美國西部國有森林破碎化模式及其管理含義1)

李明詩

(南京林業大學，南京，210037)

明 莉

(金光集團APP中國總部物流部)

樊鳴鳴 沈文娟 孫 力

(南京林業大學)

國家公園是指國家為了保護一個或多個典型生態系統的完整性，為生態旅游、科學研究和環境教育提供場所而劃定的需要特殊保護、管理和利用的自然區域。在管理定位上，它既不同于嚴格的自然保護區，也不同于一般的旅游景區。現存的關于國家公園經營管理的相關研究中，以管治理論［1］、環境倫理觀、法律［2－3］、旅游管理機制［4］等理念為主，鮮有研究通過量化和比較國家公園及其緩沖區的森林破碎化模式的時空差異來發掘其管理含義的。如今，森林破碎化已成為全球高度關注的一種環境退化現象，它是指原先大塊連續的森林被分割為較小和獨立的斑塊的過程［5］。森林破碎化能阻礙種群間的基因交流，引起近交衰敗;能改變物種生存所需的生物地理環境，減小物種的生存空間，增加了邊界數量，同時也能消極地影響系統內的能量平衡和物質流動，加劇了外來物種的入侵［6－9］。森林破碎化主要驅動因子包括自然干擾和人為干擾，如自然地理條件、人口增長、經濟發展、政府政策等都廣泛地作用于森林破碎化。在經濟發展和城市化進程日益加速的當代中國，上述的發展過程使得森林景觀生態環境保護與經濟開發之間的矛盾愈加突出［10］。本研究旨在通過建立具有明確空間含義的森林破碎化、森林干擾模式地圖，并以此為基礎來量化和比較美國西部國家公園內部與其緩沖區在森林破碎化方面的差異，探究導致這種差異的社會經濟、法律制度及教育背景，力圖為中國的國家公園可持續經營管理提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 數據來源

研究所用的數據包括:3期美國國家土地覆蓋數據庫(National Land Cover Database，NLCD1992、NLCD2001和 NLCD2006)。NLCD是一個利用Landsat TM/ETM+影像采用決策樹分類算法而發展的具有30 m空間分辨率的土地覆蓋數據產品序列(http://www.mrlc.gov/)。隨著制圖方法的發展和輸入數據的更新，再加上NLCD2001的分類系統變化，使得其無法與NLCD1992的數據直接比較。但是，USGS EROS Data Center已經發展了一個翻新的過渡產品來連接NLCD1992和NLCD2001，使兩者在Anderson分類系統上可以進行直接比較并進行變化分析［11］。NLCD2006是基于 NLCD2001采用單個Path/Row上的2期圖像的變化向量分析方法通過識別變化而發展的，因此兩者具有直接可比性［12］。這樣，在Anderson分類系統上，美國3期土地覆蓋數據就可以直接比較并進行相關變化檢測分析。以3期土地覆蓋數據為依據，裁切出美國西部的黃石、洛基山和大峽谷3個國家公園及其緩沖區作為分析對象，其具體位置如圖1所示。

圖1 研究區位置示意圖

1.2 研究方法

1.2.1 重分類

為了突出導致森林破碎化的作用因子，將土地覆蓋數據集的每一個像元按照森林—非森林的模式重新聚合為以下4類:森林、人為干擾(即農業和城市土地利用2個因素)，自然干擾(草地、灌木和濕地等)以及缺失像元(例如:裸地、水體、永久冰雪等)。本研究規定缺失像元不分割森林類型。具體的聚合準則見表1。

