近40 a闽江流域森林景观格局动态变化

亓兴兰

(福建林业职业技术学院,福建 南平 353000)

森林景观的主体是森林生态系统,其在某一地理区域内由不同的森林群落组成,在森林生态系统整体格局和功能中发挥重要作用,如各种类型的天然林、人工林、灌木林等,是一种复合生态系统,对人类社会的可持续发展有直接影响[1-2]。景观格局由生态过程长期作用而来,直接影响景观过程[3],具体是指不同景观要素数量、规模、组成、形状及其在地理空间位置上的分布与配置[4],可以反映异质景观要素之间的相对关系,直接影响森林景观的各种功能,如生物多样性、社会供给和生态调节等[5-6]。森林景观格局形成的主要原因是空间异质性。空间异质性也是森林景观的显著属性,体现为其在不同时间和空间尺度上的变化不同[7]。景观空间格局变化受自然环境和人类活动等多种因素相互作用,景观斑块的类型与空间组合影响区域生态过程和边缘效应[8]。因此,分析区域景观空间格局及其变化,可以综合反映区域景观生态状况、生态体系与空间变异,从而促进人们更好地保护森林资源和可持续经营森林[8]。研究森林景观格局可以预测景观变化。研究区域内各种因素对景观的影响规律并分析其驱动力,可以促进森林经营与恢复以及景观资源的可持续利用,实现人与自然和谐发展[9-10]。目前,关于森林景观的研究主要集中在景观格局特征分析[11-18]、空间优化[19-21]、动态演变与驱动力分析[22-24]、未来演替动态模拟[25-27]等方面。国内外学者利用数学模型、面积转移矩阵、景观格局指数等方法,基于不同尺度,进行了景观格局变化与优化分析、森林经营规划与优化、生态功能评价等多角度的森林景观研究与动态分析[28-30],但时间跨度大、区域面积大的森林景观格局动态研究并不多见。

闽江发源于闽赣边界的武夷山,蜿蜒于武夷山与戴云山两大山脉之间,于南平市自西北向东南流至福州市以东,分两支注入东海,全长577 km,流域面积达6.1万km2,是东南沿海流域面积最大的河流。闽江流域森林覆盖率高、资源丰富,对福建省的经济发展发挥了重大作用。学者们对闽江流域森林景观进行了多方面的研究。比如,亓兴兰等[31-33]基于RS和GIS,利用TM影像,开展了闽江流域土地利用结构、土地利用景观格局及驱动力、森林景观格局变化分析;刘健等[34-35]开展了南平市土地利用时空变化研究,以及闽江流域生态公益林景观格局变化分析与高效空间配置研究;严绍裕[36]分析了闽江流域5个典型的国家级自然保护区森林丧失的时空动态演变。

1 研究区概况

闽江是福建省的第一大江与最大水系,以南平、水口为界,划为上、中、下游[32],流域面积占福建省总面积的一半。流域地势呈阶梯状降低,中山、低山和丘陵是主要地貌。闽江流域年平均气温18～20 ℃,降水丰富,年降水量多在1 600～1 800 mm,属于温暖湿润的季风气候。流域森林覆盖率高,森林类型多为天然次生林与人工针叶林、针阔混交林等,针叶林面积大于阔叶林,原始林较少。流域森林植被类型主要有竹林、灌木林、常绿针叶林、常绿阔叶林与栽培植被等。其中,常绿阔叶林林相整齐、植被稳定,优势树种为乔木,空间层次分为3～4层,最上层为储拷类;常绿针叶林优势树种为杉木(Cunninghamialanceolata)、马尾松(PinusmassonianaLamb)等;竹林组成单一、结构简单,间或在闽北地区与杉木等乔木树种形成杉竹混交林;灌木林分布零散、面积小,主要来源于破坏退化的常绿阔叶林;栽培植被主要为经济林。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究遥感数据为1986年、2003年、2021年3期Landsat影像数据,其他数据为福建省森林资源连续清查数据,以及福建省行政区划图、植被类型图、水系图与土地利用现状图、1∶1万地形图等。

