基于多期遥感的三峡库区森林景观破碎化演变研究

张煜星，严恩萍，夏朝宗，党永锋

（1.国家林业局调查规划设计院，北京 100714；2.中南林业科技大学 林业遥感信息工程研究中心，湖南 长沙 410004）

基于多期遥感的三峡库区森林景观破碎化演变研究

张煜星1，严恩萍2，夏朝宗1，党永锋1

（1.国家林业局调查规划设计院，北京 100714；2.中南林业科技大学 林业遥感信息工程研究中心，湖南 长沙 410004）

实施三峡工程以来，三峡库区森林空间分布及其景观格局发生了显著变化，非常值得关注。研究以三峡库区遥感解译的1990、2002、2011年3期森林分布数据为基础，建立森林破碎化分析模型，运用ArcGIS10.0和Fragstars4.0软件，选取合适的景观格局指数，对库区森林景观格局动态和破碎化进行了分析。结果表明：1990～2011年间，三峡库区森林斑块面积和数量明显增加，斑块间异质性减弱；2011年森林面积比例超过70%的地理网格单元达40%，比1990年提高15%；森林景观聚集度、优势度升高，团聚性不断增强，破碎化程度明显改善，森林生态系统稳定性增强。由此证明，在长期的人工造林等植被建设和保护工程作用下，能够促进森林景观格局的改善，减缓森林景观破碎化，增进森林生态系统的复杂性和稳定性。

林业遥感；森林景观格局；破碎化；演变规律；三峡库区

森林的破碎化是景观由简单、均质、连续趋向复杂、异质和不连续的过程，进而导致生态系统服务功能减弱、物种多样性丧失，从意义上讲是森林退化的过程[1]。利用相关监测成果，结合典型案例对森林破碎化状况进行分析，有助于揭示一定区域内森林破碎化正向（加剧）或者逆向（减轻）演变过程，反映通过加强森林培育管理，增加森林植被覆盖对保护生态廊道，阻止栖息地退化，增强生态系统自身调节能力的重要作用。

随着森林生态系统景观结构和功能研究的不断深入[2-8]，采用景观格局指数对森林景观破碎化的研究也日趋成熟[9-10]，有关森林的经营、可持续发展、生态功能的发挥以及生物多样性保护等内容，均涉及到森林景观的片段化，但针对流域森林景观经营和破碎化研究的报道较少[11-14]。森林景观格局破碎化主要是人为干扰和自然因素长期协同作用的结果[15]。近年来，随着农业、城市化和交通运输业的快速发展，加之全球气候变化的影响，森林景观生态环境保护与经济开发之间的矛盾日益突出[16]，导致全球森林破碎化进程加速。研究森林景观格局及其破碎化演变规律，对森林生态系统恢复和可持续经营具有重要的现实意义，进而降低森林生态系统的潜在威胁，保障生态安全。

本文采用多期遥感动态分析技术，以基于SPOT5、TM等影像区划调查的森林分布数据为主要数据源，采用Fragstars4.0和ArcGIS10.0软件，分析三峡库区1990、2002、2011年的森林景观动态，运用最大形状指数、边界密度指数、破碎化指数和平均最近距离等指标对库区森林景观格局动态和破碎化程度进行评价，以期阐明各森林组分之间的特征差异，为三峡库区的森林生态系统保护和景观格局规划提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

三峡库区位于东经 106°00′～ 111°59′、北纬29°16′～ 31°25′，地处四川盆地与长江中下游平原的结合部，跨越渝、鄂中山区峡谷及川东岭谷地带，北屏大巴山、南依川鄂高原，属高输沙区域，是全国水土保持重点防治区。范围涉及27个县（区、市），土地面积576.68万hm2，属典型的亚热带湿润季风气候，年均温在17～19℃之间，年均降水量多在1 000～1 200 mm 之间。库区物种资源丰富，主要植被类型有针叶林、阔叶林、混交林和灌草丛等。

