基于GIS 的武陵源風景區峰林頂部植物群落穩定性評價

琚玉楓，田建林，丁彬彬，曾 婷

（吉首大學土木工程與建筑學院，湖南張家界 427000）

植物群落穩定性是維持生態系統穩定的基礎［1］，是植物群落結構和功能的一個綜合特征［2］，決定植物群落的存在和發展［3］，受群落內生物多樣性、種間競爭作用、獵物-捕食關系、環境條件、生產者-分解者功能關系等一系列生物生態學過程的控制［4］。目前植物群落穩定性評價方法大體上可歸為兩類：一類是生物生態法，即以生物量、生產力等功能指標或以群落種類組成、年齡結構等結構指標來評價群落穩定性［3，5，6］，其中群落生物多樣性和種群密度較具代表性［7］，然而此類方法的缺點是僅考慮群落自身結構功能，不太重視外界環境因子如坡度、海拔、干擾等因素對其穩定性的影響；另一類是數學生態法，采用數學模型分析群落穩定性，如Godron穩定性測定法，其能夠判定群落是否穩定，局限性是無法從生境異質性方面揭示穩定性機理［8，9］。由于生態系統或群落在結構和功能上的復雜性、時空上的動態變化以及穩定性表達的多樣化，研究者針對不同區域的評價指標和研究方法不盡相同，至今沒有建立起完整的穩定性評價指標體系［10］。

峰林是武陵源風景區的典型景觀，其頂部植物在維持生態系統穩定、延緩峰林演化和退化方面發揮了重要作用。由于峰林海拔高且互不連通、峰林頂部風大、土層薄等因素，植物群落對環境較敏感。近年來，受氣候變化和人類干擾，特別是旅游活動規模和程度的加深，對峰林頂部植物產生了負面影響，植物群落面臨著威脅。目前，人們對該地區植物多樣性、生態敏感性、生態系統功能等方面開展了相關研究工作，如馬駿［11］以生態環境閾值和旅游承載力為背景評價該區域生物多樣性狀況，分析了旅游活動對生物多樣性的影響，并提出了景區生物多樣性保護對策；朱東國等［12］運用RS 和GIS 技術采用因子加權疊加法對山地旅游城市張家界市進行生態敏感性評價；李長榮［13］對武陵源自然保護區森林生態系統服務功能進行定量估計等。相關研究多為大尺度、區域性的以物種多樣性、旅游活動對生態環境的影響等方面的研究，對峰林頂部植物群落穩定性的研究尚未涉及。根據該地區特性及實際情況，構建適合峰林頂部植物群落穩定性評價指標體系并對其植物群落穩定性進行定量評價，將有助于掌握該區域植物群落狀況和群落演替方向，查明不同穩定性的植物群落空間分布，從而為該區域植物保護利用和科學管理提供依據。

基于此，本研究以武陵源風景區峰林頂部植物群落為對象，借鑒植物群落穩定性評價和生態脆弱性評價［2-10，14-18］的研究方法，依托RS 和GIS 技術，綜合考慮自然環境、結構功能和人為干擾因素構建穩定性評價指標體系，以30 m×30 m 柵格為評價單元對植物群落穩定性進行定量評價及分布制圖，在分析影響植物群落穩定性因素的基礎上提出針對性的保護和管理建議，以期為張家界地貌區植物資源合理利用和科學管理提供參考。

1 研究區域概況、數據來源與研究方法

1.1 研究區域概況

武陵源風景區位于湖南省張家界市武陵源區，地理坐標為110°39′—110°53′N、29°30′—29°40′E，總面積67.78 km2，為典型的石英砂巖峰林地貌，地勢由西北向東南傾斜，起伏大，平均海拔為808 m，最高海拔為1 264.5 m，最低海拔為308 m。屬亞熱帶山原型季風濕潤氣候，多年平均氣溫為12.8 ℃，多年平均降雨量為1 228.5 mm，年日照時數為809.8 h，年平均空氣相對濕度為85%，年平均風速為2.3 m/s。區內主要河流有金鞭溪和索水；森林資源豐富，植被覆蓋率達80%以上。

研究區內有石英砂巖峰柱3 103 座，峰柱獨立分布，相對集群且存在相對高差；峰林頂部環境惡劣，對植物生長不利。峰林生態系統在提供良好生態服務的同時，也為人們休閑觀光提供了優質的景觀資源。作為全域旅游的重點開發區，旅游活動雖為人們帶來了巨大的經濟效益，但也給當地的生態環境帶來了不良影響，如植被破壞、環境污染、河流水質下降等。目前用于旅游開發的主要區域有黃石寨、金鞭溪、十里畫廊、大觀臺、點將臺等（圖1）。峰林頂部植被為針葉林或針闊混交林，部分峰柱頂部植物稀少，代表性植物有武陵松（Pinus massonianavar.wulingensis）、枹櫟（Quercus serrataThunb）、馬尾松（Pinus massonianaLamb）、樟［（Cinnamomum camphora（L.）Presl）］、鹿角杜鵑（Rhododendron latou-cheaeFranch）、交讓木（Daphniphyllum macropodumMiq.）等。