利用Erdas Imagine 9.2软件对影像进行几何精校正、镶嵌、裁剪等处理,获得研究区遥感影像。同时,对影像进行增强处理,以提高分类精度。利用分层分类方法[32]提取森林景观地类。具体做法是首先分析某一类地物的光谱、时间与空间特征,然后进行典型特征波段组合,针对此类地物的遥感影像特征反映,进行专题信息提取。一种地物的专题信息提取完成后,利用图像掩膜等处理技术,屏蔽此类地物信息。一层即一类,目标明确,问题简单,能够避免地物光谱信息与纹理特征的相互干扰,可为每一类地物的提取提供相对纯净的环境,从而提高各类地物提取和最终结果的精度。在获取森林分布结果图后,利用Fragstats 4.2软件计算各指标,动态分析流域森林景观格局。

2.2 研究方法

2.2.1 景观类型划分

森林景观本质是一种自然景色,以森林植被为主体且在时空点视野范围之内。目前,森林景观类型划分主要依据景观尺度与斑块体特征,以及基质形状、大小和色调等森林景观的外在特征,标准并不统一[18]。

一般构建两个层次:基于林地利用类型构建一级景观类型;在此基础上,再利用起源、森林类型和优势树种构建二级景观类型[37]。本研究基于数据资料与林业实际,结合土地利用现状分类国家标准与国家森林资源连续清查技术规定,将研究区森林景观分为有林地、疏林地、灌木林地、未成林造林地、无立木林地5种景观类型。为了方便描述流域森林景观的动态变化,本研究将1986—2003年称为前期,2003—2021年称为后期。

2.2.2 景观格局指数构建

景观格局用来描述异质景观要素,表达其数量、形状、空间分布模式与规模[38]。景观格局指数是分析景观格局的指标,可以有效评估景观组成要素的空间结构特点,反映其特征,如优势景观类型、景观破碎程度等[37,39-40]。景观格局指数构建可分为斑块水平、景观要素水平和景观水平3类尺度[2]。本研究从景观要素斑块特征、景观要素空间构型与景观异质性3个方面构建景观格局指数,见表1。

首先将高纯锡样品加工至仪器分析要求的尺寸；用车床刨光处理样品分析面使其待测面光滑平整(能完全遮挡住样品盒中激发孔并保证无缝隙露出)；用硝酸和超纯水配制出5%稀硝酸，将待测样品进行泡洗后再用超纯水反复清洗，之后在干净环境用普通氩气将其吹干。

表1 构建的景观格局指数

3 结果与分析

3.1 景观要素斑块特征

经过数据处理,获得各年度闽江流域森林景观分布,见图1。通过计算,得到各期景观要素斑块特征指标,见表2～表4。

图1 闽江流域森林景观分布Fig.1 Distribution of forest landscape in Minjiang valley

表2 1986年闽江流域森林景观要素斑块特征Tab.2 Characters of forest landscape element patch in Minjiang valley in 1986

表3 2003年闽江流域森林景观要素斑块特征Tab.3 Characters of forest landscape element patch in Minjiang valley in 2003

表4 2021年闽江流域森林景观要素斑块特征Tab.4 Characters of forest landscape element patch in Minjiang valley in 2021

由图1可见:近40 a来,有林地一直是闽江流域的主要景观,是该地区景观的基质类型,且在面积及空间分布上呈上升趋势。前期,有林地及各类型林地分布都较零散,这是由于20 a来,对森林资源的过度开发利用导致林相破碎化严重;后期,有林地及其他地类林相较完整,分布整齐且连接成片,其中,有林地和疏林地主要分布于闽江上游和下游,未成林造林地主要分布于闽江中游、下游,灌木林地与疏林地主要分布于闽江上游、中游。

