长白山天然林景观地形分异格局的研究

岳 刚，杨 华，亢新刚，沈 林，周 蔚

(北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083)

长白山天然林景观地形分异格局的研究

岳 刚，杨 华，亢新刚，沈 林，周 蔚

(北京林业大学 省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083)

在ArcGIS支持下，利用研究区2007年的林相图，结合二类调查资料以及IKONOS数据进行景观制图，并与数字高程模型（DEM）提取的各地形因子分布图进行图层叠加统计，分析吉林省金沟岭林场不同景观类型随地形变化的分异特征及其变化成因，为长白山天然林景观的功能区划和分类经营提供依据。结果表明：（1）人工景观的高程分异特征相近，峰值出现在600～700 m海拔，自然景观则出现在700～800 m之间；（2）人工景观主要分布在0°～5°坡度，而自然景观的曲线峰值比人工景观高出一个坡度级；（3）人工景观主要分布在平坡地区，而自然景观的坡度分异特征不明显。林区景观地形分异格局是地形因子和人为干扰的综合影响的结果。高程和坡向是形成林区景观分异的主要因素，而坡度则成为景观分异的第二位影响因素。20世纪60年代以来，林业政策和经营方式的转变，是林区地形分异格局发生显著变化的根本原因，同时自然恢复过程也起到了积极的作用。

天然林景观格局；地形因子；人为干扰；自然恢复；长白山

大尺度上地形地貌为景观格局的形成提供了物理模板，地形因子决定景观在大范围内的空间异质性[1]。特别是在人为干扰占优势的景观中，地形特征通常成为大尺度人为干扰活动景观分布格局的基本骨架[2]。而众多环境因子中，地形因子影响着光、热、水、土的分布状况，同时也在不同程度上影响着各种自然或人为的干扰，使得森林景观空间分布格局与地形因子在空间上具有相对一致性，对揭示森林景观格局的形成与过程有重要意义[3]。近年来，在这一领域的研究引起了广泛的关注。郭晋平[4]、米湘成[5]、张志[6]等运用趋势面分析法，探讨不同地域景观要素在地形梯度上的分布特征，喻红[2]、梁国付[7]、龚文峰[8]等采用景观分布指数法，对地形梯度的景观分布格局的影响进行研究，张媛媛等对浙江西部桐庐县8年高程分异规律的研究发现，景观水平上景观指数的变化强度与高程呈负相关关系[9]。也有学者比如沈泽昊等利用典范对应分析(DCCA)排序方法分析不同群落类型的地形分布格局[10]，邱扬等将DCCA发展为排序轴分类法（OAC），对山西关帝山八水沟的植群落进行数量分类，研究表明OAC能很好地反映群落与环境的变异[11]。李双成[12]、邱炳文等[13]利用小波变换法对不同区域遥感数据NDVI与地形因子多尺度的空间相关性进行研究。

长白山天然林是我国最重要的天然林区，在我国的森林分布中，东北森林是最大的林业基地，其森林资源比重在全国首屈一指[14]。本研究从地形对景观分布的重要性出发，以吉林省金沟岭林场为研究对象，揭示不同景观类型随地形变化的分异特征，并对景观格局的变化成因进行初步研究，进而为长白山天然林景观的功能区划、合理配置和分类经营提供依据。

1 研究区概况

研究区位于吉林省汪清县金沟岭林场，地理位置为东经 130°5′～ 130°20′，北纬 43°17′～43°25′，属吉林省东部山区长白山系老爷岭山脉雪岭支脉，海拔为550～1029 m，平均坡度为10°～25°，个别地段在35°以上。季风型气候，全年平均气温为 4℃左右，积温2144℃，年降水量 600～700 mm，多集中在七月份，植物生长期为 120 d左右。土壤多为低山灰化土灰棕壤，沟谷是草甸土、泥炭土、沼泽土或冲积土，结构一般为粘壤土类，粒状结构，湿松，根系多，平均厚度在40 cm左右。主要针叶树种有云杉Picea koraiensis、 冷 杉Abies nephrolepis、 红 松Pinus koraiensis、落叶松Larix olgeois等，阔叶树有色木械Acer mono、水曲柳Fraxinus mandschurica、胡桃楸Juglans mandshurica、黄菠萝Phellodendro namurense、 椴 树Tilia amurensis、 白 桦Betula platyphylla以及枫桦Betula costata等。

2 研究方法

2.1 材料来源

研究区2007年林相图，2007年森林资源二类清查数据，2010年IKONOS遥感数据，数字高程模型（DEM）以及林场历史经营沿革等资料。

2.2 分析方法

本研究利用GIS对林相图进行数字化，生成研究区景观类型专题图，然后参照二类调查数据和IKONOS数据，纠正林相图应用目的不同和人为误差的影响，建立不同景观斑块的属性数据库。将该区划分为针叶林、阔叶林、针阔混交林、灌木林、未成林造林地、沼泽地、耕地、苗圃地和其他用地共8种景观类型，之后以数字高程模型DEM数据为基础，分别生成林区高程分布图、坡度分布图和坡向分布图层，将景观类型专题图与地形分布图层分别叠加分析，得到不同斑块的高程、坡度、坡向属性数据。