上世纪90年代以来，国家在开工建设三峡水利枢纽工程的同时，先后在三峡库区实施了长江流域防护林工程、天然林资源保护工程、退耕还林工程、库周绿化带工程和长江两岸森林工程等重点生态工程，初步建立以森林植被为主体、林草相结合的国土生态安全体系，培育水源涵养林和水土保持林，预防崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的发生，确保库区的生态环境安全和水库运行安全。根据《长江三峡工程生态与环境监测公报（2011）》显示，2011年三峡库区森林面积250.86万hm2，森林覆盖率达43.50%。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical position of the studied area

1.2 数据来源与方法

1）数据来源。根据库区具体情况，参照我国现行《土地利用现状分类》（GB/T21010-2007）和国家林业局《森林资源规划设计调查主要技术规定》（林资发[2003] 61号文件），将研究区森林景观划分为5大类：针叶林、阔叶林、混交林、竹林和灌木林。在Arcgis10.0软件中，以TM和SPOT5为遥感数据源，结合库区森林资源分布图和1990、2002、2011年的3期森林资源调查数据，通过目视解译得到库区森林景观分布图（见图2）。

图2 1990～2011三峡库区森林分布Fig.2 Forest distribution of Three Gorges Reservoir Area from 1990 to 2011

2）数据预处理。为便于森林景观破碎化分析，用库区边界切割分类图，利用地理信息系统软件ArcGIS10.0将输出结果转换为grid格式图（最小栅格单元为1 000 m×1 000 m），分别生成三峡库区1990年、2002年、2011年的森林景观分类图。

3）研究方法。为客观评价1990～2011近20年间三峡库区森林景观的破碎化程度，研究以库区三期森林资源数据为基础，分别从基本特征（斑块面积、斑块数量、斑块密度、平均斑块面积）、面积大小等级、格网密度和破碎度指数四个方面来分析三峡库区的森林景观破碎化，以期阐明库区森林景观的演变规律，为森林植被的生态恢复和保护管理提供科学依据。

1.3 破碎化评价指标

衡量和评价森林景观破碎化的指标有多种, 因研究目的而异。本研究利用FRAGSTATS4.0景观格局分析软件，在计算森林景观组分斑块面积、斑块数量、斑块密度、平均斑块面积的基础上，选取最大形状指数、斑块边界密度[17]、平均最近距离[18]和破碎度指数[19-22]作为分析库区森林景观组分破碎化的指标，定量分析库区森林景观格局基本特征及其破碎化情况，计算公式如下：

斑块边界密度：EDi=Li/Ai。

式中：Li为i景观类型的周长，Ai为i景观类型的面积；Pij为i景观组分j斑块周长（m）；aij为i景观组分j斑块面积（m2），ni为i景观组分的斑块数量，MPFD表示斑块边界的复杂程度，MPFD∈(1, 2)，值越大表明斑块形状边界越复杂；hij为从某斑块到同类斑块的最近距离（m）；FN1为整个研究区的景观破碎度指数，Np为景观斑块总数，Nc为景观数据矩阵的方格网格子总数，FN2为某景观斑块类型的景观破碎度指数，MPS景观中各类斑块的平均斑块面积（以方格网的格子数为单位），Nf为某一景观类型的斑块数目，FN1与FN2∈(0, 1)，0表示景观完全未被破坏，1表示景观被完全破坏。

为减小由于格网尺度不同造成的数据差异，本文对破碎化指数公式进行了修正，Nc为研究区的总景观面积与最小斑块面积的比值，同样，MPS则以研究区的最小斑块数目为单位，在破碎化指数计算中，最小斑块被视为正方形格网。

