阿尔泰山森林景观格局的稳定性

张绘芳, 地力夏提·包尔汉, 朱雅丽, 张景路, 雷亚君

(新疆林业科学院现代林业研究所, 新疆 乌鲁木齐 830000)

当前景观生态学的研究中，景观的稳定性是一个复杂且重要的研究热点，主要由两个方面组成，一是维持生态系统现状的能力；二是在遭受到外界的干扰后快速恢复的能力[1]。根据相关研究发现，目前主要从两种方式来解读景观稳定性的涵义：一种是Forman等[2]设计的通过景观的12种变化观测判断景观稳定性变化；另一种是从景观抗外界干扰能力评价景观稳定性[3]。但国内外学者没有达成一致。Kelley等[4]认为景观稳定性是景观的一种特有属性，当生态系统发生变化时，存在于景观上的特有现象就会消失，当生态系统再次发生动态变化时，该现象又会重新出现；龚俊杰等[5]，Jia等[6]把景观持久性、景观恢复能力和景观抗干扰能力统称为景观稳定性。森林景观的多样性、复杂性，以及在时空分布上的动态特征，使得大部分学者将研究重心聚焦于景观的异质性和多样性、景观恢复性以及景观格局的特征之上，而关于森林景观稳定性的定量分析仍是如今的难点之一[7]。

阿尔泰山林区的森林资源是新疆森林资源主要部分之一，而且也是新疆北水调南工程的重要水源地，因此，具有极其重要的生态地位，对新疆未来的发展起着重要的作用[8]。阿勒泰林场是阿尔泰山林区的一个重要分支，位于它的中部，拥有极其丰厚的森林资源和动植物资源。参考前人研究成果[9-11]，对于阿尔泰山林区以及阿勒泰林场的研究主要是森林生态系统碳密度、碳储量估算、生物量估算和对气候变化的响应研究等，针对该区森林景观稳定性的研究尚未见报道。因此，本文拟基于GIS和RS技术，采用改进型景观稳定性模型，对阿勒泰林场的森林景观稳定性进行定量分析，了解其景观稳定性的特征和规律，以期为今后森林景观健康可持续发展提出建设性指导[12-13]。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

阿勒泰林场位于阿尔泰山中段，地处47°46′—48°39′N，87°25′—88°38′E，地势呈现出北高南低的状态，海拔处于1 100～3 914 m，属于温带半干旱大陆性气候区。根据阿勒泰市气象站观测资料：历年来研究区平均气温是3.9 ℃，其中最热月出现在7月，其平均气温高达22.9 ℃，最冷月出现在1月份，其平均气温低至-18.2 ℃，平均风速为3.9 m/s，最大风速为28 m/s，主要为西风和西北风[14]。阿勒泰林场主要分布有疣枝桦、欧洲山杨、云杉、西伯利亚落叶松等树种，森林覆盖率为50.26%[15]。

1.2 试验方法

将2016年Landsat8 OLI影像进行辐射定标、大气校正以及基于2013年国产资源1号影像数据进行几何校正，然后基于2014年森林资源二类调查数据，将阿勒泰林场分为乔木林地、疏林地、灌木林地、苗圃地、林业辅助用地和宜林地这6种森林景观。

景观指数主要由斑块尺度(patch)、景观类型尺度(class)、景观尺度(landscape)这3种类型组成，用来定量分析景观特征以及变化趋势。根据各景观指数表征意义相关性差异，本文对所有选取的景观指数在给定单侧置信度0.05，0.01水平上进行显著性分析，保证筛选出指标反映信息全面但不重复[16]，将相关性过于显著指数适当剔除，无任何相关性的指数也剔除，选择了9个具有代表性的景观指标：X1边缘密度(ED)、X2景观形状指数(LSI)、X3最大斑块指数(LPI)、X4类型斑块百分比(PLAND)、X5平均斑块面积(AREA_MN)、X6景观要素聚集度指数(COHESION)、X7景观破碎度指数(SPLIT)、X8欧几里德最近邻距离(ENN_MN)、X9散布与并列指数(IJI)[16-18]。

