南嶺國家級自然保護區(qū)乳陽片區(qū)森林景觀斑塊類型與景觀要素分析

南嶺國家級自然保護區(qū)乳陽片區(qū)森林景觀斑塊類型與景觀要素分析

0加強區(qū)域森林資源保護和動態(tài)過程研究環(huán)境的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展是全世界的共同問題。森林作為地球生態(tài)系統(tǒng)的主體，在滿足人類生存和發(fā)展、實現(xiàn)全球生態(tài)平衡以及保護生物多樣性方面發(fā)揮著不可或缺的作用。森林景觀生態(tài)研究是景觀生態(tài)學研究的重點和熱點,科學的森林經(jīng)營應(yīng)當立足于合理的空間結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系,不僅要重視可見的林業(yè)生產(chǎn)過程,同時也要重視不可見的景觀效應(yīng)與生態(tài)過程,通過森林景觀的合理規(guī)劃充分發(fā)揮其整體功能。廣東省南嶺國家級自然保護區(qū)是我國生物多樣性保護的關(guān)鍵地區(qū)和開展生態(tài)系統(tǒng)就地保護的重要基地,是我國的生態(tài)敏感區(qū)之一,也是地球同緯度沙漠帶上面積最大的綠洲。一旦南嶺國家級自然保護區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物資源多樣性遭受威脅,將危害到區(qū)域生態(tài)安全格局。然而,目前對于南嶺國家級自然保護區(qū)的森林資源的相關(guān)研究多以種群、群落水平上的研究為主,較少涉及景觀生態(tài)學格局、動態(tài)、功能和過程流的研究。因此,本研究以乳陽片區(qū)作為南嶺國家級自然保護區(qū)的典型區(qū)域,應(yīng)用景觀生態(tài)學的原理與自然地理學學科交叉的特色開展森林景觀生態(tài)格局研究,從景觀尺度上對森林景觀結(jié)構(gòu)及其格局進行分析,充分有效地開發(fā)利用研究區(qū)域的森林景觀資源,以期引導森林景觀格局的合理發(fā)展。1氣候類型及植被廣東省南嶺國家級自然保護區(qū)乳陽片區(qū)(乳陽林業(yè)局)位于廣東省韶關(guān)市乳陽瑤族自治縣西北部,所處位置為南嶺山脈中段南坡,地質(zhì)構(gòu)造上屬華南褶皺帶的一部分。地理坐標為24°47′31″~25°1′7″N,112°52′4″~113°7′38″E,總面積為306.7km2;氣候類型屬典型的亞熱帶溫暖濕潤氣候,具有中山亞熱帶季風氣候特點,因海拔相對高差大,又兼具山地氣候特征。據(jù)乳陽海拔500m氣象站資料顯示:乳陽片區(qū)年平均氣溫17.4℃,年平均降雨量2108mm,降水南、北坡差異顯著,南坡往往比北坡高350~400mm。南嶺山地的成土母巖多有花崗巖、砂頁巖、變質(zhì)巖等,紅壤類在區(qū)內(nèi)的分布面積最大,一般分布在海拔800m以下的丘陵和低山。區(qū)內(nèi)植物資源豐富,據(jù)不完全統(tǒng)計,區(qū)內(nèi)有苔蘚植物53科115屬206種,蕨類植物43科94屬188種,裸子植物9科20屬30種,被子植物166科802屬2262種。主要森林植被類型有常綠針葉林、常綠針闊混交林、丘陵低山常綠闊葉林、山地常綠闊葉林、山地常綠落葉闊葉混交林、山頂闊葉矮林、山地灌叢草坡。2數(shù)據(jù)和方法的研究2.1遙感源的定義本研究以SPOT5衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,采用2009年10月24日的K282-J300(覆蓋全部研究區(qū)域)的10m多光譜和2.5m全色影像為遙感數(shù)據(jù)源。