基于GIS与Fragstats的海南岛森林景观格局研究

周亚东，周兆德

（海南大学 农学院，海南 海口 570228）

基于GIS与Fragstats的海南岛森林景观格局研究

周亚东，周兆德

（海南大学 农学院，海南 海口 570228）

基于海南省森林资源二类调查数据，运用Fragstats在ArcGIS平台下进行多个景观指数计算，对海南岛森林景观格局进行分析和研究。研究结果表明：1）海南岛森林景观格局以人工林、农地和天然林3种景观类型为主，斑块面积高达89%，是海南岛的优势景观类型，也是维持区域生态系统稳定的决定因素；2）天然林分布以海南岛中部地区的白沙、五指山、琼中、乐东等市县的面积最大，最大斑块指数也较高，该地区的天然林基本保持原始植被状态，集中连片, 面积较大，而沿海较发达的市县则天然林景观指数较低；3）部分市县的城市化发展水平较高，森林破碎化程度较高，城市建设呈多中心分散分布。

森林资源；景观生态；景观指数；多样性；ArcGIS；Fragstats；海南省

随着社会经济的发展和环境的恶化，森林景观格局与森林可持续经营成为研究的热点，也是景观生态学研究的重点方向之一[1]。对森林景观的结构组成特征和景观斑块间的相互关系进行定量和定性的描述与分析，是揭示其内部变化规律、景观恢复和生态可持续发展的重要途径和措施。目前的森林生态研究主要集中在个体、种群、群落和森林生态系统尺度上，更需要从景观大尺度大视角上研究森林景观的结构、功能、动态变化以及生态影响等，才能为当前森林资源的管理、合理保护利用以及实现林业可持续经营提供科学的理论支撑和发展方向[2-4]。近年来，随着GIS技术的成熟，将景观格局分析软件与GIS分析相结合的方法被广泛运用到区域森林景观格局的研究与分析当中[5-7]。

目前对景观格局的研究集中在景观格局变化[8-10]、景观格局变化驱动力[11-13]、景观格局的尺度效应[14-16]等方面。在数据来源上，多采用Quickbird、SPOT、ALOS、Landsat TM等卫星遥感影像作为研究的数据源[9,17-20]。景观格局的异质性研究，一是研究景观的空间异质性，二是研究景观的时间异质性问题[21]。对景观格局的研究多采用景观指数进行分析。如刘常富等[22]选取了11个景观格局指数，对沈阳的森林景观格局动态变化进行评价；王海峰等[23]运用遥感和地理信息系统技术，选取6个景观指数，对湖南株洲的绿地景观进行研究；蒋群星等[24]选取11个景观指数，对桃源县森林景观格局的特征进行分析。本研究以海南岛森林为研究对象，采用海南省2011年森林资源二类调查，并结合相关的调查数据为基础，研究森林景观的空间异质性。海南岛大规模的移民迁入较晚，近几百年来人为活动对森林影响巨大，而且有很强的规律性，景观格局的形成与变化是自然因素及人类活动共同作用的结果，通过对森林景观空间异质性比较分析，有助于对其过程的理解，也为森林资源管理、合理利用和保护提供科学依据。

1 研究区概况

海南岛位于南海大陆架北端，地处东经108°15′～ 120°05′，北纬 18°10′～ 20°10′，是我国第二大岛屿，全岛面积约3.4万km2，辖18个市县（不含三沙市）。海南岛作为我国唯一的低纬度热带岛屿，属于典型的热带季风气候和热带海洋气候，全年温暖，雨水充沛，年均降水量可达1 600 mm，年平均日照1 750～2 650 h，年平均气温23～26 ℃。岛内地貌类型多样，动植物资源丰富，据调查有4 680多种维管束植物和640多种野生动物，被誉为物种基因库。全岛地形以山地和丘陵为主，形成以五指山（海拔1 867.5 m）和鹦哥岭为核心的中部凸起、向沿海周边海拔逐级下降的地貌形态特征，有我国面积最大、最完整的原始热带雨林。全岛水系也由中部山区向四周沿海地区辐射，共有大小河流154条，其中南渡江、昌化江、万泉河为海南岛的三大河流，其流域面积占全岛的47%。

据2008年《海南省森林资源连续清查第五次复查》结果表明，全省的林地总面积已由1987年的171.60万hm2上升到2009年的211.59万hm2；森林覆盖率也由1987年的28.00%上升到2009年的53.20%。至2013年，海南岛森林覆盖率已达到61.9%，林地总量和森林覆盖率得到大幅度提升，但就其林分质量来看并不高，天然林覆盖率仅为19.17 %（2012年），保护与管理形势依然严峻，这就导致生态安全体系依然脆弱。

