美国西部国有森林破碎化模式及其管理含义1)

李明诗

(南京林业大学，南京，210037)

明 莉

(金光集团APP中国总部物流部)

樊鸣鸣 沈文娟 孙 力

(南京林业大学)

国家公园是指国家为了保护一个或多个典型生态系统的完整性，为生态旅游、科学研究和环境教育提供场所而划定的需要特殊保护、管理和利用的自然区域。在管理定位上，它既不同于严格的自然保护区，也不同于一般的旅游景区。现存的关于国家公园经营管理的相关研究中，以管治理论［1］、环境伦理观、法律［2－3］、旅游管理机制［4］等理念为主，鲜有研究通过量化和比较国家公园及其缓冲区的森林破碎化模式的时空差异来发掘其管理含义的。如今，森林破碎化已成为全球高度关注的一种环境退化现象，它是指原先大块连续的森林被分割为较小和独立的斑块的过程［5］。森林破碎化能阻碍种群间的基因交流，引起近交衰败;能改变物种生存所需的生物地理环境，减小物种的生存空间，增加了边界数量，同时也能消极地影响系统内的能量平衡和物质流动，加剧了外来物种的入侵［6－9］。森林破碎化主要驱动因子包括自然干扰和人为干扰，如自然地理条件、人口增长、经济发展、政府政策等都广泛地作用于森林破碎化。在经济发展和城市化进程日益加速的当代中国，上述的发展过程使得森林景观生态环境保护与经济开发之间的矛盾愈加突出［10］。本研究旨在通过建立具有明确空间含义的森林破碎化、森林干扰模式地图，并以此为基础来量化和比较美国西部国家公园内部与其缓冲区在森林破碎化方面的差异，探究导致这种差异的社会经济、法律制度及教育背景，力图为中国的国家公园可持续经营管理提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 数据来源

研究所用的数据包括:3期美国国家土地覆盖数据库(National Land Cover Database，NLCD1992、NLCD2001和 NLCD2006)。NLCD是一个利用Landsat TM/ETM+影像采用决策树分类算法而发展的具有30 m空间分辨率的土地覆盖数据产品序列(http://www.mrlc.gov/)。随着制图方法的发展和输入数据的更新，再加上NLCD2001的分类系统变化，使得其无法与NLCD1992的数据直接比较。但是，USGS EROS Data Center已经发展了一个翻新的过渡产品来连接NLCD1992和NLCD2001，使两者在Anderson分类系统上可以进行直接比较并进行变化分析［11］。NLCD2006是基于 NLCD2001采用单个Path/Row上的2期图像的变化向量分析方法通过识别变化而发展的，因此两者具有直接可比性［12］。这样，在Anderson分类系统上，美国3期土地覆盖数据就可以直接比较并进行相关变化检测分析。以3期土地覆盖数据为依据，裁切出美国西部的黄石、洛基山和大峡谷3个国家公园及其缓冲区作为分析对象，其具体位置如图1所示。

图1 研究区位置示意图

1.2 研究方法

1.2.1 重分类

为了突出导致森林破碎化的作用因子，将土地覆盖数据集的每一个像元按照森林—非森林的模式重新聚合为以下4类:森林、人为干扰(即农业和城市土地利用2个因素)，自然干扰(草地、灌木和湿地等)以及缺失像元(例如:裸地、水体、永久冰雪等)。本研究规定缺失像元不分割森林类型。具体的聚合准则见表1。

