尖峰岭林区不同海拔的森林景观特征及其适宜粒度分析

佘宇晨　陈彩虹　常双双

（1.中南林业科技大学林学院，湖南长沙410004；2.中南林业科技大学理学院，湖南长沙410004）

尖峰岭林区不同海拔的森林景观特征及其适宜粒度分析

佘宇晨1陈彩虹2常双双1

（1.中南林业科技大学林学院，湖南长沙410004；2.中南林业科技大学理学院，湖南长沙410004）

以海南尖峰岭林区森林景观为研究对象，利用DEM和2013年森林资源清查数据，分别对林区森林景观二维和三维的景观特征和景观适宜粒度进行分析。结果如下：混交林是林区优势森林景观，分布较广，乔木林地斑块数量最多，竹林地和苗圃地是劣势森林景观，苗圃地比竹林地分布集中；数据格式转换对森林景观面积和斑块数量有影响，混交林地和乔木林地变化最大；竹林地、苗圃地和无立木林地斑块数量没有发生变化，但竹林地和苗圃地的面积却减少，无立木林地面积增大；灌木林地主要分布在海拔300～500 m，混交林地主要分布在海拔500～700 m，乔木林地主要分布在海拔300～500 m，苗圃地全部分布在海拔0～300 m，无立木林地主要集中分布在海拔300～500 m，宜林地在海拔0～300 m分布最多，竹林地在海拔300～500 m分布最多；地形对尖峰岭林区景观适宜粒度几乎无影响，尖峰岭林区适宜景观分析粒度为海拔150 m。该结果为科学经营管理尖峰岭林区森林资源提供参考依据。

不同海拔；森林景观；适宜粒度；尖峰岭林区

森林景观是以不同景观类型构成的森林生态系统为主体的生态景观［1-2］。基于DEM对森林景观特征进行研究，为了科学认知和理解森林景观的结构、动态变化和功能特征，从而科学揭示不同森林景观之间的规律，实现对森林景观高效有序的管护。目前，森林景观特征以及适宜景观粒度的研究主要有空间统计定性分析法和景观指数量化分析法，其中，景观指数量化分析法是以高度浓缩景观空间格局的信息景观指数来反映森林景观的空间分布特征，因此，在森林景观特征中广泛应用［3-4］。随着海南生态省、国际旅游岛等战略的不断推进，对海南岛森林景观影响显著。本研究以海南尖峰岭林区森林景观为对象，利用DEM和2013年森林资源清查数据，分别对林区森林景观二维和三维的景观特征和景观适宜粒度进行分析。

1　研究区概况

海南省尖峰岭林区地跨乐东县和东方市，北部与东方市接壤，南部、西部和东部与乐东县相邻。位于东经108°46′04″～109°02′43″，北纬18°38′13″～18°52′30″。尖峰岭属热带季风气候，气候垂直差异大。太阳辐射年总量5 571.5 MJ/m2，沿海平原年均气温25～26℃。最冷月多为1月份，月平均气温15～20℃；最热月多为7月份，月平均气温22～31℃。山区＞10℃以上的年有效积温为7 000℃左右，平原区为9 000℃以上。尖峰岭林区最低海拔50 m，最高海拔1 400 m，林木覆盖率为99.08%［5-6］。

2　研究方法

2.1数据来源与处理

本研究数据来源主要为2013年海南省尖峰岭林区资源清查数据、30 m精度的DEM数据和1∶10 000地形图，在Arc GIS 10.2中将小斑数据转成30 m× 30 m的TIFF格式，用DEM与森林景观分布图叠加分析［5］，定量化分析森林景观在不同海拔高度的空间分布特征。将森林景观栅格数据导入Fragstats 4.2中，分别用类型和景观水平计算二维情况下森林景观的景观特征，以及三维情况下区域森林景观的景观特征和适宜景观粒度。

