退耕還林對皖西金寨縣森林景觀格局演變的影響

顧哲衍， 張金池， 汪春林， 林 杰， 劉 鑫， 韓 誠

(南京林業(yè)大學 森林資源與環(huán)境學院, 江蘇 南京 210037)

森林景觀格局是森林景觀生態(tài)學研究的核心，對森林景觀的結構特征和空間配置關系等進行的定性描述和定量分析，是揭示景觀結構與景觀功能之間的關系、研究景觀變化規(guī)律和景觀恢復的基本途徑[1]。從大的時間尺度來看，森林景觀的空間分異取決于環(huán)境因素，森林景觀格局在不同區(qū)域有不同的表現(xiàn)形式，自然條件愈復雜的地區(qū)，景觀的多樣性愈明顯[2]。任何空間尺度上的景觀格局都會隨時間的推移而不斷變化，其原因在于外界的干擾作用。這些干擾作用往往是綜合性的，包括自然環(huán)境、各種生物以及人類社會之間復雜的相互作用，結果是景觀系統(tǒng)內個別元素的穩(wěn)定性和景觀的空間結構發(fā)生變化[3]。

為改善生態(tài)環(huán)境，調整農業(yè)生產結構，中國于90年代末大規(guī)模實施了退耕還林工程，其通過改變區(qū)域土地利用方式達到恢復區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的效果，在建設和保護生態(tài)環(huán)境中有著戰(zhàn)略性的意義，對景觀格局影響巨大[4]。重點退耕還林地區(qū)景觀格局的演變特征與退耕還林工程的實施密切相關。作為景觀格局的動態(tài)研究的主要手段，基于GIS和遙感的多時相影像分析技術具有低成本、高收益的特點。由多時相影像所產生的景觀指數(shù)能夠高度濃縮景觀格局變化信息，同時，對于揭示景觀演替的機制與規(guī)律，探尋人類活動與生態(tài)環(huán)境演變之間的關系具有重要意義[5]。

目前，景觀格局的研究多側重于山區(qū)、城市、濕地等，而對于退耕還林區(qū)域的景觀格局探討相對薄弱。本文以皖西金寨縣為例，借助多時相影像分析技術和景觀指數(shù)分析法對不同景觀水平上的森林景觀格局特征及其動態(tài)演變過程進行詳細的量化研究，重點分析退耕還林工程實施前后的金寨縣森林景觀格局的時空演變特征及其內在驅動因素，以期為當?shù)厣志坝^規(guī)劃、森林資源的經營實踐及經濟社會的可持續(xù)發(fā)展提供科學的決策依據。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

金寨縣位于皖西邊陲，大別山區(qū)腹地，境內有全國著名的治淮骨干工程——梅山、響洪甸兩大水庫，總蓄水量5.0×109m3，因而是安徽省最大的庫區(qū)縣。大別山山脈由西南向東北貫穿全境，地勢自西南向東北方向呈階梯狀下降，境內群山起伏，全縣平均海拔500 m左右，25°以上山地面積約占該縣總面積的70%。該縣屬北亞熱帶濕潤季風氣候，具有優(yōu)越的水熱條件，梅山地區(qū)平均氣溫15.1～15.6 ℃，年降雨量1 100～1 500 mm，≥10 ℃的活動積溫為4 935.7 ℃。全縣森林資源豐富，地帶性植被類型為落葉與常綠闊葉混交林，喬灌木800種左右，主要優(yōu)勢樹種為栓皮櫟(QuercusvariabilisBl.)、馬尾松(Pinusmassonianalamb.)、杉木〔Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook〕及中國罕見的領春木(Eupetleapleiosperma)等。土壤在淮陽地質大別山變質巖上發(fā)育，80%以上林地土壤為山地黃棕壤，高海拔地區(qū)有少量山地草甸土。土壤呈酸性和微酸性，pH值在5.5～6.5, 土壤較為深厚肥沃。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據來源及預處理 研究采用的多時相影像為1986，1996，2011年的Landsat TM數(shù)據，軌道號Path 122/Row 38，成像時間7—8月。為糾正影像的幾何畸變和輻射失真，需對影像進行幾何精校正和大氣校正，預處理流程如圖1所示。

