基于GIS的南宁市人工林空间格局变化分析

刘震峰，吴丽娟，郭道峰，梁 耀

（1.广西壮族自治区林业勘测设计院，广西南宁 530011；2.自然资源部北部湾经济区自然资源监测评价工程技术创新中心，广西南宁 530011）

森林是陆地生态系统的主体和重要资源，是人类生存发展的重要生态保障。随着经济发展与人口增加，人类从大自然中获取资源的步伐加快，导致森林被过度采伐和利用，天然林资源减少。过度采伐也带来了生态环境恶化、生物多样性被破坏、物种灭绝和全球变暖等诸多问题。

近年来，随着人们对森林保护重要性认识的加强，学者们开始探索人工林可持续经营方式，从不同方向对人工林发展进行研究。盛炜彤[1]对我国人工林生产力的现状、不能保持生产力的原因和机理及长期保持人工林生产力的技术对策进行分析；谭向平等[2]分析华南地区人工林资源状况和经营现状，提出可持续经营的对策；刘喻娟[3]、邵殿坤等[4]分别从林种、龄组和树种结构等角度对广东省和吉林省的人工林资源进行调查，并提出经营管理对策。

广西人工林在林分面积和木材产量上长期位居全国第1，区域植被生态质量较好。南宁市是广西首府及全区政治、经济和文化中心[5]。近10年来，南宁市人工林资源发生较大变化，研究其资源空间格局变化，对提升南宁市人工林经营质量和人工林生态系统功能有重要意义。本研究采用ArcGIS 软件结合数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和2009 — 2019 年的森林资源数据，探讨南宁市人工林资源空间格局变化的影响因素和规律，旨在为南宁市人工林可持续经营提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

南宁市（107°45′～108°52′E，22°13′～23°33′N）位于广西中部偏南区域，是广西首府，市域面积221.04 万公顷，辖兴宁区、青秀区、江南区、西乡塘区、良庆区、邕宁区和武鸣区7 个城区及隆安县、马山县、上林县、宾阳县和横州市5 个县（市），建有南宁高新技术产业开发区、南宁经济技术开发区和广西-东盟经济技术开发区3 个国家级开发区。南宁面向东南亚，背靠大西南，东邻粤港澳，南临北部湾，处于“一带一路”的重要节点，是华南经济圈、西南经济圈和中国-东盟经济圈的交汇点[6]，具有近海、近边和沿江及沿线“两近两沿”的特点。南宁地处亚热带南缘，北回归线从北部武鸣区、上林县、马山县及大明山穿过[7]，地形为以邕江广大河谷为中心的盆地形态，地貌有平地、低山、石山、丘陵和台地5种类型[8]。良好的水、热条件孕育了丰富的植物资源[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 数据库建立

收集南宁市2009 年森林资源规划设计调查数据、2016 年林地变更数据和已衔接第五次森林资源规划设计调查数据的2019 年森林资源管理“一张图”成果数据。2009年数据采用的坐标系为54国家坐标系，2016 和2019 年数据采用的坐标系为2000国家大地坐标系；采用ArcGIS 10.2软件，利用7个参数将2009 年的数据转换为2000 国家大地坐标系数据。统一坐标系后，建立南宁市2009、2016 和2019年人工林地理信息系统数据库。

1.2.2 地形因子处理

采用25 m 分辨率DEM 数据，通过ArcGIS 10.2软件中的3D Analyst 工具生成坡度、坡向栅格图；参考《广西森林资源规划设计调查技术方法》（2008版）坡度和坡向分级标准，结合实际情况，利用重分类命令（Reclassify）将提取的栅格信息分为6类坡度和9 类坡向（图1a ～b）[10]；将再分类的坡向图转为矢量图，通过Spatial Analyst 工具中的分区统计（Zonal Statisics）提取每个坡面最大高程和最小高程，通过栅格计算器（Raster Calculator）计算各坡面坡位，生成4类坡位（图1c）。

图1 地形因子栅格图Fig.1 Grid diagrams of terrain factors

式中，Xmax为坡面最大高程值（m）；Xmin为坡面最小高程值（m）。

1.2.3 空间分析

1.2.3.1 联合处理

采用ArcGIS 10.2 软件中的联合工具（Union）计算3 个时期小班图层的几何并集[11]。确定处理要素所需的空间参考，对要素进行裂化和聚类，生成所有要素类中各要素间的几何关系（重叠），将新要素写入输出子集中。

1.2.3.2 数据处理

对各年数据进行对比，除坐标系差别外，影响多期人工林数据空间分析的还有起源代码、林种代码和行政范围等因素。依据2019 年森林资源管理“一张图”数据库标准和行政范围，对这些信息进行规范和统一。

