基于GIS的南寧市人工林空間格局變化分析

劉震峰，吳麗娟，郭道峰，梁 耀

（1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)勘測設(shè)計院，廣西南寧 530011；2.自然資源部北部灣經(jīng)濟區(qū)自然資源監(jiān)測評價工程技術(shù)創(chuàng)新中心，廣西南寧 530011）

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體和重要資源，是人類生存發(fā)展的重要生態(tài)保障。隨著經(jīng)濟發(fā)展與人口增加，人類從大自然中獲取資源的步伐加快，導(dǎo)致森林被過度采伐和利用，天然林資源減少。過度采伐也帶來了生態(tài)環(huán)境惡化、生物多樣性被破壞、物種滅絕和全球變暖等諸多問題。

近年來，隨著人們對森林保護(hù)重要性認(rèn)識的加強，學(xué)者們開始探索人工林可持續(xù)經(jīng)營方式，從不同方向?qū)θ斯ち职l(fā)展進(jìn)行研究。盛煒彤[1]對我國人工林生產(chǎn)力的現(xiàn)狀、不能保持生產(chǎn)力的原因和機理及長期保持人工林生產(chǎn)力的技術(shù)對策進(jìn)行分析；譚向平等[2]分析華南地區(qū)人工林資源狀況和經(jīng)營現(xiàn)狀，提出可持續(xù)經(jīng)營的對策；劉喻娟[3]、邵殿坤等[4]分別從林種、齡組和樹種結(jié)構(gòu)等角度對廣東省和吉林省的人工林資源進(jìn)行調(diào)查，并提出經(jīng)營管理對策。

廣西人工林在林分面積和木材產(chǎn)量上長期位居全國第1，區(qū)域植被生態(tài)質(zhì)量較好。南寧市是廣西首府及全區(qū)政治、經(jīng)濟和文化中心[5]。近10年來，南寧市人工林資源發(fā)生較大變化，研究其資源空間格局變化，對提升南寧市人工林經(jīng)營質(zhì)量和人工林生態(tài)系統(tǒng)功能有重要意義。本研究采用ArcGIS 軟件結(jié)合數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和2009 — 2019 年的森林資源數(shù)據(jù)，探討南寧市人工林資源空間格局變化的影響因素和規(guī)律，旨在為南寧市人工林可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南寧市（107°45′～108°52′E，22°13′～23°33′N）位于廣西中部偏南區(qū)域，是廣西首府，市域面積221.04 萬公頃，轄興寧區(qū)、青秀區(qū)、江南區(qū)、西鄉(xiāng)塘區(qū)、良慶區(qū)、邕寧區(qū)和武鳴區(qū)7 個城區(qū)及隆安縣、馬山縣、上林縣、賓陽縣和橫州市5 個縣（市），建有南寧高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、南寧經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和廣西-東盟經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)3 個國家級開發(fā)區(qū)。南寧面向東南亞，背靠大西南，東鄰粵港澳，南臨北部灣，處于“一帶一路”的重要節(jié)點，是華南經(jīng)濟圈、西南經(jīng)濟圈和中國-東盟經(jīng)濟圈的交匯點[6]，具有近海、近邊和沿江及沿線“兩近兩沿”的特點。南寧地處亞熱帶南緣，北回歸線從北部武鳴區(qū)、上林縣、馬山縣及大明山穿過[7]，地形為以邕江廣大河谷為中心的盆地形態(tài)，地貌有平地、低山、石山、丘陵和臺地5種類型[8]。良好的水、熱條件孕育了豐富的植物資源[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)庫建立

收集南寧市2009 年森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查數(shù)據(jù)、2016 年林地變更數(shù)據(jù)和已銜接第五次森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查數(shù)據(jù)的2019 年森林資源管理“一張圖”成果數(shù)據(jù)。2009年數(shù)據(jù)采用的坐標(biāo)系為54國家坐標(biāo)系，2016 和2019 年數(shù)據(jù)采用的坐標(biāo)系為2000國家大地坐標(biāo)系；采用ArcGIS 10.2軟件，利用7個參數(shù)將2009 年的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2000 國家大地坐標(biāo)系數(shù)據(jù)。統(tǒng)一坐標(biāo)系后，建立南寧市2009、2016 和2019年人工林地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