1.2.2 破碎化分析模型

采用Wade等人发展的方法，将一个5×5的移动窗口叠置于经过聚合分析后的土地覆盖数据集上以计算破碎化因子得分［13］。也即，窗口中心置于每个土地覆盖像元上，计算出该窗口的破碎化因子得分并赋予中心像元。此运算提取4个破碎化因子:森林密度指数(Pf)、森林连接度指数(Pff)、人为干扰造成的破碎化指数(Pfa)和自然干扰造成的破碎化指数(Pfn)［13］。这里，Pf是移动窗口中森林像元数占非缺失像元总数的比值;Pff是主方向上两相邻像元均为森林像元的像元对数占总像元对数(像元对中至少有一个森林像元)的比值。一般地，Pff值高说明该森林像元的连接度高。Pfa是主方向上相邻像元为“森林—人为干扰”的像元对数占总像元对数(像元对中至少有一个森林像元)的比值，指示人为干扰导致的森林破碎化;相似的，Pfn是主方向上相邻像元为“森林—自然干扰”的像元对数占总像元对数(像元对中至少有一个森林像元)的比值，量化自然干扰导致的森林破碎化。然后，定义总体森林破碎化(Ft)为自然干扰与人为干扰导致的森林破碎化之和，即Ft=(Pfa+Pfn)=(1－Pff)。上述4个破碎化因子得分的计算原理如图2的虚拟景观所示。将计算出的Pf和Pff值应用到破碎化模型中，根据判别条件将每个森林像元归并为如下6个破碎化组分之一:内部森林、孔洞森林、斑块森林、边缘森林、过渡森林和未确定森林，从而建立起具有明确空间含义的森林破碎化模式地图［14］。

1.2.3 森林干扰模式制图

在Matlab环境中编制程序计算出4个破碎化因子得分后，按如下方式进行彩色合成:Pfa(红色)、Pff(绿色)、Pfn(蓝色)，从而建立森林破碎化干扰模式的空间分布特征［13］。在此彩色合成图中，绿色显示连接度高的森林，蓝色显示大量的自然破碎化，红色显示被砍伐和高人为干扰，黄色描绘Pfa和Pff几乎相等的区域，蓝绿色描绘Pff和Pfn几乎相等的区域。没有森林的像元显示为黑色，缺失像元显示为白色。另外，在Pfa图中，非零值像元中高于Pfa均值加Pfa2倍标准差的那些像元与总森林像元数的比值被用来表示人为干扰的强烈程度，用Pfa均值表示人为干扰的普遍程度。这样，就可以从空间上传递出哪些区域具有强的保护优先特征。

图2 破碎化因子计算示例

1.2.4 景观指数计算

选取关联指数(IA)以定量说明破碎化的人为、自然干扰因素对森林破碎化的贡献份额。IA计算原理是:IA=Pf－i/Pf×100% ，这里 Pf－i是与森林类型相连接的第i类土地覆盖类型的总周长，Pf是森林斑块的总周长。该景观指数用美国威斯康辛大学开发的基于栅格图像景观指数分析工具Image Analyzer(IAN)进行提取。此软件的下载地址为:http://landscape.forest.wisc.edu/projects/ian/。

2 结果与分析

2.1 森林破碎化模式

图3示例了在5×5分析尺度下执行破碎化分析模型而生成的具有明确空间含义的森林破碎化模式地图，它清楚地表明了各破碎化成分的空间分布。利用美国西部3个国家公园及其缓冲区在3个时点上的破碎化模式地图(共18张)中不同破碎化成分面积份额的对比来刻画森林破碎化的时空趋势(表2)。表2显示，3个公园内部森林面积随时间保持相对稳定而缓冲区内的森林面积却随时间呈明显下降趋势。在5×5的分析尺度下，公园内以内部森林为主，伴有少量孔洞和边缘森林，而在缓冲区内部森林面积份额均低于对应的公园内部，且孔洞和边缘森林成分明显高于公园内部。从时间尺度上看，公园内部和其缓冲区都是在2001年破碎化程度最低(高的内部森林面积比例)，并且公园内部的破碎化程度都低于其相应的缓冲区。

