嚴(yán)紹裕

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南平 353000）

森林是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要植被類型，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)最主要的碳庫，儲(chǔ)存了陸地生態(tài)系統(tǒng)76%～98%的有機(jī)碳含量[1-2]。由于森林的重要性，各國學(xué)者對(duì)全球森林生態(tài)系統(tǒng)蓄積量、碳貯量、碳匯作用等開展了大量的研究[3-5]，掌握了大區(qū)域尺度森林生長、變遷等過程的空間分布特征及人類的驅(qū)動(dòng)機(jī)制[6-7]。然而，森林生態(tài)系統(tǒng)受氣候、地理位置、地形等因素影響，不同區(qū)域其蓄積量、生長量存在明顯的空間變異性，因此在中小尺度開展相關(guān)研究，可在大尺度規(guī)律的基礎(chǔ)上合理制定適合于中小尺度研究區(qū)的經(jīng)營管理措施。目前，有關(guān)森林蓄積量、碳貯量的研究多關(guān)注于森林不同分層及不同器官的組成特征，運(yùn)用空間自相關(guān)方法研究森林蓄積量的空間分布特征則涉及較少，難以給出人工林分布的空間優(yōu)化方案，急需開展相關(guān)研究?？臻g自相關(guān)分析將地理空間信息作為分析依據(jù)，可剔除地理數(shù)據(jù)間相互作用和影響的空間依賴關(guān)系造成的分析誤差，進(jìn)而揭示空間格局和關(guān)系的主要信息[8-11]。因此，運(yùn)用空間自相關(guān)分析方法探討森林蓄積量的空間分布特征可拓展森林空間變異方面的認(rèn)識(shí)，具有重要的理論意義。

通過野外調(diào)查，結(jié)合福建省南平市建陽區(qū)森林小班數(shù)據(jù)，以屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)區(qū)域?yàn)槌叨裙浪憬枀^(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林單位面積蓄積量及各林種單位面積蓄積量，采用ArcGIS 9.2和GeoDa軟件，利用Moran’s I指數(shù)和LISA集聚圖，探索建陽區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林單位面積蓄積量和各林種單位面積蓄積量的空間分布格局和空間關(guān)聯(lián)性，了解福建省典型林區(qū)森林單位面積蓄積量的地理空間分布情況，分析人工林經(jīng)營的空間合理性，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)中小尺度森林蓄積量的空間分布特征，為制定合理的森林經(jīng)營管理措施提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

南平市建陽區(qū)位于風(fēng)景秀麗的武夷山脈南麓，地處閩北山區(qū)盆地中部，地理坐標(biāo)介于北緯27°06'32"—27°43'41"、東經(jīng)117°32'20"—118°37'51"，屬中亞熱帶季風(fēng)性氣候，光熱資源豐富，年平均氣溫18.1℃，無霜期282 d，年平均降雨量1 700～2 400 mm，年平均日照時(shí)數(shù)1 802 h，土壤類型以山地紅壤為主[12]。區(qū)內(nèi)溪流多，流域面積50 km2以上的溪流有11條，閩江支流建溪橫貫境內(nèi)。建陽區(qū)總面積3 427.02 km2，下轄13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)或街道（圖1）。據(jù)森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)，建陽區(qū)森林資源居福建省第四位，林地面積2.741×105hm2，占全區(qū)土地總面積的81%，全區(qū)森林覆蓋率78.02%，省級(jí)以上重點(diǎn)生態(tài)公益林面積8.23×104hm2，森林蓄積量2.306×107m3，是福建乃至我國南方重要林區(qū)之一，為“中國竹子之鄉(xiāng)”之一。

圖1 建陽區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布示意圖Fig.1 Town distribution of Jianyang district

2 數(shù)據(jù)收集與計(jì)算方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)主要來源于建陽區(qū)林業(yè)局分布于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的小班數(shù)據(jù)以及政府官網(wǎng)的公開數(shù)據(jù)，其中包括森林總蓄積量、各林種蓄積量及分布面積，由于經(jīng)濟(jì)林、竹林、灌木林、未成林造林地等在森林資源清查中未統(tǒng)計(jì)蓄積量，此外福建省于1995年提出保護(hù)小區(qū)的建設(shè)規(guī)劃，建陽區(qū)積極響應(yīng)，由林業(yè)局建立詳盡檔案，在小班統(tǒng)計(jì)中將保護(hù)小區(qū)作為林種單列且統(tǒng)計(jì)蓄積量，故本研究選擇保護(hù)小區(qū)、水土保持林、水源涵養(yǎng)林、用材林四大類的林種。其中保護(hù)小區(qū)是指國家為了保護(hù)珍貴和瀕危動(dòng)植物以及各種典型的生態(tài)系統(tǒng)，保護(hù)珍貴的地質(zhì)剖面，為進(jìn)行自然保護(hù)教育、科研和宣傳活動(dòng)提供場(chǎng)所，并在指定的區(qū)域內(nèi)開展旅游和生產(chǎn)活動(dòng)而劃定的特殊區(qū)域。

