長白山風災景觀30年格局變化過程分析

陳雪瑩,高雪嬌,許嘉巍,*,靳英華,張英潔,王彩玲

1 東北師范大學地理科學學院,長春 130000

2 長白山地理過程與生態(tài)安全教育部重點實驗室,長春 130000

景觀是由一系列不同的生態(tài)系統(tǒng)鑲嵌構成,且具有明顯視覺特征的地理實體[1]。景觀格局是指大小不一、形狀不同的景觀斑塊在空間上的配置[2]。景觀格局包括景觀斑塊的類型、數(shù)目以及空間分布,是景觀異質性的具體體現(xiàn)者,反映了生態(tài)系統(tǒng)的演變過程[3—5]。景觀格局指數(shù)是用來定量描述景觀格局的常用指標,能夠在一定程度上反映景觀組成和空間配置特征[2,6]。隨著遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術的發(fā)展,將其與景觀格局指數(shù)結合的定量分析景觀格局變化已經(jīng)成為經(jīng)典的研究方法[7]。近年來,我國廣泛采用了該研究方法進行景觀格局變化研究,如靖傳寶[8]以1986—2017年Landsat遙感影像為基礎,定量分析1988—2017年深圳市城市化過程中景觀格局動態(tài)變化特征。郭少壯、白紅英等[9]基于Landsat影像數(shù)據(jù),利用GIS空間分析和景觀格局指數(shù)法研究了秦嶺地區(qū)林地與草地景觀格局變化及其驅動因素。李明珍、李陽兵等[10]以三峽庫區(qū)典型流域——草堂溪為研究區(qū),利用2000年、2010年、2018年系列遙感影像,探討研究區(qū)土地利用類型時空演變過程。

長白山自然保護區(qū)擁有地球同緯度最典型、保存最完整的溫帶山地森林生態(tài)系統(tǒng)[11]。植被分布存在獨特性,擁有溫帶地區(qū)完整的山地垂直景觀帶,依次為紅松闊葉林—針闊混交林—暗針葉林—亞高山岳樺林—高山苔原帶。但這種完整的垂直變化僅存在于長白山北坡[12],與西、南坡存在較大坡向差異,目前此差異產(chǎn)生的原因尚不明確。1986年8月28日15號臺風維拉襲擊了長白山自然保護區(qū),使得長白山西、南兩坡原始森林受到了嚴重的破壞,形成了大面積的風災景觀。我國中緯度林區(qū)形成風災景觀屬首次被觀察與記錄[13]。30年來,隨著植被持續(xù)恢復與演替,風災景觀的格局不斷變化,為干擾后格局的自然變化研究提供了理想的研究場所。明確臺風過后景觀的構成及隨時間變化規(guī)律,更能闡明長白山森林生態(tài)系統(tǒng)各組分相互影響機制,進而定量揭示強風干擾下長白山植被演替過程。為此,本文以長白山風災景觀為研究對象,基于Landsat影像獲取景觀格局指數(shù),分析風災后30年景觀格局變化過程。基于此過程說明由強風干擾引起的景觀格局變化可以形成長白山西、南坡獨特的垂直帶譜。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

長白山自然保護區(qū)位于吉林省東南部,地理坐標范圍約為41°41′49″—42°25′18″N,127°42′55″—128°16′48″E。該地區(qū)為溫帶大陸季風性氣候,四季分明,夏季短暫溫涼,冬季漫長寒冷。年平均氣溫-7—3℃,年平均降水量700—1400mm,多集中在6月— 9月。受地形和水熱條件的影響,研究區(qū)內(nèi)的植被類型有著明顯的垂直分布特點[14],由低海拔到高海拔分別為:1100m以下為針闊混交林帶；1100—1800m為山地針葉林帶；1800—2100m為亞高山岳樺林帶；2100—2300m為高山苔原帶；2300m以上高山寒漠帶。

