地形对闽江流域上游福建省将乐县森林景观空间格局的影响
《森林工程》杂志 2015年6期
作者：叶丽敏，邱荣祖，林宇洪，胡喜生
(福建农林大学交通与土木工程学院，福州350002)
森林是人类文明的摇篮，是人类生存和社会发展的重要自然地理要素［1］。区域人口与社会、经济的发展驱动着人类对森林景观的利用，森林景观的破坏与损耗已成为关键性的生态环境问题［2］。景观格局变化分析是森林景观生态学理论与应用研究的主要内容之一，是研究景观整体功能与生态过程的基础，从而为景观管理、资源保护与环境规划提供支撑依据［3］。森林景观格局是自然、生物和人为因素共同作用下的结果，景观空间格局与环境因子之间存在着一定的联系［4］。作为重要的自然环境因子，地形因子在不同程度上影响着光、热、水、土壤的分布以及人为的干扰，从而对物种、群落和生态系统的格局产生巨大的影响［5-9］。因此，探讨地形因子同森林景观空间格局之间的关系并定量化，为揭示森林空间结构及其分布规律提供基础，进而为森林资源的优化配置和合理开发提供参考依据。
福建省将乐县属于“九山半水半分田”的自然形态，拥有丰富的林地资源和优质的种苗资源，有着“中国毛竹之乡”的雅誉，是福建省生物多样性保护的关键地区。近年来，该县实施“生态优先”战略，将造林绿化与生态建设相结合，并以“深绿一派，清新满邑”蝉联2015中国深呼吸小城百佳榜榜首。将乐县丰富的林业资源为区域的可持续发展提供了丰富的资源和广阔的前景。本研究通过定量分析将乐县森林景观格局与地形因子的相互作用机制，以期得到地形因子对森林分布格局影响的规律，为该县森林结构的优化调整提供科学依据和建议。
1 研究地区概况
将乐县位于福建省西北地区，地处闽江干流金溪中下游(26°26'～27°04'N，117°05'～117°40'E)，辖6个镇、7个乡、140个行政村(社区)。全县的地形特点为山地丘陵，地势由西南向东北倾斜且海拔高差显著，其最高海拔为1 620．4 m，而最低海拔仅为138 m。全县森林覆盖率高达82．3%，森林蓄积量为2 132 m3，多年平均气温为18．7℃、平均日照数为1 593．9 h，无霜期为298 d，年平均降水量为1 676．3 mm，常年相对湿度为82%。县内河流密集，水系发达，是典型的山溪性河流且属中西带季内气候，对林木生长十分有利。将乐县作为福建省海峡西岸经济发展的重点林区县，其自然资源(林产、矿产、水电等)十分丰富，林木生长周期长且自然灾害少，属于自然资源型区域发展模型。
2 研究方法
2．1 森林景观分类
本研究以2010年将乐县森林资源二类调查数据为基础，根据研究区土地利用的实际情况和景观特征，将林地划分为乔木林、经济林、竹类纯林、竹混交林和其它林地5种景观类型。在此基础上，进一步将乔木林细分为针叶纯林、阔叶纯林、针叶混交林、阔叶混交林和针阔混交林;其它林地包括疏林地、灌木林地、无立木林地(采伐迹地和火烧迹地)、未成林造林地和宜林地(封育荒山、林中空地、宜林荒山荒地和宜林沙荒地)。
2．2 地形因子提取
在ArcGIS10．0软件的支持下，提取地貌类型、坡度和坡向3个地形因子的信息并进行等级划分。结合研究区实际海拔范围，以体现自然风貌、地形特征或规律为原则，将地貌类型划分为低丘、高丘、低山和中山4类，如图1(a)所示。为了分析土地利用方式与坡度之间的关系，将坡度划分成6个坡度级，分别为平坡(0°～5°)、缓坡(6°～15°)、斜坡(16°～ 25°)、陡坡(26°～ 35°)、急坡(36°～45°)和险坡(＞45°)，如图1(b)所示。对坡向进行分级处理，分为5个方向:无坡向、阴坡(北坡和东北坡)、半阴坡(东坡和西北坡)、半阳坡(东南坡和西坡)和阳坡(南坡和西南坡)，如图1(c)所示。
图1 研究区地貌Fig．1 The landscape of the study area
2．3 景观指数计算
