四川省近20年天然林资源景观格局变化研究

姚劲松,杨 鹏,翟 辉,王腊梅

(1.四川省森林和草原防火监测中心，四川 成都610084；2.巴中市恩阳区农林局，四川 巴中636000; 3.广元市昭化区林业局，四川 广元628021;4.甘孜州林业局，四川 甘孜626000)

1 引言

四川省于1998年开始天然林保护工程,至今已实施了20余年,森林覆盖率由1997年的25.23%增长到38.03%，以天然林为代表的森林资源已发生了较大变化。因此,有必要开展天然林资源动态变化研究,探讨内部结构与变化趋势,摸清变化规律,为天然林后续保护与管理提供科学参考。

依据1997年和2017年两次森林资源连续清查数据,结合景观生态学,地统计学分析技术,从天然林资源分布空间格局角度,选取连通性格局指数,定量分析研究天然林保护工程前后天然林资源分布的空间格局动态变化,以期回答天然林保护工程不但有效恢复了生态屏障建设急需的森林和生态资源,而且还对资源空间分布的优化配置起到了积极的支撑作用。

2 数据与方法

2.1 数据来源

研究数据使用四川省1997年第5次森林资源连续清查成果数据和2017年四川省第9次森林资源连续清查成果数据,以及研究区域内部分森林资源规划设计调查、林地保护利用规划、遥感影像等数据。

2.2 研究方法

清查数据均为矢量点,无法直接计算景观格局指数。根据每个样地与相邻样地按一定规律分布,反映一定区域资源数据结构的特点。可通过样地与相邻同类型样地的连接数,与某些景观格局指数之间建立数学关系,计算相应的景观格局指数,分析天然林内部结构与变化趋势。本文将指数进行地统计空间插值,分析天然林空间分布格局,科学分析过去20年间天然林的内部结构与变化规律。

指数选取:在各类景观格局指数中,景观连通性指数与景观连接个数具有相关性。景观连通性指数是景观格局和生态过程之间的纽带[1-5],景观连通性指数能定量地阐述景观格局变化对生态功能影响。本文选择景观连通性指数作为天然林资源景观格局变化定量分析的数量指标[6-10],计算公式为:

(1)

式中,n为景观中斑块总数;ai、aj分别为斑块i和斑块j的面积;nlij为斑块i和斑块j之间的连接个数;AL为景观面积。取值范围为0≤IIC≤1。当值为0时,表示各个生境斑块之间没有连接,生态功能较差;当值为1时,表示整个景观都为生境斑块,能更有效地发挥生态功能。

指数计算:基于每个连清样地点邻域内9个点,按照11.5km为搜索半径,遍历寻找同类型点,获取每个样地与周边邻域范围内的同质样地连接个数,并转换为自然对数。从样地中随机抽出300个,按9个样地的领域范围,结合两期调查相同时相的卫星影像进行目视判读解译,并借助森林资源调查等档案数据进行验证,精度达到95%为合格。计算各样地邻域景观连通性指数,随机抽取270个解译计算指数与相同样地的邻域连接个数进行相关性分析与模型拟合。确定的模型为式(2),相关系数为R=0.9484,决定系数R2=0.9762。

IIC=0.0384X2.575

(2)

用30个解译计算指数与对应的样地拟合指数进行精度验证分析,决定系数R2=0.9030,拟合模型达到预期精度。

地统计分析:计算样地的景观连通性指数后,利用ArcGIS克里金插值模型,将两期连通性指数进行克里金插值,数据插值精度满足精度后,得到指数空间分布预测图,进一步分析过去20年间天然林资源的空间分布格局与变化规律。

3 结果及分析

3.1 林地指数

2017年连清样地中林地共计5055个,1997年林地共计3942个,两年度林地景观特征值见表1。从表1可见,1997年全省平均林地景观连通性指数为0.08,2017年上升到0.13,比1997年上升了0.05,表明过去20年间全省林地面积在不断增加,林地破碎度降低。

表1 林地连通性指数特征值

3.2 起源指数

2017年连清林地样地具有起源属性共计4810个,1997年共计2582个,两年度分起源景观连通性指数见表2。从表2可见,天然林景观连通性指数由1997年的0.05提高到2017年的0.11,指数值增加了0.06,人工林指数变化仅为0.01,表明20年间全省天然林面积不断增加,破碎度逐步降低。天然林指数值变化与天然林资源变化的关联,需要结合幅员面积内的林地与非林地,以及林地内天然林的面积和比例等数据来进行科学分析与解释。