圖1 武陵源風景區峰林空間分布

1.2 數據來源與處理

主要使用的數據包括遙感數據、高程（DEM）數據、植物群落結構數據等。遙感數據和DEM 數據來源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn），前者用于提取植被指數、道路數據，后者用于提取海拔、坡度、坡向、粗糙度和區域河網。植物群落結構數據來源于遙感影像目視解譯和野外調查。

在ENVI5.2 中對遙感數據進行預處理，包括大氣校正、幾何校正等。在ArcGIS 中使用Slope 工具和Aspect 工具計算坡度、坡向。對所有數據進行裁剪，空間分辨率統一為30 m×30 m 的柵格數據，投影坐標系為WGS_1984_Mercator，保證所有數據在空間上的一致性。

其中，歸一化植被指數的計算式如式（1）所示。

式中，INDVI表示歸一化植被指數，INIR表示近紅外波段的反射值，IR表示可見光紅光波段的反射值。

粗糙度的計算式如式（2）所示。

式中，M表示地面粗糙度，∝表示坡度。

1.3 研究方法

1.3.1 評價指標體系構建 參考文獻［4-6，15-18］，綜合考慮研究區域數據獲取的可行性，遵循科學性、全面性、主導性、定性與定量相結合的原則兼顧研究區域的實際情況，從自然環境、群落結構功能和人為干擾3 個方面構建指標體系（圖2）。

圖2 植物群落穩定性評價指標體系

自然環境指標包括有機體以外的所有自然環境要素，主要影響植物個體的生存和生長狀況、群落的結構和功能等。綜合考慮選取了海拔、坡度、坡向、粗糙度和水土綜合因子進行表達。其中，海拔影響溫度的變化，氣溫隨海拔升高而降低。坡度是地面兩點間垂直距離與水平距離之比，坡度越大，越易發生水土流失。坡向對于植物生態有著重要的作用，不同坡向太陽輻射強度和日照時數存在差異，影響水熱狀況和土壤理化性質，引起同一高度不同坡向的植物種類和豐富度產生差異。粗糙度是衡量地表起伏變化和侵蝕程度的指標，一定的粗糙度有利于減少土壤侵蝕，植物類型也更豐富。水土綜合因子用于衡量區域土層厚度及水分狀況。

群落結構功能指標反映的是系統內部的穩定性、抗干擾能力和敏感性，包括植物群落結構和植被指數。植物群落結構是植物在群落內按一定規律組合排列的現象，植物群落結構越完整、越復雜，其穩定性越高。植被指數反映植物生長狀況，植被指數越高，區域內植物生長狀況越好，植被覆蓋度越高，其生態功能越好，植物群落越穩定。

人為干擾既可以改善植被群落環境，也可以使環境退化，這里主要指人類各種經濟活動對群落產生不利影響的指標。選用道路、交通設施和購物消費點來反映干擾程度。

1.3.2 指標標準化與權重確定 由于各類指標物理意義及量綱不同，無法直接進行評價，所以對各指標進行標準化處理。將定量指標和定性指標分別采用極差法和分等級賦值法，使其值標準化為0～5。

1）極差法。評價指標與穩定性的關系有正向和負向之分。其中，正向關系是評價指標值越大，穩定性越高；負向關系是評價指標值越小，穩定性越高。負向指標包括海拔、坡度、一級河流、二級河流、暫時性水道和水庫；正向指標包括植被指數、植物群落結構、粗糙度、車道、主要游道、次要游道、購物消費點、停車場、車輛臨時停靠點和索道及電梯站。指標標準化公式如下。

式中，di表示第i項評價指標的標準化值；xi表示第i項評價指標的原始值；max{xi}、min{xi}分別表示第i項評價指標的最大值和最小值。

2）分等級賦值法。對于定性指標，包括坡向和植物群落結構，依據相關研究成果［17］對其直接分級賦值進行標準化處理（表1）。

表1 分等級賦值標準

綜合考慮德爾菲法、層次分析法、專家問卷調查法等方法的優缺點和適用性，采用層次分析方法和等分法確定因子權重（表2）。可區分因子間相對重要程度的指標（D 層），采用層次分析法確定指標權重；因子間相對重要程度相差不大或無法判斷哪個因子更為重要的指標，賦予同等權重（B 層和C 層）。最后通過累乘法確定各項指標綜合權重。使用層次分析法的指標有水土綜合因子（C3）、交通設施（C8）和道路（C10），其中，C8 和C10 的一致性檢驗指標CI、平均隨機一致性檢驗指標RI和隨機一致性比率CR分別為0.000、0.052、0.000，通過一致性檢驗；C3的CI、RI和CR分別為0.000、0.890、0.000，通過一致性檢驗。

