浦北縣森林景觀格局綜合評(píng)價(jià)

歐西成，馮湘蘭

(湖南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

1 引言

森林景觀格局指森林景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，即森林景觀組成單元的多樣性和空間分布與配置[1]。森林景觀格局是森林生態(tài)系統(tǒng)或系統(tǒng)屬性空間變異程度的具體表現(xiàn)，它影響著各種干擾的傳播、生物物種的運(yùn)動(dòng)、土壤的侵蝕等諸多森林生態(tài)現(xiàn)象[2]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于森林景觀格局分析[3～5]、森林景觀格局與生物多樣性[6～8]等方面的研究較多，對(duì)森林景觀格局的綜合評(píng)價(jià)研究相對(duì)較少。在利用森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)分析森林景觀格局的基礎(chǔ)上，運(yùn)用主成分分析法對(duì)廣西壯族自治區(qū)浦北縣具有代表性的10個(gè)鎮(zhèn)的森林景觀格局進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為優(yōu)化森林景觀格局，協(xié)調(diào)森林經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益的發(fā)展，合理利用與經(jīng)營(yíng)管理森林資源提供參考。

2 研究區(qū)域概況

浦北縣位于廣西壯族自治區(qū)南部，總面積242973.6 hm2，轄16個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))和1個(gè)林場(chǎng)，位于北回歸線以南，在亞洲東南部季風(fēng)區(qū)內(nèi)，其季風(fēng)環(huán)流明顯。2009年二類森林資源調(diào)查時(shí)該縣的森林覆蓋率為64.2%，活立木總蓄積量約為497萬(wàn)m3，喬木林中以速生桉的面積最大，達(dá)到3.4萬(wàn)hm2[l2]，馬尾松的面積居其次，約3.3萬(wàn)hm2[l3]。本研究選取其中10個(gè)有代表性的鄉(xiāng)(鎮(zhèn))為研究區(qū)域。

3 材料與方法

3.1 森林景觀的劃分

根據(jù)景觀劃分原則，結(jié)合浦北縣森林景觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以土地類型及森林群落優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為主要依據(jù)，將研究區(qū)域森林景觀劃分為闊葉類、松類、杉類、經(jīng)濟(jì)林類、竹類、灌木類、無(wú)立木林地類、未成林地類和非林地類等9種景觀類型。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

對(duì)研究區(qū)2009年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)按森林景觀類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲取相應(yīng)的森林景觀類型的基本屬性數(shù)據(jù)。在ArcGIS中將森林景觀類型矢量圖轉(zhuǎn)為Grid文件，再導(dǎo)入景觀指數(shù)計(jì)算軟件Fragstats3.3(柵格版，cell size選擇為10 m×10 m，以保證最小的圖斑單元不丟失)，計(jì)算出景觀水平的景觀格局指數(shù)。在定量研究森林景觀格局的特征時(shí)，本著代表性和獨(dú)立性的原則，以所選指數(shù)生態(tài)學(xué)意義為前提，盡量以相對(duì)獨(dú)立的指數(shù)來(lái)描述森林景觀格局的信息，除了選用森林覆蓋率這個(gè)可直接獲取的指標(biāo)以外，還選取總面積、總斑塊數(shù)、破碎度、分離度、連接度、分維度、形狀指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)、均勻度和優(yōu)勢(shì)度等10個(gè)景觀指數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。所選用的景觀指數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]～[9]。

(1)總面積(Total Area TA)，單位：hm2，范圍：TA>0。

(1)

式(1)中，A指景觀總面積(以m2為單位)。景觀總面積本身對(duì)了解整個(gè)景觀格局并不具有很大的解譯價(jià)值，但它很重要，因?yàn)樗x了景觀的研究范圍與尺度，更多的時(shí)候，景觀總面積往往作為計(jì)算其它景觀格局指數(shù)的基礎(chǔ)。

(2)斑塊數(shù)(Number of Patches NP)，單位：塊，范圍：NP≥1。

NP=N

(2)

式(2)中，N指景觀斑塊總數(shù)。斑塊數(shù)是描述景觀異質(zhì)性的指數(shù)之一，NP=1，表示景觀由一個(gè)斑塊組成。NP可用來(lái)指示景觀或生境的破碎化。

(3)分離度Fi。指某一景觀類型中不同斑塊個(gè)體分布的分離程度。

Fi=Di/Si

(3)

(4)連接度PX。指最近相鄰斑塊距離的反函數(shù)，它使用斑塊面積作加權(quán)數(shù)。

(4)

(5)形狀指數(shù)G。

(5)

