基于GIS的縣域森林景觀空間格局等級特征研究

孟 超 王計平 支曉蓉 胡艷萍 張德成 王 蕾

(1.河北農業大學林學院, 保定 071000； 2.中國林業科學研究院國家林業局鹽堿地研究中心, 北京 100091； 3.中國林業科學研究院林業科技信息研究所, 北京 100091； 4.北京林業大學林學院, 北京 100083)

0 引言

縣域作為城市與農村的交匯區，是協調人類活動與自然環境關系的基本單元。相對于人工化程度較高的城市，縣域是森林、草地等自然景觀資源分布較多的區域[1]。此外，從生態建設及責任主體看，縣域是執行林業發展政策、落實國土綠化任務的重要空間。我國的退耕還林還草、速生豐產林基地建設等許多重大林業生態建設工程，以及森林城市建設都是基于縣域來實施的[2]。森林植被作為一種特殊的生態景觀類型，是縣域生態系統的重要組成部分[3]，承擔著維持自然生態平衡、改善生態環境等重要功能。開展縣域森林景觀格局研究，可深化縣域水平森林生態系統結構與功能及相互作用關系認識，對指導縣域森林資源保護、維持森林景觀異質性、提升綜合服務功能具有重要意義[4-6]。

森林景觀是以森林生態系統為主體所構成的景觀，它不僅具有林分、樹種、林種等森林資源組成結構，而且與土地利用類型[7]、環境條件[8]等因素耦合，共同形成一個具有高度空間異質性的地域綜合體。森林景觀異質性和功能多樣化形成的重要原因就是森林系統的等級結構，表現在系統層次、組織尺度和關聯性等方面[9]。目前圍繞這些方面，國內外學者開展了許多研究，如森林景觀分類[10]、森林健康多尺度評價[11]、景觀水平森林采伐影響[12]、森林景觀類型及其尺度關聯[13]、森林景觀斑塊耦合機理[14]等。普遍認為，森林景觀存在異質性，其大小及分異程度與組織尺度、系統分類等有關[15]，不同尺度間森林景觀格局具有一定耦合規律和關聯效應[16]。以往研究多關注于森林景觀分類、空間關聯及其尺度效應，而對不同等級景觀空間格局特征及其關鍵指標的研究較少[15-19]。由于森林系統自身結構的復雜性，且與草地、河流、農田、居民區等要素關聯和耦合[14,20]，由此賦予了森林景觀格局特殊的等級特點和功能內涵，特別是在降低人類干擾[21]、優化景觀格局[22]、實現森林資源健康經營[23]等目標的要求下，亟待需要綜合考慮人類活動與自然環境相互關系，從景觀生態學視角理解特定區域的森林景觀格局特征[24-26]。本文以縣域為基本單元研究森林景觀格局等級特征，揭示不同組織層次決定和控制景觀格局的關鍵指標，以期為縣域尺度上森林生態系統保護、森林景觀資源優化利用和自然資源綜合管理提供重要參考。

1 研究區概況

易縣位于河北省中西部，保定市西北部，西倚太行山脈，東臨冀中平原，地理坐標114°51′～115°37′E，39°02′～39°35′N(圖1)。境內有山地、丘陵、平原等地貌類型，地勢自西北向東南傾斜，呈坡狀延降而下，平均海拔300 m左右，最高海拔1 813 m。土壤類型多，有棕壤土、褐土、潮土、草甸土、水稻土、風沙土等。易縣屬溫帶大陸性半干旱季風氣候，山區為半濕潤氣候，平原為半干旱氣候。全年降雨量在570～670 mm之間，降雨量年內分配不平衡，多集中在6—8月。全年日照2 621 h，年平均氣溫11.9℃，極端最低氣溫-23℃，極端最高氣溫41℃。易縣地處太行山區，森林植被隨海拔變化有明顯分布，主要植被類型有落葉闊葉林、針葉林和針闊混交林，山地和丘陵面積大，適宜造林空間大，截止2017年底，全縣林木綠化率達到55.06%。

圖1 研究區位置及高程分布Fig.1 Location of study site and its elevation distribution

2 研究方法

2.1 數據收集與處理

以2016年易縣森林資源二類清查數據為基礎，基于GIS進行數據整理、統計和分析。數據處理包括：投影系統轉換、景觀重分類、地類屬性校對、查詢統計、矢柵轉換、表單鏈接等。數據處理軟件為ArcGIS 9.3和Excel 2016。景觀類型的柵格分辨率為5 m×5 m。

