文峪河上游森林景觀格局動態特征分析

蘇亞輝，周火艷，張蕓香，郭晉平

(山西農業大學林學院//北方功能油料樹種培育與研發山西省重點實驗室，山西 太谷 030801)

定量研究流域景觀格局動態演變有利于系統探究植被覆蓋時空演變規律，深入了解流域植被覆蓋變化過程、成因，預測未來發展變化趨勢及其對環境影響，為流域植被資源今后的保護利用以及經營措施提供重要參考[1-2]。因此，眾多學者對流域景觀格局變化展開了一系列的研究。呂樂婷等以土地利用解譯結果為基礎，綜合分析了近年來東江流域的景觀格局時空變化特征，并采用FLUS模型對流域未來20多年景觀格局進行了預測[3]。賈艷艷等利用土地利用數據定量分析了長江中下游流域景觀格局變化，發現近20年景觀格局變化顯著、人為干擾增強[4]。莫素芬等利用景觀面積動態度和景觀格局指數等方法分析了廣西西江流域10年的景觀格局動態變化特征，得出隨著經濟社會的發展，廣西西江流域景觀動態變化明顯[5]。

文峪河流域是汾河上游重要的一級支流，地處太原盆地西北，是下游大面積農田灌溉的水源地，整個流域以國有林為主，屬于關帝山山地天然次生林區，是山西有限天然次生林資源的重要分布區[6]。流域山地主要由森林植被覆蓋，在水源涵養、水土保持、維護景觀異質性和穩定性方面起著不可替代的作用，也為社會提供了大量的林產品、生態服務和就業機會等，有利于維護當地可持續發展。很多學者做了相關研究，白晉華等以航片和森林經理調查資料為數據源，在地理信息系統軟件的支持下，揭示文峪河流域植被景觀總體布局，分析流域景觀格局的空間變化規律[7]。劉宏文基于實地調查結果結合遙感技術對龐泉溝地區森林群落特征、景觀格局動態變化特征進行分析研究，并構建了龐泉溝森林景觀健康評價體系[8]。夏偉偉等基于RS和GIS對龐泉溝自然保護區森林景觀結構特征進行了分析[9]。

隨著2000年國家天然林保護工程實施以來，文峪河流域森林資源得到了恢復性增長。本文以Landsat系列遙感影像為數據源，通過ArcGIS 10.2、ENVI 5.3、Fragstats 4.2等軟件[10]，從植被覆蓋度、景觀要素組成以及森林景觀破碎化等方面定量地綜合分析文峪河流域上游森林景觀動態變化特征，旨在為文峪河流域森林資源今后的保護利用以及經營措施提供重要參考。

1 研究區概況

研究區位于文峪河流域上游，是文峪河流域的一個子流域(圖1)。

圖1 研究區位置

研究區溝長13.76 km，平均海拔 1 583.9 m，整體呈北南流向，兩側支溝縱橫，分別有末后溝、大沙溝、小沙溝、神尾溝、柴祿溝、關子溝(銀洞溝)、刁窩溝、八道溝、青沖溝、西塔溝、八水溝、大草坪溝和西窯溝13條[11]。總體表現為葉脈狀縱橫于主河道兩側，沿東南走向。流域內地形復雜，溝壑縱橫，水氣龐雜，氣候多樣，森林植被繁茂，是華北地區典型的暖溫帶亞高山針葉林帶[12]。屬于受季風影響和控制的暖溫帶大陸性山地氣候，夏季涼爽多雨，冬季寒冷干燥，年均溫4.5℃，年均降水量 600～820 mm，7—9 月降水集中，占全年降水量的65%以上，年均相對濕度70.9%，年均無霜期 100～130 d，雪期和凍土期6個月[13]。

林區土壤類型主要有山地棕色森林土、山地淋溶褐土和山地褐土，土層 10～60 cm 厚薄不等。主要喬木有華北落葉松(Larixgmeliniivar.principis-rupprechtii(Mayr)Pilg.)、油松(PinustabuliformisCarrière)、白扦(PiceameyeriRehder & E.H.Wilson)、青扦(PiceawilsoniiMast.)、山楊(PopulusdavidianaDode)、白樺(BetulaplatyphyllaSukaczev)、紅樺(BetulaalbosinensisBurkill)、蒙古櫟(QuercusmongolicaFisch.ex Ledeb.)等；主要灌木有土莊繡線菊(SpiraeapubescensTurcz.)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz.)、美薔薇(RosabellaRehd.et Wils.)、灰栒子(CotoneasteracutifoliusTurcz.)、剛毛忍冬(LonicerahispidaPall.ex Schult.)、黃刺玫(RosaxanthinaLindl.)、山刺玫(RosadavuricaPall.)等；主要草本有披針葉苔草(CarexlanceolataBoott)、茜草(RubiacordifoliaL.)、鼠掌老鶴草(GeraniumsibiricumL.)、地榆(SanguisorbaofficinalisL.)、小紅菊(ChrysanthemumchanetiiH.Lév.)、敗醬(PatriniascabiosifoliaLink)、鈴蘭(ConvallariamajalisL.)、金蓮花(TrolliuschinensisBunge)等。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源及預處理