表2 穩定性評價指標權重

1.3.3 GIS 疊加分析與穩定性分級 使用加權求和，計算群落穩定性指數，計算式如式（5）所示。

式中，Wi為第i項指標的權重；Xi為第i項指標；CSI為群落穩定性指數。

為便于群落穩定性的度量和比較，對CSI進行標準化處理。標準化計算式如式（6）所示。

式中，Si為各個柵格所代表的群落穩定性指數的標準化值，變化范圍為0～5；CSIi為各個柵格所代表的群落穩定性指數；CSImax和CSImin分別為群落穩定性指數的最大值和最小值。

在CSI標準化基礎上，借鑒生態脆弱性評價標準［18］，結合植物群落穩定性特征，根據研究區具體情況，采用自然間斷點法將群落穩定性劃分為5 個等級，從高到低依次為極度穩定（Ⅴ）、穩定（Ⅳ）、比較穩定（Ⅲ）、不穩定（Ⅱ）和極不穩定（Ⅰ）（表3）。

表3 植物群落穩定性分級標準

2 結果與分析

2.1 峰林頂部植物群落所在區域各穩定性級別面積與比例

依次從自然環境、群落結構功能、人為干擾3 個方面進行植物群落穩定性評價（圖3a、圖3b、圖3c），疊加后得到穩定性評價成果圖（圖3d）。在ArcGIS中對植物群落穩定性分級后統計各級穩定性的區域面積和占比。結果顯示，穩定性在Ⅲ級及以上的植物群落所在區域占比超2/3，植物群落結構和功能較完善，抗干擾能力和自我恢復能力在生態閾值之內；Ⅱ級和Ⅰ級的植被群落分布區共占29.5%，植物群落結構和功能存在缺陷，抗干擾能力差，敏感性強，受損后恢復難度大。Ⅴ級的植物群落面積分布區為14.37 km2，占總面積的21.2%；Ⅳ級的植物群落面積分布區為17.16 km2，占總面積的25.3%；24.0%的植物群落分布區為Ⅲ級，面積為16.26 km2；Ⅱ級和Ⅰ級的植物群落面積分布區分別為13.74 km2和6.25 km2，占研究區面積的20.3%和9.2%。

圖3 武陵源風景區峰林頂部植物群落穩定性評價指數空間差異

2.2 峰林頂部植物群落穩定性空間分布

從穩定性空間分布情況看（圖3d），群落穩定性空間分布呈東高西低、南高北低的格局特征，穩定性較低的群落主要分布在北部和西南部，穩定性較高的群落主要分布在東部和東南部。其中，Ⅴ級和Ⅳ級的植物群落主要分布在十里畫廊、金鞭溪、水繞四門和大觀臺南部；Ⅲ級的植物群落主要分布在大觀臺西部、神堂灣西部以及十里畫廊西部；Ⅱ級和Ⅰ級的植物群落主要分布在黃石寨、迷魂臺、四十八將軍巖、月亮埡、點將臺、神堂灣東北部、大觀臺中部和鷂子寨北部。

3 討論與小結

3.1 討論

3.1.1 評價方法的選擇和運用 本研究將自然環境、群落結構功能和人為干擾指數作為植物群落穩定性評價的3 個基本判定指標，構建多目標多層次的評價指標框架，形成了以綜合指數法、層次分析法、RS 和GIS 相結合的峰林頂部植物群落穩定性綜合評價方法，所得結果符合峰林頂部植物群落狀況。層次分析法將定性指標與定量指標相結合，為指標賦權問題提供了方法，使得評價指標權重的分配更符合地方實際。本研究所使用的方法操作簡單，較全面客觀；可掌握植物群落的穩定性及不同穩定性植物群落的分布情況；適用面廣，區域范圍可大可小，有較大的應用價值。其缺點是尚存在主觀因素的干擾。

數據分類方法中，等間距分類法原理簡單，方便計算，比較適合用于溫度、成績、百分比等范圍、間隔都為人熟知的數據，但此分類方法可能會出現“空類”；標準差分類法適合于正態分布的數據，用于表示與均值相異的程度。綜合考慮，本研究在對各指標值分類時采用自然斷點法，通過計算每類的方差，再計算這些方差之和，用方差大小來比較分類的優劣，考慮到了數據的統計分類特征。

