森林景观斑块耦合网络的构建

李际平，赵春燕，袁晓红，蒋琼星，郑 柳

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

森林景观斑块耦合网络的构建

李际平，赵春燕，袁晓红，蒋琼星，郑 柳

（中南林业科技大学，湖南 长沙 410004）

森林景观斑块之间呈现不同程度的边缘效应, 不同森林景观类型斑块的耦合作用强度不同。为了满足森林可持续经营的要求，需要在景观尺度上开展森林经营研究。以西洞庭湖区为例,运用图论的方法,把森林景观斑块作为节点、斑块之间的耦合作用强度作为节点间边权，从而构建该区森林景观斑块耦合网络。运用复杂网络理论，进一步深入分析了森林景观生态系统的稳定性和抗毁性。

森林景观生态系统；森林可持续经营；斑块耦合网络；边缘效应；稳定性；抗毁性

森林可持续经营要求把森林生态系统作为一个开发系统，考虑景观和自然区域空间尺度森林经营问题[1-2]。为了森林可持续经营的要求，在景观尺度上开展森林经营研究，追求森林生态系统的整体系统功能的最大，其关键在于调整森林景观斑块的空间结构，通过合理配置森林斑块，最大限度地发挥森林组成成分间相互作用效能[3]。斑块是森林景观尺度的组成单元，两个斑块长期相互耦合作用形成边缘与核心部分在林木胸径、树高等参数存在差异，表现出边缘效应[4]。

两个森林景观斑块相互耦合作用呈现边缘效应[5]，不同森林景观类型斑块的耦合作用强度不同，本文以西洞庭湖区为例，运用图论的理论，森林景观斑块作为节点，斑块之间的耦合作用强度为节点间边权，构建了森林景观斑块耦合网络，运用复杂网络的理论，进一步分析森林景观生态系统的稳定性和抗毁性。

1 研究区概况

本文的研究区域设置在西洞庭湖区，位于湖南省北部，包括常德河洑林场、桃源县、汉寿县、安乡县、澧县、临澧县等地域，总面积为142.2万hm2。地势位于云贵高原、湘西山地向洞庭湖平原的过渡地带。属于湿润季风性气候区，同时具有滨湖气候和山地森林气候的特征，全年平均气温16.7 ℃，降水充沛，四季分明。

西洞庭湖区林业用地面积为513 115.31 hm2，占景观总面积的36.24%，按景观类型划分为阔叶类景观、经济林景观、松类景观、杉木林景观、竹类景观、灌木类景观和柏木类景观，其面积比分 别 为：27.10%、24.37%、17.74%、13.49%、10.07%、7.23%、0.003%。

2 数据处理与分析方法

2.1 数据的GIS处理方法

借助ArcGIS软件空间分析功能，依据邻近关系，针对西洞庭湖区2006年的森林资源二类调查数据，实现从林分小班到景观斑块的图形综合[4]，此操作同时实现图形合并和属性归并。

2.2 森林景观斑块耦合网络

2.2.1 景观斑块边缘效应强度

边缘效应强度(Ei)的计算采用王伯荪等[6]确定的边缘效应指数，其公式为：

式中，m为测算其边缘效应的相邻斑块数量，本研究取值为2，Yi为m个斑块形成的交错内种群数量、生产力和物种多样性的指标，yij为第j个群落的第i个指标。本研究中，指标选取乔木平均胸径、平均树高和单位蓄积，物种多样性选取辛普森指数。

边缘效应总强度采用8个指标边缘效应的加权和，这8个指标采用样地内乔木平均树高、平均胸径、蓄积、物种密度、灌木层与草本层物种丰富度、灌木层与草本层物种多样性，在计算蓄积时采用单位面积上的蓄积量，其中加权值采用表2中采用层次总排序计算的加权结果，计算公式为：

式中，N为指标数目，本研究中N取值为8，Ei为第i个指标的边缘效应值，Wi为第i个指标的权重值。

2.2.2 层次分析模型

运用层次分析法计算森林景观斑块中8个指标的边缘效应权重。每个指标的重要性采用林学和生态学的专家意见，对各种因素对比得出8×8的判断矩阵，最终的权重值一致性检验，符合AHP要求确定指标权重。

2.2.3 景观斑块耦合网络构建方法

对于由N个节点，E条边构成的复杂网络G=(N，E)，在森林景观斑块耦合网络中，网络中节点为一种类型的森林景观斑块，网络中的边为相邻森林景观斑块间边缘效应强度。

3 结果与分析

3.1 研究区森林景观斑块特征

从表1可以得出，阔叶类景观的斑块数量最多，研究区域为33 838块，占西洞庭湖区森林景观斑块数的21.99%，其次为杉木林和松木类景观，斑块数分别为29 897块和24 866块，分别占19.44%和16.17%，而柏木类景观斑块数仅为16，斑块数量最少。

表1 西洞庭湖区景观斑块特征Table 1 Landscape patch characteristics in west Dongting lake

3.2 研究区森林景观斑块边缘效应强度

3.2.1 边缘效应指标权重

森林景观斑块间的边缘效应是由于物质、能量和信息等生态因子或系统属性的差异引起森林景观生态系统的生产力和生物多样性等方面的变化[7]。因此，层次分析法的目标层为边缘效应总强度，中间层选择生产力和物种多样性指标，构建指标体系如图1。

图1 边缘效应评价指标体系Fig.1 Edge effect evaluation index system

本文采用德尔菲法对上述措施层8个指标一一对比评判与量化。计算图1中各指标的权重如表2。

3.2.2 西洞庭湖区边缘效应强度

按照公式(2)，计算不同森林景观类型的斑块之间的边缘效应值见表3，E取值为0时，边缘效应不明显，E取值大于0，边缘效应呈现正效应，E取值小于0，边缘效应体现为负效应。