1.2.2 地形因子處理

采用25 m 分辨率DEM 數(shù)據(jù)，通過ArcGIS 10.2軟件中的3D Analyst 工具生成坡度、坡向柵格圖；參考《廣西森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查技術(shù)方法》（2008版）坡度和坡向分級標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實際情況，利用重分類命令（Reclassify）將提取的柵格信息分為6類坡度和9 類坡向（圖1a ～b）[10]；將再分類的坡向圖轉(zhuǎn)為矢量圖，通過Spatial Analyst 工具中的分區(qū)統(tǒng)計（Zonal Statisics）提取每個坡面最大高程和最小高程，通過柵格計算器（Raster Calculator）計算各坡面坡位，生成4類坡位（圖1c）。

圖1 地形因子?xùn)鸥駡DFig.1 Grid diagrams of terrain factors

式中，Xmax為坡面最大高程值（m）；Xmin為坡面最小高程值（m）。

1.2.3 空間分析

1.2.3.1 聯(lián)合處理

采用ArcGIS 10.2 軟件中的聯(lián)合工具（Union）計算3 個時期小班圖層的幾何并集[11]。確定處理要素所需的空間參考，對要素進(jìn)行裂化和聚類，生成所有要素類中各要素間的幾何關(guān)系（重疊），將新要素寫入輸出子集中。

1.2.3.2 數(shù)據(jù)處理

對各年數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，除坐標(biāo)系差別外，影響多期人工林?jǐn)?shù)據(jù)空間分析的還有起源代碼、林種代碼和行政范圍等因素。依據(jù)2019 年森林資源管理“一張圖”數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)和行政范圍，對這些信息進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)一。

1.2.3.3 信息提取

提取聯(lián)合輸出子集中的人工林小班，剔除0.04 hm2以下面積小班后，將小班圖層與地形因子?xùn)鸥駡D疊加，采用廣西壯族自治區(qū)林業(yè)勘測設(shè)計院自主研發(fā)的信息提取軟件V1.0將柵格信息提取至3期小班對應(yīng)字段。蓄積量、樹種和林齡數(shù)據(jù)來自2009年森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查數(shù)據(jù)、2016 年林地變更數(shù)據(jù)和2019 年森林資源管理“一張圖”成果數(shù)據(jù)。采用SQL Server 數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件，對南寧市現(xiàn)有人工林進(jìn)行空間分析，統(tǒng)計坡位、坡度、坡向、海拔、樹種、蓄積量、單產(chǎn)、林種和林齡結(jié)構(gòu)空間資源量，分析空間分布變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡位變化

坡位是影響林分生長的重要環(huán)境因子[12]。2009—2019 年，南寧市人工林集中分布于中坡，呈增加趨勢；其次為下坡（圖2a）。分布于中坡的人工林面積占人工林總面積的比例在3 個時期均超過70%，由2009 年的38.05 萬公頃增至2019 年的50.15萬公頃，增幅為31.80%；其他坡位的人工林面積均有增加，但變化不大，下坡、上坡和全坡的人工林面積分別增加2.75萬公頃、1.52萬公頃和1.23 萬公頃。南寧市以丘陵居多，因此分布于中坡的人工林面積較大，分布于其他坡位的人工林面積較小。

圖2 2009—2019年南寧市人工林空間變化特征Fig.2 Characteristics of plantation spatial changes in Nanning from 2009 to 2019

2.2 坡度變化

2009 — 2019 年，位于斜坡的人工林面積由22.09 萬公頃增至29.82 萬公頃，增幅為34.99%，增加面積最大；位于陡坡的人工林面積由13.89 萬公頃增至17.55 萬公頃，增幅為26.35%，增加面積僅次于斜坡；其他坡度的人工林面積增加較少（圖2b）。各坡度人工林面積占人工林總面積的比例在3個時期均表現(xiàn)為斜坡＞陡坡＞緩坡＞平坡＞急坡＞險坡。南寧市位于桂南地區(qū)，水熱條件好，土壤肥力高，隨人工林經(jīng)濟價值提升，陡坡以下林地被不斷開發(fā)利用；2019 年數(shù)據(jù)顯示位于陡坡以下的人工林面積為65.26萬公頃，占人工林總面積的94.33%。