1.2.3.3 信息提取

提取联合输出子集中的人工林小班，剔除0.04 hm2以下面积小班后，将小班图层与地形因子栅格图叠加，采用广西壮族自治区林业勘测设计院自主研发的信息提取软件V1.0将栅格信息提取至3期小班对应字段。蓄积量、树种和林龄数据来自2009年森林资源规划设计调查数据、2016 年林地变更数据和2019 年森林资源管理“一张图”成果数据。采用SQL Server 数据统计软件，对南宁市现有人工林进行空间分析，统计坡位、坡度、坡向、海拔、树种、蓄积量、单产、林种和林龄结构空间资源量，分析空间分布变化。

2 结果与分析

2.1 坡位变化

坡位是影响林分生长的重要环境因子[12]。2009—2019 年，南宁市人工林集中分布于中坡，呈增加趋势；其次为下坡（图2a）。分布于中坡的人工林面积占人工林总面积的比例在3 个时期均超过70%，由2009 年的38.05 万公顷增至2019 年的50.15万公顷，增幅为31.80%；其他坡位的人工林面积均有增加，但变化不大，下坡、上坡和全坡的人工林面积分别增加2.75万公顷、1.52万公顷和1.23 万公顷。南宁市以丘陵居多，因此分布于中坡的人工林面积较大，分布于其他坡位的人工林面积较小。

图2 2009—2019年南宁市人工林空间变化特征Fig.2 Characteristics of plantation spatial changes in Nanning from 2009 to 2019

2.2 坡度变化

2009 — 2019 年，位于斜坡的人工林面积由22.09 万公顷增至29.82 万公顷，增幅为34.99%，增加面积最大；位于陡坡的人工林面积由13.89 万公顷增至17.55 万公顷，增幅为26.35%，增加面积仅次于斜坡；其他坡度的人工林面积增加较少（图2b）。各坡度人工林面积占人工林总面积的比例在3个时期均表现为斜坡＞陡坡＞缓坡＞平坡＞急坡＞险坡。南宁市位于桂南地区，水热条件好，土壤肥力高，随人工林经济价值提升，陡坡以下林地被不断开发利用；2019 年数据显示位于陡坡以下的人工林面积为65.26万公顷，占人工林总面积的94.33%。

2.3 坡向变化

2009 — 2019 年，南宁市人工林主要分布在无坡向，其分布面积由8.78 万公顷增至12.18 万公顷，增幅为38.72%；3 个时期人工林面积分布均表现为无坡向＞西坡＞北坡＞东坡＞南坡＞东南坡＞西北坡＞西南坡＞东北坡（图2c）。南宁市位于北回归线以南，人工林面积最大的树种为桉树（Eucalyptusspp.），其为阳性树种；无坡向和西坡均日照时间长、气温高，较适合桉树生长。

2.4 海拔变化

2009 — 2019 年，南宁市人工林主要分布在海拔300 m 以下，其人工林面积占人工林总面积的比例由77.13%升至82.95%（图2d）。在海拔100 m 以下，人工林面积增加速度最快，由2009 年的2.69 万公顷增至2019 年的20.30 万公顷，增长了6.55 倍。在海拔100 ～200 m，各时期人工林面积占人工林总面积的比例均最高。南宁市以丘陵为主，2019 年成果数据结合DEM 显示，分布于丘陵的南宁市人工林面积占人工林总面积的87.40%，低海拔的地理优势为桉树提供了良好的生长环境。

2.5 树种变化

2009 — 2019 年，南宁市人工林面积分别为51.58 万公顷、57.17 万公顷和69.18 万公顷，增幅为34.12%（表1）。2009、2016 和2019 年，桉树和马尾松（Pinusmassoniana）人工林面积占人工林总面积的比例均较高，分别为47.21%、69.07%和64.08%及31.06%、12.77%和17.29%；桉树人工林面积从2009年的24.35万公顷增至2019年的44.33万公顷，增幅为82.05%；马尾松人工林面积减少，从2009 年的16.02 万公顷减至2019 年的11.96 万公顷，降幅为25.34%；阔叶树、竹类和经济灌木人工林面积呈增加趋势；杉木（Cunninghamialanceolata）、国外松和经济乔木人工林面积呈减少趋势。桉树人工林面积逐年增加是南宁市人工林面积增加的关键因素。

表1 2009—2019年南宁市人工林树种分布Tab.1 Distributions of tree species in plantations in Nanning from 2009 to 2019

2.6 蓄积量和单产变化

2009 — 2019 年，随人工林面积增加和种植技术提升，人工林蓄积量增加，分别为2 513.21万立方米、4 099.71 万立方米和5 305.15 万立方米，单产分别为48.72、71.71 和76.69 m3/hm2，蓄积量和单产分别提升111.09%和57.41%（表1）。由于种植结构调整，桉树人工林面积大幅增加；马尾松、杉木人工林虽面积有所减少，但单产提高，因此南宁市人工林蓄积量和单产均增加。

