基于GIS的大别山区霍山县森林景观格局和特征分析

王升堂，汪洋，孙贤斌，黄润

(1.皖西学院资源环境与旅游管理学院，安徽六安237012；2.霍山县林业局，安徽霍山237200)

基于GIS的大别山区霍山县森林景观格局和特征分析

王升堂1，汪洋2，孙贤斌1，黄润1

(1.皖西学院资源环境与旅游管理学院，安徽六安237012；2.霍山县林业局，安徽霍山237200)

利用森林资源二类调查数据，在ArcGIS10.3和Fragstats4.2支持下，从斑块类型和景观镶嵌体两级水平上选取多种指数对大别山区霍山县森林景观的格局和特征进行分析。结果显示：有林地景观类型占总面积的73.549%，是最主要的土地利用类型。有林地中的天然阔叶林、天然针叶林、人工针叶林、人工阔叶林和人工竹林所占比重较高，景观空间分布呈现集中连片，是起支配作用的主要景观；全区森林景观多样性丰富，景观异质性较强，结构较为复杂，有利于维护区域生物多样性和发挥森林生态系统功能，维系生态平衡，改善生态环境；但受人类活动的干扰，林地景观破碎化，不利于改善立地条件与提高林分质量。

森林景观；景观特征；GIS；霍山县

森林是陆地最重要的生态系统之一，是维持生态平衡和改善生态环境的重要保障[1]。森林景观是以森林生态系统为主体所构成的景观，对森林景观格局的数量化分析是揭示其空间分布基本规律的主要手段，为通过科学的森林景观规划设计、实施生态建设和管理提供依据[2]。目前主要采用景观指数对景观格局进行数量分析[3]，随着地理信息系统(GIS)技术的成熟，将GIS分析与景观指数计算软件(Fragstats)相结合的方法得到广泛运用[4-7]。在《中国主体功能区划方案》中大别山区被划为重点生态功能区[8]，是中国25个重点生态功能区之一，是华东地区的生态屏障。一旦大别山区的森林生态系统稳定性遭受威胁，将危害到华东区域生态安全格局。对大别山区森林资源的相关研究多以植物区系、植被类型分布以及森林植被经营为主[9-12]。从景观生态角度对大别山区森林资源的研究相对较少。

霍山县地处大别山腹地，是淮河重要支流淠河的河源区，境内山高林密，溪河密布。全境千米以上的高峰有47座，大别山3大高峰白马尖、多云尖和天河尖，均处于霍山县境内，其中白马尖是大别山的主峰，海拔1 774m。分布于境内的佛子岭、磨子潭、白莲崖等3座大型水库及73座中小型水库连同位于金寨县的响洪甸水库一起为淠史杭灌区中的淠河灌区提供优质水源，区域水资源丰富、水质优良。

本文以霍山县作为大别山北坡森林的代表，对森林生态系统景观格局进行分析，探讨森林景观格局的总体特征及异质性，以期为优化景观配置、森林资源的持续经营、生态环境治理和保护提供依据。

1 研究区概况

霍山县位于安徽省西部，地处大别山北坡，北纬31°03′~31°33′，东经115°52′~116°32′。东与六安市的金安区、舒城县接壤，南与安庆市的岳西县、湖北省英山县毗连，西北与六安市的金寨县、裕安区为邻，如图1所示。总面积2 044.9 km2，2014年总人口36.3万，是个“七山一水一分田，一分道路和庄园”的山区县。地势南高北低，依次可分为中山、低山和丘陵畈区，并间有一些小型的河谷盆地。中山区位于西南部，山势雄峻，谷深坡陡，海拔高度大都在800m以上，平均1 000m左右，千米以上的高峰几十座，是用材林、水源涵养林和药材生长的主要区域。低山区位于中部，海拔500~800m，山体破碎，坡度较缓，是以林木、毛竹、粮食为主的多种经营区域。丘陵畈区位于东北部，海拔500m以下，最低处仅50m。河谷较宽阔，丘岗平地相间，是霍山县主要粮油产区。

霍山县地处北亚热带湿润季风气候区，气候基本特征：季风明显，冷热适中，雨量充沛，光、热、水等气候资源丰富。全县年平均降水量为1 366 mm，年均气温15.3℃，年均无霜期220天。

霍山县植被较丰富，但由于人们长期经营活动，植被类型及其数量有所改变。原生植被已多为次生植被代替，中山区以自然植被为主，低山区自然与人工植被并重，丘陵区以人工植被为主。