在評價指標選取中，高潤梅等［19］在考慮群落整體穩定性和結構穩定性的基礎上，選取喬木層優勢樹種更新潛力、物種多樣性、Godron 指數、立地質量和保護程度5 項特征指標評價山西省文峪河上游河岸林群落穩定性；冶民生等［20］選取植被蓋度、復雜度、多樣性、演替度等植物穩定度數量特征指標和氣候、地形、土壤等外部環境因子建立評價體系分析岷江上游植物群落穩定性。本研究從自然環境、群落結構功能和人為干擾3 個方面構建指標體系對峰林頂部植物群落穩定性進行評價。在自然環境指標選擇上，受研究區尺度的限制，氣溫和降水差異極小，故假設研究區氣溫和降水無差別。因研究區海拔高，海拔和氣溫間呈函數關系，所以用海拔因子代替氣溫。區域地勢起伏大，土層厚度和水分數據獲取較難，考慮到河流上游比降和流速大，以侵蝕為主，河流下游地勢平坦，流速小，以堆積為主，故假設河流上游土層薄，下游土層厚，離河流越近土壤含水量越大，離河流越遠土壤含水量越小，從而用水土綜合因子表示土層厚度和水分。

3.1.2 影響植物群落穩定性的因素 從武陵源風景區峰林頂部植物群落穩定性評價指數空間差異分析可得，造成峰林頂部植物群落不穩定的原因可能有以下3 個方面。第一，峰林自身特性及植物生境。峰林頂部海拔高，相較于峰林底部，其溫度低、接受的太陽輻射強、風大；峰林頂部土地與周圍土地不相連，植被間聯系較小；峰林頂部植被立地空間有限、土層薄、土壤貧瘠，土壤保水蓄水能力差，含水量低；部分峰林頂部幾乎無土壤，巖石裸露，植物僅能在其邊緣生存。第二，人為干擾。該地是旅游開發重點區，為旅游活動而修建的規模較大的服務設施如車站、公路、購物中心、餐館、觀光索道等多集中于此處，致使原有的土地利用方式發生了改變，從而造成了生態系統的隔離和破碎化；汽車、餐館以及游客帶來的廢水、廢氣和固體廢棄物在一定程度上污染了環境，引起了區域生態環境的退化，加劇了群落的不穩定。第三，群落結構功能。將研究區群落結構功能指標值的可視化結果與群落穩定性空間分布情況進行對比分析，植物群落結構功能對峰林頂部植物群落穩定性的影響不大，這可能與植物群落結構基礎數據的分類有關。

3.1.3 植物群落的保護與管理策略 根據植物群落穩定性分析結果，提出4 點針對性保護開發建議。首先，總體上要依照植物群落的穩定性程度實施分類管理，尤其是要加強脆弱性、敏感性強、穩定性差的區域的監控與管理。通過合理布設游客集散與服務中心、科學規劃景區內外部交通系統、倡導綠色低碳旅游方式和行為等措施，盡可能地減少人為干擾對景區自然環境的影響。其次，Ⅱ級和Ⅰ級區域，如黃石寨、鷂子寨、點將臺等生態敏感區域，要盡量少設置購物消費點、交通場點。合理安排游客觀光時間和路線，減少人員大量聚集在某一地點；對于餐館、索道站等設施所產生的廢棄物，要統一回收處理或達到相關排放標準后再排放到環境中。再次，Ⅲ級區域，如大觀臺西部、神堂灣西南部，這些地區主要是農業生產區，應盡量減少陡坡開墾，實施坡改梯工程；對坡度較大區域，實施工程固坡與生物固坡相結合的方法，提高植被覆蓋率，減少水土流失；對條件允許的裸地荒地進行植樹種草，增加植被覆蓋度。最后，Ⅴ級和Ⅳ級的區域，如大觀臺南部、十里畫廊西部、水繞四門和金鞭溪的大部分區域，旅游活動較少，應繼續保持和維護區內良好的生態平衡，防止群落穩定性降低。

3.2 小結

1）峰林頂部植物群落總體較穩定，仍有近1/3的區域，其峰林頂部植物群落存在退化風險。

2）植物群落穩定性空間分布呈東高西低、南高北低的格局特征。穩定性較低的群落主要分布在北部和西南部，穩定性較高的群落主要分布在東部和東南部。

3）植物群落穩定性是自然因素和人為干擾等因素綜合作用的結果，在影響植物群落穩定性的因子中，相較于群落結構功能因子，自然環境和人為干擾因素的影響程度更深。

由于某些指標的相對重要程度無法判斷，且尚不清楚造成峰林頂部植物群落穩定性差異的生態學機制，未來可對其深入研究。