2.2 數(shù)據(jù)處理

以空間自相關(guān)方法為依據(jù)，以小班數(shù)據(jù)和建陽區(qū)13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的鄉(xiāng)界shp文件為數(shù)據(jù)源，借助GeoDa和ArcGIS 9.2等分析軟件，對(duì)建陽區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林單位面積蓄積量和各林種單位面積蓄積量的空間地域分布進(jìn)行分析。由于本文統(tǒng)一以鄉(xiāng)鎮(zhèn)單元作為研究對(duì)象，將小班數(shù)據(jù)按所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行歸納統(tǒng)計(jì)，其中所指的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為鎮(zhèn)級(jí)鄉(xiāng)、鎮(zhèn)及街道，而且不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積存在較大差異，僅僅統(tǒng)計(jì)總蓄積量可能造成數(shù)據(jù)的極差化，故本研究統(tǒng)計(jì)了森林單位面積蓄積量，即某鄉(xiāng)鎮(zhèn)各林種蓄積量/分布小班的總面積。

2.3 空間自相關(guān)分析方法

利用ArcGIS 9.2、GeoDa軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和分析。以建陽區(qū)行政區(qū)劃圖為底圖，ArcGIS 9.2軟件中進(jìn)行建陽區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)界限的劃分，隨后在GeoDa軟件中通過空間分析模塊計(jì)算全局Moran’s I指數(shù)和Moran散點(diǎn)圖，通過999次的隨機(jī)化檢驗(yàn)計(jì)算P值從而驗(yàn)證其顯著性水平，最后生成LISA集聚圖。

2.3.1 全局空間自相關(guān)

選取常用的空間自相關(guān)全局Moran’s I指數(shù)[14-18]，其大小介于[-1，1]，若Moran’s I顯著為正，則說明空間要素呈顯著集聚，絕對(duì)值越靠近1，說明全局范圍空間要素的空間自相關(guān)性較強(qiáng)或與鄰近地區(qū)具有較強(qiáng)的相似性；若Moran’s I顯著為負(fù)，則說明空間要素呈顯著的離散分布，說明全局范圍空間要素差異顯著或與鄰近地區(qū)存在顯著性的差異，絕對(duì)值越靠近1，其差異性越大。其表達(dá)式如下

式中：n是建陽區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)總數(shù)；xi和xj分別為森林單位面積蓄積量（各林種單位面積蓄積量）在鄉(xiāng)鎮(zhèn)i和j上的屬性值，x是在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位面積蓄積量的平均值；wij是空間權(quán)重矩陣。

進(jìn)行Moran’s I指數(shù)顯著性檢驗(yàn)時(shí)，一般采用Z檢驗(yàn)[19]。具體公式如下

式中：E（I）為單位面積蓄積量自相關(guān)性的期望；Var（I）代表方差；Z為標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量。當(dāng)置信度為99%時(shí)，-2.58＜Z＜2.58；當(dāng)Z＞2.58或＜-2.58表示區(qū)域總體上空間自相關(guān)是正顯著或負(fù)顯著的。

2.3.2 局部空間自相關(guān)

由于全局Moran’s I指數(shù)無法反映空間要素與其鄰近空間要素的空間相關(guān)性[20]。因此，利用局部Moran’s I指數(shù)（LISA）分析各鄉(xiāng)鎮(zhèn)i和j之間森林單位面積蓄積量的異質(zhì)性。表達(dá)式如下

各符號(hào)代表含義與公式（1）和（2）相同。局部Moran’s I指數(shù)大小同樣介于[-1，1]，若Moran’s I顯著為正，表示空間正相關(guān)，說明具有相似變量值的空間要素在空間集聚；若Moran’s I顯著為負(fù)，則說明具不相似變量值的空間要素在空間集聚；若Moran’s I為0時(shí)，代表空間要素在空間中隨機(jī)分布。

此外，運(yùn)用Moran散點(diǎn)圖說明空間要素的局部自相關(guān)性[20]。Moran散點(diǎn)圖由數(shù)據(jù)組（X，WX）生成，散點(diǎn)圖中X軸代表建陽區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林單位面積蓄積量的標(biāo)準(zhǔn)化值（X），Y軸代表標(biāo)準(zhǔn)化值（X）的空間滯后變量（即WX）。散點(diǎn)圖的四個(gè)象限可反映空間聚集特征（表1）[21]。

