周亞東，周兆德

（海南大學 農(nóng)學院，海南 ?？?570228）

基于GIS與Fragstats的海南島森林景觀格局研究

周亞東，周兆德

（海南大學 農(nóng)學院，海南 海口 570228）

基于海南省森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，運用Fragstats在ArcGIS平臺下進行多個景觀指數(shù)計算，對海南島森林景觀格局進行分析和研究。研究結(jié)果表明：1）海南島森林景觀格局以人工林、農(nóng)地和天然林3種景觀類型為主，斑塊面積高達89%，是海南島的優(yōu)勢景觀類型，也是維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的決定因素；2）天然林分布以海南島中部地區(qū)的白沙、五指山、瓊中、樂東等市縣的面積最大，最大斑塊指數(shù)也較高，該地區(qū)的天然林基本保持原始植被狀態(tài)，集中連片, 面積較大，而沿海較發(fā)達的市縣則天然林景觀指數(shù)較低；3）部分市縣的城市化發(fā)展水平較高，森林破碎化程度較高，城市建設(shè)呈多中心分散分布。

森林資源；景觀生態(tài)；景觀指數(shù)；多樣性；ArcGIS；Fragstats；海南省

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)境的惡化，森林景觀格局與森林可持續(xù)經(jīng)營成為研究的熱點，也是景觀生態(tài)學研究的重點方向之一[1]。對森林景觀的結(jié)構(gòu)組成特征和景觀斑塊間的相互關(guān)系進行定量和定性的描述與分析，是揭示其內(nèi)部變化規(guī)律、景觀恢復和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑和措施。目前的森林生態(tài)研究主要集中在個體、種群、群落和森林生態(tài)系統(tǒng)尺度上，更需要從景觀大尺度大視角上研究森林景觀的結(jié)構(gòu)、功能、動態(tài)變化以及生態(tài)影響等，才能為當前森林資源的管理、合理保護利用以及實現(xiàn)林業(yè)可持續(xù)經(jīng)營提供科學的理論支撐和發(fā)展方向[2-4]。近年來，隨著GIS技術(shù)的成熟，將景觀格局分析軟件與GIS分析相結(jié)合的方法被廣泛運用到區(qū)域森林景觀格局的研究與分析當中[5-7]。

目前對景觀格局的研究集中在景觀格局變化[8-10]、景觀格局變化驅(qū)動力[11-13]、景觀格局的尺度效應(yīng)[14-16]等方面。在數(shù)據(jù)來源上，多采用Quickbird、SPOT、ALOS、Landsat TM等衛(wèi)星遙感影像作為研究的數(shù)據(jù)源[9,17-20]。景觀格局的異質(zhì)性研究，一是研究景觀的空間異質(zhì)性，二是研究景觀的時間異質(zhì)性問題[21]。對景觀格局的研究多采用景觀指數(shù)進行分析。如劉常富等[22]選取了11個景觀格局指數(shù)，對沈陽的森林景觀格局動態(tài)變化進行評價；王海峰等[23]運用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，選取6個景觀指數(shù)，對湖南株洲的綠地景觀進行研究；蔣群星等[24]選取11個景觀指數(shù)，對桃源縣森林景觀格局的特征進行分析。本研究以海南島森林為研究對象，采用海南省2011年森林資源二類調(diào)查，并結(jié)合相關(guān)的調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究森林景觀的空間異質(zhì)性。海南島大規(guī)模的移民遷入較晚，近幾百年來人為活動對森林影響巨大，而且有很強的規(guī)律性，景觀格局的形成與變化是自然因素及人類活動共同作用的結(jié)果，通過對森林景觀空間異質(zhì)性比較分析，有助于對其過程的理解，也為森林資源管理、合理利用和保護提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