研究區域的遙感影像和DEM高程數據均來源于中國科學院計算機網絡信息中心的地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)[14]。綜合考慮研究區域的時間跨度、成像日期以及云覆蓋度的可行性，最終選取2009年Landsat-7 ETM+ 以及2014、2018年的Landsat-8 OLI 3期遙感影像，云量分別為0%、0.49%、0.08%，行列號為126/34，分辨率均為30 m。運用遙感影像處理軟件ENVI 5.3對數據源影像進行幾何校正、輻射定標、FLAASH大氣校正、DEM高程數據地形校正、圖像增強等數據處理[15-16]。

2.2 植被指數與植被覆蓋度計算方法

1)歸一化植被指數[17]計算公式為：

(1)

式中,NDVI為歸一化植被指數，NIR為近紅外波段的表觀反射率,R為紅光波段的表光反射率。

(2)

式中，FV為植被覆蓋度，NDVI為像元的歸一化植被指數，NDVIS為無植被的NDVI值，NDVIV為完全有植被覆蓋的像元NDVI值。以5%、95%的累積百分比為置信度作為各期影像的NDVIS、NDVIV。結合研究區實際植被情況，并參照《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190-1996)將其分為5個等級，即低蓋度(0～20%)、中低蓋度(20%～40%)、中蓋度(40%～60%)、中高蓋度(60%～80%)、高蓋度(80%～100%)。

2.3 景觀要素類型分類

基于遙感影像和研究區現狀特征，參考《土地利用現狀分類標準》(GB/T 21010-2015)[19]，將景觀要素類型劃分為：針葉林、針闊混交林、疏林灌叢、草地、耕地、建筑用地和水域[20](圖2)。

圖2 景觀要素類型分類

本研究依據數字高程模型(Digital Elevation Model),在ArcGIS 10.2中利用SWAT水文模型計算得到區域范圍[21]，并在ENVI 5.3中對數據源進行裁剪。采用人工目視解譯與監督分類相結合的方法對3期遙感影像進行解譯。訓練樣本分離性均達到1.8以上，分離性良好。監督分類采用支持向量機(Support Vector Machine)的機器學習方法[22],SVM可以自動尋找對分類有較強區分能力的支持向量，由此構造出分類器，可以將類與類之間的間隔最大化，因此有較高的分類準確率。為提高分類結果的準確性，將監督分類結果通過 Majority/Minority 分析工具進行主成分分析，去除孤零斑塊。在Google Earth勾選驗證樣本，對分類圖進行精度驗證，3景分類圖精度均大于90%，滿足精度要求[23]。

2.4 景觀要素類型面積年變化率

(3)

式中，Sa、Sb分別為某一景觀要素類型研究期初和期末面積，t為研究期(a)。

2.5 景觀要素類型轉移矩陣

景觀各要素類型面積變化雖然對研究區域內景觀總體格局情況有一定的參考價值，但是不能很好地反映景觀內各要素類型面積的轉移情況。而景觀要素類型轉移矩陣可以定量描述不同時間段內景觀要素類型的相互轉移情況，明確地反映研究區域的空間結構變化。本研究利用ENVI 5.3軟件中的Change Detection Statistics工具進行交叉分析，再用Excel表進行數據整理，得出研究期內景觀要素類型面積的轉移方向以及轉移數量[25]。

2.6 景觀格局分析

為探究研究區域破碎度、景觀異質性、斑塊形狀、景觀連通度、景觀多樣性等特征變化，結合研究區實際情況，選取了斑塊數量(NP)、最大斑塊指數(LPI)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(LSI)、周長面積分維數(PAFRAC)、蔓延度(CONTAG)、香農多樣性指數(SHDI)7個景觀水平格局指數[26]，利用ENVI監督分類的結果，在Fragstats 4.2平臺進行景觀格局指數的計算分析。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度動態變化