表1 Moran’s I散點(diǎn)圖反映的空間聚集特征Tab.1 The characteristics of spatial cluster reflected by Moran's I scatter plot

3 結(jié)果分析

3.1 建陽區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)各林種單位面積蓄積量的分布特征

通過對(duì)建陽區(qū)13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)各小班數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析見表2，發(fā)現(xiàn)崇雒鄉(xiāng)、回龍鄉(xiāng)及小湖鎮(zhèn)等各林種的單位面積蓄積量在所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)中均屬前列，如崇雒鄉(xiāng)分別為保護(hù)小區(qū)單位面積蓄積量171.39 m3/hm2、水土保持林單位面積蓄積量132.04 m3/hm2、水源涵養(yǎng)林單位面積蓄積量137.11 m3/hm2、用材林單位面積蓄積量121.26 m3/hm2、總單位面積蓄積量139.49 m3/hm2。麻沙鎮(zhèn)的各林種單位面積蓄積量在13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中排名均靠后，分別為保護(hù)小區(qū)單位面積蓄積量111.42 m3/hm2、水土保持林單位面積蓄積量100.12 m3/hm2、水源涵養(yǎng)林單位面積蓄積量69.02 m3/hm2、用材林單位面積蓄積量71.07 m3/hm2、總單位面積蓄積量76.63 m3/hm2。

表2 建陽區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)各林種單位面積蓄積量的組成情況

3.2 建陽區(qū)各林種單位面積蓄積量的全局空間自相關(guān)分析

利用建陽區(qū)13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的森林單位面積蓄積量（包括總森林、保護(hù)小區(qū)、水土保持林、水源涵養(yǎng)林、用材林）為空間變量，基于GeoDa軟件[20]運(yùn)行計(jì)算建陽區(qū)13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)空間單元各林種單位面積蓄積量的全局Moran’s I指數(shù)（表3）。

表3 建陽區(qū)13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林各林種單位面積蓄積量的全局Moran’s I指數(shù)Tab.3 Global Moran's Iof different forest types’volume per area in Jianyang district

從表3可得，建陽區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)各林種單位面積蓄積量的全局Moran’s I指數(shù)均小于0，指數(shù)介于-0.41至-0.09，差異不大且所有單位面積蓄積量均未通過顯著性水平檢驗(yàn)，說明建陽區(qū)森林單位面積蓄積量在空間上分布整體呈現(xiàn)出隨機(jī)性的規(guī)律。

3.3 建陽區(qū)各林種單位面積蓄積量的局部空間自相關(guān)分析

利用建陽區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林單位面積蓄積量的標(biāo)準(zhǔn)化值為X軸，標(biāo)準(zhǔn)化值的空間滯后變量（即WX）為Y軸，應(yīng)用GeoDa軟件進(jìn)行局域空間自相關(guān)指標(biāo)計(jì)算后生成各林種單位面積蓄積量的Moran散點(diǎn)圖（圖2）。

圖2 建陽區(qū)各林種單位面積蓄積量的散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plots of different forest types’volume per area in Jianyang district

從圖2可得，建陽區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)各林種單位面積蓄積量在第一象限分布較少，但大部分散點(diǎn)分布于第二、四象限內(nèi)，形成負(fù)空間相關(guān)的第二、四象限中散點(diǎn)集聚雖較多，但分布的擬合曲線顯著性較低（P＞0.05），呈不顯著的負(fù)空間相關(guān)，因此空間分布以隨機(jī)分布為主。說明各鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林單位面積蓄積量基本不存在顯著的空間自相關(guān)。

基于公式（3），用GeoDa軟件對(duì)建陽區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)各林種單位面積蓄積量的局域自相關(guān)系數(shù)繪制LISA聚集圖（圖3），從而判斷各鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林單位面積蓄積量空間分布的聚集程度，并確定局域存在的“熱點(diǎn)區(qū)”和“冷點(diǎn)區(qū)”。

