湘乡市林地生态脆弱性研究

张 超，周 维，叶 俊

(1.国家林业局中南林业调查规划设计院，长沙 410014；2.明德华兴中学，长沙 410008)

生态脆弱性是生态系统在特定时空尺度相对于外界干扰所具有的敏感反应和自我恢复能力，是生态系统的固有属性[1-3]。在“生态脆弱带”概念被提出后，国内开始对生态脆弱性进行了深入研究[4]。近年来，国内学者对生态脆弱性的研究以系统分析为理论基础[5-8]，组建了一系列耦合系统来探讨一定区域内的生态脆弱分布[9-11]；更有一部分学者构建综合评价体系对不同环境下的生态脆弱区域进行了探索与实证[12-14]。结合前人的研究成果，笔者根据林地的生态敏感性特征和森林景观类型的景观格局分布特征，构建生态脆弱性综合评价体系，对湘乡市林地的生态脆弱性进行评价，以期为湘乡市的林地利用、环境演变以及资源理配置提供理论依据和技术支撑。探究湘乡市的生态脆弱性可发现湘乡市生态环境易遭受破坏的薄弱区域与森林景观类型，对湘乡市生态环境的保护以及发展与利用森林资源具有重要意义。

1 研究区概况

湘乡市位于湖南省中部，属湘潭市管辖，总面积1 967 km2，其中林地面积82 667 hm2。湘乡处于湘中丘岗向湘江河谷平原的过渡带，西部和南部较高峻，东部和北部较平缓，海拔在41～802 m之间；主要水系为涟水，汇入的一级支流有13条；是较为典型的亚热带季风湿润气候，四季分明，雨量充沛，雨热同季，土地肥沃，溪河密布，作物生长期长，年均降雨量1 312.8 mm，全年降水集中在4-6月份。

2 材料与方法

2.1 数据来源

湘乡市2014年森林资源二类清查数据与分辨率为20 m×20 m的DEM数据，数据以小班为最小单位，包括海拔、林分类型、龄组、坡向、坡位、坡度、土壤类型、郁闭度、森林类别等属性信息，并参考2016年TM遥感影像数据进行修正处理。

2.2 研究方法

2.2.1 构建生态脆弱性评价体系

从生态敏感性的角度选取了海拔、林分类型、龄组、坡向、坡位、坡度、土壤类型、郁闭度和森林类别9个测定因子；同时结合从景观格局角度的斑块密度、平均邻近指数、相似毗邻百分比、连接度指数、斑块结合指数、聚合度指数、分离度指数等7个测定因子对湘乡市林地生态脆弱性的综合评价。

2.2.2 生态敏感性计算

参照刘青[15]的研究成果和《生态功能区划暂行规程》对各评价因子的敏感性进行等级划分，将湘乡市林地的生态敏感性综合划分5个等级，即不敏感区、轻度敏感区、中度敏感区、高度敏感区和极度敏感区；这5个等级相对应的赋值为1，2，3，4和5，见表1。将划分出来的5个等级用Arcgis进行空间主成分分析[12,13]，从而计算出林地的生态敏感性指标权重。

表1 生态敏感性等级划分生态敏感性等级海拔/m坡位坡度/ (°)坡向土壤类型林分类型龄组郁闭度森林类别不敏感区 0～300 平地 0～15南、无坡向山地草甸土阔叶树过熟林≥0.8重点公益林轻度敏感区301～600 下部、谷地16～20东南、西南红壤、山地黄壤针叶林成熟林0.6～<0.8一般公益林中度敏感区601～900 中部21～25东、西山地黄棕壤乔木经济林近熟林0.4～<0.6重点商品林高度敏感区901～1 200全坡26～35东北、西北紫色土竹林中龄林0.2～<0.4一般商品林极度敏感区≥1 201上部、脊部≥36北黑色石灰土灌木林幼龄林<0.2———

分别采用AHP法和主成分分析法，确定湘乡市林地生态敏感性参评因子的级别和权重，根据公式(1)分别计算每种森林类型的生态敏感性指数。

ESi=(∑Aij×Sij)/Si

(1)

式中：ESi为第i种森林类型的生态敏感性指数；Aij为第i种森林类型的第j个生态敏感性等级所对应的等级值；Sij为第i种森林类型的第j个生态敏感性等级的面积；Si为第i种森林类型的总面积；i=1,2，…,5；j=1,2，…,5。

