基于Kriging的册亨县森林景观稳定性分析

刘隆德，王安喜，孟 伟

（1. 贵州省林业调查规划院，贵州 贵阳 550003；2. 册亨县林业局，贵州 册亨 552200）

基于Kriging的册亨县森林景观稳定性分析

刘隆德1，王安喜2，孟 伟1

（1. 贵州省林业调查规划院，贵州 贵阳 550003；2. 册亨县林业局，贵州 册亨 552200）

基于Kriging（即景观指标定量化和改进型景观稳定性）对册亨县森林景观进行研究，得出如下结论：（1）有林地是优势森林景观，分布广泛，苗圃地斑块数量最少，分布最集中；（2）6项景观稳定性影响因子，最大斑块指数对景观稳定性影响最大，平均分维数影响程度最小；（3）各乡镇景观稳定性差异显著，紫胶场森林景观遭受破坏较为严重，其它乡镇场森林景观结构较完整；（4）册亨县2015年森林景观稳定性整体处于较高水平，

东部生态环境良好，森林景观结构完整，中部次之，西部最差。通过对册亨县森林景观稳定性进行研究，为册亨县科学合理规划建设森林景观提供指导。

Kriging；森林景观；景观格局；景观稳定性

景观稳定性是景观生态学与生态学研究过程中复杂且重要的内容之一，主要包括两个方面：一方面是生态系统维持现状的能力，即对外界的抗干扰能力；另一方面是指生态系统遭受外界干扰之后的恢复能力，即受干扰破坏之后的恢复原状能力[1]。当前针对景观稳定性的定义和解释主要从两方面：一种是Forman等设计的通过景观的12种变化观测判断景观稳定性变化[2]；另外一种从景观抗外界干扰能力评价景观稳定性。但国内外学者没有达成一致。Honing将景观稳定性定义成为景观某种特有属性，当生态系统自然变化更新时，区域景观的某种现象在自身生存环境中消失，当生态系统再次发生动态变化时，该现象重新出现[3]；龚俊杰等学者根据研究成果将景观稳定性归纳为景观持久性、景观恢复能力和景观抗干扰能力[4]。本论文针对当前学者研究成果，利用改进型景观稳定性模型对册亨县森林景观稳定性进行研究。

1 研究区概况

册亨县介于24°71′～ 24°94′N，105°79′～106°05′E，位于贵州西南部。地处南、北盘江交汇地带，东与望谟隔北盘江相望，南隔南盘江与广西田林、乐业、隆林3县毗邻，西北与安龙、贞丰相接，面积2 598 km2。属亚热带温暖湿润季风气候，主要特点是冬无严寒，夏季炎热，夏湿春干，雨热同季，春暖早、秋凉迟。地势西北高，东南低，多种喀斯特个体形态在不同区域有规律的组合。平均海拔830 m，最高海拔1 634 m，最低海拔301 m。西北大部分地区海拔在900～1 200 m之间，中部900 m左右，东南部400～600 m之间。近几年，册亨县政府响应国家主体功能区示范县和南部片区生态经济产业园区建设，加大生态保护和环境治理力度，大力实施“石漠化山头绿起来”三年攻坚行动、“以树为纲·绿色小康”行动和“153”工程，治理石漠化（岩溶）327.63 km2，营造林2.99×104hm2[5]。

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

主要选取册亨县2015年度林地变更调查小班数据，册亨县功能区划数据、流域森林分布图、卫星遥感影像图等。依据前人森林景观相关研究成果和贵州省二类调查技术规程，同时根据研究需要，将区域森林景观分为7种森林景观，分别为宜林地、无立木林地、有林地、未成林地、灌木林地、疏林地和苗圃地。在ArcGIS10.2将小班数据转换为栅格数据，以符合景观指数计算要求。将栅格数据导入景观软件Fragstas4.2中进行景观指数计算。将景观指数带入改进型稳定性评价模型进行森林景观稳定性研究[6]。

图1 册亨县森林景观分布Fig.1 Distribution of forest landscape

2.2 景观指数的选择

景观指数主要包括3种，分别为斑块尺度（patch）、景观类型尺度（class）、景观尺度（landscape），其定量说明景观特征和变化趋势。根据各景观指数表征意义相关性差异，本论文针对景观稳定性的研究主要选取具有代表性的6个指数，分别为斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、斑块丰富度密度（LPD）、景观形状指数（LSI）、平均分维数（MPFD）和分离度（DIVISION）。

2.3 改进型景观稳定性评价模型

以景观指数是否有利于景观格局稳定性为标准，将景观指数分为正负指标，有利于景观格局稳定性为正指标，否则为负指标[7-10]。本论文选取6个景观指标，分别对其进行无量纲化处理，消除量纲影响，公式为：

式中，X′i是无量纲标准指标值，xi是原指标值，ximax原指标最大值，ximin原指标最小值。xi值越大，景观格局稳定性越好，该指标为正指标；xi值越大，景观格局稳定性越差时，该指标为负指标。