2.2 森林景觀類型及等級劃定

易縣全域有629個林業作業管理單元(林班)，不同用地類型斑塊90 142個，共30種用地類型，其中林地類14種，自然土地、人居及生存用地、其他用地類型共15種(表1)。根據等級理論，不同組織層級之間，高層級具有整體性，低層級對高層級表現為從屬關系，而對更低層級具有制約性，基于此，本文將30個三級地類(精細層級)歸并為17個二級地類(分化層級)和4個一級地類(整合層級)(表1和圖2～4)。

2.3 景觀指數選取與計算

為了全面揭示全域森林景觀格局等級特征，從面積、邊緣、形狀、鄰近關系、多樣性、聚散性等方面分別在景觀水平和類型水平上選取代表性指數作為初選指數，其中景觀水平上選取41個指數，類型水平上選取39個指數。由于部分景觀指數之間存在明顯相關性，為了將入選指數的數量減少到一個可操作的水平，對入選指數進行相關性分析，計算各指數的皮爾森積矩相關系數，篩查相關程度較高的指數(大于0.81)，根據其可解釋能力進行剔除。某對指數在某一數據集中呈現高度相關關系，而在另一組數據中卻無明顯相關，在這種情況下，該景觀指數對將被保留。最終在類型水平確定18個指數，分別是斑塊數量(PD)、總邊緣長度(TE)、景觀形狀指數(LSI)、平均斑塊面積(AREA_MN)、平均回轉半徑(GYRATE_MN)、平均形狀指數(SHAPE_MN)、平均周長面積比(PARA_MN)、平均鄰近指數(CONTIG_MN)、核心斑塊總面積(TCA)、獨立核心斑塊數量(NDCA)、獨立核心斑塊密度(DCAD)、平均離散核心斑塊面積(DCORE_MN)、平均核心面積(CAI_MN)、叢生度(CLUMPY)、相似鄰近百分比(PLADJ)、連接度(CONNECT)、凝結度(COHESION)、分離度(SPLIT)；在景觀水平確定23個指數，分別是斑塊數量(PD)、最大斑塊指數(LPI)、景觀形狀指數(LSI)、平均回轉半徑(GYRATE_MN)、平均形狀指數(SHAPE_MN)、平均分維數(FRAC_MN)、平均周長面積比(PARA_MN)、平均鄰近指數(CONTIG_MN)、核心斑塊總面積(TCA)、獨立核心斑塊數量(NDCA)、平均核心斑塊面積(CORE_MN)、平均離散核心斑塊面積(DCORE_MN)、平均核心面積(CAI_MN)、平均最鄰近距離(ENN_MN)、蔓延度(CONTAG)、連接度(CONNECT)、凝結度(COHESION)、分割度指數(DIVISION)、有效網格面積(MESH)、分離度(SPLIT)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI)、聚集度指數(AI)；各指數采用FRAGSTATS 3.3軟件進行計算，公式及說明見文獻[27]。

表1 景觀分類系統Tab.1 Landscape classification system

圖2 研究區地類整合層級(4種)Fig.2 Integration level of land use type (4 classes)

圖3 研究區地類分化層級(17種)Fig.3 Differentiation level of land use type (17 classes)

圖4 研究區地類精細層級(29種)Fig.4 Fine level of land use type (29 classes)

2.4 統計分析

為了對景觀指數及數據信息進一步壓縮，按照降維原理，對計算景觀指數數據集進行預處理，去除掉景觀數據中的一些冗余信息和噪聲，使數據變得更加簡單高效。主成分分析(Principal component analysis,PCA)是一種使用最廣泛的數據壓縮算法，可以從數據中識別主要特征，通過將數據坐標軸旋轉到數據角度上那些最重要的方向(方差最大)，然后通過特征值分析，確定出需要保留的主成分個數，舍棄其他主成分，從而實現數據的降維[28]。運用主成分分析法來確定最后入選的指數，為了辨識關鍵的景觀指數，在3個組織層次上分別進行PCA計算，PCA分析的最終結果用主成分載荷系數來解釋。為了增強計算結果的解釋能力，應用方差最大法對前6個主分量進行正交旋轉。在前幾個主成分中具有最高載荷的指數被認為是響應最重要的指數。