式(5)中，A為斑塊面積；L為斑塊周長(zhǎng)；G值越大，表明斑塊形狀越發(fā)達(dá)。

(6)分維數(shù)D。主要用于測(cè)定斑塊形狀的復(fù)雜程度。

D=2×K

(6)

式(6)中，D是分維數(shù)，k是斑塊面積與周長(zhǎng)之間的回歸系數(shù)：log2(L/4)=k×log2A，L是斑塊的周長(zhǎng)，A是相應(yīng)斑塊的面積。

(7)破碎度指數(shù)FN。指景觀被分割的破碎程度。

FN=(Np-1)/Nc

(7)

式(7)中，Np表示景觀中各類斑塊的總數(shù)；Nc是用研究區(qū)最小的斑塊面積去除景觀總面積所得的結(jié)果。

(8)Shannon多樣性指數(shù)HT。主要反映景觀類型的多少及各景觀類型所占比例的變化。

(8)

式(8)中，HT為Shannon多樣性指數(shù)，Pi為第i個(gè)景觀類型占景觀總面積的比例，m為景觀中景觀類型數(shù)目。

(9)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)Dm。主要描述景觀由少數(shù)幾個(gè)主要的景觀類型控制的程度。

Dm=Hmax-HT

(9)

式(9)中，Hmax為最大多樣性指數(shù)，Hmax=ln(m)，m為景觀中景觀類型數(shù)目。

(10)均勻度指數(shù)E。描述景觀里不同景觀類型的分布均勻程度。

E=(H/Hmax×100%

(10)

3.3 主成分分析法

主成分分析法是研究如何將多指標(biāo)問(wèn)題化為較少的綜合指標(biāo)問(wèn)題[10]。根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)及景觀類型，對(duì)森林景觀格局11個(gè)指標(biāo)計(jì)算主成分；權(quán)重為各個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率，線性加權(quán)求和得出森林景觀格局綜合評(píng)價(jià)模型，進(jìn)而得出各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))森林景觀格局綜合得分的排名序數(shù)值。

4 結(jié)果與分析

4.1 景觀空間格局特征分析

用Fragstats3.3軟件計(jì)算出研究區(qū)域森林景觀的各指標(biāo)值，景觀水平的分維度、形狀指數(shù)的指標(biāo)值則選用其面積的加權(quán)平均數(shù)。得出各指標(biāo)值見(jiàn)表1。

表1 景觀空間格局特征指標(biāo)

由表1可以看出，10個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))中，破碎度最高的是平睦鎮(zhèn)，景觀受人類干擾程度大，據(jù)調(diào)查，金光集團(tuán)在該鎮(zhèn)種植的桉樹(shù)面積也最大，森林景觀被分割成較多的小面積斑塊；分離度最高的是樂(lè)民鎮(zhèn)，連接度也最小，主要是由于樂(lè)民鎮(zhèn)的斑塊被較多的公路、水系等廊道分割；大成鎮(zhèn)形狀指數(shù)最高，其分維度也較小，這主要是因?yàn)闅J廉林場(chǎng)在大成鎮(zhèn)大面積的租地造林，且又不集中，使得斑塊形狀復(fù)雜。

4.2 景觀異質(zhì)性分析

景觀異質(zhì)性指數(shù)從不同側(cè)面描述景觀異質(zhì)性程度。研究區(qū)域的異質(zhì)性指數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 景觀異質(zhì)性指數(shù)

從表2可以看出，各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的景觀多樣性指數(shù)排序?yàn)椋焊Ｍ?zhèn)>三合鎮(zhèn)>樂(lè)民鎮(zhèn)>寨圩鎮(zhèn)>小江鎮(zhèn)>大成鎮(zhèn)>平睦鎮(zhèn)>白石水鎮(zhèn)>官垌鎮(zhèn)>六硍鎮(zhèn)；樂(lè)民鎮(zhèn)、三合鎮(zhèn)和福旺鎮(zhèn)的均勻度也相應(yīng)高，表明這3個(gè)鎮(zhèn)的景觀類型最豐富，這些與該3個(gè)鎮(zhèn)的林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)多樣化的實(shí)際情況相符，這3個(gè)鎮(zhèn)的9種森林景觀類型都存在，分布比較均勻；六硍鎮(zhèn)的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)最大，森林覆蓋率也較高，說(shuō)明該鎮(zhèn)景觀類型分布不均勻。實(shí)際情況是六硍鎮(zhèn)的天然林保護(hù)良好，松類景觀占據(jù)優(yōu)勢(shì)，成為主導(dǎo)性的森林景觀類型。

4.3 森林景觀空間格局綜合評(píng)價(jià)