利用ArcGIS10．0的空间分析功能，将生成的地貌类型图、坡度分布图、坡向分布图分别与研究区的森林景观类型图进行空间叠加，并将矢量数据转换成网格分辨率为5 m×5 m的栅格数据。同时，采用由美国俄勒冈州立大学森林科学系开发的空间格局分析软件Fragstats3．4计算景观指数，分析将乐县的森林景观格局，以探讨研究区各森林景观类型的地形分异特征。本研究选取的景观指数为斑块类型面积(CA)、景观百分比(PLAND)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、景观形状指数(LSI)、连接度指数(CONNECT)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)，其中连接度指数的指定阈值设为1 000 m［10-11］，各指数算法和原理参考文献 ［12］。
3 结果与分析
3．1 景观格局的地貌分布特征
由图1(a)可以看出，研究区的地貌类型组合是以高丘、低山及中山为主，占全县林地面积的98．23%。其中，低山地貌占首位，为全县林地面积的49．81%。从不同地貌类型中各森林景观所占的比例可以看出(如图2所示)，在低丘、高丘和低山3种地貌类型下针叶纯林所占的景观百分比较大，分别为44．17%、42．46%和37．49%;而中山地貌中，竹类纯林的分布面积较大，占27．34%，其他依次为阔叶纯林、针阔混交林、针叶纯林、针叶混交林、其它林地、竹混交林和经济林。
不同森林景观类型沿各地貌类型的分布情况见表1。由表1可以看出，针叶纯林、针叶混交林和其它林地在低山地貌中的分布最为丰富，所占的景观百分比分别为58．68%、53．39%和52．18%，其他依次为高丘、中山及低丘;阔叶纯林、竹类纯林和竹混交林主要分布在中山地貌，分别为45．63%、54．95%和 71．70%，其他依次为低山、高山和低丘;而阔叶混交林、针阔混交林和经济林集中分布在低山地貌。景观指数变化情况见表2，由表2来看，随着海拔的增加，斑块密度和香农均匀度指数减少，景观形状指数和香农多样性指数先增加后减少，而最大斑块指数和连接度指数先减少后增加。结果表明，研究区森林景观斑块的破碎化程度和均匀程度随海拔增加而减小，景观的形状复杂程度和异质性程度随之增加而呈现出先升高后降低的趋势，而景观优势度和连接性则随之增加呈现先降低后升高趋势。
图2 不同地貌类型的森林景观结构Fig．2 The forest landscape structure of different physiognomy
表1 不同森林景观类型沿地貌的分布情况Tab．1 Distribution of different forest landscape types by physiognomy
表2 不同地貌类型的森林景观格局指数Tab．2 Forest landscape index of different physiognomy
3．2 景观格局的坡度分布特征
从研究区坡度分布图来看，全县以斜坡、陡坡和急坡为主，占全县林地的97．64%。其中，陡坡所占的比例为62．34%，远高于其他坡度;对比图3发现，坡度介于0°～5°之间(即平坡)的林地上主要分布着经济林，其次为阔叶纯林和针阔混交林;缓坡上经济林所占的比例最大，为58．08%，其他依次为针叶纯林、针叶混交林、竹类纯林、阔叶纯林、针阔混交林和其它林地;斜坡和陡坡上针叶纯林的分布较多，其次分别为针叶混交林和针阔混交林;而急坡和险坡上集中分布着阔叶纯林，所占比例分别为35．57%和47．73%，其次为针阔混交林。
图3 不同坡度的森林景观结构Fig．3 The forest landscape structure of different slopes
不同森林景观类型沿坡度的分布情况见表3。从表3可知，研究区森林景观类型在不同坡度的分布比例是不均衡的。其中，针叶纯林、阔叶纯林、针叶混交林、阔叶混交林、针阔混交林、竹类纯林和其它林地的斑块类型面积在坡度26°到35°之间(即陡坡)达到最大值，所占的比例55%以上，其次为斜坡和急坡;经济林在斜坡上分布最为丰富，其他依次为陡坡、缓坡、平坡、急坡和险坡;而竹混交林适宜于急坡中生长，其它依次为陡坡、斜坡和险坡。景观格局指数分析见表4。从景观格局指数分析，随着坡度的增加，最大斑块指数和连接度指数先减小后增大，景观形状指数先增大后减小，说明景观的优势度和连接度呈现先降低后上升的趋势，景观形状的复杂程度则反之。
