基于GIS的闽江上游城区森林景观格局分析

胡喜生，周沿海，黄金荣，邱荣祖*，叶丽敏

(1.福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002；2.三明市三元区林业局，福建 三明 365001)

森林景观格局是性质、大小和形状各异的森林景观镶嵌体在空间上的组合和排列形式[1]．它是在各种自然因子和人为因子共同作用下，森林景观空间异质性的综合表现，同时是各种生态学过程在不同尺度上相互作用的结果[2]．在景观生态过程中，景观格局既决定景观内能量流、物质流和信息流等各种生态过程，又影响和控制景观生态功能的发挥[3,4]，它是当今景观生态学研究的一个热点[5,6]．对森林景观格局的研究，是了解作用于错综复杂的斑块镶嵌体的自然、社会经济活动和生态过程森林等因素及其它们之间相互关系的重要途径，是揭示森林景观空间分布基本规律的主要手段，从而为提出科学的生态保护和恢复规划设计方案并实施有效的建设和管理措施提供支撑依据．

三明市三元区内东牙溪、薯沙溪、渔塘溪等5条主要河流汇于沙溪，流域面积较大，年径流量达80亿m3，水力资源丰富，系闽江上游的南源支流．区内拥有世界上面积最大的格氏栲天然林区，该区也是野生草珊瑚分布最为丰富的中心产区，被国家林业局正式授予“中国草珊瑚之乡”的荣誉称号，成为国内唯一获此殊荣的地区．因此，三元区是闽江流域水质和草珊瑚野生生境保护的关键区域．开展对该区域森林景观的空间格局及其动态变化的研究，对于森林资源可持续经营、利用和管理及草珊瑚野生生境和GAP栽培示范基地保护具有重要的意义．

1 研究区概况

三元区位于三明市区西南部，东与梅列区相连，西与永安市毗连，南与大田县交界，北与明溪县接壤．地处北纬26°5′，东经117°5′．全区面积811 km2，辖4个街道、2个镇、2个乡，总人口21.1万人．全区地势自西北向东倾斜，位于武夷山脉与戴云山脉之间的汇水区，沙溪河谷梅列盆地为市区，海拔最高1500 m以上．全区大部分属中亚热带季风气候，年平均气温14℃-19℃，年平均降雨量1500-1900 mm，年平均日照时数1800小时，无霜期297天，相对湿度78℅．区内群山环绕，地貌多姿，河溪交错，土壤肥沃，气候温和，雨量充沛，四季分明．三元区属华东华南低山与丘陵大区中的东南沿海低山与丘陵区，土壤类型为红壤或黄红壤，森林资源丰富，是福建省重点林区之一，全国南方林区综合改革试验区，享有“绿色宝库”之称．

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究所需原始数据为三明市三元区林业局提供的2012年全区森林资源二类调查数据，包括林相图(shp格式)、小班因子调查数据库(dbf格式)．在ArcGIS10软件系统支持下，将矢量数据转为栅格数据(10 m×10 m)，利用景观分析软件Fragstats3.4进行景观格局指数的计算．

2.2 森林景观组分划分标准

为了多角度、多层次分析研究区域的景观格局特点，结合实际调查情况，本研究采用如下3级分类标准．

第1级：按照《国家森林资源调查技术规程》的分类，根据研究区土地利用类型和林地类型的不同并结合本研究的需要，将闽江上游城区土地利用景观划分为有林地、疏林地、灌木林地、未成林地(包括未成林造林地和苗圃地)、无立木林地(包括采伐迹地和火烧迹地)、宜林地、非林地(包括耕地、建设用地、未利用土地等)7种类型．

第2级：在第1级分类基础上，根据有林地起源和种类进一步将有林地划分为针叶纯林(单个针叶树种蓄积≥90%)、阔叶纯林(单个阔叶树种蓄积≥90%)、针叶混交林(针叶树种总蓄积≥65%)、阔叶混交林(阔叶树种总蓄积≥65%)、针阔混交林(针叶树种或阔叶树种总蓄积占35%～65%)、竹类纯林(竹类树种蓄积≥90%)和竹(针或阔)混交林(竹类树种株数密度占35%～65%)7种类型．

