恩施州森林景观格局分析

童 媛，常 胜

(1.湖北民族学院林学园艺学院，湖北恩施445000；2.湖北民族学院生物科学与技术学院，湖北恩施445000)

恩施州森林景观格局分析

童 媛1，常 胜2∗

(1.湖北民族学院林学园艺学院，湖北恩施445000；2.湖北民族学院生物科学与技术学院，湖北恩施445000)

以恩施州为研究区域，以Landsat TM遥感图像为主要信息源，以Erdas image和GIS软件作为信息处理工具，利用生态学软件Fragstats 4.2计算景观百分比、斑块类型面积、多样性指数等指标，对恩施州地区森林景观格局进行分析.研究结果表明:恩施州以有林地为主，非林地、灌木林、宜林地和未成林零星分布，斑块分布聚集，斑块数目增多，形状较为复杂，人为干扰对森林景观的发展呈良性影响，且景观的结构合理.总体上，恩施州地区的景观异质性高，类型丰富，应继续保持森林景观的多样性.

森林景观；RS；景观指数

景观格局是指异质景观要素的数量、规模、形状及其空间分布模式[1].景观格局的变化及其变化是由自然因素和人为因素共同作用产生的一定区域生态环境体系的综合反映.景观的斑块、形状、大小、数量和空间组合是各种干扰因素的结果.对区域景观空间格局的研究，是揭示生态状况和空间变异情况的途径[2].自工业革命以来，人类社会飞速发展的同时也加剧了对自然资源的索取和环境的破坏，如土地沙漠化、洪水泛滥、酸雨、全球变暖等生态问题.自20世纪以来，人类开始重视环境问题，呼吁保护自然，保护地球.森林的重要性在自然生态系统和人类生活环境中也得到重视.越来越多的学者开始研究森林的组分和生态功能.森林是陆地生态系统的主体，在全球生态环境中的功能和作用也显得越来越重要.森林景观是以各种类型或不同演替阶段的森林生态系统为主体构成的一类景观.如由山地森林、灌丛、草地、沟谷、农田、居民点、道路、河流等景观要素构成的景观，其中以各种类型的森林群落或林分为主体，是一个较完整的功能整体[3].森林景观格局可以说明森林植被的空间分布及动态变化受环境干扰、控制的基本特征.对景观格局成因的分析，可以确定影响森林生态系统的生产力、稳定性和生境的因素，从而在一定程度上预测景观动态，制定景观管理的措施[4].中国科学院院著名的学者邵国凡等[5]提出了地理信息技术和森林动态模型相结合的方法，模拟森林景观的动态，开创了地理信息技术在森林景观领域研究的先河.郭晋平等第一次对森林景观生态学进行了全面、系统和深入的研究，著作《森林景观生态研究》是我国森林景观生态学领域的首部专著.该著作对山西省关帝山林区的森林景观进行了系统的研究，使森林景观生态学的研究日渐趋于成熟.蔡小虎等[6]利用地理信息技术(3S)，通过马尔柯夫转移矩阵模拟了崇州国营林场干沟工区的森林景观变化的过程，表明了马尔柯夫模型可以预测森林景观格局的变化，这对提高森林的综合效益和服务功能具有重要的指导意义.景观生态学软件Fragstats为景观格局的定量分析提供了条件.宋秀虎[7]对恩施州森林森林资源进行了旅游开发的研究，分析了恩施州森林旅游优势及存在的问题.李双龙[8]通过森林资源调查数据对恩施州森林资源动态变化和林业发展进行了分析和灰色预测.沈浩然[9]曾探讨建立和完善恩施州森林生态效益补偿机制.本文在研究方法上结合3S技术对恩施州地区的森林景观格局进行分析.以Landsat 8和Landat 4为数据源，对恩施州的影像图(2015年和2010年)结合RS影像处理方法，对影像图进行处理，再导入Fragstats 4.2计算恩施州森林景观斑块类型的变化，揭示森林景观的变化规律，通过各景观指数的计算和分析，对恩施州的森林景观生态功能进行了初步评价，为森林景观生态规划和管理提供了理论依据.

