芦头林场森林景观格局随地形分异特征研究

和晓风，林 辉，孙 华，严恩萍

(中南林业科技大学 林业遥感信息工程研究中心， 长沙 410004)

芦头林场森林景观格局随地形分异特征研究

和晓风，林 辉，孙 华，严恩萍

(中南林业科技大学 林业遥感信息工程研究中心， 长沙 410004)

以湖南省平江县芦头林场为研究区，通过数字高程模型(DEM)与森林资源调查数据叠加，分析林场范围内森林景观格局随地形变化特征。结果表明： ① 研究区内森林景观分异的主要因素是地形因素； ② 芦头林场森林植被景观类型垂直地带性分布明显，各森林景观组主要分布在海拔400～800 m和坡度10°～30°的地区，杉木、马尾松、灌木林在海拔400 m 以上和 25°以上范围内分布较多，占有绝对优势； ③ 林场内森林景观类型以人工林形式为主要，对于林场的森林经营方案，应增加保护森林生态系统自然更新和森林景观类型多样性的措施。

森林经理；森林景观格局；地形分异；芦头林场

森林作为陆地生态系统的主体，在调节温室效应和应对全球气候变化中发挥了重要的作用[1-3]。在我国，国有林场作为森林管理的基本单位，是经营、维护、发展森林生态系统的基本保障，现有的林场多以木材生产为主，而不合理的采伐必将导致森林景观结构的破坏，以及森林景观生态系统功能的丧失。所以营造一个稳定、多样的森林景观格局会对林场的可持续经营有着极大促进作用[4]。

目前，森林景观格局研究中地形因素已引起人们的关注，地形地貌作为重要的环境因子，其生态学意义和对景观格局的影响已有大量的定性和定量研究[5-7]。地形特征与很多生境因子有着密切的联系，在反映生境异质性方面有着重要的作用，也体现了对生境条件的综合性指示能力[8-12]；作为生境条件的一个综合指示，地形特征是多维变量，其影响也存在不同的尺度特征，需要一种等级性的观点来认识[13]；在某一特征(海拔、坡度、坡向)尺度上，不同的特征对森林格局的影响强度可能会发生不同的梯度变化，不同地形因子对森林植被的格局有不同的影响[14-16]。本研究以芦头林场为例，从海拔、坡度、坡向三个地形因子来揭示不同森林景观类型随地形变化呈现出的分异特征，并从人为因素和地形等自然因素对区域景观分布格局的影响进行初步研究，为芦头林场森林资源的管理与可持续经营提供依据，从而更加有效的管理和利用森林资源。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

国有芦头林场位于湖南省平江县东南面，113°35′E 28°42′N，林场在连云山脉东部，丽江河贯穿全场。最高峰十八折海拔1 272.5 m，最低处山口(场部)海拔124 m。芦头林场经营面积5 308.27 hm2，其中杉木占41%，竹林占17%，森林覆盖率94.2%。有保护完好的天然林大约 2 300 hm2，亚热带季风气候区，年平均气温16.8 ℃，年平均降水量1 450.8 mm，全场平均坡度为30°左右。

1.2 数据源及预处理

1.2.1 资料来源

研究区采用的卫星数据源为SPOT5，接收时间为2013-12-28，地面基础数据主要有1∶10000地形图12张，芦头林场森林资源分布图，林相图，芦头森林资源二类调查数据库及成果图等。

1.2.2 遥感数据处理

SPOT卫星系统中文名为对地观察卫星系统，是由法国空间研究中心、比利时、瑞典等国家共同参与开发完成的[84-85]。从1986-02到2002-05为止，阿丽亚那4型火箭共发射了5颗SPOT卫星。SPOT-5卫星为太阳同步卫星，轨道高度822 km，轨道周期101.4 min，轨道循环周期(绕地一周)26 d。

表1 SPOT-5数据光谱波段和分辨率传感器光谱波段地面分辨率/m波段光谱范围/μmSPOT-5Panchromatic全色波段2 50 48～0 71B1：green(绿)100 50～0 59B2：red(红)100 61～0 68B3：nearinfrared近红外100 78～0 89B4：short⁃waveinfrared(SWIR)短波红外波段201 58～1 75

