基于天目山森林景观格局的研究

基于GIS的森林景观格局特征分析——以天目山自然保护区为例摘要：以景观生态学的理论为研究基础，以GIS为技术支撑，以浙江天目山自然保护区的地图为底图，将天目山自然保护区的森林景观类型划分为结合保护区内各班块树种类型的具体情况，将保护区100个斑块（5个没有树种的班块除外）分为7个森林景观斑块小类型:阔叶林、针叶林、竹林、黄山杉、柳杉、针阔混交林、经济林。利用景观指数进行分析。结果表明：从森林景观的班快特征和景观异致性特征上进行研究分析，在班块密度上：阔叶林针阔混交林针叶林，在一定程度上他的班块形状要比针叶林复杂的多，因此不论是自然选择或是人为影响，阔叶林的生长优势要强于针叶林，根据其景观优势性指数较针叶林大，因此，针叶林向阔叶林的转变也是未来森林景观格局必然的趋势。关键字景观格局分析景观指数景观是从生态学角度研究地理、功能与历史等交互相关的综合体。［5］[1]DoingH.Thelandscapeasanecosystem.Agriculture,EcosystemsandEnvironment.1997,63:221-225.从整体出发研究景观的结构（空间格局）、功能（生态学过程）、变化（空间动态）及其与人类活动之间的相互作用，是景观生态学的主要研究内容［6-9］。[2]FormanRTT,GodronM.LandscapeEcology.NewYork:WileyandSons,1986,.[3]NavehZ,LiebermanAS.LandscapeEcology:TheoryandApplication.NewYork:Springer-Verlag,1994,.[12]BastianO.Landscapeecology:Towardsaunifieddisci-pline.LandscapeEcology,2001,(16):757-766.[6]FormanRTTandMGodron.Patchesandstructuralcomponentsforalandscapeecology.Bioscience.1981,31:733~740.[7]林孟龙，曹宇，王鑫.基于景观指数的景观格局分析方法的局限性：以台湾宜兰利泽简湿地为例[J].应用生态学报.2008.19（1）：139-143景观空间格局（LandscapePattern）一般指大小和形状不一的景观斑块在空间上的配置，是景观异质性的重要表现，同时又是各种生态过程在不同尺度上作用的结果（傅伯杰等,2001）。[6]傅伯杰,陈利顶,马克明,等.景观生态学原理及应用[M].北京:科学出版社,2001.景观指数是反映景观空间格局的重要参数,它高度浓缩景观格局信息,反映其结构组成和空间配置等方面的特征,为科学衡量景观结构提供定量化依据[1,2]。所以景观指数是景观格局分析常用的指标，是景观生态学研究方法的一大创新［12-15］。[7]O’NeillRV,KrummelJR,GardnerRH,etal.Indicesoflandscapepattern.LandscapeEcology,1988,(1):153-162.[8]KrummelJR,GardnerRH,SugiharaG,etal.Landscapepatternsinadisturbedenvironment.Oikos.1987,48:321-324.[9]TurnerMG.Landscapeecology:Theeffectofpatternonprocess.AnnualReviewofEcologyandSystematics,1989,(20):171-197.[16]TurnerMG.Spatialandtemporalanalysisoflandscapepatterns.LandscapeEcology,1990,4(1):21-30.