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

恩施州位于湖北省西南地区，地处湖北、湖南和重庆的交汇处，位于108°23′12″E～110°38′08″E，29°07′10″N～31°24′13N″.西面和北面连重庆市，南面与湖南省接壤，东北连神农架林区，东与宜昌市为邻.恩施州享有“鄂西林海”、“华中药库”、“烟草王国”的称号.目前，恩施州森林茂盛，植被丰富多样，目前的森林覆盖率为60.48%，林木绿化率为71.5%[10].

1.2 数据来源和处理

2015年采用Landsat 8遥感图像，2010年采用Landsat 5的图像.成像时间分别是2015年8月4日和2010年9月22日，图像质量良好(遥感图像来源于地理空间云).通过ERDAS软件对遥感影像进行几何校正，辐射增强处理，拼接，裁剪、监督分类，获得两个时期恩施州的景观类型矢量数据，在GIS进行重采样，再将TIFF图片导入景观生态学软件RAGSTATS 4.2计算.

2 研究方法

2.1 森林景观类型的划分

本研究依据森林资源调查方法，参考《中国资源环境宏观调查与动态研究》，再结合遥感影像分辨率，如景观的尺度，基质的形状、大小和色调[11].对恩施州土地利用类型进行景观划分，一级分类为林地和非林地，二级分类分别在一级分类基础上，分为有林地、未成林、宜林地、灌木林和建设用地，划分后属性一致且地理位置邻居的小班进行合并，得到森林景观格局空间分布图.

进行监督分类时根据影像图上的色调、肌理提取分类模板，如表去所示.分类模板建立后，对模板进行可能性矩阵评价.分析AOI训练区是否落在相应的类别之中.从分类误差总体的百分比来说，如果误差矩阵值小于85%，分类模板的精度太低，需要重新进行分类，建立分类模板[12].本研究两期的数据分类模板精度87.651%和88.320%，2015年森林景观类型图和2010年的森林景观类型图见图1和图2.

表1 遥感影像图判读Tab.1 Interpret remote sense image

2.2 景观格局分析的指标与计算方法

本文采用景观整体水平和景观要素类型水平2个级别上常见的9个景观指数.斑块类型面积(CA)、斑块所占景观面积比例(PLAND)、总边界长度(TE)、边缘密度(ED)、斑块密度(PD)、平均斑块密度(AREAMN)、周长－面积分维数(PAFRAC)、最大斑块指数(LPI)、香浓多样性指数(SHDI)、香浓均匀度指数(SHEI).

1)斑块面积(CA/TA).CA数值的大小，对聚居地物种的数量、丰度、食物链以及生物的生长繁殖具有制约作用[13].本文选取CA指标，对未成林、有林地、灌木林、宜林地和非林地的斑块面积进行计算与分析.在景观水平上，即为景观面积.aij:斑块的面积，斑块类型面积把某一斑块类型的所有斑块面积求和，除以10000转化为hm2，它的取值范围CA>0.当CA逐渐接近0，说明该斑块类型在景观中越来越少[13]；当CA＝TA(景观面积)时，景观由一种类型的斑块组成[14].

图1 恩施州2015年森林景观类型分类图Fig.1 2015 Forest Landscape of Enshi

图2 恩施州2010年森林景观类型分类图Fig.2 2010 Forest landscape of Enshi

2)斑块所占景观面积比例(PLAND).景观的组分靠斑块所占面积(PLAND)指数度量，从斑块上来讲，与斑块相似度植被意义相同[13].当它等于100时，景观只有一类斑块组成，其计算的是某一斑块在总景观面积中所占的比例，通过该指数可以了解景观中的主要景观元素，对后期景观的优势种、生物多样性有参照意义[14].本文选取该指标，计算两个时期(2015年和2010年)恩施州五种斑块类型所占的比例，了解两个时期的景观元素构成.

