湖北省建始县国有长岭岗林场森林景观分类研究

孙拥康， 汤景明*， 全永寿， 林孝培

(1.湖北省林业科学研究院，湖北武汉430075；2.长岭岗林场，湖北建始 445300)



湖北省建始县国有长岭岗林场森林景观分类研究

孙拥康1， 汤景明1*， 全永寿2， 林孝培2

(1.湖北省林业科学研究院，湖北武汉430075；2.长岭岗林场，湖北建始 445300)

以建始县国有长岭岗林场为例，选取土地类型、优势树种、海拔、坡度、坡向作为分类因子，在GIS技术支持下，建立起全场量化的、空间化的物种—环境数据库，在此基础上，采用聚类分析方法将全场划分为7个具有独立经营意义的森林景观要素类型，生成了各景观要素类型斑块图及属性数据库。各景观要素类型空间格局特征分析结果表明，全场森林景观类型具有显著的异质性，但各森林景观要素类型受干扰和破碎化程度不同，各景观要素类型空间分布状况也极不均衡，不利于森林整体质量的提升和综合效益的发挥。建议在以后的森林经营过程中，应注意结合景观尺度，对全场森林景观规划、管理、保护和恢复等经营措施进行科学设计。

森林景观；分类因子；聚类分析；景观格局特征分析；长岭岗林场

森林景观分类即确定景观构成要素及其空间分布格局，是在大尺度上探讨森林生态系统整合问题的基础[1-2]。森林景观分类研究不仅是揭示森林景观格局结构、功能、动态变化基本规律及控制机制的基础，也是科学实施景观规划、建设、管理、保护和恢复的前提[3-4]。研究表明，森林景观要素分类是一个基于自然地理和气候、土地利用类型、植被和土壤特征等因素而划分的多级分类体系，多以主导的植被类型或土地利用类型命名[5-6]。景观要素类型划分的详细程度不同，不仅要综合考虑所研究的内容及所阐述的问题，还要考虑研究地区资料的限制。目前，有关森林景观的文献资料主要集中于对景观要素格局特征和动态变化等的研究[7-12]，而对景观要素类型划分方法的研究还较缺乏，尤其是考虑环境因子的定量方法研究还较少涉及。笔者以湖北省建始县国有长岭岗林场为例，以该林场森林资源二类调查数据为数据源，利用GIS技术建立了量化的、空间化的物种—环境数据库，首次基于物种—环境数据库对该林场森林景观要素进行分类研究，并在此基础上，对划分的各景观要素类型格局特征进行分析。

1　研究区概况与研究方法

1.1研究区概况建始县国有长岭岗林场，地处鄂西山区巫山余脉南端，林场中心位置地理坐标为110°03′E、30°48′ N，海拔1 600～1 900 m，平均坡度25°；属北亚热带季风气候,林场年均气温11.7 ℃，极端最高气温29.0 ℃，极端最低气温-17.2 ℃，无霜期203 d；年降水量1 884.3 mm，年蒸发量933.3 mm，相对湿度85%；年日照时数1 533 h；土壤主要为山地黄壤、黄棕壤，成土母质主要为石灰岩、硅质页岩等，土壤平均厚度为80 cm左右,pH 5.6～6.5，呈酸性，有机质含量丰富，但氮磷含量较低；林场内森林植被丰富，除日本落叶松外，主要乡土乔木树种有水冬瓜、檫木、漆树、鹅掌揪、桦木、锥栗等[13]。

1.2研究数据以建始县国有长岭岗林场2009年的森林资源二类调查数据为主，在Arcgis10.0平台支持下，通过对数据进行数字化处理及各矢量图层的叠加，构建了研究区具有小班属性的数字化森林景观复合图层。该复合图层属性表数据包括编号、林班号、小班号、小班面积、林种、地类、立地类型、起源、优势树种、树种组成、年龄、龄组、郁闭度、经营类型、土壤类型、土壤厚度、腐殖质厚度、海拔、坡度、坡向、坡位、权属、单位面积株数、单位面积蓄积、小班蓄积等30余个属性数据项。

1.3确定分类因子景观要素分类是一个多级分类体系，分类因子的确定取决于其研究的重要性和研究的尺度[14]。目前由于对景观的理解以及研究目的的不同，还没有形成一个统一的景观分类体系[15]。该研究针对研究区实际情况，在遵循植被分布规律和分类结果不致于过分破碎原则基础上，兼顾森林景观外部及内部结构差异，选择1个地类因子、1个植被因子及3个地形因子共5个变量进行分类，地类因子为土地类型，植被因子为优势树种，地形因子为海拔、坡度、坡向，所有因子均按其级别赋以相应的数值，分级情况如表1所示。