2 结果与分析

2.1 森林景观基本特征分析

1）分布特征 分析图2可知，三峡库区森林面积自西向东呈明显递增的趋势，由1990年的零星、点状分布发展到2011年的连续、成片分布，森林破碎化状况明显改善。结构方面，针叶林面积最大，比例超过50%，其次是阔叶林，相对来说混交林、竹林、灌木林数量偏少，合计不超过森林景观总面积的20%。结合图3和1990年以来的遥感影像分析，1990～2011年三峡库区林地面积显著增加，面积比例由1990年的27.69%上升为2011年的43.50%，20年间库区森林面积增加约130.31万公顷，增幅超过80%，森林植被快速恢复，年均增长率高达4%，相比于我国西北[21-22]、黄河流域[23]和中部[24]等地区，森林植被具有良好的生长状况。

图3 三峡库区各森林类型面积分布Fig. 3 Areas distribution of forest types in Three Gorges Reservoir Area

2）结构特征 分析图3可知，森林面积构成比例方面，三期数据分布规律基本一致，呈现出针叶林＞阔叶林＞混交林＞灌木林＞竹林的趋势，但各类型之间的面积比例有轻微变动。其中针叶林的面积比例持续下降（1990年为54.0%，2011年50.7%），阔叶林保持上升（由32.6%上升为35.1%）。可见库区在推进大规模植树造林活动的同时，注重林分结构的调整，森林生态系统结构稳定性增强。

3）斑块特征 斑块密度和平均斑块面积是最基本的景观破碎化指数，二者从数量和面积上反应出研究区景观的破碎化程度，斑块密度值越大，表明斑块被分割的情况越严重，破碎化程度越高；而后者刚好相反，其值越小破碎化程度越高。由表1可知，1990～2011年间，随着森林面积的增加，库区森林景观的斑块数量在增加，比20世纪90年代增加了31个百分点；同时斑块密度在减小，由1990年的0.27减小到2011年的0.19，减小比率高达30%，而且平均斑块面积也在逐渐增大，由369.22 hm2增加到520.73 hm2。这几个指数反映出近20年来库区的森林破碎化程度在逐步减小，森林景观呈现由异质、不连续性向均质、连续性发展的趋势。

表1 1990～2011年森林景观基本特征统计Table 1 Basic landscape pattern index statistics from 1990 to 2011

表2 1990～2011年基本景观指数分等级统计Table 2 Graduation statistics of basic landscape pattern index from 1990 to 2011

各森林类型来看，针叶林的斑块个数和斑块密度指数逐渐减小，特别是斑块密度指数由1990年的0.13减小到2011年的0.57，平均斑块面积逐渐增大，破碎化程度减缓最为明显。其他森林类型，阔叶林、混交林、竹林和灌木林在保持斑块数量逐渐增加的基础上，斑块个数和斑块密度均呈递减趋势，与库区整体森林景观破碎化趋势基本一致。

2.2 森林景观按面积等级分析

结合库区森林景观整体分布情况，在ArcGIS10.0软件里对1990、2002、2011三期森林森林分布图按面积等级进行划分和数量统计，结果见表2。

分析表2可知，库区三期森林分布图按面积等级划分后，库区森林类型的斑块面积和数量存在两极分化，面积≤1 hm2的斑块数量较多，分别为32.34%、34.86%和41.05%，但面积比例很小，仅为3.37%、3.51%和4.82%；面积20～50 hm2的斑块数量比例均小于4%，但面积比例多达20%以上。对比发现，近20年来库区森林斑块明显增多，均集中在5 hm2以下，斑块之间的相对差异在缩小。分析森林类型遥感分类结果的空间位置发现，大斑块林地集中分布在三峡库区东部的传统林区（大巴山以东的神龙架林区、川陕边界等地），即位于湖北境内的宜昌县、兴山县、秭归县和巴东县等人类活动干扰相对较少的地区；而库区西南部的少林区，即江津市、巴南区、江北县、长寿县等低山丘陵地区，经过近几十年来大规模的植树造林活动，森林破碎化状况逐步改善，但其破碎化剧烈程度仍明显高于库区的其他区域。