海南島位于南海大陸架北端，地處東經(jīng)108°15′～ 120°05′，北緯 18°10′～ 20°10′，是我國第二大島嶼，全島面積約3.4萬km2，轄18個市縣（不含三沙市）。海南島作為我國唯一的低緯度熱帶島嶼，屬于典型的熱帶季風氣候和熱帶海洋氣候，全年溫暖，雨水充沛，年均降水量可達1 600 mm，年平均日照1 750～2 650 h，年平均氣溫23～26 ℃。島內(nèi)地貌類型多樣，動植物資源豐富，據(jù)調(diào)查有4 680多種維管束植物和640多種野生動物，被譽為物種基因庫。全島地形以山地和丘陵為主，形成以五指山（海拔1 867.5 m）和鸚哥嶺為核心的中部凸起、向沿海周邊海拔逐級下降的地貌形態(tài)特征，有我國面積最大、最完整的原始熱帶雨林。全島水系也由中部山區(qū)向四周沿海地區(qū)輻射，共有大小河流154條，其中南渡江、昌化江、萬泉河為海南島的三大河流，其流域面積占全島的47%。

據(jù)2008年《海南省森林資源連續(xù)清查第五次復查》結(jié)果表明，全省的林地總面積已由1987年的171.60萬hm2上升到2009年的211.59萬hm2；森林覆蓋率也由1987年的28.00%上升到2009年的53.20%。至2013年，海南島森林覆蓋率已達到61.9%，林地總量和森林覆蓋率得到大幅度提升，但就其林分質(zhì)量來看并不高，天然林覆蓋率僅為19.17 %（2012年），保護與管理形勢依然嚴峻，這就導致生態(tài)安全體系依然脆弱。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究以海南省2011年森林資源二類調(diào)查小班矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合2011年Spot6衛(wèi)星遙感影像進行校正。根據(jù)海南島土地利用狀況及研究區(qū)森林資源特征，以地類、林種、優(yōu)勢樹種、起源為依據(jù)，劃分為天然林、人工林、灌木林、農(nóng)地、水域和其他非林地6種景觀類型（見圖1），并建立標識字段，在ArcGIS下轉(zhuǎn)換為5 m×5 m的grid柵格格式，最后導出為GeoTiff格式。導出的數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.2下運用Fragstats 4.1進行分析。

圖1 海南島森林景觀類型Fig.1 Landscape types of forests in Hainan province

2.2 景觀格局指數(shù)選擇

景觀生態(tài)學研究最常用研究方法是用計算景觀格局指數(shù)來概括景觀格局以及其變化過程，建立起格局和景觀過程之間的聯(lián)系[4]。在整個區(qū)域景觀格局分析中，由于單個斑塊景觀指數(shù)的計算分析貢獻較小，因此實證研究中對景觀格局指數(shù)的探討多采用類型和景觀水平這兩個尺度[3-4]。在類型水平上可以計算斑塊平均面積指數(shù)、平均形狀指數(shù)、面積、斑塊密度指數(shù)等；而在景觀水平上，除了以上指數(shù)之外，還可以計算景觀的優(yōu)勢度、均勻度、多樣性、分維數(shù)、聚集度、生境破碎化指數(shù)等[3,25-26]。因此，本研究從類型水平（Class Level）和景觀水平（Landscape Level）兩個景觀層次上進行，參照相關(guān)研究結(jié)果選取了斑塊數(shù)（NP）、斑塊面積（CA）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、斑塊平均大?。∕PS）、面積加權(quán)的平均形狀因子（AWMSI）、斑塊分維數(shù)（FD）、平均接近度指數(shù)（MPI）7個類型水平指數(shù)和景觀多樣性指數(shù)（SHDI）、景觀均勻度指數(shù)（SHEI）、散布與并列指數(shù)（IJI）、蔓延度或聚集度指數(shù)（CONTAG）4個景觀水平指數(shù)進行景觀格局的計算與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 海南島森林景觀類型

海南島地勢中高周底，以五指山、鸚哥嶺為隆起核心，向外圍逐級遞降。由山地、丘陵、臺地、平原構(gòu)成不對稱的環(huán)形層狀地貌，梯級結(jié)構(gòu)明顯。海拔200 m以下的平原、臺地、丘陵占全島總面積的70%，主要分布在北部和東北部及沿海地區(qū)，海拔200～500 m的低山、高丘占20.2%，海拔500 m以上的山地占9.8%。