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

本研究以海南省2011年森林资源二类调查小班矢量数据为基础，结合2011年Spot6卫星遥感影像进行校正。根据海南岛土地利用状况及研究区森林资源特征，以地类、林种、优势树种、起源为依据，划分为天然林、人工林、灌木林、农地、水域和其他非林地6种景观类型（见图1），并建立标识字段，在ArcGIS下转换为5 m×5 m的grid栅格格式，最后导出为GeoTiff格式。导出的数据在ArcGIS 10.2下运用Fragstats 4.1进行分析。

图1 海南岛森林景观类型Fig.1 Landscape types of forests in Hainan province

2.2 景观格局指数选择

景观生态学研究最常用研究方法是用计算景观格局指数来概括景观格局以及其变化过程，建立起格局和景观过程之间的联系[4]。在整个区域景观格局分析中，由于单个斑块景观指数的计算分析贡献较小，因此实证研究中对景观格局指数的探讨多采用类型和景观水平这两个尺度[3-4]。在类型水平上可以计算斑块平均面积指数、平均形状指数、面积、斑块密度指数等；而在景观水平上，除了以上指数之外，还可以计算景观的优势度、均匀度、多样性、分维数、聚集度、生境破碎化指数等[3,25-26]。因此，本研究从类型水平（Class Level）和景观水平（Landscape Level）两个景观层次上进行，参照相关研究结果选取了斑块数（NP）、斑块面积（CA）、最大斑块指数（LPI）、斑块平均大小（MPS）、面积加权的平均形状因子（AWMSI）、斑块分维数（FD）、平均接近度指数（MPI）7个类型水平指数和景观多样性指数（SHDI）、景观均匀度指数（SHEI）、散布与并列指数（IJI）、蔓延度或聚集度指数（CONTAG）4个景观水平指数进行景观格局的计算与分析。

3 结果与分析

3.1 海南岛森林景观类型

海南岛地势中高周底，以五指山、鹦哥岭为隆起核心，向外围逐级递降。由山地、丘陵、台地、平原构成不对称的环形层状地貌，梯级结构明显。海拔200 m以下的平原、台地、丘陵占全岛总面积的70%，主要分布在北部和东北部及沿海地区，海拔200～500 m的低山、高丘占20.2%，海拔500 m以上的山地占9.8%。

该研究区人工林景观类型主要分布在儋州、琼海、琼中等市县，而天然林则主要分布在白沙、琼中、乐东、东方、五指山、保亭、昌江等海南岛中部山区市县（见表1），天然林是山区主要景观类型，是维持海南岛整个区域生态系统稳定的决定因素，为海南省的可持续发展奠定了良好生态环境基础。

从景观分布可以看出，天然林集中连片分布在位于海南岛中部、西南部山区的白沙、琼中、乐东、五指山、昌江等山地；而平原区随着近年来城市建设的推进，城镇村庄及工矿用地不断扩大，其景观格局主要为农地、人工林、灌木林以及非林用地等几种土地利用类型交错分布。

而灌木林以海口、文昌、昌江居多，说明随着城市化进程加快，原始植被或天然植被已被破坏殆尽，进而以灌木林丛取而代之，造成林分质量降低，生态功能下降。农地类型以文昌、儋州、海口居多；水域以儋州、文昌、东方最多，主要是因为该地区水库较多，水域占了较大面积。而其他非林地类型也以海口、儋州为多，其建设用地和工业用地所占比例较大，侧面反映出该地区的经济发展水平和城市化建设情况。

3.2 海南岛多尺度景观格局

（1）类型水平上景观格局特征分析

海南岛森林景观总面积为3 408 760 hm2，斑块数最多的是人工林，有65 161个；其次是农地景观和其他非林地景观，分别为 40 094 个和 33 273个（见表2）。其中人工林景观面积最大，为1 500 885 hm2，占研究区总面积的44%，基本构成了研究区景观的基质；其次为农地和天然林地景观；面积最小的是灌木林，仅48 156 hm2。海南岛森林景观格局以人工林、农地和天然林3种植被类型为主，人工林占景观总面积的44%，农地和天然林分别占景观总面积的23%和22%，三者合计占到总面积的89%。