表3 不同森林景观类型沿坡度的分布情况Tab．3 Distribution of different forest landscape types by slopes
表4 不同坡度的景观格局指数Tab．4 Forest landscape index of different slopes
3．3 景观格局的坡向分布特征
由图1(c)可知，无坡向即坡度小于5°的平坦区占林地的面积较小，而其他各坡向占全县林地面积的比例较均衡。不同坡向的森林景观结构如图4所示。从图4对比可以看出，阴坡和半阴坡中主要分布着针叶纯林，分别占29．17%和29．92%，其次为阔叶纯林;半阳坡和阳坡上的景观分布情况相似，各森林景观所占的比例大小为:针叶纯林＞针阔混交林＞阔叶纯林＞竹类纯林＞针叶混交林＞其它林地＞经济林＞竹混交林＞阔叶混交林;而无坡向中分布较多的景观类型为针叶纯林，其次为经济林和针叶混交林。
图4 不同坡向的森林景观结构Fig．4 The forest landscape structure of different aspects
不同森林景观类型沿坡向的分布情况见表5。对比表5可以看出，针叶纯林、针叶混交林、针阔混交林、经济林和其它林地主要分布在半阳坡范围，其他依次为阳坡、半阴坡、阴坡和无坡向;阔叶纯林和竹类纯林的坡向分布大体相同，多分布在阴坡，其次为半阴坡、半阳坡、阳坡和无坡向;竹混交林在半阴坡上的分布较多，其次为阳坡。不同地坡向的景观格局指数见表6。从表6各指数的变化情况来看，阴坡的斑块密度和最大斑块指数较小，表明阴坡上的森林景观较破碎;半阳坡的景观形状指数较大，而香农均匀度指数较小，说明在半阳坡中景观形状较复杂且优势度较高;无坡向的斑块密度、最大斑块指数、连接度指数、香农多样性指数和香农均匀度指数均较大，而景观形状指数较小，说明无坡向中由阔叶纯林和针叶纯林组成的大班块占优势地位，景观的形状较规则、空间连接程度大且分布均匀。
表5 不同森林景观类型沿坡向的分布情况Tab．5 Distribution of different forest landscape types by aspects
表6 不同地坡向的景观格局指数Tab．6 Forest landscape index of different aspects
4 讨论与结论
探讨森林景观分布与地形因子之间的密切联系不仅能在一定程度上反映出适宜各景观类型生长的地形条件，而且可以揭示地形因子对景观格局变化的影响程度［13-14］。地形因子(地貌、坡度、坡向等)控制了水分、温度、养分、光照等物质和能量的空间再分配［9，15］。本研究借助于地理信息系统软件ArcGIS10．0和景观分析工具Fragstats3．4，以景观生态学理论为支撑，引入8个景观格局指数，对将乐县各森林景观类型在地形梯度上的分异规律进行定量分析。
将乐县的地貌类型以低山为主，其次为中山和高丘。对于海拔高度低于1 000 m的林地来说，针叶纯林较其他森林景观类型有更高的景观百分比，其次为针阔混交林。而分布于海拔1 000 m以上的主要森林景观类型为竹类纯林，其次为针叶混交林。森林景观类型随着海拔的变化而呈现出明显的垂直地带性分布现象，其中阔叶纯林、竹类纯林和竹混交林的面积随海拔的增加而增加，而其他六种森林景观类型面积随海拔高度的增加而呈现出先增加后减少的趋势，并在海拔500～1 000 m之间取得极大值。由此可见，将乐县针叶纯林广泛分布于低山地区，而竹类纯林主要分布于海拔较高的中山地区。造成这一现象的主要原因是研究区针叶纯林类型不多，主要有杉木、马尾松、柳杉、黄山松等，其中马尾松和杉木所占比重较大，且马尾松林和杉木林多见于海拔1 100 m以下的低山区［16-18］。