为了使选取的景观指标可以很好地分析森林景观格局的稳定性，依据相关研究，把景观指标分为2种：正指标和负指标。把对分析森林景观格局稳定性有利的指标称为正指标，把对分析森林景观格局稳定性不利的指标称为负指标。本论文根据前人经验和研究区实际情况选择了9个景观指标，为了消除量纲影响，分别对其进行无量纲化处理。公式为[19]：

(1)

(2)

式中：Xi′——无量纲标准指标值；xi——原指标值；ximax——原指标最大值；ximin——原指标最小值。xi值越大，说明景观格局稳定性越好，该指标便定义为正指标；xi值越大，说明景观格局稳定性越差，该指标便定义为负指标。

在将选取的景观指数无量纲化处理之后，采用SPSS的主成分分析模块计算出9项景观指数的权重(ωi)[20]，然后利用加权求和计算出网格景观稳定性评价指数。计算景观指数权重的公式如下：

(3)

式中：λi——主成分i的贡献率；m——主成分个数。

(4)

式中：Fj——区域j的景观稳定性指数；Zi——稳定性评价景观指标无量纲处理之后的值。

(5)

式中：Z(F0)——未知点景观稳定性指数；Z(Fj)——未知样点周围的已知样点的景观稳定性指数；λj——第j个已知样点对未知样点的权重；N——已知样本点的个数。

首先在ArcGIS 10.2中将森林景观分布图转换成60 m×60 m的栅格数据，其次运用景观格局软件Fragstas 4.2计算出各景观指数，然后通过主成分分析计算出景观指标的权重，构建改进型景观稳定性评价模型，以便得到6种森林景观的稳定性大小。最后通过Kriging插值分析研究区的景观稳定性。

2 结果与分析

2.1 森林景观类型特征

景观要素是由不同的景观组成的，景观生态过程和景观格局变化，各景观要素组合特征也会发生相应的变化[21]。本论文选择了斑块面积、斑块数量和面积百分比3个指标来描述其景观类型特性(表1)。

表1 2016年阿勒泰林场森林景观类型特征

由表1可知，2016年灌木林地景观类型面积占阿勒泰林场的57.04%，是主要景观类型。其次乔木林地分布也比较广泛，也在森林景观中占据了重要地位，占阿勒泰林场总面积的35%以上；苗圃地和林业辅助用地景观类型面积较小，分布比较集中。

本论文选择了景观形状指数、平均分维数、连接度和聚合度这4个指数来分析阿勒泰林场的景观异质性(表2)。由表2可知，2016年灌木林地、乔木林地的形状指数分别为84.48，73.93，由于天然林保护工程和人工造林补植工程的实施，使得乔木林地和灌木林地的规模逐渐扩大，斑块逐渐集中，斑块形状越来越规则。宜林地连接度指数最大，为1.42，苗圃地连接度指数为0，表明苗圃地各斑块之间没有连接，而宜林地各斑块之间连接度比较高。由聚合度指数看出，区域内各森林景观类型斑块聚集程度都较强，其中苗圃地聚合度指数最大，林业辅助用地聚合度指数最小，灌木林地、乔木林地、宜林地聚合度指数居中，表明苗圃地破碎化程度较低，分布集中；林业辅助用地破碎化程度较高，分布分散。整体分析得出，阿勒泰林场森林景观呈现出较高景观异质性。

表2 2016年阿勒泰林场森林景观异质性

2.2 森林景观稳定性

森林景观稳定性体现了森林景观的结构特征，它对生态系统的健康稳定有直接的影响。

基于之前的研究，本文主要基于60 m×60 m的森林景观类型分布图的栅格数据，对阿勒泰林场的森林景观稳定性进行研究。结合其景观类型特征以及前人研究成果，本文选择了X1边缘密度(ED)、X2景观形状指数(LSI)、X3最大斑块指数(LPI)、X4类型斑块百分比(PLAND)、X5平均斑块面积(AREA_MN)、X6景观要素聚集度指数(COHESION)、X7景观破碎度指数(SPLIT)、X8欧几里德最近邻距离(ENN_MN)、X9散布与并列指数(IJI)。运用景观格局软件Fragstas 4.2计算这9项景观指数，然后代入到SPSS 20.0中建立景观指标标准化矩阵(表3)。