依据当前森林景观相关研究成果和海南省二类资源调查技术规范，将研究区森林景观划分为8种类型，分别为乔木林地、宜林地、无立木林地、未成林造林地、混交林地、灌木林地、竹林地和苗圃［7-10］。基于DEM的森林景观分布特征和景观适宜粒度对尖峰岭林区森林景观进行研究，高程划分主要根据田婉婷等人的研究成果，按照200 m间隔进行划分，共划分成为7个等级［11］，见表1。

表1　尖峰岭林区高程等级划分Tab1e 1　E1evation grade division in Jianfeng1ing forest

2.2数据处理模型

景观格局通常用景观指数粒度效应和面积信息守恒法进行定量分析，主要针对景观空间粒度变化和面积信息精度进行分析。本研究主要选择徐芝英等学者提出的改进型景观面积损失精度评价指数模型进行定量评价分析［10］，模型如下：

其中，Li为i类森林景观面积损失相对值，Ai为i类森林景观粒度化后面积；Abi为i类森林景观粒度化前面积；S为区域森林景观面积变化指数；n表示区域森林景观类型数目。S值越大，表明区域各类森林景观面积变化越大，粒度化后森林景观类型精度越差；反之，粒度化后森林景观类型精度就越高。

3　结果与分析

3.1景观特征分析

尖峰岭林区主要包括8种森林景观类型，分别为乔木林地、宜林地、无立木林地、未成林造林地、混交林地、灌木林地、竹林地和苗圃地，矢量森林景观特征见表2。由表2可知，基于矢量小班数据分析，尖峰岭林区，混交林面积最大，占尖峰岭林区总面积61.70%，斑块数量较多，表明尖峰岭林区生态保护较好，混交林是主要森林景观类型，且混交林分布较广，破碎程度较严重。乔木林地面积较大，占尖峰岭林地森林总面积37.63%，斑块数量最多，表明尖峰岭林区乔木林地分布较广，且景观破碎程度最严重。苗圃地面积占尖峰岭林区森林景观总面积0.03%，竹林地面积较小，仅26.48 hm2，占森林景观总面积百分比与苗圃地相等，但斑块数量20块，是苗圃地近7倍，表明竹林地和苗圃地是尖峰岭林区劣势森林景观，分布较少，且苗圃地比竹林地分布集中，竹林地破碎程度较高。

表2　尖峰岭林区矢量森林景观特征Tab1e 2　Vector characteristics of forest 1andscaPe in Jianfeng1ing forest

3.2二维景观适宜粒度分析

森林景观数据转换，对森林景观特征产生一定影响。由表3可知，数据格式转化后，8种森林景观分布特征整体变化较小。其中混交林地和乔木林是尖峰岭林区优势森林景观类型，面积占区域总面积98%以上；竹林地和苗圃地是尖峰岭林区劣势森林景观类型，面积仅占区域森林景观总面积0.06%。与矢量数据相比，混交林地和乔木林地斑块数量大幅下降，面积相应减少；竹林地、苗圃地和无立木林地斑块数量无变化，与矢量数据小斑数量保持一致，但竹林地和苗圃地的面积减少，无立木林地面积增大。因此，随着数据格式的转换，对不同景观类型的面积、斑块数量影响差异较大，对尖峰岭优势景观类型影响较大，对劣势森林景观影响较小，甚至无影响。

表3　尖峰岭林区二维森林景观特征Tab1e 3　The characteristics of two-dimensiona1 forest 1andscaPe in Jianfeng1ing forest

森林景观粒度变化，直接影响研究区景观格局分析的精度。参考当前学者的研究成果和研究需要，本研究在尖峰岭林区森林景观粒度分析过程中，以30 m为起始粒度，其整数倍为其他粒度选取准则，即粒度间隔30 m，最大粒度300 m。将粒度不同的10幅栅格数据导入Fragstats 4.2软件，计算其相应的景观指数，分析10幅景观指数变化趋势确定研究区适宜粒度。二维景观指数随粒度变化情况见图1。

图1　二维景观指数随粒度变化情况Fig.1　The two-dimensiona1 1andscaPe index changed with different Partic1e size