景观指数无量纲化之后，利用主成分分析法计算6项景观指标权重，并加权求和得出网格景观稳定性评价指数。由主成分分析得出各景观指数权重（ωi）：

式中λi为主成分i的贡献率，m为主成分个数。由各主成分方差贡献率计算权重。

式中Fj为区域j景观格局稳定性指数，zi为稳定性评价景观指标无量纲值。

式中：Z(F0)为未知点景观稳定性指数，Z(Fj)为未知样点周围的已知样本点的景观稳定性指数，λj为第j个已知样本点对未知样点的权重，N为已知样本点的个数。

3 结果与分析

3.1 森林景观类型特征

景观差异由景观组成要素引起，各景观要素组合特征受生态过程及景观格局影响，同时，景观构型对景观生态过程（如物质能量的流动、物种迁移扩散和定居格局等）也有重要影响。由表1可知，主要选取斑块面积、斑块数量和面积百分比3个指标衡量2015年册亨县森林景观类型特征。有林地和灌木林地面积占总面积76.16%，是册亨县主要森林景观类型，其中有林地占总面积近50%，斑块数量最多，是册亨县的优势森林景观，灌木林地的面积和斑块数量次之，苗圃地景观类型面积较小，面积仅占0.01%，斑块数量最少，仅有1块。由斑块面积和斑块数量对比分析可知，苗圃地斑块数量最少，分布最集中，有林地面积最大，且斑块数量最多，表明有林地在册亨县分布广泛。

表1 森林景观特征Table 1 Forest landscape characteristics

3.2 森林景观稳定性

森林景观稳定性直接影响册亨县生态系统的健康稳定，是册亨县景观结构特征的主要体现。本研究主要基于60 m的森林景观栅格数据，进行册亨县景观稳定性研究。在研究过程中，结合册亨县景观类型特征及前人的研究成果，主要选取6个景观指标，其中正指标X1斑块密度、X2最大斑块指数、X3斑块丰富度密度，负指标X4景观形状指数、X5平均分维数、X6分离度，将6项景观指数进行无量纲化处理，再带入SPSS19.0进行主成分分析。

表2 特征值与主成分贡献率Table 2 Eigen value and the contribution rate of principal components

由表2可知，前2个指标累计贡献率高达88.644%，满足85%的要求，因此选取前2个指标作为主成分，能够充分反映册亨县景观类型信息，满足景观稳定性评价的要求。

表3 主成分载荷矩阵Table 3 Principal component loading matrix

由表3可知，主成分ZC1在X1斑块密度、X2最大斑块指数、X3斑块丰富度密度、X5平均分维数、X6分离度4个因子上载荷分别为0.826、0.797、0.832、0.701和0.807，均超过70%，表明主成分ZC1综合表征5个变量因子信息，表达出景观异质性特征。主成分ZC2在X4景观形状指数载荷0.526，因子载荷表明主成分ZC2综合表征景观类型组成结构特征。

表4 景观稳定性指数权重Table 4 Landscape stability index weightings

根据上述计算得出2015年册亨县景观稳定性指标权重，由表4可以看出6项稳定性因子权重差异显著，其权重值排序为最大斑块指数＞分离度＞景观形状指数＞斑块丰富度密度＞斑块密度＞平均分维数。其中平均分维数权重最小，为0.069 9，最大斑块指数权重最大，为0.252 9。综上分析可知，最大斑块指数对册亨县景观稳定性影响大于其他5项景观指标，平均分维数影响程度最小，小于其他5项景观指标。

表5 册亨县各乡镇景观稳定值Table 5 Landscape value of townships

由景观稳定指标权重值和无量纲化景观指数加权求和得出对应各乡镇景观稳定性指数。由表5和图2可知，2015年册亨县生态环境整体良好，但各乡镇景观稳定性差异较显著，其中紫胶场景观稳定值最小，仅0.455 7，表明紫胶场生态环境遭受一定程度破坏，森林景观结构发生变化，使得景观稳定性较差。岩架镇、弼佑乡等12个乡镇景观稳定值均大于0.8，其中岩架镇景观稳定值最大，弼佑乡景观稳定值次之，表明岩架镇、弼佑乡等乡镇生态环境保护较好，森林景观结构完整。综上分析可知，2015年册亨县生态环境整体良好，各乡镇景观稳定性差异显著，紫胶场森林景观遭受破坏较为严重，景观稳定性遭受影响，应加大森林景观的保护力度，其它乡镇森林景观结构较完整，景观稳定性较好，应继续维持当前保护力度，促进森林景观结构更加合理。