图3 1992年黄石公园缓冲区森林破碎化模式

2.2 森林干扰模式

图4示例了2006年黄石公园缓冲区的森林干扰模式，此模式地图传递出森林像元在空间是如何被人为干扰和自然干扰所影响的，因此具有明确保护优先性含义。

图4 2006年黄石公园缓冲区森林干扰模式

从类似于图4的国家公园及其缓冲区在3个时间点的干扰模式图(共18张)中分别提取人为干扰均值、自然干扰均值以及高烈度人为干扰像元比例并列于表3中。从表3可见，在3个时间点上美国西部3个国家公园内的森林破碎化的主导贡献因子是自然干扰，其自然干扰均值远高于干扰均值。而缓冲区内森林破碎化几乎是由自然干扰与人为干扰共同作用的结果。其中大峡谷公园及其缓冲区内人为干扰、自然干扰对森林破碎化的平均贡献差异较大。从时间尺度上看，公园内部的干扰均值随时间变动不大且处于较低值，公园缓冲区的自然干扰均值保持相对稳定但处于较高值。除大峡谷外，另外2个公园的缓冲区内高烈度人为干扰像元比例都远高于公园内部。这充分反映了公园内部被严格保护而缓冲区有相对宽松的森林经营活动的事实。另外，美国西部森林主要受自然干扰的影响，而由于陡峻的地形及森林权属的国有化，西部森林受人为因素的影响相对较弱。

表2 森林破碎化成分面积比例

表3 森林干扰模式特征分析

2.3 森林空间关联模式

表4显示了森林与农业土地利用、城市土地利用的空间关联性大小。明显地，在国家公园内部，森林与城市土地利用的空间交互要远强于森林与农业土地利用间的交互。这主要是由美国的土地权属私有化及民众的生活方式决定的。尽管公园是国有的，但其内部可能某些地块属于私人所有。民众在自己私有的土地上建房居住，相应的道路、商业设施也必须配套。这样导致了国家公园内部森林类型与城市土地利用类型紧密交互的现象。而西部陡峻的地形，限制了农业的扩张，故而公园内部农业与森林类型交互的现象少见。而在缓冲区内，森林与农业土地利用的空间交互作用有明显的增加。另外，从时间尺度看，公园内部以及缓冲区内的森林与城市交互作用保持相对稳定，森林与农业的交互呈下降趋势。

表4 森林与城市、森林与农业用地的空间交互

3 讨论

相对于传统的景观指数，本研究采用森林破碎化分析模型所建立森林破碎化地图、森林干扰模式地图(图3、图4)传递出破碎化及森林干扰模式的明确空间含义，在实际应用中具有景观指数无法比拟的优势。例如，破碎化模式地图中内部森林部分对于局部生物多样性保护规划(如某些紧密依赖于森林的物种的适宜生境区划)意义重大，其可以为确定某些物种生存和运动所需的最小核心区面积的确定提供有力的数据支撑。显然，基于传统的景观指数分析的结果是无法做到的。对于破碎化模式地图中的其它成分，如孔洞森林、边界森林等，它们的形成可能与造林设计、采伐作业、林火及病虫害管理等实践模式有关。因此，这些空间信息有助于指导林业生产经营活动，从而转换森林的整体空间配置模式，实现森林生态系统的最佳环境效能。比如可以从森林可持续经营角度，提出具体的森林采伐地点及采伐方式、造林地点及造林方式，以降低森林的破碎化程度。森林干扰模式分析有效地区分了导致森林破碎化的自然因素和人为因素的贡献份额，并且建立了空间意义明确的干扰模式地图。这些地图有效地传递出森林在哪些位置上被自然干扰所影响，哪些位置上存在强烈的人为干扰。这样，基于这些干扰模式地图，森林经营者就能够发展针对性极强的保护和恢复生态措施来控制或降低人为作用对森林的干扰。

在森林经营方面，美国坚持一种可持续、多用途的生态系统经营理念，传统的木材生产在美国西部所占的比例很小。美国国家公园管理体系经历了逾百年的发展和完善，在经营理念、法律依据、管理机制、资金机制和监督机制等方面有其先进性，许多方面值得学习和借鉴。如通过多种教育项目、宣传媒体加强国民的环境保护意识的培养必定能够改善公民环境伦理观不强的现状［15］。另外，政府加大对我国的国有公园管理机构的经费投入以避免公园管理机构隐蔽实施“以山养人”的奇怪做法。总之，有效地借鉴美国国家公园的管理特色必将在一定程度上改善我国的国家公园管理水平和管理效率。

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