2.2.3 生态脆弱性计算

采用主成分分析法，求取湘乡市林地生态脆弱性8个参评指标，即斑块密度(PD)、聚合度指数(AI)、相似毗邻百分比(PLADJ)、连接度指数(CONNECT)、斑块结合度指数(CONHESION)、分离度指数(DIVISION)、平均邻近指数(MPI)和生态敏感性(ES)的权重，用于计算湘乡市林地生态脆弱性：

Vi=PDi×a+MPIi×b+DIVISIONi×c+

CONNECTi×d+CONHESIONi×e+

ESi×f+AIi×g+PLADJi×h

(2)

式中：Vi表示各森林类型的生态脆弱性指数；i表示不同景观类型，i=1,2,3,…,5；a,b,c, …,h为各测定因子的权重，其和为1；PDi，CONNECTi，PLADJi，DIVISIONi，CONHESIONi，AIi，MPIi和ESi为经标准化处理后的各森林类型测定因子的数值。

采用ArcGIS空间分析功能的fishnet工具，将湘乡市林地划分为大小相等的若干个单元格；再根据生态脆弱性指数的计算模型，把每个单元格的生态脆弱度值赋给单元格的质心点，求出每个单元格的生态脆弱性值；最后通过Kriging插值法预测湘乡市整个林地的森林生态脆弱性：

Am=∑Vn×Smn

(3)

式中：n为不同森林类型，n=1,2,3,…,5；m为单元格序数，m=1,2,3,…, 108；Vn为不同森林类型的生态脆弱性指数；Smn为第m个单元格中的第n个森林类型的面积。

3 结果与分析

3.1 生态脆弱性计算

根据林地生态敏感性空间分布图以及不同生态敏感性等级的面积，计算出每种森林景观类型的生态敏感性指数；将转栅格后的数据导入Fragstats，选择斑块密度、平均邻近指数、相似毗邻百分比、连接度指数、斑块结合度指数、聚合度指数、分离度指数等7个指标因子进行运算，得到湘乡市生态脆弱性测定指标表(表2)。

由表2可以看出，阔叶林的相似毗邻百分比和聚合度指数的值最大，说明湘乡市林地阔叶林景观类型的分布最为集中；针叶林的分离度指数最大，说明林地内针叶林景观类型的分布最为分散；竹林的斑块密度和平均邻近指数最大，说明湘乡市林地竹林景观类型的斑块数量最多，且分布间距最小；灌木林的连接度指数、斑块结合度指数和生态敏感系指数最高，说明灌木林景观类型的连通性最强，联系最为紧密，且对区域内生态环境的负面干扰较为敏感，这可能与灌木林景观类型的林分结构较为简单有关。总体来说，湘乡市林地8个生态脆弱性测定指标中除了斑块密度和平均邻近指数这2个指标的数值相差较大外，其余的生态脆弱性单项指标的数值相差较小。

表2 生态脆弱性测定指标森林景观类型PDMPIPLADJCONNECTCONHESIONDIVISIONAI生态敏感性阔叶林5.278 717.173 182.847 30.005 695.668 20.999 682.983 21.954 5针叶林1.247 32.563 081.412 20.009 292.517 01.000 081.737 32.656 1乔木经济林4.921 48.572 775.817 20.004 493.115 90.999 976.028 93.542 8竹林8.414 758.088 979.653 10.007 495.744 30.999 479.742 23.389 2灌木林2.251 434.526 381.003 20.009 896.038 20.999 581.237 24.226 4

将生态脆弱性8个测定因子的数据导入SPSS22.0中，进行主成分分析，测定指标的结果见表3-表5。

表3 初始特征值的贡献率与累积方差贡献率主成分初始特征值贡献率累积贡献率13.38842.34942.34922.72534.06576.41531.57419.67196.08540.313 3.915100.0005 4.610E-16 5.762E-15100.0006 1.980E-16 2.475E-15100.0007-4.777E-17-5.972E-16100.0008-2.808E-16-3.510E-15100.000

表4 提取特征值的贡献率和累积方差贡献率主成分提取特征值贡献率累积贡献率13.38842.34942.34922.72534.06576.41531.57419.67196.085