海南岛天然林平均斑块面积最大，为32.85 hm2，而斑块数量相对较少，这主要是因为天然林主要分布在中部山区，受人为活动干扰小，有集中连片分布的特点。其中琼中、乐东、白沙、三亚、五指山等中南部市县的天然林面积最大（见表1），最大斑块指数也较高，且斑块数量也较少，这表明该地区的天然林基本保持原始植被状态，集中连片面积较大，平均斑块面积也很大，这对于维护海南岛整个森林生态安全具有积极的作用。

表2 海南岛景观斑块类型特征Table 2 Type feature of landscape patches in Hainan province

景观斑块面积从大到小依次是人工林、天然林、农地、其他非林地、水域以及灌木，表明景观斑块面积的差异比较明显，表现出整体景观的破碎化状态。其中，人工林斑块数最多，斑块面积也最大，但平均斑块面积仅23.03 hm2，说明人工林分布比较分散，斑块规模较小，并且斑块破碎化程度较高，空间异质性程度也较大。

斑块密度的排序与斑块数量和景观面积呈反比，从大到小依次为：灌木、其他非林地、水域、农地、人工林以及天然林。其中，天然林的斑块密度最低，为0.03，这充分说明海南岛天然林呈集中连片分布的特点。灌木的斑块密度最大，为0.35，这表明灌木林斑块破碎化程度很高，景观受外界影响较大，边际效应明显（见图2）。

图2 景观斑块类型面积、数量Fig.2 Area and percentage of each landscape types of forests

（2）景观水平上景观格局特征分析

海南岛森林景观斑块总数（NP）为190 741个，而景观总面积（CA）为3 408 760.97 hm2，则景观斑块平均面积（MPS）为17.87 hm2（见表3），这说明海南岛森林景观破碎程度较高。

表3 海南岛森林景观总体水平上的景观指数Table 3 Landscape indexes for landscape total level of counties or cities in Hainan province

景观多样性指数（SHDI）反映的是景观要素的多少及各景观要素所占比例的变化情况，海南岛整体景观多样性指数为1.235 9，具有较高的景观多样性。其中，琼中、五指山、白沙、保亭、屯昌等中部市县的香农多样性指数较低（见表3），这主要是因为该地区的天然林所占的比例较大；而在东西部沿海市县，如海口、文昌、万宁、陵水、东方等市县，则多样性指数较高，说明该地区森林景观类型多样，且各类型景观要素的多少相差不大，这与表1的统计分析相一致。国内各地区所做的研究结果表明，随着人类活动强度的增加，景观的多样性和破碎度也在增加[27]。

景观均匀度指数（SHEI）描述的是景观类型分布的均衡性，是否由一个或少数几个斑块类型对整个景观起着主导地位。从海南岛景观均匀度指数研究结果来看，其景观均匀度指数为0.689 8，说明海南岛景观格局中，景观类型分布相对均衡，不是由某一种景观斑块类型对整个景观起着支配作用，这与景观类型面积比所反映的人工林、农地和天然林3种类型组成了海南岛森林景观基质是一致的。而从各市县的均匀度指数来看，因海南岛沿海各市县建设用地的开发以及人口密度较大等客观原因，在一定程度上降低了单个景观类型的聚集度，从而造成该部分地区的景观均匀度指数较高，如海口、文昌、陵水、东方、昌江等市县，景观均匀度指数都较高。而相对于海南岛中部山区因经济发展水平相对落后，森林植被破坏较小，从而形成了集中连片的天然植被，这与其他景观类型形成较大的反差，进而降低了景观均匀度指数，如白沙、琼中、五指山、保亭、屯昌等市县，香农均匀度指数都较低。

聚集度指数（CONTAG）描述的是景观中不同类型斑块的团聚程度，其值越大表明景观由少数团聚的大斑块组成，越小则为许多分散的小斑块组成。海南岛整体景观聚集度指数为62.402 8。而在沿海市县大部分都小于该数值，且最低达到了53.830 1（海口），这表明海南沿海各市县多由分散的小斑块组成。在中部地区则大多大于该数值，特别是五指山、屯昌等地甚至达到了70以上，这就表明了中部山区市县多由大的景观斑块所组成，这对于海南岛整个生态环境维护具有重要作用。

散布与并列指数（IJI）描述的是景观要素在研究区域内在异质斑块间的分布状况，其值越小，表明该景观类型越接近于分散单一斑块类型之间。该指数的意义与聚集度指数（CONTAG）实际上是相反的，其值越小，说明景观类型多趋于大斑块组成。其反映的研究结果也与聚集度指数相一致，这里就不再赘述（见表3）。