2.3 森林景观按网格密度分析

根据三峡库区森林斑块面积大小分布情况，利用ArcGIS10.0空间分析中的f i shnet功能，以100 hm2（1 000 m×1 000 m）为网格密度单元，叠加1990年、2002年、2011年三期森林类型分布图，统计每个网格单元的森林面积比例，以此为指标测算每期森林类型的破碎化程度。

同时，结合森林景观覆盖特点，将其划分为5个等级：≥90%、70%～90%、50%～70%、30%～50%、≤30%（见图4）。具体统计结果见表3。

图4 三峡库区100 hm2网格单元森林面积比例Fig. 4 Forest area proportion of Three Gorges Reservoir Area in 100 hm2 grid cells

表3 1990～2011年基本景观指数按格网密度统计Table 3 Basic landscape pattern index statistics in grid density from 1990 to 2011

表4 1990～2011年三峡库区破碎度指数统计Table 4 Basic fragmentation index statistics from 1990 to 2011

分析表3可知，20世纪90年代初，三峡库区森林集中分布在北部和西南部的局部地区，森林面积比例超过70%的网格单元比重仅占29%，多林带和小片林，森林破碎化程度高，固土御灾的能力不强；到本世纪初，随着森林分布范围不断扩大，森林面积比例超过70%的网格单元所占比重达到35%，森林破碎化有所缓解；近年来，森林覆盖区域显著增加，且连片分布，森林面积比例超过70%的网格单元所占比重，比20世纪90年代初提高15个百分点，达到44%，荒山绿化和陡坡地治理成效卓著。

2.4 森林景观按破碎度指数分析

总体而言，斑块的最大形状指数反映了斑块的优势度；边界密度表示景观类型单位面积所拥有的周长[25]；平均最近距离用来度量同种景观组分斑块间的相隔距离，揭示景观格局的团聚与分散程度[26]；而破碎度指数是生境破碎化的直接描述，反映景观空间结构的复杂性和破碎化程度。由表4可知，1990～2011年间，斑块的最大形状指数、边界密度均呈逐年递增趋势，同一年间共同表现为：针叶林＞阔叶林＞混交林＞灌木林＞竹林，其中针叶林分别为11.09和3.16，远远高于其他森林类型，说明针叶林规模大，褶皱程度高，在森林景观中处于优势地位；而平均最近距离、破碎度指数则依次递减，变化趋势正好相反，相同时间段均表现为：针叶林＜阔叶林＜混交林＜灌木林＜竹林。这个几个指数综合反映出近二十年来三峡库区的森林景观呈现形状逐渐趋于复杂，聚集度、优势度升高，斑块间最近距离减小，团聚性增强的特征，森林景观破碎化程度逐步缓解，植被改善成为主旋律。

3 结 论

森林景观的破碎化是森林生态系统变化的逆向过程。研究表明，人工造林对森林景观格局的变化具有重要作用，造林初期增加了森林景观的破碎化，但长期造林条件下，森林面积逐渐增加且斑块数量逐渐减少，破碎化逐步缓解，森林结构趋向复杂。1990～2011年三峡库区森林生态系统在人为干扰下趋于正向演化，结构逐渐稳定。

（1）森林面积增加明显，增幅高达84%，森林植被呈现良好的生长状况。森林结构方面，三期数据分布规律基本一致，呈现出针叶林＞阔叶林＞混交林＞灌木林＞竹林的规律，但针叶林面积比例逐渐下降，阔叶林面积比例增加，森林生态系统结构稳定性增强。

（2）按面积大小划分显示，库区森林类型的斑块面积和数量存在两极分化，面积≤1 hm2的斑块数量较多，但面积比例很小；面积20～50 hm2的斑块数量比例均小于4%，但面积比例多达20%以上。对比发现，近20年来库区森林斑块明显增多，均集中在5 hm2以下，斑块之间的相对差异在缩小。