图1 霍山县地理位置示意图

2 数据与方法

2.1 数据来源和处理

研究数据来源为霍山县林业局2013年完成的森林资源二类调查，数据格式为ArcGIS Geodatabase数据，林地小班属性包括小班编号、地类、起源、优势树种、树种组成、年龄、权属等55个属性字段。

利用森林资源数据库中的地类、起源、优势树种、树种组成等属性字段进行森林景观要素划分，在ArcGIS10.3中用Dissolve工具将分类的森林景观相邻小班进行融合处理，融合后应用Feature to raster工具将矢量数据转为栅格数据(2m×2m)，栅格数量为14 779×15 682，最后将栅格输出为Geotiff格式。

2.2 研究方法

利用栅格版景观分析软件Fragstats4.2进行景观格局指数的计算。Fragstats可计算单个斑块、斑块类型、景观镶嵌体3个层次的景观指数[13]。选择斑块类型特征、斑块类型异质性和景观异质性等景观指数计算分析研究区景观特征。（1）斑块类型特征指数。选择斑块类型面积CA（hm2）、景观百分比PLAND(%)、斑块数NP(块)、斑块平均面积指数AREA_MN（hm2）、平均斑块形状指数SHAPE_MN、平均斑块分形指数FRAC_MN等指数计算分析斑块类型特征。（2）斑块类型异质性指数。选取斑块密度PD（块/km2）、边缘密度ED（m/hm2）、散布毗邻指数IJI(%)、聚集度AI(%)等指标描述各斑块类型的异质性。（3）景观异质性指数。选取蔓延度指数CONTAG(%)、散布毗邻指数IJI(%)、香浓多样性指数SHDI和香浓均匀度指数SHEI来表征景观水平异质性。

2.3 森林景观要素划分

对整体景观要素的划分是进行景观格局分析的基础，是景观生态规划设计和管理的前提[5]。由于对景观的理解各不相同，使得迄今为止还没有一个统一的森林景观分类体系。为多尺度、多层次分析区内森林景观格局特点，结合实际调查从地类、森林植被类型二级尺度对森林景观进行分类划分。从斑块类型水平、景观水平两个层次进行景观指数计算分析。

第1级：按照《国家森林资源规划设计调查主要技术规定》对林地类型的划分，根据森林资源数据库属性字段地类的值将研究区林地景观划分为有林地(包括乔木林地、竹林地)、疏林地、灌木林地(国家特别规定灌木林、其他灌木林)、未成林地(人工造林未成林地、封育未成林地)、苗圃地、无立木林地(采伐迹地、火烧迹地、其他无立木林地)、宜林地(宜林荒山荒地、宜林沙荒地、其他宜林地)等类型，其他土地利用分为水域和非林地(包括耕地、建设用地)等，共9种景观类型。

第2级：根据森林资源数据库的起源和树种组成属性字段值将有林地按森林植被类型划分为人工针叶林、人工阔叶林、人工针叶混交林、人工针阔混交林、人工阔叶混交林、人工竹林、天然针叶林、天然阔叶林、天然针叶混交林、天然针阔混交林、天然阔叶混交林、天然竹林等12种景观类型。根据景观要素划分的结果，利用ArcGIS的融合工具（Dissolve）对属性一致且地理位置相邻的景观要素进行融合，然后导出Geotiff格式数据，得到如图2所示的霍山县森林景观要素空间分布图。

图2 霍山县森林景观要素划分

3 结果与分析

3.1 斑块类型的总体特征

全区景观斑块总数15 144块，斑块数的计算受4邻或8邻规则影响，本研究选择的是默认的8邻规则。景观总面积204 489.39 hm2(表1)。从地类层次看，斑块面积最大的是有林地，占总面积的73.549%，有林地是最主要的景观类型，主导着景观整体的结构、功能和生态过程。其他依次为非林地、灌木林地、水域、宜林地、未成林地、无立木林地、疏林地和苗圃。其中宜林地的景观面积940.41 hm2，仅占总面积的0.46%，表明宜林尚未完成造林的情况很少，同时也说明造林后备潜力不大。

从斑块数量看，非林地最多，其次为人工竹林。这是因为非林地包括了耕地、居民点和道路等土地利用类型，由于山区自然地形条件的限制，耕地与居民点用地散布于林地之中，仅在北部丘陵畈区相对比较集中，因而数量多。人工竹林斑块数量多，面积比重较大，是因为近年来霍山竹产业快速发展，农民经营竹林的热情空前高涨。