对收集的SPOT5图像进行处理： ① 数据预处理，主要消除遥感数据由于成像条件引起的几何变形； ② 几何校正，使用地形图采集控制点进行校正； ③ 图像运算与信息增强，主要是对其进行拉伸处理，然后再进行锐化增强、色彩变换等过程的处理，形成遥感影像目视解译判读区划的基本影像图； ④ 影像分割与裁剪，将处理运算好的图像，根据研究区范围进行图幅裁剪。

本文主要利用 “人工目视解译方法”获得地面信息。人工目视解译，就是通过图像的影像特征(色调或彩色，即波谱特征)和空间特征(形状、大小、阴影、纹理、图型、位置和布局)，与多种非遥感信息资料相结合，运用生物地学相关规律，进行综合分析和逻辑推理的思维过程。由于对芦头林场森林的分布较为熟悉，以人工目视解译方法获得地面信息的方法具有相对优势和可操作性，并可以取得较高的解译精度(如图1)。

图1 芦头林场数森林景观类型分布

1.3 研究方法

1.3.1 景观要素的类型划分

景观空间格局研究的第一步是景观要素的划分，结合2010年湖南省森林资源调查土地类型划分标准，再根据研究内容和采集的外业数据，构建以森林优势树种为主要依据的景观要素分类体系。并且根据需要确定两级分类系统，一级为地类，二级分类结合研究内容只对有林地进行分类，组成了以优树种命名的林分类型[17-20]，见表2。

表2 景观要素分类系统一级分类二级分类有林地马尾松杉木竹林阔叶树疏林地疏林地灌木林地灌木林未成林造林地无立木林地宜林地辅助生产林地苗圃地苗圃地其他河流、湖泊、交通、城镇用地等

1.3.2 技术流程

利用GIS对森林景观地形因素(高程、坡度、坡向)分布统计：第一步在ArcGIS10软件的支持下，矢量化外业调查结果，将小班生成矢量文件，进行拓扑检查，利用外业资源调查结果，提取景观斑块信息，对不同景观类型赋予不同的属性，并加上相应的地类代码，将调查数据输入，再与矢量文件结合，生成森林景观格局专题图层；第二步对林场1∶100 000地形图矢量化，得到该区域的DEM数据，再建立数字地形模型，用GIS软件生成该区的高程带分布图层(如图2)、坡度分布图层和坡向分布图层，将景观图层转成栅格格式，分别对应高程带分布图层、坡度分布图层和坡向分布图层进行叠加；第三步是定量化地反映主要景观类型在不同地形特征的空间分布特征，先进行面积统计，分别计算不同地形分异区间的景观组分比例大小，再建立区域内不同景观类型在这3种地形属性梯度的分布图，然后叠加河流、林场边界、道路等基础地理信息，生成最终成果数据图。

图2 芦头林场数字高程模型

1.3.3 定量分析方法

山区地形分异规律一直停留在缺乏精度的定性描述水平上，进行定量科学地分析区域地形 、地貌的特征规律，将有助于准确分析地形因素对森林景观格局的影响及其作用，并可为制定合理的区域开发利用和管理提供科学依据。为方便对林区内地形分异进行定量分析，以100 m为基数分带，统计其地势变化规律，高程分割成14级；坡度的分割间隔为5°，分为9级；坡向按照平地、北、东北、东、东南、南、南西、西、西北坡分为9级。

2 结果与分析

2.1 总体格局分异特征

在空间的组织上，基本以丘陵、山脊、山谷、河流为骨架，作为土地分异控制基础的地形。丽江河流经形成的河谷主要分布在林场的中部，丘陵在林场内广泛分布。林场两边的山体加中间的河流组成了地形的总格局，从而导致林区内森林景观植被、地类的第一级分异，区域内大体上沿南北山脊线分布，山下地类和植被等单元有序排列，在一定程度上控制着林区温度、降水、风等自然条件随高程变化而发生有规律的空间分异，形成了目前芦头林区的森林景观格局。芦头林场的地貌特征可以通过高程分级分布情况来体现(图3)，森林景观类型随着高程的变化，呈现出明显的垂直分异200 m以下和900 m以上各种森林景观类型都比较少，主要分布在400～800 m区间，占总面积的近75 %，林区相对高差1 148.5 m。