1.2.2 森林景觀類型的劃分 森林景觀是以森林生態(tài)系統(tǒng)為主體所構成的景觀，天然林、人工林、灌木林、疏林地、草地、濕地、河流、耕地、居民區(qū)等均屬森林景觀類型的范疇[6]。本文以中國科學院資源環(huán)境分類系統(tǒng)為依據，結合金寨縣土地資源經營特點及遙感影像的地物可辨析度，將研究區(qū)森林景觀類型分為有林地、疏林地及灌木林、耕地、水體、建設用地、未利用地6大景觀類型，特別指出，研究區(qū)內草地面積少而散，因而將其并入疏林地及灌木林。

圖1 研究區(qū)影像預處理流程

1.2.3 監(jiān)督分類 在對多時相影像進行高斯拉伸的基礎上，以Globcover全球土地覆被和國家二類森林資源普查數(shù)據為參考，采用經典的最大似然法對多時相像進行監(jiān)督分類，對分類后的結果進行最大聚合分析，并用地面實際調查資料進行精度估算和誤分類糾正，同時利用ENVI 4.8中的分類精度評價模塊進行精度評價，最終總體分類精度達85%以上，能夠滿足后續(xù)工作需要。

1.2.4 景觀指數(shù)的選取 目前，景觀格局指數(shù)已經發(fā)展到了類型少，數(shù)量多，生態(tài)學意義冗余的程度。大部分景觀指數(shù)之間的相關性高、表征信息重復[7]。針對研究區(qū)的空間尺度和地理環(huán)境特點，本文選取了景觀類型水平上的斑塊密度、邊緣密度、分形維數(shù)等和景觀水平上的多樣性及優(yōu)勢度等景觀指數(shù)進行分析，景觀指數(shù)選取的具體依據及計算公式見表1[8-11]，景觀指數(shù)由Fragstats 3.3計算。

表1 主要景觀指數(shù)

2 結果與分析

2.1 25 a間森林景觀類型演變監(jiān)測

通過分析森林景觀類型的數(shù)量變化可了解景觀類型變化總的態(tài)勢和景觀類型結構的變化[12]。

由表2可知，金寨縣1986，1996，2011年的林地(有林地、疏林地及灌木林)占地面積比分別為57.62%，70.24%，75.66%，林地面積比均超過50%，是生態(tài)環(huán)境的主導因素，因而是該縣的景觀本底。25 a間耕地持續(xù)減少，由1986年的1 516.59 km2減少至2011年的765.20 km2，面積減少近50%；林地面積持續(xù)增加,其中有林地主要由疏林地及灌木林轉化而來，其次是耕地的轉化。建設用地總體呈增加趨勢，水體與未利用地總體呈減少趨勢。

表2 1986-2011年金寨縣森林景觀類型面積構成

2.1.1 退耕還林前(1986—1996年)景觀類型變化特征 1986—1996年正值我國“七五”與“八五”計劃時期，封山育林和封山護林行動得到迅速發(fā)展，該縣先后開展了以庫區(qū)(梅山、響洪甸)沿岸為中心的庫區(qū)封山,以公路沿線和山區(qū)為中心的重點封山,以貧困村為主的撫貧封山[13]。期間，林地得到有效保護與恢復，有林地與疏林地及灌木林增幅分別為21%，26%。80年代起，一系列大規(guī)模的群眾自發(fā)性植樹造林活動相繼開展，大批耕地向林地轉化，耕地凈減37%，其過快的凈減速度也產生了一些問題。

首先，由于缺乏科學的退耕政策引導，耕地的劇烈衰減致使人地矛盾日漸突出，為提高單位面積的耕地生產力，大量使用了化學農藥，土地管理不善，耕地質量不斷下降；其次，耕地向林地轉化的科技含量低，如選用的樹種不當，部分適于農作物生產的耕地也被強行退還為林地等。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展和農村建設加快，未利用地經過改造，大部分轉為建設用地或耕地；建設用地在此期間迅速增加，主要表現(xiàn)為該縣工礦用地的急劇擴張和北部丘陵區(qū)交通用地的加密。

2.1.2 退耕還林后(1996—2011年)景觀類型變化特征 此時期除有林地和水體的變化較大外，其他景觀類型的變化均有不同程度的減緩。2002年以來，金寨縣依據《退耕還林條例》大力實施退耕還林項目建設，成為了皖西退耕還林的主戰(zhàn)場[14]。退耕還林時以適耕則耕，宜林則林為原則，還林樹種以鄉(xiāng)土樹種為主，主要為楊樹、板栗、杉、松類、竹等，期間耕地凈減19%，較退耕還林政策實施前(1986—1996年)減幅降低50%。由于疏林地及灌木林和宜林耕地的轉化，有林地增幅達30%，占全縣面積的50.22%。水體在這一時期減幅驟增至23%，這主要是由于部分河流出現(xiàn)干涸或河流水位下降，導致基巖或灘地裸露，成為未利用地。建設用地變化最小，僅減少10%，當?shù)卣疄榉€(wěn)定農業(yè)生產，將建設用地直接占用林區(qū)的部分轉化為了林地。

