湖南省森林植被空间分布及影响因子

陈 政，陈国生

（湖南工学院 a.计算机科学与工程学院；b.商学院，湖南 衡阳 421002)

随着全球气候变暖，工业化、城市化的快速发展，森林覆盖率不断降低，生态环境遭到破坏。但森林作为陆地生态系统的重要组成部分，不仅能够维持水平衡、调节气候、防止沙尘暴，而且对能量、物质循环具有重要作用[1-2]。

湖南山地面积广阔，水热条件优越，森林种类丰富，是我国南方重点林区和木材生产基地[3]。自1950年湖南省单独设立省林业局以来，先后实施了一轮又一轮大规模国土绿化行动，认真贯彻落实习近平生态文明思想，生态保护、生态修复、生态惠民各项工作取得可喜成绩，成为我国南方重点林区省，森林资源丰富。截至2020年底，全省森林覆盖率达到59.96%，比上年增长0.06%，远远高于全国同期平均水平（22.96%）；活立木蓄积量达6.18 亿m3，比上年增长3.89%；完成造林面积58.12 万hm2，比上年增长5.13%；林业总产值为5 104 亿元，比上年增长1.5%。有53 个省级以上自然保护区，其中国家级23 个，省级30 个；省级以上自然保护区面积和省级以上风景名胜区面积分别为91 万hm2和68.12 万hm2；71 个省级以上风景名胜区，其中国家级22 个，省级49 个；2 个世界地质公园、14 个国家地质公园。湖南省森林资源和林业产业成为绿色发展的重要引擎和亮丽名片，对推进乡村振兴战略和人居环境整治具有重要作用。从省内森林植被的空间分布来看，由于自然地理、社会经济等多种因素的影响，森林资源主要集中在湘西、湘南及湘东山地，而湘中、湘北地区相对较少。

森林植被在地球生态系统中占据重要地位。学界对森林植被的空间分布及影响因子方面的研究较为丰富，多利用定量分析方法研究气候条件、土壤、地形等因素与植被空间分布的关系[4]。但随着地理信息系统（GIS）、数字高程模型（DEM）等技术的发展，越来越多学者对植被空间分布的影响因子做了相关性分析。一是森林植被空间分布方面，袁继安等[5]研究了湖南省2016年优势树种森林资源，核算了各类生态价值，研究发现杉木、阔叶林和马尾松林地价值占比高达90%以上；杨燕等[6]利用GIS 和逐步回归法，研究了7 586 个国家级森林乡村的空间结构和影响因素，研究表明，路网密度、河网密度、森林覆盖率、常住人口、农村居民人均可支配收入对国家森林乡村的影响显著为正；陈刚等[7]同样分析了7 586 个国家级森林乡村的空间分布，整体上呈现“大集聚、小分散”区域特征，其分布特征受生态因素的影响较大，如河流、地形、气候等，另外，社会、经济、自然等因素也影响了空间分布；文连阳[2]评价湘西24 个县域森林生态服务功能与旅游经济发展的耦合关系与时空特征，研究表明二者的耦合协调能力在不断增强。任德智等[8]以成都市为研究对象分析森林植被碳储量和碳密度的空间分布格局时，发现全市森林植被碳储量和吸存能力总体呈现西北高东南低的趋势，且森林植被固碳能力分布不均。二是森林植被空间分布的影响因子方面，陈瑶等[9]利用GIS 技术，分析了四川龙口山的植被分布与地形因素之间的关系，研究表明，两者存在显著关系，尤其是海拔因子；王鹏程等[10]分析了三峡库区不同植被类型的分布特征，研究发现，植被的空间分布同时受到海拔高度、坡度及坡向等因素的影响，植被分布具有明显的地形特征；区余端等[11]研究了地形因子对地表植被的空间分布影响，结果表明，坡向、坡度和坡位显著影响了生长型地表植物的空间分布，如蕨类、草本、木质藤本、灌木；吴英等[12]利用DEM 分析了地形与植被空间分布之间的关系，结果表明，植被类型分布明显受到地形因素的影响；马琪等[13]分析陕西省森林植被碳储量的空间分布特征时发现自然地域因子对森林植被碳储量的分布影响明显，从南向北的干湿条件决定了其空间格局；牟怀义[14]利用2012—2015年大兴安岭地区森林资源的变化情况，并基于DEM 数据提取了该地的地形因子，研究发现充分结合遥感技术与DEM 可以分析森林植被的空间分布及地形因子对植被覆盖的影响。梁晰雯[15]分析了黑龙江省大兴安岭地区森林植被空间分布的影响因子，结果表明，各类森林植被的面积明显受到地形的影响，随着海拔的升高，呈现出先增加后减少的趋势，400～600 m 的海拔高度是最适宜森林植被生长的范围区间；而且植被都集中在平坡和缓坡上，坡度越大，植被面积越小，尤其是陡坡，植被面积大幅减少；坡向对植被分布的影响不大，阳坡和半阳坡上的森林植被类型更丰富。除地形外，森林资源植被分布受气候条件的影响也比较大。降水集中在600～700 mm、气温在-1℃左右的范围内森林植被的面积最广。另外，牛建明[16]在GIS 空间模拟的基础上分析了内蒙古地区气候条件对植被类型的影响，结果表明，植被分布会随着热量和降水的变化呈现出明显的规律性特征；张炜银等[17]，吕佳佳等[18]深入研究了气候变化与植物之间的关系；刘双娜等[19]研究发现，我国森林植被碳汇面积受气候条件影响，主要集中在亚热带和温带地区，碳源主要分布在东北至西南一带。