原料：鳝鱼肉 350 g，芝麻油 1500 g（约耗 125 g），猪肉汤100 g，白糖、湿淀粉、绍酒、酱油、醋、精盐、甜独蒜、葱段、姜末适量。

aij:斑块ij的面积；A:所有景观总面积；

3)总边界长度TE.TE为总边界长度，表征景观类型破碎化程度的主要指标之一，在类型级别上为某一类斑块类型的总边缘长度，景观级别上为斑块总边缘长度[14].本文选取该指标，在一定程度上反映，恩施州森林景观的整体变化.

4)边缘密度(ED).边缘密度(ED)表示景观类型单位面积的周长，也可以反映景观或某一类型斑块的破碎化程度[15].本文选取边缘密度(ED)分析整体景观的空间结构，在一定意义上作为反映人类活动对森林景观的干扰强度.

A为总面积，eki为景观中斑块类型的总边缘长度，包括该斑块类型的景观边界线和背景.

5)班块密度(PD).

景观中某一类景观要素的单位面积班块数反映景观被分割的破碎程度和景观受干扰程度，破碎度越大，其抗干抗能越弱.

6)斑块平均面积(AREA－MN).属于面积指标，指某一类型斑块的平均图斑面积，表示每种斑块类型的平均值[16].

8)最大斑块指数(LPI).LPI表示景观中最大斑块组成的景观占总景观面积的百分比.其值的大小决定着景观中的优势种、内部种的丰度等生态特征，其值的变化可以改变干扰的强度和频率，反映人类活动的方向和强弱[15].本文选取该指数，也是作为反映恩施州森林景观变化过程中，人类的活动对其变化影响的参考指标.

9)香农多样性指数(SHDI).SHDI是基于信息理论的测量指数，在生态学中反映景观的异质性，对景观中各类型非均衡分布状况相对敏感.在分析不同景观或同一景观不同时期的多样性与异质性变化时，SHDI可以作为一个指标.一般来说，在同一景观中，与多样性呈正态分布[18].SHDI的值越高，景观的多样性越丰富.

S表示物种的总数，pi:景观斑块类型i所占比率[14].

10)香农均匀度指数(SHEI).SHEI和SHDI一样，研究不同的景观或同一种景观在不同时期变化的对比，比较不同景观或同一景观不同时期多样性变化的手段.SHEI较小时，优势度高，反映景观受到一种或几种优势斑块类型支配.SHEI趋近于1时，景观中没有明显的优势类型且各斑块类型在景观中均匀分布[19].

SHDI表示香农多样性指数，SHDImax表示最大可能的香农多样性指数[14].

3 结果与分析

本文把在GIS进行重采样后的2015年和2010年景观分类图(TIFF格式)导入生态学软件Fragstats4.2进行计算，得到了两期的景观指数计算结果如表2、表3，再从类型尺度和景观水平两个方面分析.

3.1 景观要素斑块特征

由表2可知，恩施州森林景观分为5个类型，2015年景观面积为2476606 hm2，有林地为1739615 hm2，约占森林景观的70.2%，其次为灌木林和宜林地，灌木林面积和所占比是289 316 hm2，约占景观总面积的11.6%，宜林地为208749hm2，约占景观总面积的8.4%.2010年景观面积为2456337hm2，有林地为1201537 hm2，约占森林景观面积的48.9%，其次为宜林地和灌木林，宜林地的面积为598 490 hm2，约占森林面积的24.4%，灌木林面积为347978hm2，约占森林面积的14.1%.由分析可知，2015年恩施州有林地面积仍然最大，其次是灌木林，宜林地次之.2010年恩施州有林地面积占比例最大，其次是宜林地和灌木林，通过计算，2010年以来，灌木林、宜林地、灌木林在减少，非林地和有林地在增加.结合有林地的最大斑块指数(LPI)，其主要原因是，恩施州实施多年的退耕还林还草政策，如天宝工程等，部分未成林逐渐长成了有林地，城市化的发展，使得宜林地和灌木林减少，非林地面积增加.