該研究區(qū)人工林景觀類型主要分布在儋州、瓊海、瓊中等市縣，而天然林則主要分布在白沙、瓊中、樂東、東方、五指山、保亭、昌江等海南島中部山區(qū)市縣（見表1），天然林是山區(qū)主要景觀類型，是維持海南島整個區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的決定因素，為海南省的可持續(xù)發(fā)展奠定了良好生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)。

從景觀分布可以看出，天然林集中連片分布在位于海南島中部、西南部山區(qū)的白沙、瓊中、樂東、五指山、昌江等山地；而平原區(qū)隨著近年來城市建設(shè)的推進，城鎮(zhèn)村莊及工礦用地不斷擴大，其景觀格局主要為農(nóng)地、人工林、灌木林以及非林用地等幾種土地利用類型交錯分布。

而灌木林以?？凇⑽牟?、昌江居多，說明隨著城市化進程加快，原始植被或天然植被已被破壞殆盡，進而以灌木林叢取而代之，造成林分質(zhì)量降低，生態(tài)功能下降。農(nóng)地類型以文昌、儋州、?？诰佣?；水域以儋州、文昌、東方最多，主要是因為該地區(qū)水庫較多，水域占了較大面積。而其他非林地類型也以?？?、儋州為多，其建設(shè)用地和工業(yè)用地所占比例較大，側(cè)面反映出該地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平和城市化建設(shè)情況。

3.2 海南島多尺度景觀格局

（1）類型水平上景觀格局特征分析

海南島森林景觀總面積為3 408 760 hm2，斑塊數(shù)最多的是人工林，有65 161個；其次是農(nóng)地景觀和其他非林地景觀，分別為 40 094 個和 33 273個（見表2）。其中人工林景觀面積最大，為1 500 885 hm2，占研究區(qū)總面積的44%，基本構(gòu)成了研究區(qū)景觀的基質(zhì)；其次為農(nóng)地和天然林地景觀；面積最小的是灌木林，僅48 156 hm2。海南島森林景觀格局以人工林、農(nóng)地和天然林3種植被類型為主，人工林占景觀總面積的44%，農(nóng)地和天然林分別占景觀總面積的23%和22%，三者合計占到總面積的89%。

海南島天然林平均斑塊面積最大，為32.85 hm2，而斑塊數(shù)量相對較少，這主要是因為天然林主要分布在中部山區(qū)，受人為活動干擾小，有集中連片分布的特點。其中瓊中、樂東、白沙、三亞、五指山等中南部市縣的天然林面積最大（見表1），最大斑塊指數(shù)也較高，且斑塊數(shù)量也較少，這表明該地區(qū)的天然林基本保持原始植被狀態(tài)，集中連片面積較大，平均斑塊面積也很大，這對于維護海南島整個森林生態(tài)安全具有積極的作用。

表2 海南島景觀斑塊類型特征Table 2 Type feature of landscape patches in Hainan province

景觀斑塊面積從大到小依次是人工林、天然林、農(nóng)地、其他非林地、水域以及灌木，表明景觀斑塊面積的差異比較明顯，表現(xiàn)出整體景觀的破碎化狀態(tài)。其中，人工林斑塊數(shù)最多，斑塊面積也最大，但平均斑塊面積僅23.03 hm2，說明人工林分布比較分散，斑塊規(guī)模較小，并且斑塊破碎化程度較高，空間異質(zhì)性程度也較大。

斑塊密度的排序與斑塊數(shù)量和景觀面積呈反比，從大到小依次為：灌木、其他非林地、水域、農(nóng)地、人工林以及天然林。其中，天然林的斑塊密度最低，為0.03，這充分說明海南島天然林呈集中連片分布的特點。灌木的斑塊密度最大，為0.35，這表明灌木林斑塊破碎化程度很高，景觀受外界影響較大，邊際效應(yīng)明顯（見圖2）。

圖2 景觀斑塊類型面積、數(shù)量Fig.2 Area and percentage of each landscape types of forests

（2）景觀水平上景觀格局特征分析

海南島森林景觀斑塊總數(shù)（NP）為190 741個，而景觀總面積（CA）為3 408 760.97 hm2，則景觀斑塊平均面積（MPS）為17.87 hm2（見表3），這說明海南島森林景觀破碎程度較高。

表3 海南島森林景觀總體水平上的景觀指數(shù)Table 3 Landscape indexes for landscape total level of counties or cities in Hainan province