现有采用地理探测器研究森林资源的文献中，主要采用地理探测器研究森林乡村空间分布及其影响因素，少有文献将其用于研究森林植被空间分布特征。鉴于此，本研究在借鉴已有文献的基础上，运用地理探测器研究湖南省森林植被空间分布特征及其影响因素。

1 研究方法和数据来源

利用ArcGIS 空间分析技术，对湖南省森林植被进行分析，生成湖南省森林植被空间分布特征图，并运用地理探测器研究其空间分布的影响因素。地理探测器既可以检验单变量的空间分异性，也可以通过检验两个变量空间分布的耦合性来探测两变量之间可能的因果关系。地理探测器的核心原理是通过空间异质性来探测变量之间的空间分布格局，进而度量自变量对因变量的解释力。其模型具体表达如下：

其中，F是森林植被空间分布区；Nc和θc2分别表示层c的单元数和方差；N和θ2分别为整体单元数和方差；q为各因子对湖南省森林植被空间分布的影响力，值域范围为[0，1]，值越大，对湖南省森林植被空间分布的解释力越大。q值越大，则说明影响因素对森林植被的影响力越高，解释力就越强。当q=1 时，表示影响因素完全解释森林植被的空间分布差异；当q=0 时，影响因素对森林植被空间分布差异不具有解释力。

为了更进一步分析相关因素与森林植被空间分布的关系，利用Spearman 相关系数进行相关性分析。通过Spearman 相关系数P值判断变量之间的相关程度，|P|≥0.5 表明两个变量之间呈中度以上相关，P＞0 表明两个变量存在正相关关系，反之为负相关关系。

湖南省森林植被数据主要来源于湖南省2004—2020年度森林资源统计年报，各影响因子变量数据主要来源于湖南省2005—2021年度统计年鉴。

2 湖南省森林植被空间分布特征

2.1 各优势树种活立木蓄积量分布特征

表1为湖南省2004—2020年森林资源变动情况，林业用地面积从2004年的1 247.71 万hm2增长到2020年的1 299.60 万hm2，增加了4.16%；有林地面积从2004年的1 002.91 万hm2增长到2020年的1 114.26 万hm2，增加了11.10%；森林覆盖率由2004年的54.32%增加到2020年的59.96%；活立木总蓄积量从2004年的33 863.59 万m3增长到2020年的61 846.76 万m3，增加了0.83 倍。

表1 湖南省2004—2020年森林资源变动情况†Table 1 Changes in forest resources in Hunan Province from 2004 to 2020

湖南省活立木蓄积量的增长主要来源于杉木Cunninghamia lanceolata、马尾松Pinus massoniana和阔叶树的活立木蓄积量。将湖南省划分为5 大地带，即湘西（张家界、湘西自治州、怀化、邵阳）；湘南（永州、郴州）；湘东（长沙、湘潭、株洲）；湘北（常德、岳阳）；湘中（益阳、娄底、衡阳）。从地域分布来看，湖南省各市州优势树种活立木蓄积量年均排名情况如表2所示。优势树种活立木蓄积总量排名前三的为怀化市、邵阳市（湘西）和永州市（湘南）；湖南省优势树种活立木蓄积总量主要来源于湘西和湘南。从各优势树种活立木蓄积量来看，杉木活立木蓄积量排名前三的为怀化市、永州市和邵阳市；马尾松活立木蓄积量排名前三的为邵阳市、怀化市和湘西自治州；阔叶树活立木蓄积量排名前三的为怀化市、郴州市和永州市；柏木Cupressusfunebris活立木蓄积量排名前三的为湘西自治州、邵阳市和怀化市；国外松活立木蓄积量排名前三的为永州市、衡阳市和邵阳市；杨树Populus simonii活立木蓄积量排名前三的为益阳市、常德市和岳阳市；桉树Eucalyptus robusta活立木蓄积量排名前三的为郴州市、永州市和怀化市；水杉Metasequoia glyptostroboides、池杉Taxodiumdistichumvar.imbricatum(Nuttall) Croom 和落羽杉Taxodium distichum合称三杉，三杉活立木蓄积量排名前三的为常德市、岳阳市和益阳市。总的来说，怀化市、邵阳市和永州市活立木蓄积总量处于全省最高，活立木蓄积量的增长主要来源于杉木、马尾松和阔叶树。