从表3可以看出，森林景观斑块的边缘效应强度大于0的比例较多，说明不同类型斑块间大多具有正效应。其中，从景观类型分析，松类与阔叶类景观斑块之间边缘效应强度最大，且均为正效应，其中松木幼龄林景观与阔叶类景观斑块边缘效应强度达到25.8%，主要因为幼龄林样地数目较少的影响，松木中龄林景观与阔叶类景观边缘效应强度达到5.3%，说明松木中龄林景观斑块边缘区竞争激烈。杉木幼龄林和中龄林景观与阔叶类景观边缘效应强度较大，分别达到14.6%和17.5%，而杉木成熟林景观与阔叶类景观边缘效应呈现负效应，主要由于成熟林景观在物种多样性指标的边缘效应呈现较强负效应，杉木幼龄林景观与松木类景观斑块的边缘效应呈现负效应，而杉木中龄林与成熟林景观呈现较弱的正效应；从龄组分析，各种类型的中龄林景观斑块的边缘效应强度最大，成熟林景观斑块的边缘效应强度较小，而幼龄林没有明显规律性。

表2 边缘效应指标权重Table 2 Marginal effect index weight values

表3 边缘效应强度Table 3 Edge effect intensity

3.3 研究区森林景观斑块耦合网络

森林景观斑块作为节点，斑块之间的耦合作用强度为节点间边权构建森林景观斑块耦合网络。以西洞庭湖区的澧县为例，构建森林景观斑块耦合网络如图2，图中节点为森林景观斑块，节点之间的连线(边)表示相邻森林景观斑块的边缘效应，实线表示边缘效应值为正，呈现正的边缘效应；虚线表示边缘效应值为负，呈现负的边缘效应，节点之间的距离表示边缘效应强度绝对值。

图2 澧县森林景观斑块耦合网络Fig.2 Forest landscape patch coupling network for Lixian county

森林景观斑块耦合网络具有如下特点：

（1）网络中每一个节点对应一个斑块，斑块的位置不影响网络的构建和分析，但是尽量保持斑块之间的相对位置关系和拓扑关系，在本研究中，构建的是森林景观斑块的逻辑网络；

（2）森林景观斑块耦合网络为有权网络，其权重为斑块之间耦合度，权重值与森林景观斑块的类型、经营措施等有关；

（3）网络中每一个节点的度表示相对应斑块的相邻斑块数目，斑块面积越大，可能与之相邻的斑块数目越多，对应的节点度越大。

（4）实线表示边缘效应值为正，呈现正的边缘效应；虚线表示边缘效应值为负，呈现负的边缘效应。

4 结论与讨论

森林景观斑块之间呈现不同程度的边缘效应，本文运用图论的理论，把森林景观斑块作为节点，斑块之间的耦合作用强度为节点间边权构建森林景观斑块耦合网络[8-10]，该网络属于逻辑网络，但网络的权重、度能代表森林景观生态系统的实际意义，因此，可以运用复杂网络的理论研究森林景观生态系统，进一步分析网络的抗毁性和稳定性。

为了森林可持续经营要求，需要从宏观角度研究森林景观生态系统，本研究应用森林景观斑块耦合网络表示森林景观生态系统，运用复杂网络理论，能够满足从宏观角度研究森林景观生态系统要求。

[1] 张会儒.森林可持续经营的重要保障[J].林业科学研究,2008,21(增刊):95-99.

[2] 谢剑斌,查 轩.试论森林可持续经营单元的时空尺度[J].林业科学,2005,41(3):164-170.

[3] 赵春燕,李际平,袁晓红,等.涉及邻近关系的多尺度林业数据图形综合方法[J].林业科学, 2012,48(6):159-164.

[4] 赵春燕.森林景观斑块边缘效应和耦合机理研究[D].长沙:中南林业科技大学,2012.

[5] 袁晓红,李际平,赵春燕,等.基于灌木层植物多样性的森林景观斑块耦合网络研究[J].中国农学通报,2012,28(16):82-88.

[6] 王伯荪,彭少麟.鼎湖山森林群落分析——X边缘效应[J].中山大学学报, 1986,(4):52-56.

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[8] 吕一河,陈利顶,傅伯杰.生物多样性资源:利用、保护与管理[J].生物多样性, 2001,9(4):422-429.

[9] 田 超,杨新兵,刘 阳.边缘效应及其对森林生态系统影响的研究进展[J].应用生态学报,2011,22(8):2184-2192.

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Construction of forest landscape patch coupling network for west Dongting lake

LI Ji-ping, ZHAO Chun-yan, YUAN Xiao-hong, JIANG Qiong-xing, ZHENG Liu
(Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In order to satisfy requirements of sustainable forest management, it is necessary to carry out the study of forest management from the angle of landscape scale. By taking west Dongting lake area as the example, using the method of graph theory, the forest landscape patches coupling network for the area was set up, through taking the patches as the network nodes and the coupling strength values among plaques as the inter-node edge-weight values. Further,the stability and invulnerability of the forest landscape ecology system in the area were penetratingly analyzed.

forest landscape ecology system; forest sustainable management; plaque coupling network; edge effect; stability;invulnerability

S771.5

A

1673-923X(2014)07-0001-04

2014-03-10

国家自然科学基金项目（30972362）

李际平（1957-），男，湖南醴陵人，教授，博士，研究方向：林业系统工程

[本文编校：吴 毅]