景觀多樣性指數(shù)（SHDI）反映的是景觀要素的多少及各景觀要素所占比例的變化情況，海南島整體景觀多樣性指數(shù)為1.235 9，具有較高的景觀多樣性。其中，瓊中、五指山、白沙、保亭、屯昌等中部市縣的香農(nóng)多樣性指數(shù)較低（見表3），這主要是因為該地區(qū)的天然林所占的比例較大；而在東西部沿海市縣，如?？?、文昌、萬寧、陵水、東方等市縣，則多樣性指數(shù)較高，說明該地區(qū)森林景觀類型多樣，且各類型景觀要素的多少相差不大，這與表1的統(tǒng)計分析相一致。國內(nèi)各地區(qū)所做的研究結(jié)果表明，隨著人類活動強度的增加，景觀的多樣性和破碎度也在增加[27]。

景觀均勻度指數(shù)（SHEI）描述的是景觀類型分布的均衡性，是否由一個或少數(shù)幾個斑塊類型對整個景觀起著主導地位。從海南島景觀均勻度指數(shù)研究結(jié)果來看，其景觀均勻度指數(shù)為0.689 8，說明海南島景觀格局中，景觀類型分布相對均衡，不是由某一種景觀斑塊類型對整個景觀起著支配作用，這與景觀類型面積比所反映的人工林、農(nóng)地和天然林3種類型組成了海南島森林景觀基質(zhì)是一致的。而從各市縣的均勻度指數(shù)來看，因海南島沿海各市縣建設(shè)用地的開發(fā)以及人口密度較大等客觀原因，在一定程度上降低了單個景觀類型的聚集度，從而造成該部分地區(qū)的景觀均勻度指數(shù)較高，如?？凇⑽牟?、陵水、東方、昌江等市縣，景觀均勻度指數(shù)都較高。而相對于海南島中部山區(qū)因經(jīng)濟發(fā)展水平相對落后，森林植被破壞較小，從而形成了集中連片的天然植被，這與其他景觀類型形成較大的反差，進而降低了景觀均勻度指數(shù)，如白沙、瓊中、五指山、保亭、屯昌等市縣，香農(nóng)均勻度指數(shù)都較低。

聚集度指數(shù)（CONTAG）描述的是景觀中不同類型斑塊的團聚程度，其值越大表明景觀由少數(shù)團聚的大斑塊組成，越小則為許多分散的小斑塊組成。海南島整體景觀聚集度指數(shù)為62.402 8。而在沿海市縣大部分都小于該數(shù)值，且最低達到了53.830 1（?？冢?，這表明海南沿海各市縣多由分散的小斑塊組成。在中部地區(qū)則大多大于該數(shù)值，特別是五指山、屯昌等地甚至達到了70以上，這就表明了中部山區(qū)市縣多由大的景觀斑塊所組成，這對于海南島整個生態(tài)環(huán)境維護具有重要作用。

散布與并列指數(shù)（IJI）描述的是景觀要素在研究區(qū)域內(nèi)在異質(zhì)斑塊間的分布狀況，其值越小，表明該景觀類型越接近于分散單一斑塊類型之間。該指數(shù)的意義與聚集度指數(shù)（CONTAG）實際上是相反的，其值越小，說明景觀類型多趨于大斑塊組成。其反映的研究結(jié)果也與聚集度指數(shù)相一致，這里就不再贅述（見表3）。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

（1）海南島森林景觀格局以人工林、農(nóng)地和天然林3種景觀類型為主，分別占景觀總面積的44%、23%和22%，三者合計達到了89%，占有絕對的優(yōu)勢。在海南島景觀格局中，人工林、農(nóng)地和天然林3種景觀類型為優(yōu)勢景觀元素，也是維持整個區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和生態(tài)安全的決定因素。

（2）天然林分布以海南島中部地區(qū)的白沙、五指山、瓊中、樂東等市縣的面積最大，最大斑塊指數(shù)也較高，且斑塊數(shù)量也較少，這表明該地區(qū)的天然林基本保持原始植被狀態(tài)，集中連片面積較大，因此平均斑塊面積也很大，這對于維護海南島整個森林生態(tài)安全具有積極的作用。而沿海較發(fā)達的市縣則天然林面積較低，這與海南島實際的森林植被分布相符合。

