瀏陽市森林破碎化動態(tài)變化分析

王植槐，胡運清

瀏陽市林業(yè)局，湖南瀏陽 410300

森林覆蓋了近1/3 的陸地面積，其中包含超過80%的陸地生物多樣性[1]，是陸地上分布面積最大、組成結構最復雜、生物多樣性最為豐富的生態(tài)系統(tǒng)，在涵養(yǎng)水源、保持水土、防風固沙、調節(jié)氣候、凈化空氣、消除污染等方面起著重要作用[2]，有“綠色水庫”“地球之肺”之稱，對支撐地球生命系統(tǒng)具有重要作用[3]。

森林破碎化是森林斑塊被分割為較小獨立斑塊的過程，在景觀尺度上表現(xiàn)為森林斑塊數(shù)量的增加，內部生境面積縮小，形狀趨于不規(guī)則，廊道被截斷，斑塊彼此隔離，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的一個重要方面[4，5]。森林破碎化加劇了物種棲息地的隔離，增加了森林邊緣，減少了核心區(qū)域，引起生物多樣性下降，生態(tài)系統(tǒng)功能降低[6，7]。鑒于森林破碎化的重要影響。該研究以瀏陽市為研究區(qū)，采用MSPA 方法和森林破碎化指數(shù)，對研究區(qū)2011 年、2014 年、2016年和2020 年4 個時期的森林破碎化空間分布及其動態(tài)變化狀況進行分析，旨在客觀揭示研究區(qū)森林破碎化的演變規(guī)律，為區(qū)域森林破碎化精準監(jiān)測、森林資源保護修復以及有效提升森林生態(tài)功能提供參考。

1 研究區(qū)概況

瀏陽市位于湖南省東部的湘贛交界地帶，地處幕阜——羅霄山系北段，地理坐標為27°51′N～28°34′N，113°10′E～114°15′E，轄32 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)，國土總面積5007km2。屬幕阜——連云山丘區(qū)，由大圍山、連云山、九嶺山脈組成，海拔介于37.5m～1607.9m。地勢自東北向西南傾斜，構成北東南西走向的雁行式背斜山地理地貌景觀。系中亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫17.4℃，年平均降雨量1680.0mm。森林土壤類型多樣，共劃為8 個土類、12 個亞類、22 個土屬、55 個土種，土壤垂直分布狀況為：紅壤分布在海拔800m 以下，山地黃壤分布在海拔800m～1100m 之間，山地黃棕壤分布在海拔1100m～1300m 之間，山地草甸土分布在海拔1300m 以上。屬常綠闊葉林區(qū)，2018 年森林面積32.69 萬hm2，森林總蓄積1461 萬m3，森林覆蓋率66.2%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預處理

研究數(shù)據(jù)來源于瀏陽市2011 年林地保護利用規(guī)劃林地落界數(shù)據(jù)和2014 年、2016 年及2020 年3期林地年度更新數(shù)據(jù)，利用ArcGIS10.2 轉換工具箱將矢量數(shù)據(jù)轉化為30m×30m 像元大小的柵格數(shù)據(jù)，重分類為森林和非森林兩類。

2.2 形態(tài)學空間格局分析

在Riiters[8]數(shù)學形態(tài)學研究的基礎上，結合Soille[9]開發(fā)的數(shù)學形態(tài)學制圖算法，Vogt 提出了形態(tài)空間格局分析方法(MSPA)。MSPA 是專門為幾何描述和斑塊關聯(lián)而設計的，可以應用于任何尺度的數(shù)字圖像分析，將目標像元集劃分為核心、孤島、穿孔、邊緣、分支、連接橋以及環(huán)島等7 種森林景觀類型[10]。該研究基于研究區(qū)4 期30m×30m 像元大小的柵格數(shù)據(jù)，利用開源的Guidos Toolbox 軟件，以森林為前景、非森林為背景，采用八鄰域規(guī)則進行MSPA 處理，得到7 種不重疊的森林景觀類型。邊緣寬度的設置會影響定義為核心森林的數(shù)量，邊緣寬度代表了斑塊產生的邊緣效應的大小，邊緣效應是重要的生態(tài)過程，與物種棲息地保護、群落動態(tài)和生態(tài)恢復等密切相關[11]。參考前人研究成果[12]，按照廊道寬度在60m 及以上為適宜寬度的標準，經多次測試對比確定研究區(qū)森林邊緣寬度取值為2 倍像元寬度，即60m。

2.3 森林破碎化指數(shù)

將MSPA 森林景觀類型劃分結果進行綜合，形成森林破碎化指數(shù)[13]，可定量反映森林破碎化程度[14]，其公式如下：

式（1）中，F(xiàn) 為森林破碎化總值的百分比，C、I、P、E、B、R、L 分別代表核心、孤島、穿孔、邊緣、分支、連接橋以及環(huán)島等7 種森林景觀類型占森林總面積的百分比。值越高，表明森林破碎化程度越高。