研究区以陡坡为主，其次为斜坡和急坡。在坡度小于16°的平坡和缓坡中，经济林所占的景观比例较大，以便人工管理;坡度介于16°与35°之间的斜坡和陡坡内主要分布着针叶纯林;在坡度大于36°的急坡和险坡中，阔叶纯林所占的面积比例较其他森林景观类型高，表现出了较强的适应性。从整体趋势来看，各森林类型的景观百分比随坡度增加呈先增加后减少趋势，并在陡坡取得极大值，说明陡坡的温度、湿度、光照和土壤均适合森林植被的生长。
除了无坡向外，各森林景观类型在各个坡向中的分布较为均匀。各个坡向上针叶纯林的分布较多。总体趋势来看，各森林景观集中分布在半阳坡地段，说明西坡和东南坡的温度、光照、湿度、风量等有利于植物的生长。
随着海拔和坡度的增加，研究区森林景观的形状复杂程度和多样性呈先增大后减小趋势，而景观优势度和连接性则呈先减小后增大趋势。同时可以看出，随着海拔的增加，森林景观的破碎化和均匀程度减小。比较3种地形因子对景观演变过程的影响程度可以看出，坡度为关键因子，其次为地貌类型，而坡向的影响不明显。
［1］张焕玉．典型岩溶区县森林景观格局动态研究:以重庆市酉阳土家族苗族自治县为例［D］．重庆:西南大学，2014．
［2］程晓燕．北京山区森林景观格局分析［D］．北京:北京林业大学，2009．
［3］胡喜生，周沿海，黄金荣，等．基于GIS的闽江上游城区森林景观格局分析［J］．吉林师范大学学报:自然科学版，2014，35(1):130-135．
［4］孔繁花，李秀珍，尹海伟，等．地形对大兴安岭北坡林火迹地森林景观格局影响的梯度分析［J］．生态学报，2004，24(9):1863-1870．
［5］ Swansond F J，Kratz T K，Caine N，et al．Landform effects on ecosystem patterns and processes［J］．BioSciences，1998，38:92-98．
［6］ Kamrani A，Jalili A，Naqinezhad A，et al．Relationships between environmental variables and vegetation across mountain wetland sites［J］．Biologia，2011，66:76-87．
［7］郭 泺，余世孝，夏北成，等．地形对山地森林景观格局多尺度效应［J］．山地学报，2006，24(2):150-155．
［8］张盼盼，胡远满，肖笃宁，等．地形因子对喀斯特高原山区潜在石漠化景观格局变化的影响分析［J］．土壤通报，2010，41(6):1305-1310．
［9］张昌顺，谢高地，包维楷，等．地形对澜沧江源区高寒草甸植物丰富度及其分布格局的影响［J］．生态学杂志，2012，31(11):2767-2774．
［10］刘文俊，马友鑫，胡华斌，等．西双版纳勐仑地区景观格局变化定量分析［J］．生态学报，2006，26(9):3088-3097．
［11］陈 杰，梁国付，丁圣彦．基于景观连接度的森林景观恢复研究［J］．生态学报，2012，32(12):3773-3781．
［12］余新晓，李秀彬，夏 兵，等．森林景观格局与土地利用/覆被变化及其生态水文响应［M］．北京:科学出版社，2010．
［13］陈利顶，杨 爽，冯晓明．土地利用变化的地形梯度特征与空间扩展:以北京市海淀区和延庆县为例［J］．地理研究，2008，27(6):1225-1234．
［14］候明行，刘红玉，张华兵，等．地形因子对盐城滨海湿地景观分布与演变的影响［J］．生态学报，2013，33(12):3765-3773．
［15］袁铁象，张合平，欧芷阳，等．地形对桂西南喀斯特山地森林地表植物多样性及分布格局的影响［J］．应用生态学报，2014，25(10):2803-2810．
［16］林金堂．福建省林地针叶化及其对生态环境的影响［D］．福州:福建师范大学，2002．
［17］王 岩，蒙宽宏，钟祥龙．汤旺河森林景观格局与地类景观要素动态分析［J］．林业科技，2013，38(6):57-59．
［18］吴子贵．园林植物桂花野生种群大小结构与空间分布格局特征［J］．江西林业科技，2014，42(6):57-60