混铁沟流域森林景观格局特征研究

混铁沟流域森林景观格局特征研究

景观是指由不同生态系统特征的结构、功能和动态特征组成的不同质区，以及由各种不同大小和形状的景观元素组成的景观元素。景观模型和变化是自然、社会和生物因素相互作用的结果。作为景观生态系统的重要组成部分之一,当前世界各国都已把森林景观作为林业研究的前沿性课题。森林景观具有空间分布特性,而景观格局决定着景观中各种梯度分布,制约着景观的各种生态过程。森林景观格局是森林景观生态学研究的核心,对森林景观的结构组成特征和空间配置关系等进行的定性定量描述和分析,是揭示景观结构与功能之间的关系、研究景观变化规律和景观恢复的基本途径。本研究选取混铁沟流域景观为研究对象,以木兰围场二类资源调查数据为基础,采用“森林类型+森林龄级”的二级景观分类对混铁沟的景观要素进行分类,并对混铁沟流域景观格局特征进行分析,为实现混铁沟流域景观的森林资源斑块的优化配置及森林的可持续、健康经营提供指导。1华北落叶松人工林在5.9年生态系统中的分布研究地位于河北省木兰围场国有林场管理局的孟滦林场。该林场地处浑善达克沙地南缘和滦河上游,属大兴安岭、燕山余脉的汇接地带以及坝上草原向坝下山地森林过渡的地带,北纬41°35′～42°40′,东经116°32′～117°14′,海拔高度750～1998m。该地区属半干旱向半湿润过渡地带大陆性季风型山地气候,无霜期67～128d,年平均气温-1.4～4.7℃,极端最高气温38.9℃,极端最低气温-42.9℃,年均降水量380～560mm,主要集中在7至9月。在该地区森林植被类型丰富,以华北落叶松人工林和杨桦天然次生林所占比例最大。山杨(Populusdavidiana)和白桦(Betulaplatyphylla)是天然次生杨桦林的主要树种,棘皮桦(Betuladahurica)为主要伴生树种,同时还有少量的五角枫(AcermonoMaxim)、大叶椴(Tiliamandshurica)、蒙古栎(Quercusmongolica)等树种。落叶松人工林内主要伴生有山杨、白桦等树种。两种林分类型林下植物种类组成相似,林下灌木主要有毛榛(Corylusmandshurica)、平榛(Corylusheterophylla)、胡枝子(Lespedezabicolor)等,草本植物主要有龙牙草(Agrimoniapilosa)、乌苏里苔草(Carexussuriensis)、林地早熟禾(Poanemoralis)等。2学习方法2.1景观要素方面采用“森林类型+森林龄组”的二级景观分类系统分类,一级分类:天然桦树林、人工落叶松林、天然山杏林、天然杨树林、天然榆树林和天然柞树林6种景观要素;二级分类:天然桦树幼龄林、天然桦树中龄林、人工落叶松中龄林、人工落叶松近熟林、天然山杏幼龄林、天然杨树近熟林、天然榆树幼龄林、天然榆树中龄林、天然榆树近熟林、天然榆树成熟林、天然柞树幼龄林、天然柞树中龄林、天然柞树近熟林13种景观要素。2.2景观指数的概念随着对景观格局研究的不断深入,近年来已提出了不少关于景观空间分析的指标和方法,其中景观指数方法在景观结构的描述、比较和动态研究中的应用越来越广泛。景观指数是指能够高度概括景观格局信息,反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标,已成为定量研究景观格局和动态变化的主要方法之一。本研究在参考相关景观格局指数研究的基础上,结合研究对象的特点和研究目的选取了景观斑块面积、景观异质性指数(景观多样性、均匀度和优势度)、景观破碎化程度指数(孔隙度和破碎度)和景观斑块形状特征指数(斑块形状指数和分维数)对混铁沟流域景观格局进行分析评价。2.3计算森林景观结构指数的方法2.3.1斑块的面积分布H=1−∑k=1nP2kΗ=1-∑k=1nΡk2式中:Pk是斑块类型,k是在景观中出现的概率(以该类型占有的面积占景观总面积的比例来计算),n是景观中斑块类型的总数。多样性指数的大小取决于两个方面的信息:一是斑块类型的多少(即丰富度),二是各斑块类型在面积上分布的均匀程度。对于给定的n,当各类斑块的面积比例相同时(即时),H达到最大值(Hmax=Ln(n))。通常,随着H的增加,景观结构组成的复杂性也趋于增加。2.3.2最大多样性指数的计算景观优势度指数表示景观多样性对最大多样性的偏离程度。计算公式为:D=Hmax+∑k=1nPkLn(Pk)D=Ηmax+∑k=1nΡkLn(Ρk)式中:Hmax是最大多样性指数,其计算公式为:Hmax=Ln(n)式中:n是景观中斑块类型的总数。