四川省近20年天然林資源景觀格局變化研究

姚勁松,楊 鵬,翟 輝,王臘梅

(1.四川省森林和草原防火監測中心，四川 成都610084；2.巴中市恩陽區農林局，四川 巴中636000; 3.廣元市昭化區林業局，四川 廣元628021;4.甘孜州林業局，四川 甘孜626000)

1 引言

四川省于1998年開始天然林保護工程,至今已實施了20余年,森林覆蓋率由1997年的25.23%增長到38.03%，以天然林為代表的森林資源已發生了較大變化。因此,有必要開展天然林資源動態變化研究,探討內部結構與變化趨勢,摸清變化規律,為天然林后續保護與管理提供科學參考。

依據1997年和2017年兩次森林資源連續清查數據,結合景觀生態學,地統計學分析技術,從天然林資源分布空間格局角度,選取連通性格局指數,定量分析研究天然林保護工程前后天然林資源分布的空間格局動態變化,以期回答天然林保護工程不但有效恢復了生態屏障建設急需的森林和生態資源,而且還對資源空間分布的優化配置起到了積極的支撐作用。

2 數據與方法

2.1 數據來源

研究數據使用四川省1997年第5次森林資源連續清查成果數據和2017年四川省第9次森林資源連續清查成果數據,以及研究區域內部分森林資源規劃設計調查、林地保護利用規劃、遙感影像等數據。

2.2 研究方法

清查數據均為矢量點,無法直接計算景觀格局指數。根據每個樣地與相鄰樣地按一定規律分布,反映一定區域資源數據結構的特點。可通過樣地與相鄰同類型樣地的連接數,與某些景觀格局指數之間建立數學關系,計算相應的景觀格局指數,分析天然林內部結構與變化趨勢。本文將指數進行地統計空間插值,分析天然林空間分布格局,科學分析過去20年間天然林的內部結構與變化規律。

指數選取:在各類景觀格局指數中,景觀連通性指數與景觀連接個數具有相關性。景觀連通性指數是景觀格局和生態過程之間的紐帶[1-5],景觀連通性指數能定量地闡述景觀格局變化對生態功能影響。本文選擇景觀連通性指數作為天然林資源景觀格局變化定量分析的數量指標[6-10],計算公式為:

(1)

式中,n為景觀中斑塊總數;ai、aj分別為斑塊i和斑塊j的面積;nlij為斑塊i和斑塊j之間的連接個數;AL為景觀面積。取值范圍為0≤IIC≤1。當值為0時,表示各個生境斑塊之間沒有連接,生態功能較差;當值為1時,表示整個景觀都為生境斑塊,能更有效地發揮生態功能。

指數計算:基于每個連清樣地點鄰域內9個點,按照11.5km為搜索半徑,遍歷尋找同類型點,獲取每個樣地與周邊鄰域范圍內的同質樣地連接個數,并轉換為自然對數。從樣地中隨機抽出300個,按9個樣地的領域范圍,結合兩期調查相同時相的衛星影像進行目視判讀解譯,并借助森林資源調查等檔案數據進行驗證,精度達到95%為合格。計算各樣地鄰域景觀連通性指數,隨機抽取270個解譯計算指數與相同樣地的鄰域連接個數進行相關性分析與模型擬合。確定的模型為式(2),相關系數為R=0.9484,決定系數R2=0.9762。

IIC=0.0384X2.575

(2)

用30個解譯計算指數與對應的樣地擬合指數進行精度驗證分析,決定系數R2=0.9030,擬合模型達到預期精度。

地統計分析:計算樣地的景觀連通性指數后,利用ArcGIS克里金插值模型,將兩期連通性指數進行克里金插值,數據插值精度滿足精度后,得到指數空間分布預測圖,進一步分析過去20年間天然林資源的空間分布格局與變化規律。

3 結果及分析

3.1 林地指數

2017年連清樣地中林地共計5055個,1997年林地共計3942個,兩年度林地景觀特征值見表1。從表1可見,1997年全省平均林地景觀連通性指數為0.08,2017年上升到0.13,比1997年上升了0.05,表明過去20年間全省林地面積在不斷增加,林地破碎度降低。

表1 林地連通性指數特征值

3.2 起源指數

2017年連清林地樣地具有起源屬性共計4810個,1997年共計2582個,兩年度分起源景觀連通性指數見表2。從表2可見,天然林景觀連通性指數由1997年的0.05提高到2017年的0.11,指數值增加了0.06,人工林指數變化僅為0.01,表明20年間全省天然林面積不斷增加,破碎度逐步降低。天然林指數值變化與天然林資源變化的關聯,需要結合幅員面積內的林地與非林地,以及林地內天然林的面積和比例等數據來進行科學分析與解釋。