2.2 森林景觀格局時空演變特征分析

2.2.1 景觀類型水平上的景觀格局變化分析

(1)森林景觀的異質性動態(tài)分析。金寨縣景觀類型水平上的異質性程度可由斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)及邊緣密度(ED)等指標來反映(表3)。

表3 金寨縣不同時期斑塊密度、最大斑塊比例、邊緣密度的比較

退耕還林前(1986—1996年)，林地(有林地、疏林地及灌木林)、建設用地及耕地的斑塊密度和邊緣密度呈現(xiàn)大幅度的增長，水體與未利用地的斑塊密度和邊緣密度則過渡平穩(wěn)，表明人為干擾作用強烈，景觀破碎化和異質性程度加劇。群眾自發(fā)性的退耕還林存在強烈的主觀任意性，耕地大規(guī)模的衰減使耕地的斑塊大小向細碎化演變，成為分化割裂有林地、疏林地及灌木林的直接因素。隨著人口的增長和工業(yè)化進程的加速，建設用地擴張的步伐加快，由1986年的占地面積比不足1.5%增至1996年的2.53%，但其擴張的盲目性導致建設用地量多而分散，也進一步加劇了景觀類型整體的破碎化和復雜化。除耕地和未利用地外，其他景觀類型的最大斑塊指數(shù)均有不同程度的增長。1986年耕地的最大斑塊指數(shù)為22.17，遠高于其他景觀類型，至1996年已驟降至2.71，介于有林地與疏林地及灌木林之間，表明其對生態(tài)環(huán)境的控制作用大幅減弱，有林地的生態(tài)環(huán)境主導作用開始凸顯。

退耕還林后(1996—2011年)，未利用地的斑塊密度和邊緣密度持續(xù)增加，其他景觀類型的斑塊密度和邊緣密度則明顯減少。就斑塊密度而言，有林地減少約60%，耕地減少約49%，疏林地及灌木林減少幅度最小，僅為3%，其他景觀類型減幅在20%～38%。就邊緣密度而言，耕地減幅為35%，其他景觀類型減幅在15%～26%。由于疏林地及灌木林的轉化和大規(guī)模植樹造林活動的開展，這一時期內的有林地最大斑塊指數(shù)由3.42增至12.57，有林地對生態(tài)環(huán)境的控制作用進一步加強，森林的資源優(yōu)勢得到有效發(fā)揮。耕地的最大斑塊也有較大幅度的增長，但弱于有林地，說明耕地的生產活動由零星式逐步向集約化方向發(fā)展，其對其他景觀類型的分化割裂作用明顯減弱。這表明景觀破碎化程度得到了有效控制，景觀結構開始向有序化、合理化轉變。

(2)森林景觀格局形狀及空間關系動態(tài)分析。對分形維數(shù)進行分析(圖2)，各景觀類型的分形維數(shù)均大于1.2，說明區(qū)域的森林景觀的邊界褶皺程度較高，景觀形狀復雜，即反映出金寨縣森林景觀主要取決于地形地貌條件。金寨縣是皖西大別山的最大山區(qū)縣，山巒疊嶂，水系較為發(fā)達，河網密度約為0.7 km/km2，加之耕地的割裂作用，導致分形維數(shù)偏高。1986—2011年，有林地、疏林地及灌木林、耕地、建設用地的分形維數(shù)表現(xiàn)為先增后降的趨勢，未利用地則呈現(xiàn)逐漸減少趨勢，水體變化不大，表明1986—1996年，由于景觀的破碎化加劇，各景觀類型邊界的形狀愈來愈不規(guī)則，至2011年時，由于林業(yè)經營活動的科學性和土地利用的合理規(guī)劃設計，景觀結構得到優(yōu)化，邊界形狀向簡單化、規(guī)則化演進，有利于物質能量的循環(huán)流動。