2.3.3shrenon多样性指数hcy均匀度是描述景观里不同景观类型分配均匀程度。计算公式为:E=H/Hmax=−∑k=1nPkLn(Pk)/Ln(n)E=Η/Ηmax=-∑k=1nΡkLn(Ρk)/Ln(n)式中:H是Shannon多样性指数,Hmax是其最大值。2.3.4景观基质缺陷景观类型斑块数与景观总面积的比值为该类景观类型在景观上的斑块密度,也称作孔隙度。这一指标可以揭示出景观基质被斑块分割的程度。计算公式为:P=ni/A。式中:P是孔隙度,ni是某一景观类型的斑块数,A是景观总面积。景观类型的斑块数与该景观类型面积的比值即景观破碎度。计算公式为:I=ni/Ai。式中:I是景观破碎度,ni是某一景观类型的斑块数,Ai是该景观类型的面积。2.3.5状指数、分维数和整体分析斑块形状指数通常是经过某种数学转化的斑块边长与面积之比。斑块形状指数是通过计算某一斑块形状与相同面积的圆之间的偏离程度来测量其形状复杂程度的。斑块形状指数可由下式求得:S=P/2πA−−−√S=Ρ/2πA式中,P是斑块周长,A是斑块面积。当斑块形状为圆形时,斑块形状指数的取值最小,等于1。斑块的形状越复杂,S的值就越大。分维数可以直接地理解为不规则几何形状的非整数维数。对于单个斑块而言,其形状的复杂程度可以用它的分维数来量度。斑块分维数可由下式求得:P=kAFd/2即:Fd=2Ln(P/k)Ln(A)式中,P是斑块的周长,A是斑块的面积,Fd是分维数,k是常数。对于栅格景观而言,k=4。3结果与分析3.1森林景观面积的特点3.1.1斑块类型的面积大小混铁沟流域一级景观要素面积特征见表1。混铁沟流域总面积为304.2hm2。由表1可以看出,按一级分类划分,混铁沟的斑块总数为26个,各种斑块类型的平均面积为50.7hm2,平均斑块规模为11.7hm2。其中天然榆树林面积最大,为91.0hm2,天然山杏林面积最小,为4.9hm2,斑块类型面积间的标准差为30.3。各斑块类型的面积大小依次为:天然榆树林>天然柞树林>人工落叶松林>天然桦树林>天然杨树林>天然山杏林。各斑块类型面积占总面积比例,天然榆树林最大,为0.3,天然柞树林次之,为0.25,两者之和为0.55,超过整个景观面积的1/2。由此可见,混铁沟的主导森林景观斑块为天然榆树林和天然柞树林。人工落叶松林和天然桦树林所占的比例,分别为0.20和0.18。天然杨树林和天然山杏林所占的比例相对很小,均小于0.1。各类斑块中人工落叶松林的平均斑块面积最大为20.28hm2,天然山杏林的最小为4.86hm2,平均斑块面积大小相应顺序为:人工落叶松林>天然杨树林>天然榆树林>天然桦树林>天然柞树林>天然山杏林。3.1.2混铁沟流域不同年龄景观要素的面积特征混铁沟二级流域景观要素面积特征见表2,由表2可以看出,按二级分类划分,混铁沟的斑块总数为32个,混铁沟流域各种斑块类型的平均面积为23.4hm2,平均斑块规模为9.51hm2。其中天然榆树中龄林面积最大,为55.5hm2,天然柞树近熟林面积最小,为2.1hm2,斑块类型面积间的标准差为15.2。各斑块类型的面积大小依次为:天然榆树林中龄林>天然柞树中龄林>人工落叶松近熟林林>人工落叶松中龄林>天然桦树中龄林>天然柞树幼龄林>天然桦树幼龄林>天然杨树近熟林>天然榆树幼龄林>天然榆树近熟林>天然榆树成熟林>天然山杏幼龄林>天然柞树近熟林。天然榆树中龄林所占比例为0.18,天然柞树中龄林次之,为0.15,其次分别为天然桦树中龄林、人工落叶松中龄林、人工落叶松近熟林、天然柞树幼龄林、天然桦树幼龄林、天然杨树近熟林、天然榆树幼龄林、天然榆树近熟林,天然山杏幼龄林、天然榆树成熟林、天然柞树近熟林最小,分别为0.02、0.02、0.01。各类斑块中天然榆树中龄林的平均斑块面积最大,为55.51hm2,天然柞树近熟林的最小为1.03hm2,平均斑块面积大小相应顺序为:天然榆树中龄林>人工落叶松林近熟林>天然杨树近熟林>天然柞树中龄林>天然桦树中龄林>天然榆树近熟林>天然桦树幼龄林>人工落叶松中龄林>天然榆树成熟林>天然山杏幼龄林>天然柞树幼龄林>天然榆树幼龄林>天然柞树近熟林。二级分类中混铁沟不同年龄阶段景观要素的面积特征见表3。由表3可以看出,混铁沟流域的中龄林面积占总面积的比例最大,为0.53,在整个流域中占主导地位;其次是幼龄林和近熟林,这两种年龄阶段的面积占总面积的比例相当,分别为0.24和0.21,成熟林面积占总面积的比例最小,为0.02。