表1　景观要素分类因子及分级

1.4建立物种—环境数据库在Arcgis10.0平台支持下，结合林场矢量化林相图，按照表1确定的5个分类因子及其取值范围，通过对各分类因子进行图层提取、切割及叠加处理，获得全场若干个面积大小不一的森林景观空间基本单元及其基础数据库。在此基础上，将各森林景观基本单元按5个变量的数据进行聚类分析，由聚类结果谱系图确定森林景观要素类型，通过合并森林景观要素类型相同的相邻单元，最终生成森林景观要素类型斑块图及其属性数据库，即为研究所需的景观分类物种—环境数据库。由于景观要素划分不仅要考虑要素内部结构特征，还要考虑各景观类型的异质性及相互作用，因此景观分类物种—环境数据库还应满足以下3个原则：①下一级景观分类数据库与上一级分类数据库中空间单元数量相同，取消下一级景观分类数据库；②每一个尺度的分类数据库中，类与类之间具有一定景观异质性；③对森林经营有独立意义的森林类型要素数据库[2,6]。

1.5景观指数选取及计算在生成的森林景观分类物种—环境数据库基础上，综合考虑要素组成、斑块特征、异质性及空间分布4个方面，共选取斑块个数(NP)、斑块面积(CA)、面积百分比(PLAND)、平均面积(MPS)、斑块形状指数(PSI)、斑块密度(PD)、多样性指数(SHDI)、均匀度指数(SHEI)8个常用景观指数对研究区森林景观斑块总体空间特征进行分析，各景观指数计算公式见表2。

表2　各景观指数及计算公式

注：A为景观要素类型总面积；Z为斑块周长；Ai为第i类景观要素类型面积；n为景观斑块类型总数；ni为第i类景观要素类型斑块数；Pi为第i类景观要素类型占总面积的比。

Note:A. Total area of landscape elements;Z. Patch perimeter;Ai. Area of class i landscape elements，n. Total number of landscape patch types,ni. Patch number of classilandscape elements，Pi. Proportion of classilandscape elements in total area.

2　结果与分析

2.1景观分类物种—环境数据库及聚类分析谱系图在Arcgis10.0平台支持下，按土地类型、优势树种、海拔、坡度、坡向5个分类因子图层投影切割林相图，将全场划分成572个面积不等的森林景观空间基本单元，得到的每个森林景观空间基本单元不仅对各分类因子具有唯一的取值，而且仍然带有其对应的二类调查小班的所有属性数据，因此理论上可以根据需要将这些因子的任意一组子集进行聚类分析。对这572个基本单元按确定的5个分类变量(1个地类因子、1个植被因子和3个立地因子)进行聚类分析，结果从15类到1类聚合水平的类群谱系图如图1所示。图1所示的分类体系表现出了森林景观系统同样具有一般系统的内在特征，即向下可分、向上可组合。将这个系统在哪个层次上划分为几个要素，是根据需要和可能做出的一种决策。2.2景观要素类型及其斑块分布图根据上述不同水平景观构成要素聚类分析结果不难发现，在15类聚合水平结果上，可将全场森林景观空间划分为松类、杉类、速阔类、针针混交林、阔叶混交林、针阔混交林及无林地7类具有独立经营意义的景观要素类型，每一类都是内部特征相对一致而相互间有显著区别的森林生态系统，采用所属的植被类型对其进行命名，各景观要素类型的名称及特征描述如下。

(1)类型1：松类景观，是全场面积比例最大的景观要素类型，植被主要为日本落叶松、马尾松和华山松纯林，98%以上分布在1 600 m以上的高海拔地带，95%以上分布在坡度为10°～25°的斜坡，63%以上分布为阳坡。

(2)类型2：杉类景观，植被以杉木和柳杉纯林为主，85%以上分布在1 000 m以下的低海拔地带，在10°～25°的斜坡和25°以上的陡坡均有分布，93%以上分布为阴坡。

(3)类型3：速阔类景观，植被以人工营造的檫木和山杨纯林为主，全部在1 600 m以上的高海拔地带，70%以上分布在坡度为10°～25°的斜坡，80%以上分布为阳坡。

(4)类型4：针针混交林景观，植被以日本落叶松、马尾松、杉木混交为主，57%以上分布在1 000 m以下的低海拔地带，75%以上分布在坡度为10°～25°的斜坡，65%以上分布为阳坡。

图1　不同水平景观构成要素聚类谱系Fig.1　The classification system of landscape components at different levels by cluster analysis

(5)类型5：阔叶混交林景观，植被以槠、柯、栲、白桦及杂阔等中慢生阔叶树种混交为主，均分布在1 600 m以上的高海拔地带，主要分布在坡度低于10°的平坡，以阴坡为主。

(6)类型6：针阔混交林景观，植被以人工营造的日本落叶松、檫木、马褂木、山杨混交为主，全部分布在1 600 m以上的高海拔地带，坡度主要为10°～25°的斜坡，分布主要为阳坡。

(7)类型7：无林地景观，包括旱地、采伐迹地、辅助生产用地、工矿及交通建设用地等，97%以上分布在1 600 m以上的高海拔地带，80%分布在坡度为10°～25°的斜坡，分布以阴坡为主。

在遵循斑块不跨越分界线原则下，通过合并森林景观要素类型相同的相邻基本单元，生成了7类森林景观要素类型的斑块图及属性数据库，景观斑块数由572块合并为146块，这2个结果是开展全场森林景观分析及评价的基础，各景观类型斑块分布如图2所示。