第3级：在前两级分类基础上，根据有林地优势树种及树种生长状况的差异，在优势树种尺度上又将研究区域分为以下8个景观类型，包括杉类(包括杉木、柳杉、水杉、建柏等)、松类(包括马尾松、湿地松、火炬松等)、珍贵阔叶树种类(包括樟树、楠木等)、软阔树种类(包括拟赤扬、泡桐等)、硬阔树种类(包括槠类、栲类、栎类、木荷等)、桉树类(包括巨桉、巨尾桉、柠檬桉等)、竹林类(包括毛竹、绿竹、麻竹等)和经济林类(包括柚、柑橘、板粟、油茶、茶、油桐、厚朴等)．

2.3 森林景观格局指数的选取

森林景观格局指数是景观生态学的一种定量分析指标，应用相当广泛，它能够高度浓缩景观格局信息，是反映景观结构组成和空间格局特征的定量指标[7]．本研究选取斑块个数(NP)、斑块类型面积(CA)、平均斑块面积(MA)、最大斑块指数(LPI)、斑块所占总面积比例(PLAND，%)等指标对森林景观要素斑块总体特征进行分析；选择斑块密度(PD，个.100 hm-2)、边缘密度(ED，m·hm-2)、周长面积分形维数(PAFRAC)、斑块形状指数(LSI)、斑块连接指数(CONNECT，%)等指标对森林景观要素斑块的形状特征进行分析；选择香农多样性指数(SHDI)和辛普森多样性指数(SIDI)等指标进行森林景观异质性和多样性分析[8-10]．

3 结果与分析

3.1 林地类型景观格局分析

图1 闽江上游城区土地利用类型景观分布格局

将闽江上游城区林地类型划分为有林地、疏林地、灌木林地、未成林地、无立木林地、宜林地和非林地7种类型(见图1)，斑块总数为2 164个，斑块总面积达79 858.70 hm2(见表1)．由表1可知，在研究区域林地景观中，斑块面积最大的是有林地，斑块面积达65894.07 hm2，占土地总面积比例高达82.81%；其他依次为非林地、未成林地、无立木林地、灌木林地、宜林地和疏林地．最大斑块指数、斑块数量和平均斑块面积最大者也是有林地，其次为非林地，其余各林地类型斑块各项指标均较小，可见有林地和非林地是该研究区域占绝对优势地位的林地类型，其他类型的林地分布较零散，破碎化程度较高．

由表2可知，在闽江上游城区林地类型中，非林地的斑块密度最大，高达1.77个/100 hm2，其他林地类型的斑块密度均小于1；有林地和非林地的斑块边界密度和斑块形状指数较大，分别为46.00 m/hm2、39.80 m/hm2和38.55和77.62，其他林地类型的斑块边界密度和斑块形状指数均较小；不同林地类型的周长面积分形维数较接近，均介于1.19和1.40之间，表明研究区受人为干扰强烈．

表1 闽江上游城区土地类型的斑块特征

斑块连接指数是反映斑块间连接程度的指标，计算结果表明7种林地类型的斑块连接指数均较低，其中疏林地的斑块连接指数最高，为5.72%，有林地和灌木林地的斑块连接指数也较高，分别为2.53%和2.41%．斑块连接指数大小受距离阈值的影响，本研究选择距离阈值为1 km(下同)．不同距离阈值对斑块连接指数的影响有待进一步研究．

香农多样性指数是一种基于信息熵理论的测度指数，广泛应用于生态学方面的研究．计算结果表明研究区林地类型景观香农多样性指数为0.58，辛普森多样性指数为0.30，其值均较低，说明闽江上游城区林地景观各斑块类型之间分布不均衡，主要表现为有林地和非林地占绝对优势，其它林地类型分布较少．这与研究区以低山丘陵为主的自然地理地貌特点有关．