4.3.1 綜合評(píng)價(jià)模型的建立

評(píng)價(jià)指標(biāo)分別為總面積X1、總斑塊數(shù)X2、破碎度X3、形狀指數(shù)X4、分維度X5、多樣性指數(shù)X6、均勻度X7、優(yōu)勢(shì)度X8、連接度X9、分離度X10、森林覆蓋率X11。對(duì)主成分分析矩陣進(jìn)行R分析，計(jì)算各主成分的貢獻(xiàn)率及前4個(gè)主成分(Y1，Y2，Y3，Y4)的累計(jì)貢獻(xiàn)率，以每1個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率占前4個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率的比值為權(quán)重。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各主成分對(duì)應(yīng)的特征值、方差貢獻(xiàn)率和權(quán)重

前4個(gè)主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率已達(dá)88.0101%，大于85%，因此可以只取這4個(gè)主成分。這4個(gè)主成分和11個(gè)指數(shù)的函數(shù)關(guān)系式如下：

Y1=0.3303X1+0.403X2+0.3084X3-0.0329X4-0.4147X5-0.4284X6+0.4147X7-0.2800X8-0.2746X9+0.2138X10-0.0329X11

Y2=0.0799X1+0.6015X2+0.4308X3-0.1103X4+0.1746X5-0.0993X6-0.1748X7-0.3653X8+0.3436X9+0.1592X10+0.2938X11

Y3=0.2790X1+0.3064X2-0.0211X3-0.4309X4-0.1292X5-0.1490X6+0.1292X7+0.3408X8+0.3251X9+0.0309X10-0.6031X11

Y4=-0.3379X1-0.1654X2-0.0131X3+0.1364X4-0.0014X5+0.1655X6+0.0014X7-0.0534X8+0.1696X9+0.8402X10-0.2733X11

從主成分的各個(gè)因子負(fù)荷量可以看出，4個(gè)主成分中，第1主成分主要綜合了分維度X5、多樣性指數(shù)X6和均勻度X73因子的變異信息，主要體現(xiàn)的是景觀總體的異質(zhì)性特征。第2主成分主要綜合了總斑塊數(shù)X2和破碎度X32個(gè)因子的變異信息，反映了景觀破碎化程度。第3個(gè)主成分主要綜合了形狀指數(shù)X4和森林覆蓋率X11的2個(gè)因子的變異信息，反映了景觀形狀特征和區(qū)域的森林覆蓋率。第4個(gè)主成分主要是綜合總面積X1和分離度X102個(gè)因子的信息，主要是反映了景觀類型以及斑塊之間的分離狀況。

用各主成分的方差貢獻(xiàn)率計(jì)算權(quán)重，再根據(jù)4個(gè)主成分權(quán)重建立景觀空間格局綜合水平評(píng)價(jià)模型為：

式中Fi為i鎮(zhèn)的森林景觀空間格局綜合水平得分值，Yij為i鎮(zhèn)第j主成分得分值，ωj為第j主成分的權(quán)重，n為主成分個(gè)數(shù)。Fi值越大，則反映出該鎮(zhèn)森林景觀格局結(jié)構(gòu)越合理，森林景觀空間格局綜合水平越高，反之則越低。

4.3.2 森林景觀格局水平綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)森林景觀格局綜合水平評(píng)價(jià)模型計(jì)算各鎮(zhèn)森林景觀格局綜合水平。由于在進(jìn)行主成分分析前，采用均值法對(duì)原始數(shù)據(jù)作無(wú)量綱化處理，因此綜合水平得分值反映的是各鎮(zhèn)的排名序數(shù)值(表4)。

表4 各鎮(zhèn)森林景觀格局綜合排名

由表4可以看出，10個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的綜合水平排名為：六硍鎮(zhèn)>官垌鎮(zhèn)>平睦鎮(zhèn)>寨圩鎮(zhèn)>大成鎮(zhèn)>白石水鎮(zhèn)>小江鎮(zhèn)>三合鎮(zhèn)>福旺鎮(zhèn)>樂(lè)民鎮(zhèn)。