表2 湖南省各市州优势树种活立木蓄积量年均排名情况†Table 2 The annual average ranking of the standing stock of dominant tree species in various cities and states in Hunan Province

2.2 各市州活立木蓄积量分布特征

从2020年各优势树种活立木蓄积量排名情况来看，总量排名前三的为怀化市、邵阳市（湘西）和永州市（湘南）。2004—2020年各市州活立木蓄积量变动情况大体呈现逐年增长趋势。从2004年到2020年，活立木蓄积量增长率均超过100%的市州分别有常德市、湘西自治州、益阳市、张家界市和岳阳市；怀化市、邵阳市和郴州市的活立木蓄积量增长率超过60%，处于中等增长水平。但从总量上看，活立木蓄积量较大的市州主要集中在湘西和湘南。怀化市各年的活立木蓄积量处于最高水平，湘潭市各年的活立木蓄积量处于最低水平，前者约为后者的9 倍。

基于GIS 空间分析技术，对湖南省活立木蓄积量进行分析，按照相等间隔将活立木蓄积量分为5 个等级，生成湖南省活立木蓄积量分布图，如图1所示。由于篇幅原因，只列举了2004年、2012年和2020年的分布图。从图中可看出，

图1 湖南省2004 — 2020年活立木蓄积量分布情况Fig.1 Distribution of the standing trees in Hunan Province from 2004 to 2020

2004、2012 和2020年湘西的怀化市和邵阳市活立木蓄积量均处于最高水平；湘南的永州市活立木蓄积量在这三年中均处于第二级水平，郴州市活立木蓄积量在2004年和2020年处于第二高水平，在2012年处于三级水平；到2020年湘西自治州进入第三级水平。总体来看，湖南省活立木蓄积量主要分布在湘西的怀化市、邵阳市、湘西自治州和湘南的永州市、郴州市。

2.3 各市州有林地面积分布特征

在以活立木蓄积量来分析湖南省森林植被空间分布特征的基础上，以有林地面积来进一步分析分析湖南省森林植被空间分布特征。有林地是指森林郁闭度在0.2 以上的林地和新造幼林成活株数达到标准尚未成林的林地。除衡阳市和湘潭市以外，其他市州有林地面积呈增长态势。其中，湘西自治州的增长率最大（36.15%），其次是张家界市（20.58%），均属于湘西。从总量上来看，湘西的怀化市、邵阳市、湘西自治州和湘南的永州市、郴州市有林地面积排在前列。有林地面积在很大程度上影响着活立木蓄积量，与活立木蓄积量的分布基本一致。

湖南省有林地面积分布图如图2所示。从图2中可知，湘西的怀化市有林地面积三年中均处于最高水平，邵阳市均处于第三级水平；湘南的永州市有林地面积三年中均处于第二级水平，郴州市在2012年处于第三级水平，2004年和2020年处于第二级水平；2020年湘西自治州进入第三级水平，与活立木蓄积量的分布基本一致。总体来看，湖南省有林地主要分布在湘西的怀化市、邵阳市、湘西自治州和湘南的永州市、郴州市。

图2 湖南省2004—2020年有林地面积分布情况Fig.2 Distribution of the forests in Hunan Province from 2004 to 2020

2.4 各市州森林覆盖率分布特征

考虑到各市州土地面积的差异，对活立木蓄积量和有林地面积分布产生一定影响，以森林覆盖率来更进一步分析湖南省森林植被空间分布特征。森林覆盖率是指森林面积占土地总面积的比率，是反映一个国家（或地区）森林资源和林地占有的实际水平的重要指标，一般使用百分比表示。各市州2004—2020年森林覆盖率，从增长情况来看，均有不同程度的增长，森林覆盖率增长最大的是岳阳市（22.22%），其次是常德市（20.27%），而湘潭市森林覆盖率增长最小，仅为2.77%。从绝对量来看，2020年森林覆盖率排名前三的是张家界市、怀化市和湘西自治州，均属于湘西。森林覆盖率超过60%的市州有怀化市、邵阳市、永州市、郴州市、湘西自治州、张家界市和株洲市，主要分布在湘西和湘南。

