顧哲衍， 張金池， 汪春林， 林 杰， 劉 鑫， 韓 誠

(南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院, 江蘇 南京 210037)

森林景觀格局是森林景觀生態(tài)學(xué)研究的核心，對森林景觀的結(jié)構(gòu)特征和空間配置關(guān)系等進(jìn)行的定性描述和定量分析，是揭示景觀結(jié)構(gòu)與景觀功能之間的關(guān)系、研究景觀變化規(guī)律和景觀恢復(fù)的基本途徑[1]。從大的時間尺度來看，森林景觀的空間分異取決于環(huán)境因素，森林景觀格局在不同區(qū)域有不同的表現(xiàn)形式，自然條件愈復(fù)雜的地區(qū)，景觀的多樣性愈明顯[2]。任何空間尺度上的景觀格局都會隨時間的推移而不斷變化，其原因在于外界的干擾作用。這些干擾作用往往是綜合性的，包括自然環(huán)境、各種生物以及人類社會之間復(fù)雜的相互作用，結(jié)果是景觀系統(tǒng)內(nèi)個別元素的穩(wěn)定性和景觀的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[3]。

為改善生態(tài)環(huán)境，調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，中國于90年代末大規(guī)模實(shí)施了退耕還林工程，其通過改變區(qū)域土地利用方式達(dá)到恢復(fù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能的效果，在建設(shè)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境中有著戰(zhàn)略性的意義，對景觀格局影響巨大[4]。重點(diǎn)退耕還林地區(qū)景觀格局的演變特征與退耕還林工程的實(shí)施密切相關(guān)。作為景觀格局的動態(tài)研究的主要手段，基于GIS和遙感的多時相影像分析技術(shù)具有低成本、高收益的特點(diǎn)。由多時相影像所產(chǎn)生的景觀指數(shù)能夠高度濃縮景觀格局變化信息，同時，對于揭示景觀演替的機(jī)制與規(guī)律，探尋人類活動與生態(tài)環(huán)境演變之間的關(guān)系具有重要意義[5]。

目前，景觀格局的研究多側(cè)重于山區(qū)、城市、濕地等，而對于退耕還林區(qū)域的景觀格局探討相對薄弱。本文以皖西金寨縣為例，借助多時相影像分析技術(shù)和景觀指數(shù)分析法對不同景觀水平上的森林景觀格局特征及其動態(tài)演變過程進(jìn)行詳細(xì)的量化研究，重點(diǎn)分析退耕還林工程實(shí)施前后的金寨縣森林景觀格局的時空演變特征及其內(nèi)在驅(qū)動因素，以期為當(dāng)?shù)厣志坝^規(guī)劃、森林資源的經(jīng)營實(shí)踐及經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

金寨縣位于皖西邊陲，大別山區(qū)腹地，境內(nèi)有全國著名的治淮骨干工程——梅山、響洪甸兩大水庫，總蓄水量5.0×109m3，因而是安徽省最大的庫區(qū)縣。大別山山脈由西南向東北貫穿全境，地勢自西南向東北方向呈階梯狀下降，境內(nèi)群山起伏，全縣平均海拔500 m左右，25°以上山地面積約占該縣總面積的70%。該縣屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，具有優(yōu)越的水熱條件，梅山地區(qū)平均氣溫15.1～15.6 ℃，年降雨量1 100～1 500 mm，≥10 ℃的活動積溫為4 935.7 ℃。全縣森林資源豐富，地帶性植被類型為落葉與常綠闊葉混交林，喬灌木800種左右，主要優(yōu)勢樹種為栓皮櫟(QuercusvariabilisBl.)、馬尾松(Pinusmassonianalamb.)、杉木〔Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook〕及中國罕見的領(lǐng)春木(Eupetleapleiosperma)等。土壤在淮陽地質(zhì)大別山變質(zhì)巖上發(fā)育，80%以上林地土壤為山地黃棕壤，高海拔地區(qū)有少量山地草甸土。土壤呈酸性和微酸性，pH值在5.5～6.5, 土壤較為深厚肥沃。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理 研究采用的多時相影像為1986，1996，2011年的Landsat TM數(shù)據(jù)，軌道號Path 122/Row 38，成像時間7—8月。為糾正影像的幾何畸變和輻射失真，需對影像進(jìn)行幾何精校正和大氣校正，預(yù)處理流程如圖1所示。