參考資料主要有:南嶺國家級自然保護區(qū)1∶50000地形圖,中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準,廣東南嶺國家級自然保護區(qū)總體規(guī)劃(1999—2010年)(1)。2.2森林景觀指數(shù)評價本研究對森林景觀格局的分析主要采取指數(shù)分析法。利用專業(yè)景觀指數(shù)分析軟件Fragstats4.0,基于30m粒度值柵格,從類型水平、景觀水平兩個層次,特征、形狀、異質(zhì)性指數(shù)三個方面,選取16種景觀指數(shù)建立了一套景觀指數(shù)評價體系,得到每種森林景觀類型的景觀指數(shù)評價值以及乳陽片區(qū)作為整體景觀的指數(shù)評價值。這種評價角度,主要根據(jù)11種景觀斑塊自身的屬性(如斑塊大小、邊緣長度、斑塊數(shù)量、斑塊形狀)進行定量計算得到,與其他方面關(guān)系較小,是一種景觀斑塊的“內(nèi)因”影響景觀格局的測度。3數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析3.1大氣校正模塊的應(yīng)用由于遙感平臺位置和運動狀態(tài)、地形起伏、地球表面曲率、大氣折射等遙感系統(tǒng)內(nèi)外因素影響造成的遙感圖像發(fā)生幾何畸變,表現(xiàn)為像元行列分布不均勻,像元大小與地面大小對應(yīng)不準確等。另外,大氣分子、氣溶膠等大氣因素和光照因素也會對地物真實反射率造成影響。因此,在利用遙感影像獲取數(shù)據(jù)前作校正是十分有必要的。本文利用ENVI5.0的幾何校正模塊,通過選擇地面控制點對影像作幾何精校正;在ENVI5.0的FLAASH大氣校正模塊下,利用6S模型對影像作大氣校正,消除遙感圖像中由大氣散射引起的輻射誤差。本文在確保遙感精度的前提下獲取多波段信息,利用Gram-Schmidt光譜銳化方法分別輸入研究區(qū)域的多光譜數(shù)據(jù)和高分辨率數(shù)據(jù)進行融合。3.2森林景觀水景觀指數(shù)的計算景觀格局變化的定量分析可以通過景觀指數(shù)反映出來,景觀指數(shù)能夠高度概括景觀格局的信息,反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面的特征。景觀格局特征可以從單個斑塊、若干單個斑塊組成的類型、包括若干斑塊類型的整個景觀鑲嵌體3個層次分析,格局指數(shù)也相應(yīng)地分為斑塊水平指數(shù)(patchlevelindex)、類型水平指數(shù)(classlevelindex)以及景觀水平指數(shù)(landscapelevelindex)。Fragstats是由美國俄勒岡州立大學森林科學系開發(fā)的景觀指數(shù)計算軟件,其柵格版本可以計算多達277個景觀指標。根據(jù)不同景觀指數(shù)的特點和不同的研究目的、研究內(nèi)容,選擇合適的指數(shù)定量描述森林景觀格局,可以對不同森林景觀類型進行比較,研究森林景觀結(jié)構(gòu)、功能、過程的異同。本研究基于ArcGIS9.3軟件平臺,將研究區(qū)域分類影像轉(zhuǎn)為矢量格式。通過選擇小范圍的樣區(qū)進行試計算,最終選擇30m為粒度值,重采樣為grid柵格。采用景觀格局分析軟件包Fragstats4.0柵格模式,計算各個景觀類型的相關(guān)景觀指數(shù),相關(guān)指數(shù)含義參考軟件幫助文件。3.2.1不同區(qū)域的森林景觀類型選擇斑塊類型面積(CA)、景觀百分比(PLAND)、斑塊數(shù)(NP)、斑塊平均面積指數(shù)(AREA_MN)等景觀指數(shù)描述乳陽片區(qū)的斑塊類型特征。計算得到各個景觀類型的類型水平特征指數(shù)情況如表1所示。由表1可以看出,各個森林景觀類型的貢獻率不同,依次為常綠闊葉林、針葉林、落葉闊葉混交林、針闊混交林、采伐跡地和山頂闊葉矮林。