图3 高程分级面积比例统计

坡度分异也反映林场地貌特征(图4)，林区内存在着较多的高山，在坡度为20°～25°的区间内坡度级出现最大峰值。林场森林景观类型多分布在15°～35°区间，占到总面积的70 %；坡向分异相比较前两个地形因素而言则表现为均匀分布，因林场山体呈对称分布造成(图5)。

图4 坡度分级面积比例统计

图5 各坡向面积比例统计

2.2 主要森林景观类型高程分异特征

林场内主要森林景观类型占各自总面积的比例随海拔带上升的分布曲线均为单一峰值(图6)。马尾松森林景观从200～700 m范围内均有分布，700 m以上呈下降趋势，主要分布在400～500 m区间内，并且在此区间内出现最大峰值；比较马尾松、杉木这两种林场优势建群树种的分布曲线，杉木森林景观的分布范围、优势区域和最大值基本上与马尾松景观相似，但是杉木相比较而言在各高程带分布更均匀，它的分布曲线也更加的平滑，起伏变化不大；灌木林景观优势分布在500～700 m区间内，约占其总面积的80%；竹林景观分布的最大值出现在300～900 m范围内，其主要分布梯度在600～800 m范围内；阔叶树景观的分布曲线较均匀，分布曲线呈正态分布的变化。

与其它森林植被景观相比，竹林的优势分布范围更广，整个林区都有分布，最主要集中在600～800 m区间范围内，并出现最大值，竹林景观在高海拔地区也有很大的优势，一直延伸至林区最高海拔带；杉木同样分布范围较广，林场最高海拔周围也有存在，但优势在400～800 m范围内，刚好是森林景观的主要集中区，也就是林场物种最丰富的地段。实地调查发现，林场主要是以人工林为主，包括竹林、杉木、马尾松等，并且广泛均匀的分布在整个林区内，约占林地的80%，是林场的主要森林资源，生长状况和条件也最有优势。

图6 主要森林景观组分随高程梯度分布比例

2.3 主要森林景观类型坡度分异特征

芦头林场森林景观类型的分布与坡度的关系比较显著(图7)，杉木、竹林、马尾松等林区优势森林景观类型主要分布在陡、急坡地上，10°～40°区间内，杉木占其总面积60%，竹林、马尾松分别占其总面积65%和40%，但是坡度较小的平缓坡上也有分布，在坡度上表现出分布不均，多因是人工种植和培育的；竹林、杉木、马尾松、阔叶树地的分布曲线极为相似，都只有单一的最大值，均出现在20°～30°范围，与灌木林的曲线分布有较大的不同；所有的森林类型景观分布曲线，大体上都是随坡度的上升面积比例先增加后逐渐减少，灌木则出现过一段平滑区。灌木森林景观类型主要集中在15°～25°，从而使其在平缓坡15°～25°的分布比例大于各森林类型，整体表现为分布曲线较为随机。灌木森林景观的坡度

曲线与高程曲线较相似，都出现了双峰值的特点，总体上是对称的，林区内均匀分布。通过上面的分析，结合实地调查的数据，林场竹林景观的分布特征受人为因素的影响较大，再加上竹林自身的生长和繁殖能力，不断增加面积比例，同时就侵蚀了其他森林景观的分布，导致竹林的分布较广，与自然景观的灌木、阔叶树存在明显的分异。研究表明：在陡坡地因水土保持能力差，易水土流失，所以自然生长植被和人工生长植被都需要合理的保护。芦头林区大部分森林景观分布在25°左右的区域，森林结构受人工和自然恢复影响，需要合理的分配两者的比例关系，才能保持森林可持续发展。

2.4 主要森林景观类型坡向分异特征

从芦头林场坡的坡向分布比例可以看得出，坡向是分布均匀的(图8)，可是在同一高度的坡向确是影响水热条件变化的主要因素，阳坡的蒸发量要大于阴坡，阴坡的湿度要高于阳坡。从图8中可知，林区的主要森林景观在空间分布上总体是均匀的，受坡向影响主要集中南北坡，这主要与林场多为人工林和南北的水热条件有关。