表1 景观斑块类型特征指数

二级景观分类中，有林地细分为12中景观要素类型。从起源看，人工起源的占35.59%，天然起源的占37.959%，两者比例大致相当。从纯林和混交林看，纯林占53.9%，混交林仅5.487%。混交林的生态系统结构远较纯林复杂，混交林在改善立地条件、提高林分质量、涵养水源、保持水土、预防森林病虫害等多方面明显优于纯林[14]。纯林在郁闭度过大的情况下，会阻断阳光进入林下，以致林下灌木和草都不能生长，造成土壤裸露，形成林下土壤侵蚀[15]。因此在公益林的营造中应尽可能地营造混交林，以提高森林景观的生态效益。从景观要素类型看，天然阔叶林、天然针叶林、工针叶林、人工阔叶林和人工竹林所占比重较高，均超过10%，在景观分布图上这几种类型呈现出集中连片分布，在整个森林景观中居主导地位，在维持森林景观多样性和稳定性中起支配作用。从平均形状指数看，景观整体为2.12，天然起源的森林景观斑块类型的形状指数明显大于人工起源的斑块类型，其中苗圃的形状指数最小，水域的形状指数最大，苗圃是深受人类经营活动影响的缘故，而水域则受复杂地形的制约。各斑块类型平均形状指数值介于1.55~3.37之间，明显大于1，这反映出森林景观斑块的形状不规则，偏离圆形或方形的程度较大，斑块形状受山区复杂地形的影响显著。

斑块分形指数能揭示景观斑块周边的复杂程度，同时能在一定程度上反映出人类活动对景观格局的影响。其理论取值范围为1~2，1代表形状最简单的方形，2代表等面积下周边最复杂的斑块[16]。从总体看，全区平均斑块分形指数值为1.14，各斑块类型分形指数接近，都比较接近于1，表明斑块形状在人类干扰下趋向简单。

3.2 斑块类型水平异质性

斑块密度是某类景观斑块数除以景观总面积。单位景观面积上异质景观要素斑块数量越多，斑块密度的值就越大，则斑块规模就越小，斑块也就越分散，景观空间异质性越高。从表2看，非林地景观斑块密度的值最大，说明非林地最为分散，表示山区缺少集中连片的耕地，另外山区的居民点因地形与交通条件的限制，规模很小，分布十分分散。苗圃、人工阔叶混交林、疏林地、天然针叶混交林等的斑块个数很少，分别为2，5，7和8块，相应的斑块密度也很小。区内优势景观人工针叶林、人工阔叶林、人工竹林、天然针叶林、天然阔叶林的斑块密度介于0.334~0.8块/km2之间，平均斑块面积大于1 km2，这些景观类型斑块面积较大，相对集中，破碎程度相对较低，可为一些较大型的野生动物提供适宜的生存环境。

表2 斑块类型异质性指数

边缘密度指的是单位景观面积上某类景观要素斑块与其相邻异质斑块之间的边缘长度。其值越大，景观中异质性斑块间的边缘长度越长，说明景观边界的分割、破碎化程度高，空间结构复杂，在一定程度上反映了人类活动对景观的强烈干扰[6]。从表2看，斑块数量少的景观类型边缘密度也较小，斑块数量较多的类型边缘密度相应较大。非林地的边缘密度值最大，表明非林地景观的空间结构是最复杂的，破碎化程度也最高，缺少大片集中连片的景观斑块，这是人类活动与山区复杂自然条件耦合的结果。散布毗邻指数（IJI）是描述景观空间格局的一个重要指标，其取值越小说明某斑块类型仅与少数几种其他斑块类型相邻接，当IJI=100时说明该类型与其他所有类型完全、等量相邻[3]。通过对IJI的分析，斑块数少的苗圃和人工阔叶混交林IJI值较小外，其他斑块类型的IJI值介于39.19%~73.07%，这符合山区的各种生态系统受到垂直地带性的作用，其分布多呈带状，IJI值较低的一般规律。其中主要由耕地和建设用地构成的非林地IJI最高，为73.07%，即非林地斑块与大约3/4的其他斑块类型相邻接，反映了人类活动选址具有景观边缘倾向性，倾向于选择多种景观交汇的边缘带，并通过人类的环境建设，使景观多样化。例如农村居民点选址要求依山傍水、耕作半径适当、交通便利，并对居住环境不断建设，使其美化、靓化、园林化等。聚集度AI反映景观中不同斑块类型的聚集程度，各类AI值都很大，处在94.16~98.81，说明斑块间的聚集程度高，空间配置结构紧凑。