1.2.2 森林景觀類型的劃分 森林景觀是以森林生態(tài)系統(tǒng)為主體所構(gòu)成的景觀，天然林、人工林、灌木林、疏林地、草地、濕地、河流、耕地、居民區(qū)等均屬森林景觀類型的范疇[6]。本文以中國科學(xué)院資源環(huán)境分類系統(tǒng)為依據(jù)，結(jié)合金寨縣土地資源經(jīng)營特點(diǎn)及遙感影像的地物可辨析度，將研究區(qū)森林景觀類型分為有林地、疏林地及灌木林、耕地、水體、建設(shè)用地、未利用地6大景觀類型，特別指出，研究區(qū)內(nèi)草地面積少而散，因而將其并入疏林地及灌木林。

圖1 研究區(qū)影像預(yù)處理流程

1.2.3 監(jiān)督分類 在對多時相影像進(jìn)行高斯拉伸的基礎(chǔ)上，以Globcover全球土地覆被和國家二類森林資源普查數(shù)據(jù)為參考，采用經(jīng)典的最大似然法對多時相像進(jìn)行監(jiān)督分類，對分類后的結(jié)果進(jìn)行最大聚合分析，并用地面實(shí)際調(diào)查資料進(jìn)行精度估算和誤分類糾正，同時利用ENVI 4.8中的分類精度評價(jià)模塊進(jìn)行精度評價(jià)，最終總體分類精度達(dá)85%以上，能夠滿足后續(xù)工作需要。

1.2.4 景觀指數(shù)的選取 目前，景觀格局指數(shù)已經(jīng)發(fā)展到了類型少，數(shù)量多，生態(tài)學(xué)意義冗余的程度。大部分景觀指數(shù)之間的相關(guān)性高、表征信息重復(fù)[7]。針對研究區(qū)的空間尺度和地理環(huán)境特點(diǎn)，本文選取了景觀類型水平上的斑塊密度、邊緣密度、分形維數(shù)等和景觀水平上的多樣性及優(yōu)勢度等景觀指數(shù)進(jìn)行分析，景觀指數(shù)選取的具體依據(jù)及計(jì)算公式見表1[8-11]，景觀指數(shù)由Fragstats 3.3計(jì)算。

表1 主要景觀指數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 25 a間森林景觀類型演變監(jiān)測

通過分析森林景觀類型的數(shù)量變化可了解景觀類型變化總的態(tài)勢和景觀類型結(jié)構(gòu)的變化[12]。

由表2可知，金寨縣1986，1996，2011年的林地(有林地、疏林地及灌木林)占地面積比分別為57.62%，70.24%，75.66%，林地面積比均超過50%，是生態(tài)環(huán)境的主導(dǎo)因素，因而是該縣的景觀本底。25 a間耕地持續(xù)減少，由1986年的1 516.59 km2減少至2011年的765.20 km2，面積減少近50%；林地面積持續(xù)增加,其中有林地主要由疏林地及灌木林轉(zhuǎn)化而來，其次是耕地的轉(zhuǎn)化。建設(shè)用地總體呈增加趨勢，水體與未利用地總體呈減少趨勢。