3 結果與分析

3.1 縣域景觀組成與分布特點

研究區景觀類型總面積為2 497 km2。境內景觀以林地為主，占總面積的58.4%，主要分布在西部和北部山區；自然土地占12.19%，主要分布于淺山丘陵和河道兩岸，人居及農業生產用地占27.35%，主要分布在東部和南部平原區，其他用地占2.07%，零散分布于自然土地周邊。從森林景觀組成來看，全域林地總面積14 587 km2，其中，喬木林面積比為32.35%，灌木林面積比為24.34%，其余森林景觀占1.71%。在喬木林景觀類型中，楊樹類占45.09%，油松類占19.09%，經濟林占19.02%，柞樹類占11.07%，山杏類占5.68%，落葉松類占0.04%，樺樹類占0.01%。

3.2 景觀格局對等級組織層次變化的響應

對景觀水平上不同組織層次入選指數平均值分析發現(表2)，景觀分離度、斑塊密度和香農多樣性指數對組織層次變化的響應程度較為突出，隨著組織層級精細化，各景觀指數不斷增加，變幅分別達到了214.6%、126.1%和115.38%。其次為景觀形狀指數、獨立核心斑塊數量、景觀分割度等指數變化明顯，分別增加41.18%、69.19%、57.69%。隨著組織層次的變化，降低最明顯的指數有核心面積分布、離散核心斑塊分布、有效粒度尺寸、最大斑塊指數等，分別降低77.15%、75.92%、64.77%、49.87%。隨著景觀系統組織層次精細化，景觀類型豐富化明顯，景觀破碎化程度加強，整體空間分化程度相應地增加，同時等級細化也降低了景觀核心斑塊和有效粒度的大小，這意味著在縣域尺度上，隨著森林景觀系統層級逐步分化和細化，景觀異質性表現更加活躍，森林景觀資源管理應注重對景觀多樣性、空間分割程度、森林核心斑塊數量和面積等指標控制。

表2 景觀水平不同組織層景觀指數平均值及變化程度Tab.2 Average value and change of landscape indices for different organizational levels in landscape level

3.3 景觀水平不同組織層級景觀格局特征及關鍵指標

在由4種景觀類型組成的整合層級上，前4個主分量可解釋所有數據集變異的76.24%(表3)。在第一主成分(PC1)上有10個以上高度相關的指數，其中，蔓延度、聚集度、最大斑塊指數等表現出較高的正載荷，而景觀斑塊數量、形狀指數、分割度、分裂度、多樣性、均勻度等指標在這個主成分中表現出極強的負載荷，這表明在整合層級上景觀格局主要呈現出較大斑塊面積、復雜的斑塊形狀、景觀多樣性水平和空間聚合度相對低等特點，在第二主成分(PC2)和第三主成分(PC3)上，景觀斑塊邊緣、形狀等特征指標表現出明顯的高載荷；在17種景觀類型構成的分化層級上，景觀破碎化、斑塊大小、空間聚合、多樣性等方面的指標依然在第一、第二主分量上表現出高的相關性，且對比于整合層級(4種類型)，這些高相關的指數載荷均呈現降低趨勢，而平均斑塊核心面積、有效粒度尺寸等指標與主分量軸的相關性趨于增加，表現為較高的正載荷，這說明景觀分割程度在增強，核心斑塊的作用逐步加強。在30種景觀類型構成的精細層級上，景觀破碎化、斑塊大小、空間聚合、多樣性等方面的指標依然表現得很活躍，在第一主分量(PC1)上均呈現出較高的相關性，且與前兩個組織層級表現為一致的正負載荷分布，但從相關程度變化可看出，隨著景觀類型進一步精細，景觀破碎化、鄰近指數、有效粒度尺寸等指標的載荷增加，景觀形狀、最大斑塊面積、核心斑塊指數、蔓延度、凝結度、分裂度、多樣性、均勻度、聚集度等指標與主成分旋轉軸之間的相關性程度在降低，此外平均回轉半徑和平均邊緣面積分維指數的貢獻及解釋能力達到了較高水平。

表3 景觀水平不同層級景觀指數主成分載荷Tab.3 Principal component loadings for different organizational levels