1.2.2 破碎化分析模型

采用Wade等人發展的方法，將一個5×5的移動窗口疊置于經過聚合分析后的土地覆蓋數據集上以計算破碎化因子得分［13］。也即，窗口中心置于每個土地覆蓋像元上，計算出該窗口的破碎化因子得分并賦予中心像元。此運算提取4個破碎化因子:森林密度指數(Pf)、森林連接度指數(Pff)、人為干擾造成的破碎化指數(Pfa)和自然干擾造成的破碎化指數(Pfn)［13］。這里，Pf是移動窗口中森林像元數占非缺失像元總數的比值;Pff是主方向上兩相鄰像元均為森林像元的像元對數占總像元對數(像元對中至少有一個森林像元)的比值。一般地，Pff值高說明該森林像元的連接度高。Pfa是主方向上相鄰像元為“森林—人為干擾”的像元對數占總像元對數(像元對中至少有一個森林像元)的比值，指示人為干擾導致的森林破碎化;相似的，Pfn是主方向上相鄰像元為“森林—自然干擾”的像元對數占總像元對數(像元對中至少有一個森林像元)的比值，量化自然干擾導致的森林破碎化。然后，定義總體森林破碎化(Ft)為自然干擾與人為干擾導致的森林破碎化之和，即Ft=(Pfa+Pfn)=(1－Pff)。上述4個破碎化因子得分的計算原理如圖2的虛擬景觀所示。將計算出的Pf和Pff值應用到破碎化模型中，根據判別條件將每個森林像元歸并為如下6個破碎化組分之一:內部森林、孔洞森林、斑塊森林、邊緣森林、過渡森林和未確定森林，從而建立起具有明確空間含義的森林破碎化模式地圖［14］。

1.2.3 森林干擾模式制圖

在Matlab環境中編制程序計算出4個破碎化因子得分后，按如下方式進行彩色合成:Pfa(紅色)、Pff(綠色)、Pfn(藍色)，從而建立森林破碎化干擾模式的空間分布特征［13］。在此彩色合成圖中，綠色顯示連接度高的森林，藍色顯示大量的自然破碎化，紅色顯示被砍伐和高人為干擾，黃色描繪Pfa和Pff幾乎相等的區域，藍綠色描繪Pff和Pfn幾乎相等的區域。沒有森林的像元顯示為黑色，缺失像元顯示為白色。另外，在Pfa圖中，非零值像元中高于Pfa均值加Pfa2倍標準差的那些像元與總森林像元數的比值被用來表示人為干擾的強烈程度，用Pfa均值表示人為干擾的普遍程度。這樣，就可以從空間上傳遞出哪些區域具有強的保護優先特征。

圖2 破碎化因子計算示例

1.2.4 景觀指數計算

選取關聯指數(IA)以定量說明破碎化的人為、自然干擾因素對森林破碎化的貢獻份額。IA計算原理是:IA=Pf－i/Pf×100% ，這里 Pf－i是與森林類型相連接的第i類土地覆蓋類型的總周長，Pf是森林斑塊的總周長。該景觀指數用美國威斯康辛大學開發的基于柵格圖像景觀指數分析工具Image Analyzer(IAN)進行提取。此軟件的下載地址為:http://landscape.forest.wisc.edu/projects/ian/。

2 結果與分析

2.1 森林破碎化模式

圖3示例了在5×5分析尺度下執行破碎化分析模型而生成的具有明確空間含義的森林破碎化模式地圖，它清楚地表明了各破碎化成分的空間分布。利用美國西部3個國家公園及其緩沖區在3個時點上的破碎化模式地圖(共18張)中不同破碎化成分面積份額的對比來刻畫森林破碎化的時空趨勢(表2)。表2顯示，3個公園內部森林面積隨時間保持相對穩定而緩沖區內的森林面積卻隨時間呈明顯下降趨勢。在5×5的分析尺度下，公園內以內部森林為主，伴有少量孔洞和邊緣森林，而在緩沖區內部森林面積份額均低于對應的公園內部，且孔洞和邊緣森林成分明顯高于公園內部。從時間尺度上看，公園內部和其緩沖區都是在2001年破碎化程度最低(高的內部森林面積比例)，并且公園內部的破碎化程度都低于其相應的緩沖區。

