基于GIS 的武陵源风景区峰林顶部植物群落稳定性评价

琚玉枫，田建林，丁彬彬，曾 婷

（吉首大学土木工程与建筑学院，湖南张家界 427000）

植物群落稳定性是维持生态系统稳定的基础［1］，是植物群落结构和功能的一个综合特征［2］，决定植物群落的存在和发展［3］，受群落内生物多样性、种间竞争作用、猎物-捕食关系、环境条件、生产者-分解者功能关系等一系列生物生态学过程的控制［4］。目前植物群落稳定性评价方法大体上可归为两类：一类是生物生态法，即以生物量、生产力等功能指标或以群落种类组成、年龄结构等结构指标来评价群落稳定性［3，5，6］，其中群落生物多样性和种群密度较具代表性［7］，然而此类方法的缺点是仅考虑群落自身结构功能，不太重视外界环境因子如坡度、海拔、干扰等因素对其稳定性的影响；另一类是数学生态法，采用数学模型分析群落稳定性，如Godron稳定性测定法，其能够判定群落是否稳定，局限性是无法从生境异质性方面揭示稳定性机理［8，9］。由于生态系统或群落在结构和功能上的复杂性、时空上的动态变化以及稳定性表达的多样化，研究者针对不同区域的评价指标和研究方法不尽相同，至今没有建立起完整的稳定性评价指标体系［10］。

峰林是武陵源风景区的典型景观，其顶部植物在维持生态系统稳定、延缓峰林演化和退化方面发挥了重要作用。由于峰林海拔高且互不连通、峰林顶部风大、土层薄等因素，植物群落对环境较敏感。近年来，受气候变化和人类干扰，特别是旅游活动规模和程度的加深，对峰林顶部植物产生了负面影响，植物群落面临着威胁。目前，人们对该地区植物多样性、生态敏感性、生态系统功能等方面开展了相关研究工作，如马骏［11］以生态环境阈值和旅游承载力为背景评价该区域生物多样性状况，分析了旅游活动对生物多样性的影响，并提出了景区生物多样性保护对策；朱东国等［12］运用RS 和GIS 技术采用因子加权叠加法对山地旅游城市张家界市进行生态敏感性评价；李长荣［13］对武陵源自然保护区森林生态系统服务功能进行定量估计等。相关研究多为大尺度、区域性的以物种多样性、旅游活动对生态环境的影响等方面的研究，对峰林顶部植物群落稳定性的研究尚未涉及。根据该地区特性及实际情况，构建适合峰林顶部植物群落稳定性评价指标体系并对其植物群落稳定性进行定量评价，将有助于掌握该区域植物群落状况和群落演替方向，查明不同稳定性的植物群落空间分布，从而为该区域植物保护利用和科学管理提供依据。

基于此，本研究以武陵源风景区峰林顶部植物群落为对象，借鉴植物群落稳定性评价和生态脆弱性评价［2-10，14-18］的研究方法，依托RS 和GIS 技术，综合考虑自然环境、结构功能和人为干扰因素构建稳定性评价指标体系，以30 m×30 m 栅格为评价单元对植物群落稳定性进行定量评价及分布制图，在分析影响植物群落稳定性因素的基础上提出针对性的保护和管理建议，以期为张家界地貌区植物资源合理利用和科学管理提供参考。

1 研究区域概况、数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

武陵源风景区位于湖南省张家界市武陵源区，地理坐标为110°39′—110°53′N、29°30′—29°40′E，总面积67.78 km2，为典型的石英砂岩峰林地貌，地势由西北向东南倾斜，起伏大，平均海拔为808 m，最高海拔为1 264.5 m，最低海拔为308 m。属亚热带山原型季风湿润气候，多年平均气温为12.8 ℃，多年平均降雨量为1 228.5 mm，年日照时数为809.8 h，年平均空气相对湿度为85%，年平均风速为2.3 m/s。区内主要河流有金鞭溪和索水；森林资源丰富，植被覆盖率达80%以上。

研究区内有石英砂岩峰柱3 103 座，峰柱独立分布，相对集群且存在相对高差；峰林顶部环境恶劣，对植物生长不利。峰林生态系统在提供良好生态服务的同时，也为人们休闲观光提供了优质的景观资源。作为全域旅游的重点开发区，旅游活动虽为人们带来了巨大的经济效益，但也给当地的生态环境带来了不良影响，如植被破坏、环境污染、河流水质下降等。目前用于旅游开发的主要区域有黄石寨、金鞭溪、十里画廊、大观台、点将台等（图1）。峰林顶部植被为针叶林或针阔混交林，部分峰柱顶部植物稀少，代表性植物有武陵松（Pinus massonianavar.wulingensis）、枹栎（Quercus serrataThunb）、马尾松（Pinus massonianaLamb）、樟［（Cinnamomum camphora（L.）Presl）］、鹿角杜鹃（Rhododendron latou-cheaeFranch）、交让木（Daphniphyllum macropodumMiq.）等。

