長白山區露水河林業局森林景觀格局動態變化分析

李友邁 趙光影

摘要 天然林保護工程的實施改變了森林景觀日益破碎化的格局，因此通過研究天保工程實施背景下森林景觀格局的變化，可以說明天保工程背景下經營模式的轉變是否對森林景觀變化趨勢起到積極的作用；同時為今后天然林保護工作措施的改進提供科學依據。通過研究利用景觀格局指數計算方法，對1987—2017年露水河林業局實行天然林保護工程前后其森林景觀格局的變化進行分析，結果表明：研究區域內林地為優勢景觀；非林地面積占比較小且面積逐年遞減，林地內部相互轉化，其中大約26.2%～38.6%的針闊葉林轉變為混交林。研究區域內NP指數下降到7 695， SHDI指數始終保存在1.1～1.4。研究區域內商品林區NP指數由9 905下降到9 225，公益林區NP指數由從13 474下降到11 001。商品林區，公益林區SHDI指數在0.9～1.2浮動，SHEI指數較高。景觀類型總體上分布均勻，多樣性水平較低。

關鍵詞 景觀格局空間變化；景觀破碎化；景觀多樣性

中圖分類號 S718.5? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2023）14-0109-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.14.027

作者簡介 李友邁（1998—），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：生態學。*通信作者，教授，從事地表生態與生態調控研究。

景觀是各種具有特定結構、功能和動態特征的生態系統鑲嵌組成的異質性區域［ 1］。景觀的異質性導致各景觀要素的構成具有多樣性的特征。景觀的多樣性揭示了景觀的復雜性，對景觀功能和過程有重要的影響［ 2-3］。大小形狀各異的景觀要素的空間分布為景觀格局，景觀格局隨時間的變化稱為景觀動態變化［ 4］。景觀動態變化是地理學和景觀生態學領域中長期關注的熱點問題［ 5］，其中森林景觀格局變化及其驅動力研究歷來備受關注［ 6］。森林景觀格局的變化會對森林生態系統內的物質循環和能量流動產生影響，制約多種生態過程［ 7］。森林景觀格局變化的原因在于外界的干擾作用［ 8］，外界的干擾作用總體包括自然因素和人為因素；其中人為因素是導致景觀出現變化的主要原因［ 9］。景觀格局變化的主要表現為破碎化現象，景觀破碎化會引起生態系統的一系列變化，進而影響生物多樣性和生態功能的發揮，因此景觀破碎化是研究景觀格局變化的重要內容之一［ 10-11］。

長白山地區是我國森林的重要區域，由于受到多年的人為開發和破壞，森林質量明顯下降，森林景觀破碎化趨勢日益嚴重，對長白山地區森林生態系統的穩定性造成嚴重威脅［ 12］。從1998年開始，長白山重點國有林區成為天然林保護工程的試點區域［ 13］。因此，筆者在天然林保護工程實施的背景下，從公益林和商品林的角度，通過RS和GIS技術反映1987—2017年長白山地區露水河林業局景觀格局動態變化過程，探討森林經營方式的變化對森林景觀格局演化的作用，為今后長白山地區森林資源的保護及林業經營措施的實施和改進提供科學依據。

1 研究區概況

露水河林業局地處長白山脈西北部，全域經營面積120 934 hm2，包含8個林場。該林業局主要從事木材生產、林產品加工等活動。20世紀80年代以前，露水河林業局主要采取皆伐的經營方式，曾短暫實行過采育兼顧、徑級伐的經營方式，之后又重新采用皆伐方式，導致林業局森林環境出現退化的危險。自1998年開始，露水河林業局作為天然林保護工程的試點單位，逐漸改變了林業經營策略。因此，以露水河林業局作為研究對象說明林業經營政策的改變引起的森林景觀格局變化現象具有代表性，同時可為該地森林經營模式的實施和改進提供科學依據。

2 研究方法

2.1 影像分類

選取1987年7月、1997、2008、2017年8月4期影像，選用Landsat8OLI傳感器7個波段；Landsat5TM（專題制圖儀）數據（表1）。應用多光譜影像數據的波段組合顯示，確定解譯標志，完成監督分類。由于所下載的Landsat-5、Landsat-8數據屬于L1TP級別，其是以地面控制點和DEM數據完成幾何精校正，因此該級別的數據無需再進行幾何校正。數據預處理流程包括輻射定標、大氣校正、圖像配準、鑲嵌、裁剪等步驟。

參考露水河二類調查數據，將研究區域劃分為闊葉林、針葉林、混交林、灌木林、非林地5個景觀類型。采用ENVI監督分類功能（supersied classification）最大似然法（maximum likelihood）進行分類。依照景觀類型在遙感影像上反映的紋理、顏色等特點選擇訓練樣本，根據選好的訓練樣本在Classification模塊下進行監督分類。運用混淆矩陣對分類結果進行檢驗，經過檢驗可知，4期數據的總體精度均在98%以上，4期數據的Kappa系數均在0.9以上，符合該研究的精度要求（表2）。采取Majority/Minority功能和聚類處理（clump）功能對分類結果進行處理。