對景觀水平上659個林班單元景觀格局旋轉主成分分值情況進行分析表明，在整合層級上，從旋轉主成分的分值來看，在林班單元研究區西部和北部呈優勢分布的森林景觀類型蔓延度趨勢表現較為突出，景觀斑塊形狀規則，邊緣復雜，各景觀類型斑塊鄰近程度空間變異明顯；在分化層級上，高值區主要分布在西部淺山區和深山區之間，該區域為灌木林地和喬木林景觀集中分布地區，主要特點為景觀空間分割明顯，破碎化程度大，斑塊形狀及邊緣趨于復雜化；在精細層級上，第一主成分高值區主要分布于南部淺山地區和東部人居及農業生產活動較大的區域，表現為林地和耕地主導下景觀聚集化程度明顯，而在其他主成分上，蔓延度、景觀分維數等指標分值大小在縣域上呈現明顯空間分化(表4)。

表4研究區林斑旋轉主成分分值(顏色越深分值越高)
Tab.4Rotatedcomponentscoresofstudyarea(darkertonesrepresentedgreatervalues)

3.4 類型水平森林景觀格局特征及關鍵指標

在整合層級中，林地的景觀凝結度、斑塊內部連接度較高，核心斑塊總面積(TCA)優勢明顯，但林地景觀斑塊破碎化和復雜化對整個景觀格局的反向影響明顯，這說明林地景觀作為優勢景觀類型，格局上具有典型的地段、集群分布特征，但在整個縣域，受其他景觀類型分布及相互影響，表現為明顯的景觀破碎化和形狀復雜化(圖5)。

圖5 林地及主要森林景觀格局主成分分析Fig.5 Principal component analysis of woodland and main forest landscape patterns

在分化層級中，喬木林景觀與整個林地景觀格局特征表現較為相似，景觀凝結程度、斑塊內部連接度等高于整合層級林地景觀，而在景觀破碎化程度方面低于整個林地景觀。灌木林景觀在整體凝結度、斑塊內部連接度等方面表現為與喬木林景觀一致的特征，此外在獨立核心斑塊數量、密度及總邊緣長度方面，灌木林比喬木林和整個林地景觀表現出明顯的優勢。

在精細層級中，楊樹類景觀以凝結度、斑塊內部連接度、核心斑塊面積、數量、密度及邊緣長度等指標貢獻明顯為主要特征，這一特征也從較高的回旋半徑指數相對應；油松林景觀除整體凝結度、獨立核心斑塊面積、數量等特征與楊樹類景觀相似外，叢生度信息影響顯著，但景觀破碎化程度、形狀復雜性和總邊緣長度等信息的反向影響明顯；山杏類和柞樹類景觀斑塊的聚集特征也類似，但景觀破碎化和復雜程度表現為正向影響；經濟林在景觀整體凝結度、斑塊形狀、面積、數量及邊緣長度等信息的正向影響程度較高，但景觀叢生度、聚集化等特征的反向影響突出，體現出與其他森林景觀類型在格局特征上不一樣的特點。

4 結論

(1)易縣林地面積達到了全域面積的58.4%，主要分布于西部和北部山區。全域森林以喬木和灌木林為主，占森林資源面積總量的97.07%，其中楊樹、油松、柞樹、山杏和經濟林是喬木林景觀中的優勢類型，分別達到了45.09%、19.09%、11.07%、5.68%和19.02%。

(2)景觀分離度、斑塊密度、多樣性等指標對組織層次變化響應強烈。隨著景觀系統組織層級的細化，在景觀類型多樣化的同時，景觀破碎化程度增大，景觀斑塊復雜性程度增強，表現為核心斑塊面積、數量和有效粒度的大小方面的指數變化。

(3)在景觀水平上，景觀層級越高越綜合，景觀格局空間蔓延和整體聚合趨勢越明顯，同時景觀多樣性、均勻度等異質性指標的反向影響作用表現突出。隨著景觀類型細化，景觀斑塊面積、有效粒度、邊緣特征等明顯增強。蔓延度、凝結度、分裂度、多樣性、均勻度、景觀形狀、聚集度等指數是影響景觀格局的關鍵指標。

(4)在類型水平上，林地和各層級森林資源景觀格局表現出明顯聚合和凝結特征，且與景觀水平上的一些景觀格局特點相似。隨著組織層級細化，楊樹、油松、山杏等林種層級的景觀集聚、叢生程度明顯增強，且在面積、數量、邊緣特征等方面具表現明顯的正向效應。受其他景觀類型的影響，從西部山區到東部平原，各層級森林景觀資源隨著人類活動增強，景觀破碎化和斑塊形狀復雜化程度呈現增加趨勢，且在不同林種間存在明顯差異。