由图1可知，景观粒度的不断增加，斑块密度、平均分维数、景观多样性指数和聚合度4个景观指数折线出现不同变化趋势。斑块密度和聚合度指数呈现显著的下降趋势，表明景观粒度的增大，尖峰岭林区森林景观斑块破碎化程度呈下降趋势；景观粒度的增加，导致平均分维数折线先下降后趋于稳定，表明景观粒度不断增加，尖峰岭林区森林景观斑块形状趋于规则；随着景观粒度增加，景观多样性指数折线变化趋势较复杂，整体趋势不明显，表明随着景观粒度增加，景观类型增加数量以及各景观之间面积均衡化趋势不明显。4条景观指数曲线变化趋势各异，但折线中均出现明显粒度转折点。森林景观矢量数据栅格化之后，景观斑块边界和相邻斑块之间的特性及属性发生变化，导致景观指数出现各异变化趋势。根据景观粒度拐点分布情况，选定尖峰岭林区森林景观粒度为90～210 m，该粒度域内存在能有效反映尖峰岭林区森林景观格局特征的适宜粒度。

由图2可知森林景观面积精度变化，粒度域为90～210 m，当栅格粒度介于90～150 m时，景观面积信息精度损失指数呈现先上升后下降趋势，由4.99剧增至9.60，又下降至9.46；当栅格粒度介于150～210 m时，景观面积信息损失指数大幅上升至20.34。

图2　不同粒度二维景观类型面积精度变化Fig.2　The Precision change of two-dimensiona1 1andscaPe area of different Partic1e size

在二维情况下，尖峰岭林区不同粒度景观指数折线分析和景观面积信息损失精度表明：尖峰岭林区适宜的森林景观分析粒度为150 m，该粒度能准确反映尖峰岭林区森林景观特征。

3.3三维景观适宜粒度分析

尖峰岭林区地形变化较大，森林景观面积随海拔分布特征见表4。

表4　尖峰岭林区森林景观面积随海拔分布特征Tab1e 4　The 1andscaPe area of Jianfeng1ing forest at different a1titudes　hm2

由表4可知，尖峰岭林区森林景观面积随高程变化分布特征如下：灌木林地主要分布海拔0～1 100 m，分布无明显趋势，其中海拔300～500 m分布最多；混交林和乔木林地垂直分布于全部高程等级（0～1 500 m），分布呈先上升后下降趋势，主要集中分布海拔300～900 m，其中混交林地和乔木林地分布最广高程等级有所差别，混交林地在海拔500～700 m高程等级分布最多，乔木林地在海拔300～500 m分布最多；苗圃地全部分布海拔0～300 m；未成林造林地和无立木林地主要分布于前4个高程等级 （0～900 m），未成林造林地呈现下降趋势，无立木林地呈现先上升后下降趋势，主要集中分布在海拔0～500 m，其中未成林造林地在0～300 m分布最多，无立木林地在海拔300～500 m分布最多；宜林地分布海拔0～1 100 m，范围较广，呈先下降后上升趋势，其中海拔0～300 m分布最多，海拔700～900 m直降分布最少；竹林地分布海拔300～900 m，其中海拔300～700 m分布最广，其中海拔300～500 m分布最多。

由表5可知，地形变化对尖峰岭林区森林景观分布特征有一定影响。混交林地和乔木林是尖峰岭林区优势森林景观类型，面积占区域总面积98%以上；竹林地和苗圃地是尖峰岭林区劣势森林景观类型，面积仅占区域森林景观总面积0.06%。与矢量数据相比，斑块数量和面积发生剧烈变化，其中混交林地和乔木林地变化最大，分别由2 621块和3 215块下降至446块和1 100块，面积较少约100 hm2；竹林地、苗圃地和无立木林地斑块数量显著变化，其中竹林地和无立木林地分别由20、60块变化为21、63块，苗圃地斑块数量保持不变，但面积减少。由此表明，地形变化对不同景观类型的面积、斑块数量影响差异较大，对尖峰岭优势景观类型影响较大，对劣势森林景观影响较显著，对分布于地形变化不显著区域景观影响较小。其三维景观指数随粒度变化结果见图3。