2009—2018年植被覆蓋度總體變化表明(表1)，近10年來植被覆蓋度普遍較高。3個研究時段低蓋度區域均不足1%，中高蓋度區域均超過19.59%，高蓋度區域均超過68.72%，中低蓋度和中蓋度區域占有一定比例，中高蓋度以上區域超過88.31%。其中2009—2014年植被覆蓋度變化較大，高蓋度區域增加4.34%，中高蓋度區域增加2.62%，中蓋度區域減少5.83%；2014—2018年植被覆蓋度變化不大。

表1 2009—2018年不同等級植被覆蓋度統計

3.2 景觀要素類型動態變化

3.2.1景觀要素類型組成

研究區總面積為492.75 km2。3個研究時段面積最大的景觀要素類型均為針葉林，每個時段面積所占比例均超過43%，并且呈連續增加的趨勢。針闊混交林面積所占比例每年均超過35%，并且呈連續下降的趨勢。每個研究時段針葉林和針闊混交林面積之和均超過84%。疏林灌叢和草地占有一定比例。耕地與建筑用地面積大小相差不多，在1%～2%之間。面積最小的景觀要素類型均為水域，所占比例不足1%(表2)。

表2 2009—2018年景觀要素類型組成結構

3.2.2景觀要素類型的面積變化

研究區2009—2018年景觀要素類型面積年變化統計見表3。

表3 2009—2018年景觀要素類型面積年變化

如表3所示，在研究期間研究區各個景觀要素類型的面積和年變化率均有不同程度的差異。針葉林和針闊混交林作為區域主要核心景觀要素類型，面積變化顯著，針葉林在研究期間增加最多，增加了40.86 km2；針闊混交林減少了25.40 km2。疏林灌叢減少了31.98 km2。草地和耕地面積有少許增加。建筑用地和水域面積變化不大。

2009—2014年針葉林、草地、耕地面積呈增長態勢，針闊混交林、疏林灌叢面積減少，建筑用地和水域面積幾乎沒有變化。針葉林增加速率最為明顯，為6.89 km2/a。疏林灌叢減少速率最為明顯，為6.11 km2/a。2014—2018年各景觀要素類型面積變化速率較之前年份變得有所減緩。針葉林、草地面積持續呈增長態勢，針闊混交林、疏林灌叢面積持續減少，建筑用地、水域面積幾乎沒有變化。針葉林增加速率依舊最為明顯，為1.60 km2/a。針闊混交林減少速率最明顯，為1.92 km2/a。

總的來看，針葉林、草地、耕地、建筑用地面積增加，針闊混交林、疏林灌叢、水域面積減少。

3.2.3景觀要素類型之間的轉移

通過景觀要素類型轉移矩陣(表4)可知，2009—2018年在面積轉出方面， 以針闊混交林、疏林灌叢、針葉林的轉出為主，轉出面積分別為79.723 8 km2、35.734 5 km2、21.761 1 km2。草地的轉出也比較明顯，轉出面積為 9.504 9 km2。轉入面積以針葉林、針闊混交林、草地為主，轉入面積為 62.567 1 km2、54.437 4 km2、21.432 6 km2。針葉林轉為針闊混交林、針闊混交林轉為針葉林、針闊混交林轉為草地、疏林灌叢轉為針闊混交林以及草地轉為針闊混交林的轉移面積較大，分別為 20.799 9 km2、60.702 3 km2、16.949 7 km2、27.224 1 km2、4.633 2 km2。

表4 2009—2018年景觀要素類型轉移矩陣

3.3 森林景觀的破碎化

由斑塊數量(NP)、最大斑塊指數(LPI)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(LSI)、周長面積分維數(PAFRAC)、蔓延度(CONTAG)、香農多樣性指數(SHDI)7個景觀格局指數的變化反映森林景觀的破碎化尺度，如表5所示。

2009—2018年文峪河上游景觀斑塊數量先增加再減少，在研究時間段內增加了535個。最大斑塊指數基本保持不變。結合NP和LPI可知，龐泉溝流域景觀破碎化程度正在逐步加大。邊緣密度和景觀形狀指數呈先升高后降低的趨勢，反映出景觀異質性增強、斑塊形狀趨于復雜。周長面積分維數基本不變，而蔓延度增加，這2個指標表明景觀連通度增加。香農多樣性指數總體保持不變，說明流域景觀多樣性基本不變。綜合來看，2009—2014年景觀破碎化程度最大，整個研究期間景觀總體呈現破碎度增加、景觀異質性增強、斑塊形狀趨于復雜、景觀連通度增加、流域景觀多樣性基本不變等特征。