（3）从格网密度统计看，20世纪90年代初，森林面积比例超过70%的网格单元仅占29%，森林破碎化程度高；到本世纪初，森林面积逐步增加，森林面积比例超过70%的网格单元达35%，森林破碎化有所缓解；近年来，森林覆盖区域显著增加，且连片分布，森林面积比例超过70%的网格单元所占比重，比1990年提高15个百分点，达到44%。

（4）破碎度指数分析表明，1990～2011年间，三峡库区森林景观形状逐渐趋于复杂，表现为聚集度、优势度升高，团聚性不断增强，破碎化程度逐步缓解。

4 讨 论

三峡库区作为我国西南部典型的生态脆弱区，在生态环境保护、地质灾害防治和应对气候变化方面发挥着重要作用[27]。随着三峡工程的兴建，土地利用结构发生变化，三峡库区森林生态系统的现状以及对全球气候变化的响应等成为众多学者关注的焦点[28]。研究表明：20世纪90年代，库区森林破碎化程度高，随后20年间到2011年左右，森林面积和覆盖率逐步增加，森林破碎化明显缓解，整体呈逆向演变过程，说明国家生态工程的实施发挥了正效应，取得了显著成效。

从已有研究来看，森林的片段化对森林生态系统的稳定与生物多样性的保护有重要影响[29]，景观破碎化涉及到森林的空间结构分布，大规模造林带的形成，并不意味着森林破碎化趋势的变好，如何正确评价防护林带营造与森林破碎化之间的关系是未来森林生态学研究的一个重要方向。

森林景观破碎化是景观生态学关注的热点问题，但在具体空间格局特征量化指标上缺乏明确的方法[30-32]。本文主要侧重于从不同角度评价森林的破碎化程度，关于森林景观破碎化的影响因子以及对物种多样性的影响本文涉足不多，如何将诸多影响因子综合考虑，多角度探讨森林景观的破碎化，以后需进一步研究。

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Study on evolution of forest landscape fragmentation of Three Gorges Reservoir Area based on multi-remote sensing images

ZHANG Yu-xing1, YAN En-ping2, XIA Chao-zong1, DANG Yong-feng1
(1.Academy of Forestry Inventory and Planning, State Forestry Administration, Beijing 100714, China; 2. Research Center of Forest Remote Sensing & Information Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Since the initiation of Three Gorge Construction Project, the spatial distribution and landscape pattern of forests in the areas have changed signif i cantly, which is worthy of major concerns. In order to monitor the dynamics and fragmentation of forest landscape pattern in the area, based on the remote sensing interpretation data of forests in the years of 1990, 2002 and 2011, the appreciate landscape pattern indexes were selected to build the models for forest fragmentation by using the software ArcGIS10.0 and Fragstats4.0.The results are shown as followings. From 1990 to 2011, with the increases of patch area in size, number, aggregation and dominance,the heterogeneity and fragmentation decreased on the contrary. The stability of forest ecosystem in the studied area was enhanced signif i cantly. By the year of 2011, the grid cells of forest area proportion over 70% was up to 40 percent, higher 15% than that in 1990.It is concluded that, in order to relieve the fragmentation of forest landscape, it is an effective way to promote the improvement of forest landscape pattern by developing long-term planning of reforestation planting and vegetation construction, so that to enhance the complexity and stability of forest ecosystem.

forestry remote sensing; forest landscape pattern; fragmentation; evolution laws; Three Gorges Reservoir Area

S771.8；S757

A

1673-923X(2013)07-0001-07

2013-02-27

森林资源监测项目（SX[2010]-[017]）；国家863课题（2012AA102001-4）；国家自然科学基金项目(31100412)

张煜星（1964-），男，内蒙古四子王旗人，教授级高级工程师，主要从事森林经理、资源与环境监测研究；

E-mail：zhangyuxing212@163.com

[本文编校：吴 毅]