斑块密度和平均面积是最基本的景观破碎化指数，分别从数量和面积反映景观的破碎化程度，斑块密度值越大，斑块被分割情况越严重，破碎化程度越高[20].斑块密度值PD在2010年和2015年时，灌木林和宜林地的数值都高于同时期非林地，有林地和未成林地，说明受灌木林和宜林地受人为干扰较多，斑块小而且较分散.未成林2015年的斑块密度值(PD)比2010年的明显升高，未成林受人类活动的影响较大.有林地的斑块密度值(PD)2015年比2010年降低，说明有林地的斑块破碎度和异质性程度低，斑块类型比较集中.2010和2015年边缘密度值(ED)有林地最大，分别为35.2055和43.1636，且2015年比2010年增高.说明有林地在向外扩展，有林地与环境及其它斑块类型之间在物质、能量物质等信息的交换和流通潜力大.灌木林、未成林、有林地的边缘密度2015年比2010年增加，宜林地和非林地的边缘密度减小，说明沪渝高速和宜万铁路的修建后，恩施州绿化带增多，使灌木林与非林地的物质流动、信息交换较2010年提高.另外退耕还林还草等林业政策的实施，使未成林的斑块结构更合理，非林地总体上变化幅度相比较小，其内部景观结构较合理，异质性提高.周长面积分维数(PAFRAC)反映人类的生产活动对景观的影响，分维数越接近1，斑块的形状越有规律，形状也越简单，说明受人类干扰的程度大，因为人类活动对斑块的几何形状形成比较规则，也有规律.恩施州2010年分维数最低的是灌木林1.4770和有林地1.4892，而2015年分维数最低的是有林地1.5504和宜林地1.5646，灌木林的分维数1.6274比2010年略高.再结合斑块面积指数(CA)和边界长度(TE)的数值说明宜林地受人类活动的干扰比较大，其面积减少，边界长度降低，斑块密度(PD)增加，其斑块的形状在人类活动影响下比较简单，分布较分散，且破碎化程度较高.非林地的分维数2015年为1.5973和1.5235，该斑块的形状受山地、河流等自然因素的影响较大，几何形状呈不规则状.

表2 恩施州森林景观指数、要素类型统计结果Tab.2 Statistics result of landscape index elements type in Enhsi

3.2 景观水平上的指数

由表3可知，恩施州的景观面积(TA)2015年与2010年相比变化较小，当斑块水平上CA＝TA时，景观的构成较单一，表2、表3相比较，斑块面积(CA)的值与景观面积(TA)的值不相等，说明恩施州森林景观不是由单一斑块构成.总边界长度(TE)的值2015年比2010年稍增大，景观破碎化程度变化不明显.而最大斑块LPI指数2015年比2010年增高了43.8994，人类活动对森林景观变化的干扰相对来说较明显.香农多样性指数(SHDI)的值越大，说明斑块类型增加或各斑块在景观中呈非均衡化趋势分布.香农均匀度指数SHDI＝0，说明景观由一种斑块组成，无多样性；SHDI＝1，表明各斑块类型均匀分布，有最大多样性[16].2010年的香农多样性指数SHDI为1.3181，2015年SHDI的值为1.0250，趋近于1，说明2015年恩施州的景观斑块趋于均匀分布，多样性较稳定.平均斑块密度(AREA－MN)是评价景观破碎化程度的指标，它与斑块数量及斑块总面积有关，与破碎化程度呈反比[18].恩施州2015年的值10.5632，比2010年的值19.2737，明显减小，说明平均斑块面积增加，恩施州的森林景观的破碎化程度降低.边缘密度(ED)和分维数(PAFRC)2015年比2010年偏高，斑块的形状趋于复杂，人为干扰对景观的影响相对较低.而边缘密度(ED)值2015年比2010年增加了4.9673，景观整体向外扩展.