3 結果與分析

3.1 MSPA 結果

研究區(qū)MSPA 各年度森林景觀類型分布及所占比例見圖1 和表1。2011 年、2014 年、2016 年和2020 年森林景觀類型均以具有重要生態(tài)功能的核心森林為主，分別占當期森林總面積的66.0%、66.0%、68.0%和68.3%。2011 年、2014 年和2016年各類型森林景觀面積占當期森林總面積的比例都為：核心＞邊緣＞分支＞連接橋＞環(huán)島＞穿孔＞孤島，2020 年各森林景觀類型占森林總面積比例為：核心＞邊緣＞連接橋＞分支＞環(huán)島＞穿孔＞孤島。

圖1 森林景觀類型分布Fig.1 Distribution map of forest landscape types

表1 各森林景觀類型所占比例Tab.1 Proportion of different forest landscape types

3.2 森林破碎化動態(tài)變化

（1）將研究區(qū)森林總面積、核心森林面積比及森林破碎化指數(shù)歸一化，結果如圖2 所示。2011 年至2020 年森林總面積及核心森林面積比都呈現(xiàn)增加趨勢，森林破碎化指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢。其中2016 年森林總面積及核心森林面積比增加最為明顯，森林破碎化指數(shù)下降最為劇烈。結果表明，總體上研究區(qū)2011 年至2020 年隨著森林面積的增加，核心森林面積比也呈增加趨勢，森林破碎化程度逐漸減輕，2016 年森林破碎化程度減輕最為明顯。

圖2 森林總面積、核心森林面積比及森林破碎化指數(shù)歸一化結果變化Fig.2 Change of normalized results of total forest area,core forest area ratio and forest fragmentation index

（2）2011 年至2020 年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）森林面積、核心森林面積比及森林破碎化指數(shù)變化情況如圖3和表2 所示。相較于2011 年，研究區(qū)2020 年26 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）森林面積增長了0.2%～15.5%，占研究區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）總量的81.25%，其中淮川街道、永和鎮(zhèn)、文家市鎮(zhèn)及葛家鎮(zhèn)森林面積增加了0.2%～8.3%，但其森林破碎化指數(shù)也增加了0.1%～6.1%，表明這4 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)隨著森林面積的增加，森林破碎化程度反而加劇，主要原因為其新增森林資源較大比例演變?yōu)榉呛诵纳?。柏加?zhèn)、永安鎮(zhèn)、大圍山鎮(zhèn)、鎮(zhèn)頭鎮(zhèn)、沿溪鎮(zhèn)及北盛鎮(zhèn)森林面積下降了0.3%～16.8%，其中北盛鎮(zhèn)2011 年至2020 年森林面積下降幅度最大，達到了16.8%。

表2 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）森林面積、核心森林面積比及森林破碎化指數(shù)變化統(tǒng)計Tab.2 Statistical table of changes in forest area, core forest area ratio and forest fragmentation index of each town (street)

圖3 2011 年至2020 年森林面積和核心森林面積比變化率Fig.3 Change rate of forest area and core forest area ratio from 2011 to 2020

22 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)核心森林面積比增長了0.1%～17.1%，森林破碎化指數(shù)下降了0.8%～22.7%，表明其森林破碎化程度減輕。其中中和鎮(zhèn)森林破碎化指數(shù)下降幅度最大，達到了22.7%，其森林破碎化程度減輕最為明顯。8 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)核心森林面積下降了0.4%～14.6%，森林破碎化指數(shù)增加了0.5%～19.4%，表明其森林破碎化程度加劇。其中柏加鎮(zhèn)、永安鎮(zhèn)及沿溪鎮(zhèn)森林破碎化指數(shù)增加幅度均超過了10%，分別達到19.4%、10.4%及19.2%，其森林破碎化加劇程度最為明顯。大圍山鎮(zhèn)森林面積下降了2.1%，但其核心森林面積比沒有發(fā)生變化，表明2011 年至2020 年大圍山鎮(zhèn)各森林景觀類型面積下降較為均衡。文家市鎮(zhèn)森林面積增長了6.7%，但其核心森林面積比沒有發(fā)生變化，表明2011 年至2020 年文家市鎮(zhèn)各森林景觀類型面積增長較為均衡。

4 結論與討論

4.1 結論

該研究基于MSPA 計算得到的森林破碎化指數(shù)，有效評估了研究區(qū)2011 年至2020 年森林破碎化動態(tài)變化狀況。結果顯示，研究區(qū)2011 年至2020 年以核心森林景觀類型為主，森林總面積呈增加趨勢，森林破碎化程度逐年減弱。26 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）森林面積有所增加，6 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林面積有所較少。22 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）森林破碎化程度減輕，8 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林破碎化程度加劇，大圍山鎮(zhèn)和文家市鎮(zhèn)森林破碎化程度沒有發(fā)生變化。

4.2 討論

2011 年至2020 年北盛鎮(zhèn)森林面積減少幅度最大，應重點開展北盛鎮(zhèn)造林綠化工作，加強對現(xiàn)有森林資源的經營管理，加快促進后備森林資源向森林資源演變。加強對柏加鎮(zhèn)、永安鎮(zhèn)及沿溪鎮(zhèn)森林破碎化監(jiān)測，分類施策避免破壞核心森林景觀。強化對淮川街道、永和鎮(zhèn)、文家市鎮(zhèn)及葛家鎮(zhèn)森林經營管理，促進新增森林盡快形成核心森林景觀。