表2 1986-2011年金寨縣森林景觀類型面積構(gòu)成

2.1.1 退耕還林前(1986—1996年)景觀類型變化特征 1986—1996年正值我國“七五”與“八五”計(jì)劃時期，封山育林和封山護(hù)林行動得到迅速發(fā)展，該縣先后開展了以庫區(qū)(梅山、響洪甸)沿岸為中心的庫區(qū)封山,以公路沿線和山區(qū)為中心的重點(diǎn)封山,以貧困村為主的撫貧封山[13]。期間，林地得到有效保護(hù)與恢復(fù)，有林地與疏林地及灌木林增幅分別為21%，26%。80年代起，一系列大規(guī)模的群眾自發(fā)性植樹造林活動相繼開展，大批耕地向林地轉(zhuǎn)化，耕地凈減37%，其過快的凈減速度也產(chǎn)生了一些問題。

首先，由于缺乏科學(xué)的退耕政策引導(dǎo)，耕地的劇烈衰減致使人地矛盾日漸突出，為提高單位面積的耕地生產(chǎn)力，大量使用了化學(xué)農(nóng)藥，土地管理不善，耕地質(zhì)量不斷下降；其次，耕地向林地轉(zhuǎn)化的科技含量低，如選用的樹種不當(dāng)，部分適于農(nóng)作物生產(chǎn)的耕地也被強(qiáng)行退還為林地等。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展和農(nóng)村建設(shè)加快，未利用地經(jīng)過改造，大部分轉(zhuǎn)為建設(shè)用地或耕地；建設(shè)用地在此期間迅速增加，主要表現(xiàn)為該縣工礦用地的急劇擴(kuò)張和北部丘陵區(qū)交通用地的加密。

2.1.2 退耕還林后(1996—2011年)景觀類型變化特征 此時期除有林地和水體的變化較大外，其他景觀類型的變化均有不同程度的減緩。2002年以來，金寨縣依據(jù)《退耕還林條例》大力實(shí)施退耕還林項(xiàng)目建設(shè)，成為了皖西退耕還林的主戰(zhàn)場[14]。退耕還林時以適耕則耕，宜林則林為原則，還林樹種以鄉(xiāng)土樹種為主，主要為楊樹、板栗、杉、松類、竹等，期間耕地凈減19%，較退耕還林政策實(shí)施前(1986—1996年)減幅降低50%。由于疏林地及灌木林和宜林耕地的轉(zhuǎn)化，有林地增幅達(dá)30%，占全縣面積的50.22%。水體在這一時期減幅驟增至23%，這主要是由于部分河流出現(xiàn)干涸或河流水位下降，導(dǎo)致基巖或?yàn)┑芈懵?，成為未利用地。建設(shè)用地變化最小，僅減少10%，當(dāng)?shù)卣疄榉€(wěn)定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，將建設(shè)用地直接占用林區(qū)的部分轉(zhuǎn)化為了林地。

2.2 森林景觀格局時空演變特征分析

2.2.1 景觀類型水平上的景觀格局變化分析

(1)森林景觀的異質(zhì)性動態(tài)分析。金寨縣景觀類型水平上的異質(zhì)性程度可由斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)及邊緣密度(ED)等指標(biāo)來反映(表3)。

表3 金寨縣不同時期斑塊密度、最大斑塊比例、邊緣密度的比較

退耕還林前(1986—1996年)，林地(有林地、疏林地及灌木林)、建設(shè)用地及耕地的斑塊密度和邊緣密度呈現(xiàn)大幅度的增長，水體與未利用地的斑塊密度和邊緣密度則過渡平穩(wěn)，表明人為干擾作用強(qiáng)烈，景觀破碎化和異質(zhì)性程度加劇。群眾自發(fā)性的退耕還林存在強(qiáng)烈的主觀任意性，耕地大規(guī)模的衰減使耕地的斑塊大小向細(xì)碎化演變，成為分化割裂有林地、疏林地及灌木林的直接因素。隨著人口的增長和工業(yè)化進(jìn)程的加速，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的步伐加快，由1986年的占地面積比不足1.5%增至1996年的2.53%，但其擴(kuò)張的盲目性導(dǎo)致建設(shè)用地量多而分散，也進(jìn)一步加劇了景觀類型整體的破碎化和復(fù)雜化。除耕地和未利用地外，其他景觀類型的最大斑塊指數(shù)均有不同程度的增長。1986年耕地的最大斑塊指數(shù)為22.17，遠(yuǎn)高于其他景觀類型，至1996年已驟降至2.71，介于有林地與疏林地及灌木林之間，表明其對生態(tài)環(huán)境的控制作用大幅減弱，有林地的生態(tài)環(huán)境主導(dǎo)作用開始凸顯。

