基于遥感的赛罕乌拉森林斑块特征与动态分析

金红艳,孙紫英*,周 梅,王琸鑫,舒 洋,赵鹏武

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院,呼和浩特 010018；2.内蒙古农业大学林学院,呼和浩特 010018；3.内蒙古赛罕乌拉森林生态系统国家定位观测研究站,赤峰 024000)

森林是一种重要的自然资源,它为人类生活提供各种木材和经济植物[1],同时也为人类生存创造条件。基于中国第八次森林资源清查,森林面积显著增长,但森林破碎化问题日益凸显[2]。而森林斑块则是森林破碎的产物,是连续的森林覆盖被非林地分割而产生的。森林斑块作为森林破碎的最终环节,既是生态环境的重要组成部分,又是森林退化的初步表现。斑块的大小及数量是描述森林斑块的重要指标,可从这些指标的变化来揭示研究地区森林变化过程中斑块的动态变化规律[3]。

现阶段,森林斑块面积对地上生物量的影响比较显著,研究保护和建设较大的森林斑块,有助于提高森林的碳汇作用[4]。要保持高物种多样性和丰富性,保护工作应确保现有的森林斑块[5]。森林斑块的减少会增加树木死亡率,导致植物和动物物种组成的变化[6]。森林内部物种丰富度和丰都随斑块大小的增加而显著增加,而边缘物种丰度则不增加[7]。森林斑块的空间环境是非常重要的,因为斑块的变化会改变剩余斑块的周围环境,森林斑块的增加和隔离导致植被被抑制[8]。多个季节的森林斑块对森林鸟类有不同的影响[9]。不同的斑块格局类型具有不同的侵蚀模数,合理的斑块格局有利于控制水土流失[10]。森林斑块的迁移和变化可以反映森林植被的恢复和增长[11]。因此定量分析一定时间内森林斑块时空动态规律,有助于森林资源的保护与发展。但目前基于不同地形的森林斑块研究相对较少,故选取2006年、2016年Landsat5和Landsat8遥感影像从高程、坡度和坡向几个角度,对赛罕乌拉的森林斑块量化分析研究,分析赛罕乌拉森林斑块与高程、坡度和坡向的相互关系,以期为促进研究区域森林资源的利用,对森林斑块的演变和迁移研究提供有益的补充、借鉴和参考。

1 研究区域

赛罕乌拉国家级自然保护区位于大兴安岭南段中部的中低山区[12],地理坐标为东经118°18′～118°55′,北纬43°59′～44°27′。总面积超过1 000 km2,最高点海拔超过1 900 m。赛罕乌拉地处中温带半湿润温寒气候区[12-13]。气候多为夏季短促而炎热,降水量比较集中,冬季漫长而寒冷,降雪量较少。光照充足,太阳辅射强度大,光能资源丰富[14]。赛罕乌拉生物多样性资源非常丰富,共有2 512种动植物,其中野生哺乳动物38种,野生维管束植物792种。内蒙古赛罕乌拉国家级自然保护区内主要有乌兰坝河、海清河、灰通河等10条河流,年径流量近亿立方米。

2 材料与方法

2.1 数据来源

分别选取2016年8月8日Landsat8和2006年8月29日Landsat5夏季云少的天气情况下的遥感图像(空间分辨率为30 m),以及研究区的数字高程模型(digital elevation modal，DEM)影像。

2.2 研究方法

研究区Landast TM影像、DEM 影像在遥感(remote sensing，RS)和地理信息系统(geographic information system，GIS)支持下提取研究区森林斑块和高程、坡度、坡向信息,得到森林斑块、高程、坡度、坡向4张图层,可以定量描述森林斑块的空间分布,探求其中的分布规律。研究中应用 ENVI5.1软件进行遥感影像的处理与分类；应用 ARCGIS10.2软件进行图层叠置分析[15],分析赛罕乌拉林区内地形因子与森林斑块分布的关系,并进行数据结果统计。

2.2.1 地形信息提取

以研究区DEM数据(空间分辨率30 m)为基础,借助Arc GIS10.2空间分析功能,分别提取研究区的坡向、坡度、高程数据,并输出为栅格和矢量数据[16]。利用Arcgis中的Relassify功能,实现对究区坡向、坡度和高程值的重分类[17]，如表1所示。高程采用自然段点法分自最低点为10级。