3.3 景观水平异质性

蔓延度描述景观中不同斑块类型的团聚程度或延展趋势，理论取值范围是0~100，当景观中存在大量分离的小斑块时其值较小；当景观由聚集的优势斑块类型构成时，其值趋向100。研究区蔓延度为61.71%（表3），说明整体景观破碎程度处于一个比较中等的水平，既缺乏连通性极高的明显优势斑块，但也不特别破碎。

表3 景观水平异质性指数

散布毗邻指数值IJI在景观级别上计算各个斑块类型间的总体散布与并列状况，60.74%的散布毗邻指数值反映了各斑块类型与其他的斑块类型之间能够较好地混杂、散布，各斑块类型分布较为均匀。

香农多样性指数和均匀度指数分别为2.16与0.72，说明研究区森林景观类型丰富多样，异质性较强，有利于自然生态环境的保护。

4 结论与讨论

以森林资源二类调查数据为基础，运用GIS分析处理和Fragstats软件对森林景观指数进行定量分析计算，数据可靠性高，方法成熟。通过对霍山县森林景观指数的计算分析，能够准确地反映霍山县森林景观特征，为森林资源经营提供依据。

霍山县森林景观格局呈现出以下特点：1)有林地是最主要的景观类型，占总面积的73.549%，主导着景观整体的结构、功能和生态过程。2)宜林地景观仅占总面积的0.46%，说明宜林尚未完成造林的情况很少，同时也说明造林后备潜力不大。3)有林地中的天然阔叶林、天然针叶林、人工针叶林、人工阔叶林和人工竹林所占比重较高，均超过10%，在景观分布图上呈现出集中分布，在维持森林景观多样性和稳定性中起支配作用。4)混交林比重偏低，仅5.487%，不利于改善立地条件与提高林分质量。5)从斑块类型水平异质性看，区内优势景观平均斑块面积大于1 km2，斑块面积较大，相对集中，破碎度相对较低，可为一些较大型的野生动物提供适宜的生存环境。6)反映景观异质性水平的香农多样性指数和均匀度指数较高，说明景观异质性较强，景观类型丰富多样，对保护自然生态环境有利。7)从IJI指数看，由耕地和建设用地组成的非林地最高，为73.07%，即非林地斑块与大约3/4的其他斑块类型相邻接，反映了人类活动选址具有景观边缘倾向性，倾向于选择多种景观交汇的边缘带。

景观格局静态分析结果可以为林业生产建设与自然生态环境保护提供参考依据，但景观是发展变化的，景观格局的时空分布特征及其动态演变过程需进一步深入研究，以更清楚地了解其生态过程，并预测其发展趋势。

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GIS-Based Analysison the Forest Landscape Patternsand Characteristics of Huo Shan County in DabieMountains

WANG Sheng-tang1，WANG Yang2，SUN Xian-bin1，HUANG Run1
(1.College of Resources，Environment and Tourism Management，West Anhui University，Lu’an，Anhui 237012，China; 2.Forestry Bureau of Huo Shan County，Lu’an，Anhui237000，China)

With the support of ArcGIS10.3 and Fragstats 4.2 and by using the 2nd-class inventory data of forest resources，this paper analyzes the forest landscape patterns and characteristics of Huo shan county in Dabiemountains through a variety of landscape indexes，class level and landscape level.The results show that the overall landscape is dominated by forest land，which accounted for 73.549%of the total area.The natural broad-leaved forest,coniferous forest,artificial coniferous forest,artificial broad-leaved forest and bamboo plantation took higher proportion in forestland.So,they are main landscape types concentrated in space distribution and played the dominant role in this region.The forest landscape diversity, heterogeneity and structure are comp lex and various so as to conducive to the maintenance of biological diversity and the function of ecosystem,but under the influence of human activities,the forest landscape has a trend to becoming fragmentation and to be disadvantage of improving the site conditions and increasing the stand quality.

forest landscape；landscape characteristics；GIS；Huo Shan County

Q149

A

1007-4260(2016)04-0100-06

时间：2017-1-3 17:19

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20170103.1719.026.html

2016-06-14

安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2016A746)。

王升堂，男，安徽金寨人，博士，皖西学院资源环境与旅游管理学院教授，研究方向为资源环境与GIS应用。

E-mail:wst@wxc.edu.cn

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.04.026