为了方便对林场地形分异特征进行定量描述，高程以100 m为基数分带，分带统计高程变化规律；坡度的分级为5°以下为一级，之后以10°为间距分为4级；坡向按照平地、北、东北、东、东南、南、西南、西、西北分为9级，最后合并为5级，分别为平坡、阳坡、半阳坡、阴坡和半阴坡。各地形因子的分级见表1。

表1 地形因子分级Table 1Classification of topographical factors

3 结果与分析

3.1 地形分布特征

林区属于低山丘陵地势，一般阳坡较陡而阴坡较缓。高程分布情况充分反映了研究区的地貌特征(图1)，全区相对高差近600 m，各高程的面积分布呈单峰山状曲线，峰值出现在700～800 m高程上，占该区总面积的一半。另外，有33%的面积分布在800～900 m高程。

从坡度分异的情况来看(图2)，分布面积最广的坡度级为5°～15°，其面积达到全区面积的84%，而其他坡度级的分布面积较少。

相对于高程和坡度的分异情况而言，本区的坡向分异则相对均匀(图3)，如果按阴阳坡划分，阴坡面积比阳坡面积稍大(高出近3%)，半阴坡(24%)和半阴坡(17%)分布面积相对较大，平坡面积最小(8%)。

图1 高程分级面积比例统计Fig. 1The area percentage of elevation grades

图2 坡度分级面积比例统计Fig. 2The area percentage of slope grades

图3 各坡向面积比例统计Fig.3The area percentage of aspects

3.2 高程分异特征

除了苗圃地和灌木林外，其他景观类型的面积比例分布曲线随着高程的上升呈现单峰正态分布趋势(图5)。由于自然水源的原因，苗圃地一般都傍水而建，本林场共两块苗圃地，分布在500～600 m海拔的水源旁边，总面积为28.5 hm2。一半以上的灌木林都分布在500～600 m高程，而在600～800 m高程带分布曲线趋于平缓，分布面积占该景观类型总面积的45.03%。

图4 景观组分随高程梯度的分布频率Fig.4 The distribution proportion of landscape elements to elevation grades

图5 景观组分随坡度的分布频率Fig. 5 Distribution proportion of landscape elements to slope degree

未成林造林地、沼泽地、耕地和其他用地沿高程变化的分布频率比较相近，峰值都出现在600～700 m高程，分别占各自景观类型面积的64.50%、59.85%、77.27%和85.56%。主要原因是水源和交通，其他用地主要包括居民地及林业设施用地，而水源和道路主要分布在较低海拔地区，种子、幼苗的运输，作物的收获以及居民的生活都与交通和水源息息相关。

针叶林、阔叶林和针阔混交林的峰值较为相近，并且都出现在700～800 m高程，分布面积为各景观类型面积的一半左右。针叶林主要有人工针叶林和天然针叶林组成，一半以上的人工针叶林分布在低海拔地区，天然针叶林则主要分布在中高海拔地区，而天然针叶林面积是人工针叶林的4倍之多，因此，总体上针叶林在中海拔地区分布较多。阔叶林中优势树种至少由两种阔叶树组成，其阔叶比例都占到5成以上，主要分布在中海拔地区，而高程800～900 m范围也有30.78%的阔叶林分布。针阔混交林是林区的基质景观类型，而红松的大量出现是针阔混交林形成的决定因素[15]，主要分布在700～800 m高程带。

3.3 坡度分异特征

灌木林、未成林造林地、沼泽地、苗圃地、耕地和其他用地的分布曲线峰值都出现在0°～5°坡度级(如图6)。灌木林和沼泽地主要分布在坡度较低的河流沿岸。动力学、重力学和农业生产实践表明：在坡度较小的地区，动力和重力作用相对较小，水土运动缓慢，水土流失较少，比较适于开展农业和林业活动。随着坡度的增大，水土侵蚀和水土流失逐渐增强，不易进行农林业活动，因此，未成林造林地、苗圃地、耕地及其他林业用地在坡度较大的地区分布较少甚至没有分布。

图6 景观组分随坡向的分布频率Fig.6 The distribution proportion of landscape elements to slope aspect

针叶林、阔叶林和针阔混交林的曲线峰值要比上述人工景观高出一个坡度级，出现在5～15°坡度范围，其峰值分别为91.29%、68.89%和87.98%，体现了人为景观与自然景观在坡度上分异。针叶林中一部分是人工林，由于缓坡地区水土流失较轻，成活率较高，并且交通方便，易于到达，进行了大量的人工植树造林。通过对林区的经营历史沿革的调查可知，在缓坡地区曾经发生过较大面积的火灾，之后以杨树、白桦、椴树以及色木为代表的先锋树种由于光照和土壤等地理条件的原因迅速生长起来，而且面积逐渐增大。自1937年，日本侵略者在集材运输条件好的地方，对森林资源进行了大量掠夺，对大径级优质红松采取“拔大毛”采伐方式，曾以红松为主的针叶林变成了针阔混交林。分布于该场的阔叶红松林和云冷杉林是长白山的主要森林类型，具有针阔混交、复层异龄的结构特点，组成树种丰富，结构复杂。为了加强对针阔混交、复层异龄林经营的基础理论研究。1987年与北京林业大学合作，引进国外先进的森林经营方法“检查法”。通过采伐或抚育不断调整森林结构，不断改善林地卫生条件和森林的生态环境，发挥森林的多种效益。