退耕還林后(1996—2011年)，未利用地的斑塊密度和邊緣密度持續(xù)增加，其他景觀類型的斑塊密度和邊緣密度則明顯減少。就斑塊密度而言，有林地減少約60%，耕地減少約49%，疏林地及灌木林減少幅度最小，僅為3%，其他景觀類型減幅在20%～38%。就邊緣密度而言，耕地減幅為35%，其他景觀類型減幅在15%～26%。由于疏林地及灌木林的轉(zhuǎn)化和大規(guī)模植樹造林活動的開展，這一時期內(nèi)的有林地最大斑塊指數(shù)由3.42增至12.57，有林地對生態(tài)環(huán)境的控制作用進(jìn)一步加強(qiáng)，森林的資源優(yōu)勢得到有效發(fā)揮。耕地的最大斑塊也有較大幅度的增長，但弱于有林地，說明耕地的生產(chǎn)活動由零星式逐步向集約化方向發(fā)展，其對其他景觀類型的分化割裂作用明顯減弱。這表明景觀破碎化程度得到了有效控制，景觀結(jié)構(gòu)開始向有序化、合理化轉(zhuǎn)變。

(2)森林景觀格局形狀及空間關(guān)系動態(tài)分析。對分形維數(shù)進(jìn)行分析(圖2)，各景觀類型的分形維數(shù)均大于1.2，說明區(qū)域的森林景觀的邊界褶皺程度較高，景觀形狀復(fù)雜，即反映出金寨縣森林景觀主要取決于地形地貌條件。金寨縣是皖西大別山的最大山區(qū)縣，山巒疊嶂，水系較為發(fā)達(dá)，河網(wǎng)密度約為0.7 km/km2，加之耕地的割裂作用，導(dǎo)致分形維數(shù)偏高。1986—2011年，有林地、疏林地及灌木林、耕地、建設(shè)用地的分形維數(shù)表現(xiàn)為先增后降的趨勢，未利用地則呈現(xiàn)逐漸減少趨勢，水體變化不大，表明1986—1996年，由于景觀的破碎化加劇，各景觀類型邊界的形狀愈來愈不規(guī)則，至2011年時，由于林業(yè)經(jīng)營活動的科學(xué)性和土地利用的合理規(guī)劃設(shè)計(jì)，景觀結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，邊界形狀向簡單化、規(guī)則化演進(jìn)，有利于物質(zhì)能量的循環(huán)流動。

對連接指數(shù)進(jìn)行分析(圖3)，各個時期水體的連接指數(shù)都是最高的，在0.85～1.15，其次為未利用地和建設(shè)用地，最小的為有林地、疏林地及灌木林、耕地。金寨縣境內(nèi)兩大水庫(梅山水庫和響洪甸水庫)總庫容約為5.0×109m3，控制流域總面積達(dá)3 401 km2，因而使水體的連接指數(shù)遠(yuǎn)高于其他景觀類型。未利用地較建設(shè)用地斑塊形狀規(guī)整，其連接指數(shù)高于建設(shè)用地，但由于其和建設(shè)用地的面積過小，因此二者的連接指數(shù)比林地和耕地高。1986—2011年，有林地、疏林地及灌木林、耕地連接指數(shù)有所提升，其中有林地的增幅較大，表明這些景觀類型的聚集度增大，斑塊呈現(xiàn)團(tuán)聚趨勢，內(nèi)部連通性增強(qiáng)。城鎮(zhèn)化進(jìn)程則直接導(dǎo)致了建設(shè)用地和未利用地的連接指數(shù)呈遞減趨勢。