表2 起源景观连通性指数

从表3可见,当全省所有天然林均连片分布时,1997年分布连通理论最大值为0.29,2017年为0.35。1997年实际指数值为理论指数值的17.24%,2017年为31.43%,增加了14.19%,表3的天然林资源数据各项指标变化均与连通指数具有较高相关性,连通指数增加的0.06在全省理论水平上提升了14.19%,与林地、天然林资源总量比较而言,提升比例较明显。

表3 天然林连通指数变化分析

3.3 空间分布格局

本文将两期空间分布的预测图按自然分割法同量纲等级划分为5级(图1),取指数最大一级的分布范围为重点研究区域,进行空间数据挖掘,分析和揭示变化趋势与规律。结合图1、图2和地形地貌研究指数变化趋势表明,近20年天然林分布明显呈现连片分布的区域有3个,分别是岷山龙门山区域、相岭与凉山区域和锦屏山螺髻山区域(图2),与天然林实际主要分布区域吻合。

图1 连通性指数空间分布预测

图2 重点关注区域1997—2017年分布

图3 岷山龙门山区域1997—2017年分布

岷山龙门山区域:以岷山和龙门山山系为主要区域的明显变化区,图3中该区域1997年天然林连通指数空间插值数据集中连片分布的图斑有4个,图斑之间均为孤立斑块,总面积为124987.1hm2;2017年主要有4个图斑,总面积为1254000.8hm2,2017年比1997年增加了1129013.7hm2,增加比例为90%。2017年图斑基本在1997年的基础上连通原有孤立斑块,呈连片分布趋势明显。

图4 相岭与凉山区域1997—2017年分布

相岭与凉山区域:以大小相岭与大小凉山为主要区域的明显变化区见图4。从图4可见，该区域1997年天然林连通指数空间插值数据分布图斑为7个,均为孤立斑块,总面积为232874.8hm2;2017年连通为1个图斑,总面积为1733000.9hm2,比1997年增加了1129013.7hm2,增加比例较大。

锦屏山螺髻山区域:以锦屏山南端、螺髻山西部为主要区域的明显变化区见图5。从图5可见,该区域1997年天然林连通指数空间插值数据集中连片分布的图斑有5个,空间分布上既有连通斑块,也有孤立斑块,总面积为964839.4hm2;2017年有8个图斑,总面积为1633855.9hm2,2017年比1997年增加了669016.5hm2,增加比例为69.3%,表明该区域呈现较高的空间连通分布趋势。

图5 锦屏山螺髻山区域1997—2017年分布

本文将以上3个区域以外的地区定义为其他区域。从图6可见,该区域在两个年度上的空间分布以孤立斑块为主,在原有孤立斑块的边缘进行扩散,连片集中分布范围明显扩张,由分散分布转为集中连片分布,且出现较多的新增斑块。

图6 其他区域1997—2017年分布

4 结论、讨论与建议

4.1 结论

主要是:①通过对林地、起源等景观连通指数和变化的分析可知,1997—2017年的20年时间,四川省天然林景观连接指数由0.05上升到0.11,增加了0.06,且变化较大区域均为天保工程实施区域,表明近20年天保工程促使全省天然林资源集中连通分布,森林生态功能得到有效提升和发挥。②天然林景观格局变化主要由原有孤立斑块的边缘扩散,连片分布斑块范围明显扩张,分散分布已演替为连片分布,新演替出现孤立或连片的斑块,全省天然林景观格局空间分布总体呈现连通趋势。

综上所述,最近20年实施天保工程不但有效恢复了生态屏障建设急需的森林和生态资源,而且还对资源空间分布的优化配置起到积极支撑作用,对四川省乃至长江中上游地区生态环境的改善具有不可替代的作用。

4.2 讨论与建议

总体来看,近20年四川省天然林资源的变化趋势总体向好,数量、质量和空间分布都有所提升,生态功能逐步增强，但局部地区存在林分质量不高、结构不合理、管理保护措施不到位等问题,应引起重视。结合研究结论提出以下建议:①虽然研究结果表明近20年全省天然林在总体数量、结构上均得到了进一步提升,但局部还存在林分质量不高等问题,需进一步开展科学技术研究,探索和提升天然林资源的经营管理方法和措施,不断提升天然林质量。②天然林资源孕育了丰富的生物多样性,是弥足珍贵的自然资源,具有较高的生态价值和社会价值。本文仅从景观格局变化角度进行了探讨与分析,但天然林资源还有许多结构与问题值得研究。建议设立天然林资源保护研究基金,加大对天然林的持续科学研究,提供科学理论和技术方法指导天然林资源的保护与管理。