2.2 景觀格局指數選取

景觀格局指數是高度濃縮的景觀格局信息，是反映景觀結構組成和空間配置某些特征方面的簡單量化指標。通過景觀格局指數的計算，可以分析不同景觀類型的分布結構和組成特征。截至目前，用于景觀分析的景觀指數有很多，而且各景觀指數直接具有密切的相關性。因此，可以根據不同的研究需要和側重點選擇相應的景觀指數。根據該研究區的特點結合前人研究經驗，選擇以下景觀指數進行研究［ 14-15］：

3 結果與分析

3.1 景觀類型面積現狀

該研究區域景觀基質為混交林類型。露水河林業局1987—2017年景觀類型面積表現為混交林>針葉林>闊葉林>非林地>灌木林（表3，圖1）。該研究區域中混交林面積最大，是該區域中各景觀類型的重要組成部分。該區域的景觀結構屬于典型的基質-廊道-斑塊結構，基質為混交林，其他景觀斑塊鑲嵌于基質中，道路作為廊道連接各斑塊。

3.2 景觀類型變化特征

1987—2017年該研究區域內非林地景觀類型向林地景觀類型轉變，林地內部景觀類型相互轉換，針闊葉林面積呈縮小的趨勢。1987—2008年，針闊葉林向混交林轉變，針闊葉林面積開始縮小，非林地面積開始萎縮并向林地方向轉變。1997—2008年，非林地類型向林地類型轉移面積有所減小，林地內部變化程度相比10年前也有所變化，混交林向針闊葉林轉移面積有所減小，針闊葉林向混交林轉移面積減小，使得針闊葉林面積小幅回升。2008—2017年非林地類型轉移林地面積為近30年最大值；林地內部混交林向針闊葉林轉移的面積為30年來最低，針闊葉林面積呈繼續萎縮的變化趨勢。灌木林面積在近30年來變化不明顯，其他景觀類型向灌木林轉移的趨勢亦不明顯（表4，圖1）。

3.3 景觀格局變化特征

3.3.1 景觀指數變化。以林業局作為單位來看（表5，圖2），1987—1997年NP、PD呈增長趨勢，說明在前10年林業局景觀破碎化程度加重；1997—2017年NP、PD值均呈下降趨勢，說明在后20年該地區景觀破碎化情況得到改善。1987—2017年ED呈現逐漸上升后下降趨勢，說明在這30年間該地區斑塊形狀變化程度呈先加重后緩解的趨勢，PLADJ指數和COHESION指數變化不大且始終維持高水平，說明該地區斑塊連通性較好。SHDI指數較高，說明該地區景觀多樣性水平較低，但斑塊整體分布較為均勻。

3.3.2 不同經營區劃內景觀格局變化特征。以林業局內部經營區作為單位進行分析（表6，圖2），商品林區、公益林區NP、PD指數均呈先上升后下降的變化趨勢。說明林業局各經營區內部景觀破碎化程度趨于緩解。ED指數與NP、PD指數變化趨勢相同，說明各經營區斑塊形狀逐漸趨于穩定。各經營區PLADJ指數在2008—2017年呈上升趨勢，COHESION指數變化趨勢不明顯且指數較高，說明斑塊連通性得到改善。商品林區、公益林區SHDI指數較低，說明這2個經營區景觀多樣性水平較低；SHEI指數較高，說明各經營區內景觀類型分布較均勻。

4 討論

4.1 景觀類型面積轉移分析

經營模式的變化影響森林景觀類型面積的分布。該研究結果表明，露水河林業局內占主要成分的景觀類型為混交林、針葉林、闊葉林，這與長白山自然保護區內整體景觀面積分布情況相同［ 16］。混交林、針葉林、闊葉林在近30年共同組成為該區域的復合景觀，它們對該研究區域的生態環境具有調控作用，并對當地生態環境演變施加影響［ 17］，主導著當地景觀整體上的結構和動態變化［ 18］。林地面積基本保持不變，林地內部之間轉換，主要為針葉林，闊葉林向混交林轉移的變化趨勢。這一變化趨勢與天然林保護工程的經營策略方向相符合，該經營策略要求撫育工作要做到人工林天然化，在進行人工林培育時可以進行帶狀或團狀的培育，向針闊混交的方向進行培育［ 19］。說明目前的景觀類型分布格局基本符合天然林保護工程的要求。2008年之前針葉林、闊葉林向混交林轉移的速度相比2008年之后較為緩慢，這與森林經營模式改革逐漸深化過程密切相關。非林地面積逐漸減小，其主要原因為隨著天然林保護工程的實施，林業局對經營模式作出了調整，改變育林思路，加大了育林力度等措施［ 20］。說明該林業局實施天保工程的效果較為顯著。通過以上分析可以明確該區域森林景觀類型分布情況的變化與經營模式的轉變密切相關。