4 討論與結論

4.1 討論

4.1.1景觀要素組成及其動態變化

2009—2018年，針葉林在每個時段都是面積最大的景觀要素類型，面積占比均超過43%，針闊混交林面積占比均超過35%，針葉林和針闊混交林面積之和均超過84%，是研究區域的主要景觀要素類型，始終處于景觀主體地位，森林覆蓋率約84%。李旭華等對龐泉溝自然保護區森林群落物種多樣性的研究中提到：保護區內植物資源豐富，森林保存完好，森林覆蓋率可達85%[27]。本研究區森林覆蓋率略低于龐泉溝自然保護區。

高潤梅等以文峪河上游河岸林為研究對象，利用Markov模型對群落的演替趨勢和演替過程進行分析與預測，構建了闊葉林階段→闊針混交林階段→針闊混交林階段→針葉林階段的文峪河上游河岸林演替系列，并預測楊樺云杉混交林和楊樺落葉松混交林都朝著云杉優勢加強的方向發展[28]。郭玉永設置33塊典型樣地，利用Markov模型模擬文峪河上游河岸林群落的動態演替過程。經過600多年的森林演替，文峪河上游河岸林群落最終將發展成為以云杉林為主的頂級群落[29]。研究中針闊混交林轉為針葉林 60.702 3 km2、疏林灌叢轉為針闊混交林 27.224 1 km2、針葉林轉為針闊混交林 20.799 9 km2、針闊混交林轉為草地 16.949 7 km2、草地轉為針闊混交林 4.633 2 km2，是景觀要素類型轉移的5種主要方式。高潤梅和郭玉勇等得出的演替過程恰好反應了本研究中數據分析結果的準確性。

4.1.2森林景觀植被覆蓋度和破碎化

2000年國家天然林保護工程在山西省黃河流域正式實施以來，天然林全面停止采伐，采取了人工造林、飛播造林、改變經營措施、實行封山育林等措施。森林資源得到有效的管護和修養生息，進入自我恢復的階段。從本研究植被覆蓋度的變化來看，2009—2014年植被覆蓋度變化較大，高蓋度區域增加4.34%，中高蓋度區域增加2.62%，中蓋度區域減少5.83%；2014—2018年植被覆蓋度變化不大。2009—2014年森林資源處于快速生長恢復階段，所以森林景觀動態變化明顯。2014—2018年森林資源在經歷快速生長階段后，進入穩定生長期，所以森林景觀動態變化相對較小。

2011年以來交城縣花費巨資啟動了龐泉溝峽谷漂流項目，果老峰景區開發，八道溝、大沙溝、分水嶺景區修繕，修建景區道路、拓展停車場等，大力發展鄉村生態旅游。雖然生態旅游為當地農民就業和增收致富起到了積極的帶動作用，但是也對當地生態系統產生了一些負面效應。針葉林、針闊混交林作為研究區主要景觀要素類型，研究末期面積占比分別為52.18%、35.24%，是研究區域的優勢景觀要素類型，平均斑塊面積較大，且處于遠離居民地以及道路兩側的坡地，保持著整體景觀格局的穩定。人為干擾帶來建筑用地、耕地的增加以及疏林灌叢、水域面積的減少，導致2014年景觀破碎程度達到最大。因此，人為干擾是研究區景觀破碎度增加、景觀異質性增強、斑塊形狀趨于復雜的關鍵原因。

4.2 結論

1)研究區針葉林和針闊混交林面積之和均超過84%，是主要的景觀要素類型，始終處于景觀主體地位。

2)研究區植被在研究時期內發生著正向演替，逐漸向頂級群落方向發展。針闊混交林轉為針葉林 60.702 3 km2、疏林灌叢轉為針闊混交林 27.224 1 km2、針葉林轉為針闊混交林 20.799 9 km2、針闊混交林轉為草地 16.949 7 km2、草地轉為針闊混交林 4.633 2 km2，是景觀要素類型轉移的5種主要方式。

3)2009—2014年是森林資源快速生長恢復階段，2014—2018年是森林資源穩定生長期。

4)2009—2018年研究區景觀總體呈現破碎度增加、景觀異質性增強、斑塊形狀趨于復雜、景觀連通度增加、流域景觀多樣性基本不變等特征。