表1 坡向、坡度与高程的分级Table 1 Grading of slope direction,slope and elevation

2.2.2 森林斑块空间叠置分析

通过 Landast TM 影像的判读和监督分类,结合实地调查、目视解译等方法,将遥感分类结果生成研究区内的森林斑块分布图。按照数据格式的差异,将斑块提取的方式分为以下两种方式:①在矢量数据中,将不同的单个多边形各类斑块进行编号并把所有斑块数据批量提取；②在栅格数据中,各类斑块表现为像素值相同的同一块区域,因此在 Arc GIS 中用 Region Group 工具划分斑块,却不能将斑块单个提取出来[18]。因此将提取的斑块转回为栅格数据,再对栅格斑块数据按所需的聚合窗口大小进行聚合,并同时计算斑块的面积、数量指标。在此基础上,将森林斑块矢量图与高程分级矢量图、坡度分级矢量图、坡向分级矢量图进行叠加分析[19],得到不同高程分级区域、坡度分级区域和坡向分级区域土地利用的森林斑块空间分布数据。

3 结果与分析

3.1 研究区森林斑块10年间分布情况

通过对研究区影像的处理,提取出2006年及2016年的森林覆盖情况,从而得到森林斑块的分布情况,并按计算出来的各个斑块面积进行数量划分,并归类为3种斑块,分别为大斑块(40～80 hm2)、中斑块(10～40 hm2)、小斑块(0～10 hm2)。(1 hm2=104m2)其中2006森林斑块的总数量为 1 229块,总面积为4 904.170 hm2。大斑块数量为26块,占总斑块数量的2.12%,平均斑块面积为 60.804 hm2,占总斑块面积的32.22%；中斑块数量为84块,占总斑块数量的6.83%,平均斑块面积为19.995 hm2,占总斑块面积的34.19%；小斑块数量为1 119块,占总斑块的91.05%,平均斑块面积为1.469 hm2,占总斑块面积的33.59%。

2016年森林斑块的总数量为1 099块,总面积为 4 385.440 hm2。大斑块数量为22块,占总斑块数量的2.002%,平均斑块面积较2006年大斑块减少4.072 hm2,退化比例为21.05%,占总斑块面积的28.44%；中斑块数量为82块,占总斑块数量的7.46%,平均面积比2006年中斑块增加0.832 hm2,改善比例为1.15%,占总斑块面积的38.86%；小斑块数量为995块,占总斑块的90.53%,平均面积较2006年减少0.029 hm2,退化比例为12.81%,占总斑块面积的32.70%。

3.2 不同坡向下森林斑块的分布

从赛罕乌拉不同坡向上的森林斑块总面积变化看,如表2、图1、图2所示,2006年及2016年森林斑块主要分布在阳坡上,2006年森林斑块占总斑块面积的47.75%,而2016年所占比重下降4.06%。其中大斑块在2006年及2016年多分布于阴坡和阳坡,分别占大斑块总面积的73.26%和77.02%；中斑块均在平地、阳坡、阴坡均匀分布,但阳坡的中斑块的面积明显高于平地和阴坡的；小斑块多分布于阴坡和阳坡,分别占小斑块总面积的89.22%和86.43%。

表2 赛罕乌拉2006—2016年森林斑块在坡向上的面积变化Table 2 Change of forestpatches area at slope direction in Saihanwula in 2006—2016

图1 赛罕乌拉2006年森林斑块在不同坡向上的分布Fig.1 Distribution of forest patches on different slopedirection in 2006 of Saihanwula

图2 赛罕乌拉2016年森林斑块在不同坡向上的分布Fig.2 Distribution of forest patches on different slope direction in 2016 of Saihanwula

如图3所示,对比2006年、2016年森林斑块数量在坡向上的变化,发现10年间,大斑块的数量和面积都在减少,中斑块的数量虽然在减少,但是面积反而增加了,这说明可能有一些大斑块转化成了中斑块,小斑块的数量和面积同样在减少,虽然在平地上面积略有增加,但也不能改变总面积的减少趋势。

图3 赛罕乌拉2006—2016年森林斑块在坡向上的数量变化Fig.3 Changes of forest patches in slope direction from 2006 to 2016 in Saihanwula

