基于GIS的長嶺崗林場森林景觀格局分析與優化

孫擁康　湯景明*　全永壽　林孝培

（1湖北省林業科學研究院，湖北武漢430075；2長嶺崗林場，湖北建始445300）

基于GIS的長嶺崗林場森林景觀格局分析與優化

孫擁康1湯景明1*全永壽2林孝培2

（1湖北省林業科學研究院，湖北武漢430075；2長嶺崗林場，湖北建始445300）

以建始縣國有長嶺崗林場森林資源二類調查數據為基本材料，在GIS技術支持下，從森林景觀格局總體特征、景觀斑塊異質性和景觀水平異質性3個層次對該林場森林景觀格局特征進行定量化分析。結果表明：其森林景觀存在分布極不均衡、未利用林地斑塊數量多、受干擾及破碎化程度高、生態功能及效益得不到有效發揮等問題。對此，有針對性地提出了森林景觀格局優化建議，指出了森林景觀格局優化方向。研究結果從景觀尺度為建始縣國有長嶺崗林場森林可持續經營提供了科學依據。

森林景觀格局；景觀異質性；景觀破碎化；景觀格局優化；長嶺崗林場

森林景觀格局是指性質、大小及形狀各異的森林景觀要素在空間上的分布和組合特征，是當今森林景觀生態學研究的核心［1］。它是在一定的自然條件和人類活動綜合作用下，森林景觀異質性在空間上的具體表現［2］。對其進行定性、定量的描述和分析，有助于揭示景觀結構與功能之間的關系、發現景觀內部潛在的、有意義的變化規律和形成機制，是進一步開展景觀評價、優化利用和保護、景觀恢復和可持續發展等的重要基礎和基本途徑［3-5］。近年來，隨著GIS等信息技術手段的快速發展，將現代信息科學技術廣泛地應用于區域森林景觀格局定量研究中，使得這一領域的研究開始變得更加深入［6-10］。

目前，我國對森林景觀格局的研究相對成熟，主要集中在對森林景觀格局特征、景觀格局動態變化及驅動力、景觀格局尺度效應等方面，這些研究對我國森林景觀格局定量化研究具有積極的推動作用，為我國森林景觀格局定量指標的建立、完善、測量及統計等提供了重要的科學依據和技術支撐［11-12］。建始縣國有長嶺崗林場森林資源豐富，是我國南方重要的速生豐產林基地，在鄂西山區占據著重要的經濟、社會和生態地位。雖然已有大量文獻從該場小尺度的林分水平開展相關林業科學研究，但從中、大尺度的景觀水平開展的研究還較少涉及。本文研究以建始縣國有長嶺崗林場森林資源為研究對象，運用景觀格局分析軟件和GIS技術相結合的方法，從森林景觀格局總體特征、景觀斑塊異質性和景觀水平異質性3個方面出發，對全場森林景觀格局進行了量化分析，并針對性的提出全場森林景觀格局優化建議，以期為區域合理配置景觀結構、科學規劃經營方案、最大限度發揮森林綜合效益，實現森林可持續經營提供科學依據。

1　研究區概況

建始縣國有長嶺崗林場，地處鄂西山區巫山余脈南端，林場中心位置地理坐標為30°48′N、110°03′E，海拔高度1 600～1 900m，平均坡度25°；屬北亞熱帶季風氣候，林場年均氣溫11.7℃，極端最高氣溫29℃，極端最低氣溫-17.2℃，無霜期203d；年降水量1 884.3mm，年蒸發量933.3mm，相對濕度85%；年日照時數1 533h；土壤主要為山地黃壤、黃棕壤，成土母質主要為石灰巖、硅質頁巖等，土壤平均厚度為80cm左右，pH值5.6～6.5，呈酸性，有機質含量豐富，但氮磷含量較低。林場內森林植被豐富，除日本落葉松外，主要鄉土喬木樹種有檫木、漆樹、鵝掌揪、光皮樺、錐栗等［13］。

2　材料與方法

2.1數據來源及預處理以建始縣國有長嶺崗林場2009年的森林資源二類調查數據為數據源。在Arcgis10.0平臺支持下，通過對數據進行數字化處理及各矢量圖層的疊加，構建了研究區具有小班屬性的數字化森林景觀復合圖層。該復合圖層屬性表數據包括編號、林班號、小班號、小班面積、林種、地類、立地類型、起源、優勢樹種、樹種組成、年齡、齡組、郁閉度、經營類型、土壤類型、土壤厚度、腐殖質厚度、海拔、坡度、坡向、坡位、權屬、每公頃株數、每公頃蓄積、小班蓄積等30余個屬性數據項。