图1 武陵源风景区峰林空间分布

1.2 数据来源与处理

主要使用的数据包括遥感数据、高程（DEM）数据、植物群落结构数据等。遥感数据和DEM 数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn），前者用于提取植被指数、道路数据，后者用于提取海拔、坡度、坡向、粗糙度和区域河网。植物群落结构数据来源于遥感影像目视解译和野外调查。

在ENVI5.2 中对遥感数据进行预处理，包括大气校正、几何校正等。在ArcGIS 中使用Slope 工具和Aspect 工具计算坡度、坡向。对所有数据进行裁剪，空间分辨率统一为30 m×30 m 的栅格数据，投影坐标系为WGS_1984_Mercator，保证所有数据在空间上的一致性。

其中，归一化植被指数的计算式如式（1）所示。

式中，INDVI表示归一化植被指数，INIR表示近红外波段的反射值，IR表示可见光红光波段的反射值。

粗糙度的计算式如式（2）所示。

式中，M表示地面粗糙度，∝表示坡度。

1.3 研究方法

1.3.1 评价指标体系构建 参考文献［4-6，15-18］，综合考虑研究区域数据获取的可行性，遵循科学性、全面性、主导性、定性与定量相结合的原则兼顾研究区域的实际情况，从自然环境、群落结构功能和人为干扰3 个方面构建指标体系（图2）。

图2 植物群落稳定性评价指标体系

自然环境指标包括有机体以外的所有自然环境要素，主要影响植物个体的生存和生长状况、群落的结构和功能等。综合考虑选取了海拔、坡度、坡向、粗糙度和水土综合因子进行表达。其中，海拔影响温度的变化，气温随海拔升高而降低。坡度是地面两点间垂直距离与水平距离之比，坡度越大，越易发生水土流失。坡向对于植物生态有着重要的作用，不同坡向太阳辐射强度和日照时数存在差异，影响水热状况和土壤理化性质，引起同一高度不同坡向的植物种类和丰富度产生差异。粗糙度是衡量地表起伏变化和侵蚀程度的指标，一定的粗糙度有利于减少土壤侵蚀，植物类型也更丰富。水土综合因子用于衡量区域土层厚度及水分状况。

群落结构功能指标反映的是系统内部的稳定性、抗干扰能力和敏感性，包括植物群落结构和植被指数。植物群落结构是植物在群落内按一定规律组合排列的现象，植物群落结构越完整、越复杂，其稳定性越高。植被指数反映植物生长状况，植被指数越高，区域内植物生长状况越好，植被覆盖度越高，其生态功能越好，植物群落越稳定。

人为干扰既可以改善植被群落环境，也可以使环境退化，这里主要指人类各种经济活动对群落产生不利影响的指标。选用道路、交通设施和购物消费点来反映干扰程度。

1.3.2 指标标准化与权重确定 由于各类指标物理意义及量纲不同，无法直接进行评价，所以对各指标进行标准化处理。将定量指标和定性指标分别采用极差法和分等级赋值法，使其值标准化为0～5。

1）极差法。评价指标与稳定性的关系有正向和负向之分。其中，正向关系是评价指标值越大，稳定性越高；负向关系是评价指标值越小，稳定性越高。负向指标包括海拔、坡度、一级河流、二级河流、暂时性水道和水库；正向指标包括植被指数、植物群落结构、粗糙度、车道、主要游道、次要游道、购物消费点、停车场、车辆临时停靠点和索道及电梯站。指标标准化公式如下。

式中，di表示第i项评价指标的标准化值；xi表示第i项评价指标的原始值；max{xi}、min{xi}分别表示第i项评价指标的最大值和最小值。

2）分等级赋值法。对于定性指标，包括坡向和植物群落结构，依据相关研究成果［17］对其直接分级赋值进行标准化处理（表1）。

表1 分等级赋值标准

综合考虑德尔菲法、层次分析法、专家问卷调查法等方法的优缺点和适用性，采用层次分析方法和等分法确定因子权重（表2）。可区分因子间相对重要程度的指标（D 层），采用层次分析法确定指标权重；因子间相对重要程度相差不大或无法判断哪个因子更为重要的指标，赋予同等权重（B 层和C 层）。最后通过累乘法确定各项指标综合权重。使用层次分析法的指标有水土综合因子（C3）、交通设施（C8）和道路（C10），其中，C8 和C10 的一致性检验指标CI、平均随机一致性检验指标RI和随机一致性比率CR分别为0.000、0.052、0.000，通过一致性检验；C3的CI、RI和CR分别为0.000、0.890、0.000，通过一致性检验。