2.7 林种变化

南宁市人工林包括防护林、特用林、薪材林和经济林。2009 — 2019 年，南宁市用材林面积增加明显，其占人工林总面积的比例一直保持在87%左右，分别为44.21 万公顷、50.11 万公顷和60.86 万公顷，10 年间增加16.65 万公顷（表2）。其他林种在3个时期均占比较低。说明南宁市发展人工林的重心为保障木材产量输出。

表2 2009—2019年南宁市人工林林种分布Tab.2 Distributions of forest categories in plantations in Nanning from 2009 to 2019(×104 hm2)

2.8 林龄变化

统计乔木林各龄组的分布（表3）。2009 年，除过熟林面积占人工林总面积的比例较低外，其他龄组面积占比均衡；2016 年，成熟林、过熟林面积占比较大，幼龄林、中龄林和近熟林面积占比偏低；2009—2016 年，幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林结构比重由22∶27∶22∶23∶6转变为6∶12∶10∶41∶32。2019 年，幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林结构比重为25∶16∶17∶24∶18，中龄林、近熟林和过熟林面积占比偏低，但相差不大，结构趋于合理。合理的龄组结构是人工林可持续经营的关键，中龄林和近熟林是向成熟林自然发展的重要组成，应是森林资源的主体，需保持合理且稳定的水平。

表3 2009—2019年南宁市人工林龄组分布Tab.3 Distributions of age groups in plantations in Nanning from 2009 to 2019(×104 hm2)

2.9 区位变化

南宁市人工林较集中分布在横州市、武鸣区和宾阳县。各地人工林面积均增加；青秀区、良庆区、隆安县、马山县和上林县2019年的人工林面积占人工林总面积的比例均有所上升；兴宁区、江南区、西乡塘区、邕宁区、武鸣区、宾阳县和横州市人工林面积占比均下降。2009 — 2016 年，人工林减少区域主要集中在马山县西南部、上林县南部、宾阳县西部和横州市，人工林增加区域主要集中在武鸣区北部、隆安县北部、良庆区、青秀区和兴宁区，人工林面积净增加5.59 万公顷；2016—2019 年，人工林减少区域分布较分散，人工林增加区域主要集中在马山县南部、上林县南部和横州市，人工林面积净增加12.01 万公顷（图3）。人工林的变化主要反应在人工林与天然林、人工林与其他林地及非林地间的转变上。

图3 2009—2016和2016—2019年南宁市人工林空间变化Fig.3 Spatial changes of plantations in Nanning from 2009 to 2016 and 2016 to 2019

3 讨论与结论

本研究从坡位、坡度、坡向和海拔及树种、蓄积量、单产、林种、林龄和区位10个影响因子分析南宁市人工林变化。结果显示，2009 — 2019 年分布于中坡、斜坡、无坡向和海拔300 m 以下的人工林面积变化较大；树种以桉树为主，面积增幅达82.05%；蓄积量和单产分别提升111.09%和57.41%；龄组结构趋于合理，中龄林、近熟林储备稍显不足；随经济建设发展和城市扩张，人工林变化主要集中在林地集中区域。桉树是人工林面积和蓄积量提升的关键因素。

人工林空间格局变化受多方面因素影响。王珮璇[13]对广西桉树人工林立地质量进行评价，结果显示不同坡度的土壤肥力质量表现为15° ～30° ＞0°～15°＞30°；陈振华等[14]研究中，土壤有机质随坡位增加呈减少趋势，上坡林分生长劣于中下坡。前人研究成果与本研究有一定相似之处。本研究未考虑气温、降水量、光照、自然灾害和社会经济等因素对人工林变化的影响，有一定局限性。

南宁市是广西桉树重点发展地区，桉树面积占人工林面积比例最大。因以桉树为主的人工林产量高、生长周期短且收益率高，其他林地向桉树人工林转变；在转变过程中，出现了因不科学经营带来的生态服务功能减弱、区域地力退化和病虫害频发等问题。结合南宁市地理位置特点和城镇化建设不断加快的需求，未来南宁市人工林的发展应由面积增加向质量提升转变，进一步强化顶层规划设计；通过结构调整，由生产经营逐步转向森林康养和森林公园等生态系统服务模式；通过制定更科学的森林多目标经营方案，将人工林从单一经营转变为多元化可持续经营。

利益冲突：所有作者声明无利益冲突。

作者贡献声明：刘震峰负责数据收集与分析、论文撰写与修改和文献检索；吴丽娟负责研究计划制定，并参与论文撰写与修改；郭道峰参与数据收集和图片制作；梁耀参与论文撰写与修改。