六硍鎮(zhèn)的綜合水平最高，從表1和表2也可以看出，其優(yōu)勢(shì)度、連接度、森林覆蓋率等指數(shù)都較高，而多樣性指數(shù)、均勻度、分維度、破碎度、形狀指數(shù)、分離度等指數(shù)則較低，反映出六硍鎮(zhèn)景觀受人類干擾程度較低。六硍鎮(zhèn)的森林景觀主要為天然林，景觀中各元素在功能上和生態(tài)過(guò)程之間的連接程度好，生物群體之間的物種交換、景觀斑塊間的物質(zhì)和能量交流較多，森林景觀生態(tài)功能較強(qiáng)、組成結(jié)構(gòu)與空間布局較為合理。樂(lè)民鎮(zhèn)、福旺鎮(zhèn)、三合鎮(zhèn)得分靠后，三者的多樣性指數(shù)均相對(duì)較高，優(yōu)勢(shì)度、連接度、森林覆蓋率等指數(shù)也都低，均勻度、分維度、破碎度、形狀指數(shù)、分離度等指數(shù)則較高。實(shí)際狀況是這3個(gè)鎮(zhèn)森林景觀受人類干擾程度強(qiáng)，金光集團(tuán)等林業(yè)公司大量租地種植速生桉樹(shù)，形成大量的小面積純林斑塊，加快了森林景觀的破碎化進(jìn)程。同時(shí)，各斑塊之間分離程度也升高，森林景觀抗干擾能力弱，易受病蟲(chóng)害威脅，也從側(cè)面反映了人們?cè)谧非笊值慕?jīng)濟(jì)效益時(shí)容易造成森林生態(tài)效益和社會(huì)效益的下降。針對(duì)速生桉斑塊單一化、破碎化趨勢(shì)，為了避免景觀類型過(guò)度破碎和純林化帶來(lái)的諸多問(wèn)題，比如外來(lái)物種入侵、病蟲(chóng)害蔓延和森林火災(zāi)等問(wèn)題，應(yīng)采取有效對(duì)策加以調(diào)控，適當(dāng)控制林業(yè)公司種植人工林，注意保護(hù)天然林，注重經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益平衡發(fā)展。

5 結(jié)論與討論

(1)選用森林覆蓋率、總面積、總斑塊數(shù)、破碎度、形狀指數(shù)、分維度、Shannon多樣性指數(shù)、均勻度、優(yōu)勢(shì)度、連接度和分離度等11個(gè)指標(biāo)能綜合地反映出浦北縣森林景觀空間格局特征和異質(zhì)性特征，各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的森林景觀格局指標(biāo)總體反映出了其現(xiàn)狀，所得結(jié)果與浦北縣實(shí)際情況基本相符。

(2)通過(guò)建立景觀空間格局綜合水平評(píng)價(jià)模型得出：六硍鎮(zhèn)的綜合得分2.1378，反映出六硍鎮(zhèn)景觀受人類干擾程度較低，森林景觀生態(tài)功能較強(qiáng)、組成結(jié)構(gòu)與空間布局較為合理；樂(lè)民鎮(zhèn)、福旺鎮(zhèn)、三合鎮(zhèn)的綜合得分較低，森林景觀的破碎化進(jìn)程較快，森林景觀抗干擾能力弱。

(3)從景觀的尺度進(jìn)行森林景觀格局綜合評(píng)價(jià)，采用主成分分析法建立森林景觀格局水平綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)不同區(qū)域的森林景觀格局水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果和實(shí)際情況都證實(shí)了砍伐原始天然林、大范圍地種植速生桉樹(shù)等人工純林，會(huì)提高森林景觀的破碎度和分離度，降低森林生態(tài)功能，其區(qū)域森林景觀綜合評(píng)價(jià)水平也較低，反之則水平較高。說(shuō)明此模型對(duì)森林景觀格局具有較好的綜合評(píng)價(jià)作用。

(4)針對(duì)速生桉斑塊單一化、破碎化趨勢(shì)，為了避免景觀類型過(guò)度破碎和純林化帶來(lái)的諸多問(wèn)題，比如外來(lái)物種入侵、病蟲(chóng)害蔓延和森林火災(zāi)等問(wèn)題，應(yīng)采取有效對(duì)策加以調(diào)控，注重經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益平衡發(fā)展。

(5)在綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中如何從眾多景觀指數(shù)中選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)，有待進(jìn)一步研究。

IntegratedEvaluationoftheForestLandscapePatternsinPubei,GuangxiProvince

Ou Xicheng, Feng Xianglan

(HunanForestryInventoryandPlanningInstitute,Changsha,Hunan, 41007,China)

Abstract: The spatial data and attribute database of forest landscape in Pubei County were established by ArcGIS and Fragstats software. The forest landscape pattern index of each township (town) was calculated. The principal component analysis of 11 evaluation indicators was carried out to establish a comprehensive evaluation model of forest landscape pattern. The result shows that: the town with high integrated level of forest landscapehasstrong ecological functions, and also has reasonable structure and spatial distribution. The town, with low integrated level of forest landscape, has serious phenomenon of chopping natural forest and planting eucalyptus, and has relatively week ecological function. It is necessary to pay attention to the sustainable development of ecological benefits and economic benefits on managing forest.

Keywords: forest landscape pattern; integrated evaluation; principal component analysis method; Pubei Town, Guangxi Province