表2 稳定性评价指标权重

1.3.3 GIS 叠加分析与稳定性分级 使用加权求和，计算群落稳定性指数，计算式如式（5）所示。

式中，Wi为第i项指标的权重；Xi为第i项指标；CSI为群落稳定性指数。

为便于群落稳定性的度量和比较，对CSI进行标准化处理。标准化计算式如式（6）所示。

式中，Si为各个栅格所代表的群落稳定性指数的标准化值，变化范围为0～5；CSIi为各个栅格所代表的群落稳定性指数；CSImax和CSImin分别为群落稳定性指数的最大值和最小值。

在CSI标准化基础上，借鉴生态脆弱性评价标准［18］，结合植物群落稳定性特征，根据研究区具体情况，采用自然间断点法将群落稳定性划分为5 个等级，从高到低依次为极度稳定（Ⅴ）、稳定（Ⅳ）、比较稳定（Ⅲ）、不稳定（Ⅱ）和极不稳定（Ⅰ）（表3）。

表3 植物群落稳定性分级标准

2 结果与分析

2.1 峰林顶部植物群落所在区域各稳定性级别面积与比例

依次从自然环境、群落结构功能、人为干扰3 个方面进行植物群落稳定性评价（图3a、图3b、图3c），叠加后得到稳定性评价成果图（图3d）。在ArcGIS中对植物群落稳定性分级后统计各级稳定性的区域面积和占比。结果显示，稳定性在Ⅲ级及以上的植物群落所在区域占比超2/3，植物群落结构和功能较完善，抗干扰能力和自我恢复能力在生态阈值之内；Ⅱ级和Ⅰ级的植被群落分布区共占29.5%，植物群落结构和功能存在缺陷，抗干扰能力差，敏感性强，受损后恢复难度大。Ⅴ级的植物群落面积分布区为14.37 km2，占总面积的21.2%；Ⅳ级的植物群落面积分布区为17.16 km2，占总面积的25.3%；24.0%的植物群落分布区为Ⅲ级，面积为16.26 km2；Ⅱ级和Ⅰ级的植物群落面积分布区分别为13.74 km2和6.25 km2，占研究区面积的20.3%和9.2%。

图3 武陵源风景区峰林顶部植物群落稳定性评价指数空间差异

2.2 峰林顶部植物群落稳定性空间分布

从稳定性空间分布情况看（图3d），群落稳定性空间分布呈东高西低、南高北低的格局特征，稳定性较低的群落主要分布在北部和西南部，稳定性较高的群落主要分布在东部和东南部。其中，Ⅴ级和Ⅳ级的植物群落主要分布在十里画廊、金鞭溪、水绕四门和大观台南部；Ⅲ级的植物群落主要分布在大观台西部、神堂湾西部以及十里画廊西部；Ⅱ级和Ⅰ级的植物群落主要分布在黄石寨、迷魂台、四十八将军岩、月亮垭、点将台、神堂湾东北部、大观台中部和鹞子寨北部。

3 讨论与小结

3.1 讨论

3.1.1 评价方法的选择和运用 本研究将自然环境、群落结构功能和人为干扰指数作为植物群落稳定性评价的3 个基本判定指标，构建多目标多层次的评价指标框架，形成了以综合指数法、层次分析法、RS 和GIS 相结合的峰林顶部植物群落稳定性综合评价方法，所得结果符合峰林顶部植物群落状况。层次分析法将定性指标与定量指标相结合，为指标赋权问题提供了方法，使得评价指标权重的分配更符合地方实际。本研究所使用的方法操作简单，较全面客观；可掌握植物群落的稳定性及不同稳定性植物群落的分布情况；适用面广，区域范围可大可小，有较大的应用价值。其缺点是尚存在主观因素的干扰。

数据分类方法中，等间距分类法原理简单，方便计算，比较适合用于温度、成绩、百分比等范围、间隔都为人熟知的数据，但此分类方法可能会出现“空类”；标准差分类法适合于正态分布的数据，用于表示与均值相异的程度。综合考虑，本研究在对各指标值分类时采用自然断点法，通过计算每类的方差，再计算这些方差之和，用方差大小来比较分类的优劣，考虑到了数据的统计分类特征。