常綠闊葉林的斑塊類型面積最大,為19759.53hm2,是乳陽片區(qū)全區(qū)總面積的64.43%,其斑塊數(shù)相對而言卻比較少,PLAND和AREA_MN指數(shù)遠遠大于其他的景觀類型,說明常綠闊葉林在研究區(qū)域的分布是非常連續(xù)、完整的,占據(jù)了絕對優(yōu)勢,是乳陽片區(qū)的基質(zhì)景觀類型。針葉林也具有一定的優(yōu)勢,其PLAND指數(shù)為17.40,排名第二,但是針葉林斑塊數(shù)較多,為2321塊,制約了景觀的發(fā)展。除了基質(zhì)景觀類型以外,山頂闊葉矮林和采伐跡地的AREA_MN指數(shù)較大,分別為1.52和0.84,說明這兩種景觀類型趨向于在特定區(qū)域集中分布。人類干擾所形成的建設(shè)用地、道路和耕地景觀所占的比例最小,三者的景觀面積全部加起來才達到乳陽片區(qū)的1%,說明人類活動對于乳陽片區(qū)的影響比較有限。耕地景觀的面積是最小的,只有19.26hm2,僅僅在村莊周邊有小塊、零散的分布。山地草甸的斑塊面積為315.87hm2,僅僅占研究區(qū)域的1.03%,說明乳陽片區(qū)宜林卻不造林的情況基本上很少,乳陽片區(qū)的森林覆蓋水平比較高。水域的斑塊數(shù)較少,為86塊。乳陽片區(qū)東側(cè)緊鄰南水水庫,然而乳陽片區(qū)內(nèi)部難見明顯的大片集中水域。溝谷、低洼處的溪流多數(shù)被森林植被遮蓋,溪流光譜信息與森林植被光譜信息混合,使得溪流難以直接從遙感影像中解譯出來。3.2.2水平形狀指數(shù)斑塊形狀指標是描述景觀的重要因子,是景觀空間結(jié)構(gòu)度量中另一個典型特征,對于生物生境以及森林經(jīng)營都非常重要。本研究選取的表征景觀斑塊形狀的指標包括邊緣長度(TE)、周長面積分維數(shù)(PAFRAC)、景觀形狀指數(shù)(LSI)和平均斑塊形狀指數(shù)(SHAPE_MN)。計算得到研究區(qū)域各個景觀類型的類型水平形狀指數(shù)數(shù)據(jù),結(jié)果如表2所示。由表2可知:各個森林景觀類型的PAFRAC和SHAPE_MN指數(shù)的差距都不大,且PAFRAC指數(shù)在1與2之間較為接近2,說明乳陽片區(qū)的景觀受到人類活動干擾較少,維持著比較自然的形狀。作為人類活動干擾所形成的斑塊,研究區(qū)域的耕地的LSI指數(shù)遠遠小于其他的景觀類型,為4.4775,呈現(xiàn)的是較為規(guī)則、接近正方形的形態(tài)。然而,同樣由人類活動干擾所形成的建設(shè)用地斑塊的LSI指數(shù)卻為18.8068,是一個相對而言不低的數(shù)值,其PAFRAC和SHAPE_MN指數(shù)分別為1.5234和1.1902,甚至比一些自然形成的森林景觀斑塊的指數(shù)值都高。其原因在于:南嶺國家級自然保護區(qū)乳陽片區(qū)的建設(shè)用地并不像城市或一般鄉(xiāng)鎮(zhèn)那樣是集聚化、統(tǒng)一化規(guī)劃建成的,除了乳陽林業(yè)局附近6層×6列的乳陽林業(yè)局職工宿舍用地和配套的小市場呈現(xiàn)比較規(guī)則的形態(tài)以外,大多數(shù)都是分散、零星分布的鄉(xiāng)村居民點、小水電站和護林小屋等,甚至幾座山之間才會出現(xiàn)規(guī)模很小的一兩間平房,因此與自然的森林景觀融合度高。3.2.3景觀類型結(jié)構(gòu)特征類型水平異質(zhì)性主要指各類型景觀空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及異質(zhì)類型斑塊之間的相互關(guān)系。本研究選取斑塊密度(PD)、邊緣密度(ED)、比鄰指數(shù)(IJI)、聚集度指數(shù)(COHESION)作為指標描述各類型景觀的異質(zhì)性。