風災景觀位于41°52′55″—42°01′10″N,127°53′29″—128°00′11″E,分布在海拔750—2000m的長白山西、南坡,面積11386hm2(圖1)。風災景觀海拔總體變化趨勢為自西向東逐漸升高,位于西北方向的風災跡地在1400m以下,而東南方向的海拔在1400m以上。跨越針闊混交林帶,山地針葉林帶和亞高山岳樺林帶[15—16],土壤分別為暗棕色森林土、棕色針葉林土和亞高山草甸森林土。地表有大量被風吹倒帶有樹根的腐朽倒木[13]。風災景觀內(nèi)有殘存的林木斑塊和新生的草本-灌木斑塊,草本-灌木斑塊的主要植物有小葉章(Calamagrostisangustifolia)和大葉章(C.lanysdorffii)等草本植物,藍靛果忍冬(Loniceracaeruleavar.edulis)、庫葉懸鉤子(Rubussachalinensis)等灌木,植被平均高度達1m以上[17]。30年來,草本-灌木斑塊發(fā)生演替,面積萎縮,森林斑塊面積擴張(圖2)。

圖1 長白山風災景觀所在位置

圖2 長白山風災前后對比圖

1.2 景觀格局指數(shù)選取

景觀指數(shù)常被劃分為斑塊水平、斑塊類型水平以及景觀水平3個級別,分別描述單個斑塊、同一斑塊類型以及整個景觀3個尺度上的格局特征。本研究區(qū)斑塊數(shù)量多,對單個斑塊的研究無法體現(xiàn)景觀格局的規(guī)律,因此本文分別從斑塊類型水平上和景觀水平上選取不同的景觀指數(shù),旨在從多個角度對長白山風災景觀格局變化進行總結。選取的景觀格局指數(shù)如表1所示。

表1 長白山風災景觀的景觀格局指數(shù)

1.3 解譯方法

本研究使用的遙感影像數(shù)據(jù)為1987年5月20日Landsat TM、1993年5月28日Landsat TM、1999年9月2日Landsat TM、2004年6月3日Landsat TM、2010年9月24日Landsat TM、2016年5月19日Landsat ETM+ (分辨率30m×30m)。對遙感影像進行輻射校正和幾何校正,由于TM 6波段的分辨率為120m,不適合植被信息收集,故將TM 1,TM 2,TM 3,TM 4,TM 5,TM 7,TM 8波段進行融合。利用長白山自然保護區(qū)邊界矢量數(shù)據(jù)對融合后的遙感影像進行掩膜處理[19]。

對風災后的6期遙感影像進行增強處理。利用ENVI 軟件選取5、4、3波段融合,并分別賦予紅、綠、藍3種顏色進行假彩色合成,增強地物信息。利用植物光譜反射特征,采用最大似然法進行監(jiān)督分類,得到長白山風災景觀的各斑塊類型圖。

1.4 斑塊類型數(shù)據(jù)提取

長白山風災景觀主要由大小不一、形狀各異的林地和草甸斑塊組成。由于各林型光譜特征相似,區(qū)分難度比較大,故本文采用監(jiān)督分類的方法對風災后的6期遙感影像進行分類解譯,依據(jù)光譜信息、紋理信息、地學邏輯的原理,確定研究區(qū)各斑塊類型的解譯標識,對分類后的影像進行精度驗證,總體分類精度為94.47%,Kappa系數(shù)為0.93,每種斑塊類型的制圖精度和用戶精度都大于85%,滿足研究要求。

1.5 風災景觀范圍的提取

歸一化植被指數(shù)NDVI,Deering提出將RIV經(jīng)非線性歸一化處理,得到NDVI,其值在[-1,1]之間,正值表示植被覆蓋,且隨覆蓋度增大而增大；負值表示地面覆蓋為云、水等對可見光高反射；0表示有巖石或裸土等[20]。

NDVI值計算公式:

NDVI=(TM 4波段值-TM 3波段值)/(TM 4波段值+TM 3波段值)

對NDVI值的計算有最大值法、均值法、差值法以及一元線性回歸趨勢計算[21]。本文采用南穎等人[22]的提取方法利用長白山遙感影像,將均值加上一倍標準差定義為正常值被變化上限,均值減去兩倍標準差定義為正常植被變化的下限,最終將超出均值減去兩倍標準差下限之外的部分作為長白山自然保護區(qū)風災景觀的范圍。

1.6 景觀轉移矩陣

景觀轉移矩陣可定量表明不同景觀類型之間的轉化情況,從而更好的對景觀類型結構的變化特征及各景觀類型的流向進行深入分析。景觀轉移矩陣的數(shù)學公式為:

式中,S表示轉移矩陣；Sij表示在某時間段景觀類型i轉移成景觀類型j的面積；n表示景觀類型數(shù)。在實際應用中,景觀轉移矩陣一般以表格形式呈現(xiàn),用來分析長白山風災景觀中斑塊類型轉移情況。

1.7 成圖與景觀指數(shù)計算

本研究中運用ArcGIS 10.2軟件進行專題地圖的制作,使用Fragstats 4.2軟件計算景觀格局指數(shù),在Excel中對數(shù)據(jù)進行預處理,用Origin作圖。

2 結果與分析

2.1 斑塊類型水平景觀格局指數(shù)分析

風災景觀中主要以草本-灌木、針葉林、闊葉林及岳樺林4種斑塊類型為主,其中草本-灌木斑塊所占面積比重最大。隨著植被恢復與演替,其他類型斑塊波動增加。各斑塊類型分類圖如圖3所示。

圖3 長白山風災景觀各斑塊類型分類圖

從斑塊總面積(CA)和斑塊所占景觀面積比例(PLAND)來看(如表2、3所示),草本-灌木斑塊面積最大,所占比例最高,其次是針葉林和闊葉林,岳樺林面積最小,所占比例最低。在風災過后恢復初期,以草本-灌木斑塊恢復為主,從1993年開始,喬木面積開始增多,到了1999年,喬木所占比例為48%,超過草本-灌木斑塊。四種斑塊類型在30年的恢復過程中,以針葉林斑塊和闊葉林斑塊變動最大,增長率分別為125%和73%,岳樺林斑塊增長率為43%,只有草本-灌木斑塊面積不斷減少,變化率為48%。從圖4中可以看出,1987年到1993年期間,是針葉林斑塊和岳樺林斑塊快速生長的時期；闊葉林斑塊從1999年開始面積增長迅速；草本-灌木斑塊在1987年到1999年減少幅度最大。2016年岳樺林斑塊面積略有下降,可能是因為所選遙感影像日期為5月份,氣溫較低,岳樺林沒有開始生長因而在影像上觀測不明顯。

圖4 長白山風災景觀各斑塊類型面積變化趨勢

表2 長白山風災景觀中斑塊類型總面積變化

為進一步分析長白山風災景觀各斑塊類型之間的相互轉移,本文對1987—2016年研究區(qū)內(nèi)的景觀類型轉移矩陣進行了分析。1987—2016年長白山風災景觀面積轉移矩陣如表4所示。對表分析可知,1987—2016年間各景觀類型均有變化,各斑塊類型景觀面積變化量的絕對值的排序為:草本-灌木>針葉林>闊葉林>岳樺林。

表3 長白山風災景觀中各類斑塊占比

表4 長白山風災景觀1987—2016景觀轉移矩陣/hm2

從景觀類型轉出來看:草本-灌木斑塊共轉出了3634.51hm2,在4種景觀類型中變化最大,其中60.59%轉化為闊葉林,是草本-灌木斑塊轉化的主要方向,針葉林其次占34.79%,岳樺林比例最小,僅占4.62%。闊葉林斑塊轉移量1052.78hm2,位于第二位,主要轉移方向為針葉林。針葉林斑塊轉移量為461.03hm2,向草本-灌木、闊葉林、岳樺林轉移比例大致相同。岳樺林斑塊轉移量最小,主要受雪覆蓋的影響。

從景觀類型轉入來看:闊葉林斑塊轉入量最多,共轉入了2377.91hm2,主要來源是草本-灌木和針葉林,分別占總轉入量的92.61%、6.63%。4種斑塊類型中,針葉林面積變化最大,從1987年的1422.36hm2增長至2016年的3199.77hm2,增長率為125%。針葉林轉入量2229.54hm2,略低于闊葉林,草本-灌木仍占有最大的轉入比重為56.71%,闊葉林占42.42%。岳樺林斑塊的轉入來源主要是草本-灌木和針葉林。草本-灌木的轉入量最少,49.37%來源于針葉林。