按照相等间隔将森林覆盖率分为5 个等级，生成湖南省森林覆盖率分布图。由于篇幅原因，只列举了2004、2012 和2020年的分布（图3）。从图3中可知，湘西的张家界市、怀化市、湘西自治州和湘南的郴州市森林覆盖率在这3年中均处于最高水平，其次是永州市、株洲市和邵阳市。虽然与上述活立木蓄积量和有林地面积分布有少许差异，但总体上来看，森林覆盖率较高的地区仍然分布在湘西和湘南。

图3 湖南省2004—2020年森林覆盖分布情况Fig.3 Distribution of the forest coverage in Hunan Province from 2004 to 2020

3 湖南省森林植被空间分布的影响因素

从区域环境来看，湖南省西北部、西南部和南部分别分布有武陵山、雪峰山和南岭山脉，东北部为洞庭湖平原，地形平坦开阔。森林资源主要集中在湘西、湘南及湘东山地，而湘中、湘北地区相对较少。除区域环境对湖南省森林植被空间分布产生主要影响外，经济和社会因素等也可能会对森林植被空间分布产生一定的影响。经济发展影响着森林旅游活动的能力，经济发展越高，森林旅游需求会越旺盛，对森林资源的分布会产生一定的影响。人口基数越大，公路网络建设水平越高，森林旅游的数量会越多，森林植被会在一定程度上随之提升。基于上述分析，参考既有研究结论，选取自然地理、生态、经济和社会因素来研究其对湖南省森林植被空间分布的影响。

3.1 自然地理因素

从地形地貌来看，湖南省地势呈南高北低特征，东（湘东）、南（湘南）、西（湘西）三面环山，中部为丘陵地区，盆地起伏，北部湖泊、平原交错，呈复式马蹄形丘陵性盆地的地貌特征。天然有利的地形地貌特征是湖南林业用地面积大的关键因素，省内山地丘陵的空间分布使得森林资源主要集中在湘西、湘南及湘东山地，而湘中、湘北地区相对较少。从气候条件来看，湖南省为大陆型中亚热带季风湿润气候，其特点是春季时地面上的南北气流对峙，多气旋和锋面活动，使得雨水比较多；夏季受低纬度海洋暖湿气团影响，温度高且多雨；秋季时副热带高压势力逐渐往南撤回，偏北方的气流逐渐进入并控制全省；冬季经常受到西伯利亚和蒙古高原南下的干冷气团影响，空气比较干冷，而且在准静止锋面和气旋活动的影响下，可能会出现雨雪冰霜天气。受气候影响，湖南省的地带性植被主要有常绿阔叶林、落叶—常绿阔叶林、热带针叶林和竹林等，森林资源种类丰富、储量较大。

3.2 生态、经济和社会因素

除自然地理因素对湖南省森林植被空间分布产生主要影响外，经济和社会因素等也可能会对森林植被空间分布产生一定的影响。选取可能影响湖南省森林植被空间分布的生态、经济和社会因素，主要包括：各市州人均GDP、第三产业比重、旅游业总收入、外商投资、总人口、城市化水平、公路里程和人工造林面积。以活立木蓄积量分布作为森林植被空间分布的代理变量，考虑到有林地面积和森林覆盖率对活立木蓄积量的影响，将有林地面积和森林覆盖率也作为影响因素。具体变量描述如表3所示。从表3中可知，湖南省森林植被分布有较大差异，生态、经济和社会因素中的各个变量在不同市州之间的差异也比较大。

表3 变量描述性统计Table 3 Descriptive statistics of variables

由表4可知，生态因素中的有林地面积、森林覆盖率和新增人工造林面积是影响森林植被空间分布的主要因素，解释力大小分别为0.904 6、0.708 6 和0.472 2。

表4 湖南省森林植被空间分布影响因素的地理探测器分析Table 4 Geographic detector analysis of factors affecting the spatial distribution of forest vegetation in Hunan Province

经济因素中的人均GDP 和实际利用外商直接投资金额的解释较大，解释力大小分别为0.741 7和0.615 1；第三产业比重和旅游业总收入的解释力相对较小，仅为0.350 1。社会因素中总人口、公路里程和城市化水平的解释力分别为0.608 9、0.584 4 和0.435 2。