2.2森林景觀類型劃分為從不同層次上全面客觀地反映建始縣國有長嶺崗林場森林景觀格局特征，本文根據研究區實際情況，在遵循植被分布規律和分類結果不至于過分破碎原則基礎上，兼顧森林景觀外部及內部結構差異，按照地類因子、植被因子及地形因子相結合的3級分類方法，將研究區森林景觀劃分為松類、杉類、速闊類、針針混交類、針闊混交類、闊葉混交類、無林地類共7類景觀類型，全場森林景觀要素類型分布見圖1。

圖1　森林景觀要素類型空間分布示意

2.3景觀格局指數選擇景觀指數能夠高度濃縮景觀格局的信息，是反映其結構組成和空間配置特征的定量指標，因此，選擇出相關性較小且生態學意義明確的景觀指數顯得非常重要［14］。本文綜合考慮不同指標特點、研究目的及研究內容等，主要從3方面對研究區景觀格局進行了描述：（1）景觀類型特征分析指標：斑塊個數（NP）、斑塊面積（CA）、面積百分比（PLAND）、平均面積（MPS）、斑塊形狀指數（PSI）；（2）景觀斑塊類型水平異質性指標：斑塊密度（PD）、邊緣密度（ED）；（3）景觀水平異質性指標：蔓延度（CONTAG）、相似鄰近百分比（PLADJ）、散布與并列指數（IJI）、多樣性指數（SHDI）、均勻度指數（SHEI）。

3　景觀格局定量分析結果

3.1景觀格局總體特征從表1可以看出，建始縣國有長嶺崗林場7類森林景觀要素類型，共有斑塊數146個，總斑塊面積為1 095.37hm2，平均斑塊面積為7.50hm2。其中，松類景觀斑塊個數和斑塊面積均最大，分別為99個和658.96hm2，約占全場總森林景觀面積的60.16%，但其平均斑塊面積和形狀指數相對較小，分別為6.66hm2和2.72，說明松類景觀在全場森林景觀組分中占絕對優勢，為研究區的基質景觀類型，對研究區整體景觀結構、功能及動態過程起著主導作用，但其斑塊形狀簡單，受干擾程度和破碎化程度較大；杉類景觀和針針混交林景觀斑塊個數分別為14個、7個，面積分別為168.02hm2、95.10hm2，兩者共占全場總森林景觀面積的24.02%，說明該兩類景觀也是研究區森林景觀的重要組成部分，對維持全區森林景觀多樣性和穩定性發揮著重要作用；其他森林景觀類型面積相對較小，但形狀指數相對較大，特別是闊葉混交林，形狀指數最大，為3.74，說明這些景觀類型斑塊形狀及空間分布相對較復雜，受干擾程度相對較小。此外，無林地景觀斑塊個數為17個，斑塊面積為131.79hm2，從面積上看僅次于松類和杉類景觀的景觀類型，無林地景觀相對較多，在為各類型森林景觀提供必要的生態廊道和基質的同時，也極大增大了各類型森林景觀受干擾及分布不均衡的風險，是造成研究區森林景觀異質性和破碎化的重要原因之一。

表1　景觀要素類型特征指數

3.2景觀斑塊異質性分析景觀斑塊異質性反應了不同景觀要素斑塊之間的空間關系特征，斑塊密度和邊緣密度是描述景觀斑塊異質性的常用指標［15］。斑塊密度常用來反應景觀整體的分化程度，邊緣密度則常用來反應景觀整體的復雜程度。由表2可以看出，研究區各森林景觀斑塊密度和邊緣密度差異性明顯：斑塊密度以松類景觀最大，達9.04塊/km2，無林地、杉類、針針混交林、速闊類景觀斑塊密度次之，均大于0.50塊/km2，針闊混交林、闊葉混交林類景觀斑塊密度則較小。說明研究區森林景觀異質性顯著，斑塊分化程度較高，特別是松類景觀受經營、采伐等人為干擾因素的影響，斑塊較分散，斑塊破碎化程度較高；邊緣密度與斑塊密度基本呈現相一致的結果，以松類景觀最大，達17.26m/hm2，闊葉混交林類景觀最小，為0.01m/hm2，說明松類景觀作為研究區基質景觀類型，主導著斑塊與環境、斑塊與斑塊之間物質、能量等信息交換的同時，森林景觀類型單位面積上的周長值大，斑塊邊緣被分割程度較高，而闊葉混交林類景觀則相反，斑塊面積和周長均較小，邊緣密度低，斑塊相對較集中，類型保存較完整，邊緣密度也間接反映了景觀斑塊的破碎化程度。