長白山風災景觀斑塊類型水平指數(shù)變化圖如圖5所示。斑塊數(shù)量(NP)和斑塊密度(PD)是直接反映景觀破碎化程度的景觀指數(shù)。植被恢復過程中不同年份、不同斑塊類型的斑塊數(shù)量、斑塊密度變化不同,表明破碎化程度不同。從不同斑塊類型上看,草本-灌木斑塊數(shù)量和斑塊密度不斷減少,說明隨著草本-灌木面積的減小,破碎化程度降低。闊葉林與針葉林的斑塊數(shù)量和斑塊密度先減小后增大,與1987年相比整體上呈減少趨勢。2004年闊葉林的斑塊數(shù)量、斑塊密度達到最低值,此時期是闊葉林面積增長的高峰期,高緯度闊葉林連片生長,破碎度從2010年開始有所增加,表明在恢復的過程中,闊葉林與針葉林首先以大且集中的斑塊生長,而后面積增長主要以零散的斑塊為主。岳樺林的斑塊數(shù)量和斑塊密度一直增加,2016年有所減低,整體上呈上升趨勢,破碎度增加。該結果表示,與闊葉林和針葉林相反,岳樺林面積增大首先以小斑塊為主,然后有逐漸連成片的趨勢。從時間尺度上看,草本-灌木作為面積最大的斑塊類型,在不同年份的六期影像上斑塊數(shù)量與斑塊密度并不是最大,說明草本-灌木的斑塊較大且分布均勻。1999年四種斑塊類型的斑塊數(shù)量、斑塊密度均出現(xiàn)異常高值,原因是1999年所選取的遙感影像是9月份的,此時岳樺林和闊葉林的葉片已經(jīng)凋落,可以看見水體,水體將大斑塊分割成許多破裂的小斑塊,因而各斑塊類型的斑塊數(shù)量與斑塊密度迅速增加。

圖5 長白山風災景觀斑塊類型水平指數(shù)變化圖

最大斑塊指數(shù)(LPI)表示某一景觀類型中最大斑塊占景觀總面積的比重。草本-灌木最大斑塊指數(shù)最高,表明草本-灌木是研究區(qū)的優(yōu)勢景觀類型,且在研究區(qū)內(nèi)呈片狀分布；最大斑塊指數(shù)總體呈下降趨勢,說明隨著恢復進行,草本-灌木面積減少,優(yōu)勢度不斷降低。闊葉林最大斑塊指數(shù)總體上增加,且增加趨勢明顯,優(yōu)勢度不斷上升。30年恢復過后,針葉林成為面積第二大的斑塊類型,僅次于草本-灌木,與闊葉林所占比重相近,但是最大斑塊指數(shù)遠小于闊葉林,說明針葉林分布不均,斑塊小而分散。岳樺林最大斑塊指數(shù)最小且變化不大,優(yōu)勢度最低。

景觀形狀指數(shù)(LSI)值的大小代表景觀形狀復雜程度的高低。值越大,表明景觀形狀的復雜性越高。研究時段內(nèi),各斑塊類型斑塊呈現(xiàn)出明顯的不規(guī)則化趨勢,其中,針葉林的景觀形狀指數(shù)最大,說明針葉林斑塊的形狀最復雜,近年來趨于穩(wěn)定；草本-灌木的景觀形狀指數(shù)變化不大,表明草本-灌木均勻成片形狀較規(guī)則；闊葉林在1987年恢復初期景觀形狀指數(shù)最大,之后的年份里波動上升下降,整體上下降,有向著規(guī)則的斑塊恢復的趨勢；岳樺林景觀形狀指數(shù)整體呈上升趨勢,不規(guī)則程度加深。

聚合度指數(shù)(AI)用來描述斑塊的聚集程度,聚集程度越大,AI值越大。從不同斑塊類型來看,草本-灌木的聚合度最大,隨著草本-灌木面積的減小,聚合度指數(shù)變化并不顯著,說明草本-灌木這一斑塊類型聚集程度高且分布均勻。闊葉林斑塊聚合度指數(shù)先升高后下降,整體上呈上升趨勢,這與闊葉林在恢復過程中首先以大斑塊為主,在恢復后期以小斑塊為主的趨勢相對應,2004年是闊葉林恢復的高峰期,因此聚合度指數(shù)最高,此后恢復的小斑塊破碎且離散,聚合度有所下降。針葉林斑塊聚合度指數(shù)變化趨勢與闊葉林大致相同,但略低于闊葉林,由于形狀復雜聚合程度相對較低。岳樺林斑塊聚合度指數(shù)從總體上看變化不明顯,1999年受水體影響聚合度最低,此后隨著恢復不斷進行且有連片生長的趨勢,聚合度上升。