图2　各景观要素类型空间分布Fig.2　Spatial distribution of each landscape class

2.3景观要素类型空间格局特征分析由表3可知，全场7类森林景观要素类型斑块146个，景观斑块数与景观斑块密度呈现大小一致的规律，其中松类景观斑块数最多(99个)，斑块密度也最大(9.04个/km2)；无林地和杉类景观斑块数次之，分别为17、14个，斑块密度次之，分别为1.55、1.28个/km2；其他景观斑块数和斑块密度较小，说明全场森林景观要素类型具有显著的异质性。全场景观斑块总面积为1 095.37 hm2，松类景观面积百分比最大，占全场景观要素类型总面积的60.16%，说明松类景观在全场森林景观组分中占优势；从平均斑块面积看，针针混交林和杉类景观较大，分别为13.59、12.00 hm2，而针阔混交林景观最小(0.91 hm2)，反映出平均斑块面积值的分布区间对景观中最小粒级斑块选取具有制约作用，同时也反映各景观斑块类型景观破碎化程度不同。全场森林景观形状指数大小不一，其中阔叶混交林景观形状指数最大(3.74)，松类景观形状指数最小(2.72)，说明各类景观形状复杂程度和受干扰程度不同，松类景观形状指数最小，其几何形状最简单，受到的干扰程度最大。全场森林景观多样性指数较高，达1.21，而景观均匀度指数较低，为0.39， 反映出虽然全场森林景观异质性显著，但各类型景观斑块分布存在着极不均衡状况。综合全场景观空间格局特征分析，笔者认为建始县国有长岭岗林场各森林景观类型异质性显著，但各景观类型破碎化程度不同，且分布极不均衡，极大限制了森林整体质量的提升和综合效益的发挥[16-17]，因此有必要从景观生态角度结合现代森林经营理论和技术，对全场森林景观空间格局进行科学规划、调整和优化。

表3　各景观要素类型空间格局特征统计

3　结论与讨论

基于GIS技术建立量化的、空间化的建始县国有长岭岗林场物种—环境数据库，并在此基础上采用聚类分析法确定全场森林景观要素类型及斑块空间分布图，是一种综合地类因子、植被因子及立地因子对全场森林景观要素类型进行分类研究的有效方法。通过选取的土地类型、优势树种、海拔、坡度、坡向5个分类因子，将全场共划分为松类、杉类、速阔类、针针混交林、阔叶混交林、针阔混交林、无林地7类具有独立经营意义的景观要素类型。

全场景观要素类型空间格局特征分析表明，全场森林景观类型存在着显著的景观异质性，其中松类景观在全场森林景观类型组分中占优势，但其几何形状最简单，受到人为干扰影响及破碎化程度也较大，同时全场各类森林景观类型分布状况及破碎化程度呈不均衡现象，不利于全场森林整体林分质量的提升和综合效益的发挥。

森林景观是森林可持续经营研究的重要内容之一，森林景观要素分类为景观结构分析和规划提供了基础。在森林经营过程中，应注意从森林景观与现代森林经营理论和技术相结合角度，加强对受干扰程度比较大、破碎化程度比较高的森林景观的保护，减少不合理的人为干扰和采伐，维持、维护森林整体结构及生物多样性的平衡，在景观分类和结构研究基础上，加强对森林景观规划、管理、保护和恢复等经营措施进行科学的设计[18-20]。同时，鉴于森林景观分类还具有尺度特性，不同尺度下森林景观分类的构成要素及构成要素的等级不同，兼顾森林景观分类的尺度特性还有待于进一步研究[21-22]。

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Study on Classification of Forest Landscape of Changlinggang State-owned Forest Farm in Jianshi County, Hubei Province

SUN Yong-kang1，TANG Jing-ming1*，QUAN Yong-shou2et al

(1. Hubei Academy of Forestry， Wuhan，Hubei 430075; 2. Changlinggang Forest Farm，Jianshi，Hubei 445300)

Taking Jianshi County Changlinggang State-owned Forest Farm for example，selecting land type，dominant tree species，elevation，slope，aspect as classification factors，with the support of GIS，a quantitative and spatial species environment database was established，on this basis，seven forest landscape components types with independent management significance were determined by cluster analysis，and the plaque map and attribute database were created. The results of analysis of landscape elements spatial pattern showed that: the overall forest landscape possess significant heterogeneity，and the disturbance and fragmentation degree of various types of forest landscape elements are different，meanwhile，the spatial distribution situation of various types are extremely imbalanced，which is adverse to the promotion of forest quality and binging the comprehensive benefit into full play. It was suggested that we should design overall forest landscape management measures of planning，management，protection，restoration scientifically by combining landscape scale in later forest management process.

Forest landscape; Classification factor; Cluster analysis; Landscape pattern analysis; Changlinggang forest farm

湖北省科技支撑计划项目(2015BBA212)；中央财政林业科技推广示范资金项目(鄂[2015]TG01)。

孙拥康(1987- )，男，河北邯郸人，助理研究员，硕士，从事森林经营方面的研究。*通讯作者，研究员，博士，从事森林经营和恢复生态领域的研究。

2016-05-31

S 718.5

A

0517-6611(2016)23-137-04