（3）?？凇⑽牟?、儋州等市縣因城市化建設(shè)與發(fā)展水平較高，建設(shè)用地等類型面積較大，造成該部分地區(qū)的灌木林、其他非林地所占的分量較重。主要是因為這些城市的城市化發(fā)展水平較高，為典型的城市景觀。建設(shè)用地斑塊數(shù)最多，斑塊密度最大，破碎化程度較高，空間異質(zhì)性程度也較大，城市建設(shè)呈多中心分散分布。

4.2 討 論

（1）海南島森林景觀格局的形成與變化是自然因素及人類活動共同作用的結(jié)果，傅伯杰通過研究將引起景觀空間格局變化的驅(qū)動因子主要歸納為自然與人文因子兩類[28]。但在人類活動較為頻繁的區(qū)域，人為因素在景觀變化中占據(jù)絕對位置，地形、氣候、溫度、水分等自然環(huán)境因素則在景觀格局所起的作用不明顯。人類活動對景觀的干擾和改變作用所造成的影響成為景觀空間結(jié)構(gòu)顯著變化的根本性影響因素[14]。

（2）從海南島森林景觀格局的區(qū)域分布來看，中部地區(qū)的聚集度較高，平均斑塊面積較大，向中部四周各市縣逐漸降低。因人為活動的逐漸加大和建設(shè)開發(fā)的投入，造成斑塊破碎，景觀多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)都相對較高，從而引起了森林生態(tài)環(huán)境的破碎化加劇，給環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展帶來沉重的壓力。景觀破碎化與人類活動強度的正相關(guān)關(guān)系在城市化過程中只是階段性的[29]。城市化通常由農(nóng)地和建設(shè)用地等其他非林地為基質(zhì)開始，當人類對土地利用的集約性程度達到一定程度后，景觀的破碎化水平都會開始降低，景觀破碎度變化呈現(xiàn)“快速增加一增速減緩一平穩(wěn)下降”的過程[29]。本研究通過海南島森林景觀格局的橫向變化也可以推斷出海南島森林景觀在時間縱向上的變化趨勢。上海和深圳兩城市景觀格局動態(tài)的研究結(jié)果也表明了景觀破碎度隨城市化程度變化的這一趨勢[30-31]。研究區(qū)的多樣性、均勻度、破碎化的增加，都表明海南島等沿海市縣還處在城市化建設(shè)的快速發(fā)展階段。

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Study on forest landscape patterns based on GIS and FRATSTATS in Hainan province

ZHOU Ya-dong, ZHOU Zhao-de
(School of Agricultural, Hainan University, Haikou 570228, Hainan, China)

Based on the data from the second type inventory of forest resources, through calculating multiple landscape indices by using ArcGIS and Fragstats, the forest landscape arrangements in Hainan province were investigated and studied. The results show that (1)Plantation, farmland and natural forest are the main landscape type in Hainan, accounting for 89% of the total area, and they are the key factors to maintain regional ecosystem balance and ecological security; (2) Natural forests mainly distributed in Baisa, Wuzhishan,Qiongzhong and Ledong cities or counties, the regions had high LPI and low NP, this means that natural forests in the areas remained primitive vegetation state, being distributed in flakes centralized and large contiguous area, while the coastal developed counties had low landscape pattern indexes; (3) Some counties had a rapid urbanization, the forests were fragmented, the city development showed a multi-center scattered distribution pattern.

forest resources; landscape ecology; landscape index; biodiversity; ArcGIS; Fragstats; Hainan province

S718.54

A

1673-923X(2015)05-0078-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.05.014

2014-08-07

國家自然科學基金項目（31160178）；國家農(nóng)業(yè)公益性行業(yè)科研專項 （201303117）

周亞東，博士研究生

周兆德，教授，博士生導師；E-mail：zhouzhaode2012@163.com

周亞東,周兆德. 基于GIS與Fragstats的海南島森林景觀格局研究[J].中南林業(yè)科技大學學報，2015,35(5)：78-83.

[本文編校：謝榮秀]