研究表明，生态因素对森林植被空间分布具有直接影响，有林地面积、森林覆盖率和人工造林面积直接关系到森林植被空间分布。经济发展水平越高，人们对生态环境的要求越高，美化、绿化水平也就越高，尤其是自然旅游业较发达的地区，但经济的发展可能会在一定程度上以牺牲环境为代价。社会人口因素对森林植被空间分布也有着一定影响，社会发展水平越高，居民生活水平越高，区域基础设施特别是公路网络建设水平越高，区域人口数量越多，对生态旅游和乡村建设具有较大的带动作用，而山地较多的地区城市化水平低于平原地区，城市化水平越高，森林植被可能越少。

为了更进一步分析生态、经济和社会因素与森林植被空间分布的关系，利用Spearman 相关系数P对湖南省森林植被分布与湖南省生态、经济和社会因素进行相关性分析，通过相关系数P判断变量之间的相关程度。|P|≥0.5 表明两个变量之间呈中度以上相关，P＞0 表明两个变量存在正相关关系，反之为负相关关系。

由表5可得出，生态因素中的有林地面积、森林覆盖率和人工造林面积与森林植被分布高度正相关，生态因素对森林植被空间分布具有直接影响。经济因素中的人均GDP 和实际利用外商直接投资与森林植被分布为负相关关系，可能原因在于多数市州经济发展大部分来源于第一和第二产业，实际利用外商直接投资也绝大部分投资于第一和第二产业。对于山地较多、森林植被分布大的市州，第一和第二产业产值不及平原地区，但第三产业比重与森林植被分布为正相关关系，说明随着第三产业产值的增加，森林植被会在一定程度上随之提升。旅游业总收入与森林植被分布的关系较小，可能原因在于旅游业收入大部分还是来源于人文方面，这需要进一步采取措施加大生态自然旅游，随着国家森林乡村创建工作推进，对生态旅游和乡村建设将产生巨大的带动作用。社会因素中公路里程和总人口与森林植被分布高度正相关，公路网络建设水平越高，对生态旅游建设的带动作用越大；区域人口数量越多，对生态旅游和乡村建设具有较大的带动作用。城市化水平与森林植被分布为负相关关系，说明森林植被分布密集地区城市化水平较低，需要进一步推进山地区域的城市化建设。

表5 Spearman 相关系数†Table 5 Spearman correlation coefficient

4 结论与讨论

4.1 结 论

湖南省活立木蓄积量主要分布在湘西的怀化市、邵阳市、湘西自治州和湘南的永州市、郴州市；湖南省有林地主要分布在湘西的怀化市、邵阳市、湘西自治州和湘南的永州市、郴州市；森林覆盖率较高的市州有怀化市、邵阳市、永州市、郴州市、湘西自治州、张家界市和株洲市，主要分布在湘西和湘南。森林资源主要集中在湘西、湘南及湘东山地，而湘中、湘北地区森林资源相对较少。湖南省森林植被空间分布除了受自然地理因素影响外，还受到经济和社会因素的综合影响。影响因素中的有林地面积、森林覆盖率、人工造林面积、人均GDP、实际利用外商直接投资、公路里程、总人口和城市化水平的解释力度较大。具体来看，生态因素中的有林地面积、森林覆盖率和人工造林面积与森林植被分布高度正相关；经济因素中的人均GDP 和实际利用外商直接投资与森林植被分布为负相关关系；社会因素中公路里程、总人口与森林植被分布高度正相关，社会因素中的城市化水平与森林植被分布为负相关关系。

4.2 讨 论

基于GIS 空间分析技术以及地理探测器（GeoDetector）方法，对湖南省森林植被空间分布特征及其影响因素进行分析，有助于丰富湖南省森林植被地理研究内容，开展森林资源评价，为科学合理地评价指导生态环境发展提供理论支撑，也为贯彻落实国家乡村振兴战略和农村人居环境整治提供一定的参考。按照“回归大自然，走进大森林”思路[20]，发挥好青山绿水的生态优势。

现有研究多从地理学角度研究湖南省森林资源情况。本研究在从地理学角度研究湖南省森林植被空间分布特征的同时，结合生态、经济和社会等因素，分析其与森林植被空间分布的关系。由于湖南省森林资源部分更精细数据较难获得，对湖南省森林植被空间分布影响因素的分析还可进一步深入。在获得更精细更全面数据的基础上，运用相关经济理论模型，更进一步分析湖南省森林植被空间分布的影响因素。