綜上所述,在長白山風災景觀四種斑塊類型中,草本-灌木所占比例最大,隨著30年恢復不斷進行,面積逐漸變小,優(yōu)勢度不斷下降,但分布均勻,斑塊形狀規(guī)則,聚合程度高。闊葉林和針葉林在恢復過程中先以增加大斑塊為主,后期面積增加主要是以小斑塊為主,兩種斑塊類型優(yōu)勢度增加,闊葉林斑塊向著規(guī)則的形狀恢復,針葉林形狀最復雜。岳樺林優(yōu)勢度最低,恢復過程中先以增加小斑塊為主,后期以大斑塊連片生長,形狀趨于復雜,聚合度上升。

2.2 景觀水平景觀格局指數(shù)分析

表5為1987—2016年長白山風災景觀景觀水平上各時期景觀格局指數(shù)變化趨勢。除1999年受水體影響外,長白山風災景觀斑塊數(shù)量(NP)和斑塊密度(PD)均表現(xiàn)為先下降后升高并逐漸趨于穩(wěn)定。在恢復初期,草本-灌木所占比例較大,超過50%,因此最大斑塊指數(shù)(LPI)所占比例較高；隨著植被恢復的進行,最大斑塊指數(shù)(LPI)逐漸趨于穩(wěn)定,所占比例僅為12%左右,說明各斑塊類型分布比較均勻,沒有某一種或幾種斑塊獨占鰲頭的情況。景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均斑塊分維數(shù)(AREA_MN)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)等形狀指數(shù)的波動增加,也反映了整體景觀的形狀的復雜程度和不規(guī)則性不斷加深,說明研究區(qū)的景觀空間形態(tài)向著多樣化趨勢轉變。周長面積分維數(shù)(PAFRAC)取值范圍一般在1—2之間,受人為干擾程度越大時值越接近1；受人為干擾程度越小時越接近2[23],該地區(qū)PAFRAC值接近2,說明在研究區(qū)植被恢復時期并未受到強烈的人為干擾。蔓延度指數(shù)(CONTAG)表示景觀中不同類型斑塊的團聚程度或延展趨勢,風災景觀1987—2016年蔓延度指數(shù)波動下降,表明景觀連續(xù)性降低,對應景觀分割指數(shù)(DIVISION)、分離指數(shù)(SPLIT)的上升,景觀破碎度增加。香儂多樣性(SHDI)指標是一種基于信息理論的測量指數(shù),能反映景觀異質性,數(shù)值呈上升趨勢說明各景觀類型所占比例差異減小,景觀類型在景觀空間呈均衡化趨勢分布,優(yōu)勢組分對景觀的控制作用減弱[24]。聚合度(AI)有減少趨勢,說明景觀的聚集度在緩慢的減小,景觀分布更加均勻。

表5 景觀水平景觀格局指數(shù)

總體來說,從1987年到2016年,長白山風災景觀斑塊數(shù)量(NP)、斑塊密度(PD)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、聚合度(AI)總體呈現(xiàn)出減少的變化趨勢；景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均斑塊分維數(shù)(AREA_MN)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)、景觀分割指數(shù)(DIVISION)、分離指數(shù)(SPLIT)和香儂多樣性(SHDI)逐漸增加。說明隨著風災景觀植被的恢復,小而分散的斑塊轉換為大而集中的斑塊,同時不規(guī)則程度增加,形狀復雜,各斑塊間連通性總體下降,破碎化程度有所降低,景觀均質化發(fā)展。

3 討論與結論

3.1 討論

(1)長白山風災景觀關鍵指數(shù)提取

為確定適合用于風災景觀恢復性表征的關鍵指數(shù),對景觀水平上各景觀格局指數(shù)歸一化處理后,進行主成分分析,得到結果如表6、7所示。由表6可知,提煉出第1、第2主成分的累計方差貢獻率達到93.753%,滿足大于90%的要求。對標準化后的指標用x表示,LSI為x1,AI為x2,NP為x3,PD為x4,AREA_MN為x5,SHAPE_MN為x6,PAFRAC為x7,SPLIT 為x8,SHDI為x9, LPI為x10,DIVISION為x11,CONTAG為x12。由載荷矩陣(表7)可以得到兩個主成分線性組合如下:

表6 景觀水平景觀格局指數(shù)主成分分析結果

表7 各景觀指數(shù)載荷矩陣

具體分析第1、第2成分對于各指數(shù)的貢獻值,可以看出,第1成分與景觀形狀指數(shù)、斑塊數(shù)量、聚合度等相關性較高；第2主成分與最大斑塊指數(shù)、景觀分割指數(shù)、蔓延度指數(shù)相關性較高。可見第1成分與景觀規(guī)模、形狀相關,第2成分與景觀聚散度相關,兩類因子可以作為衡量長白山風災景觀恢復程度的關鍵性指標。

(2)長白山風災景觀30年景觀格局變化綜合評價

對于景觀格局評價體系的探索,目前主要基于景觀格局指數(shù)的組合應用,并采用因子分析法減少指數(shù)數(shù)量避免信息的重復[25]。本文對景觀指數(shù)主成分分析結果進一步處理,利用兩個主成分各評價指數(shù)的荷載數(shù)與其方差貢獻率的乘積之和,得到各指標的系數(shù)。如x1的系數(shù)為:(0.992×63.004%—0.112×30.749%)/(63.004%+30.749%)=0.6299。得到綜合得分模型為:Y=0.6299x1-0.6283x2+0.5691x3+0.5691x4-0.4685x5-0.4407x6+0.3842x7+0.7005x8+0.6027x9-0.5105x10+0.5487x11-0.6286x12。因系數(shù)中存在負值,采用歸一化指數(shù)函數(shù)Softmax函數(shù)進行歸一化處理,得到各景觀格局指數(shù)的權重值如表8所示。

表8 各景觀指數(shù)歸一化值

本文從景觀規(guī)模、形狀、優(yōu)勢度、聚集度評價體系出發(fā),選取景觀形狀指數(shù)、景觀密度、周長面積分維數(shù)、香儂多樣性指數(shù)、景觀聚合度五個指標,結合景觀綜合指數(shù)從多方面進行評價。此外,本文參考喬志和[26]長白山自然保護區(qū)1977年風災前景觀格局指數(shù),作為長白山風災景觀30年格局變化對照依據(jù)。各個景觀指數(shù)的值如表9所示,將各數(shù)值進行歸一化處理得到表10。結合表10、11,得到長白山風災景觀評價綜合得分(表12)。

表9 長白山風災景觀格局評價各指標計算結果

表10 長白山風災景觀格局評價各指標歸一化結果

表11 各景觀評價指標權重

表12 長白山風災景觀評價綜合得分

從研究結果看,風災發(fā)生前,該區(qū)域斑塊形狀復雜,景觀由少數(shù)較大斑塊組成,異質程度低。風災發(fā)生破壞了成帶狀分布的原植被帶,大斑塊被分割成小斑塊。經(jīng)過30年的恢復,長白山風災景觀綜合評價得分升高,說明研究區(qū)整體景觀格局質量得到提升,但恢復緩慢,與風災發(fā)生前依然相差較大。黎奕暉[27]結合景觀指數(shù),運用主成分分析法和綜合評價指數(shù)的方法,對湖南金童山國家自然保護區(qū)金童山片區(qū)景觀類型格局進行評價,結果表明僅在10年的時間里,研究區(qū)的景觀綜合評價指數(shù)達到0.527,景觀類型普遍呈現(xiàn)出優(yōu)化趨勢,景觀多樣性、聚集度、相對密度都有相應提升。而長白山風災景觀經(jīng)過30年的恢復,景觀多樣性有所上升,但形狀指數(shù)升高,形狀復雜,植被恢復效果不佳。這與長白山區(qū)氣候惡劣、無霜期短、火山灰土質差、土層薄、草深且密度大、枯草層厚,樹籽無法接觸土壤并生根發(fā)芽等原因分不開[28]。常禹等[29]、馬琳等[30]、王美玲等[14]等相繼研究了長白山保護區(qū)內(nèi)森林景觀格局及邊界的動態(tài)變化,均得出了長白山景觀趨于破碎化的結論,與本文對風災景觀研究的結論一致。國內(nèi)外學者在森林生態(tài)系統(tǒng)受干擾后的特征、恢復可行性評價、恢復技術、恢復生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)學過程、恢復過程中的生物安全等方面展開了大量研究[31—32]。長白山風災景觀的干擾不斷存在,由于草木—灌木的面積最大,分布均勻且連通性較好,應注意防火；對不同的喬木類型采取不同的保護措施,促進生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定恢復。