通过景观指数分析可知恩施州森林景观较丰富，其成因有:首先是地处亚热带季风气候带，气候湿润，降雨量丰富，雨热同期，适合植被生长所需的水分和温度；其次是恩施州以山地为主，海拔较高，处于二级阶梯边缘，地区的垂直地带性差异较为明显，且土壤类型多，使得植被的种类丰富，植被带的分布呈多样性.森林景观面积增加的主要驱动因子是人类活动，宜林荒山荒地后，人工林逐渐成为有林地，退耕还林还草政策的延续，天宝工程等因素，使森林得到保护.铁路和高速公路的修建，打破森林原有的群落更新速度，促进群落的更新和养分的流动，绿化带的增加也使得森林斑块之间的流通增强，整体景观的结构趋于合理，面积也增大.

表3 恩施州森林景观指数统计结果Tab.3 Enshi Forest Landscape Index Statistics

4 结论与讨论

本研究以Landsat影像为数据源，运用景观生态学原理，采用监督分类与人工解译结合，得出恩施州的景观类型图分布.2015年和2010年相比，有林地面积增加较快.景观要素的斑块密度和边缘密度，指数说明森林景观异质性提高，有林地和灌木林增长较快.其主要原因是政府退耕还林还草，主要劳动力迁移到外省市，且恩施地区的城市绿化较好、绿地面积增长较多，铁路和高速公路的绿化带增长快.2010年灌木林和有林地的分维数低，2015年有林地和宜林地的分维数低，人类活动对灌木林和宜林地的影响较大，灌木林和宜林地的破碎度化程度高.

从景观指数可以分析出，恩施州森林景观多样性比较丰富，斑块类型在景观中均匀分布.2015年有林地和灌木林，未成林边缘密度较高，其对斑块之间能量和物种的连通有重要作用.香农多样性指数和均匀度指数下降，说明景观趋于均匀.2015年斑块的形状比2010年趋于复杂，均匀度增高，森林景观的破碎程度降低，结合最大斑块指数和分维数指数变化来分析，目前阶段人类生产活动对森林景观的干扰比较有利于森林景观的良性发展.说明适度的干扰有利于保持和提高景观的异质性.

本研究采用景观格局指数对进行森林景观分析，比较局限.森林景观格局的变化和形成是在很多因素影响下形成，应全面考虑自然因子和人为干扰因子，用时间和空间的连续数据，采用空间统计学方法进一步研究.另外，遥感图的分辨率，成像时的气候，如云层、阴雨天气等，也对计算结果也有一定的影响.

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责任编辑:高 山

Analysis on Enshi Forest Landscape

TONG Yuan1，CHANG Sheng2∗
(1.School of Forestry＆Horticulture，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China；2.College of Biological＆Technology，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China)

This paper based on the area of Enshi，which in the support of the Landsat TM image，with the help of Erdas image and GIS.Using Fragstats 4.2 to calculate indexes that landscape percentage，patch area，diversity index and so on，analyzing Enshi landscape pattern.The results show that there were forest land，non－foresty land，shrubbery forest，afforested forest and non－forest.The distribution of patches and shape were complex and the structure was reasonable.The human distribution had a positive effect on landscape of forest.In total，forest landscape of Enshi area is heterogenous and diverse，and keeping forest landscape′s diversity.

forest landscape；RS；landscape index

S718.55

A

1008－8423(2017)01－0101－06

10.13501/j.cnki.42－1569/n.2017.03.023

2016－11－04.

湖北省教育厅科学技术研究项目(Q20122901)；湖北民族学院博士科研启动基金项目(MY2010B011).

童媛(1990－)，女，硕士生，主要从事3S与森林资源监测的研究；∗

常胜(1979－)，男，博士，副教授，主要从事土地资源评价与管理等的研究.