4.2 林業局景觀格局變化分析

從整體上看，經營方式的轉變是導致林業局景觀格局變化的主要因素。1987—1997年該地區景觀破碎化，斑塊程度愈加嚴重，主要原因是在90年代期間該林業局仍采取傳統的皆伐方式，形成采伐比重過大，忽略林業撫育的局面［ 21-22］。同一時期該地區開展了道路修建等經濟生產活動［ 23-24］，導致該區域的森林景觀結構整體呈現破碎化的趨勢。1997—2017年景觀破碎化現象逐漸緩解。主要原因是隨著天然林保護工程的展開，林業局改變傳統的經營方式，采取分類經營模式。依照分類經營的理念，林業局管轄區域內自然保護區、水源地、生態環境較為脆弱的林地以及立地條件較差，交通管理不便的林地劃分為公益林區；林業局管轄區域內立地條件較好，交通較為便利的林地劃分為商品林［ 19］。經過以上經營策略的實施，林業局內景觀破碎化程度逐漸得到遏制，但出現了景觀多樣性水平較低且變化不明顯的現象。根據管東生等［ 25-26］研究，多樣性水平變化不明顯且水平較低的原因可能是經營區內景觀類型面積比例沒有發生太大變化，所占面積較大的斑塊未發生較大變化，林場內部景觀類型面積所占比例差異懸殊導致的。這與該研究關于景觀類型面積的研究結果相一致。結合以上分析可以有理由認為，該林業局轉變經營方式對維持該地區森林生態環境起著積極作用。

4.3 經營區景觀格局變化分析

經過對該林業局實施天保工程前后森林景觀格局變化進行分析，對商品林區、公益林區內部景觀格局變化情況進行了分析。商品林區、公益林區在1987—1997年破碎化程度較高，斑塊形狀較復雜，經過前人研究表明，該研究區1985—1999年森林景觀呈破碎化趨勢［ 27］，這與該研究結果相符，說明在前10年經營區受外部干擾較為嚴重，由于1987—1997年該區域尚未完全普及分類經營制度，部分區域仍實行傳統的經營方式，即未節制地砍伐活動，導致商品林、公益林區域破碎化嚴重；1997—2008年商品林區破碎化趨勢受到遏制，這種現象與天保工程的實施密切相關，隨著天保工程的實施及禁伐區的設立，同時放棄了皆伐的生產方式，導致商品林區采伐量減少，進而使得過去破碎化嚴重的現象得到緩解。2008—2017年商品林區景觀破碎化有再度發展的趨勢，其主要原因是在天保工程實施的背景下，商品林區的采伐量大幅下降，與此同時商品林區的蓄積量也大幅下降，因此從總體上看商品林區的相對采伐強度增大，進而導致商品林區的破碎化趨勢有增強趨勢［ 28］。1997—2017年公益林區破碎化趨勢逐漸得到遏制。這種現象與天保工程的實施密切相關。針對公益林區的撫育工作，該林業局遵守嚴格的撫育次數和年限；針對該區域中重點公益林部分則嚴格采取禁伐措施；針對該區域中生態公益林部分則采取了適當采伐的方式且采伐目的是以改善森林系統為主導。經過以上的舉措，公益林區的破碎化趨勢得到很大改善。1987—2017年商品林區、公益林區斑連通性始終保持較高水平，說明商品林區和公益林區的森林資源環境并未受到大規模的破壞和退化，這與之前得出的破碎化程度先嚴重后逐漸趨緩的結論相矛盾。這可能是由于經營區內的景觀破碎化現象只是發生在小范圍區域內，并未威脅到林地景觀斑塊整體的聚集程度，說明經營區內森林環境目前沒有發生大規模的退化。商品林區和公益林區景觀多樣性水平較低，景觀分布均勻且隨時間變化不明顯。目前露水河林業局中商品林和公益林分別占森林面積的64.3%和35.7%，在這種分布情況下商品林區和公益林區的SHDI指數仍維持在較低水平，說明該區域中優勢景觀類型所占面積沒有發生太大變化，由此可知各經營區內景觀格局水平沒有發生大規模的退化，同時各景觀之間的分布較為均勻，說明維持目前的經營區劃對于維持森林生態環境穩定具有積極作用［ 28］。

5 結論

該研究結果表明，露水河林業局中混交林為優勢景觀， 其他類型斑塊鑲嵌其中，整體呈現典型的基質—廊道—斑塊景觀類型格局。非林地類型向林地類型轉變，林地面積基本保持不變。實施天保工程后，林業局整體景觀破碎化程度趨緩，但破碎化現象依然嚴峻，斑塊連通性較好，景觀多樣性仍保持較低水平。商品林區景觀破碎化現象明顯，但已經出現好轉的跡象，公益林區景觀破碎化程度減弱 。在實施天保工程后露水河林業局森林生態環境整體上呈現逐漸改善的趨勢。未來10年內露水河林業局森林生態環境呈現繼續向好的發展趨勢，因此目前的經營方式對于維持露水河林業局森林生態環境具有積極作用。

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