表5 生态脆弱性各影响因子成份矩阵生态脆弱性测定指标主成分123斑块密度-0.4810.6550.533平均邻近指数0.883-0.3790.128相似毗邻百分比0.4620.870-0.173连接度指数0.3110.5600.721斑块结合度指数0.947-0.040-0.060分离度指数0.975-0.197-0.016聚合度指数0.4380.886-0.154生态敏感性-0.1660.507-0.834

根据表4和表5，得到生态脆弱性主成分的特征值、累计贡献率和成份矩阵，从而计算出生态脆弱性综合得分模型为：

Y= -0.261 4X1+0.479 5X2+0.250 9X3+

0.169X4+0.514 5X5+0.529 9X6+

0.238X7-0.09X8

(4)

式中：Y为生态脆弱性指数；X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7和X8是对应生态脆弱性的8个测定因子。

对各指数权重进行归一化，可以得出生态脆弱性各测定因子权重，详见表6。

表6 生态脆弱性各测定因子权重生态脆弱性测定因子权重斑块密度0.071 2平均邻近指数0.095 6相似毗邻百分比0.170 5连接度指数0.197 8斑块结合度指数0.132 0分离度指数0.119 4聚合度指数0.171 0生态敏感性0.042 4

从表6可以看出各生态脆弱性测定因子的权重大小排序为：连接度指数>聚合度指数>相似毗邻百分比>斑块结合度指数>分离度指数>平均邻近指数>斑块密度>生态敏感性。根据表6结合公式(2)可以计算出各森林类型的生态脆弱性指数，计算结果见表7。

表7 各森林类型的生态脆弱性森林类型生态脆弱性指数阔叶林0.100 2针叶林0.552 5乔木经济林0.681 9竹林0.645 9灌木林0.799 5

根据表7所示，灌木林的生态脆弱性指数最大，说明灌木林对外界干扰的反应更为剧烈，抗干扰能力低于其他森林类型，尤其是灌木林中的灌木经济林因人为干扰程度大，群落结构单一，导致其生态稳定性较差；乔木经济林的生态脆弱性指数在各森林类型中位居第二，这表明乔木经济林也因为单一的群落类型与高强度的人为干扰使得其生态系统的稳定性较差，受到自然因素或人为干扰的影响后容易改变原有的生态环境；竹林的生态脆弱性指数在各森林类型中位居第三，说明竹林的群落结构较为简单，且毛竹与杂竹的更新能力强，人为采伐较为频繁，原有的生态环境也容易遭受到外界干扰而发生改变；针叶林和阔叶林的生态脆弱性指数在各森林类型中位居第四和第五，说明这两种森林类型的生态稳定性较强，且受到的人为干扰程度较低，但针叶林景观类型大部分为同龄林，其林分的垂直结构不如阔叶林景观类型复杂，因而对外界的抗干扰能力不如阔叶林强。

3.2 空间分异探索性分析

根据统计学中的“多数原则”，采用ArcGIS空间分析功能的fishnet工具将湘乡市林地划分成108个面积大小为4 km×4 km的单元格，并计算每个单元格的生态脆弱性指数，再将值赋予质心(计算见公式(3))。然后对算出的每个单元格的生态脆弱性指数的数量特征和分布特征进行探索性分析。最后，通过Kriging插值法预测湘乡市整个林地的生态脆弱性。保留后单元格的分布如图1。

图1 湘乡市林地渔网分布

对算出的每个单元格的生态脆弱性指数的数量特征和分布特征进行探索性分析，湘乡市林地生态脆弱性的空间分异探索性结果如图2：

1) 正态QQ图(图2(a))出现了较为明显的左偏现象，这表明研究区内处于低生态脆弱性的地区较高生态脆弱性的地区多，且各级生态脆弱性分布的数量特征趋于正态分布，这反映出湘乡市林地斑块的数量较多，且林地中森林资源较为丰富。

2) 从湘乡市林地生态脆弱性构成的泰森多边形(图2(b))可以看出：研究区有3个异质点的生态脆弱性较周边地区明显低一到两个级别(颜色越深表示生态脆弱性越大)，经分析发现这些网格中的阔叶林所占比例较大，且这些区域的生态敏感性也多为轻度敏感甚至是微度敏感。