表3 2016年阿勒泰林场森林景观稳定性指标标准化矩阵

在此基础上，运用SPSS软件的主成分分析模块对所计算的景观指标进行分析(表4)。由表4可知，前3个指标累积贡献率达到93.894%，满足大于85%的要求，因此，前3个主成分不仅能比够较全面地反映研究区域的景观信息，还可以满足森林景观稳定结构评价要求。

表4 2016年阿勒泰林场景观指标特征值和主成分贡献率

表5 2016年阿勒泰林场景观指标主成分载荷矩阵

由表5可知，主成分ZC1在X1边缘密度、X2景观形状指数、X3最大斑块指数、X4类型斑块百分比、X5平均斑块面积、X6景观要素聚集度指数6个因子上载荷分别为0.917，0.85，0.866，0.944，0.875，0.777，均超过了75%，表明主成分ZC1综合表征5个变量因子信息，表达出森林景观异质性特征。主成分ZC2在X8欧几里德最近邻距离载荷0.853，X9散布与并列指数载荷为0.988，均超过了85%，2个因子载荷表明主成分ZC2综合表征森林景观类型组成结构特征。

主成分ZC3在X7景观破碎度指数上载荷0.705，因子载荷表明主成分ZC3综合表征景观类型组成结构特征。

3个主成分线性组合如下：

F1= 0.408 5X1+0.378 6X2+0.385 7X3+

0.420 5X4+0.389 8X5+0.346 1X6-

0.295 8X7-0.066 8X8-0.029 4X9

F2= 0.136 3X1+0.294 3X2-0.002 1X3+

0.047 1X4-0.068 1X5-0.153 1X6+

0.155 9X7+0.599 1X8+0.694X9

F3= 0.062 1X1-0.180 2X2+0.357 9X3+

0.267 8X4+0.323 9X5-0.494 7X6+

0.599 3X7-0.233 8X8+0.036 6X9

通过上述公式(3—5) 计算各个景观指标的权重以及森林景观稳定性综合评价模型：

F= 0.320 9X1+0.295 1X2+0.274 7X3+

0.312 5X4+0.312 7X5+0.517 7X6-

0.498 2X7-0.232X8-0.303 4X9

由表6可知，阿勒泰林场9项稳定性因子权重差异显著，其权重值排序为：X6景观要素聚集度指数>X1边缘密度>X5平均斑块面积>X4类型斑块百分比>X2景观形状指数>X3最大斑块指数>X8欧几里德最近邻距离>X9散布与并列指数>X7景观破碎度指数。

表6 2016年阿勒泰林场森林景观稳定性指标权重

其中X7景观破碎度指数、X8欧几里德最近邻距离和X9散布与并列指数的权重为负值，意味着这3个指标对森林景观的稳定性产生了逆向作用，X6景观要素聚集度指数对阿勒泰林场森林景观稳定性影响大于其他8项景观指标。

由表7可知，阿勒泰林场森林景观类型稳定性综合评分的最大差值为1.896 9，表明阿勒泰林场景观稳定性差异较大，6种森林景观的稳定性从大到小排序为：灌木林地>乔木林地>苗圃地>宜林地>疏林地>林业生产辅助用地。景观稳定性最好的是灌木林地，其综合评分值为3.027 4，该景观类型是阿勒泰林场景观中所占比例较大的组分，面积为147 228.12 hm2，占总面积的57.04%，共1 463个斑块，斑块平均面积为100.63 hm2，景观连通性好，可以看作整个阿勒泰林场的基质。对整个景观整体起着支配和控制的作用，是阿勒泰林场的近原生顶级生态群落。其次是乔木林地，综合评分值1.623 5，面积92 571.48 hm2，占总面积的35.86%，共2 199个斑块，斑块平均面积为42.10 hm2，这两种景观类型大部分斑块聚集成团，生态结构稳定，景观要素聚集度高，连通性好，所以稳定性高。

表7 2016年阿勒泰林场森林景观类型稳定性评分值

2.3 森林景观稳定性分布特征

将研究区分成5 km×5 km的渔网格，运用改进型景观稳定性评价模型，将9项景观指数无量纲值进行加权求和，得出每个渔网质心景观稳定性指数，并将渔网景观稳定性指数赋值给对应的质心点，利用Kriging插值得出阿勒泰林场森林景观稳定性空间分布。渔网格和质心均匀分布于图1。