表5　尖峰岭林区三维森林景观特征Tab1e 5　The three-dimensiona1 1andscaPe characteristics in Jianfeng1ing forest

图3　三维景观指数随粒度变化情况Fig.3　The three-dimensiona1 1andscaPe index changed with different Partic1e size

由图3可知，地形因子对尖峰岭林区适宜景观粒度的影响，随着景观粒度的不断增加，斑块密度、平均分维数、景观多样性指数和聚合度4个景观指数折线出现不同变化趋势。其中斑块密度、平均分维数和聚合度呈现显著下降趋势，表明景观粒度的增大，尖峰岭林区森林景观斑块破碎化程度呈下降趋势，森林景观斑块形状趋于规则；景观多样性指数折线变化趋势较复杂，整体趋势不明显，表明随着景观粒度增加，不同粒度各景观之间斑块面积均衡化变化趋势不明显。4个景观指数曲线变化趋势各异，但折线中均出现明显粒度转折点。考虑地形因子之后，对森林景观数据进行不同粒度栅格化后，景观斑块之间的特性及属性发生变化，导致景观指数出现各异变化趋势。根据景观粒度拐点分布情况，选定尖峰岭林区森林景观粒度为90～180 m。

由图4可知，粒度域为90～150 m，当栅格粒度为90～150 m时，景观面积信息精度损失指数呈现先上升后下降趋势，由4.76剧增至9.79，又下降至9.75；当栅格粒度为150～180 m时，景观面积信息损失指数大幅上升至13.44。

因此，在地形因子情况下，尖峰岭林区不同粒度景观指数折线分析和景观面积信息损失精度表明：尖峰岭林区适宜的森林景观分析粒度为150 m，该粒度能准确反映尖峰岭林区森林景观特征。

图4　不同粒度三维景观类型面积精度变化Fig.4　The Precision change of three-dimensiona1 1andscaPe area of different Partic1e size

4　结　论

本研究以海南尖峰岭林区森林景观为对象，利用DEM和2013年森林资源清查数据，分别对林区森林景观二维和三维的景观特征和景观适宜粒度进行分析，得出如下结论：

1）混交林是林区优势森林景观，分布较广，乔木林地斑块数量最多，竹林地和苗圃地是劣势森林景观，苗圃地比竹林地分布集中，竹林地破碎度较高。

2）不考虑地形因子时，数据格式转换对不同景观类型的面积、斑块数量影响差异较大。混交林地和乔木林地变化最大，斑块数量分别由2621块和3 215块下降至129块和718块，面积发生相应的减少；竹林地、苗圃地和无立木林地斑块数量没有发生变化，与矢量数据小斑数量保持一致，但竹林地和苗圃地的面积却减少，无立木林地面积增大。

3）尖峰岭林区地类景观面积随高程变化，灌木林地主要分布在海拔300～500 m；混交林地主要分布在海拔500～700 m，乔木林地主要分布在海拔300～500 m；苗圃地全部分布在海拔0～300 m；无立木林地主要集中分布在海拔300～500 m；宜林地海拔0～300 m分布最多，海拔700～900 m直降分布最少；竹林地海拔300～500 m分布最多。

4）地形对尖峰岭林区景观适宜粒度影响较小，无论是否考虑地形因素，尖峰岭林区适宜景观分析粒度为150 m，该粒度能准确反映尖峰岭林区森林景观特征。

［1］刘敏，厉悦，杨晓杰，等.扎龙自然保护区景观格局变化及其驱动机制 ［J］.西北林学院学报，2010，25 （5）：157-162.

［2］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.

［3］Turner M G.SPatia1 and temPora1 ana1ysis of 1andscaPe Patterns［J］.LandscaPe Eco1ogy，1990，4（1）：21-30.

［4］彭文成.海南尖峰岭两类人工林中天然更新群落特征研究 ［J］.林业科学研究，2015，28（5）：739-743.