表2 闽江上游城区林地类型的景观格局特征

3.2 有林地景观格局分析

3.2.1森林类型景观格局

将闽江上游城区有林地进一步划分为针叶纯林、阔叶纯林、针叶混交林、阔叶混交林、针阔混交林、竹类纯林和竹(针或阔)混交林7种类型(见图2)．由表3可知，阔叶纯林的斑块数量最多，针叶纯林的斑块数量次之；平均斑块面积最大的森林类型为竹类纯林，其值达到26.92 hm2，针叶纯林的平均斑块面积也较大，其值为14.94 hm2，而阔叶纯林的平均斑块面积最小，其值只有6.27 hm2．这说明在研究区的有林地中，针叶纯林和毛竹林占绝对优势，两者的斑块面积分别占有林地总面积的32.20%和32.23%，而阔叶纯林及其混交林所占比例较少，两者的斑块面积合计只占有林地总面积的19.54%．

图3 闽江上游城区有林地优势树种景观分布格局

由表4可知，阔叶纯林的斑块密度最大，其值为2.36个/100 hm-2，其次为针叶纯林的，其值为2.16个/100 hm-2，竹类纯林和针叶混交林的值也均大于1；就边界密度而言，针叶纯林最大，阔叶纯林次之，其他由大到小依次为竹类纯林、针叶混交林、阔叶混交林、针阔混交林和竹类混交林；斑块形状指数大小排序结果与边界密度较为接近；7种森林类型的周长面积分维数都介于1.22和1.37之间，趋近于1，表明各种森林类型的斑块的几何形状趋于简单，研究区受人类干扰较大；各种森林类型的斑块连接指数均较小，可见研究区有林地之间相隔距离较远，分布较为分散；而香农多样性指数和辛普森多样性指数均说明该研究区景观多样性较高，各种森林类型分布较均匀．

3.2.2优势树种景观格局

为了进一步分析闽江上游城区森林生态系统中群落的景观格局和异质性，本研究将有林地按优势树种不同，分为杉类、松类、珍贵阔叶树种类、软阔树种类、硬阔树种类、桉树类、竹林类和经济林类8种景观类型(见图3)．

由表5可知，闽江上游城区森林景观中，斑块面积由大至小依次为杉类、竹林类、硬阔树种类、松类、经济林类、软阔树种类、珍贵阔叶树种类和桉树类；竹林类的平均斑块面积最大，其值为26.92 hm-2，其次为杉类，其值为17.91 hm-2，而经济林类、珍贵阔叶树种类和软阔树种类的平均斑块面积较小，分别为3.28 hm-2、3.81 hm-2和4.69 hm-2．

表3 闽江上游城区森林类型的斑块特征

表4 闽江上游城区森林类型的景观格局特征

表5 闽江上游城区优势树种的斑块特征

表6 闽江上游城区优势树种的景观格局特征

由表6可知，杉类和竹林类的边界密度和斑块形状指数较大，而珍贵阔叶树种类和软阔树种类的边界密度和斑块形状指数较小；珍贵阔叶树种类的斑块连接指数最高，高达3.69%，可见珍贵阔叶树种类分布比较集中，其他森林类型的斑块连接指数较低，均小于1%；香农多样性指数和辛普森多样性指数均说明该研究区各种优势树种景观多样性较高，分布较均匀．

结合研究区优势树种的斑块特征和景观格局特征可知，针叶林类(包括杉类和松类)和竹林类在该区分布广且面积大，在整个生态系统中处于优势地位；而阔叶树种类(包括经济林类、硬阔树种类、珍贵阔叶树种类和软阔树种类)，尤其是珍贵阔叶树种类和软阔树种类在该区所占的比重较小，其中珍贵阔叶树种类分布较集中于某些区域，在整个生态系统中处于劣势地位．