表2　景觀斑塊異質性指數

3.3景觀水平異質性分析景觀水平異質性分析有助于更好的認識區域景觀格局的空間特征［16］。本文從景觀水平上，共選取蔓延度、相鄰與鄰近百分比、散布與并列指數、多樣性指數及均勻度指數5個景觀指數來表征全場森林景觀異質性。由表3可知，全場森林景觀要素類型蔓延度指數較高，為72.54，蔓延度反映了景觀中不同斑塊類型的團聚程度或延展趨勢，蔓延度高說明全場森林景觀主要由少數大斑塊類型團聚組成，并且具有較好的連接性；全場森林景觀要素類型相似鄰近百分比指數及散布與并列指數也較高，分別為87.53%和57.43%，相似鄰近百分比指數反映了區域斑塊的聚集程度，散布與并列指數反映了全場森林景觀分散與相互混雜程度，兩者值均較高，說明全場森林景觀斑塊相對較集中，分散程度較小，且各景觀斑塊類型鄰接程度較大；全場森林景觀要素類型多樣性指數較大，為1.21，而均勻度指數較小，為0.39，景觀多樣性和均勻度指數是反應、評價景觀異質性和分布狀況的重要指標，景觀多樣性指數大，說明全場整體景觀水平多樣性較高，景觀組成結構復雜；而景觀均勻度指數小，說明全場森林景觀斑塊類型分布不均衡，景觀主要受一種或少數幾種優勢斑塊類型所支配，結合全場景觀格局總體特征分析結果，優勢景觀斑塊為松類景觀和杉類景觀。

表3　景觀水平異質性指數

4　景觀格局優化建議

景觀格局優化目標是調整優化景觀組分、斑塊的數量和空間分布格局，使各組分之間達到和諧、有序，以改善受脅受損的生態功能，提高景觀總體生產力和穩定性，實現區域可持續發展［17］。根據上述分析可知，建始縣國有長嶺崗林場整體森林景觀還存在分布極不均衡、未利用林地斑塊數量多、受干擾及破碎化程度高、生態功能及效益得不到有效發揮等問題，本文從研究區實際出發，針對現狀問題提出如下景觀格局優化建議。

4.1立足區域定位，科學系統規劃景觀格局區域定位是開展景觀格局優化設計的前提。建始縣國有長嶺崗林場地處鄂西山區巫山余脈南端，不僅是我國南方重要的速生豐產林基地，同時，該區也是我國典型的生態脆弱區，在維護區域經濟、社會發展及生態安全等方面占據著重要地位。因此，開展景觀格局優化必須建立在對全場整體景觀格局、功能及過程的深入理解基礎上，通過科學、系統地景觀格局規劃，將其作為一個復雜的系統分析過程，綜合考慮景觀格局優化的整體生態功能優先、多目標、多功能、尺度適宜性、結構合理及平衡性等原則，建立整體優化目標和標準，對各種景觀類型在空間和數量上進行優化設計，進而實現全場森林景觀格局整體最優化和生態綜合價值的最大化［18-20］。

4.2遵循自然生境條件，合理配置植物群落建始縣國有長嶺崗林場地形屬中高山區，地勢起伏多變，環境復雜，在進行全場森林景觀格局優化時不能只注重形態優美、視覺豐富，更應遵循山區地形和自然生境條件的特殊性和復雜性，注重與山地地形地貌、氣候、土壤、水文等外界因素的聯系，詳細凋查和記錄好場區每個山位的植物群落類型、土壤狀況、坡度和坡向等自然生境因子，為以后的優化配置提供科學的數據基礎。同時，植物群落的景觀格局配置和優化是隨著符合特定植物生境條件而定的，是以生態學和景觀生態學為基礎的擬自然處理手法，在選擇和配置植物群落時應結合外界生態因素，注重從植物群落整體完整性、結構異質性、功能連續性、內部穩定性以及環境適應性等多方面、多層次進行合理優化配置［21-23］。