在评价指标选取中，高润梅等［19］在考虑群落整体稳定性和结构稳定性的基础上，选取乔木层优势树种更新潜力、物种多样性、Godron 指数、立地质量和保护程度5 项特征指标评价山西省文峪河上游河岸林群落稳定性；冶民生等［20］选取植被盖度、复杂度、多样性、演替度等植物稳定度数量特征指标和气候、地形、土壤等外部环境因子建立评价体系分析岷江上游植物群落稳定性。本研究从自然环境、群落结构功能和人为干扰3 个方面构建指标体系对峰林顶部植物群落稳定性进行评价。在自然环境指标选择上，受研究区尺度的限制，气温和降水差异极小，故假设研究区气温和降水无差别。因研究区海拔高，海拔和气温间呈函数关系，所以用海拔因子代替气温。区域地势起伏大，土层厚度和水分数据获取较难，考虑到河流上游比降和流速大，以侵蚀为主，河流下游地势平坦，流速小，以堆积为主，故假设河流上游土层薄，下游土层厚，离河流越近土壤含水量越大，离河流越远土壤含水量越小，从而用水土综合因子表示土层厚度和水分。

3.1.2 影响植物群落稳定性的因素 从武陵源风景区峰林顶部植物群落稳定性评价指数空间差异分析可得，造成峰林顶部植物群落不稳定的原因可能有以下3 个方面。第一，峰林自身特性及植物生境。峰林顶部海拔高，相较于峰林底部，其温度低、接受的太阳辐射强、风大；峰林顶部土地与周围土地不相连，植被间联系较小；峰林顶部植被立地空间有限、土层薄、土壤贫瘠，土壤保水蓄水能力差，含水量低；部分峰林顶部几乎无土壤，岩石裸露，植物仅能在其边缘生存。第二，人为干扰。该地是旅游开发重点区，为旅游活动而修建的规模较大的服务设施如车站、公路、购物中心、餐馆、观光索道等多集中于此处，致使原有的土地利用方式发生了改变，从而造成了生态系统的隔离和破碎化；汽车、餐馆以及游客带来的废水、废气和固体废弃物在一定程度上污染了环境，引起了区域生态环境的退化，加剧了群落的不稳定。第三，群落结构功能。将研究区群落结构功能指标值的可视化结果与群落稳定性空间分布情况进行对比分析，植物群落结构功能对峰林顶部植物群落稳定性的影响不大，这可能与植物群落结构基础数据的分类有关。

3.1.3 植物群落的保护与管理策略 根据植物群落稳定性分析结果，提出4 点针对性保护开发建议。首先，总体上要依照植物群落的稳定性程度实施分类管理，尤其是要加强脆弱性、敏感性强、稳定性差的区域的监控与管理。通过合理布设游客集散与服务中心、科学规划景区内外部交通系统、倡导绿色低碳旅游方式和行为等措施，尽可能地减少人为干扰对景区自然环境的影响。其次，Ⅱ级和Ⅰ级区域，如黄石寨、鹞子寨、点将台等生态敏感区域，要尽量少设置购物消费点、交通场点。合理安排游客观光时间和路线，减少人员大量聚集在某一地点；对于餐馆、索道站等设施所产生的废弃物，要统一回收处理或达到相关排放标准后再排放到环境中。再次，Ⅲ级区域，如大观台西部、神堂湾西南部，这些地区主要是农业生产区，应尽量减少陡坡开垦，实施坡改梯工程；对坡度较大区域，实施工程固坡与生物固坡相结合的方法，提高植被覆盖率，减少水土流失；对条件允许的裸地荒地进行植树种草，增加植被覆盖度。最后，Ⅴ级和Ⅳ级的区域，如大观台南部、十里画廊西部、水绕四门和金鞭溪的大部分区域，旅游活动较少，应继续保持和维护区内良好的生态平衡，防止群落稳定性降低。

3.2 小结

1）峰林顶部植物群落总体较稳定，仍有近1/3的区域，其峰林顶部植物群落存在退化风险。

2）植物群落稳定性空间分布呈东高西低、南高北低的格局特征。稳定性较低的群落主要分布在北部和西南部，稳定性较高的群落主要分布在东部和东南部。

3）植物群落稳定性是自然因素和人为干扰等因素综合作用的结果，在影响植物群落稳定性的因子中，相较于群落结构功能因子，自然环境和人为干扰因素的影响程度更深。

由于某些指标的相对重要程度无法判断，且尚不清楚造成峰林顶部植物群落稳定性差异的生态学机制，未来可对其深入研究。