3.3 不同坡度下森林斑块的分布

由表3可知,从赛罕乌拉不同坡度上的面积变化看,2006年及2016年50%以上的斑块森林斑块都分布在0°～5°的平坡上,分别占总斑块面积的57.00%和52.54%,且随着坡度的增加斑块数量减少。其中大斑块多分布于平坡上,2006年有占大斑块总面积81.88%大斑块分布在平坡上,而2016年下降为64.02%,10年间26°以上的坡面大斑块数量均为0；2006年中斑块主要分布在平坡和缓坡,占中斑块总面积的90.64%,而2016年的中斑块主要分布在平坡上,占中斑块总面积的63.88%,36°以上的坡面中中斑块数量为0；2006年、2016年的小斑块均多分布于6°～15°的缓坡上,分别占小斑块总面积的43.24%和52.26%,2006年46°以上的坡面小斑块数量为0,2016年41°以上的坡面小斑块数量为0。斑块分布变化如图4、图5所示。

图4 赛罕乌拉2006年森林斑块在不同坡度上的分布Fig.4 Distribution of forest patches on different slope in 2006 of Saihanwula

图5 赛罕乌拉2016年森林斑块在不同坡度上的分布Fig.5 Distribution of forest patches on different slope in 2016 of Saihanwula

表3 赛罕乌拉2006—2016年森林斑块在坡度上的面积变化Table 3 Change of forest patches area at slope in Saihanwula in 2006—2016

图6所示为2006年与2016年森林斑块数量在坡度上的变化。大斑块数量和面积总体在减少,但在缓坡和斜坡上略有增加；中斑块在平坡上大量增加,在斜坡上稍有增加,在其他坡度上均为减少；小斑块在缓坡和斜坡上稍有增加,其他坡度上均为减少,在41°～45°的急坡上,由2006年的4个小斑块减少至0。

图6 赛罕乌拉2006—2016年森林斑块在坡度上的数量变化Fig.6 Changes in the number of forest patches in slope from 2006 to 2016 in Saihanwula

3.4 不同高程下森林斑块的分布

由表4可以看出,从赛罕乌拉不同高程上的面积变化看,2006年及2016年森林斑块主要分布在4级、5级高程上,分别占总斑块面积的48.87%和41.25%,其次多分布在2级、3级高程上,2006年占总斑块面积的30.55%,而2016年所占比例则下降了2.75%。2006年有占大斑块总面积的29.42%分布在5级高程上,2016年则增加至36.23%。剩余大斑块多分布在3、4级高程上,分别占大斑块总面积的43.18%和36.47%；相较于大斑块,中斑块多分布在4、5级高程上,分别占中斑块总面积的56.32%和53.82%,之后是2级和3级高程,分别占中斑块总面积的28.23%和23.52%；小斑主要在 2～5级高程上,其中有43.10%和56.12%的小斑块分布在3、4级高程上,其余分布在2级和5级高程上,分别占小斑块总面积的30.07%和42.31%。斑块分布变化如图7、图8所示。

表4 赛罕乌拉2006—2016年森林斑块在高程上的面积变化Table 4 Change of forest patches area at elevation in Saihanwula in 2006—2016

图7 赛罕乌拉2006年森林斑块在不同高程上的分布Fig.7 Distribution of forest patches on different elevation in 2006 in Saihanwula

图8 赛罕乌拉2016年森林斑块在不同高程上的分布Fig.8 Distribution of forest patches on different elevation in 2016 in Saihanwula

如图9所示,分析2006年和2016年森林斑块数量面积在高程上的变化,除7级高程以外的大斑块均为减少,1 351～1 442 m的7级高程下增加了一个斑块,8、9、10级高程斑块均减少到0；中斑块在5级高程以下均为减少,5级高程以上多为增加；小斑块从2级至5级面积数量增加,其余均为减少。

图9 赛罕乌拉2006—2016年森林斑块在高程上的数量变化 Fig.9 Changes of forest patches in elevation in Saihanwula from 2006 to 2016

4 讨论

(1)对比2006年与2016年的森林斑块总体数量及面积都有明显减少,一是因为近十年水分条件的改变以及大面积病虫害的暴发,致使林木大量枯死。林木枯死主要受病虫害及立地条件的影响,大量枯立木经过风蚀或枯死形成林冠空隙。因此,由成片的森林形成不同类型的林木斑块,其中不同面积森林斑块也逐渐缩小,甚至消失。二是赛罕乌拉位处于半干旱区森林与草原的过渡带,其植被类型及气候的复杂性和变化性都非常大,是同时由于赛罕乌拉多落叶阔叶林,耐旱程度低于针叶林,所以该研究区树木死亡现象严重,所以树木发生大面积的死亡,同时,赛罕乌拉落叶阔叶林处于农牧交错带,受人为活动干扰的原因也较多。三为赛罕乌拉保护区中小径级的树木较多,树木脆弱,因此该地区的树木死亡率比较高。在赛罕乌拉内,山杨死亡率可以多达65%,黑桦死亡率也为4.8%；死亡树木主要集中在10～20 cm径级内[20]。大斑块的面积减少尤其明显,也是3种斑块类型中面积减少最多的,平均每块斑块减少了4 hm2。森林大斑块树种多为山杨,因为山杨等为伴生种,处于不同程度的受压状态,所以死亡最多；中斑块的数量虽然减少了,但平均面积却增加了,是部分消失的大斑块转化为中斑块,增加了中斑块的总面积；小斑块的数量是减少最明显的,因为小斑块一般散落在森林的边缘,易受到各类干扰导致小面积的斑块消失,平均面积减少幅度比较小,是因为部分减少的中斑块转化为小斑块,同样为小斑块增加了总面积。