斑块面积与斑块周长影响单位面积生物量和景观要素多样性,体现生态系统特质,是分析景观空间格局的基础[35]。由表2～4可见:近40 a来,闽江流域林地总面积增加,有林地一直控制着该地区的景观。有林地面积显著增加,疏林地面积显著降低,其他地类的斑块面积与周长也都有不同程度的变化。从面积占比来看,1986年、2003年、2021年3期景观中,有林地面积的占比分别为57.02%、60.86%、68.28%;分阶段来看,前期有林地面积占比增幅较小,后期增幅较大。40 a来,由于持续植树造林及加强对森林资源的保护,大量无立木林地转变为有林地。但前期,由于对木材的需求量较大,虽然进行了植树造林,但有林地面积增幅不大;后期由于加大了对森林资源的保护,有林地面积增幅变大。从斑块数看,前期流域总的斑块数增加;后期总的斑块数减少。由于前期人类活动对森林资源的过度干预,导致各地类景观零散分布,森林景观破碎化程度上升;后期通过绿化造林及对森林资源的保护,各地类景观林相完整,分布成片,总的森林景观破碎化程度下降。

斑块平均面积反映某类景观要素斑块规模的平均水平[35]。分地类分析可知,有林地总面积增加;前期斑块数增加,后期斑块数减少,斑块总数减少,平均斑块面积增大。由于林木皆伐或择伐,有林地转为无立木林地、疏林地,疏林地转为无立木林地,前期总面积增大,后期面积减少,总面积减少;前期斑块数增大,后期减少,斑块平均面积减少。灌木林地前期面积增大,后期面积减少,分布较零散,主要由常绿阔叶林遭受破坏退化而成;斑块数前期增大,后期减少,斑块总数减少,平均斑块面积减少。未成林造林地前期面积减少,后期面积增大;斑块总面积增大,斑块总数增大,平均斑块面积增大。

分析可知:有林地景观类斑块面积标准差和变动系数增大,斑块规模变异程度最大;无立木林地类斑块面积标准差和变动系数增大;其他地类类斑块面积标准差和变动系数减小,斑块规模都有不同程度的变异。

景观要素边缘密度指相邻的非同质景观斑块之间的边缘长度,反映斑块边缘效应及景观的稳定性[24,35,38]。分析可知:前期,无立木林地与未成林造林地景观要素边缘密度减小,其他地类森林景观均增大;后期,除灌木林地外,其他地类森林景观均增大。总体来看,近40 a来,闽江流域森林景观斑块边缘效应与生态功能均增强,有利于物种迁移,景观稳定健康发展,森林效益持续发挥。

平均形状指数可用来分析斑块周边曲折情况,数值越大,表明景观斑块越复杂,斑块形状曲折不规则;分维数理论上在1.0～2.0,值越大,表明斑块周边形状越曲折复杂[9-10,38]。由图2 a、b可见:有林地与未成林造林地平均形状指数与分维数均减小,特别是有林地,后期分维数趋近于1,表明受人类活动影响大。由于人类的持续造林活动,有林地与未成林造林地大面积成片集中分布,景观斑块几何形状简单、规则、有规律,自相似性强,斑块边界趋于平滑。疏林地主要由有林地采伐形成,前期由于大量采伐森林,导致疏林地分布零散,景观斑块形状复杂不规则,平均形状指数与分维数增大;后期加强了对森林资源的保护,其景观斑块形状变得有规律,指数减小。由于前期大量采伐森林,无立木林地景观斑块分布零散不规则,平均形状指数与分维数增大;后期由于植树造林等森林资源保护活动,面积减少,景观斑块分布零散且边界形状复杂,指数增大。由于受人类活动干扰,灌木林地景观斑块破碎化,斑块分布零散且形状不规则,指数增大。

图2 1986—2021年闽江流域森林景观要素形状Fig.2 Forest landscape elements shape in Minjiang valley 1986—2021

嵌块体面积影响物种、能量和养分分布与生产力水平[10,20]。由图2 c可知:有林地与未成林造林地的嵌块体内缘比增大,边缘效应增强;无立木林地的指数减小,边缘效应减弱;其他地类景观的指数也有不同程度的变化,边缘效应也随之变化。