對連接指數(shù)進行分析(圖3)，各個時期水體的連接指數(shù)都是最高的，在0.85～1.15，其次為未利用地和建設用地，最小的為有林地、疏林地及灌木林、耕地。金寨縣境內兩大水庫(梅山水庫和響洪甸水庫)總庫容約為5.0×109m3，控制流域總面積達3 401 km2，因而使水體的連接指數(shù)遠高于其他景觀類型。未利用地較建設用地斑塊形狀規(guī)整，其連接指數(shù)高于建設用地，但由于其和建設用地的面積過小，因此二者的連接指數(shù)比林地和耕地高。1986—2011年，有林地、疏林地及灌木林、耕地連接指數(shù)有所提升，其中有林地的增幅較大，表明這些景觀類型的聚集度增大，斑塊呈現(xiàn)團聚趨勢，內部連通性增強。城鎮(zhèn)化進程則直接導致了建設用地和未利用地的連接指數(shù)呈遞減趨勢。

圖2 1986-2011年金寨縣分形維數(shù)變化

注：1.有林地； 2.疏林地及灌木林； 3.耕地； 4.水體； 5.建設用地； 6.未利用地。下同。

圖3 1986-2011年金寨縣連接指數(shù)變化

2.2.2 景觀水平上的景觀格局變化分析 景觀水平上的景觀格局指數(shù)變化可直觀反映景觀鑲嵌體的時空演變特征，斑塊數(shù)量(NP)、香農多樣性指數(shù)(SEDI)及香農均勻度(SHEI)等指標所表征的景觀異質性程度可反映景觀中物種及次生物種的空間分布特征，同時也能改變物種間的相互作用及協(xié)同共生的穩(wěn)定性。

由表4可見，25 a間金寨縣森林景觀的斑塊數(shù)量變化趨勢為先增加后減少。1996年的斑塊數(shù)量接近1986和2011年斑塊數(shù)量的總和，表明1996年該縣景觀鑲嵌體承受的外界干擾最為強烈，各景觀類型斑塊間相互的分割作用明顯，景觀鑲嵌體的破碎化形勢嚴峻。香農多樣性指數(shù)香農均勻度受斑塊數(shù)量的大幅變動影響，也表現(xiàn)出先增后減的趨勢，說明1986—1996年該縣景觀異質性程度增加，非均衡化趨勢減緩，有林地、疏林地及灌木林對景觀鑲嵌體的支配地位不顯著，而1996—2011年則呈現(xiàn)相反的趨勢，有林地、疏林地及灌木林的斑塊密度、邊界密度等的減少及占地面積的增加，成為優(yōu)勢景觀類型，在景觀鑲嵌體中處于支配地位。

表4 1986-2011年金寨縣景觀格局指數(shù)變化

3 結 論

(1)25 a間金寨縣封山育林、退耕還林等行動取得了明顯成效：林地不斷增加，耕地持續(xù)減少。

(2)退耕還林工程實施前(1986—1996年)，該縣恢復植被過程中的主觀意識較為強烈，缺乏林業(yè)科技支撐，不合理的復墾現(xiàn)象頻發(fā)，致使林地、耕地及建設用地的斑塊密度、邊緣密度和分形維數(shù)不斷增加，連接指數(shù)下降，各景觀類型間相互分化割裂，景觀整體向破碎化和復雜化演變。

(3)隨著國家退耕還林政策的大力實施和“中部崛起戰(zhàn)略”的開展，退耕還林工程實施后(1996—2011年)，優(yōu)勢景觀類型林地和耕地的斑塊密度、邊緣密度和分形維數(shù)不斷減少，連接指數(shù)上升明顯，景觀整體破碎化趨勢得到有效控制，各景觀類型邊界形狀趨于規(guī)則，內外連通性顯著增強，景觀格局開始向有序化、合理化及均衡化演變。

本研究屬宏觀尺度下的二維景觀格局時空變化分析，隨著GIS三維地形分析技術、多角度遙感技術及景觀格局動態(tài)模擬技術的深入發(fā)展，微觀尺度下的三維景觀格局動態(tài)模擬將逐漸成為熱點，這有利于提升對景觀格局變化過程的認知度和景觀格局未來變化趨勢預測的準確性。

區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的驅動因素一是自然因素，二是人為因素，前者是生態(tài)惡化狀況形成的潛在條件，包括氣候、水文以及地質、地貌等要素[15]。隨著全球氣候變異和水文模型研究的深入，外界干擾作用下的景觀格局演變過程將得到更深層次的揭示。

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