從圖3可發(fā)現(xiàn)，莒口鎮(zhèn)總森林單位面積蓄積量、水土保持林單位面積蓄積量、用材林單位面積蓄積量均處于冷點(diǎn)區(qū)；黃坑鎮(zhèn)總森林單位面積蓄積量、用材林單位面積蓄積量，書坊鄉(xiāng)水源涵養(yǎng)林單位面積蓄積量、用材林單位面積蓄積量，小湖鎮(zhèn)保護(hù)小區(qū)單位面積蓄積量也處于冷點(diǎn)區(qū)，說明上述幾個(gè)區(qū)域各林種單位面積蓄積量與鄰近鄉(xiāng)鎮(zhèn)差異性大。水吉鎮(zhèn)的總森林單位面積蓄積量和水土保持林單位面積蓄積量均處于熱點(diǎn)區(qū)，由于全局Moran’s I指數(shù)小于0，熱點(diǎn)區(qū)代表單位面積蓄積量較低，說明上述幾個(gè)區(qū)域各林種單位面積蓄積量相對(duì)較小。

圖3 建陽區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)各林種單位面積蓄積量的LISA聚集圖Fig.3 LISA cluster maps of different forest types’volumeper area of all towns in Jianyang district

另外，建陽區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)各林種單位面積蓄積量在空間分布上未呈現(xiàn)出聚集性規(guī)律，僅莒口鎮(zhèn)和書坊鄉(xiāng)用材林單位面積蓄積量呈負(fù)相關(guān)性的聚集分布。

4 結(jié)論與討論

空間自相關(guān)分析可考慮地理空間因素對(duì)空間要素的效應(yīng)，更清晰地認(rèn)識(shí)空間要素分布特征，為合理經(jīng)營空間要素提供理論依據(jù)[22]。在本研究中，建陽區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)空間的不同林種單位面積蓄積量空間自相關(guān)全局指數(shù)反映了建陽區(qū)所有林種單位面積蓄積量分布均為隨機(jī)分布，一方面可能與文中取樣尺度（小尺度）有關(guān)；另一方面與建陽區(qū)作為我國南方主要林區(qū)之一有關(guān)，其作為主要林區(qū)在全區(qū)均衡發(fā)展林業(yè)產(chǎn)業(yè)，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)單位面積蓄積量差異性小、未出現(xiàn)顯著集聚或分散的現(xiàn)象。由于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)所擁有林地面積不一樣，故取樣尺度范圍內(nèi)的林分總蓄積量差異較大，其空間自相關(guān)格局也將不一樣。

局域Moran’s I指數(shù)同樣反映出建陽區(qū)森林單位面積蓄積量的空間分布以隨機(jī)分布為主，表明各鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林單位面積蓄積量基本不存在顯著的空間自相關(guān)。LISA聚集圖則可直觀反映出鄉(xiāng)鎮(zhèn)各林種單位面積蓄積量的冷點(diǎn)區(qū)和熱點(diǎn)區(qū)，其中莒口鎮(zhèn)各林種蓄積量與鄰近鄉(xiāng)鎮(zhèn)差異性大；水吉鎮(zhèn)的總森林單位面積蓄積量和水土保持林單位面積蓄積量均處于熱點(diǎn)區(qū)，蓄積量相對(duì)較低。相鄰冷點(diǎn)區(qū)和熱點(diǎn)區(qū)的確定可為林業(yè)生產(chǎn)中各林種在鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)中的優(yōu)化與傾斜提供重要的參考信息，如莒口鎮(zhèn)為作冷點(diǎn)區(qū)，其相鄰書坊鄉(xiāng)、麻沙鎮(zhèn)及徐市鎮(zhèn)對(duì)應(yīng)的水源涵養(yǎng)林、用材林及水土保持林則應(yīng)提升營林管護(hù)水平促進(jìn)林分提質(zhì)增效；而水吉鎮(zhèn)作為熱點(diǎn)區(qū)，表明總森林經(jīng)營水平不高，須全林提升質(zhì)量促進(jìn)林分蓄積量增長。

森林空間相關(guān)性研究，是定量評(píng)價(jià)森林經(jīng)營水平與可持續(xù)發(fā)展的重要評(píng)價(jià)手段，但在相關(guān)研究中以大尺度為主，中小尺度相關(guān)研究報(bào)道較少，因此，本研究方法及其結(jié)論在福建其它林區(qū)如三明等地可進(jìn)一步驗(yàn)證使用和改進(jìn)完善。LISA圖和Moran’s I指數(shù)雖然得出森林單位面積蓄積量的空間分布規(guī)律和聚集程度，但森林單位面積蓄積量受多種外部因素影響，包括地形、氣候、光照、林齡、水分、溫度、濕度、土壤肥力等。因此，今后應(yīng)對(duì)建陽區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，將所有影響森林單位面積蓄積量的因子建成數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用地理加權(quán)回歸模型模擬森林單位面積蓄積量與影響因子的關(guān)系，進(jìn)而更精確地掌握森林單位面積蓄積量的空間分布規(guī)律和聚集模式。