以上结果说明该流域森林资源以中幼龄林为主,成熟林面积较小,未来该流域的森林经营应以培育为主。3.2混铁沟流域景观要素面积分布均衡森林景观多样性指数是反映景观斑块类型的丰富度和各景观斑块类型的均匀度,景观斑块类型越多,各景观斑块类型所占的比例越均匀,多样性指数越大。森林景观异质性见图1。一级分类景观中,混铁沟的多样性指数为1.57,和最大的多样性指数(1.79)差距不太大,并且优势度也不大,为0.22,均匀度为0.88,比较接近1,说明混铁沟流域景观要素面积分布较为均衡。二级分类景观中,混铁沟的多样性指数为2.34,和最大的多样性指数2.56差距不太大,并且优势度也不大,为0.22,均匀度为0.91,比较接近1,因此也可以揭示出混铁沟流域景观要素分布比较均衡。相对于一级景观分类而言,二级景观分类的多样性指数有所提高,均匀度也在升高。3.3森林景观破碎化程度3.3.1各景观类型斑块的破碎度和孔隙度景观类型斑块数与景观总面积的比值为该类景观类型在景观上的斑块密度,也称作孔隙度。景观斑块密度值(孔隙度)高,表明某一类景观斑块在景观中分布广、影响大。一级分类的森林景观破碎化程度见表4。由表4可知,天然柞树林的密度值(孔隙度)最大,为0.0362,其次为天然榆树林和天然桦树林,密度值(孔隙度)均为0.0164,天然杨树林和天然山杏林密度值(孔隙度)最小,均为0.0033。景观类型的斑块数与该景观类型面积的比值即景观破碎度。景观破碎度指数用来描述景观类型斑块被分割的破碎程度。各景观斑块类型破碎度的大小如表4所示,所有景观中天然山杏林的破碎度最高为0.2058,人工落叶松林的斑块破碎度最小为0.0493,天然柞树林和天然榆树林的破碎度分别为0.1456)和0.0549。综合以上指数,天然柞树林和天然桦树林的孔隙度和破碎度均较大,说明这些森林景观要素的破碎化程度较大,斑块小而分散,异质性高。并且天然杨树林的孔隙度和破碎度均较小,说明天然杨树林的破碎化程度较小,斑块大而集中。3.3.2密度值孔隙度的测定,可选用上界二级分类的森林景观破碎化程度见表5。由表5可知,混铁沟天然柞树幼龄林的密度值(孔隙度)最大,为0.0230,人工落叶松近熟林、天然杨树近熟林、天然山杏幼龄林、天然榆树中龄林、天然榆树近熟林和天然榆树成熟林的密度值(孔隙度)最小,均为0.0033。所有景观中天然柞树近熟林的破碎度最高为0.9729,天然榆树中龄林类型的斑块破碎度最小为0.0180。3.4森林景观3.4.1景观斑块形状一级分类的森林景观斑块形状见表6。由表6可以看出,混铁沟景观要素类型斑块形状中,天然桦树林的斑块形状指数最高为4.53,说明其斑块形状最复杂。其次是天然柞树林、天然榆树林和人工落叶松林,而天然杨树林和天然山杏林的斑块形状指数较低,分别为1.69和1.60,说明这两类景观斑块形状规整,边缘形状简单,接近于圆形。分维数以天然桦树林最高为1.70,表明其形状很复杂,其次是天然柞树林、天然榆树林、天然山杏林和人工落叶松林,天然杨树林分维数最低,为1.28,说明其斑块的自我相似性强,斑块形状有规律,受干扰的程度较大。综合斑块形状指数和分维数,可以看出天然桦树林和天然柞树林的数值均较高,说明其斑块形状最复杂,天然杨树林和天然山杏林的数值均较小,说明其斑块形状规整,边缘形状简单,接近于圆形。3.4.2景观斑块形状二级分类的森林景观斑块形状见表7。由表7可以看出,混铁沟景观要素类型斑块形状中,天然榆树幼龄林的斑块形状指数最高为5.42,说明其斑块形状最复杂。其次是天然桦树中龄林、天然柞树幼龄林、人工落叶松中龄林、天然柞树中龄林、天然桦树幼龄林、天然柞树近熟林、天然榆树成熟林、天然杨树近熟林、天然山杏幼龄林、天然榆树中龄林、人工落叶松近熟林,而天然榆树近熟林的斑块形状指数最低,为0.88,说明这两个类型景观斑块形状规整,边缘形状简单,接近于圆形。分维数以天然柞树近熟林,最高为2.70,表明其形状很复杂,其次是天然榆树幼龄林、天然桦树中龄林、天然柞树幼龄林、天然榆树成熟林、人工落叶松中龄林、天然桦树幼龄林、天然柞树中龄林、天然山杏幼龄林、天然杨树近熟林、天然榆树中龄林、人工落叶松近熟林,天然榆树近熟林分维数最低,为0.80,说明这两个斑块的自我相似性强,斑块形状有规律,受干扰的程度较大。综合斑块形状指数和分维数,天然榆树幼龄林、天然桦树中龄林和天然柞树幼龄林的数值均较大,说明其斑块的形状较复杂。天