图1 阿勒泰林场景观稳定性网格质心分布

根据Kriging插值结果，根据Jenks最佳自然断裂法，同时参考其他学者的研究成果[22-25]，确定景观稳定性分级标准：[0.611 4，1.183 3)为十分不稳定区，[1.183 3，1.570 4)为一般不稳定区，[1.570 4，1.913 6)为一般稳定区，[1.913 6，2.247 9)为中度稳定区，[2.247 9，2.846 2)为十分稳定区。根据划分的等级生成2016年阿勒泰林场森林景观稳定性的空间分布图。

由附图19可知，森林景观十分稳定区域主要分布在西南部山区，该区域主要以灌木林为主，森林群落结构比较稳定，受人为影响较小。中度稳定区主要分布在十分稳定区的右上方，一般稳定区分布在西北部和北部地区，该区域乔木林和灌木林交错分布，因为人工造林补植工程的实施，森林群落结构不太稳定。一般不稳定区主要分布在阿勒泰林场的东部地区，乔木林和灌木林的破碎化程度较高。最不稳定区主要分布在东部和东北部山区，该区域以非林地为主，乔木林和灌木林分布极少。

阿勒泰林场的一般稳定区面积最大，为177 828.48 hm2，占总面积的34.65%，十分稳定区面积最小，为69 842.88 hm2，占比为13.61%，说明阿勒泰林场天然林受到天保工程的影响，森林景观结构遭受到严重的人为破坏，但是就现阶段而言保护效果不明显。其余3种森林景观稳定性分区面积相差不大，表明2016年各森林景观类型变化显著。十分不稳定区和一般不稳定区面积之和占总面积的31.07%，森林景观不稳定区域未超过总面积的1/2，但也应当引起人类的重视，加强生态环境的保护力度，促进森林景观结构更加合理。

3 结论与讨论

(1) 灌木林地和乔木林地是阿勒泰林场主要森林景观类型，其中灌木林地是优势森林景观，分布广泛；乔木林地次之，苗圃地和林业辅助用地景观类型面积较小，分布比较集中。

(2) 本研究选取了景观形状指数、平均分维数、连接度和聚合度来描述阿勒泰林场的景观异质性。整体分析得出阿勒泰林场森林景观呈现出较高景观异质性。

(3) 阿勒泰林场9项稳定性因子权重差异显著，其中X7景观破碎度指数权重最小，为-0.498 2，对阿勒泰林场森林景观稳定性影响最小;X6景观要素聚集度指数权重最大，为0.517 7，对阿勒泰林场森林景观稳定性影响程度最大。

(4) 阿勒泰林场6种森林景观的稳定性从大到小排序为:灌木林地>乔木林地>苗圃地>宜林地>疏林地>林业生产辅助用地。

(5) 阿勒泰林场2016年森林景观稳定性整体处于较高水平，分布区域差异比较均衡，西南部山区生态环境良好，森林景观结构完整，东部和东北部山区最差，应加强生态环境保护力度，同时维持西南部的保护力度，从而促进森林景观结构更加合理。

本文通过建立景观稳定性模型可以直接模拟大范围的景观稳定性，能体现出不同尺度上的稳定性程度不一，通过与模糊综合评判相比较[26]，稳定体系的建立能更加精确和便捷地描述不同尺度上影响稳定性的因素。本研究通过建立的稳定性评价模型评分得出灌木林地和乔木林地最为稳定，这可能与环境有着密切的关系，包括植株自身进化、内部环境和较大尺度上的气候环境相关，灌木林和乔木林的根系发达，这便有利于充分吸收土壤中的养分和水分；而且叶片繁多，可以增加植株的光合作用，进而影响到森林景观的稳定性。参照前人研究，吕思彤等[25]、崔文举[27]等分别对碧塔海保护区和西双版纳热带林的森林景观稳定性进行了研究，都得出乔木林和灌木林的景观稳定性综合分值最高的结论，与本文得出的结论一致。有学者[25,28]认为：不同坡度、海拔、坡向等地形条件也能影响到森林景观的稳定性，本文运用GIS和RS相结合，并引入了改进型景观稳定性模型，对阿勒泰林场森林景观稳定性进行研究，但未结合地形、气温等因子对森林景观稳定性做进一步分析。