3.4 坡向分异特征

未成林造林地、沼泽地、苗圃地、耕地和其他林业用地沿坡向的分布曲线相近，90%以上的面积都分布在平坡地区(图7)，不同的是未成林造林地有7.49%分布在半阴坡地区。而灌木林的峰值则出现在阴坡上，峰值为98.29%。

针叶林、阔叶林和针阔混交林随坡向的分布频率较为平缓。针叶林在阴坡、半阴坡的分布面积相当，各占针叶林面积的30%左右，在阳坡和半阳坡也相差不大，分别为15.79%和17.96%，但在平坡则分布面积较小，由于以云冷杉林为主的针叶林为该区的顶级群落，其基本特点是耐阴，随着演替的进行，其分布面积逐渐增大。阔叶林的分布曲线峰值出现在阳坡上，为该景观类型总面积的35.96%，主要原因：此种森林景观类型往往处于森林演替的早期阶段，大多数情况下都是阔叶红松林或落叶松林被破坏后，或者是皆伐迹地、火烧迹地、撂荒地上发展起来的次生林类型，是一种不稳定的森林景观类型。白桦和山杨具有喜光、速生、寿命短的特点，并且其种子小，结实多，能飞播较远距离。且萌芽、根孽能力强，适宜于生长在光照较好的环境条件下。针阔混交林在研究区各个坡向均有分布，其分布频率随着针叶林和阔叶林混交程度的变化而变化，在阴坡、半阴坡、阳坡和半阳坡的分布比例为28.36%、24.61%、26.36%和19.22%。

4 结论与讨论

以景观生态学理论为依据，借助于地理信息系统平台，把景观生态学和林学紧密结合起来，综合应用林相图、森林资源调查数据、遥感影像数据、地形数据等多源数据，定量地分析了金沟岭林场森林景观的地形分异格局。

林区森林景观的空间分布格局现状是由于地形因子和人为干扰的综合影响的结果。在地形因子中，海拔和坡向是形成林区景观分异的主要因素，而坡度则成为景观分异的第二位影响因素。但是在同一地形梯度上，景观类型随其他两个地形因子梯度变化的分异特征有待进一步探讨。

20世纪60年代以来，林业政策和经营方式的转变，是部分地区景观类型随地形梯度的分异发生显著变化的根本原因，其中自然恢复过程也起到了积极的作用。目前，研究区仍存在一些不恰当的人为干扰方式，部分地区的粗放型经营方式和过度放牧会造成林分结构的破坏和水土流失，应该引起相关部门的重视。

在林区高程500～600 m，平坡，坡向半阳坡地区，针叶林、阔叶林以及针阔混交林占景观总面积的比例比较低，应该采取科学合理的人工措施，增加森林景观类型的比例，同时减少负面的人为干扰。

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Topographic variation pattern of natural forest landscape distribution in Changbai mountain

YUE Gang, YANG Hua, KANG Xin-gang, SHEN Lin, ZHOU Wei
(Key Laboratory for Silviculture and Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

With the support of the ArcGIS, by using the stock map of the studying area taken in 2007 and combining the second survey information with IKONOS satellite images, the mapping of landscapes of the area was conducted, then the landscape map and topographic factor maps extracted by DEM were used to make layer overlay analysis. The distribution variation pattern of different landscape types along the topographic gradients and the causes of formation were analyzed in order to provide evidence for the function division and classification management of Changbai mountain’s natural forest landscape. The results show that (1) the artificial landscapes were similar in characteristics of altitude, the artif i cial landscape’s peak values appeared in 600～700 meters above sealevel, the natural landscapes appeared between in 700 ～ 800 meters; (2) the artif i cial landscapes mainly distributed with a slope degree of 0° ～ 5° , the natural landscapes had a higher slope class(more steeply) than the artif i cial landscapes; (3) the artif i cial landscapes mainly distributed at the zone of fl at slope, while the distribution variation pattern of different landscape types along the slope was not obvious; topographic variation pattern of the landscape distribution was the result of terrain factors and anthropogenic disturbance; the elevation and slope aspect were the main factors in forming the landscape differences, and the slope aspect was the second inf l uencing factors. Since 1960s, the transitions of forestry policies and management were the fundamental reasons in changing topographic variation pattern of landscape distribution, and the natural recovery process has also played a positive role.

natural forest landscape pattern; topographical factors; anthropogenic disturbance; natural recovery; Changbai mountain

S757

A

1673-923X(2012)09-0114-05

2012-06-28

林业公益性行业专项（201104051）

岳 刚(1985-)，男，贵州遵义人，硕士研究生，主要从事GIS在资源环境中的应用研究；Email:Lxyuegang19850829@163.com

[本文编校：欧阳钦]