2.3 坡向變化

2009 — 2019 年，南寧市人工林主要分布在無坡向，其分布面積由8.78 萬公頃增至12.18 萬公頃，增幅為38.72%；3 個時期人工林面積分布均表現(xiàn)為無坡向＞西坡＞北坡＞東坡＞南坡＞東南坡＞西北坡＞西南坡＞東北坡（圖2c）。南寧市位于北回歸線以南，人工林面積最大的樹種為桉樹（Eucalyptusspp.），其為陽性樹種；無坡向和西坡均日照時間長、氣溫高，較適合桉樹生長。

2.4 海拔變化

2009 — 2019 年，南寧市人工林主要分布在海拔300 m 以下，其人工林面積占人工林總面積的比例由77.13%升至82.95%（圖2d）。在海拔100 m 以下，人工林面積增加速度最快，由2009 年的2.69 萬公頃增至2019 年的20.30 萬公頃，增長了6.55 倍。在海拔100 ～200 m，各時期人工林面積占人工林總面積的比例均最高。南寧市以丘陵為主，2019 年成果數(shù)據(jù)結(jié)合DEM 顯示，分布于丘陵的南寧市人工林面積占人工林總面積的87.40%，低海拔的地理優(yōu)勢為桉樹提供了良好的生長環(huán)境。

2.5 樹種變化

2009 — 2019 年，南寧市人工林面積分別為51.58 萬公頃、57.17 萬公頃和69.18 萬公頃，增幅為34.12%（表1）。2009、2016 和2019 年，桉樹和馬尾松（Pinusmassoniana）人工林面積占人工林總面積的比例均較高，分別為47.21%、69.07%和64.08%及31.06%、12.77%和17.29%；桉樹人工林面積從2009年的24.35萬公頃增至2019年的44.33萬公頃，增幅為82.05%；馬尾松人工林面積減少，從2009 年的16.02 萬公頃減至2019 年的11.96 萬公頃，降幅為25.34%；闊葉樹、竹類和經(jīng)濟灌木人工林面積呈增加趨勢；杉木（Cunninghamialanceolata）、國外松和經(jīng)濟喬木人工林面積呈減少趨勢。桉樹人工林面積逐年增加是南寧市人工林面積增加的關(guān)鍵因素。

表1 2009—2019年南寧市人工林樹種分布Tab.1 Distributions of tree species in plantations in Nanning from 2009 to 2019

2.6 蓄積量和單產(chǎn)變化

2009 — 2019 年，隨人工林面積增加和種植技術(shù)提升，人工林蓄積量增加，分別為2 513.21萬立方米、4 099.71 萬立方米和5 305.15 萬立方米，單產(chǎn)分別為48.72、71.71 和76.69 m3/hm2，蓄積量和單產(chǎn)分別提升111.09%和57.41%（表1）。由于種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，桉樹人工林面積大幅增加；馬尾松、杉木人工林雖面積有所減少，但單產(chǎn)提高，因此南寧市人工林蓄積量和單產(chǎn)均增加。

2.7 林種變化

南寧市人工林包括防護(hù)林、特用林、薪材林和經(jīng)濟林。2009 — 2019 年，南寧市用材林面積增加明顯，其占人工林總面積的比例一直保持在87%左右，分別為44.21 萬公頃、50.11 萬公頃和60.86 萬公頃，10 年間增加16.65 萬公頃（表2）。其他林種在3個時期均占比較低。說明南寧市發(fā)展人工林的重心為保障木材產(chǎn)量輸出。

表2 2009—2019年南寧市人工林林種分布Tab.2 Distributions of forest categories in plantations in Nanning from 2009 to 2019(×104 hm2)

2.8 林齡變化

統(tǒng)計喬木林各齡組的分布（表3）。2009 年，除過熟林面積占人工林總面積的比例較低外，其他齡組面積占比均衡；2016 年，成熟林、過熟林面積占比較大，幼齡林、中齡林和近熟林面積占比偏低；2009—2016 年，幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林結(jié)構(gòu)比重由22∶27∶22∶23∶6轉(zhuǎn)變?yōu)?∶12∶10∶41∶32。2019 年，幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林結(jié)構(gòu)比重為25∶16∶17∶24∶18，中齡林、近熟林和過熟林面積占比偏低，但相差不大，結(jié)構(gòu)趨于合理。合理的齡組結(jié)構(gòu)是人工林可持續(xù)經(jīng)營的關(guān)鍵，中齡林和近熟林是向成熟林自然發(fā)展的重要組成，應(yīng)是森林資源的主體，需保持合理且穩(wěn)定的水平。