［5］陈冬洋，陈彩虹，常双双.基于移动窗口法与ANN模型的澄迈林场森林景观研究 ［J］.中南林业科技大学，2015，35（12）：95-101.

［6］郭利凡，窛文瑞，杨芳绒.安阳小南海泉水泉保护区生态景观规划 ［J］.西南林业大学学报，2016，36 （2）：155-158.

［7］傅伯杰.黄土区农业景观空间格局分析 ［J］.生态学报，1995，15（2）：113-120.

［8］王研.基于DEM的地形信息提取与景观空间格局分析论文 ［D］.重庆：西南大学，2006.

［9］田婉婷，王亮，赵荣，等.高海拔地区资源景观格局高程分异特征统计分析研究：以羌塘自然保护区为例 ［J］.遥感信息，2014，29（4）：91-97.

［10］徐芝英，胡云峰，刘越，等.空间尺度转换数据精度评价的准则和方法 ［J］.地理科学进展，2012-12，31（12）：1574-1582.

［11］Metzger M J，Leemans R，Schr eter D.A mu1tidisciP1inary cu1ti-sca1e framework for assessing vu1nerabi1ities to g1oba1 change［J］.Internationa1 Journa1 of APP1ied Earth Observation and Geo-information，2005，7（4）：253-267.

（责任编辑韩明跃）

Forest LandscaPe Characteristics at Different A1titude and Suitab1e Partic1e Size Ana1ysis of LandscaPe in Jianfeng1ing Forest

She Yuchen1，Chen Caihong2，Chang Shuangshuang1

（1.Co11ege of Forestry，Centra1 South University of Forestry and Techno1ogy，Changsha Hunan 410004，China；2.Co11ege of Science，Centra1 South University of Forestry and Techno1ogy，Changsha Hunan 410004，China）

The PaPer studied the forest 1andscaPe in Jianfeng1ing forest with the DEM and 2013 forest resources inventory data.Researching on II andⅢdimensiona1 1andscaPe features of forest 1andscaPe and suitab1e Partic1e size of 1andscaPe.Draw the fo11owing conc1usions：mixed forest was the dominant forest 1andscaPe，distribution wide1y，the number of Patch in high forest was the 1argest，bamboo and nursery were the inferior forest 1andscaPe，distribution of nursery were more concentrated than bamboo；data format conversion effect on 1andscaPe area and Patch number，the mixed forest and high forest changed obvious1y，the Patch number of bamboo，nursery and no standing wood1and has no changes，but the area of bamboo and nursery was reduced，no standing wood1and area increased.shrubs wood1and main1y distributed at the a1titude of 300-500 m，the mixed wood1and distributed at the a1titude of 500-700 m，trees wood1and main1y distributed at the a1titude of 300-500 m，a11 of nurseries distributed at the a1titude of 0-300 m，no standing wood1and main1y concentrated distributed at the a1titude of 300-500m，suitab1e forest 1and main1y distributed at the a1titude of 0-300 m，at the a1titude of 300-500 m，the bamboo area was the 1argest.Terrain a1most has no inf1uence on suitab1e Partic1e size of 1andscaPe in Jianfeng1ing forest.The suitab1e Partic1e size of 1andscaPe was 150 m in Jianfeng1ing forest.The conc1usions Provided guidance and reference for the scientific management of Jianfeng1ing forest resources.

different a1titudes，forest 1andscaPe，suitab1e Partic1e size，Jianfeng1ing forest

S718.55

A

2095-1914（2016）04-0109-06

10.11929/j.issn.2095-1914.2016.04.018

2016-03-14

国家林业行业公益性项目“南方集体林区次生林抚育间伐与高效利用技术研究”（201004032）资助；海南省林业厅重点科研项目“海南省五大河流域植被恢复与保护研究”（LK20118478）资助。
第1作者：佘宇晨（1992—），男，硕士生。研究方向：林业遥感研究。Emai1：sycsuPPer@gmai1.com。

陈彩虹（1968—），女，博士，教授，硕士生导师。研究方向：森林经理和土地资源管理。Emai1：shejiyun@126.com。