計算得到各個景觀類型的類型水平異質(zhì)性指數(shù)數(shù)據(jù),結(jié)果如表3所示。分析表3可知:作為研究區(qū)域最具優(yōu)勢的基質(zhì)景觀,常綠闊葉林的COHESION指數(shù)是最高的,為99.88。針葉林和山頂闊葉矮林的COHESION指數(shù)次之,分別為96.38和94.08,說明這兩種景觀類型趨向于圍繞核心區(qū)聚集、連續(xù)地分布。常綠闊葉林的PD指數(shù)較低,為5.567塊/km2,ED指數(shù)卻很高,為126.406m/hm2,說明常綠闊葉林雖然作為研究區(qū)域的優(yōu)勢斑塊,面積大、分布廣,但是在斑塊邊緣位置并不是平滑的,而是呈現(xiàn)或突出,或深入的類鋸齒狀,包容、鑲嵌、依存著各類異質(zhì)斑塊,并且與相鄰的各種異質(zhì)斑塊存在著大量交流,發(fā)生著復(fù)雜的生態(tài)效應(yīng)。道路作為線狀地物,其COHESION指數(shù)為32.89,是最低的。山地草甸的COHESION指數(shù)也比較低,為66.98,說明研究區(qū)域的山地草甸是在森林景觀中零散地分布的林窗形態(tài),不是集中沒有森林植被覆蓋的大片山地草甸。建設(shè)用地的IJI指數(shù)最高,為73.22,反映了人類干擾的邊緣傾向性,即人類活動選址具有景觀邊緣結(jié)構(gòu)特征,傾向于選擇多種景觀交匯的邊緣帶,例如要求依山傍水、交通便利等。道路的IJI指數(shù)和許多自然景觀類型相差不大,說明乳陽片區(qū)的道路并不頻密,森林景觀并未被道路過多地切割。3.2.4景觀水平異質(zhì)性景觀水平異質(zhì)性指數(shù)可以反映景觀的生物多樣性。一般情況下,景觀的異質(zhì)性程度越高,景觀多樣性指數(shù)越高。選擇研究對象的生態(tài)學尺度和空間分辨率大小,對景觀水平異質(zhì)性指數(shù)的測度結(jié)果有顯著影響。因此,本研究在同一分析尺度下選取香濃均勻度指數(shù)(SEI)、蔓延度指數(shù)(CON-TAG)、比鄰指數(shù)(IJI)、相似與鄰接百分比(PL-ADJ)來表征景觀水平異質(zhì)性。計算得到研究區(qū)域各個景觀類型的景觀水平異質(zhì)性指數(shù)數(shù)據(jù),結(jié)果如表4所示。由表4可知:研究區(qū)域的IJI指數(shù)較高,為75.6938%,說明某一類景觀斑塊能夠與研究區(qū)域大約四分之三的其他景觀類型相鄰接,各個斑塊類型與各個其他的斑塊類型之間在一定程度上能夠較好地混雜、散布。CONTAG指數(shù)為59.0783%,PLADJ指數(shù)為53.8141%,說明研究區(qū)域的整體景觀破碎程度處于一個比較中等的水平,各個斑塊類型的分布都比較均勻,斑塊的大小和形狀較為適中,既不特別完整,也不特別破碎。SEI指數(shù)為0.4901,同樣也印證了研究區(qū)域的各類景觀斑塊之間有集聚、有分散,同類景觀互相集聚的同時又存在著一定程度的異類景觀的混合。4森林景觀格局的形成本文主要利用景觀指數(shù)構(gòu)建指數(shù)評價體系,從類型水平和景觀水平對乳陽片區(qū)的景觀斑塊進行了較為全面的評價,主要結(jié)論如下:1)受人類活動干擾小,人類干擾下形成的人工景觀較少,呈零星分布,未見規(guī)則化傾向,多呈現(xiàn)與自然景觀和諧融合的狀態(tài)。森林覆蓋水平很高,林窗少,水土保持良好。2)闊葉林種對于環(huán)境的適應(yīng)性是最好的,在研究區(qū)域內(nèi)分布較廣,生長情況良好。常綠闊葉林是乳陽片區(qū)的基質(zhì)景觀類型,面積大,聚集性高,其斑塊邊緣呈復(fù)雜鋸齒狀,包容、鑲嵌著各類異質(zhì)斑塊,發(fā)生復(fù)雜的生態(tài)效益。針葉林、山頂闊葉矮林、采伐跡地趨向于聚集分布?？傮w上,各個斑塊類型與各