表3 2009—2019年南寧市人工林齡組分布Tab.3 Distributions of age groups in plantations in Nanning from 2009 to 2019(×104 hm2)

2.9 區(qū)位變化

南寧市人工林較集中分布在橫州市、武鳴區(qū)和賓陽縣。各地人工林面積均增加；青秀區(qū)、良慶區(qū)、隆安縣、馬山縣和上林縣2019年的人工林面積占人工林總面積的比例均有所上升；興寧區(qū)、江南區(qū)、西鄉(xiāng)塘區(qū)、邕寧區(qū)、武鳴區(qū)、賓陽縣和橫州市人工林面積占比均下降。2009 — 2016 年，人工林減少區(qū)域主要集中在馬山縣西南部、上林縣南部、賓陽縣西部和橫州市，人工林增加區(qū)域主要集中在武鳴區(qū)北部、隆安縣北部、良慶區(qū)、青秀區(qū)和興寧區(qū)，人工林面積凈增加5.59 萬公頃；2016—2019 年，人工林減少區(qū)域分布較分散，人工林增加區(qū)域主要集中在馬山縣南部、上林縣南部和橫州市，人工林面積凈增加12.01 萬公頃（圖3）。人工林的變化主要反應(yīng)在人工林與天然林、人工林與其他林地及非林地間的轉(zhuǎn)變上。

圖3 2009—2016和2016—2019年南寧市人工林空間變化Fig.3 Spatial changes of plantations in Nanning from 2009 to 2016 and 2016 to 2019

3 討論與結(jié)論

本研究從坡位、坡度、坡向和海拔及樹種、蓄積量、單產(chǎn)、林種、林齡和區(qū)位10個影響因子分析南寧市人工林變化。結(jié)果顯示，2009 — 2019 年分布于中坡、斜坡、無坡向和海拔300 m 以下的人工林面積變化較大；樹種以桉樹為主，面積增幅達(dá)82.05%；蓄積量和單產(chǎn)分別提升111.09%和57.41%；齡組結(jié)構(gòu)趨于合理，中齡林、近熟林儲備稍顯不足；隨經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展和城市擴張，人工林變化主要集中在林地集中區(qū)域。桉樹是人工林面積和蓄積量提升的關(guān)鍵因素。

人工林空間格局變化受多方面因素影響。王珮璇[13]對廣西桉樹人工林立地質(zhì)量進(jìn)行評價，結(jié)果顯示不同坡度的土壤肥力質(zhì)量表現(xiàn)為15° ～30° ＞0°～15°＞30°；陳振華等[14]研究中，土壤有機質(zhì)隨坡位增加呈減少趨勢，上坡林分生長劣于中下坡。前人研究成果與本研究有一定相似之處。本研究未考慮氣溫、降水量、光照、自然災(zāi)害和社會經(jīng)濟等因素對人工林變化的影響，有一定局限性。

南寧市是廣西桉樹重點發(fā)展地區(qū)，桉樹面積占人工林面積比例最大。因以桉樹為主的人工林產(chǎn)量高、生長周期短且收益率高，其他林地向桉樹人工林轉(zhuǎn)變；在轉(zhuǎn)變過程中，出現(xiàn)了因不科學(xué)經(jīng)營帶來的生態(tài)服務(wù)功能減弱、區(qū)域地力退化和病蟲害頻發(fā)等問題。結(jié)合南寧市地理位置特點和城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷加快的需求，未來南寧市人工林的發(fā)展應(yīng)由面積增加向質(zhì)量提升轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步強化頂層規(guī)劃設(shè)計；通過結(jié)構(gòu)調(diào)整，由生產(chǎn)經(jīng)營逐步轉(zhuǎn)向森林康養(yǎng)和森林公園等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模式；通過制定更科學(xué)的森林多目標(biāo)經(jīng)營方案，將人工林從單一經(jīng)營轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘣沙掷m(xù)經(jīng)營。

利益沖突：所有作者聲明無利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：劉震峰負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集與分析、論文撰寫與修改和文獻(xiàn)檢索；吳麗娟負(fù)責(zé)研究計劃制定，并參與論文撰寫與修改；郭道峰參與數(shù)據(jù)收集和圖片制作；梁耀參與論文撰寫與修改。