圖2 1986-2011年金寨縣分形維數(shù)變化

注：1.有林地； 2.疏林地及灌木林； 3.耕地； 4.水體； 5.建設(shè)用地； 6.未利用地。下同。

圖3 1986-2011年金寨縣連接指數(shù)變化

2.2.2 景觀水平上的景觀格局變化分析 景觀水平上的景觀格局指數(shù)變化可直觀反映景觀鑲嵌體的時空演變特征，斑塊數(shù)量(NP)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SEDI)及香農(nóng)均勻度(SHEI)等指標(biāo)所表征的景觀異質(zhì)性程度可反映景觀中物種及次生物種的空間分布特征，同時也能改變物種間的相互作用及協(xié)同共生的穩(wěn)定性。

由表4可見，25 a間金寨縣森林景觀的斑塊數(shù)量變化趨勢為先增加后減少。1996年的斑塊數(shù)量接近1986和2011年斑塊數(shù)量的總和，表明1996年該縣景觀鑲嵌體承受的外界干擾最為強(qiáng)烈，各景觀類型斑塊間相互的分割作用明顯，景觀鑲嵌體的破碎化形勢嚴(yán)峻。香農(nóng)多樣性指數(shù)香農(nóng)均勻度受斑塊數(shù)量的大幅變動影響，也表現(xiàn)出先增后減的趨勢，說明1986—1996年該縣景觀異質(zhì)性程度增加，非均衡化趨勢減緩，有林地、疏林地及灌木林對景觀鑲嵌體的支配地位不顯著，而1996—2011年則呈現(xiàn)相反的趨勢，有林地、疏林地及灌木林的斑塊密度、邊界密度等的減少及占地面積的增加，成為優(yōu)勢景觀類型，在景觀鑲嵌體中處于支配地位。

表4 1986-2011年金寨縣景觀格局指數(shù)變化

3 結(jié) 論

(1)25 a間金寨縣封山育林、退耕還林等行動取得了明顯成效：林地不斷增加，耕地持續(xù)減少。

(2)退耕還林工程實(shí)施前(1986—1996年)，該縣恢復(fù)植被過程中的主觀意識較為強(qiáng)烈，缺乏林業(yè)科技支撐，不合理的復(fù)墾現(xiàn)象頻發(fā)，致使林地、耕地及建設(shè)用地的斑塊密度、邊緣密度和分形維數(shù)不斷增加，連接指數(shù)下降，各景觀類型間相互分化割裂，景觀整體向破碎化和復(fù)雜化演變。

(3)隨著國家退耕還林政策的大力實(shí)施和“中部崛起戰(zhàn)略”的開展，退耕還林工程實(shí)施后(1996—2011年)，優(yōu)勢景觀類型林地和耕地的斑塊密度、邊緣密度和分形維數(shù)不斷減少，連接指數(shù)上升明顯，景觀整體破碎化趨勢得到有效控制，各景觀類型邊界形狀趨于規(guī)則，內(nèi)外連通性顯著增強(qiáng)，景觀格局開始向有序化、合理化及均衡化演變。

本研究屬宏觀尺度下的二維景觀格局時空變化分析，隨著GIS三維地形分析技術(shù)、多角度遙感技術(shù)及景觀格局動態(tài)模擬技術(shù)的深入發(fā)展，微觀尺度下的三維景觀格局動態(tài)模擬將逐漸成為熱點(diǎn)，這有利于提升對景觀格局變化過程的認(rèn)知度和景觀格局未來變化趨勢預(yù)測的準(zhǔn)確性。

區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的驅(qū)動因素一是自然因素，二是人為因素，前者是生態(tài)惡化狀況形成的潛在條件，包括氣候、水文以及地質(zhì)、地貌等要素[15]。隨著全球氣候變異和水文模型研究的深入，外界干擾作用下的景觀格局演變過程將得到更深層次的揭示。

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