(2)分析研究区2006年与2016年森林不同类型斑块在坡向上的分布,森林斑块更容易在阳坡上生长和生存,阳坡的各类型斑块面积也远远大于阴坡和平面。通常来说阳坡就是面向太阳的一面坡,降雨量大,日照也强,温度和湿度的变化幅度相较阴坡要强,因此岩石风化作用十分强烈,而降雨多使得山坡上含有有机质的土壤层被冲刷掉不少,所以阳坡一般石多土少,土层浅薄,不适合高大的植被生长。阴坡相对植被更稠密一些。其接受的太阳照射多,对应的植物光合作用强,茂密程度相对高,加之赛罕乌拉年降雨量400 mm,雨量充沛,因此更适宜树木生长。斑块是森林退化的初步表现,因此阳坡的斑块才会如此之多。而阴坡的各类型斑块减少,是因为10年间的森林面积减少所致。叠置在坡向上的大中小3类斑块呈现的特点是大斑块均为减少,中斑块在平面和阳坡上略有增加,阴坡上的面积减少,小斑块除平面外,同样大量减少。

(3)比对2006年及2016年森林不同类型斑块在坡度上的分布,观察到大中小斑块均多分布在坡度小于15°的坡面上,26°以上的坡面,大中小斑块接连消失,分析是因为坡面上的水流速度与坡度成正比,流速越快,径流量越大,冲刷掉的土壤量也越多,因此坡度影响地表径流和排水状况,同时影响土壤厚度和土壤含水量。所以,坡度越大的坡面,树木的生长越艰难,两者负相关[21]。而在16°～25°的坡面上,各类型斑块10年间均有增加,是表现斜坡上的森林破碎最为严重,原因是斜坡坡面多分布在半阴坡、半阳坡及阳坡上,因此导致各类型斑块的增加[22]。分析3类斑块在坡度的变化,大斑块在平坡上大量减少,缓坡和斜坡上稍有增加,中斑块受大斑块变动的影响,平坡上大量增加,缓坡上大量减少,斜坡与陡坡上变动不大,小斑块除在缓坡和斜坡上出现小幅度的增加,其余均为减少。

(4)观察赛罕乌拉2006年与2016年森林各类型斑块变化,各类型斑块近乎50%的面积分布在海拔1 131～1 270 m的4级和5级高程地方。结合实际情况分析,1、2、3级高程的地区为低山丘陵草原,牧民一般选择在此放牧,并且当地土壤质地为沙质土,树木本就不易生长,而海拔较高的4、5级是中山山地,退化土地恢复较好,植被覆盖度高,人畜干扰较少,所以便于树木的生长。而海拔1 443 m以上的7、8、9级高程,因为海拔高,气温常年较低,因此树木生长不易,斑块也相对较少。森林斑块随着高程的增加显现出“先增加后减少”的特征。这与张运刚等[23]的结论相似。针对大中小3类斑块来说,各高程的大斑块持续减少,5级及以上高程的中斑块面积略有增加,是大斑块减少转化的原因,5级高程以下的中斑块减少则是大量转化为小斑块的原因,因此5级以下的小斑块出现了不同程度的数量或面积的增加。

5 结论

综合分析赛罕乌拉森林斑块,从坡向方面分析,阴坡的植物比阳坡更容易生存,阳坡的森林斑块数量及面积比阴坡多；从坡度方面分析,森林斑块多分布在缓坡和平坡,陡坡及以上坡度的坡面出现0斑块现象；从高程方面分析,森林斑块多分布在4、5级高程处,并随着高度的增加呈现出“先增加后减小”的森林斑块特征。对比分析赛罕乌拉森林斑块,10年间,森林斑块受地理位置及植被种类影响,森林斑块数量及面积逐年减少。