通过景观指数描述景观格局，不但可以使空间数据获得一定的统计性质，而且还可针对不同空间尺度上的景观格局特征进行比较与分析，定量描述和监测景观空间结构随时间的变化［16-19］。[17]NavehZ.Whatisholisticlandscapeecology.Aconcep-tualintroduction.LandscapeandUrbanPlanning.2000,50:7-26.[2]钟林生,肖笃宁,陈文波.乌苏里江国家森林公园规划方案的景观指数辅助评价[J].应用生态学报,2002,(01).[3]肖笃宁,李秀珍,常禹等.景观生态学理论[M]，北京出版社.2003森林景观是以森林生态系统为主体所构成的景观，也包括森林在景观整体格局和功能中发挥重要作用的其他类型的景观，具有系统性、空间性和动态性等特点，强调的是空间异质性、等级结构和时空尺度（郭晋平,2001）。森林景观具有相应的空间分布特征。近20年来，国内外的许多学者利用景观生态学原理来研究森林景观的格局、结构、功能及其变化，使得在森林可持续利用与管理、森林景观管理与环境质量控制等方面都取得了良好的研究成果。森林景观格局研究对林业布局中改造一个树种、一个类型森林集成中成片的生态系统脆弱问题，具有现实重要指导意义[2–11][2]彭月,魏虹,朱韦,等.鼎湖山自然保护区森林景观时空格局变化研究[J].西南师范大学学报,2007,32(2):65-69.[3]方晰，唐代生，杨乐，等．湖南省林科院试验林场森林植被景观格局及破碎化分析[J]．中南林业科技大学学报：自然科学版，2008，28（4）：107-112．[4]李斌，张金屯．黄土高原森林景观格局特征分析[J]．环境科学与技术，2007（S1）：87-88，117．[5]肖化顺，张贵，郭清和．广州市域林带的规划与实施[J]．林业科技开发，2004，18（5）：76-79．[6]郭泺，刘蔚秋，江学顶，等．广州市森林景观格局时空变化的研究[J]．中山大学学报：自然科学版，2006，45（5）：76-80．[7]菅利荣，李明阳．基于GIS的森林景观空间格局变化分析[J]．西南林学院学报，2001，21（2）：96-100．[8]詹国明．三明市森林资源景观格局分析研究[J]．林业科技开发，2005，19（4）：27-29．[9]张少杰，肖铁桥．合肥城市森林景观格局分析[J]．安徽建筑工业学院学报，2007，15（4）：56-59．[10]阳柏苏，郑华，尹刚强，等．张家界森林公园景观格局变化分析[J]．林业科学，2006，42（7）：11-15．[11]曾宇怀，王法明.广州市森林景观格局分析.热带地理[J].2009，29（5）：412-417近年来，随着遥感、地理信息系统和计算机技术的发展，用以分析与模拟景观格局的景观指数越来越多，应用软件也日趋成熟和完善，如APACK、FRAGSTATS、PatchAnalyst等［20-21］。使得数据采集更加快捷,信息获取更丰富,计算自动化程度高,工作效率大大提高，这为研究景观格局奠定了技术支撑。[20]何原荣，周青山.基于SPOT影像与Fragstats软件的区域景观指数提取与分析[J]．海洋测绘.2008，1[21]刘延国，彭培好等.基于GIS的九寨沟自然保护区景观格局分析[J].西北林学院学报2010,25(1):162-165[3]宋冬梅,肖笃宁,张志城,曹宇,马明国,王建华,王建.甘肃民勤绿洲的景观格局变化及驱动力分析[J].应用生态学报,2003,(04).[4]曹宇,欧阳华,肖笃宁,陈高.基于APACK的额济纳天然绿洲景观空间格局分析[J].自然资源学报,2004,(06).本文研究基于景观指数定量化分析天目山自然保护区的景观格局特征，以便了解人类活动和环境干扰下森林景观格局变化，为天目山森林景观规划、设计和管理以及森林可持续经营理念奠定基础。1研究区概况浙江天目山国家级自然保护区位于浙江西北部临安市境内的西天目山，其地理位置为119°23′47″—119°28′27″E，30°18′30″—30°24′55″N，总面积1050hm2。