圖3 1992年黃石公園緩沖區森林破碎化模式

2.2 森林干擾模式

圖4示例了2006年黃石公園緩沖區的森林干擾模式，此模式地圖傳遞出森林像元在空間是如何被人為干擾和自然干擾所影響的，因此具有明確保護優先性含義。

圖4 2006年黃石公園緩沖區森林干擾模式

從類似于圖4的國家公園及其緩沖區在3個時間點的干擾模式圖(共18張)中分別提取人為干擾均值、自然干擾均值以及高烈度人為干擾像元比例并列于表3中。從表3可見，在3個時間點上美國西部3個國家公園內的森林破碎化的主導貢獻因子是自然干擾，其自然干擾均值遠高于干擾均值。而緩沖區內森林破碎化幾乎是由自然干擾與人為干擾共同作用的結果。其中大峽谷公園及其緩沖區內人為干擾、自然干擾對森林破碎化的平均貢獻差異較大。從時間尺度上看，公園內部的干擾均值隨時間變動不大且處于較低值，公園緩沖區的自然干擾均值保持相對穩定但處于較高值。除大峽谷外，另外2個公園的緩沖區內高烈度人為干擾像元比例都遠高于公園內部。這充分反映了公園內部被嚴格保護而緩沖區有相對寬松的森林經營活動的事實。另外，美國西部森林主要受自然干擾的影響，而由于陡峻的地形及森林權屬的國有化，西部森林受人為因素的影響相對較弱。

表2 森林破碎化成分面積比例

表3 森林干擾模式特征分析

2.3 森林空間關聯模式

表4顯示了森林與農業土地利用、城市土地利用的空間關聯性大小。明顯地，在國家公園內部，森林與城市土地利用的空間交互要遠強于森林與農業土地利用間的交互。這主要是由美國的土地權屬私有化及民眾的生活方式決定的。盡管公園是國有的，但其內部可能某些地塊屬于私人所有。民眾在自己私有的土地上建房居住，相應的道路、商業設施也必須配套。這樣導致了國家公園內部森林類型與城市土地利用類型緊密交互的現象。而西部陡峻的地形，限制了農業的擴張，故而公園內部農業與森林類型交互的現象少見。而在緩沖區內，森林與農業土地利用的空間交互作用有明顯的增加。另外，從時間尺度看，公園內部以及緩沖區內的森林與城市交互作用保持相對穩定，森林與農業的交互呈下降趨勢。

表4 森林與城市、森林與農業用地的空間交互

3 討論

相對于傳統的景觀指數，本研究采用森林破碎化分析模型所建立森林破碎化地圖、森林干擾模式地圖(圖3、圖4)傳遞出破碎化及森林干擾模式的明確空間含義，在實際應用中具有景觀指數無法比擬的優勢。例如，破碎化模式地圖中內部森林部分對于局部生物多樣性保護規劃(如某些緊密依賴于森林的物種的適宜生境區劃)意義重大，其可以為確定某些物種生存和運動所需的最小核心區面積的確定提供有力的數據支撐。顯然，基于傳統的景觀指數分析的結果是無法做到的。對于破碎化模式地圖中的其它成分，如孔洞森林、邊界森林等，它們的形成可能與造林設計、采伐作業、林火及病蟲害管理等實踐模式有關。因此，這些空間信息有助于指導林業生產經營活動，從而轉換森林的整體空間配置模式，實現森林生態系統的最佳環境效能。比如可以從森林可持續經營角度，提出具體的森林采伐地點及采伐方式、造林地點及造林方式，以降低森林的破碎化程度。森林干擾模式分析有效地區分了導致森林破碎化的自然因素和人為因素的貢獻份額，并且建立了空間意義明確的干擾模式地圖。這些地圖有效地傳遞出森林在哪些位置上被自然干擾所影響，哪些位置上存在強烈的人為干擾。這樣，基于這些干擾模式地圖，森林經營者就能夠發展針對性極強的保護和恢復生態措施來控制或降低人為作用對森林的干擾。

在森林經營方面，美國堅持一種可持續、多用途的生態系統經營理念，傳統的木材生產在美國西部所占的比例很小。美國國家公園管理體系經歷了逾百年的發展和完善，在經營理念、法律依據、管理機制、資金機制和監督機制等方面有其先進性，許多方面值得學習和借鑒。如通過多種教育項目、宣傳媒體加強國民的環境保護意識的培養必定能夠改善公民環境倫理觀不強的現狀［15］。另外，政府加大對我國的國有公園管理機構的經費投入以避免公園管理機構隱蔽實施“以山養人”的奇怪做法。總之，有效地借鑒美國國家公園的管理特色必將在一定程度上改善我國的國家公園管理水平和管理效率。

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