经济林、竹林和柳杉，分别为1.74,1.69和1.42;较小者为黄山松和针阔混交林，分别为1.15和1.32。说明黄山松与针阔混交林、阔叶林和针叶林接近圆形。这主要是因为此种灌木的分布受自然因素影响，在自然状态下有趋于圆形分布的性质，而研究区湿地范围内地形较为简单，使得该斑块形状较其他斑块趋于圆形。而灌丛分布人为干扰少，也使得其斑块形状较为简单。经济林和竹林分布受人为影响大，且与农田、村庄相邻，使得其斑块形状较为复杂。柳杉多分布于水域周围，形状也较为复杂。表4-3 天目山自然保护区景现类型斑块形状特征班块类型平均斑块形状指数平均斑块分维数平均斑块伸长指数阔叶林1.381.014.90针叶林1.381.014.90黄山松1.151.004.08柳杉1.691.026.00竹林1.421.025.02针阔混交林1.321.004.68经济林1.741.026.03 从分维数看，柳杉、经济林和竹林平均斑块分维数较大，均为1.02。黄山松和针阔混交林较小，均为1.0。说明黄山松与针阔混叫林斑块形状较为简单，而柳杉、经济林和竹林斑块形状较为复杂。这与形状指数反映的形状特征完全一致。从伸长指数看，数值较大的依然是柳杉、竹林和针叶林，分别为6.0,6.03和5.02;数值较小的两个也是黄山松和针阔混交林，分别为4.08和4.68。同样反映了柳杉、经济林和竹林斑块形状较为复杂，而黄山松和针阔混交林斑块形状较为简单。与形状指数和分维数反映的情况一致。从这三个指数反映的情况一致性可以看出，这三个指数有着极强的相关性。由此可以对景观指数间的相关性有一定的认识。再者，从表4-3中可以看出，纵观三种景观指数，阔叶林与针叶林斑块形状特征几乎一致，而针阔混交林却要比他们低。结合表4-2，不难发现，斑块密度：阔叶林针阔混交林针叶林，阔叶林在一定程度上的斑块形状要比针叶林复杂的多，因此不论是自然选择或是人为影响，阔叶林的生长优势要强于针叶林，而针叶林向阔叶林的转变也是必然的趋势，下面给出针阔叶林各自的优势度的分析，将再次验证此种趋势。4.4 不同类型森林景观的异质性特征7种景观类型各类景观异质性指数特征见图4-1，图4-2。图4-1 自然景观、半自然景现异质性指数特征（一）图4-2 自然景观、半自然景现异质性指数特征（二）4.4.1 景观多样性指数 从图4-1中可以看出，景观多样性指数较高的为自然景观，为1.0954；其次为半自然景观，为0.4655；说明自然景观的多样性最高，半自然景观多样性较小，这主要是因为阔叶林与针叶林斑块本身类型复杂，并且本文研究中自然景观斑块的类型数较多(4种)；而半自然景观只包含三种景观斑块类型。整个景观的多样性指数为1.561，远大于其中任何一类景观。这说明景观类型的多少对景观多样性影响的重要性。4.4.2 景观优势度指数 从图4-2中可以看出，自然景观优势度最大，为0.6331；半自然景观优势度较小，仅为0.2909，这说明半自然景观主要由一个或少数几个景观类型支配。而自然景观由多个比例大致相等的景观类型组成。这与实际相符，从表2中可以看出，自然景观面积占总面积的81.4%，远比半自然景观的18.6%多的多。在计算出图4-2的数据过程中，得出过阔叶林的优势度指数为0.365，而针叶林仅为0.122，阔叶林的优势度为针叶林的3倍之多，由此可见，阔叶林班块内的植被类型更为丰富，较针叶林更有优势和研究价值。5 结论与讨论5.1 总体特征构成本保护区的主要景观类型为阔叶林、针叶林、针阔混交林，其中阔叶林与针阔混交林的面积最大，分别占总面积的41.5%和22.4%，针叶林和柳杉也有相当面积，但斑块数多，分布比较零散。今后应加强阔叶林的保护。其中有一针阔混交林斑块面积极大，为0.335km，占该班块总面积的1/6多，尤其应加强保护。5.2 斑块特征整个研究区有斑块100个，数目一般。最大斑块面积为0.335km，最小斑块面积为0.009 km，两者相差40余倍。各景观类型斑块间大小差别很大。但各类斑块形状都较为相近，边界复杂程度小。这虽然与研究尺度有一定关系，但在一定程度上也说明了各类斑块形状在整体上差异不大。5.3 景观异质性特征在自然景观、半自然景观中，自然景观多样性最高，半自然景观多样性较低。排除半自然景观多样性受斑块类型数的影响，整体上从自然景观到半自然景观多样性降低。说明随着人类的干扰，景观多样性趋于降低。总结以上几点，无论从森林景观的班快特征，还是景观异致性特征的分析考虑，在班块密度上：阔叶林针阔混交林针叶林，在一定程度上他的班块形状要比针叶林复杂的多，因此不论是自然选择或是人为影响，阔叶林的生长优势要强于针叶林，再根据其景观优势性指数较针叶林大，因此，针叶林向阔叶林的转变也是未来森林景观格局必然的趋势。参考文献汤孟平,周国模,施拥军,等. 2007.不同地形条件下群落物种多样性与胸高断面积的差异分析.林业科学, 43(6): 27-31.1李秀珍,布仁仓,常禹,胡远满,问青春,王绪高,徐崇刚,李月辉,贺红仕. 景观格局指标对不同景观格局的反应J. 生态学报, 2004,(01) . 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