3.2 景观要素空间构型

破碎度反映景观破碎程度,景观分离度指数反映景观各嵌体个体分布的分离程度,斑块密度指单位面积的斑块数。由图3可知:由于持续人工造林,有林地和未成林造林地面积增加,集中连片分布,景观破碎程度减小,各嵌体个体分布分离程度减小,破碎度和分离度指数减小,斑块密度增大。灌木林地和疏林地主要由林木采伐形成,前期由于大量采伐林木,斑块数增加,景观破碎化,破碎度和分离度指数增大,各嵌体个体分布分离程度增大,斑块密度增大;后期加强了森林资源保护和多种经营,斑块数减少,破碎度和分离度指数减小,斑块密度减小。无立木林地景观破碎度和分离度指数前期增大,后期减小。斑块密度前期减小,后期增大。

图3 1986—2021年闽江流域森林景观要素空间构型Fig.3 Forest landscape elements spatial configuration in Minjiang valley 1986—2021

3.3 景观异质性

由图4可见:闽江流域香农多样性指数前期减小,后期增大。前期香农多样性指数减小反映了各景观比例分布不均,各类斑块复杂化和变异化,生态系统稳定性降低,修复功能减弱,易受到外来物种入侵;后期香农多样性指数增大,反映流域景观异质性降低,生态系统稳定性和修复功能增强。优势度指数反映优势景观类型对景观格局的支配程度,与均匀度指数呈负相关[35,38],数值越大,说明优势景观类型控制了景观格局,各景观分布不均,差别大;数值越小,说明优势景观类型与其他景观类型差别不大,控制景观格局不明显[35,38]。闽江流域森林景观优势度指数逐渐增大,表明由于持续的人工造林,有林地一直是该流域的优势景观,控制流域的森林景观格局;均匀度指数减小,说明流域各景观斑块类型分布不均匀,作为优势景观类型,有林地比例增加,控制景观格局。

图4 1986—2021年闽江流域森林景观异质性Fig.4 Forest landscape heterogeneity in Minjiang valley 1986—2021

4 结论与讨论

1)有林地是闽江流域优势景观类型,控制着该区域的景观格局。40 a来,闽江流域林地总面积增加,其中,以有林地增加最为显著,1986—2003年,增加了349 134.5 hm2,2003—2021年增加了392 508.77 hm2。有林地一直控制着该地区的景观格局,是流域的基质类型。其他地类景观面积都有不同程度的变化。闽江流域各林地景观面积变化的主导因素是有林地、疏林地与无立木林地的相互转化,其驱动因素是人类活动的干扰,如砍伐森林和持续人工造林等活动。

2)闽江流域边缘效应与景观生态功能增强。有林地与未成林造林地景观斑块周长增加,其他地类景观减小。整个林地景观斑块总周长增加,不同生态系统之间的边缘比例增加,边缘效应显著,不同生态系统斑块之间的影响增强,景观生态功能增强。

3)闽江流域林地景观总破碎度减小,生态环境质量提升。1986—2003年,林地景观总面积增大,斑块数增加,斑块破碎化,生境斑块隔离,导致斑块内部生境损失,增大了其受到侵袭干扰的风险;2003—2021年,斑块数减少,斑块破碎化程度减小,生境内部物种抵抗灾害能力强,有利于物种扩散。

4)闽江流域优势度指数与香农多样性指数增大,均匀度指数减小。由此说明,优势景观有林地对整个流域空间格局的控制作用增大,景观稳定性增强,异质性降低。同时,也揭示了由于受到人类活动的有利和不利干扰,各景观要素发生了向好变化。

5)由于人类采伐等活动的干扰作用,闽江流域森林景观格局发生了总体向好的变化。由于资料限制,以及研究技术与研究尺度的影响,本研究主要关注了森林景观面积、斑块形状与空间分布的变化,而森林结构调整、功能实现与生态服务等也是森林景观的重要组成部分,也是未来的研究方向,需要进一步研究。同时,森林景观对于人类活动、气候变化等外界干扰的响应机制及科学应对措施等也将成为研究的热点。