年均气温8.8~14.8℃；≥10℃年积温2500~5100℃；年降水量1390~1870mm，相对湿度76%~81%。保护区地处中亚热带北缘向北亚热带过渡的地带，受海洋暖湿气候影响，温暖湿润,雨量充沛,森林植被十分茂盛。植被分布有明显的垂直界限，自山麓到山顶垂直带谱为:海拔870m以下为常绿阔叶林；870~1100m为常绿、落叶阔叶混交林；1100~1380m为落叶阔叶林；1380~1500m为落叶矮林(汤孟平等，2007)。汤孟平,周国模,施拥军,等.2007.不同地形条件下群落物种多样性与胸高断面积的差异分析.林业科学,43(6):27-31.2研究方法数据来源本文以天目山自然保护区1:1万的地形图为底图，以及利用Arc/Info对调查地区图面资料进行数字化后生成各类空间数据文件，对该区进行统计分析。森林景观类型的划分应以森林景观的外在特征为依据。这些景观特征包括:a.景观的尺度；b.景观嵌块体特征；c.基质的形状、大小和色调等。结合保护区内各班块树种类型的具体情况，将保护区100个斑块（5个没有树种的班块除外）分为7个森林景观斑块小类型:阔叶林、针叶林、竹林、黄山杉、柳杉、针阔混交林、经济林。然后将其区分为二大类:自然景观、半自然景观。其中阔叶林、针叶林、针阔混交林、黄山松4种景观斑块类型人为干扰较弱，几乎保持自然状态，归为自然景观;经济林、竹林、柳杉3种景观类型多为人工次生林，但自栽种后无太多人为干扰，归为半自然景观。森林资源数据主要来源于天目山森林资源二类调查数据，数据以小班为调查基本单元，一个林班包括几个不同的小班。二类调查需要记录每个小班的优势树种、、数量比例、面积等信息。优势树种包括：杉木、栎木、松树、柳杉和毛竹5个树种，其中有100个小班，5个没有树种的班块除外。数据处理利用地理信息系统软件ARCGIS9.2对底图进行矢量化，并建立拓扑关系，根据森林资源二类调查数据生成各种森林景观类型图，然后利用软件强大的统计分析和空间分析功能，获得空间数据库及与空间数据库相关联的属性数据库，例如斑块数量、周长、面积等空间属性信息。并以此作为空间格局分析的基础数据，利用软件excel与vc++语言相结合的方法，进行对属性数据的处理与计算。景观格局的空间特征分析一景观指数法对景观空间格局与异质性的定量描述是分析景观结构、功能及过程的基础。通过格局和异质性分析可以将空间特征和时间过程联系起来，从而能够较为清楚地对景观内在规律性进行分析和描述]12[。研究中选取的描述斑块特征的指数有斑块数、斑块面积、斑块周长、斑块密度、形状指数、斑块分维数和斑块伸长指数。所选的景观异质性指数有景观多样性指数、景观优势度指数。其中几个较复杂的景观指数计算公式及生态意义如下:3.4.1形状指数斑块形状是描述景观的一个重要的因子。它对保护生物环境以及森林经营都是很重要的。斑块形状对生物多样性影响也很大。生物多样性通常是朝着一个大斑块方向逐渐下降的。另外，斑块形状对生物的扩散和觅食也有重要作用。根据刘灿然(2000)的研究]13[，我们用下式计算斑块形状指数：形状指数即周长与等面积的圆周长之比，越接近1.0，斑块圆度越好。APSI2式中，SI为形状指数；P为斑块周长；A为斑块面积。SI值最大说明斑块周边越发达。3.4.2分维数维本是用来描述客体集合形状的参数，因为它所反映的客体图形的形状作为周长的函数因周长的变化而变化，(其结果可以被一种图形按比例尺转换为另一种)。分维数用来测定斑块形状的复杂程度。分维几何中斑块面积和周长的关系被定义为]14[:2DAKP对于单个正方形斑块，常数K等于4，则P=4(Ann)则式中，D为分维数；P为斑块周长；A为斑块面积。D值的理论范围为1.0-2.0,1.0代表形状最简单的正方形斑块，2.0表示等面积下周边最复杂的斑块。景观生态学中分数维值的理论范围为1.0-2.0，分数维趋近于1，斑块形状越有规律。另一方面，分数维值趋近于1，表明斑