4.3增加景觀異質性，營造和諧景觀空間結構森林經營的本質是維持和促進森林景觀異質性，提高景觀多樣性與穩定性，實現森林的可持續經營［24］。建始縣長嶺崗林場各類型景觀斑塊分布極不均衡，全場景觀主要由松類和杉類等少數幾個優勢景觀類型團聚組成，整體破碎化程度較高，且該類型景觀多以單一純林植物群落為主，整體景觀空間格局及群落結構不盡合理，不利于整體景觀生態系統的穩定性發展。因此，在進行景觀格局優化時，除考慮特定自然生境條件外，還應注重增加景觀異質性，營造植物群落之間和諧的空間結構關系。在配置和優化植物群落景觀格局中，當植物群落結構比較單一情況下，相應增加植物群落種類和數量，保持植物群落結構的完整性、連通性、多樣性及異質性，同時，還應注意保持植物生態廊道的完整和分散斑塊之間的連接性，這樣才能達到景觀空間結構的多樣性和異質性，豐富植物群落的景觀效果，從而加強植物群落景觀空間結構的穩定與和諧［25-26］。

5　結論與討論

本研究基于景觀尺度水平，通過對建始縣國有長嶺崗林場森林景觀格局特征進行定量化分析，結果表明：該場森林景觀存在分布極不均衡、未利用林地斑塊數量多、受干擾及破碎化程度高、生態功能及效益得不到有效發揮等問題，在此基礎上，筆者依據研究區實際，并綜合考慮區域定位、生境條件、植物配置、景觀結構等具體實踐要求，系統總結出立足區域定位，科學系統規劃景觀格局、遵循自然生境條件，合理配置植物群落、增加景觀異質性，營造和諧景觀空間結構3條景觀格局優化建議，指出了研究區景觀格局優化方向。研究結果對于從整體宏觀上指導建始縣國有長嶺崗林場進行景觀空間結構調控與優化、科學經營與管理具有一定的現實意義。

國有林場是我國生態修復和建設的重要力量，是維護國家生態安全最重要的基礎設施。如何有效發揮國有林場保護培育森林資源、維護國家生態安全主體責任功能，一直以來都是林業科學研究的焦點之一。近年來，隨著我國景觀生態學研究的不斷發展和完善，將景觀生態學原理運用并實踐到國有林場森林經營工作中，為從整體上分析和評價森林景觀結構組成、分布特征及空間配置關系，指導區域制定合理的景觀生態規劃、管理及保護等經營措施提供了新的理論和方法。但鑒于景觀格局與生態過程之間關系的復雜性，在組織植物群落景觀營造時，如何選擇合適的配置造林樹種，完善植物群落景觀的整體性與連續性，提高植物群落景觀異質性和多樣性；如何減少單一植被類型景觀的分布區域，降低植物群落景觀的破碎化；如何因地制宜的構建符合區域實際的整體景觀格局優化空間發展模式，實現景觀與生態最優生態格局，還有待在具體實施過程中進一步細化和研究［27-28］。

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（責編：張長青）

GIS-based Analysis and Optimization of Forest Landscape Pattern in Changlinggang Forest Farm

Sun Yongkang1et al.
（1Hubei Academy of Forestry，Wuhan 430075，China）

Based on the forest resource inventory data of Changlinggang national Forest Farm in Jianshi County，the landscape patterns in the farm were quantitatively analyzed with the support of GIS from three aspects：overall landscape characteristics，landscape patch and landscape heterogeneity.The results showed that the overall forest landscape has many current problems，such as extremely imbalanced landscape distribution，a large number of unused forest patch，a higher degree of interference and fragmentation，not giving full play to ecological functions and benefits，etc.On this basis，some optimizing suggestions and directions of the forest landscape pattern were put forward in this paper.The results of the study，provided scientific basis in the aspect of landscape scale for forest sustainable management of Changlinggang forest farm in Jianshi County.

Forest landscape pattern；Landscape heterogeneity；Landscape fragmentation；Landscape pattern optimization；Changlinggang forest farm

Q948

A

1007-7731（2016）09-104-04

湖北省科技支撐計劃項目：鄂西山區日本落葉松人工林高效栽培技術研發（2015BBA212）。

孫擁康（1987-），男，河北邯鄲人，碩士，助理研究員，從事森林經營方面研究工作。*通訊作者

2016-04-13