4 结论与讨论

4.1 结 论

（1）海南岛森林景观格局以人工林、农地和天然林3种景观类型为主，分别占景观总面积的44%、23%和22%，三者合计达到了89%，占有绝对的优势。在海南岛景观格局中，人工林、农地和天然林3种景观类型为优势景观元素，也是维持整个区域生态系统稳定和生态安全的决定因素。

（2）天然林分布以海南岛中部地区的白沙、五指山、琼中、乐东等市县的面积最大，最大斑块指数也较高，且斑块数量也较少，这表明该地区的天然林基本保持原始植被状态，集中连片面积较大，因此平均斑块面积也很大，这对于维护海南岛整个森林生态安全具有积极的作用。而沿海较发达的市县则天然林面积较低，这与海南岛实际的森林植被分布相符合。

（3）海口、文昌、儋州等市县因城市化建设与发展水平较高，建设用地等类型面积较大，造成该部分地区的灌木林、其他非林地所占的分量较重。主要是因为这些城市的城市化发展水平较高，为典型的城市景观。建设用地斑块数最多，斑块密度最大，破碎化程度较高，空间异质性程度也较大，城市建设呈多中心分散分布。

4.2 讨 论

（1）海南岛森林景观格局的形成与变化是自然因素及人类活动共同作用的结果，傅伯杰通过研究将引起景观空间格局变化的驱动因子主要归纳为自然与人文因子两类[28]。但在人类活动较为频繁的区域，人为因素在景观变化中占据绝对位置，地形、气候、温度、水分等自然环境因素则在景观格局所起的作用不明显。人类活动对景观的干扰和改变作用所造成的影响成为景观空间结构显著变化的根本性影响因素[14]。

（2）从海南岛森林景观格局的区域分布来看，中部地区的聚集度较高，平均斑块面积较大，向中部四周各市县逐渐降低。因人为活动的逐渐加大和建设开发的投入，造成斑块破碎，景观多样性指数和均匀度指数都相对较高，从而引起了森林生态环境的破碎化加剧，给环境的可持续发展带来沉重的压力。景观破碎化与人类活动强度的正相关关系在城市化过程中只是阶段性的[29]。城市化通常由农地和建设用地等其他非林地为基质开始，当人类对土地利用的集约性程度达到一定程度后，景观的破碎化水平都会开始降低，景观破碎度变化呈现“快速增加一增速减缓一平稳下降”的过程[29]。本研究通过海南岛森林景观格局的横向变化也可以推断出海南岛森林景观在时间纵向上的变化趋势。上海和深圳两城市景观格局动态的研究结果也表明了景观破碎度随城市化程度变化的这一趋势[30-31]。研究区的多样性、均匀度、破碎化的增加，都表明海南岛等沿海市县还处在城市化建设的快速发展阶段。

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Study on forest landscape patterns based on GIS and FRATSTATS in Hainan province

ZHOU Ya-dong, ZHOU Zhao-de
(School of Agricultural, Hainan University, Haikou 570228, Hainan, China)

Based on the data from the second type inventory of forest resources, through calculating multiple landscape indices by using ArcGIS and Fragstats, the forest landscape arrangements in Hainan province were investigated and studied. The results show that (1)Plantation, farmland and natural forest are the main landscape type in Hainan, accounting for 89% of the total area, and they are the key factors to maintain regional ecosystem balance and ecological security; (2) Natural forests mainly distributed in Baisa, Wuzhishan,Qiongzhong and Ledong cities or counties, the regions had high LPI and low NP, this means that natural forests in the areas remained primitive vegetation state, being distributed in flakes centralized and large contiguous area, while the coastal developed counties had low landscape pattern indexes; (3) Some counties had a rapid urbanization, the forests were fragmented, the city development showed a multi-center scattered distribution pattern.

forest resources; landscape ecology; landscape index; biodiversity; ArcGIS; Fragstats; Hainan province

S718.54

A

1673-923X(2015)05-0078-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.05.014

2014-08-07

国家自然科学基金项目（31160178）；国家农业公益性行业科研专项 （201303117）

周亚东，博士研究生

周兆德，教授，博士生导师；E-mail：zhouzhaode2012@163.com

周亚东,周兆德. 基于GIS与Fragstats的海南岛森林景观格局研究[J].中南林业科技大学学报，2015,35(5)：78-83.

[本文编校：谢荣秀]