4 结果与讨论

闽江上游城区林地类型以有林地为主，占土地总面积的82.81%，是景观的基质；其次是非林地，占土地总面积的14.64%．综合边界密度、斑块形状指数和周长面面符号分形维数3个指标可以看出，闽江上游城区的林地斑块形状偏离正方形的程度较大，斑块空间结构和斑块边界形状较为复杂，然而各林地类型的斑块连接指数均较低，破碎化程度相应较高．林地类型景观香农多样性指数为0.58，辛普森多样性指数为0.30，其值均较低，说明闽江上游城区林地景观各斑块类型之间分布不均衡，主要表现为有林地和非林地占绝对优势，其它林地类型分布较少．造成研究区林地类型斑块和景观格局的这些特征，与自然地理条件和人类活动频繁的强烈干扰有着密切关系．因此，在今后的林地规划中，闽江上游城区要注意宜林地、灌木林地和无立木林地的改造和绿化．

在闽江上游城区的有林地中，针叶纯林、以针叶为主的混交林和竹林纯林在该区分布广且面积大，在整个生态系统中处于优势地位；而阔叶林、针阔混交林在该区的分布较少．由于针叶林在抵抗自然灾害能力、保水效果、改良土壤、吸碳释氧等方面均比阔叶林低，因此，目前研究区现有的森林景观格局不利于森林生态效益的发挥，建议今后尽量营造针阔混交林或阔叶林，以提高该区的生态功能．

闽江上游城区有林地以杉类、松类和竹类等优势树种为主，三者占有林地面积的79.59%，树种较为单一，结构较为简单，不利于构建稳定的群落生态系统，不利于物种的迁移和迁徙．同时，该区为“中国草珊瑚之乡”，为了保证草珊瑚产业在该区可持续发展，今后应该明确野生草珊瑚区域所在，一要保护好现有林分，二要参照草珊瑚野生生境，营造适合草珊瑚生长的林分．

本研究在计算景观格局指数时，采用10 m×10 m网格大小的栅格图，不同网格大小是否对景观格局指数具有影响？同时，在计算斑块连接指数时，本研究选择距离阈值为1 km，不同距离阈值对斑块连接指数的影响大小？等等，这些都值得进行进一步深入地研究．

[1]岳德鹏,王计平,刘永兵,等.GIS与RS技术支持下的北京西北地区景观格局优化[J].地理学报,2007,62(11):1223～1231.

[2]胡欣欣.龙栖山国家级自然保护区森林景观空间格局分析[J].福建林学院学报,2011,31(2):136～139.

[3]陆元昌,洪玲霞.基于森林资源二类调查数据的森林景观分类研究[J].林业科学,2005,41(2):22～29.

[4]古 琳,陈俊华,张海鸥,等.成都市林地景观格局动态变化[J].东北林业大学学报,2010,38(3):11～13.

[5]呼海涛,彭建博,杨远宗,等.基于森林资源二类调查数据的黄龙山森林景观分类[J].陕西林业科技,2012,(2):11～18.

[6]黎良财,杨胜天,李耀强,等.珠江上游融江流域森林景观格局现状及分析[J].西北林学院学报,2012,27(5):26～31.

[7]Leitao A B,Ahern J.Applying landscape ecological concepts and metrics in sustainable landscape planning[J].Landscape and Urban Planning,2002,59(2):65～93．

[8]包慧娟,姚云峰,张学林,等.科尔沁沙地景观格局变化的研究[J].干旱区资源与环境,2003,17(2):83～88.

[9]丁圣彦,梁国付.近20年来河南沿黄湿地景观格局演化[J].地理学报，2004,59(5):653～661.

[10]韩建平.基于GIS的汾河源头森林景观格局分析[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2012,40(11):152～158.

[11]杨 弘，杨 威．森林土壤水份入渗的影响因素及主要入渗模型[J]．吉林师范大学学报，2013，34(2)：65～70．