(3)長白山西、南坡斑塊鑲嵌分布獨特的垂直帶譜的成因

溫帶地區(qū)完整的垂直帶譜只在長白山北坡出現(xiàn),而西、南坡不同植被類型成鑲嵌分布的現(xiàn)象最早由錢家駒[33]提出。針對長白山西、南坡出現(xiàn)獨特垂直帶譜的成因,趙大昌[34]等認為,火山噴發(fā)對火山錐體各坡向的不同影響是造成這一差異的重要原因。目前此結論仍有待考證。許多學者認為,使長白山植被遭到嚴重破壞的那次火山爆發(fā)發(fā)生在公元589年左右[35-36],距今已經(jīng)1000多年,1000多年前的火山干擾似乎應該已經(jīng)消除,植被分布應為標準的垂直帶譜。1986年長白山遭遇的臺風破壞了西、南坡原有植被,本文通過對風災景觀的分析,得出了西、南坡植被斑塊化的結論,風干擾下形成不同的斑塊,與植被恢復的共同作用,會出現(xiàn)不同時間形成的斑塊空間分布格局。因此本文提出,地帶化植被的斑塊化是由外部干擾造成的,多次強風干擾可以形成長白山西、南坡與北坡不同的、獨特的斑塊鑲嵌結構。

3.2 結論

本文以長白山風災景觀為研究區(qū)域,通過解譯六期高清遙感影像數(shù)據(jù),分析研究區(qū)1987—2016年各斑塊類型變化情況,在斑塊類型水平及景觀水平分別選取不同景觀指數(shù),結合景觀面積轉移矩陣,探討研究區(qū)30年來植被恢復過程中的景觀變化特征,并對景觀格局變化做出評價。主要結論如下:

(1)在斑塊類型水平上,草本-灌木的優(yōu)勢度不斷下降,但分布均勻,斑塊形狀規(guī)則,聚合程度高；闊葉林和針葉林在恢復過程中先以增加大斑塊為主,后期面積增加主要是以小斑塊為主,闊葉林的斑塊形狀趨于規(guī)則,針葉林復雜；岳樺林恢復過程中先以增加小斑塊為主,后期以大斑塊連片生長,形狀趨于復雜,聚合度上升,有連片生長的趨勢。

(2)在景觀水平上,小而分散的斑塊在恢復過程中轉換為大而集中的斑塊,形狀不規(guī)則程度增加,景觀的連通度總體下降,隨著恢復的不斷進行,景觀異質性越來越低,景觀趨于均質化。

(3)從景觀轉移矩陣看,研究區(qū)草本-灌木斑塊會不斷向喬木斑塊轉化,草木—灌木所占比例逐漸下降,喬木所占比例上升。其中,草本-灌木主要轉化為闊葉林,闊葉林主要轉化為針葉林,針葉林主要轉化為岳樺林,四種斑塊類型在恢復過程中呈現(xiàn)一種演替關系。經(jīng)過30年的恢復期,闊葉林和針葉林恢復較好,目前已經(jīng)從聚集生長模式轉化為非聚集生長模式；岳樺林正處于恢復的旺盛生長時期聚集生長。

(4)運用主成分分析法,確定了適合用于風災景觀恢復性表征的關鍵指數(shù),兩個成分分別與景觀規(guī)模、形狀和景觀聚散度相關。

(5)運用主成分分析法與景觀綜合評價指數(shù)相結合的方法對長白山風災景觀進行評價,結果表明30年的恢復期中,研究區(qū)整體景觀格局質量得到提升,但恢復緩慢,與風災發(fā)生前依然相差較大。

(6)多次強風干擾可以形成長白山西、南坡非標準的垂直帶譜。