图7 主要森林景观组分随坡度的分布比例

林场的所有森林景观类型的坡向分异格局具有一定的相似性，因植被生长需要大量光照条件，从而主要集中在北坡，分布面积比例近60%，其分布最大值面积比也在北坡。

图8 主要森林景观组分随坡向的分布比例

3 结论与讨论

芦头林场是以生产木材为主的国有林场，受人为因素的影响较大，森林景观多样性不丰富，针叶林多，而阔叶林和混交林较少，这种格局不利于充分发挥森林的生态、经济和社会效益。对于今后林场的经营方案来说，应增加和保护森林生态系统自然更新和森林景观类型多样性的措施，如减少单一人工针叶林，多营造阔叶林，增加混交林，保护天然林。这样有利于水土保持、改良土壤、抑制病虫害、降低火险，提高生态环境质量。本文利用高分遥感影像和研究区外业调查数据研究了芦头林场内不同森林景观组分随地形变化呈现的分异特征，同时也分析了地形与林区森林景观格局分布的相互关系，结果表明：

1)林区森林景观面积分布随高程、坡度、坡向分布比例曲线与地形因素统计比例曲线相似，所以形成芦头林区景观格局分异的主导因素是地形因素。

2)研究区森林植被景观类型垂直地带性分布明显，各森林景观组主要分布在高程400～800 m、坡度10°～30°的地区，杉木、马尾松、灌木林在海拔400 m 以上和 25°以上范围内分布较多，占有绝对优势。该区的森林植被一旦遭到破坏，恢复森林的顶极群落周期将十分漫长。

3)马尾松和杉木面积随高程、坡度、坡向变化分布趋势基本一致，并且占林场景观总面积的65 %，为主要的森林景观类型。

4)在探索森林景观格局变化中，其他景观格局指数(如斑块数量、斑块形状、景观多样性指数等)随地形变化是未知的，还需进一步的深入研究。

5)对于林场，应严格保护针阔混交林生态系统的环境和天然林的环境，制定适宜的森林经营管理对策增加森林景观类型，促进林场的生态恢复与可持续发展。

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TopographicVariationofForestLandscapePatternsinLutouForestFarm

HE Xiaofeng, LIN Hui, SUN Hua, YAN Enping

(Research Center of Forestry Remote Sensing & Information Engineering Central South University & Technology，Changsha 410004，Hunan，China)

In this paper, Lutou forest farm of Pingjiang County in Hunan province was taken as study area. In order to analysis the characteristics of forest landscape patterns changing with terrain, digital elevation model (DEM) and forest inventory data were employed. Results showed that： ① on large scale, terrain factors were the main elements that affect the distribution characteristics of forest landscape pattern; ② forest landscape pattern in this study area presented significant characteristics of vertical zone distribution. It was found that forest landscape pattern was mainly distributed in the areas with elevation and slope ranging from 400 m to 800 m and 10°to 30°respectively, especially the area with slope above 25° was dominated by Chinese fir,Pinusmassonianaand shrub; ③overall, the forest landscape pattern of study area was mainly composed with plantation forest. All the findings implied that enhancing the protection of forest landscape types and renewal of natural forest ecological system was an effective way to maintain the stability of forest landscape pattern in Lutou forest farm, including reduce the plantaion forest, increase mixed forest and protect natural forest.

forest management；forest landscape pattern；topographic variation；Lutou forest farm

2016 — 03 — 15

中国博士后科学基金项目(2014M562147)；中南林业科技大学大学生创新初阶计划项目(2013034)。

和晓风(1991-)，男，湖南永州人，硕士研究生，研究方向为林业信息技术。

林辉(1965-)，女，湖北黄冈人，博士，教授，博士生导师，主要从事林业遥感与地理信息系统的教学与科研工作。

Q 948.114

A

1003 — 6075(2016)01 — 0046 — 06

10.16166/j.cnki.cn43 — 1095.2016.01.010