图2 生态脆弱性的探索性分析

3) 趋势分析图(图2(c))显示了湘乡市林地生态脆弱性的空间变化特征，研究区的生态脆弱性的空间分布大致体现了如下规律：在自东向西的方向上表现为先升高后下降，即东部和西部的生态脆弱性均低于中部地区；在自北向南的方向上则表现为先缓慢降低后升高的趋势，说明湘乡市南部地区的生态脆弱性高于北部。

3.3 生态脆弱性空间分布特征与统计

对通过Kriging插值法预测后的湘乡市林地的生态脆弱性结果，用自然断裂法分为5个等级：微度脆弱区(0.246 1～0.342 4)、轻度脆弱区(0.342 5～0.370 4)、中度脆弱区(0.370 5～0.394 4)、高度脆弱区(0.394 5～0.433 1)和极度脆弱区(0.433 2～0.479 4)。空间分布方面呈现中部偏西地区和南部地区较高，东部、西部和北部地区较低的趋势。

图3 湘乡市林地生态脆弱性空间分布图

从空间分布上看(图3)，湘乡市林地的微度脆弱区和轻度脆弱区主要分布在东部、西部、东南部、西北部以及中部偏东的地区，森林类型以阔叶林和针叶林为主，且为生态公益林，生态环境受人为干扰较少，地形以平地和缓坡为主，植被生长良好，生态脆弱性较低；中度脆弱区主要分布在北部、东北部以及东南部的部分地区，其森林类型以阔叶林、针叶林和乔木经济林为主，坡度较大且东南部地区的林地大部分为商品林，人为干扰程度有所上升；高度脆弱区和极度脆弱区主要分布在西南部和中部偏西地区，该区的森林类别主要为商品林，且森林类型以乔木经济林、竹林和灌木林为主，人类活动频繁，景观破碎化程度大，生态环境受人为干扰强烈，因而生态脆弱性高。由此可见，人为干扰因素对湘乡市林地生态脆弱性的影响大于自然因素。

根据表8所显示的分布比例可知，湘乡市范围内中度脆弱区的林地面积为43 694.73 hm2，占湘乡市林地总面积的47.02%，是湘乡市林地的主要生态脆弱等级；所占比例排名第二的脆弱等级为高度脆弱区，其面积为20 114.41 hm2占湘乡市林地总面积的21.64%；轻度脆弱区的林地面积为18 191.00 hm2，占湘乡市林地总面积的19.57%；极度脆弱区的林地面积为9 082.76 hm2，占湘乡市林地总面积的9.77%；说明目前湘乡市林地的极度脆弱区域面积还不是很大，且以轻度脆弱区和中度脆弱区为主，湘乡市林地生态脆弱的整体状况较好。

表8 湘乡市林地不同生态脆弱等级区面积统计脆弱等级面积/hm2比例/%微度脆弱1 847.691.99轻度脆弱18 191.0019.57中度脆弱43 694.7347.02高度脆弱20 114.4121.64极度脆弱9 082.769.77

4 结论与讨论

以湘乡市林地为研究对象，结合DEM数据、TM影像及森林资源二调数据，将湘乡市林地的生态敏感性与森林景观格局指数中的斑块密度、平均邻近指数、相似毗邻百分比、连接度指数、斑块结合度指数、聚合度指数、分离度指数相结合，对湘乡市林地的生态脆弱性进行了探索性研究。结果表明：①湘乡市林地的5种森林景观类型的生态脆弱性排序为：灌木林>乔木经济林>竹林>针叶林>阔叶林，说明群落结构、人为干扰、龄组结构与空间结构对研究区内各森林景观类型均有较大影响；②湘乡市林地的生态脆弱性结果用自然断裂法可分为微度脆弱区、轻度脆弱区、中度脆弱区、高度脆弱区、和极度脆弱区5个等级，上述脆弱等级面积分布排序如下：中度脆弱区>高度脆弱区>轻度脆弱区>极度脆弱区>微度脆弱区；③湘乡市林地生态脆弱性空间分布总体上呈现中部偏西地区和南部地区较高，东部、西部和北部地区较低的趋势，主要以轻度脆弱区和中度脆弱区为主。

生态脆弱性是目前生态学、林学以及环境资源学等学科的研究热点，相关评价体系也种类繁多，由于各评价体系都是有相关的评价指标所构成，且不同区域林地属性的实际情况各不相同，类似的评价体系在不同的区域是否能取得较为理想的评价结果是本研究需要实地考察与进行后续研究的主要内容。