图2 册亨县景观稳定性值雷达图Fig.2 Landscape stability radar

3.3 景观稳定性分布特征

各乡镇景观稳定值赋于乡镇质心点，利用Kriging插值得出册亨县森林景观稳定性空间分布。由图3可知，根据Jenks最佳自然断裂法，将册亨县景观稳定性划分成为5个等级：[0.674 2，0.703 9），（0.704 0，0.733 7），（0.733 8，0.763 4），（0.763 5，0.793 1），（0.793 2，0.822 9]，册亨县森林景观稳定性区域分布特征显著，东部景观稳定性较好，中部景观稳定性次之，西部景观稳定性较差。其中景观稳定值较大的乡镇场分布于该区域，包括坡妹镇、庆坪乡、岩架镇、者楼镇、秧坝镇、弼佑乡、百口乡、双江镇、冗渡镇等，册亨县最大的共青林场分布于该区域内，表明册亨县东部乡镇的生态环境保护良好，森林景观结构完整。中部景观稳定性次之，该区域内主要分布威旁乡、丫他镇、八渡镇和巧马镇，其中秧坝林场分布于该区域，表明该区域相比册亨县东部森林保护有所差异，导致森林景观结构变化，影响景观稳定性。西部景观稳定性较差，该区域内主要有巧马林场、巧马镇和紫胶场，表明该区域生态环境保护力度处于全县最后，生态环境遭受一定程度破坏。综上分析可知，册亨县2015年森林景观稳定性整体处于较高水平，但县域范围内分布区域差异显著，东部生态环境良好，森林景观结构完整，中部次之，西部最差，应加强中部和西部的生态保护，同时维持东部生态保护力度。

图3 册亨县森林景观稳定性分布Fig.3 Forest landscape stability in Ceheng county distribution

4 结论与讨论

本论文基于Kriging（即景观指标定量化和改进型景观稳定性）对册亨县森林景观进行研究，得出如下结论：

（1）有林地和灌木林地是册亨县主要森林景观类型，其中有林地是优势森林景观，分布广泛；灌木林地次之，苗圃地斑块数量最少，分布最集中。

（2）6项景观稳定性影响因子，最大斑块指数对册亨县景观稳定性影响大于其他5项景观指标，平均分维数影响程度最小，小于其他5项景观指标。

（3）2015年册亨县生态环境整体良好，各乡镇景观稳定性差异显著，紫胶场森林景观遭受破坏较为严重，应加大森林景观的保护力度，其它乡镇场森林景观结构较完整，应继续维持当前保护力度。

（4）册亨县2015年森林景观稳定性整体处于较高水平，分布区域差异显著，东部生态环境良好，森林景观结构完整，中部次之，西部最差，应加强中部和西部的生态保护，同时维持东部生态保护力度。

当前针对景观稳定性的研究方法主要有：直接分析法，即利用统计学原理，从生态系统稳定性角度出发对景观稳定性分析，该方法笼统、主观性较强；构建景观稳定性评价模型，该方法需要极高数学造诣和长期的研究成果，还需要交叉学科，因此该方法对大部分学者尚不使用；利用3S技术对景观稳定性评价，该方法使景观分类、景观特征量化、景观稳定性评价结果更加精确直观。本研究结合总结研究当前研究特征，引入数学模型，构建景观稳定性评价模型，对册亨县森林景观稳定性进行研究，为册亨县科学合理规划建设森林景观提供指导。但本论文研究层次主要基于二维水平研究，未充分考虑地形对森林景观特征和景观稳定性的影响。

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Ceheng county forest landscape stability analysis based on Kriging

LIU Longde1, WANG Anxi2, MENG Wei1
(1.Guizhou Forestry Survey Planning Institute, Guiyang 550003, Guizhou, China;2. Ceheng County Forestry Bureau, Ceheng 552200, Guizhou, China)

Based on landscape index quantitative of and improved type landscape stability on Ceheng forest landscape, obtained following conclusions: (1) has woodland is advantage forest landscape, distribution widely, nursery to spot block number at least,distribution most concentrated; (2) 6 items landscape stability effect factor, maximum spot block index on landscape stability effect maximum, average points dimension number effect degree minimum; (3) the township landscape stability differences significantly,purple rubber fi eld forest landscape suffered damage more serious, other Township fi eld forest landscape structure more full; (4) Ceheng county 2015 forest landscape stability at a high level as a whole, east of good ecological environment, forest landscape structure,followed by the central, and west is the worst. Through the study on stability of forest landscape in Ceheng county, provide a scienti fi c and rational planning guidance for construction forest landscape in Ceheng county.

Kriging; forest landscape; landscape pattern; landscape stability

S718.55

A

1673-923X(2017)11-0014-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.11.003

2017-03-09

国家林业公益性行业项目“南方集体林区次生林抚育间伐与高效利用技术研究”（201004032）

刘隆德，高级工程师；E-mail：625981532@qq.com

刘隆德，王安喜，孟 伟.基于Kriging的册亨县森林景观稳定性分析[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(11): 14-18, 29.

[本文编校：吴 毅]