表2 起源景觀連通性指數

從表3可見,當全省所有天然林均連片分布時,1997年分布連通理論最大值為0.29,2017年為0.35。1997年實際指數值為理論指數值的17.24%,2017年為31.43%,增加了14.19%,表3的天然林資源數據各項指標變化均與連通指數具有較高相關性,連通指數增加的0.06在全省理論水平上提升了14.19%,與林地、天然林資源總量比較而言,提升比例較明顯。

表3 天然林連通指數變化分析

3.3 空間分布格局

本文將兩期空間分布的預測圖按自然分割法同量綱等級劃分為5級(圖1),取指數最大一級的分布范圍為重點研究區域,進行空間數據挖掘,分析和揭示變化趨勢與規律。結合圖1、圖2和地形地貌研究指數變化趨勢表明,近20年天然林分布明顯呈現連片分布的區域有3個,分別是岷山龍門山區域、相嶺與涼山區域和錦屏山螺髻山區域(圖2),與天然林實際主要分布區域吻合。

圖1 連通性指數空間分布預測

圖2 重點關注區域1997—2017年分布

圖3 岷山龍門山區域1997—2017年分布

岷山龍門山區域:以岷山和龍門山山系為主要區域的明顯變化區,圖3中該區域1997年天然林連通指數空間插值數據集中連片分布的圖斑有4個,圖斑之間均為孤立斑塊,總面積為124987.1hm2;2017年主要有4個圖斑,總面積為1254000.8hm2,2017年比1997年增加了1129013.7hm2,增加比例為90%。2017年圖斑基本在1997年的基礎上連通原有孤立斑塊,呈連片分布趨勢明顯。

圖4 相嶺與涼山區域1997—2017年分布

相嶺與涼山區域:以大小相嶺與大小涼山為主要區域的明顯變化區見圖4。從圖4可見，該區域1997年天然林連通指數空間插值數據分布圖斑為7個,均為孤立斑塊,總面積為232874.8hm2;2017年連通為1個圖斑,總面積為1733000.9hm2,比1997年增加了1129013.7hm2,增加比例較大。

錦屏山螺髻山區域:以錦屏山南端、螺髻山西部為主要區域的明顯變化區見圖5。從圖5可見,該區域1997年天然林連通指數空間插值數據集中連片分布的圖斑有5個,空間分布上既有連通斑塊,也有孤立斑塊,總面積為964839.4hm2;2017年有8個圖斑,總面積為1633855.9hm2,2017年比1997年增加了669016.5hm2,增加比例為69.3%,表明該區域呈現較高的空間連通分布趨勢。

圖5 錦屏山螺髻山區域1997—2017年分布

本文將以上3個區域以外的地區定義為其他區域。從圖6可見,該區域在兩個年度上的空間分布以孤立斑塊為主,在原有孤立斑塊的邊緣進行擴散,連片集中分布范圍明顯擴張,由分散分布轉為集中連片分布,且出現較多的新增斑塊。

圖6 其他區域1997—2017年分布

4 結論、討論與建議

4.1 結論

主要是:①通過對林地、起源等景觀連通指數和變化的分析可知,1997—2017年的20年時間,四川省天然林景觀連接指數由0.05上升到0.11,增加了0.06,且變化較大區域均為天保工程實施區域,表明近20年天保工程促使全省天然林資源集中連通分布,森林生態功能得到有效提升和發揮。②天然林景觀格局變化主要由原有孤立斑塊的邊緣擴散,連片分布斑塊范圍明顯擴張,分散分布已演替為連片分布,新演替出現孤立或連片的斑塊,全省天然林景觀格局空間分布總體呈現連通趨勢。

綜上所述,最近20年實施天保工程不但有效恢復了生態屏障建設急需的森林和生態資源,而且還對資源空間分布的優化配置起到積極支撐作用,對四川省乃至長江中上游地區生態環境的改善具有不可替代的作用。

4.2 討論與建議

總體來看,近20年四川省天然林資源的變化趨勢總體向好,數量、質量和空間分布都有所提升,生態功能逐步增強，但局部地區存在林分質量不高、結構不合理、管理保護措施不到位等問題,應引起重視。結合研究結論提出以下建議:①雖然研究結果表明近20年全省天然林在總體數量、結構上均得到了進一步提升,但局部還存在林分質量不高等問題,需進一步開展科學技術研究,探索和提升天然林資源的經營管理方法和措施,不斷提升天然林質量。②天然林資源孕育了豐富的生物多樣性,是彌足珍貴的自然資源,具有較高的生態價值和社會價值。本文僅從景觀格局變化角度進行了探討與分析,但天然林資源還有許多結構與問題值得研究。建議設立天然林資源保護研究基金,加大對天然林的持續科學研究,提供科學理論和技術方法指導天然林資源的保護與管理。